專利名稱：噴射低溫液體的噴射裝置和與該裝置相關(guān)的噴射方法
噴射低溫液體的噴射裝置和與該裝置相關(guān)的噴射方法 相關(guān)申請交叉參考
本申請要求2006年8月28日提交的美國臨時(shí)申請60/840， 616和 2006年10月12日提交的美國臨時(shí)申請60/851， 189的優(yōu)先權(quán)，這兩個(gè)臨 時(shí)申請的標(biāo)題均為"用于低溫沖擊的噴嘴、系統(tǒng)和方法，，。在此將它 們納入一并參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種低溫噴嘴。具體地，本發(fā)明涉及控制 通過低溫噴嘴的低溫液體的流量。噴嘴是位于或靠近出口或終點(diǎn) 的流體管線的收縮部，流體從該噴嘴噴射到壓力比供應(yīng)線內(nèi)的壓 力低的開放空間中。圖1C、 2A-2D和3中所示的流體通道是該噴 嘴內(nèi)的收縮部，這些圖形并未顯示連接到噴嘴的供應(yīng)線。圖1A顯示了用于控制通過噴嘴的低溫液體的流量的 傳統(tǒng)方法。具體地，閥V安裝于該噴嘴的上游，當(dāng)通過噴嘴N的 期望流量小于該噴嘴的設(shè)計(jì)容量時(shí)，該閥限制低溫液體L的流 量。這種傳統(tǒng)方法的問題是液體穿過閥產(chǎn)生的壓降，這種壓降會 造成噴射速度的降低。此外，該壓降導(dǎo)致一部分液體在閥的下游汽化，其能 塞住該噴嘴和/或該噴嘴通道，從而造成流量脈動。在這方面重 要的是要了解，在增大噴嘴孔尺寸以快速地排放汽化損耗 (boil-off)從而消除所產(chǎn)生的流量脈動方面，傳統(tǒng)方法受到制 約。具體地，傳統(tǒng)方法中的較大的噴嘴孔需要更高程度的閥限制， 以獲得同等范圍的流量減少，這樣就會產(chǎn)生更大的壓降和更多的 汽化損耗。當(dāng)噴嘴和連接該噴嘴的輸送線在工作前必須要被冷 卻至室溫以下時(shí)，對傳統(tǒng)方法中增加噴嘴尺寸的這一制約會導(dǎo)致 傳統(tǒng)方法中的另一個(gè)問題。具體地，要迅速排出在這樣的冷卻過 程中產(chǎn)生的大量蒸汽就需要過大尺寸的噴嘴。因此，傳統(tǒng)方法面
6臨在開始正常操作前改變過大尺寸噴嘴的耗時(shí)任務(wù)和設(shè)計(jì)用于 在冷卻期間臨時(shí)增加噴嘴的孔尺寸的系統(tǒng)的復(fù)雜性之間的兩難 選擇最后，傳統(tǒng)方法的另一個(gè)問題是閥本身。具體地，必 須處理低溫液體的岡成本很高，且容易損壞。本發(fā)明提供了一種 用于控制通過噴嘴的低溫液體的流量的方法，其避免了上述問 題。圖1B顯示了對圖1的常規(guī)變體，其通過將閥V定位 在噴嘴N處以減少汽化所引起的流量脈動。通過這種方式，噴嘴 中的汽化發(fā)生就排除了 ，從而避免了相關(guān)的噴嘴堵塞。不幸的是， 這一變體在許多應(yīng)用中不切實(shí)際，因?yàn)榭刂崎y使噴嘴過大、笨重 得不適于安裝到制造機(jī)器中。此外，將壓降移到噴嘴排放處不會 阻止噴射速度的減小。相關(guān)技術(shù)包括KELLETT的美國專利 5385025 ; BRAHMBHATT等的美國專利6363729 ; GERMAIN等的美國專利 6070416;以及K匿EL等的US2002/01 39125 。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是用于控制通過噴嘴的低溫液體的流量的方 法和設(shè)備。該流量是用"節(jié)流"氣體來控制，該"節(jié)流"氣體的 壓力大于或等于低溫液體的壓力，它的溫度則高于該低溫液體的 溫度以及它的沸點(diǎn)低于或等于該低溫液體的溫度。具體來說，本發(fā)明提供了一種方法，其包括提供低 溫液體；提供節(jié)流氣體，該節(jié)流氣體的壓力大于或等于低溫液體 的壓力，它的溫度則高于該低溫液體的溫度，以及它的沸點(diǎn)低于 或等于該低溫液體的溫度；將該低溫液體和該節(jié)流氣體引入接觸 區(qū)并使該液體和該節(jié)流氣體接觸以形成結(jié)果流體；以及通過噴嘴 排出該流體，同時(shí)繼續(xù)將該低溫液體和該節(jié)流氣體引入該接觸 區(qū)。該方法包括使該氣體和液體流動連續(xù) 一 段時(shí)間和在最大流量 到無氣流之間按需調(diào)節(jié)該氣體的質(zhì)量流量和/或溫度、和/或壓力 以調(diào)節(jié)或維持該低溫液體的質(zhì)量流量的步驟。在本發(fā)明的方法中，低溫液體和節(jié)流氣體被引入接觸區(qū)，它們在該接觸區(qū)相接觸形成了結(jié)果流體。該結(jié)果流體通過噴 嘴排放，同時(shí)繼續(xù)將來自接觸區(qū)上游的一個(gè)或更多源的附加低溫 液體和節(jié)流氣體或附加低溫液體，或附加節(jié)流氣體引入該接觸
區(qū)。在本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括控制流體 的質(zhì)量流量和控制作為節(jié)流氣體壓力函數(shù)的所排放流體的液體 組分與氣體組分的質(zhì)量比。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備包括具有上游端部和
下游端部的管道，該管道正面流連通噴嘴。該設(shè)備進(jìn)一步包括連 接加壓氣體供應(yīng)線與該管道的第一供應(yīng)線，和連接該低溫液體供 應(yīng)線與該管道的第二供應(yīng)線。該氣體供應(yīng)線的排放端部正面流連
通該管道的上游端部，同時(shí)該液體供應(yīng)線以45-1 35度流連通該 管道的上游端(自該管道測量)。在本發(fā)明的第二個(gè)設(shè)備實(shí)施例中，該設(shè)備包括管道和 噴嘴，該管道具有第一進(jìn)料端部和可以為相對進(jìn)料端部的第二進(jìn) 料端部，該噴嘴包括沿該管道的管壁長度的至少一部分排列的一 排開口 (或縫隙)。該設(shè)備進(jìn)一步包括第一供應(yīng)線和第二供應(yīng)線， 該第一供應(yīng)線具有與該管道至少一個(gè)進(jìn)料端部正面流連通的排 放端部，該第二供應(yīng)線具有以45-1 35。流連通該管道至少一個(gè)進(jìn) 料端部的排放端部。該角度自該管道開始測量。在該笫二設(shè)備的 一個(gè)實(shí)施例中，正面流連通管道的第一供應(yīng)線連接加壓氣體供給 與管道，而以45-1 35°流連通或以90-1 35°流連通管道的第二 供應(yīng)線連接低溫流體供應(yīng)線與管道。在本發(fā)明的第三設(shè)備實(shí)施例中，該設(shè)備包括環(huán)形空 間，其由同軸地圍繞內(nèi)管的外管所限定，該內(nèi)管的管壁上包括多 個(gè)開口。該環(huán)形空間具有第一進(jìn)料端部和相對的進(jìn)料端部，它們 分別鄰近內(nèi)管的笫一入口端部與相對的入口端部。該設(shè)備進(jìn)一步 包括噴嘴、第一供應(yīng)線和第二供應(yīng)線，該噴嘴包括沿外管管壁長 度的至少一部分排列的一排開口 (或縫隙)，第一供應(yīng)線流連通 該環(huán)形空間的至少 一 個(gè)進(jìn)料端部，第二供應(yīng)線流連通該內(nèi)管的至 少一個(gè)入口端部。在該第三設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例中，流連通環(huán)形空 間的第 一供應(yīng)線連接加壓氣體供給與該環(huán)形空間，而流連通內(nèi)管 的第二供應(yīng)線連接低溫流體供給與內(nèi)管。
8
本發(fā)明進(jìn)一步提供了 一種設(shè)備，其包括至少一個(gè)低溫 噴射設(shè)備和氣體供應(yīng)控制裝置，每個(gè)低溫噴射設(shè)備具有流連通接 觸區(qū)的至少一個(gè)氣體入口和流連通接觸區(qū)的至少一個(gè)低溫液體 入口，該接觸區(qū)流動連通至少一個(gè)噴嘴；氣體供應(yīng)控制裝置流連 通所述至少一個(gè)氣體入口的每一個(gè)；其中，當(dāng)向所述至少一個(gè)低 溫液體入口的每一個(gè)提供處于第一壓力的低溫液體源時(shí)，氣體供 應(yīng)控制裝置適于能夠調(diào)節(jié)供給所述至少一個(gè)氣體入口的每一個(gè) 的氣體的溫度和壓力中的至少一個(gè)以獲得通過所述至少一個(gè)噴 嘴的低溫液體的第一期望流量。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種設(shè)備，其包括外管；內(nèi)管， 其放置在該外管內(nèi)并限定了位于外管和內(nèi)管之間的環(huán)形空間，該 內(nèi)管具有至少一個(gè)開口 ，該至少一個(gè)開口被放置成能使低溫液體 從該內(nèi)管徑向流入該環(huán)形空間；形成在外管上的至少一個(gè)噴嘴， 所述至少一個(gè)噴嘴的每一個(gè)流體連通該環(huán)形空間；第一氣體入 口，該第一氣體入口流體連通該外管，該第一氣體入口適于連接 到加壓氣體供給上；以及第一低溫液體入口，該笫一低溫液體入 口流體連通該內(nèi)管，該低溫液體入口適于連接到低溫液體供給 上。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種設(shè)備，其包括管道，其具有 上游端部和下游端部；噴嘴，其正面流連通下游端部；第一入口， 該第一入口適于連接到加壓氣體供應(yīng)線上，該第一入口具有正面 流連通噴嘴上游端部的排放端部；以及第二入口，該第二入口適 于連接到低溫液體供應(yīng)線上，該第二入口具有以45-1 35度流連 通上游端部的出口端部。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種方法，該方法包括向接觸區(qū) 供應(yīng)處于第一壓力和第一溫度的低溫液體，該接觸區(qū)流體連通至
少一個(gè)噴嘴；向接觸區(qū)供應(yīng)處于第二壓力和第二溫度的氣體，該 笫二壓力不低于第一壓力，該第二溫度高于該第一溫度，且該氣 體在1個(gè)大氣壓下的沸點(diǎn)不高于笫一溫度；調(diào)節(jié)供給接觸區(qū)的氣 體，以獲得通過所述至少一個(gè)噴嘴的每一個(gè)的低溫液體的期望流 量。


圖1A顯示了常規(guī)的低溫噴嘴；
圖1B顯示了具有改良位置的常規(guī)低溫噴嘴；
圖1C顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；
圖2A-2D顯示了具有不同接觸區(qū)和/或噴嘴配置的本 發(fā)明其他各種實(shí)施例；圖3顯示了本發(fā)明的一個(gè)附加實(shí)施例；
圖4顯示了本發(fā)明具有多個(gè)噴嘴的另一個(gè)實(shí)施例；
圖5顯示了本發(fā)明的單管道噴管實(shí)施例；
圖6A-6I顯示了本發(fā)明的幾個(gè)雙管道噴管實(shí)施例；
圖7顯示了適于追蹤移動熱源的噴管系統(tǒng)；
圖8顯示了圖7中噴管的另一個(gè)實(shí)施例，其中該噴管 圍繞基體；圖9顯示了另 一個(gè)可選的噴管實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
(i )"低溫流體"是指在1個(gè)大氣壓下沸點(diǎn)低于-73"C的流體。
(ii )"低溫液體"是指在1個(gè)大氣壓下沸點(diǎn)低于-73x:的 液相〗氏溫流體。
(iii )"噴嘴，，應(yīng)指用于排放液體的一個(gè)或多個(gè)開口。噴嘴 是位于或靠近出口或終點(diǎn)的流體線收縮部，流體從該收縮部被噴 射到壓力低于供應(yīng)線中的壓力的開放空間中。
(iv )在管道和噴嘴之間的"正面"流連通應(yīng)指處于該管道 排放端部的流路方向不變地匯合到通過該噴嘴的流路中。同樣 地，在流體和管道之間的"正面，，流連通應(yīng)指該流體的流路方向 不變地匯合到位于該管道進(jìn)料端部或上游端部的流路中。最后， 在供應(yīng)線和管道之間的"正面，，流連通應(yīng)指位于該供應(yīng)線排放端 部的流路方向不變地匯合到位于該管道進(jìn)料端部或上游端部的 流路中。
(v )在流體和管道之間的"45° -135°流連通"應(yīng)指該流
10體的流路以45° -135°角匯合到位于該管道進(jìn)料端部的流路中。 類似地，在供應(yīng)線和管道之間的45° -135°流連通應(yīng)指位于該供 應(yīng)線排放端部的流路以45° -135。角匯合到位于該管道進(jìn)料端 部的流路中。對于一些實(shí)施例，由開口、供應(yīng)線或其他連接所限 定的進(jìn)入噴嘴接觸區(qū)的液體中的氣體流方向?yàn)?° -180° 、 0° -90°或45° -90° ，該管道可以正面流連通該接觸區(qū)，也可以不 正面流連通該接觸區(qū)。本發(fā)明基于申請人的發(fā)現(xiàn)，即當(dāng)?shù)蜏匾后w和加壓"節(jié) 流，，氣體被引入"接觸區(qū)，，和由此產(chǎn)生的流體通過噴嘴被排放時(shí)， 可以控制作為節(jié)流氣體的壓力函數(shù)的所排放流體的液-氣比，進(jìn) 而控制低溫液體的流量。按照這種方式，本發(fā)明通過只改變節(jié)流 氣體的壓力就能夠在沖擊冷卻(impingement cooling)功能和 吹風(fēng)清潔(blast-cleaning)功能之間變換(下稱"混合功能，， 特征)，在沖擊冷卻功能中排放流體可以包括多數(shù)(51-100% ) 或高達(dá)100%的更高比例的液體(例如75-100 %的液體)，在吹 風(fēng)清潔功能中該排放流體可以包括多數(shù)(51-100% )或高達(dá)100 %的更高比例的氣體(例如75-100 %的氣體)。此外，在本發(fā)明的"噴管，，實(shí)施例中，申請人已經(jīng)開 發(fā)了一種用于控制作為節(jié)流氣體壓力函數(shù)的被排放流體的液組 分的"噴射剖面"的方法(下稱"噴射剖面"功能)。按照這種 方式，本發(fā)明可以匹配基體的"冷卻剖面"(如在冷軋應(yīng)用中， 金屬帶的中部相比其端部需要更多的冷卻)，或者甚至追蹤被傳 給基體的動態(tài)熱負(fù)荷(例如在熱噴涂應(yīng)用中，如于2006年3月 27日提交的11/389, 308 "熱沉積涂覆方法，，所公開的，其主張 2 005年4月12日提交的臨時(shí)申請60/670， 497 "熱淀積涂覆操作 的控制方法"，在此將兩者納入一并參考)?！銇碚f，位于與低溫液體壓力相同的壓力和最大氣 體壓力之間的節(jié)流氣體壓力的增加導(dǎo)致被排放流體的液-氣比成 比例地降低。該排放流體的組成可為100%的液體直到100%的氣 體。該氣體壓力的增加將導(dǎo)致該排放流體的質(zhì)量流量成比例地減 少。這些關(guān)系將在以下詳細(xì)討論。本發(fā)明的一個(gè)重要優(yōu)勢是有能力控制被排放流體的
ii
在本發(fā)明中沒有傳統(tǒng)限流閥產(chǎn)生的另 一個(gè)重要結(jié)果 就是能使用比傳統(tǒng)方法所允許的噴嘴尺寸更大的噴嘴尺寸。因 此，能夠?qū)娮斐叽缭黾拥綍Π凑斋@得期望液-氣排放比的氣 體壓力升高做出迅速反應(yīng)的尺寸(下稱"快速反應(yīng)"特性)。此 外，當(dāng)系統(tǒng)必須從環(huán)境溫度啟動時(shí)，這個(gè)增加的噴嘴尺寸還起到 的作用就是迅速排出所產(chǎn)生的大量蒸汽(下稱"快速啟動"特性)。以上的混合功能、噴射剖面、噴射速度、快速反應(yīng)和 快速啟動特性使本發(fā)明難得地適合于廣泛應(yīng)用中，包括但不限于 下列
(一) 熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用，特別是使用高速氧燃料(HVOF)
或等離子噴涂系統(tǒng)；
(二) 焊接；熔接；硬化；滲氮；滲碳；激光上光(laser
glazing);感應(yīng)熱處理；釬焊；擠壓；鑄造；精軋；鍛造；壓 花；雕刻；制模(patterning);金屬條、帶或管的印刷、劃線 或切割；金屬與非金屬部件的低溫切削和磨削；以及
(三) 在金屬、陶瓷、航天、醫(yī)療、電子和光學(xué)工業(yè)中的加 工、表面處理或組裝。除了節(jié)流氣體的壓力之外，節(jié)流氣體的溫度在本申請 中也發(fā)揮了作用。具體來說，節(jié)流氣體接觸低溫液體時(shí)所產(chǎn)生的 汽化損耗有助于節(jié)流效應(yīng)。 一般來說，引入接觸區(qū)的節(jié)流氣體溫 度為環(huán)境溫度(因?yàn)檫@保證了適當(dāng)?shù)钠瘬p耗，而無需加熱或冷 卻該節(jié)流氣體)，氣體壓力在本發(fā)明中充當(dāng)了優(yōu)選的"控制桿，， 的功能。但是，通過調(diào)節(jié)汽化損耗對節(jié)流效應(yīng)的貢獻(xiàn)，該氣體溫 度也可以充當(dāng)控制桿，或者只靠氣體溫度(即氣體壓力保持不 變)，或者結(jié)合氣體壓力的調(diào)整。另外要注意，加到飽和低溫液 體上的任何數(shù)量的熱量都會引起至少一些汽化損耗，節(jié)流氣體的 溫度優(yōu)選大于該低溫液體的溫度。最后，關(guān)于溫度方面，通過使 用環(huán)境溫度的溫度可以降低任何特定節(jié)流率所需的壓力，但是如 果該溫度太高，就會危害微調(diào)作為氣體壓力函數(shù)的液體組分的能
12力。為了確保節(jié)流氣體在接觸低溫液體時(shí)不會凝結(jié)，該節(jié)
流氣體的沸點(diǎn)應(yīng)低于或等于低溫液體的沸點(diǎn)。因此，如果該低溫
液體充滿氮，該節(jié)流氣體可以包括氮但不是氬，而當(dāng)?shù)蜏匾后w充 、:法S otf甘、:弁；S 乂* "sr 白k資《急 ；譯營5ff tt 《女1 g: ffl陽
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素喜歡液氮作為低溫液體和氣態(tài)氮作為節(jié)流氣體。另外注意到， 空氣中的氧組分可能無意中在接觸區(qū)內(nèi)凝結(jié)并引起了可燃性的 憂慮，因此通常不希望空氣作為節(jié)流氣體。最后，關(guān)于本發(fā)明中 流體的選擇，注意到低溫液體通常不采用液態(tài)二氧化碳，因?yàn)樗?凍結(jié)后體積膨脹，可能在噴嘴內(nèi)形成冰塞。節(jié)流氣體壓力與(i )所排放流體的液-氣質(zhì)量流量 (下稱"D^")之間以及與(ii )所排放流體的總質(zhì)量流量(下 稱"DF")之間的確切關(guān)系將取決于多種因素，包括但不限于 如上面所注意到的節(jié)流氣體的溫度，低溫液體和氣體的選擇，噴 嘴和接觸區(qū)的尺寸，以及噴嘴和接觸區(qū)之間的配置。另外，由于 能夠預(yù)料到節(jié)流氣體在連接了節(jié)流氣體的加壓供給與接觸區(qū)的 供應(yīng)線中會引起至少一個(gè)適度的壓降，因此必須要考慮這個(gè)壓 降。因此，用于任何特定系統(tǒng)的該確切關(guān)系應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定。以下 描述的是根據(jù)申請人實(shí)驗(yàn)所觀察到的關(guān)系，在該實(shí)驗(yàn)中，飽和液 氮作為低溫液體，處于環(huán)境溫度的氮作為節(jié)流氣體，液體和氣體 的壓力范圍在10-350psig(磅/平方英寸)之間，以及噴嘴尺寸范 圍和接觸區(qū)配置范圍。注意到觀察到的關(guān)系還包括節(jié)流氣體壓力 與進(jìn)入接觸區(qū)的液氮和氣態(tài)氮的引入速度(以下分別簡稱為"F ， 和"Fc")之間的關(guān)系，這些關(guān)系還對本發(fā)明的理解，下面會對 此作進(jìn)一步的討論。上面所提到的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的關(guān)系如下關(guān) 于在等于低溫液體壓力(下稱"非節(jié)流條件，，)的氣體壓力與等 于1. 05-1. 3倍低溫液體壓力規(guī)格(下稱"全節(jié)流條件")的氣 體壓力之間的節(jié)流氣體壓力的增加，這種氣體壓力的增加導(dǎo)致 了
(i ) D^在1. 0與約零之間成比例減??；
(ii )Dp在非節(jié)流條件下發(fā)生的最大Dp與在節(jié)流條件下發(fā)生的最小Dp之間成比例降低，最小Df只是最大Df的一部分或一小
部分；
(iii )Ft在非節(jié)流條件下發(fā)生的最大Ft與在節(jié)流條件下發(fā)生 的最小Ft之間成比例降低，最小Fl只是最大Fl的一小部分，例 如在一些實(shí)施例中是最大Fl的10-15%;以及
(iv )Fe在非節(jié)流條件下發(fā)生的最小Fe與在節(jié)流條件下發(fā)生 的最大F。之間成比例降低，最小Fe等于最大氏的約0-11%，許
多實(shí)施例中的最大Fe等于最大K的10-35%。在一個(gè)可選實(shí)施例中，處于進(jìn)入噴嘴接觸區(qū)的各自入 口處的氣體壓力和液體壓力之間的比率可以是大于1的任何值 或在大于1到100之間變化。如上文所提出的，上述關(guān)系提供了對本發(fā)明的許多理 解，其如下
(i )實(shí)現(xiàn)全節(jié)流條件的氣體壓力是有益的適度，即相對于 標(biāo)準(zhǔn)壓力基礎(chǔ)只是低溫液體壓力的1. 05-1. 30倍。更高的氣體供 應(yīng)壓力會更有效，但對于本文所描述的設(shè)計(jì)具有其他規(guī)格的噴嘴 并沒有必要，例如在噴嘴管道內(nèi)氣體和液體的優(yōu)選沖擊角度。另 外，根據(jù)上面的(iv)，并注意到節(jié)流氣體壓力和該節(jié)流氣體引 入率總是直接對應(yīng)特定的設(shè)計(jì)和幾何形狀，這會轉(zhuǎn)換成獲得全節(jié) 流條件所要求的適度節(jié)流氣體引入率，即只有在非節(jié)流條件下發(fā) 生的低溫液體引入率的約10-35% 。
(ii )根據(jù)上面的(iii )，可以預(yù)期到的是在全節(jié)流條件下 低溫液體進(jìn)料率不為零，而是非節(jié)流條件下發(fā)生的低溫液體引入 率的流量的約10-15% 。這意味著，當(dāng)排放的流體不含液體時(shí)， 汽化損耗有助于節(jié)流效應(yīng)。此外，這具有有利于本發(fā)明的快速反 應(yīng)特性的優(yōu)點(diǎn)，即使是在全節(jié)流條件下，因?yàn)榈蜏匾后w引入率不 必關(guān)閉和重啟。
(iii )根據(jù)上面的(iv ),注意到在離開(或至少明顯)非 節(jié)流條件之前節(jié)流氣體進(jìn)料率可為11%。這與在供應(yīng)線和接觸 區(qū)中的節(jié)流氣體的最初建立有關(guān)。申請人:的實(shí)驗(yàn)提供了特定于位于本發(fā)明的接觸區(qū)和 噴嘴之間的兩大類配置的附加特點(diǎn)。在第一類中，下稱"獵槍(shotgun)"配置，接觸區(qū)包括通過單一開口噴嘴正面排放流 體的管道。在第二類中，下稱"噴管，，配置，接觸區(qū)包括管道， 該管道通過沿其管壁的縱向長度排列的噴嘴從該管道徑向排放 流體，該噴嘴由一排開口或縫隙構(gòu)成。此處披露該噴管配置的幾 個(gè)基本變體。在一個(gè)變體中，(下稱"單管"變體)，低溫液體 和節(jié)流氣體被引入包含接觸區(qū)的管道的一端或通常兩端中。在另 一種變體中，(下稱"套管"變體)，節(jié)流氣體被引入由同軸管 限定的環(huán)形空間的一端或兩端中，而低溫液體通過內(nèi)管上的一系 列開口被引入該環(huán)形空間中，該些開口徑向流連通包含接觸區(qū)的 環(huán)形空間。特定于這些配置中每一個(gè)的特點(diǎn)在下面對圖形的討論 中將會變很詳細(xì)。圖1C示出的本發(fā)明實(shí)施例是位于接觸區(qū)和噴嘴之間 的獵槍配置的一個(gè)例子。在圖1C中，接觸區(qū)包括管道31c (由 圖1C中的交叉影線標(biāo)出)，其具有上游端部和正面流連通噴嘴 N的下游端部，上游端部流連通經(jīng)由第一供應(yīng)線的低溫液體供給 L和經(jīng)由第二供應(yīng)線的節(jié)流氣體G 二者的供給。低溫液體和節(jié)流 氣體通過各自的供應(yīng)管線被引入接觸區(qū)中，并相互接觸以形成結(jié) 果流體。該結(jié)果流體通過噴嘴排放，同時(shí)繼續(xù)將該低溫液體和該 節(jié)流氣體引入該接觸區(qū)中。圖1C還體現(xiàn)了申請人的觀察結(jié)果，即在獵槍配置中
"微調(diào)，，所排放流體的液-氣比的能力在以下情況下得到提高 (i )從工藝角度看，低溫液體和節(jié)流氣體在以角度y引入 到混合中沖擊彼此，該角度y可以是任何值，例如從0到360度 或從0到2 7 0度，或從0到18 0度，但對于一些實(shí)施例來說，其 是從45到135度或從45到90度(如圖1C所示優(yōu)選為90度)。
(所示角度y是在液體管道與氣體管道之間形成的角度，即氣體 和液體在接觸區(qū)^L引入彼此中時(shí)氣體流動方向與液體流動方向 之間形成的角度。噴嘴中液體和氣體的流動方向由L和G旁邊的 箭頭所指示)；以及
(iii )從設(shè)備角度看，接觸區(qū)管道31c (由圖1C中的交叉 影線表示)的長度x可以是任何值，但可以是該管道最窄處直徑 d的1. 0-40倍。
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注意到附圖示出 一些實(shí)施例，這些實(shí)施例中的液體或 氣體管線正面面對噴嘴的排放端部。本發(fā)明中的噴嘴并不限于所 示的實(shí)施例，本發(fā)明提供了噴嘴內(nèi)的液體和氣體管道構(gòu)造成使得 二者都不會與噴嘴的排放端部處于正面流中。例如，低溫液體管 道、氣體管道和接觸區(qū)在噴嘴中可布置成彼此相隔120度，或者 低溫液體管道和氣體管道可相隔90度，接觸區(qū)則可與這兩個(gè)管 道均間隔135度。在可選的實(shí)施例中，在噴嘴的每個(gè)低溫液體管 道中都可配備兩個(gè)或兩個(gè)以上氣體管道。當(dāng)噴嘴內(nèi)4吏用兩個(gè)或兩 個(gè)以上的氣體管道時(shí)，優(yōu)選它們與低溫液體管道之間間隔45。 -90° ，盡管早前描述過可使用任何角度。除了供應(yīng)流相對于接觸區(qū)管道32a (由圖2A中的交 叉影線標(biāo)出)的方向是相反的以外，圖2A與圖1C相同。在這方 面，圖2A體現(xiàn)了申請人的觀察結(jié)果，即獵槍配置中的微調(diào)能力 會得到進(jìn)一步增強(qiáng)，只要沖擊角度方向的確定使得
(i )從工藝角度看，節(jié)流氣體正面流連通管道的上游端部；
以及
(ii )從設(shè)備角度看，加壓氣體供給G的管道正面流連通接 觸區(qū)，而低溫液體供給L的管道以45。 -135°或90° -135°流 連通接觸區(qū)(優(yōu)選如圖2A所示的90° )。除了低溫液體和節(jié)流氣體被平行且正面地引入接觸 區(qū)管道32b (由圖2B中的交叉影線表示)之外，圖2B與圖2A 相同。申請人發(fā)現(xiàn)，氣體和液體之間小于45度的沖擊角度(特 別是沖擊角度等于零，如圖2b所示)容易導(dǎo)致狹窄的類似開/ 關(guān)的調(diào)整范圍。當(dāng)這些噴嘴既不處于大致的非節(jié)流條件也不處于 大致的全節(jié)流條件時(shí)，它們易于從噴嘴產(chǎn)生脈沖排放。因此，具 有較小沖擊角度的噴嘴配置(即在宏觀范圍上進(jìn)入接觸區(qū)的液體 和氣體的流動方向之間的角度小于45度)通常對在大致非節(jié)流 條件與大致全節(jié)流條件之間變化的應(yīng)用有用。除了接觸區(qū)管道32c (由圖2C中的斜線表示)和噴 嘴N之外，圖2C與圖2A相同，接觸區(qū)管道32c和噴嘴N被改成 使得該管道的下游端發(fā)散成較大噴嘴尺寸，以便提供更加分散的 噴射。
16
除了接觸區(qū)管道32d (由圖2D中的交叉影線表示) 在其上游端部包括球形室之外，圖2D與圖2A相同。在這方面， 圖2D體現(xiàn)了申請人的觀察結(jié)果，即微調(diào)能力也會受這樣室的直 徑的影響。具體地，該室直徑D優(yōu)選在該管道最窄處直徑的 1. 0-6. 0倍之間。圖3與圖2A相同，除了( i )接觸區(qū)33 (由圖3 中的交叉影線標(biāo)明)與噴嘴N之間的獵槍配置為垂直取向；
(ii )接觸區(qū)、氣體供應(yīng)線Gl和低溫液體供應(yīng)線Ll都包括 1/4英寸直徑的碳氟聚合物管(其即使被冷卻到低溫時(shí)仍保持一 定的撓性)，3/4英寸直徑的撓性不銹鋼軟管Hl保護(hù)這些碳氟
聚合物管免受機(jī)械損傷；以及
(iii )在該不銹鋼軟管的入口處使用了軟泡沫塞SP，以防
止在該軟管內(nèi)積聚冷凝水。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的替代材料也可 使用。圖1C、2A-2D和3所示的流體通道是噴嘴內(nèi)的收縮部， 且這些附圖并未示出連接至噴嘴的供應(yīng)線。圖4顯示了一種工業(yè)低溫冷卻清潔系統(tǒng)，其包括五根 對應(yīng)的冷卻管線Hl-H5，這些冷卻管線都與圖3中的設(shè)備相同。 該系統(tǒng)包括裝低溫部件的冷箱Bl和裝節(jié)流氣體部件的常溫箱 B2。入口低溫液體Li經(jīng)由主液體閥LvM和常規(guī)的蒸汽排放閥Va 進(jìn)入冷箱，該蒸汽排放閥依靠重力分離并排放將到來流中的蒸 汽。泄壓閥PRv附加在入口 一側(cè)以保證安全。蒸汽排放口的底注 出口 Vb通過對應(yīng)的中間供應(yīng)線Ll-L5和電磁閥Lvl-Lv5連接到 五個(gè)冷卻管線H1-H5。 一般來說，冷卻管線HI-H5每一條的長度 都為10-25英尺，使得操作員可將管線輕松地移至所需的使用位 置。由于冷卻管線中聚合物管材的收縮遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過周圍的不銹鋼 管，在冷卻管線和電磁閥之間的管子被額外延長3英寸，以防止 管子降溫后可能會加在其上的拉應(yīng)力。也可使用其他解決方案來 防止管子上的過度拉應(yīng)力，如彈簧加壓管、縮放管、波紋管、不 銹鋼軟管。入口氣體Gi經(jīng)由主閥GvM進(jìn)入常溫箱B2。在這里， 該氣流分為相應(yīng)的六個(gè)支流Gl-G6。支流G6流入手調(diào)泄放閥Gv6， 該閥門通過端口 p6向冷箱排放少量氣體，以進(jìn)入該罐并防止內(nèi)部濕氣冷凝。相應(yīng)流Gl-G5的每一個(gè)分別被引到對應(yīng)對的電磁閥 Gvla/Gvlb-Gv5a/Gv5b。每對中的對應(yīng)笫一電磁閥Gvla-Gv5a的作用是打開 或關(guān)閉全節(jié)流條件下所需的氣流。每對中的對應(yīng)第二電磁閥 Gvlb-Gv5b的作用是打開或關(guān)閉流向?qū)?yīng)的手動調(diào)節(jié)閥 Gvlc-Gv5c的氣流。操作員預(yù)先調(diào)整該手動調(diào)節(jié)閥的開口 ，以便 選擇對應(yīng)排放流體液-氣比的預(yù)期比率的節(jié)流氣體流量。這個(gè)預(yù)
期比率反映了正常冷卻流量，該流量可迅速減小到零，然后通過 打開或關(guān)閉相應(yīng)的閥門Gvla-Gv5a迅速重啟。如果在給定的冷卻 和吹風(fēng)作業(yè)中這五個(gè)分支都不需要，則相應(yīng)的氣體和液體岡都保 持關(guān)閉。電的可編程控制器PLC裝在常溫箱中以控制所需閥的開 關(guān)順序，該P(yáng)LC連接到閥、控制面板以及可選的遠(yuǎn)程溫度和/或 清潔感應(yīng)器。在氣體控制閥的下游，氣體管線通過各端口 pl-p5 流體連通相應(yīng)的冷卻管線Hl-H5。使用具有0. l英寸直徑和1. O英寸長接觸區(qū)的不銹鋼 噴嘴評估圖4所示的實(shí)施例。飽和液氮Li在8 0psig下通過主液 體閥LvM供應(yīng)給冷箱Bl，而室溫氮Gi在100psig下通過主氣體 閥GvM供應(yīng)給常溫箱B2。這些閥隨后均打開使系統(tǒng)進(jìn)入備用模 式，在工作前預(yù)先冷卻裝在冷箱Bl內(nèi)的低溫部件。在下一步中， 相應(yīng)閥Lvl-Lv5打開以測量通過相應(yīng)冷卻管線HI-H5的液氮的最 大流量。即使管線的啟動溫度為常溫，不到30秒就建立了均勻 的液體噴射。該液體的排放率為2. 75ibs (磅)/分鐘，并包括4 英寸長的細(xì)滴噴射，跟著是6英寸長的低溫蒸汽快速白尾。然后， 打開相應(yīng)閥Gvla-Gv5a至全節(jié)流條件，以尋找將噴射排放轉(zhuǎn)為室 溫氮所需的氣體流量。對于本實(shí)施例，測到的全節(jié)流氮?dú)獾馁|(zhì)量 流量為每個(gè)噴嘴1.0ib(磅)/分鐘。此外對于本實(shí)施例，全節(jié) 流條件下的液氮的入口率為每個(gè)噴嘴0. 3ibs/分鐘。接著，關(guān)閉 相應(yīng)閥Gvla-Gv5a，其導(dǎo)致在幾秒內(nèi)就恢復(fù)了可見液氮噴射。接 下來，打開相應(yīng)閥Gvlb—Gv5b，并調(diào)整相應(yīng)閥Gvlc—Gv5c，以獲 得進(jìn)入相應(yīng)冷卻管線Hl-H5的更大或更小的氣體流量。使用相應(yīng) 閥Gvlc-Gv5c操控氣體流量導(dǎo)致噴射排放的液體組分的預(yù)期的 部分節(jié)流，其結(jié)果是加熱了排放和冷卻與氣體吹風(fēng)功能之間的快
18速轉(zhuǎn)換。在用噴嘴冷卻功能處理好基板部分之后，可以用氣體 吹風(fēng)功能將該部分的溫度增至室溫，以避免環(huán)境濕氣在其上凝 結(jié)。雖然這個(gè)評估使用了同樣都由控制器PLC根據(jù)外部溫度傳感 器的熱輸入控制的冷卻管線，該系統(tǒng)可包括任何數(shù)量的不同尺寸 的冷卻管線，從一個(gè)到實(shí)踐中的許多個(gè)，如20個(gè)。另外，每條
冷卻管線可相對于其他冷卻管線由PLC單獨(dú)控制并使用自己的 熱輸入。圖5所示實(shí)施例是本發(fā)明的一個(gè)單噴管配置的例子， 其中
(i )接觸區(qū)包括具有第一進(jìn)料端部35a和相對的進(jìn)料端部 35b的管道35;
(ii )噴嘴包括沿管道的管壁縱向長度排列的一排開口 (如 圖5所示)或一種縫隙；
(iii )當(dāng)由流連通低溫液體供給的供應(yīng)線進(jìn)行供給時(shí)，低溫 液體L通過至少一個(gè)管道進(jìn)料端部(一般為兩個(gè)進(jìn)料端部，如圖 5中L所示)被引入該管道；
(iv )當(dāng)由流連通加壓氣體供給的供應(yīng)線進(jìn)行供給時(shí)，節(jié)流 氣體G,通過至少一個(gè)管道進(jìn)料端部( 一般為兩個(gè)進(jìn)料端，如圖5 中GJ斤示)也被引入該管道；以及
(v)剖面流體通過噴嘴從該管道徑向排放，其如圖5所示 的噴射剖面85。圖5體現(xiàn)了申請人的觀察結(jié)果，即在以下情況下，微 調(diào)單管配置中的排放流體的液-氣比及其液體流量的能力會得到 加強(qiáng)
(i )從工藝角度看，低溫液體和節(jié)流氣體在引入接觸區(qū)時(shí) 以45° -135°或45° -9 0°沖擊彼此(優(yōu)選為圖5所示的90° )， 且該節(jié)流氣體正面流體連通管道的(多個(gè))進(jìn)料端；
(H )從設(shè)備角度看，連接接觸區(qū)與加壓氣體供給的供應(yīng)線 正面流連通該接觸區(qū)的一個(gè)(多個(gè))進(jìn)料端部，而連接該接觸區(qū) 的上游端部與低溫液體供給的供應(yīng)線以45° -135°或90° -135 °流連通該接觸區(qū)的一個(gè)(多個(gè))進(jìn)料端部(優(yōu)選為圖5所示的
1990度)，(進(jìn)入接觸區(qū)的氣流與液流間的夾角示出為90度，也 可位于45° -90°或如前面所述的其他值。)以及
(iii )仍從設(shè)備角度看，管道的長度與直徑的比可在4至20 之間(注意當(dāng)比大于20時(shí)，對于發(fā)生在管道中部的足夠的沖擊 接觸度而言，該管道可能太長)。圖6A所示的本發(fā)明實(shí)施例屬于噴管的套管變體的一
個(gè)例子，其中
(i )接觸區(qū)包括由同軸包圍內(nèi)管10a的外管20限定的環(huán) 形空間36;
(ii )環(huán)形空間，具有第一進(jìn)料端部和第二 (相對的)進(jìn)料
端部；
(iii )內(nèi)管具有分別鄰近環(huán)形空間的第一進(jìn)料端部和相對進(jìn) 料端部的第一入口端部和笫二 (相對的)入口端部；
(iv )內(nèi)管包括位于其管壁上的多個(gè)開口 40，用于將低溫液 體均勻散布到環(huán)形空間中，其由圖6A中的流50表示(如圖所示， 進(jìn)入氣體的液流相對于氣流方向在宏觀上呈9 0度，如標(biāo)志流50 的箭頭和標(biāo)志Gi和G2流向的箭頭所指示的)；
(v )噴嘴包括如圖6A所示的一排開口 60 (或可選地為一 種縫隙)，該排開口沿外管管壁縱向長度排列，該噴嘴是從由一
排噴嘴和一種縫隙組成的組中選擇而成的；以及
(vi )當(dāng)由流連通加壓氣體供給的供應(yīng)線進(jìn)行供給時(shí)，節(jié)流 氣體通過環(huán)形空間的至少一個(gè)進(jìn)料端部(一般為兩個(gè)進(jìn)料端部， 如圖6A中GJ斤示)被引入該環(huán)形空間；
(vii) 當(dāng)由流連通低溫液體供給的供應(yīng)線進(jìn)行供給時(shí)，低溫 液體"通過內(nèi)管的至少一個(gè)入口端部(有時(shí)為兩個(gè)入口端，如圖 6A中L所示)被引入該內(nèi)管；
(viii) 低溫液體通過內(nèi)管管壁上的多+開口從該內(nèi)管徑向散 布到該環(huán)形空間中；
(ix )通過噴嘴從外管徑向排放流體70，其由圖6A中的噴 射剖面86a代表。該噴管實(shí)施例的套管變體體現(xiàn)了申請人的觀察結(jié)果， 即通過影響沿環(huán)形空間長度方向上的液體和氣體的沖擊接觸來提高噴管的微調(diào)能力(或者至少沿氣體足以保持其速度的長度)。
這也能將接觸區(qū)的長度對直徑的比從單管變體的4-20的范圍增 加至4-80的范圍。對于不同的實(shí)施例，接觸區(qū)最小直徑和長度 的范圍處于最小直徑的1-80倍之間。噴管配置的套管變體中的內(nèi)管和外管可由不銹鋼、 鋁、銅，或低溫兼容聚合物(如纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料、超高分 子量聚乙烯及類似物)制成。內(nèi)管的典型直徑可在1和25毫米 之間變化，而外管的典型直徑可在3和75毫米之間變化。外管 直徑對內(nèi)管直徑的比值可以在2和8之間變化。如上面所注意到 的，關(guān)于外管的典型長度對直徑比可以在4和80之間變化。內(nèi) 管管壁厚度取決于所選擇的構(gòu)造材料，其可以與裝置制造中實(shí)用 的一樣小，但應(yīng)足以承受填充該管道的流體的壓力。典型壁厚的 優(yōu)選范圍可以在內(nèi)管直徑的1 %-10%之間的范圍內(nèi)變化。位于 內(nèi)管上的多個(gè)開口無需任何特殊取向，只要其在環(huán)形空間內(nèi)的分 布相對均勻。外管內(nèi)的噴嘴開口優(yōu)選在一個(gè)特定方向上對齊，以便 能在該方向上排放流體。外管的管壁厚度優(yōu)選選擇成能為流出噴 嘴開口的流體提供足夠長的擴(kuò)展通道。這樣一種足夠長的通道取 決于各種操作參數(shù)，但它通常通過比較其長度(即外壁厚度)與 直徑或孔徑來選擇。噴嘴開口的典型長度對直徑比在3和25之 間變化。在圖6A-6I的實(shí)施例中，噴嘴開口的通?？讖绞窃?.4 毫米和2.0毫米之間。因此， 一旦滿足制造和壓力要求，外管管 壁應(yīng)進(jìn)一步選為至少1.4毫米，往往會超過40毫米。最后，外 管管壁上噴嘴開口的總橫截面積與內(nèi)管管壁上開口的總橫截面 積之比通常是1. 0，盡管處于0. 5和2. O之間的擴(kuò)大的比率范圍 也是可行的。圖6A所示實(shí)施例的組裝使用了下列部件和規(guī)格。 (i )內(nèi)管由不銹鋼制成，該內(nèi)管具有0. 335英寸的內(nèi)徑、
0. 375英寸的外徑和35. 5英寸的長度，該內(nèi)管包括94個(gè)孔，每
個(gè)孔具有0. 03英寸的內(nèi)徑。
(ii )外管由纖維增強(qiáng)、低溫兼容的環(huán)氧材料制成，該外管
的內(nèi)徑等于0. 745英寸，外徑等于1. 1英寸和長度等于34. 5英寸，該外管具有沿一條直線排列的83個(gè)噴嘴開口 ，每個(gè)噴嘴開 口的內(nèi)徑等于0. 035英寸并互相間隔0. 35英寸。
(iii )外管外徑與內(nèi)管外徑之間的比為2.9。外管的長度對 直徑比為31.4。內(nèi)管的管壁厚度為其外徑的5%。外管管壁厚度 為4.5毫米，每個(gè)噴嘴開口的長度對直徑比為5。外管上的噴嘴 開口的總橫截面積與內(nèi)管上的開口的總橫截面積之比是1. 2。噴管的套管變體提供了調(diào)整噴管的"噴射剖面"的能 力，本文將會對此進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。噴射剖面由來自每個(gè)噴 嘴開口的集中起來的組合液體組分排放物限定。在圖6A-6I中， 每個(gè)噴嘴開口處的相對低溫液體流量由不同長度的線來代表。較 長線意味著較大的流量，反之亦然。在套管的噴管變體中，噴射 剖面可以作為下列因素的函數(shù)而受到操控
(a) 節(jié)流氣體壓力；
(b) 該節(jié)流氣體被引入的一個(gè)(多個(gè))環(huán)形空間端部；以
及
(c) 在節(jié)流氣體被引入環(huán)形空間的兩端部的情況下，引入 每個(gè)端部的節(jié)流氣體的壓力的變化。
聯(lián)系圖6A-6I對噴射剖面和上述變量之間的關(guān)系作更詳細(xì) 的解釋。在圖6A中，引入環(huán)形空間兩端部的節(jié)流氣體的壓力 等于引入內(nèi)管兩端部的低溫液體壓力(即非節(jié)流條件)，由此產(chǎn) 生的噴射剖面86a如圖6A所示是"平直的"。除了節(jié)流氣體的壓力略大于低溫液體的壓力之外，圖 6B與圖6A相同。結(jié)果，噴射剖面86b被"擠"成如圖6B所示 的拋物線形。這表明，大多數(shù)的汽化損耗產(chǎn)生在環(huán)形空間的端部， 并將其余液體"推'，向管體中部。因此，位于環(huán)形空間端部附近 的噴嘴開口排放的主要是氣體，并由此具有相對低的液體流量。 噴管中部附近的噴嘴開口的排放物包含較大的液相部分，由此具 有較高的液體流量。除了進(jìn)一步增加氣體壓力之外，圖6C與圖6B相同， 由此進(jìn)一步擠壓噴射剖面86c。隨著氣體壓力進(jìn)一步增加至全節(jié) 流條件，噴射排放物完全是處于室溫的氣態(tài)。
除了將低溫液體只引入內(nèi)管的一端之外，圖6D與圖 6A相同，如噴射剖面86d所示，將低溫液體只引入內(nèi)管的一端 足以保證與圖6A中的一樣的對稱且均勻的噴射剖面。除了內(nèi)管10e被修改成使得開口變得更少并集中在 該管中部周圍之外，圖6E與圖6A相同。盡管獲得了類似的噴射 剖面86e,但是與圖6A相比，這會導(dǎo)致排放物的液體組分的更 少可控性。除了噴嘴由外管上的單條縫隙60f組成之外，圖6F 與圖6A相同，如噴射剖面86f所示，噴嘴由外管上的單條縫隙 60f組成并不影響噴射剖面。圖6G、 6H和61顯示了引入每一端的節(jié)流氣體壓力的 變化對噴射剖面的影響。如圖6G和6H所示，只在環(huán)形空間的一 端引入節(jié)流氣體的影響導(dǎo)致對應(yīng)的噴射排放86g和86h轉(zhuǎn)移到相 對端。在圖61中，在右側(cè)引入的G2的節(jié)流氣體壓力高于在右側(cè) 引入的Gl的節(jié)流氣體壓力，由此產(chǎn)生的噴射排放86i被推到較 寸氐壓力的一側(cè)。圖6G、 6H和61體現(xiàn)了噴管實(shí)施例的特點(diǎn)，在該實(shí)施 例中，通過在氣體入口 Gl和G2處提供具有會產(chǎn)生希望的噴射剖 面的對應(yīng)壓力的氣體就能獲得希望的噴射剖面。類似地，其他希 望的噴射剖面可通過簡單地調(diào)整在氣體入口 G1和G2處的氣體壓 力來獲得。但應(yīng)當(dāng)注意的是，由于噴管操作環(huán)境的變化，如溫度 的變化，獲得特定噴射剖面所必需的Gl和G2處的壓力可能會變 化。圖7示出了噴射系統(tǒng)200的一個(gè)實(shí)施例，其可以結(jié)合 本文所披露的任何噴管實(shí)施例。該系統(tǒng)包括噴桿210、裝有低溫 液體(本實(shí)施例中為液氮(LIN))的加壓罐218、裝有節(jié)流氣 體(本實(shí)施例中為常溫氮?dú)?的加壓罐220、汽化器222、可編 程邏輯控制器("PLC" ) 207、溫度傳感器203。噴桿就是本文 所披露的任一配置的噴管，其被部分地包圍在實(shí)心的或部分孔的 箱或盒結(jié)構(gòu)內(nèi)。該箱或盒結(jié)構(gòu)只在低溫流體從噴嘴噴射的方向上 敞開，用干燥的室溫氣體將該箱或盒結(jié)構(gòu)內(nèi)部的低溫流體清除掉 以防止噴嘴結(jié)冰。該凈化氣體可與節(jié)流氣體相同，并來自同樣的
23罐，但是在整個(gè)冷卻操作過程中該凈化氣體流量通常恒定且與通 過噴管的液體或氣體流無關(guān)。在本實(shí)施例中，噴桿210包括一個(gè)^f氐溫液體入口 212 和兩個(gè)節(jié)流氣體入口 214、 216。低溫液體供應(yīng)線224從罐218 向低溫液體入口 212供應(yīng)LIN。電磁閥226開關(guān)該LIN供應(yīng)。氣體供應(yīng)線228從罐體220向噴桿210供應(yīng)節(jié)流氣 體。氣體供應(yīng)線228分成兩個(gè)分支230、 2 32 ，每個(gè)分支連接到 節(jié)流氣體入口 214、 216之一上?？烧{(diào)節(jié)閥234、 236分別位于分 支2 30、 232的其中一個(gè)上，以能夠調(diào)整分支230、 2 32的每一個(gè) 中的下游氣體壓力和流量?？蛇x地，可以提供與可調(diào)節(jié)閥234 、 236的每一個(gè)串聯(lián)的電磁閥(未圖示)，以便無需重新調(diào)整可調(diào) 節(jié)閥234、 236就能開關(guān)氣流。在工作時(shí)，氣體節(jié)流流230、 232 控制(增加、減少或保持)如上所討論的液體流量、吹風(fēng)功能和 液體噴射模式。氣體凈化線2 38分接到分支230、 232上游的供應(yīng)線 228中。氣體凈化線238包括電磁閥240和位于電磁閥240下游 的兩個(gè)分支242 、 244，這兩個(gè)分支的每一個(gè)連接到氣體入口 214、 216之一。在工作時(shí)，氣體凈化線238及其分支242 、 244向噴 桿210供應(yīng)除冰氣體，其阻止低溫流體噴射噴嘴結(jié)霜。在圖7中，噴桿210用來冷卻被粉末噴槍2 05加熱的 圓柱狀基體2 01 (如鋼)。當(dāng)噴槍2 05沿基體201表面移動時(shí)， 噴槍205作用的基體部分變得比基體201的其他區(qū)域要熱。在本 實(shí)施例中，傳感器203提供沿基體201表面的溫度讀數(shù)，該讀數(shù) 由PLC 207讀取。PLC 207進(jìn)而調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)閥234、 236 ，以產(chǎn)生 低溫流體噴射剖面209,其會向基體2 01最熱的區(qū)域提供額外的 冷卻，對其他區(qū)域則提供較少的冷卻。當(dāng)噴槍205沿基體201移 動時(shí)，PLC 207會改變噴射剖面。替代地，PLC 2 07可以響應(yīng)追蹤噴槍205位置的位置 傳感器(未圖示)的信號而調(diào)整噴射剖面，或者可對PLC 207進(jìn) 行預(yù)先編程以跟隨定時(shí)的噴射剖面序列，該噴射剖面序列與噴槍 205的動作同步。圓柱狀基體2 01也可以是輥?zhàn)踊蚱渌纬晒ぞ?，這些工具用于軋制金屬或非金屬條、仿形該條及類似操作、連續(xù)形成 和成型操作。該輥?zhàn)踊蛐纬晒ぞ咴诠ぷ鲿r(shí)升溫，其表面上會粘上
不希望的特殊碎片。以特定剖面209排放低溫流體的噴桿210可 用于吹凈基體表面上的碎片和/或冷卻該表面。對于清潔，圖 6A-6I中所示的任一種噴嘴噴射模式皆可使用。對于一些冷卻的 實(shí)施例，如果從本發(fā)明的噴嘴向要冷卻的基體或輥?zhàn)邮┘拥蜏亓?體，則優(yōu)選加強(qiáng)來自噴嘴中部的流體噴射和/或最小化來自噴嘴 端部的低溫液體流，如圖6B或6C所示。在軋制及其他形成操作 中，輥?zhàn)踊蚱渌w的中部通常是最熱的，而輥?zhàn)踊蚱渌w的 端部則是最涼的。圖8顯示了一種噴管，該噴管包括被巻成圍繞基體的 環(huán)形。在本實(shí)施例中，可以控制噴射剖面8 8以追蹤旋轉(zhuǎn)熱點(diǎn)15A， 該旋轉(zhuǎn)熱點(diǎn)15A是在噴槍13A沿方向14A環(huán)繞或部分環(huán)繞基體部 分12A時(shí)產(chǎn)生的。參見圖9,其顯示了一種管式噴射設(shè)備，該管式噴射 設(shè)備類似于圖5中所示的噴管，在該管式噴射設(shè)備中低溫液體通 過沿管道112長度形成的開口 160排放。低溫液體(最好為LIN) 通過常規(guī)供應(yīng)管114提供給噴管101，然后穿過90度的彎部116 進(jìn)入管道112內(nèi)的接觸區(qū)12 0。節(jié)流氣體通過具有9 0度的彎部 124和位于其末端128的射管126的供應(yīng)管122供應(yīng)。射管126 延伸越過低溫液體供應(yīng)管114的彎部116進(jìn)入到接觸區(qū)12 0內(nèi)， 其加強(qiáng)了節(jié)流氣體和低溫流體的接觸。本發(fā)明不限于所示的實(shí)施例。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可 以使用包括多個(gè)氣體和液體供應(yīng)流和管線的噴嘴，并可以對所示 實(shí)施例做出其它改變。
2權(quán)利要求
1、一種設(shè)備，其包括至少一個(gè)低溫噴射裝置，每個(gè)低溫噴射裝置具有至少一個(gè)氣體入口，其流體連通接觸區(qū)；和至少一個(gè)低溫液體入口，其流體連通接觸區(qū)，該接觸區(qū)流體連通至少一個(gè)噴嘴；以及氣體供應(yīng)控制裝置，其流體連通所述至少一個(gè)氣體入口的每一個(gè)；其中，氣體供應(yīng)控制裝置適于能夠調(diào)節(jié)供應(yīng)給所述至少一個(gè)氣體入口的每一個(gè)的氣體的溫度和壓力中的至少一個(gè)，以便在向所述至少一個(gè)低溫液體入口的每一個(gè)提供處于第一壓力的低溫液體源時(shí)獲得通過所述至少一個(gè)噴嘴的低溫液體的第一期望流量。
2、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中氣體供應(yīng)控制裝置適于能夠 調(diào)節(jié)供應(yīng)給所述至少一個(gè)氣體入口的每一個(gè)的氣體的壓力，以便在向 所述至少 一 個(gè)低溫液體入口提供處于第 一壓力的低溫液體源時(shí)獲得通 過所述至少一個(gè)噴嘴的低溫液體的第一期望流量。
3、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中氣體供應(yīng)控制裝置包括至少 一個(gè)可調(diào)節(jié)閥，該至少一個(gè)可調(diào)節(jié)閥的每一個(gè)能夠?qū)⒐?yīng)給所述至少 一個(gè)氣體入口的每 一個(gè)的氣體的壓力調(diào)節(jié)到大于第一壓力。
4、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述的至少一個(gè)噴嘴包括多 個(gè)噴嘴，該多個(gè)噴嘴的每一個(gè)具有相應(yīng)的低溫液體流量，該多個(gè)噴嘴 的每一個(gè)的低溫液體流量共同限定了噴射剖面，氣體供應(yīng)控制裝置適 于能夠調(diào)節(jié)供應(yīng)給所述至少一個(gè)氣體入口的每一個(gè)的氣體的溫度和壓 力中的至少一個(gè)，以便在向所述至少一個(gè)低溫液體入口的每一個(gè)提供 處于第一壓力的低溫液體源時(shí)獲得第一期望噴射剖面。
5、 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中氣體供應(yīng)控制裝置包括控制 器，該控制器被編程以根據(jù)預(yù)編程的冷卻剖面改變噴射剖面。
6、 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中氣體供應(yīng)控制裝置包括控制 器，該控制器被編程以改變噴射剖面，作為對接受自傳感器的信號的 響應(yīng)。
7、 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述傳感器包括溫度傳感器， 該溫度傳感器適于測量被所述至少一個(gè)低溫噴射裝置冷卻的基體的至 少一部分的溫度。
8、 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述傳感器包括位置傳感器， 該位置傳感器追蹤作用在被所述至少一個(gè)低溫噴射裝置冷卻的基體的 至少一部分上的熱源的位置。
9、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)氣體入口包括 第一氣體入口和第二氣體入口 。
10、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)低溫噴射裝置 包括多個(gè)低溫噴射裝置，氣體供應(yīng)控制裝置包括多個(gè)可調(diào)節(jié)閥，該多 個(gè)可調(diào)節(jié)閥的每一個(gè)流體連通所述至少一個(gè)氣體入口的每一個(gè)。
11、 一種設(shè)備，其包括 外管；內(nèi)管，其放置在外管內(nèi)并限定了位于外管和內(nèi)管之間的環(huán)形空間， 該內(nèi)管具有至少一個(gè)開口 ，該至少一個(gè)開口被放置成能使低溫液體從 該內(nèi)管徑向流入該環(huán)形空間中；形成在外管上的至少一個(gè)噴嘴，該至少一個(gè)噴嘴的每一個(gè)流體連 通該環(huán)形空間；與外管流體連通的第一氣體入口 ，該第一氣體入口適于連接到加 壓的氣體供應(yīng)源上；以及與內(nèi)管流體連通的第 一〗氐溫液體入口 ，該第 一低溫液體入口適于 連接到低溫液體供給上。
12、 如權(quán)利要求ll所述的設(shè)備，其中第一氣體入口正面流連通 環(huán)形空間。
13、 如權(quán)利要求ll所述的設(shè)備，其中外管包括第一端部和遠(yuǎn)離 該第一端部的第二端部，第一氣體入口位于該第一端部，該第二氣體 入口位于該第二端部，第二氣體入口適于連接到加壓的氣體供給上。
14、 如權(quán)利要求ll所述的設(shè)備，其中內(nèi)管和外管均為圓柱體且 同軸。
15、 如權(quán)利要求ll所述的設(shè)備，其中所述的至少一個(gè)噴嘴包括排成一行的多個(gè)噴嘴。
16、 如權(quán)利要求ll所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括氣體供應(yīng)控制裝置，其與第一氣體入口流體連通且適于能夠調(diào)節(jié)供應(yīng)給第一氣體入口的氣 體的溫度、壓力和質(zhì)量流量中的至少一個(gè)，以便當(dāng)向第一低溫液體入 口提供處于第一壓力的低溫液體源時(shí)獲得通過所述至少一個(gè)噴嘴的低溫液體的第一期望流量。
17、 一種設(shè)備，其包括管道，其具有上游端部和下游端部； 噴嘴，其正面流連通下游端部；第一入口，其適于連接到加壓的氣體供應(yīng)線上，該第一入口具有正面流連通噴嘴上游端部的氺夂放端部；以及第二入口，其適于連接到低溫液體供應(yīng)線上，該第二入口具有以45-135度流連通上游端部的出口端部。
18、 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中管道具有最小直徑和位于 上游端部和下游端部之間的長度，該長度處于最小直徑的l. 0倍和40倍 之間。
19、 一種方法，其包括向接觸區(qū)供應(yīng)處于第一壓力和第一溫度的低溫液體，該接觸區(qū)流 體連通至少一個(gè)噴嘴；向接觸區(qū)供應(yīng)處于第二壓力和第二溫度的氣體，第二壓力不小于 第一壓力，第二溫度高于第一溫度，該氣體具有的沸點(diǎn)在l個(gè)大氣壓下不高于第一溫度；調(diào)節(jié)供應(yīng)給接觸區(qū)的氣體，以獲得通過所述至少一個(gè)噴嘴的每一 個(gè)的低溫液體的期望流量。
20、 如權(quán)利要求19所述的方法，其中調(diào)節(jié)供應(yīng)給接觸區(qū)的氣體 包括調(diào)節(jié)第二壓力以獲得通過所述至少一個(gè)噴嘴的每一個(gè)低溫流體的 預(yù)期流量。
21、 如權(quán)利要求19所述的方法，其中調(diào)節(jié)第二壓力包括調(diào)節(jié)第 二壓力大于第一壓力的1到100倍，以獲得通過所述至少一個(gè)噴嘴的每 一個(gè)的低溫液體的期望流量。
22、 如權(quán)利要求19所述的方法，其中向接觸區(qū)供應(yīng)處于第二壓 力和第二溫度的氣體進(jìn)一步包括沿沖擊被供給接觸區(qū)的低溫液體的方 向供應(yīng)該氣體。
23、 如權(quán)利要求22所述的方法，其中沿沖擊被供給接觸區(qū)的低觸區(qū)的低溫液體的方向供應(yīng)該氣體。
24、 如權(quán)利要求19所述的方法，其中供應(yīng)低溫液體的步驟進(jìn)一步包括向內(nèi)管供應(yīng)處于第一壓力和第一溫度的低溫液體，該內(nèi)管具有 與接觸區(qū)流體連通的至少一個(gè)開口，該內(nèi)管位于外管內(nèi)、該接觸區(qū)則 位于內(nèi)外管之間。
25、 如權(quán)利要求19所述的方法，其中調(diào)節(jié)被供應(yīng)氣體的步驟進(jìn) 一步包括用控制器調(diào)節(jié)供給接觸區(qū)的氣體，對該控制器編程以基于(a ) 來自至少一個(gè)傳感器的信號和(b)預(yù)編程冷卻剖面中的一個(gè)或多個(gè)調(diào) 整供給接觸區(qū)的氣體的壓力剖面。
26、 如權(quán)利要求19所述的方法，其中該方法用于選自下列組的 應(yīng)用之一熱噴涂；焊接；熔接；硬化；滲氮；滲碳；激光上光；感 應(yīng)熱處理；釬焊；擠壓；鑄造；精軋；鍛造；壓花；雕刻；制作圖案； 金屬條、帶或管的印刷、劃線或切割；金屬和非金屬部件的低溫切削 和磨削；以及在金屬、陶瓷、航天、醫(yī)療、電子和光學(xué)工業(yè)中的加工、 表面處理或組裝。
全文摘要
現(xiàn)公開一種噴嘴和方法，其用于使低溫液體(L)與氣體(G)接觸并通過該噴嘴排放產(chǎn)生的流體。在一個(gè)實(shí)施例中，被排放流體的液相組分與氣相組分的比率作為氣體壓力的函數(shù)被控制。
文檔編號B05B7/04GK101511490SQ200780032358
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月28日
發(fā)明者J·L·格林, R·E·諾爾, Z·朱雷基 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司