阅读说明：本技术 用于多成分系统的混合器设计 (Mixer design for multi-component systems ) 是由 奥斯丁·W·欧文斯 贾斯丁·T·斯蒂芬 亚当·S·特罗斯 米切尔·S·凯莉 大卫·A·库克 于 2018-04-30 设计创作，主要内容包括：提出了一种用于多成分喷枪(100)的混合器。混合器具有混合器主体,该混合器主体包括具有出口的混合腔室(400)。该混合器还具有第一流体成分入口(410),第一流体成分入口(410)联接到第一流体导管,被构造为将第一流体成分引入到混合腔室(400)中。混合器还具有第二流体成分入口(420),第二流体成分入口(420)联接到第二流体导管,被构造为将第二流体成分引入到混合腔室(400)中。第一流体成分入口和第二流体成分入口相对于混合腔室的中心线偏移(412、422),并且被定位成使得来自第一入口的第一流体流被导向出口,并且来自第二入口的第二流体流被导向出口。(A mixer for a plural component spray gun (100) is presented. The mixer has a mixer body including a mixing chamber (400) having an outlet. The mixer also has a first fluid composition inlet (410), the first fluid composition inlet (410) coupled to the first fluid conduit configured to introduce the first fluid composition into the mixing chamber (400). The mixer also has a second fluid composition inlet (420), the second fluid composition inlet (420) coupled to the second fluid conduit configured to introduce the second fluid composition into the mixing chamber (400). The first and second fluid component inlets are offset (412, 422) relative to a centerline of the mixing chamber and positioned such that a first fluid flow from the first inlet is directed to the outlet and a second fluid flow from the second inlet is directed to the outlet.)

用于多成分系统的混合器设计

背景技术

多成分系统混合两种或多种流体，并将混合物应用到施工现场。多成分系统通常用于喷射两种成分，这些成分混合后会反应并固化在表面上。多成分系统的一种特殊用途是通过A成分和B成分的反应生成泡沫，在喷射该泡沫时会迅速反应并固化。适当的泡沫产生需要足够的流体输送，足够的化学混合和足够的流体分散。

多成分喷枪具有三个主要部件：连接体，枪体和枪柄。连接体使两种多成分例如通过A化学口和B化学口进入混合器。枪体包括过滤器、侧密封件、混合器和流体喷嘴。枪柄包括空气净化供应件、触发机构和枪体的附件。

发明内容

提出了一种用于多成分喷枪的混合器。混合器具有被构造为将第一流体成分引入到混合器的第一流体成分入口。混合器还具有被构造为将第二流体成分引入到混合器的第二流体成分入口。第一流体成分入口和第二流体成分入口相对于混合器的中心线偏移并且被定位成使得来自第一入口的第一流体流被引导远离第二入口，并且使得来自第二入口的第二流体流被引导远离第一入口。

附图说明

图1A至图1C分别是本发明的实施例特别有用的多成分喷枪的示意性侧视图，正视图和分解透视图。

图2示出流体被施加到壁的示意图。

图3A和图3B示出已知混合器的设计。

图4A至图4H示出根据本发明的实施例的混合器与图3A至图3B的已知混合器之间的比较。

图5A至图5F示出根据本发明实施例的混合器的示意图。

图6A至图6C示出根据本发明的实施例的在可移除喷嘴内的混合器。

图7A至图7C示出根据本发明一些实施例的替代混合器配置。

具体实施方式

多成分喷枪接收至少两种流体，这些流体在混合器中反应性合并，然后被分配。混合器通过单独的入口接收两种流体中的每一种。混合器促使来自它们各自入口的多种成分混合，并通过出口发射产品，然后该产品在出口处喷射或以其他方式提供。混合器负责两种成分(例如，液体成分A和液体成分B)的有效混合。成分A和成分B固化后会产生多种不同的材料，例如，隔热材料，保护涂层等。

用于多成分混合和喷射的一些重要工艺变量是流体输送、流体分散和化学混合。流体输送受流量控制和过滤的影响。通过减少喷出和降低背压影响化学混合。流体分散受喷射方式的影响，而喷射方式又会受到喷嘴几何形状和/或尺寸的影响。本文所述的一些实施例利用具有猫眼出口的喷嘴。然而，本文描述的实施例也可以与任何其他合适的出口和/或内部几何形状一起使用。

成分A和成分B各自通过两个分开的入口点泵入多成分喷枪混合器中，以降低发生交叉事件的风险，例如，成分A回流到成分B的流体管线中，并在成分B的流体管线内发生反应。交叉事件可能导致多成分枪变得无法使用。成分A和成分B的化学混合可以通过减少喷出和降低背压来改善。可以通过修改成分A和成分B的入口点之间的孔偏移来减少喷出。可以通过修改成分A和成分B进入混合器的孔角来减少背压。

图1A至图1C示出本发明的实施例可以是有用的多成分喷枪100。当触发器110被启动时，喷枪100被构造为通过出口150喷射混合的流体。流体成分通过入口102和104(如图1B所示)进入喷枪100。例如，成分A可以通过入口102进入，成分B可以通过入口104进入。

图1C示出多成分喷枪100的分解图，示出混合器120在喷枪100内的位置。混合器120分别从入口102、104接收进入的成分A和成分B。

图2示出流体被施加至表面的示意图。使用伯努利原理和动量守恒，可以使用下面的公式1至3得出施加到壁的法向力和流量。

F_n＝ρAV²sinθ (1)

在公式1至3中，F_n是法向力230，体积流量Q，Q1和Q2分别对应于流量212、232和234。A是喷嘴的面积，V是喷嘴出口处的速度，θ是倾斜壁220的角度222或冲击角。

使用公式1，确定了当冲击角222为90°时法向力230最大。以一角度冲击喷出可以减小作用在壁上的法向力，从而减小力。流量232和234也取决于角度222。在角度222不等于90°的情况下，流体具有较高在与第二方向相反的第一方向上运动的趋势，例如，流量232大于流量234。

如使用公式1至3所示，在第一种情况下，相对于成分B的入口，成分A进入的90°冲击角可能会导致较高的背压，这可能会将流量平等地分配到混合器的两侧。由于大多数混合器设计只有一个出口，因此这种平等的分配可能会带来不利影响。流体粒子被转向到与出口方向相反，从而限制了进入混合器的流。进而，这需要更大的压力才能使流反向流回出口。由于混合腔室壁是弯曲的，因此与垂直壁相比，流体颗粒可能具有轴向运动的趋势，而不会反弹回入口。

在第二种情况下，来自液体成分A和成分B的流体颗粒在混合器内的相会处相互冲击时完全静止。然后可能必须沿混合器加速流体颗粒以获得轴向速度，这会影响所需的压力。入口之间具有较高的偏移将减少流体成分彼此之间的冲击，从而压力仅是通过冲击腔室壁而产生的。然而，使液体成分A和成分B的流彼此冲击确实确保了有效的混合。

除了上面介绍的第一种和第二种情况外，当孔处的压力改变较大量时，来自一个入口(例如，成分A入口)的液体流入相反的入口(例如，成分B的入口)的风险更高，而不是通过出口离开。这种情况会产生交叉事件，液体成分在喷枪内部发生反应并固化。在许多情况下，经历交叉事件的喷枪不再可用。因此，期望在不增加交叉风险的情况下提高效率。至少本文描述的一些实施例实现了这种改进。

图3A和3B示出已知混合器的设计。例如，图3A示出可从总部位于新泽西州莱克伍德的聚氨酯机械公司获得的混合器(以下称为“PMC腔室”)。图3A所示的PMC腔室是标准00混合腔室和00喷嘴，其被构造为使用两个入口孔310和320在混合器300中混合液体成分A和成分B，所述入口孔310和320被布置成与各自的中心线偏移0.010英寸(如图3A所示)。液体成分A的一部分冲击在混合器300的壁上，而其余部分冲击在液体成分B上。液体成分B的行为类似。图3B示出混合器300的示意性截面图350，示出由入口310和320之间的偏移中心线引起的它们之间的重叠330。

混合器需要重点考虑几个不同的设计要求。除了减少交叉事件之外，还期望维持或提高混合器内流体混合的效率。另外，在操作过程中，必须由喷枪维持功能性的喷射模式。理想情况下，混合器还可以在最少改造或根本没有改造的情况下与现有的多成分喷枪技术兼容。还期望维持或增加通过混合器的流体的流量。本文中的至少一些实施例增加了当前混合器设计的稳健性，并使设计对可以由进入混合器的两种流体之间的压力不平衡引起的交叉更有抵抗力。本文描述的至少一些实施例将一种或两种流体成分入口相对于混合器的角度从直接垂直于混合器的侧壁改变为朝向出口的角度。在一个实施例中，该角度为约10°。本文描述的实施例还可以增加两种流体成分的混合器入口之间的间隔。这些变化可以降低入口孔的背压，减少流体向相反侧孔的喷出，并在所有潜在压差条件下促进混合器内化学品的正确混合。

图4A至图4H示出根据本发明的实施例的混合器与图3A至图3B的混合器之间的比较。图4所示的混合器400包括接收第一流体入口410和第二流体入口420的混合器主体。如图所示，流体成分入口410和420每个分别以孔角412和422倾斜一角度。在一个实施例中，孔角412和422约为10°。然而，可以以其他角度诸如5°至20°来实践实施例。另外，如图所示，入口410和420的位置相对于先前的设计是不同的。

倾斜的孔的一个优点是，当两种流体成分通过入口410和420进入混合腔室400时，它会导致较大的轴向(即，沿出口方向)流体速度分量。当两种流体在偏移平面上进入混合腔室时，会引起涡旋或流体旋转，从而提高了两种流体混合和反应的能力。朝向出口倾斜的孔410、420意味着，当流体在混合腔室400中旋转时，几乎没有机会循环到相对的孔并形成小的再循环区域，如果一侧发生压力损失，该小的再循环区域可能是交叉的触发点。

孔位置是抗交叉设计的重要考虑因素，因为入口孔410、420应该偏移混合腔室的中心线。在图3A和图3B的设计中，每个孔从混合腔室中心线偏移0.010英寸，导致入口的进入平面之间的总偏移距离为0.020英寸。由于混合器300的入口直径是0.032英寸，因此每个孔可以看到另一孔的一小部分，这导致流体从一侧喷出到另一侧，并且在每个孔的入口区域中再循环。如图4A所示，在一个实施例中，入口孔410、420距中心线的偏移增加到0.040英寸，或总偏移为0.080英寸，并且混合器400的内径增加以允许更大的偏移。

图4B是计算流体流动压力图，示出沿着混合器400的表面在流体流动方向430上经历的压力场。使用水作为流经入口410和420的介质获得图4B的压力场。两个入口的流量保持恒定在0.6加仑/分钟(GPM)。图4C示出使用图3A和3B所示的混合器300的类似压力场。如图4B和图4C之间的比较所示，在以160米/秒经历相同的最大速度的情况下，使用混合器400经历的压降低于使用混合器300经历的压降。

图4D示出了混合器300的速度。如所预期的，在流体喷出415和425的相交处经历了几乎为零的速度。然而，当混合器402的一端被阻塞时，流体颗粒被引导离开出口并被弹回。来自这些颗粒的力，与冲击在圆壁上的入口流体压力结合，产生了涡流运动，如图4E所示。相比之下，当液体成分A和成分B切向***圆形空间时，如图4F和4G所示，它们产生整体旋转运动。当流体沿着混合腔室400的长度方向流动时，旋涡运动消散。此行为是由沿轴430的低压区域引起的。壁附近的流体颗粒向内运动到低压区域。旋转运动被转换成沿着混合腔室400的长度的轴向运动，如图4F所示。图4G绘制了混合器400的涡旋场，量化了沿着混合器400的长度430的旋转运动的减少。

还使用聚合物流体进行了附加模拟。在一个示例中，使用了A-异氰酸酯和B-多元醇。两种成分在高于室温的温度下进入混合器300和400。因此，使用旋转粘度计测量动态粘度。当A在120±3°F分散且B在130°±30°F分散时，发现动态粘度值为A-0.045Pa.s和B-0.145Pa.s。CFD模拟量化了入口之间的压差。使用混合器400，观察到压差950PSI，而混合器300仅达到压差575PSI。较大的压差允许混合器400避免由于用户错误和/或泵故障而引起的交叉。还通过模拟在入口处设置压力的情况下计算了流量。混合器400经历了0.147磅/秒，而混合器300经历了0.108磅/秒。

还在混合器300和400之间进行了实验测试。在设定的泵压下，使用不同的流体比较了每种设计的枪压。对于液体成分B，混合器400的枪压比混合器300的枪压高260PSI。对于液体成分A，枪压为200PSI。如图所示，与混合器300相比，混合器400具有较低的背压。在设定的泵压较低的背压允许较高的流量。这验证了使用上述CFD分析获得的模拟较高流量。

还进行了测试以对于混合器300和400两者有意引起液体成分之间的交叉。在图4H中将结果示出为对于不同的B与A比率，使用喷枪时在成分A和成分B之间的压差值。混合器400能够实现压差841PSI，而混合器300(在图4A至图4H中示出为混合器402)最大为384PSI。

另外，比较了使用混合器300和400喷射的泡沫的密度，并列于下表1。在2000PSI设定点喷射泡沫，成分A在120°F输送，成分B在130°F输送。请注意，这两种设计均经过两次通过样品测试，而不是规格为46.45kg/m³的单次通过。使用混合器400获得的密度值相似，表明相似的混合能力。

表1

混合器300的CFD分析导致在560PSI差时交叉。在测试混合器400时，直到950PSI的差时才发生交叉。因此，交叉的机会减少了70％。在实验室环境中，使用混合器400不会引起交叉。

对体积分数的CFD分析表明，腔室300和400内的混合相似，而混合器400显示出成分之间的混合略有改善。

对于至少一些实施例，当与混合器300相比时，喷射模式和喷射雾化得到了改善。相对于使用混合器300获得的喷射模式，喷射模式已变宽。另外，如比较图3A和图4A所示，混合器400被构造为安装在类似的喷枪构造内。

混合器400的另一个好处是实现增加的质量流量。使用相同的入口尺寸和喷嘴测试混合器400。CFD结果表明，就质量流量而言，新设计的性能比当前设计高出28％。较高的流量使操作员可以更快地完成工作，从而节省了每个工作上操作员的时间和金钱，并允许操作员使用相同的设备完成更多的工作。混合器400和本文讨论的类似实施例可以在维持泡沫密度标准和质量的同时完成该任务。

图5A至图5F示出根据本发明实施例的混合器的示意图。混合器500被构造为用于多成分喷枪中。图5D示出沿图5A所示的线A-A的截面截取的视图。图5E示出沿图5B中的线B-B截取的喷枪的横截面。图5F示出沿着图5C中的截面C-C截取的混合器500的横截面图。混合器500被构造为在混合器的相对侧上的入口处接收两种成分，如图5E和5F所示。入口包括具有孔角512的偏移距离510。在一个实施例中，如混合器500所示，成分A和成分B均经历相同的偏移角度512和入口偏移距离510。然而，可以不同地构造其他实施例，例如，A和B入口具有不同的偏移角度和/或不同的入口偏移。混合器500具有约0.113英寸的腔室直径502，与先前的设计相比，其可以允许更高的体积流量。

图6A至图6C示出根据本发明的实施例的在可移除喷嘴内的混合器。如图1C所示，在当前设计中，混合器通常位于喷枪内。在发生交叉的情况下，必须彻底拆卸喷枪，以移除混合器并解决交叉事件造成的损坏。另外，在将喷枪用于不同操作的情况下(这可能需要不同混合器构造)，必须在使用之间按照期望的混合器构造拆卸和重新组装喷枪。期望混合器更容易从喷枪设计中移除和更换。在图6A至图6C中示出实现这些目标的一个实施例。喷嘴600被构造为***喷枪(诸如喷枪100)内，使得流体在离开出口150之前流过喷嘴。

图6B示出沿图6A中的线A-A截取的喷嘴600的横截面图。在一个实施例中，将混合器结合到喷嘴600中，使得第一液体成分以入口偏移(未示出)和偏移角度612通过入口602进入，而第二成分以入口偏移(未示出)和偏移角度614通过入口604进入。入口602和604的偏移可以相同或不同。入口角度612和614可以相同或不同。在一个实施例中，入口偏移是0.010英寸，并且入口角度612和614每个相对于混合器的中心线为20°。然而，偏移角度612和/或614可以具有大于20°的大小，例如，21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°或28°。另外，尽管已经将602和604的入口偏移描述为0.010，但是它也可以更小，例如，0.005英寸或0.006英寸或0.007英寸或0.008英寸或0.009英寸。图6C示出体积流沿着流动路径630通过喷嘴600到达出口。如图所示，在具有最小的交叉风险的情况下，沿着混合器630在成分A和成分B之间实现完全混合。

图7A至图7C示出根据本发明一些实施例的替代混合器构造。在图7A中，混合器700包括入口702和入口704，入口702和入口704被构造为允许成分进入混合腔室700并通过出口706离开。图7B示出具有混合腔室设计710的另一种混合腔室设计，具有入口712和714以及出口716。另外，图7C示出具有第一入口722、第二入口724和出口726的混合腔室720。