專利名稱：用于制備大小和形狀均勻的小球的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明是共同待決美國專利中系列號08/892,145的部分繼續(xù)申請，該申請于1997，07，14提交，目前仍處于待決。
本發(fā)明涉及大小均勻和形狀均勻的球體或球狀物的制造。從一個方面看，本發(fā)明涉及制造用于焊料組合物的大小均勻的金屬球體。
背景技術：
對于形成具有已知大小的材料小滴曾經提出多種制造方法。本發(fā)明是對Chun等人的美國專利No.5,266,098方法的改進，將其引此作為參改。Chun等人的該專利描述使小滴帶上電荷，試圖制造大小均勻的小滴。Chun等人的方法所制造的小滴合格率很低，不合格部分是扁平的、橢圓的或不規(guī)則的。Chun等人的方法只限于制造具有粗糙不平表面的不規(guī)則形狀的小滴。
其它考慮過的使小滴帶電荷來制造小滴的方法包括Smith的美國專利No.5,560,543敘述了一種制造方法，該法使小滴通過帶電板和接地板，以選擇性地偏轉小滴。蘇聯(lián)專利No.541682 039-A1敘述了制造小滴的方法，該法使小滴通過電場帶上電荷。Orme等人的美國專利Nos.5,171,360；5,226,948；5,259,593和5,340,090敘述了幾種制造純產品的方法和設備，它們將大小均勻的小滴流引向有合格產品形狀的收集器。C.H.Passow的學位論文，麻省理工學院(MIT)1992年5月，敘述了一種制造均勻小滴的方法，該法將平行板置于帶電荷板下，選擇性地使某些小滴偏轉到收集的一邊。
其它制造小滴的各種方法包括Hayes的美國專利No.5,411,602敘述的方法，該法將焊料滴從噴射裝置射入惰性氣流中，并收集固化的焊料球；Hommel等人的美國專利No,4,956,128敘述了小滴穿過一種氯化鈣硬化水溶液的方法；Yabuki等人的美國專利No.4,744,821敘述了形成滴并將其通過油和水層的方法；Fulwyler等人的美國專利No.4,302,166敘述了一種小滴成形設備，其中小滴滴入一種非離子型表面活性劑的水溶液中。Green等人的美國專利No.4,628,040敘述了利用文丘利方法使水珠成形，其中小滴通過油固化；Eylon等人的美國專利No.4,787,935敘述了用旋流冷卻流體固化小滴制備粉末的方法；Anderson的美國專利Nos.4,216,718，和4,419,303敘述了用于高壓放電燈的鈉汞齊顆粒的制造方法，其中振動出料噴嘴使滴珠成形并落入一流體中；Rhim等人的美國專利No.4,981,625敘述了聚合物微球粒的成形方法，該法采用噴射單體小滴，使小滴珠帶電，在冷凍液中使小滴冷凍，再用輻照使小滴熔化，以便激活使單體聚合的自由基。
現(xiàn)有技術有關小滴生成的方法出于數(shù)種原因不能完全滿足要求，主要的問題是小滴顆粒尺寸的分布太寬。小滴尺寸不一致使小滴難于用作焊料。另一個問題是在小滴生成之后，需要去除小滴表面上的雜質或氧化物或者清除油和溶液，后兩種東西是在小滴通過時沾上的。小滴的清潔會增加制造時間和制造費用。
另一個主要問題是小滴珠的形狀不規(guī)則和/或表面凹凸不平。非球狀的小滴難于加工和應用。
因此，本發(fā)明的目的是開發(fā)一種制造高質量的大小和形狀均勻的小滴的設備和方法。本發(fā)明還提供了一種不用多個生成步驟和/或清潔步驟的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明提出一種用選定材料或各種材料制造大小和形狀均勻的小球的高精密方法和設備。該設備包括小球形成裝置和溫控固化環(huán)境。在優(yōu)選的實施方案中，小球的形成采用一種將低粘度的液體物料送入坩堝或進料系統(tǒng)的均勻小球生成裝置。坩堝帶有加熱和熔化物料的部件。坩堝中的低粘度液體物料受到擾動傳動機構的一定周期性的擾動。坩堝至少有一流孔供物料通過。物料經受壓差(宜為4-50psi)以流過流孔。施加在物料上的周期性擾動引起物流有控制地破碎為尺寸均勻的小球。小球形成之后，充電機構使小球帶上正電荷或負電荷。如果充電機構相對于物流保持一個預先給定的電壓時，充電機構和物流之間的電位和電容組合使物流的前導點帶電，每個小球在脫離物流之前一直保持電荷，電荷使其保持球狀。球上的電荷使相鄰的球相互排斥，各個小球上的相同電荷阻止小球在其運動途徑上與相鄰的小球融合。
在一個特別優(yōu)選的實施方案中，物流用激勵致動裝置引入的精密周期擾動(優(yōu)選1-30kHz)破碎。在某些實施方案中激勵致動裝置包括一電動的或壓電傳感器。在一個特別優(yōu)選的實施方案中，傳感器包括安裝在坩堝頂部的五層壓電晶體，下部的四片晶體是機械串接并平行地接到正弦高壓源上。頂部的壓電晶體作移動探測器。輸出電壓是激勵致動器裝置振幅的表征。在另一實施方案中，物料的周期擾動可從整體式多層壓電激勵致動器獲得。一種優(yōu)選的多層致動器的尺寸如下長5mm、高5mm、寬5mm。該多層致動器包括大約29層共燒結的壓電陶瓷片，多層致動器能膨脹3微米以上。在某些實施方案中，一個延伸部件，比如一根棒，附著在激勵致動器裝置的底部，并延伸到物料中。激勵致動器裝置通過棒將精密的周期擾動傳送給物料。
在另一個實施方案中，激勵致動器裝置可包括一具有噴嘴的壓電陶瓷材料，該陶瓷材料與電壓源相連。噴嘴具有一決定坩堝流孔的固定縱橫比。正弦電壓直接施于噴嘴上引起精密的周期擾動，該擾動經噴嘴壁傳送到物流中。亦可考慮，在某些溫度很高的情況下(例如低粘度液體物料的溫度大于300℃)可采用鈮酸鋰(LiNbO3)代替壓電陶瓷材料。
至少有一個壓力調節(jié)器保持坩堝內的恒定靜壓。在一個優(yōu)選的實施方案中，壓力調節(jié)器在小球形成裝置運行之前將坩堝保持在負壓狀態(tài)，負壓防止材料從噴嘴滴出。在一個優(yōu)選的實施方案中，壓力調節(jié)器在小球形成裝置運行期間將坩堝中低粘度液體物料維持在預定的液位，從而使坩堝保持正壓。在一個優(yōu)選的實施方案中，壓力調節(jié)器向坩堝中的低粘度液體物料上方供應一種干的惰性氣體，例如氮。正壓使物料通過坩堝流孔流出。物料上方壓力的大小控制物料流出流孔的流量。在小球形成裝置運行期間，施加的恒定正壓使物料從噴嘴流出并形成噴射流或物流。激勵致動器的正弦頻率使物流按精密的周期得到擾動。由于雷利(Rayleigh)不穩(wěn)定效應，由于動量能在物流中形成擾動，將物流破碎為形狀和大小均勻的互相隔開的小球。兩個相鄰小球之間的距離λ是噴射速度Vj和擾動頻率的函數(shù)，λ＝Vj/f。
在某些實施方案中，本發(fā)明提供一種偏轉機構，該機構與充電機構的關系是在空間上保持一個距離。偏轉機構包括至少一組折射面，這些折射面在空間上相互隔開。高壓跨接這組折射面，使表面之間產生電場，偏轉機構形成電力場，小球通過此電力場。由于小球帶電荷，根據(jù)它們的極性，小球在電場中發(fā)生偏移。偏轉機構在空間上將小球在垂直于中心或垂直軸的平面上隔開，防止球的融合，保持其尺寸的一致性。
小球的偏移距離是小球大小和速度、小球的電荷和偏轉場力的函數(shù)。通過折射機構，大球滯留在靠近中心軸的地方，而小球偏移中心軸較遠些。
目視系統(tǒng)安置在離坩堝流孔有一段距離的地方，以監(jiān)測小球的形成并測定小球的尺寸。在優(yōu)選的實施方案中，目視系統(tǒng)在操作上與激勵致動器裝置關聯(lián)，以便增加或減少施于低粘度液體物料的周期性擾動。目視系統(tǒng)同樣在操作上與偏轉機構相配，以根據(jù)目視系統(tǒng)收集的信息決定增加、保持或減少小球的電荷。
本發(fā)明是對Chun等人的美國專利No.5226098的工藝的改進，后者的小滴不是在溫控環(huán)境中形成的。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，小球形成機構在溫控固化環(huán)境中運行。溫控固化環(huán)境使小滴在短時間和小距離內形成。同時溫控固化環(huán)境使小球表面上出現(xiàn)沾污如氧化物的可能性減少。溫控固化環(huán)境至少含有一種傳熱介質，例如冷氣或液化氣。傳熱介質提供一種固化環(huán)境，小球可在其中有控制地冷卻和固化。在某些實施方案中，溫控固化環(huán)境提供一種溫度梯度，可使小球能以可控的方式很快冷卻，致使形成的小球具有一致的圓形或球形，同時具有均勻的大小。在采用钖-鉛合金制造焊料小球的實施方案中，溫控固化環(huán)境中的溫度梯度的情況是在靠近坩堝的上部小室的溫度約為室溫--90℃(某些方案中約為0℃)，而在靠近溫控固化環(huán)境底的下部小室的溫度約為-110℃--70℃。在另一個用不同的低粘度物料制造小球的實施方案中，固化環(huán)境的溫度控制使小球能很快地并均勻地形成。溫控固化環(huán)境的溫度受所用傳熱介質的種類的影響，不言而喻，各種傳熱介質，包括液化氣、鹵-碳流體、氨、水和蒸汽皆在本發(fā)明考慮的范圍內，而且傳熱介質的溫度與用于制造小球的低粘度液體物料的種類有關，其范圍約為室溫--200℃。
在一實施方案中，其低粘度液體物料含有一種由輻射熱固化的材料，例如銅和鋼一類金屬，這可采用不同類型的傳熱介質，而且傳熱介質可以不同的溫度提供。例如制造鈦小球的實施方案中，傳熱介質可包括熱氣或蒸汽。
在某些實施方案中曾經發(fā)現(xiàn)，小球與快速移動或流動的傳熱介質接觸有可能使小球的形狀變得不均勻。因此，在某些優(yōu)選方案中希望傳熱介質有較小的運動或流動。溫控固化環(huán)境中的傳熱介質基本上保持靜止以致沒有與形成的小球進行接觸并使其變形的介質流動。
在某些實施方案中，溫控固化環(huán)境包括兩種環(huán)境，第一種或氣相環(huán)境包括第一種傳熱介質，第二種或液相環(huán)境包括第二種傳熱介質。在另一些實施方案中，溫控固化環(huán)境包括第一或氣相環(huán)境而不包括第二或液相環(huán)境。但是，本文將詳細敘述氣相/液相溫控固化環(huán)境以便完全理解本發(fā)明的全部實施方案。還應理解，所有的實施方案皆在本發(fā)明考慮范圍之內。應用氣相/液相溫控固化環(huán)境在形成較軟的或有延度性的材料的小球和在形成大直徑的小球或有高熔化潛熱(即材料從液相轉化為固相時的放出的熱量)的小球時特別有用。
一旦小球離開偏轉機構，小球以首先在小球的外表面生成外皮或外殼而開始固化。在小球離開氣相環(huán)境區(qū)以前，該小球基本上已經固化，即熔化熱已從小球轉移到氣相傳熱介質或者已輻射出去。小球可能仍處于高溫下，仍具有一定的延度性。小球然后進入液相環(huán)境，該環(huán)境宜含有低溫惰性液體物料，例如提供液氮。液相環(huán)境進一步冷卻小球，去除其比熱并使其固化。液相環(huán)境同時起緩沖介質作用，它防止球相互碰撞或與上部小室和下部小室的底和壁碰撞時發(fā)生機械變形。
在一個優(yōu)選的實施方案中，低溫液體物料懸浮在溫控固化環(huán)境的頂部區(qū)和底部區(qū)。懸浮在頂部區(qū)的低溫液體懸浮入氣相環(huán)境并至少部分汽化，從而將氣相環(huán)境保持在優(yōu)選的低溫。在某些實施方案中，考慮使懸浮在頂部的液體能接觸下行的小球，以加速其冷卻。
在一個優(yōu)選的實施方案中，溫控固化環(huán)境的底部有一漏斗，該漏斗包含第二或液相環(huán)境。液相環(huán)境在小球撞擊漏斗底之前能使小球得到緩沖。一旦小球已經通過液相環(huán)境池，則勿需另外的加工步驟。也勿需從球的表面去除任何油或其它物料。
本發(fā)明的范圍包括監(jiān)測用于形成均勻大小小球的操作參數(shù)的任何變化并對其作出反應。第一熱電偶測量溫控固化環(huán)境頂部的溫度，第二熱電偶測量溫控固化環(huán)境底部的溫度。壓差傳感器監(jiān)測坩堝的壓力。數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)與壓力傳感器、熱電偶、小球形成裝置和目視觀察系統(tǒng)相連。數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)收集壓力和溫度的測量數(shù)據(jù)并控制小球的形成裝置。數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)和目視觀察系統(tǒng)提供能動地控制形成的小球的尺寸的現(xiàn)實可能性。小球的尺寸由目視觀察系統(tǒng)測量。數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)連續(xù)接收并修改有關坩堝壓力和由激勵致動器裝置提供的頻率，以使小球直徑保持在預定的大小。不言而喻形成的小球的實際尺寸取決于最終的使用要求。
按照本發(fā)明，小球的形成和對小球的形狀和直徑的控制都準確到微米之內。小球直徑的精密在約1％的范圍內。本發(fā)明是對Chun等人的美國專利No.5266098的技術進一步改進，因為根據(jù)本發(fā)明制造的小球基本上呈球形并且表面光滑。本發(fā)明的小球有高的球形度，通過小球各部分的直徑變化均小于約1.0％。
本發(fā)明的方法和設備可用于制造大小和形狀均勻的小球，其直徑范圍約12-1000微米。本發(fā)明特別適用于制造其直徑大于500微米的，在某些優(yōu)選的實施方案中可大于760微米(0.030英寸±0.0003)。封閉式的溫控固化環(huán)境控制小球從液態(tài)到固態(tài)的轉化速率。制造出的小球的體積和表面比影響小球的冷卻速率。較大直徑的小球在溫控固化環(huán)境中有控制地固化，以使小球基本保持圓形和平滑的表面，并具有均一的形狀。
操作參數(shù)，包括流孔直徑，小球周期性擾動的頻率和振幅均可進行變化，以可得到不同直徑的小球。不言而喻，小球的最佳直徑部分取決于所制小球的類型。其它一些參數(shù)，諸如金屬進入坩堝的進料速率、坩堝壓力、成小球材料的溫度、小球所帶電荷量等同樣影響大小和形狀均勻的小球的大小和形成速率。
不言而喻，低粘度液體物料的本身溫度影響小球的熱狀態(tài)。在某些實施方案中物料的溫度可正好高于熔點，而在另外一些實施方案中，例如可高于物料熔點50℃。物料的溫度差別影響實心小球的形成速率。
在本發(fā)明的某些實施方案中，另一可變參數(shù)是球形成裝置和小球的固化點之間的“遠離”距離。
本發(fā)明能使小球的固化比在常規(guī)的小滴形成設備中的快。在優(yōu)選方案中，小球穿過封閉的溫控固化環(huán)境下降，并在與封閉環(huán)境的底面接觸之前的下降時間約為0.5-1.5秒。封閉的溫控固化環(huán)境能在短得多的距離內(約為1-5米，而常規(guī)制球設備為10-20米)及在短得多的時間內(約為0.5-1.5，優(yōu)選0.8秒，而常規(guī)方法為7-10秒)形成小球。
在溫控固化環(huán)境中制出的小球基本不含雜質或氧化物。
在優(yōu)選方案中，小球由低粘度液體形成，該液體包括例如玻璃、陶瓷和金屬。在本發(fā)明考慮范圍內的某些方案中，小球可由多種金屬制成，它包括钖/鉛焊料合金、金、鋁、鋼或銅的合金。此外，小球可將鍍類金屬，諸如銀、金或鈀或涂復有機涂層，以便防止其制成后氧化。
小球特別可用于將集成電路內連到印刷電路板上的焊料，特別是作球柵陣列、芯片封裝和倒裝芯片封裝的焊料。
在某些實施方案中，按照本發(fā)明形成的小球特別適于作焊料組合物，而且小球勿需添加任何焊劑來防止在小球表面上生成氧化物。
雖然這里給出并敘述了某些優(yōu)選實施方案，但應該理解，本發(fā)明并不局限于此，并可在下述權利要求的范圍內具體化。
附圖簡述

圖1表示本發(fā)明的制造大小和形狀均勻的小球的一種設備。
圖1A是圖1中一部分的放大圖。
圖2是小球在冷卻過程中的放大截面圖。
優(yōu)選實施方案敘述參看附圖，概況示出一種制造大小和形狀均勻的小球的設備10。設備10至少包括一個小球形成裝置12和一封閉的溫控固化環(huán)境14。小球形成裝置12通常包括坩堝20和激勵致動器50。坩堝20有一頂部區(qū)22，該區(qū)與底部區(qū)24在空間上是隔開的。坩堝20界定一封閉空間26，該空間接受低粘度液體物料28的供應。在某些高溫應用中，坩堝20由陶瓷材料制成。坩堝20內部的溫度用熱電偶探測器25和溫度控制器27監(jiān)控，它們與加熱部件29連接。加熱部件29將物料28的溫度保持在其熔點以上。坩堝20通過在供料進口34處的供料部件34和壓力調節(jié)機構30相連。坩堝20的壓力用置于近供料進口34處的壓力傳感器36監(jiān)測。坩堝20內的壓力由壓力調節(jié)器30調節(jié)。在本發(fā)明的考慮范圍內，壓力調節(jié)器30可將如氮的惰性氣體送入坩堝20以形成正壓。
坩堝20有一端蓋40，該端蓋帶一可拆卸連接到底部區(qū)24的噴嘴42。噴嘴42通常附著在端蓋40的中心。噴嘴42至少界定一流孔44。在一個優(yōu)選的實施方案中，流孔44的內徑約為12-1000微米。在本發(fā)明的考慮范圍內，噴嘴42可具有一個以上的流孔44。但為了敘述方便，只詳細討論一個流孔的情況。在一個優(yōu)選的實施方案中，采用了蘭寶石噴嘴，該噴嘴在操作上附裝于端蓋40，后者由高溫陶瓷材料制成。在另一些實施方案中，采用陶瓷噴嘴。噴嘴42裝配到位于端蓋40中心的錐形配件中。在一個優(yōu)選的實施方案中，采用鎖緊螺母將噴嘴42固定到端蓋40上。
激勵致動器50對低粘度液體物料28提供周期性擾動。在所示實施方案中，激勵致動器50包括壓電晶體54的疊片組52，它與坩堝20的頂部區(qū)22在操作上相連。在一個實施方案中，壓電疊片組52含有至少5片壓電晶體54A、54B、54C、54D和54E。下面四片晶體54B、54C、54D和54E以機械串聯(lián)的，并以并聯(lián)與正弦高壓源56電連接。頂上的壓電晶體54A作為移動傳感器。該移動傳感器54A的輸出電壓是激勵致動器50的振幅的表征。延伸部件56，例如擾動棒附裝于壓電疊片組52的底部。壓電疊片組52的激勵經延伸部件56傳到物料28。
在本發(fā)明的考慮范圍內，激勵致動器50亦可包括整體式多層壓電致動器(未示出)，該致動器可包含如25-30層，在某些優(yōu)選方案中甚至是29層燒結在一起的壓電陶瓷，其尺寸約為5mm×5mm×5mm，它可膨脹3微米以上。
在另一個方案中，采用壓電陶瓷材料作噴嘴材料向物料28提供激勵。正弦電壓直接施于噴嘴，在噴嘴中形成周期性擾動。
在某些實施方案中，壓力調節(jié)器30包括真空泵60，該泵通過進料口61與坩堝20的頂部區(qū)22在操作上相連。真空泵60使坩堝20在形成小球之前維持負壓。負壓防止物料28在小球形成裝置12運行前從噴嘴42漏出。
在小球形成裝置10運行期間，來自壓力調節(jié)器30的恒壓迫使物料28從噴嘴42噴入溫控固化環(huán)境14。物料28形成穩(wěn)態(tài)層狀噴射流或物流70。來自激勵致動器50的激勵使物料70受到周期性擾動。按照雷利不穩(wěn)定效應的現(xiàn)象，物流70破碎為大小和形狀均勻的相互隔開的小球72。
充電系統(tǒng)80附裝于坩堝端蓋40。充電系統(tǒng)80和端蓋40之間的距離可根據(jù)選定的操作參數(shù)調節(jié)。在一優(yōu)選的實施方案中，充電系統(tǒng)80可由鋁材制成。高壓由電壓源82施于充電系統(tǒng)80。物流70破碎為小滴72，同時穿過充電系統(tǒng)80中的開口84。充電系統(tǒng)80賦于物流70以電荷。當小球72形成時，小球72保留了電荷。小球72的電荷在鄰近小球72之間形成作用力，防止小球72融合。
帶電荷的小球72穿過封閉的溫控固化環(huán)境14，在所示實施方案中，該環(huán)境包括第一或氣相環(huán)境102和第二或液相環(huán)境122。
在所示實施方案中，封閉的溫控固化環(huán)境14包括上部小室90和下部小室100。在某些實施方案中，上部小室90維持在第一溫度，下部小室100維持在第二溫度。第一和第二溫度界定在封閉的溫控固化環(huán)境中的溫度梯度。在制造钖/鉛合金小球的方案中，希望上部小室90中的第一溫度在室溫到約-90℃(在某些方案中約為0℃)范圍內，而下部小室100中的第二溫度在約-110℃到約-170℃范圍內。
小球形成裝置12通過支撐桿92安裝在上部小室90內。上部小室90與下部小室100密封連接。上部小室90與下部小室100的聯(lián)接使上部小室90和下部小室200界定第一或氣相封閉環(huán)境102。上部小室90至少具有一透明段94。在一個優(yōu)選方案中，上部小室90包括一段丙烯酸材料，例如，其尺寸約為12×12×24英寸。目視觀察系統(tǒng)98置于上部小室90的透明段94附近。目視觀察系統(tǒng)98監(jiān)測小球72的形成，并在小球通過目視觀察系統(tǒng)98時測定小球尺寸。
下部小室100至少有壁104和底部區(qū)106。在某些實施方案中，下部小室100優(yōu)選用CPVC管材制造，其內徑優(yōu)選14英寸。下部小室100包括偏轉機構110。在所示實施方案中，偏轉機構110包括兩塊折射板112和114。板112和114各具有排斥或帶電表面112′和114′。相鄰板112和114之間的距離界定開口118，帶電荷的小球72通過此開口。吸引或排斥表面112′和114′優(yōu)選由高導電材料如銅、鋁、鋼等制成，其長度在某些方案中約為150-400毫米。表面112′和114′之間的開口通常約為10-40毫米。應該明白，在其它一些實施方案中，其長度和距離至少部分決定于低粘度液體物料的種類、所制球的尺寸和其它操作參數(shù)。當球72下降時，小球72通過偏轉機構110。經高壓源116給偏轉機構110施加高壓，高壓在板112和114之間產生電場。由于小球72帶有電荷，電場對小球72或者吸引，或者偏轉。小球的偏轉距離是小球的電荷、大小和速度的函數(shù)。較大的球72的下降途徑接近通過偏轉機構110的中心軸，而較小的球從偏轉機構110的中心軸偏離開。
下部小室100的底部區(qū)106包容液相環(huán)境122。在一些優(yōu)選實施方案中，底部區(qū)106包括不銹鋼制的漏斗124。低溫閥126置于漏斗124的底部區(qū)128。開啟這個閥門可將漏斗124中的球72收集和返回。
下部小室100包括第一或上傳熱介質進料供給機構130，該機構置于下部小室100的上區(qū)132中。為在優(yōu)選實施方案中，進料供給機構130包括銅管134，該管呈環(huán)繞延伸到下部小室100的壁104附近。銅管134上有多個徑向開孔136。在一個優(yōu)選實施方案中，孔136通常沿銅管134均勻分布?？?36容許第一傳熱介質138懸浮到下部小室100之中。由于下部小室100與上部小室90是相通的，傳熱介質138既冷卻上部小室90又冷卻下部小室100。在傳熱介質138含液氮的實施方案中，傳熱介質使封閉的氣相環(huán)境102的溫度保持在約-80℃-約-170℃內。
在所示實施方案中，下部小室100同時具有第二或下傳熱介質供應機構140，該機構置于漏斗124附近，但在空間上是隔開的。漏斗124按預定數(shù)量盛放第二傳熱介質144。應該理解，第一和第二傳熱介質可能是同一物料，或者是不同物料，例如液化氣體如液氮和/或液態(tài)鹵-碳化物。第二傳熱介質144的供給界定第二或液相環(huán)境122。在所示實施方案中，溫控固化環(huán)境14包括氣相環(huán)境102和液相環(huán)境122，它允許小球72在與漏斗124的底128接觸之前固化，熔化熱散發(fā)到氣相環(huán)境102中，比熱散發(fā)到液相環(huán)境122中。漏斗124中的液相環(huán)境122使小球72在與漏斗124接觸之前得到緩沖。
在所示實施方案中，第一個熱電偶150監(jiān)測上部小室90的溫度，第二個熱電偶154監(jiān)測下部小室100的溫度，以使氣相環(huán)境102和液相環(huán)境122保持在優(yōu)選的小球固化溫度下。但是，應理解，可附加熱電偶以監(jiān)測封閉的溫控固化環(huán)境的溫度梯度。
在小球形成裝置12運行之前，封閉的溫控固化環(huán)境14和坩堝20用干的惰性氣體吹洗。氧含量監(jiān)測器160置于小室100之中以監(jiān)測大小均勻的小球的制造設備10在整個運行期內的氧含量。從封閉的溫控固化環(huán)境14延伸出的釋放162提供溫控固化環(huán)境14中預期的壓力和傳熱介質的量。
在運行中，噴嘴42的流孔44對準充電系統(tǒng)80的開口84。充電系統(tǒng)80使物料70帶上電荷，在每個小球72形成并脫離物流70時，每個小球72保留部分電荷。當帶電荷的小球72下降時，該小球經或接近偏轉機構110的帶電板112和114穿過。
在帶電表面或排斥表面112′和114′保持預定電壓的條件下，在開口118處形成的電場使小球72進一步帶電。小球72相互之間以及與帶電表面或排斥表面112′和114′之間保持預定距離。圖2中的箭頭通常表示排斥力。每個小球72下降時，前導小球不但與后繼小球72相排斥，而且與帶電表面112′和114′的邊相排斥，從而防止了相同電荷的小球相互融合。
不言而喻，根據(jù)所制球的最終用途可采用各種合適的材料。球上的實際電荷不單是所用金屬的函數(shù)，而且亦是球徑和帶電板112和114及小球72間電壓的函數(shù)。球上的電荷宜為10-7庫侖-克量級；但是不言而喻，亦可采用其它的電荷量，電荷量與上面討論的各種參數(shù)有關。
帶電小球72在穿過氣相環(huán)境102向下運動時固化，而在與液相環(huán)境122接觸之前完全固化。從圖2可以看出，小球72首先生成表皮部分172，它屏蔽熔融部分174。當小球72向下運動和固化時，表皮部分172變厚，直到球72與漏斗124接觸之前熔融部分174消失。
不言而喻，本發(fā)明的制球設備10在操作上與數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)180相連，以收集和測量數(shù)據(jù)并且控制制球設備。數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)180同樣測量熱電偶和壓力傳感器的輸出電壓。數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)180還與目視觀察系統(tǒng)98相連，以提供能動地控制制球。在設備10操作期間，測量所形成球的尺寸和形狀。數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)180改變坩堝壓力和激勵致動器50所產生的頻率，從而使球的大小和形狀保持在預定的直徑。
不言而喻，本發(fā)明僅描述了上述的優(yōu)選實施方案，但在不偏離下列權利要求所定義的本發(fā)明的實質和范圍下可有各種替代方案、修改方案和選擇方案。
權利要求
1.一種形成大小和形狀均勻的小球的方法，它包括下列步驟向坩堝供應一種低粘度液體物料，向坩堝中的低粘度液體物料施加精密的周期性擾動，向低粘度液體物料施加壓力，該壓力迫使物料以穩(wěn)定層流經過坩堝中的至少一個流孔，流出的物流進入一封閉的溫控固化環(huán)境，該封閉的溫控固化環(huán)境包含至少一種傳熱介質，在物流離開流孔并破碎為多個小球時向物流施加電荷，使帶電小球通過電場以偏轉小球，以及使小球通過封閉的溫控固化環(huán)境中的傳熱介質以使小球冷卻和固化。
2.權利要求1的方法，其中傳熱介質在封閉的溫控固化環(huán)境中形成熱梯度。
3.權利要求1的方法，其中封閉的溫控固化環(huán)境包括帶電小球通過的第一或氣相環(huán)境，該第一或氣相環(huán)境包含第一傳熱介質，該介質包括冷卻流體、液化氣體或鹵碳化物的噴霧，冷卻流體在封閉的溫控環(huán)境中蒸發(fā)并吸收小球的熔化熱。
4.權利要求3的方法，其中封閉的溫控固化環(huán)境包括小球通過的第二或液相環(huán)境，該第二或液相環(huán)境包含第二傳熱介質，該介質包括供給液化氣體或鹵碳化物。
5.權利要求4的方法，其中小球通過第二或液相環(huán)境，以便吸收小球的比熱并使小球在與封閉的溫控固化環(huán)境底接觸之前得到緩沖。
6.權利要求1的方法，還包括目視監(jiān)測步驟，當?shù)驼扯纫后w物流破碎為小球時，監(jiān)測該物流以提供有關小球直徑和形狀以及物流穩(wěn)定性的信息。
7.權利要求1的方法，其中固化的小球收集在封閉的溫控固化環(huán)境的漏斗形底中。
8.權利要求1的方法，其中小球的直徑界于12-1000微米之間。
9.權利要求1的方法，其中小球在與封閉的溫控固化環(huán)境底接觸之前，通過封閉的溫控固化環(huán)境的時間約為0.5-1.5秒。
10.權利要求1的方法，其中封閉的低溫固化環(huán)境的溫度約低于0℃。
11.權利要求4的方法，其中在物流破碎為小球和小球接觸第二或液相環(huán)境之間的距離是變化的，以加長或縮短小球的固化時間。
12.權利要求1的方法，其中用壓電致動器向低粘度液體物料施加精密的周期性擾動。
13.權利要求12的方法，其中壓電傳感器包括安裝在坩堝頂部的壓電晶體疊片組。
14.權利要求1的方法，其中用安裝在坩堝頂部的電動傳感器向低粘度液體物料施加精密的周期性擾動。
15.權利要求1的方法，其中通過一噴嘴施加精密的周期性擾動，該噴嘴具有界定坩堝的流孔的固定縱橫比。
16.權利要求1的方法，其中向低粘度液體物流施加基本恒定的正壓，迫使低粘度液體物料呈穩(wěn)定層流流過流孔。
17.權利要求1的方法，其中偏轉機構包括兩個在空間上分開的表面，在兩個表面之間形成電場以偏轉向下移動的小球。
18.采用權利要求1的方法形成的大小和形狀基本均勻的小球。
19.權利要求18的小球，其中通過每個小球的任何截面的直徑的變化小于1.0％。
20.權利要求19的小球，其中每個小球的直徑約大于500微米。
21.一種形成大小和形狀均勻的小球的設備，它包括承受低粘度液體物料供應的坩堝，向坩堝中的低粘度液體物料施加精密周期性擾動的激勵裝置。向低粘度液體物料施加壓力的壓力調節(jié)器，以使低粘度液體物料呈穩(wěn)定層流通過坩堝的至少一個流孔，該物流在離開流孔時破碎為多個大小基本均勻的小球，當物流離開流孔并破碎為小球時，向低粘度液體物流施加電荷的充電部件，當帶電小球通過偏轉機構形成的電場時用于偏轉帶電小球的偏轉機構，以及封閉的溫控固化環(huán)境，該環(huán)境界定第一或氣相環(huán)境，并且它包含至少一種傳熱介質，封閉的溫控固化環(huán)境受低粘度液體物流和小球，在第一或氣相環(huán)境中的傳熱介質吸收熔化熱，使小球冷卻并基本固化。
22.權利要求21的設備，其中傳熱介質在封閉的溫控固化環(huán)境中形成熱梯度。
23.權利要求21的設備，其中封閉的溫控固化環(huán)境還包括第二或液相環(huán)境，該液相環(huán)境吸收小球的比熱，并在小球與封閉的溫控固化環(huán)境底接觸之前使小球得到緩沖。
24.權利要求23的設備，其中第二或液相環(huán)境接收含液化氣體或鹵碳化物的第二傳熱介質的供應。
25.權利要求21的設備，還包括觀察系統(tǒng)，以監(jiān)測物流破碎成小球并提供有關小球直徑和形狀的信息。
26.權利要求21的設備，其中封閉的溫控固化環(huán)境的底包括一漏斗。
27.權利要求21的設備，其中流孔的直徑在12-1000微米范圍內。
28.權利要求21的設備，其中在坩堝流孔和封閉的溫控固化環(huán)境底之間所界定的距離在1-5米的范圍內。
29.權利要求21的設備，其中封閉的溫控固化環(huán)境的溫度約低于0℃。
30.權利要求23的設備，其中在物流破碎成小球和小球接觸第二或液相環(huán)境之間的距離是變化的，以加長或縮短小球固化的時間。
31.權利要求21的設備，其中激勵裝置包括壓電致動器。
32.權利要求31的設備，其中壓電致動器包括安裝在坩堝頂部的壓電晶體的疊片組。
33.權利要求21的設備，其中激勵裝置包括電動傳感器。
34.權利要求21的設備，其中激勵裝置包括有固定縱橫比的噴嘴，它界定坩堝的流孔。
35.權利要求21的設備，其中壓力調節(jié)器提供包括一種干的惰性氣體的正壓。
36.權利要求21的設備，其中偏轉機構包含兩個空間上分開的表面和在表面之間提供電力場的電壓源。
37.采用權利要求21的設備形成的大小和形狀基本均勻的小球。
38.權利要求37的小球，其中通過每個小球的任何截面的直徑的變化小于1.0％。
39.權利要求38的小球，其中每個小球的直徑大于約500微米。
全文摘要
大小和形狀均勻的小球(72)是通過向低粘度液體物料施加精密的周期性擾動形成的。壓力迫使物料呈穩(wěn)定層流穿過坩堝(20)的至少一流孔。該物流進入封閉的溫控固化環(huán)境(14),該環(huán)境包含至少一傳熱介質。當物流離開坩堝破碎為多個小球時,充電機構(110)向該物流充電以便在小球通過電場時受到偏轉。封閉的溫控固化環(huán)境使小球冷卻和基本固化。
文檔編號B01J2/06GK1262636SQ98807037
公開日2000年8月9日 申請日期1998年6月5日 優(yōu)先權日1997年7月14日
發(fā)明者J·唐, G·B·赫斯, M·D·穆申斯基, T·S·格林 申請人:艾羅奎普有限公司