差动喷射器 【技术领域】
本发明涉及一种流体混合和/或充气设备。本发明还涉及一种文丘里类型或者抽吸式流体混合和/或充气装置，本发明还涉及一种用于使第一流体将第二流体溶解于其中并达到其饱和状态或者基本上达到其饱和状态的装置。
背景技术
多种流体混合装置已经被设计出来，其中文丘里管适用于不同类型的机械喷射器。流经管和其它流动装置的流体具有与该装置相关的并对于该装置为固有的损耗，这些损耗取决于形成流动通道和装置的材料类型以及用于生产流体流动装置的制造方法。另外，取决于通道的物理特征(即，表面纹理、粗糙度等)或者流体横穿的表面、产生流动的压头损耗。
在一个流动装置(诸如文丘里管受驱流动系统)内的这些损耗会因装置的不同而变化，这取决于其所适合的机械部件。例如，在通过流动装置的主流体流内的液体、气体或者其它成分喷射的过程中，与机械部件(诸如止回阀、机械喷射器、鼓风机、压缩机、泵等)相关的损耗用于使流体流动最小化以及增大压力差。
一般说来，根据流体力学的第一基本原理，在互连的流动通道或流体部件的网络内维持流体流动地主要目的是使与各个机械部件相关的总压头损耗达到最小。大多数常规流体流动装置不能达到本发明在这里所描述的减小总压头损耗的目的。如果不能大大地降低上述与机械部件相关的压头损耗，那么在大多数流动装置内会出现体积流速大大降低的情况。这会直接影响到在常规流体流动装置中的主流体通道内或流体流中的多种流体的混合。
例如，授权给Petroe的美国专利US 2,361,150中披露了一种利用多个喷射器或者喷嘴在流出阶段使氯进入浆料流的方法和设备。该机械喷射器周向地设置在流体流或者流体通道内，它会直接导致总压头损耗，与这里描述的差动喷射器不同。
授权给Gamble的美国专利US 2,424,654中披露了一种流体混合装置，它也会产生上述压头损耗的问题。一种具有可调节喉部的文丘里流动装置包括直接设置在该装置的流动路径或者喉部(即，直列式喷射器)的挡板，这与Gamble的专利所教导的类似也会产生总压头损耗。其它多种直列式喷射器是由King(美国专利US 3,257,180)、Van Horn(美国专利US 3,507,626)、Baranowski，Jr.(美国专利US3,768,962)和Longley等人(美国专利US 4,333,833)提出的。
授权给Secor的美国专利(US 398,456)和授权给Mazzei的美国专利(US 4,123,800)披露了一种文丘里流动装置，该装置包括设置在该装置的喉部的混合喷射器。Mazzei的专利特别包括多个端口装置，这些端口装置以一定角度并以保持一定间距的形式设置在喉部周围并且与设置在喉部的内壁内的一个环形腔室互连。这种特别的设计形式与本发明类似，它也试图使通道内的压降最小化。但是，Mazzei的喷射器不能减小在喉部处的压头损耗，与这里描述的本发明不同。
授权给Kool的美国专利US 5,693,226披露了一种用于显示适于定居点使用的水处理系统的设备，其中一个喷射端口或者抽吸分支沿着一个垂直于流体流动方向的方向利用适合其的软管喷射一种污染材料。本发明所涉及的差动喷射器与其不同之处在于，沿着一个平行于流体流动方向的方向进行喷射，这样利用这里所描述的差动喷射器能够大大地减小压头损耗。
Monroe(美国专利US 4,765,373)、Luft等人(AU 203339)、Gretton-Lowe(GB 802,691)、Hollins(GB 870,525)和Evans(GB 132074)的美国专利和外国专利披露了与本发明所涉及的内容相关的流动装置。
本发明与相关技术之间的差别在于，本发明所涉及的差动喷射器无需附加的机械喷射器即可提供混合和/或充气的功能，而提供附加的机械喷射器会增大在主流体流中的压头损耗。基本上在主流体流的流动方向上由喷射而产生的混合或者充气与常规流动装置相比具有很低的损耗。
在这点上，可以看出所请求保护的本发明与上述任何一个发明和专利或者它们的结合是截然不同的。需要这样一种差动喷射器来解决上述问题。
【发明内容】
本发明所涉及的喷射器是一种具有一主流体进入口的流体混合和/或充气装置。一些实施例还包括一收缩的主流体进入口以及一细长的喉部以提高主流体流动的速度。在主流体从进入口部分流到一尺寸变大、压力降低的排出部分时所产生的抽吸作用下，第二流体通过至少一个凹陷在所述装置的壁中的通道被吸入到排出口的前部中。一个或者多个端口将第二流体供给到至少一个凹陷的通道中。第二流体端口与第二流体喷射端口相连或者与大气相通。
在排出部分之后，混合的流体可通过一细长的导管部分，以使第二流体更多地溶解在主流体中，直至达到其饱和状态。
因此，本发明的一主要目的在于，提供一种通过喷射减少在流动装置中的总压头损耗的差动喷射器。
本发明的另一目的在于提供一种利用最少数量的相连机械部件混合流体和/或使流体充气的差动喷射器。
本发明的再一目的在于提供一种使主流体与第二流体混合以使第二流体溶解在主流体中并直至其饱和状态的设备。
本发明的又一个目的在于提供一种易于组装和拆卸以便于检查、清洁或者维修的差动喷射器。
本发明的另一个目的在于提供能够达到所描述的目的的改进部件及其组件，所述改进部件及其组件是便宜的、可靠的并且能够完全有效地完成其所需要达到的目。
从下面的描述和附图中可以明显地看出本发明的这些和其它目的。
【附图说明】
图1是现有技术中所涉及的一种常规文丘里流动装置的透视图。
图2是图1中所示的现有技术中所涉及的一种常规文丘里流动装置的横截面透视图。
图3是本发明所涉及的差动喷射器的分解透视图。
图4是图3中所示差动喷射器的分解横截面图，其中示出了多个用于将流体喷射到流动装置以便于混合的喷射通道。
图5是另一个实施例所涉及的本发明差动喷射器的横截面图，其中示出了由一个环形腔室接合的多个用于将流体喷射到流动装置以便于混合的通道。
图6是本发明所涉及的差动喷射器的另一个实施例的分解透视图。
图6A是图6中所示实施例的一种变型的局部分解图。
图7是图6中所示差动喷射器的分解横截面图。
图8是图6和图7中所示差动喷射器的分解横截面图，所示的差动喷射器处于其组装后的状态。
图8A是图6-8中所示实施例的局部分解横截面图，但具有一个改变的排出部分。
图9A-9F是本发明所涉及的装置的不同布置的示意图。
图10是使用本发明所涉及的差动喷射器的一个真空泵的局部分解横截面图。
图11是本发明所涉及的差动喷射器的另一个实施例的分解横截面图。
图12是本发明所涉及的差动喷射器的另一个实施例的局部分解横截面图。
图12A和图12B是关于图12中所示实施例的变型的局部分解图。
图13是本发明所涉及的差动喷射器的另一个实施例的横截面图。
图14是本发明所涉及的差动喷射器的另一个实施例的横截面图，其中具有一个背压调节装置。
【具体实施方式】
本发明涉及一种在流动装置中利用基本上为零或者很低的喷射损耗的产生混合和/或充气的差动喷射器。图3-5中示出了本发明的两个实施例并且用附图标记20表示。
本发明的一目的在于，利用本发明的方法在一具有基本上为零或者很低的损耗的文丘里式(venturi-type)流动装置内产生一个或者多个流体成分的流体喷射。本发明所涉及的差动喷射器适用于各种应用，诸如用于水和废物处理工厂、废物处理系统、池、jacuzzies的充气装置；用于漆料、化学物品的混合装置或者用于染料和化学物品的喷射器等；用于水处理工厂和油分离工厂的搅拌装置等。
图1和图2中示意性地示出了利用流动装置进行混合的常规流动装置。从这些图中可以看出，一文丘里(venturi)受驱流动装置1具有一流体喷射装置2，流体喷射装置2设置在文丘里管(venturi)1的喉部3处。流体流动入口(流入口)4和出口(流出口)5为装置1提供了主流体流动路径F。由喷射器2提供一第二流体流动路径6。第二流体流6沿着一垂直于主流体流动方向的方向直接被喷射到主流体流中。这种类型的喷射在流体流内产生了一个压力差(或者相关的损耗)，这会降低在常规流动装置中的主流体和第二流体之间均匀混合的程度。
从图3和图4中可以清楚地看出，一个优选实施例所涉及的差动喷射器20包括一基本上为圆柱形的流体流动主体22，流体流动主体22中设置有一文丘里管24。文丘里管24以与主体22同心的方式被设置和定位，以提供通过文丘里管24的主流体流P。文丘里管24具有一主流体流进入口26或者流入部分以及在排出部分中的排出口28。进入口收敛到文丘里管24的喉部27处并且发散至主流体流的排出口28或者流出部分。诸如水的主流体进入到差动喷射器20中以进行混合或者充气。取决于应用领域，包括上述各种化学物品或流体(包括一种或者多种气体，例如空气)的第二流体适用于喷射器20，以便在不直接喷射到文丘里管24的喉部27内的情况下进行混合。本领域普通技术人员显然能够提供适于喷射一种作为所需要的流体的适合的适配器。
因此，提供一第二流体的端口或者喷射器端口30，以供给多种用于与主流体P混合或者为主流体P充气的流体。如图3中所示，喷射器端口30设置在基本上为圆柱形的流体流动主体22的第一壁部40内。作为图3的一个横截面图的图4中还示出了多个通道32的布置情况，多个通道32设置在主体22的第二壁部42内，以从文丘里管24的喉部27向下游输送第二流体流并将第二流体流输送到主流体流P的流出部分。图4中所示的通道32以与文丘里管24平行的方式设置在主体22内。这种布置形式的重要之处在于，相对于主流体的流动方向以基本上为零的流阻(或者很低的流阻)喷射第二流体。该喷射点在差动喷射器20内转变成低的压头损耗。通道32不必与文丘里管平行。也可采用其它的取向。例如见图6-8中的实施例。
根据如图5中所示的另一个实施例，所示的差动喷射器20为一个整体单元并且还包括与第二流体喷射器端口30流体上连通的环形腔室34以及多个周向设置的通道32，所示通道32与文丘里管24同心以提高第二流体与主流体的体积混合比。通道32可与文丘里管24平行或者不平行。
图3-5中所示的实施例所涉及的差动喷射器20的一些优点在于，它是由一种易于加工或者制造成所需尺寸的复合塑料制成的。另外，图3和图4中所示的由这种材料制成的两件式喷射器易于拆卸和分离，以在实际使用中便于检查和/或更换和/或修补。也可使用其它可加工的材料，诸如铝、不锈钢等。本发明所有装置所用的材料最好与通过该装置的流体是相容的并且应该易于加工以便于生产。
利用这样的设计可使如图3-5中所示的差动喷射器达到其它非显而易见的优点，即，使入口部分24中的入口直径减少大约1/2倍并且在等于喉部27直径大约2.5倍的长度上且在喉部27中保持该减小的直径。在喉部27的出口处，在等于入口或流入部分的约1/2的长度内，使该直径在排出部分(出口28附近)扩展，例如扩展到入口直径，从而在经入口部分24流入的过程中使增大的压力在喉部27的端部处迅速降低。在压力减小的且扩展的主流体流动中产生了涡流和紊流，这能够增强抽吸作用并且促进混合。第二流体沟槽或者通道32通过一喷射环与喷射端口相连，喷射环具有等于通道32可挟带的累积容积的几倍的体积容量。
图6和图7示出的本发明的另一实施例与图3和图4中所示的实施例类似，但其中第二流体通道132在它们的入口侧(即，在该装置的外侧)与大气相通并且不与主流体流动方向(图7中箭头A所示方向)平行。图8示出了图6中所示实施例在组装后的形式并且与后面将描述的排出导管140相连。
图6-8中的实施例包括一收敛的主流体流入部分124，主流体流入部分124与图3和图4中所示的流入部分24类似。设置一与图3和图4中类似的喉部127，以及设置一与图3和图4中类似的发散的出口或者排出部分128。如上所述，图6和图7中的第二流体通道132与主流体流是不平行的，但是与主流体流之间形成一个较小的角度(即，大约20度)。已经发现，与主流体的流动方向之间形成大约30度的角度是令人满意的并且能够提供所需的结果。以与主流体的流动方向之间形成大约30度的角度的方式设置第二流体通道可以认为基本上与主流体的流动方向相同。
所示的第二流体通道132的数量是示意性的。可提供更少或者更多的通道，并且通道132可设置在一个或者多个环形环(图6-8中示出了通道132的两个环形环)。如图6A中所示，可利用细长的或者椭圆形通道152代替通道132，细长的或者椭圆形通道152围绕该装置的发散的排出部分128的周边分布。图6A中所示的通道152的数量可被增加或者减少，这取决于应用情况。
如图8中所示，发散的排出部分128可与一导管140相连，导管140具有预定的长度，这取决于流体的类型、压力、速度等，从而当流体通过细长的导管140时可使主流体和第二流体进一步相互结合。由于在导管140的远端处的应用设备(未示出)处提供的背压，流经导管140的混合的流体处于压力下，因此当流体通过导管140时，主流体和第二流体相互之间的溶解会越来越多直至达到所需的点，诸如饱和点。在达到流体的最大饱和点之后，流体将停止相互之间的溶解，多余的流体将以气泡或者颗粒等形式存在并且在流体内带走。
导管140的内径的尺寸可以影响作用在导管140中的背压。例如，增大导管140的直径将减小导管140中的背压，反之亦然。在一些情况下，具有这样一个优点，即，为了调节流过该装置的流体的动力特性，可增大或者减小导管140中的背压。被引入到流体流中的背压大小将影响紊流、速度、涡流、溶解度、气泡尺寸等，以及流过该装置的每一种流体的体积。可利用下面将描述的图14和图14A中所示的背压调节装置来调节背压。
参见图6-8，最好使输入导管141的直径基本上与细长的输出导管140的直径相等。但是，根据具体的应用，各个直径可是不同的。显然，输出导管140可与本发明的任何一个实施例结合使用。
图8A示出了一个变型，其中沟槽129形成在排出部分128的内壁上，以提高紊流和产生紊流，这能够提高混合效果。
图9A-图9F示出了与图6-8中类似的实施例，但是其中该装置是以部件的不同组合形式形成的。
图9A示出了一种整体式结构，而不是如图6-8中所示的两件式结构。可利用一种复合塑料(在前面所述的实施例中所用的材料)加工出图9A中的采用单一部件形式的实施例。或者，可以模制的方式形成主装置，例如利用钻孔的方式加工通道132。也可使用其它制造技术。在图9A-图9F中使用相同的附图标记表示相同或者类似的元件。图9A-图9F中所示的部件可由一种复合塑料或者其它适合的塑料或者金属材料制成。
图9B示出了图6-8中的实施例，但没有收敛的流入部分124。可在进入的主流体流具有足够的速度和压力并且无需收敛部分124来进一步增大压力的情况下使用图9B中的实施例。如果需要的话，图9B中的实施例以及本发明的所有其它的实施例可与图8中所示的输出导管140结合使用。在图9B中的装置中，喉部和排出部分128作为一体制成。
图9C示出了一种两件式结构，其中由单一部件制造喉部127和排出部分128，并且主流体进入部分124是由一第二部件制成的。通过将喉部127的端部插入到在流入部分124中的孔127′中来组装这些部件。可以一种液体密封的方式将两个部分压配合在一起或者可利用粘结剂将它们粘结在一起。
图9D的实施例与图9B的实施例类似，但是一种两件式结构而不是在图9B中所示的整体式结构。在图9D中，喉部被组装在排出部分的一个凸台128′上，凸台128′被插入在位于喉部端部处的开口127′中。与图9C的实施例类似，可以一种液体密封的方式将两个部分压配合在一起或者可利用粘结剂将它们粘结在一起。
图9E示出了一个类似的实施例，但其中的装置是三件式结构。喉部127以上述方式与排出部分128相连以及与流入部分124相连。
图9F示出了与图9E类似的一个实施例，但还包括在其排出端处的一个细长导管140。
图9C-图9F中所示的多部件实施例的一个优点是，可利用标准部件组装成用于一个特定实施例的特定装置，从而有利于制造和有利于进行试验以获得尺寸最佳的装置。如果需要的话，例如具有不同直径和不同的喉部尺寸的不同部件可被使用来进行组装。
如图9F中所示，在该装置的排出端处提供细长的导管140以便当流体通过细长的导管140时在排出部分128后的一段预定的距离上保持压力，从而有利于进一步使流体相互溶解。如上所述，应该理解的是，细长导管140可与前面所述的或者后面将描述的本发明的任何一个实施例结合使用。
图10示出了用作真空泵的图6和图7中所示的实施例。流过入口部分124的主流体B的输入速度足以将空气或者其它第二流体吸入到通道132中，以便在腔室160中产生抽吸作用，该腔室160包围该混合装置的中心部分。如图10中所示，通过将一壳体161(诸如“T”形)安装在该装置的周围而形成腔室160。在腔室160中产生负压并且使该装置以真空泵的方式工作。本领域普通技术人员显然可以认识到，真空或者负压的大小是该装置的物理设计特征的函数。壳体具有一与输出应用装置165联接的管状接头162，以利用在腔室160中产生的真空或者负压。第二接头163可与第二应用装置166联接，以使用真空或者背压。来自于流体储放器170的液体在泵171的作用下通过一导管(B)被泵送到喷射器装置，并且输出流体C返回到流体储放器以重新使用。排气口172设置在流体储放器170中。
图11示出了一种具有用于接收沿箭头A方向流动的主流体的文丘里管124的差动喷射器。文丘里管124具有一喉部127和一向外发散的钟形出口部分129。第二流体被喷射到入口132中，入口132可以以任何所需的数量被设置在差动喷射器120的周边周围。在所示实施例中，差动喷射器通常是圆形的(或者为其它空心管状)并且示出了四个第二流体流喷射器端口132。该图中未示出的该装置的相对的半部包括类似数量的第二流体流喷射器端口。
第二流体流喷射器端口132穿过文丘里管124的发散部分129的壁部并且将第二流体排出到出现涡流中心的主流体流的区域中。作为示例的涡流在图6中用箭头150表示。涡流产生在发散部分129的发散壁的附近和前方(下游)产生，并且其主要部分通常出现在发散壁和在图11中所示的虚线151之间。一个类似的现象发生在图11中所示装置的圆形发散部分129的周边周围并且在第二流体流喷射器端口132附近。
图11中所示的差动喷射器120通过一排出导管154与一输出应用装置相连。可使用一种诸如导管140的导管。
图11中所示的装置以及前面所述的装置利用作为主或者第一流体流以及作为第二流体流的流体来工作，以使流过该装置的流体混合和/或充气。流体可是液体或者气体。端口132相对于流动方向A形成一不大于30度的角度，最好小于20度以使第二流体流基本上与主流体流的方向相同。
图12示出了另一种文丘里管式的装置，该装置具有一用于在收敛部分223中的接收主流体流的管状开口224，主流体流接着在喉部227中被加速。第二流动端口224设置在差动喷射器220的出口或者排出部分229的壁226中。第二流体流入口234利用所示的导管225与第二流体源相连，或者它们可以与图5中的环形开口34类似的方式与一个包围喉部227的歧管相连。喷射端口234的前端部分最好延伸到喉部229的内部中，如在图12A中详细示出的。在图12A中，仅示出了一个这样的喷射端口234。通过以与端口234串联的方式设置堵头、阀、流量调节器、压力调节器、孔或者其它任何流动控制部件，以使端口234独立地控制流体的进入，从而可对通过的第二流体流进行控制。
图12B与图12A类似，并且示出了经过板226′的长方形、卵形或者椭圆形的端口244。端口244的数量可根据具体应用来改变。一般认为，需要4至8个这样的端口244。但是，为了便于描述，仅示出了一个这样的端口244。
图13示出了本发明的具有收敛的入口部分323的另一个实施例，入口部分323向着一细长的喉部327收敛，并且流过喉部的主流体沿着箭头A方向流动。一壳体301设置在该装置的喉部327的至少一个部分周围。壳体301具有一个进入口305，第二流体沿着箭头D的方向通过入口305进入。在该实施例中，没有为第二流体提供单独的第二流体端口。第二流体沿着箭头D的方向流动并且接着沿着箭头E的方向流动，然后在排出口区域304附近进入到主流体流中。当主流体从在区域304附近的喉部327排出时，产生紊流并且产生抽吸作用以将沿着箭头E方向流动的第二流体吸入到主流体流中。图13中所示实施例的一个重要特征是，通过改变主流体被引入到区域304中的位置能够改变流体流动的动力学性能。
从图13中可以看出，图13中所示的装置是圆形的并且仅以截面图的形式示出了圆形的半部。也可使用其它除了圆形以外的空心形状。图13中所示的实施例提供了流过环形第二流体入口的基本上同心的环形第二流体流。
图14示出了本发明的另一个实施例，其中主流体沿着箭头A的方向流入到一文丘里管式的开口部分424的入口中，接着通过喉部427、然后通过发散的排出部分429排出。第二流体通过通道432进入。在所示实施例中，第二流体是空气。但是，可提供与图12中的导管234、225类似的第二流体导管以将诸如第二流体的任何所需流体供给到通道432中。通过端口或者开口432进入的第二流体进入到在排出部分的壁429附近的发散主流体流的一紊流部分中，并且紊流使流过该装置的主流体流混合并充气，所得到的结合的流体流通过(可具有任意长度)的导管401到达一挡板部分402，提供该挡板部分402以产生一背压来改变混合状态。在挡板部分中的背压提供装置包括一细长的螺纹部件403，螺纹部件403被以螺纹连接的方式安装在一固定部件404中。图14A中详细地示出了固定部件404，图14A是沿着图14中的14A-14A线截取得到的一个截面图。固定支撑部件404被设计成能够使对通过导管407的流体流动的阻挡达到最小的形式。在类似403的前端处提供一锥形阻挡部件405以便能够与挡板部分的斜壁406相互配合，从而能够阻挡流体流或者提供背压。当阻挡部件405在图14中向右移动时，阻挡部件405与斜壁406之间的间隔减小，从而能够增大背压。当阻挡部件405在图14中向左移动时，会出现相反的效果。背压的改变能够改变该装置的操作状态，并且在一些情况下，可将该装置从一个混合器转变为一个充气装置，反之亦然。流体通过导管407排出。当它们在压力下在导管401中流动时，背压的控制还能够对于主流体和第二流体之间的溶解进行控制。
在本发明的所有实施例中，主流体流(诸如水流)的流速例如可为每分钟大约1000至2000英尺，可在不施加任何压力的情况下提供第二流体流(诸如空气流)。在主流体流在喉部之后的出口或者排出区域处产生抽吸时，仅环境压力和抽吸作用就足以提供混合和/或充气和/或溶解效果。在一些情况下，增大第二流体流的压力可提高效率。对于这里所示出和/或描述的所有装置，可使用诸如导管140、401、407的细长排出导管，并可以尽可能地长以产生所需的流体饱和(溶解)。可使用诸如1英尺至100英尺的长度，在一些情况下，其长度最好为1英尺至20英尺或者1英尺至30英尺。
图14中的导管407的直径远大于导管401的直径，从而可使背压降低，并且在这种情况下使用可调节的阻挡部件405以对该系统中的压力进行微调。在一些情况下，导管407可很短。
诸如在图14和图14A中所示的一种背压控制装置或者诸如一个挡板、阀、孔或者其它任何类型的限制装置的背压控制装置、或者适合尺寸的导管可用于这里示出和/或描述的任何一个实施例，以控制在相应的系统中的背压。
应该理解的是，本发明不限于上述实施例，而是包括下列权利要求范围内的任何和所有的实施例。