专利名称：喷射低温液体的喷射装置和与该装置相关的喷射方法
喷射低温液体的喷射装置和与该装置相关的喷射方法 相关申请交叉参考
本申请要求2006年8月28日提交的美国临时申请60/840， 616和 2006年10月12日提交的美国临时申请60/851， 189的优先权，这两个临 时申请的标题均为"用于低温冲击的喷嘴、系统和方法，，。在此将它 们纳入一并参考。
背景技术：
本发明涉及一种低温喷嘴。具体地，本发明涉及控制 通过低温喷嘴的低温液体的流量。喷嘴是位于或靠近出口或终点 的流体管线的收缩部，流体从该喷嘴喷射到压力比供应线内的压 力低的开放空间中。图1C、 2A-2D和3中所示的流体通道是该喷 嘴内的收缩部，这些图形并未显示连接到喷嘴的供应线。图1A显示了用于控制通过喷嘴的低温液体的流量的 传统方法。具体地，阀V安装于该喷嘴的上游，当通过喷嘴N的 期望流量小于该喷嘴的设计容量时，该阀限制低温液体L的流 量。这种传统方法的问题是液体穿过阀产生的压降，这种压降会 造成喷射速度的降低。此外，该压降导致一部分液体在阀的下游汽化，其能 塞住该喷嘴和/或该喷嘴通道，从而造成流量脉动。在这方面重 要的是要了解，在增大喷嘴孔尺寸以快速地排放汽化损耗 (boil-off)从而消除所产生的流量脉动方面，传统方法受到制 约。具体地，传统方法中的较大的喷嘴孔需要更高程度的阀限制， 以获得同等范围的流量减少，这样就会产生更大的压降和更多的 汽化损耗。当喷嘴和连接该喷嘴的输送线在工作前必须要被冷 却至室温以下时，对传统方法中增加喷嘴尺寸的这一制约会导致 传统方法中的另一个问题。具体地，要迅速排出在这样的冷却过 程中产生的大量蒸汽就需要过大尺寸的喷嘴。因此，传统方法面
6临在开始正常操作前改变过大尺寸喷嘴的耗时任务和设计用于 在冷却期间临时增加喷嘴的孔尺寸的系统的复杂性之间的两难 选择最后，传统方法的另一个问题是阀本身。具体地，必 须处理低温液体的岡成本很高，且容易损坏。本发明提供了一种 用于控制通过喷嘴的低温液体的流量的方法，其避免了上述问 题。图1B显示了对图1的常规变体，其通过将阀V定位 在喷嘴N处以减少汽化所引起的流量脉动。通过这种方式，喷嘴 中的汽化发生就排除了 ，从而避免了相关的喷嘴堵塞。不幸的是， 这一变体在许多应用中不切实际，因为控制阀使喷嘴过大、笨重 得不适于安装到制造机器中。此外，将压降移到喷嘴排放处不会 阻止喷射速度的减小。相关技术包括KELLETT的美国专利 5385025 ; BRAHMBHATT等的美国专利6363729 ; GERMAIN等的美国专利 6070416;以及K匿EL等的US2002/01 39125 。
发明内容
本发明是用于控制通过喷嘴的低温液体的流量的方 法和设备。该流量是用"节流"气体来控制，该"节流"气体的 压力大于或等于低温液体的压力，它的温度则高于该低温液体的 温度以及它的沸点低于或等于该低温液体的温度。具体来说，本发明提供了一种方法，其包括提供低 温液体；提供节流气体，该节流气体的压力大于或等于低温液体 的压力，它的温度则高于该低温液体的温度，以及它的沸点低于 或等于该低温液体的温度；将该低温液体和该节流气体引入接触 区并使该液体和该节流气体接触以形成结果流体；以及通过喷嘴 排出该流体，同时继续将该低温液体和该节流气体引入该接触 区。该方法包括使该气体和液体流动连续 一 段时间和在最大流量 到无气流之间按需调节该气体的质量流量和/或温度、和/或压力 以调节或维持该低温液体的质量流量的步骤。在本发明的方法中，低温液体和节流气体被引入接触区，它们在该接触区相接触形成了结果流体。该结果流体通过喷 嘴排放，同时继续将来自接触区上游的一个或更多源的附加低温 液体和节流气体或附加低温液体，或附加节流气体引入该接触
区。在本发明方法的一个实施例中，该方法进一步包括控制流体 的质量流量和控制作为节流气体压力函数的所排放流体的液体 组分与气体组分的质量比。在本发明的一个实施例中，设备包括具有上游端部和
下游端部的管道，该管道正面流连通喷嘴。该设备进一步包括连 接加压气体供应线与该管道的第一供应线，和连接该低温液体供 应线与该管道的第二供应线。该气体供应线的排放端部正面流连
通该管道的上游端部，同时该液体供应线以45-1 35度流连通该 管道的上游端(自该管道测量)。在本发明的第二个设备实施例中，该设备包括管道和 喷嘴，该管道具有第一进料端部和可以为相对进料端部的第二进 料端部，该喷嘴包括沿该管道的管壁长度的至少一部分排列的一 排开口 (或缝隙)。该设备进一步包括第一供应线和第二供应线， 该第一供应线具有与该管道至少一个进料端部正面流连通的排 放端部，该第二供应线具有以45-1 35。流连通该管道至少一个进 料端部的排放端部。该角度自该管道开始测量。在该笫二设备的 一个实施例中，正面流连通管道的第一供应线连接加压气体供给 与管道，而以45-1 35°流连通或以90-1 35°流连通管道的第二 供应线连接低温流体供应线与管道。在本发明的第三设备实施例中，该设备包括环形空 间，其由同轴地围绕内管的外管所限定，该内管的管壁上包括多 个开口。该环形空间具有第一进料端部和相对的进料端部，它们 分别邻近内管的笫一入口端部与相对的入口端部。该设备进一步 包括喷嘴、第一供应线和第二供应线，该喷嘴包括沿外管管壁长 度的至少一部分排列的一排开口 (或缝隙)，第一供应线流连通 该环形空间的至少 一 个进料端部，第二供应线流连通该内管的至 少一个入口端部。在该第三设备的一个实施例中，流连通环形空 间的第 一供应线连接加压气体供给与该环形空间，而流连通内管 的第二供应线连接低温流体供给与内管。
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本发明进一步提供了 一种设备，其包括至少一个低温 喷射设备和气体供应控制装置，每个低温喷射设备具有流连通接 触区的至少一个气体入口和流连通接触区的至少一个低温液体 入口，该接触区流动连通至少一个喷嘴；气体供应控制装置流连 通所述至少一个气体入口的每一个；其中，当向所述至少一个低 温液体入口的每一个提供处于第一压力的低温液体源时，气体供 应控制装置适于能够调节供给所述至少一个气体入口的每一个 的气体的温度和压力中的至少一个以获得通过所述至少一个喷 嘴的低温液体的第一期望流量。本发明进一步提供一种设备，其包括外管；内管， 其放置在该外管内并限定了位于外管和内管之间的环形空间，该 内管具有至少一个开口 ，该至少一个开口被放置成能使低温液体 从该内管径向流入该环形空间；形成在外管上的至少一个喷嘴， 所述至少一个喷嘴的每一个流体连通该环形空间；第一气体入 口，该第一气体入口流体连通该外管，该第一气体入口适于连接 到加压气体供给上；以及第一低温液体入口，该笫一低温液体入 口流体连通该内管，该低温液体入口适于连接到低温液体供给 上。本发明进一步提供一种设备，其包括管道，其具有 上游端部和下游端部；喷嘴，其正面流连通下游端部；第一入口， 该第一入口适于连接到加压气体供应线上，该第一入口具有正面 流连通喷嘴上游端部的排放端部；以及第二入口，该第二入口适 于连接到低温液体供应线上，该第二入口具有以45-1 35度流连 通上游端部的出口端部。本发明进一步提供一种方法，该方法包括向接触区 供应处于第一压力和第一温度的低温液体，该接触区流体连通至
少一个喷嘴；向接触区供应处于第二压力和第二温度的气体，该 笫二压力不低于第一压力，该第二温度高于该第一温度，且该气 体在1个大气压下的沸点不高于笫一温度；调节供给接触区的气 体，以获得通过所述至少一个喷嘴的每一个的低温液体的期望流 量。
图1A显示了常规的低温喷嘴；
图1B显示了具有改良位置的常规低温喷嘴；
图1C显示了本发明的一个实施例；
图2A-2D显示了具有不同接触区和/或喷嘴配置的本 发明其他各种实施例；图3显示了本发明的一个附加实施例；
图4显示了本发明具有多个喷嘴的另一个实施例；
图5显示了本发明的单管道喷管实施例；
图6A-6I显示了本发明的几个双管道喷管实施例；
图7显示了适于追踪移动热源的喷管系统；
图8显示了图7中喷管的另一个实施例，其中该喷管 围绕基体；图9显示了另 一个可选的喷管实施例。
具体实施例方式
(i )"低温流体"是指在1个大气压下沸点低于-73"C的流体。
(ii )"低温液体"是指在1个大气压下沸点低于-73x:的 液相〗氏温流体。
(iii )"喷嘴，，应指用于排放液体的一个或多个开口。喷嘴 是位于或靠近出口或终点的流体线收缩部，流体从该收缩部被喷 射到压力低于供应线中的压力的开放空间中。
(iv )在管道和喷嘴之间的"正面"流连通应指处于该管道 排放端部的流路方向不变地汇合到通过该喷嘴的流路中。同样 地，在流体和管道之间的"正面，，流连通应指该流体的流路方向 不变地汇合到位于该管道进料端部或上游端部的流路中。最后， 在供应线和管道之间的"正面，，流连通应指位于该供应线排放端 部的流路方向不变地汇合到位于该管道进料端部或上游端部的 流路中。
(v )在流体和管道之间的"45° -135°流连通"应指该流
10体的流路以45° -135°角汇合到位于该管道进料端部的流路中。 类似地，在供应线和管道之间的45° -135°流连通应指位于该供 应线排放端部的流路以45° -135。角汇合到位于该管道进料端 部的流路中。对于一些实施例，由开口、供应线或其他连接所限 定的进入喷嘴接触区的液体中的气体流方向为0° -180° 、 0° -90°或45° -90° ，该管道可以正面流连通该接触区，也可以不 正面流连通该接触区。本发明基于申请人的发现，即当低温液体和加压"节 流，，气体被引入"接触区，，和由此产生的流体通过喷嘴被排放时， 可以控制作为节流气体的压力函数的所排放流体的液-气比，进 而控制低温液体的流量。按照这种方式，本发明通过只改变节流 气体的压力就能够在冲击冷却(impingement cooling)功能和 吹风清洁(blast-cleaning)功能之间变换(下称"混合功能，， 特征)，在冲击冷却功能中排放流体可以包括多数(51-100% ) 或高达100%的更高比例的液体(例如75-100 %的液体)，在吹 风清洁功能中该排放流体可以包括多数(51-100% )或高达100 %的更高比例的气体(例如75-100 %的气体)。此外，在本发明的"喷管，，实施例中，申请人已经开 发了一种用于控制作为节流气体压力函数的被排放流体的液组 分的"喷射剖面"的方法(下称"喷射剖面"功能)。按照这种 方式，本发明可以匹配基体的"冷却剖面"(如在冷轧应用中， 金属带的中部相比其端部需要更多的冷却)，或者甚至追踪被传 给基体的动态热负荷(例如在热喷涂应用中，如于2006年3月 27日提交的11/389, 308 "热沉积涂覆方法，，所公开的，其主张 2 005年4月12日提交的临时申请60/670， 497 "热淀积涂覆操作 的控制方法"，在此将两者纳入一并参考)。—般来说，位于与低温液体压力相同的压力和最大气 体压力之间的节流气体压力的增加导致被排放流体的液-气比成 比例地降低。该排放流体的组成可为100%的液体直到100%的气 体。该气体压力的增加将导致该排放流体的质量流量成比例地减 少。这些关系将在以下详细讨论。本发明的一个重要优势是有能力控制被排放流体的
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在本发明中没有传统限流阀产生的另 一个重要结果 就是能使用比传统方法所允许的喷嘴尺寸更大的喷嘴尺寸。因 此，能够将喷嘴尺寸增加到会对按照获得期望液-气排放比的气 体压力升高做出迅速反应的尺寸(下称"快速反应"特性)。此 外，当系统必须从环境温度启动时，这个增加的喷嘴尺寸还起到 的作用就是迅速排出所产生的大量蒸汽(下称"快速启动"特性)。以上的混合功能、喷射剖面、喷射速度、快速反应和 快速启动特性使本发明难得地适合于广泛应用中，包括但不限于 下列
(一) 热喷涂技术的应用，特别是使用高速氧燃料(HVOF)
或等离子喷涂系统；
(二) 焊接；熔接；硬化；渗氮；渗碳；激光上光(laser
glazing);感应热处理；钎焊；挤压；铸造；精轧；锻造；压 花；雕刻；制模(patterning);金属条、带或管的印刷、划线 或切割；金属与非金属部件的低温切削和磨削；以及
(三) 在金属、陶瓷、航天、医疗、电子和光学工业中的加 工、表面处理或组装。除了节流气体的压力之外，节流气体的温度在本申请 中也发挥了作用。具体来说，节流气体接触低温液体时所产生的 汽化损耗有助于节流效应。 一般来说，引入接触区的节流气体温 度为环境温度(因为这保证了适当的汽化损耗，而无需加热或冷 却该节流气体)，气体压力在本发明中充当了优选的"控制杆，， 的功能。但是，通过调节汽化损耗对节流效应的贡献，该气体温 度也可以充当控制杆，或者只靠气体温度(即气体压力保持不 变)，或者结合气体压力的调整。另外要注意，加到饱和低温液 体上的任何数量的热量都会引起至少一些汽化损耗，节流气体的 温度优选大于该低温液体的温度。最后，关于温度方面，通过使 用环境温度的温度可以降低任何特定节流率所需的压力，但是如 果该温度太高，就会危害微调作为气体压力函数的液体组分的能
12力。为了确保节流气体在接触低温液体时不会凝结，该节
流气体的沸点应低于或等于低温液体的沸点。因此，如果该低温
液体充满氮，该节流气体可以包括氮但不是氩，而当低温液体充 、:法S otf甘、:弁；S 乂* "sr 白k资《急 ；译營5ff tt 《女1 g: ffl阳
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素喜欢液氮作为低温液体和气态氮作为节流气体。另外注意到， 空气中的氧组分可能无意中在接触区内凝结并引起了可燃性的 忧虑，因此通常不希望空气作为节流气体。最后，关于本发明中 流体的选择，注意到低温液体通常不采用液态二氧化碳，因为它 冻结后体积膨胀，可能在喷嘴内形成冰塞。节流气体压力与(i )所排放流体的液-气质量流量 (下称"D^")之间以及与(ii )所排放流体的总质量流量(下 称"DF")之间的确切关系将取决于多种因素，包括但不限于 如上面所注意到的节流气体的温度，低温液体和气体的选择，喷 嘴和接触区的尺寸，以及喷嘴和接触区之间的配置。另外，由于 能够预料到节流气体在连接了节流气体的加压供给与接触区的 供应线中会引起至少一个适度的压降，因此必须要考虑这个压 降。因此，用于任何特定系统的该确切关系应由实验确定。以下 描述的是根据申请人实验所观察到的关系，在该实验中，饱和液 氮作为低温液体，处于环境温度的氮作为节流气体，液体和气体 的压力范围在10-350psig(磅/平方英寸)之间，以及喷嘴尺寸范 围和接触区配置范围。注意到观察到的关系还包括节流气体压力 与进入接触区的液氮和气态氮的引入速度(以下分别简称为"F ， 和"Fc")之间的关系，这些关系还对本发明的理解，下面会对 此作进一步的讨论。上面所提到的本发明的一个实施例中的关系如下关 于在等于低温液体压力(下称"非节流条件，，)的气体压力与等 于1. 05-1. 3倍低温液体压力规格(下称"全节流条件")的气 体压力之间的节流气体压力的增加，这种气体压力的增加导致 了
(i ) D^在1. 0与约零之间成比例减小；
(ii )Dp在非节流条件下发生的最大Dp与在节流条件下发生的最小Dp之间成比例降低，最小Df只是最大Df的一部分或一小
部分；
(iii )Ft在非节流条件下发生的最大Ft与在节流条件下发生 的最小Ft之间成比例降低，最小Fl只是最大Fl的一小部分，例 如在一些实施例中是最大Fl的10-15%;以及
(iv )Fe在非节流条件下发生的最小Fe与在节流条件下发生 的最大F。之间成比例降低，最小Fe等于最大氏的约0-11%，许
多实施例中的最大Fe等于最大K的10-35%。在一个可选实施例中，处于进入喷嘴接触区的各自入 口处的气体压力和液体压力之间的比率可以是大于1的任何值 或在大于1到100之间变化。如上文所提出的，上述关系提供了对本发明的许多理 解，其如下
(i )实现全节流条件的气体压力是有益的适度，即相对于 标准压力基础只是低温液体压力的1. 05-1. 30倍。更高的气体供 应压力会更有效，但对于本文所描述的设计具有其他规格的喷嘴 并没有必要，例如在喷嘴管道内气体和液体的优选冲击角度。另 外，根据上面的(iv)，并注意到节流气体压力和该节流气体引 入率总是直接对应特定的设计和几何形状，这会转换成获得全节 流条件所要求的适度节流气体引入率，即只有在非节流条件下发 生的低温液体引入率的约10-35% 。
(ii )根据上面的(iii )，可以预期到的是在全节流条件下 低温液体进料率不为零，而是非节流条件下发生的低温液体引入 率的流量的约10-15% 。这意味着，当排放的流体不含液体时， 汽化损耗有助于节流效应。此外，这具有有利于本发明的快速反 应特性的优点，即使是在全节流条件下，因为低温液体引入率不 必关闭和重启。
(iii )根据上面的(iv ),注意到在离开(或至少明显)非 节流条件之前节流气体进料率可为11%。这与在供应线和接触 区中的节流气体的最初建立有关。申请人:的实验提供了特定于位于本发明的接触区和 喷嘴之间的两大类配置的附加特点。在第一类中，下称"猎枪(shotgun)"配置，接触区包括通过单一开口喷嘴正面排放流 体的管道。在第二类中，下称"喷管，，配置，接触区包括管道， 该管道通过沿其管壁的纵向长度排列的喷嘴从该管道径向排放 流体，该喷嘴由一排开口或缝隙构成。此处披露该喷管配置的几 个基本变体。在一个变体中，(下称"单管"变体)，低温液体 和节流气体被引入包含接触区的管道的一端或通常两端中。在另 一种变体中，(下称"套管"变体)，节流气体被引入由同轴管 限定的环形空间的一端或两端中，而低温液体通过内管上的一系 列开口被引入该环形空间中，该些开口径向流连通包含接触区的 环形空间。特定于这些配置中每一个的特点在下面对图形的讨论 中将会变很详细。图1C示出的本发明实施例是位于接触区和喷嘴之间 的猎枪配置的一个例子。在图1C中，接触区包括管道31c (由 图1C中的交叉影线标出)，其具有上游端部和正面流连通喷嘴 N的下游端部，上游端部流连通经由第一供应线的低温液体供给 L和经由第二供应线的节流气体G 二者的供给。低温液体和节流 气体通过各自的供应管线被引入接触区中，并相互接触以形成结 果流体。该结果流体通过喷嘴排放，同时继续将该低温液体和该 节流气体引入该接触区中。图1C还体现了申请人的观察结果，即在猎枪配置中
"微调，，所排放流体的液-气比的能力在以下情况下得到提高 (i )从工艺角度看，低温液体和节流气体在以角度y引入 到混合中冲击彼此，该角度y可以是任何值，例如从0到360度 或从0到2 7 0度，或从0到18 0度，但对于一些实施例来说，其 是从45到135度或从45到90度(如图1C所示优选为90度)。
(所示角度y是在液体管道与气体管道之间形成的角度，即气体 和液体在接触区^L引入彼此中时气体流动方向与液体流动方向 之间形成的角度。喷嘴中液体和气体的流动方向由L和G旁边的 箭头所指示)；以及
(iii )从设备角度看，接触区管道31c (由图1C中的交叉 影线表示)的长度x可以是任何值，但可以是该管道最窄处直径 d的1. 0-40倍。
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注意到附图示出 一些实施例，这些实施例中的液体或 气体管线正面面对喷嘴的排放端部。本发明中的喷嘴并不限于所 示的实施例，本发明提供了喷嘴内的液体和气体管道构造成使得 二者都不会与喷嘴的排放端部处于正面流中。例如，低温液体管 道、气体管道和接触区在喷嘴中可布置成彼此相隔120度，或者 低温液体管道和气体管道可相隔90度，接触区则可与这两个管 道均间隔135度。在可选的实施例中，在喷嘴的每个低温液体管 道中都可配备两个或两个以上气体管道。当喷嘴内4吏用两个或两 个以上的气体管道时，优选它们与低温液体管道之间间隔45。 -90° ，尽管早前描述过可使用任何角度。除了供应流相对于接触区管道32a (由图2A中的交 叉影线标出)的方向是相反的以外，图2A与图1C相同。在这方 面，图2A体现了申请人的观察结果，即猎枪配置中的微调能力 会得到进一步增强，只要冲击角度方向的确定使得
(i )从工艺角度看，节流气体正面流连通管道的上游端部；
以及
(ii )从设备角度看，加压气体供给G的管道正面流连通接 触区，而低温液体供给L的管道以45。 -135°或90° -135°流 连通接触区(优选如图2A所示的90° )。除了低温液体和节流气体被平行且正面地引入接触 区管道32b (由图2B中的交叉影线表示)之外，图2B与图2A 相同。申请人发现，气体和液体之间小于45度的冲击角度(特 别是冲击角度等于零，如图2b所示)容易导致狭窄的类似开/ 关的调整范围。当这些喷嘴既不处于大致的非节流条件也不处于 大致的全节流条件时，它们易于从喷嘴产生脉冲排放。因此，具 有较小沖击角度的喷嘴配置(即在宏观范围上进入接触区的液体 和气体的流动方向之间的角度小于45度)通常对在大致非节流 条件与大致全节流条件之间变化的应用有用。除了接触区管道32c (由图2C中的斜线表示)和喷 嘴N之外，图2C与图2A相同，接触区管道32c和喷嘴N被改成 使得该管道的下游端发散成较大喷嘴尺寸，以便提供更加分散的 喷射。
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除了接触区管道32d (由图2D中的交叉影线表示) 在其上游端部包括球形室之外，图2D与图2A相同。在这方面， 图2D体现了申请人的观察结果，即微调能力也会受这样室的直 径的影响。具体地，该室直径D优选在该管道最窄处直径的 1. 0-6. 0倍之间。图3与图2A相同，除了( i )接触区33 (由图3 中的交叉影线标明)与喷嘴N之间的猎枪配置为垂直取向；
(ii )接触区、气体供应线Gl和低温液体供应线Ll都包括 1/4英寸直径的碳氟聚合物管(其即使被冷却到低温时仍保持一 定的挠性)，3/4英寸直径的挠性不锈钢软管Hl保护这些碳氟
聚合物管免受机械损伤；以及
(iii )在该不锈钢软管的入口处使用了软泡沫塞SP，以防
止在该软管内积聚冷凝水。本领域技术人员熟知的替代材料也可 使用。图1C、2A-2D和3所示的流体通道是喷嘴内的收缩部， 且这些附图并未示出连接至喷嘴的供应线。图4显示了一种工业低温冷却清洁系统，其包括五根 对应的冷却管线Hl-H5，这些冷却管线都与图3中的设备相同。 该系统包括装低温部件的冷箱Bl和装节流气体部件的常温箱 B2。入口低温液体Li经由主液体阀LvM和常规的蒸汽排放阀Va 进入冷箱，该蒸汽排放阀依靠重力分离并排放将到来流中的蒸 汽。泄压阀PRv附加在入口 一侧以保证安全。蒸汽排放口的底注 出口 Vb通过对应的中间供应线Ll-L5和电磁阀Lvl-Lv5连接到 五个冷却管线H1-H5。 一般来说，冷却管线HI-H5每一条的长度 都为10-25英尺，使得操作员可将管线轻松地移至所需的使用位 置。由于冷却管线中聚合物管材的收缩远远超过周围的不锈钢 管，在冷却管线和电磁阀之间的管子被额外延长3英寸，以防止 管子降温后可能会加在其上的拉应力。也可使用其他解决方案来 防止管子上的过度拉应力，如弹簧加压管、缩放管、波紋管、不 锈钢软管。入口气体Gi经由主阀GvM进入常温箱B2。在这里， 该气流分为相应的六个支流Gl-G6。支流G6流入手调泄放阀Gv6， 该阀门通过端口 p6向冷箱排放少量气体，以进入该罐并防止内部湿气冷凝。相应流Gl-G5的每一个分别被引到对应对的电磁阀 Gvla/Gvlb-Gv5a/Gv5b。每对中的对应笫一电磁阀Gvla-Gv5a的作用是打开 或关闭全节流条件下所需的气流。每对中的对应第二电磁阀 Gvlb-Gv5b的作用是打开或关闭流向对应的手动调节阀 Gvlc-Gv5c的气流。操作员预先调整该手动调节阀的开口 ，以便 选择对应排放流体液-气比的预期比率的节流气体流量。这个预
期比率反映了正常冷却流量，该流量可迅速减小到零，然后通过 打开或关闭相应的阀门Gvla-Gv5a迅速重启。如果在给定的冷却 和吹风作业中这五个分支都不需要，则相应的气体和液体岡都保 持关闭。电的可编程控制器PLC装在常温箱中以控制所需阀的开 关顺序，该PLC连接到阀、控制面板以及可选的远程温度和/或 清洁感应器。在气体控制阀的下游，气体管线通过各端口 pl-p5 流体连通相应的冷却管线Hl-H5。使用具有0. l英寸直径和1. O英寸长接触区的不锈钢 喷嘴评估图4所示的实施例。饱和液氮Li在8 0psig下通过主液 体阀LvM供应给冷箱Bl，而室温氮Gi在100psig下通过主气体 阀GvM供应给常温箱B2。这些阀随后均打开使系统进入备用模 式，在工作前预先冷却装在冷箱Bl内的低温部件。在下一步中， 相应阀Lvl-Lv5打开以测量通过相应冷却管线HI-H5的液氮的最 大流量。即使管线的启动温度为常温，不到30秒就建立了均匀 的液体喷射。该液体的排放率为2. 75ibs (磅)/分钟，并包括4 英寸长的细滴喷射，跟着是6英寸长的低温蒸汽快速白尾。然后， 打开相应阀Gvla-Gv5a至全节流条件，以寻找将喷射排放转为室 温氮所需的气体流量。对于本实施例，测到的全节流氮气的质量 流量为每个喷嘴1.0ib(磅)/分钟。此外对于本实施例，全节 流条件下的液氮的入口率为每个喷嘴0. 3ibs/分钟。接着，关闭 相应阀Gvla-Gv5a，其导致在几秒内就恢复了可见液氮喷射。接 下来，打开相应阀Gvlb—Gv5b，并调整相应阀Gvlc—Gv5c，以获 得进入相应冷却管线Hl-H5的更大或更小的气体流量。使用相应 阀Gvlc-Gv5c操控气体流量导致喷射排放的液体组分的预期的 部分节流，其结果是加热了排放和冷却与气体吹风功能之间的快
18速转换。在用喷嘴冷却功能处理好基板部分之后，可以用气体 吹风功能将该部分的温度增至室温，以避免环境湿气在其上凝 结。虽然这个评估使用了同样都由控制器PLC根据外部温度传感 器的热输入控制的冷却管线，该系统可包括任何数量的不同尺寸 的冷却管线，从一个到实践中的许多个，如20个。另外，每条
冷却管线可相对于其他冷却管线由PLC单独控制并使用自己的 热输入。图5所示实施例是本发明的一个单喷管配置的例子， 其中
(i )接触区包括具有第一进料端部35a和相对的进料端部 35b的管道35;
(ii )喷嘴包括沿管道的管壁纵向长度排列的一排开口 (如 图5所示)或一种缝隙；
(iii )当由流连通低温液体供给的供应线进行供给时，低温 液体L通过至少一个管道进料端部(一般为两个进料端部，如图 5中L所示)被引入该管道；
(iv )当由流连通加压气体供给的供应线进行供给时，节流 气体G,通过至少一个管道进料端部( 一般为两个进料端，如图5 中GJ斤示)也被引入该管道；以及
(v)剖面流体通过喷嘴从该管道径向排放，其如图5所示 的喷射剖面85。图5体现了申请人的观察结果，即在以下情况下，微 调单管配置中的排放流体的液-气比及其液体流量的能力会得到 加强
(i )从工艺角度看，低温液体和节流气体在引入接触区时 以45° -135°或45° -9 0°冲击彼此(优选为图5所示的90° )， 且该节流气体正面流体连通管道的(多个)进料端；
(H )从设备角度看，连接接触区与加压气体供给的供应线 正面流连通该接触区的一个(多个)进料端部，而连接该接触区 的上游端部与低温液体供给的供应线以45° -135°或90° -135 °流连通该接触区的一个(多个)进料端部(优选为图5所示的
1990度)，(进入接触区的气流与液流间的夹角示出为90度，也 可位于45° -90°或如前面所述的其他值。)以及
(iii )仍从设备角度看，管道的长度与直径的比可在4至20 之间(注意当比大于20时，对于发生在管道中部的足够的冲击 接触度而言，该管道可能太长)。图6A所示的本发明实施例属于喷管的套管变体的一
个例子，其中
(i )接触区包括由同轴包围内管10a的外管20限定的环 形空间36;
(ii )环形空间，具有第一进料端部和第二 (相对的)进料
端部；
(iii )内管具有分别邻近环形空间的第一进料端部和相对进 料端部的第一入口端部和笫二 (相对的)入口端部；
(iv )内管包括位于其管壁上的多个开口 40，用于将低温液 体均匀散布到环形空间中，其由图6A中的流50表示(如图所示， 进入气体的液流相对于气流方向在宏观上呈9 0度，如标志流50 的箭头和标志Gi和G2流向的箭头所指示的)；
(v )喷嘴包括如图6A所示的一排开口 60 (或可选地为一 种缝隙)，该排开口沿外管管壁纵向长度排列，该喷嘴是从由一
排喷嘴和一种缝隙组成的组中选择而成的；以及
(vi )当由流连通加压气体供给的供应线进行供给时，节流 气体通过环形空间的至少一个进料端部(一般为两个进料端部， 如图6A中GJ斤示)被引入该环形空间；
(vii) 当由流连通低温液体供给的供应线进行供给时，低温 液体"通过内管的至少一个入口端部(有时为两个入口端，如图 6A中L所示)被引入该内管；
(viii) 低温液体通过内管管壁上的多+开口从该内管径向散 布到该环形空间中；
(ix )通过喷嘴从外管径向排放流体70，其由图6A中的喷 射剖面86a代表。该喷管实施例的套管变体体现了申请人的观察结果， 即通过影响沿环形空间长度方向上的液体和气体的冲击接触来提高喷管的微调能力(或者至少沿气体足以保持其速度的长度)。
这也能将接触区的长度对直径的比从单管变体的4-20的范围增 加至4-80的范围。对于不同的实施例，接触区最小直径和长度 的范围处于最小直径的1-80倍之间。喷管配置的套管变体中的内管和外管可由不锈钢、 铝、铜，或低温兼容聚合物(如纤维增强环氧复合材料、超高分 子量聚乙烯及类似物)制成。内管的典型直径可在1和25毫米 之间变化，而外管的典型直径可在3和75毫米之间变化。外管 直径对内管直径的比值可以在2和8之间变化。如上面所注意到 的，关于外管的典型长度对直径比可以在4和80之间变化。内 管管壁厚度取决于所选择的构造材料，其可以与装置制造中实用 的一样小，但应足以承受填充该管道的流体的压力。典型壁厚的 优选范围可以在内管直径的1 %-10%之间的范围内变化。位于 内管上的多个开口无需任何特殊取向，只要其在环形空间内的分 布相对均匀。外管内的喷嘴开口优选在一个特定方向上对齐，以便 能在该方向上排放流体。外管的管壁厚度优选选择成能为流出喷 嘴开口的流体提供足够长的扩展通道。这样一种足够长的通道取 决于各种操作参数，但它通常通过比较其长度(即外壁厚度)与 直径或孔径来选择。喷嘴开口的典型长度对直径比在3和25之 间变化。在图6A-6I的实施例中，喷嘴开口的通常孔径是在0.4 毫米和2.0毫米之间。因此， 一旦满足制造和压力要求，外管管 壁应进一步选为至少1.4毫米，往往会超过40毫米。最后，外 管管壁上喷嘴开口的总横截面积与内管管壁上开口的总横截面 积之比通常是1. 0，尽管处于0. 5和2. O之间的扩大的比率范围 也是可行的。图6A所示实施例的组装使用了下列部件和规格。 (i )内管由不锈钢制成，该内管具有0. 335英寸的内径、
0. 375英寸的外径和35. 5英寸的长度，该内管包括94个孔，每
个孔具有0. 03英寸的内径。
(ii )外管由纤维增强、低温兼容的环氧材料制成，该外管
的内径等于0. 745英寸，外径等于1. 1英寸和长度等于34. 5英寸，该外管具有沿一条直线排列的83个喷嘴开口 ，每个喷嘴开 口的内径等于0. 035英寸并互相间隔0. 35英寸。
(iii )外管外径与内管外径之间的比为2.9。外管的长度对 直径比为31.4。内管的管壁厚度为其外径的5%。外管管壁厚度 为4.5毫米，每个喷嘴开口的长度对直径比为5。外管上的喷嘴 开口的总横截面积与内管上的开口的总横截面积之比是1. 2。喷管的套管变体提供了调整喷管的"喷射剖面"的能 力，本文将会对此进行更加详细的描述。喷射剖面由来自每个喷 嘴开口的集中起来的组合液体组分排放物限定。在图6A-6I中， 每个喷嘴开口处的相对低温液体流量由不同长度的线来代表。较 长线意味着较大的流量，反之亦然。在套管的喷管变体中，喷射 剖面可以作为下列因素的函数而受到操控
(a) 节流气体压力；
(b) 该节流气体被引入的一个(多个)环形空间端部；以
及
(c) 在节流气体被引入环形空间的两端部的情况下，引入 每个端部的节流气体的压力的变化。
联系图6A-6I对喷射剖面和上述变量之间的关系作更详细 的解释。在图6A中，引入环形空间两端部的节流气体的压力 等于引入内管两端部的低温液体压力(即非节流条件)，由此产 生的喷射剖面86a如图6A所示是"平直的"。除了节流气体的压力略大于低温液体的压力之外，图 6B与图6A相同。结果，喷射剖面86b被"挤"成如图6B所示 的抛物线形。这表明，大多数的汽化损耗产生在环形空间的端部， 并将其余液体"推'，向管体中部。因此，位于环形空间端部附近 的喷嘴开口排放的主要是气体，并由此具有相对低的液体流量。 喷管中部附近的喷嘴开口的排放物包含较大的液相部分，由此具 有较高的液体流量。除了进一步增加气体压力之外，图6C与图6B相同， 由此进一步挤压喷射剖面86c。随着气体压力进一步增加至全节 流条件，喷射排放物完全是处于室温的气态。
除了将低温液体只引入内管的一端之外，图6D与图 6A相同，如喷射剖面86d所示，将低温液体只引入内管的一端 足以保证与图6A中的一样的对称且均匀的喷射剖面。除了内管10e被修改成使得开口变得更少并集中在 该管中部周围之外，图6E与图6A相同。尽管获得了类似的喷射 剖面86e,但是与图6A相比，这会导致排放物的液体组分的更 少可控性。除了喷嘴由外管上的单条缝隙60f组成之外，图6F 与图6A相同，如喷射剖面86f所示，喷嘴由外管上的单条缝隙 60f组成并不影响喷射剖面。图6G、 6H和61显示了引入每一端的节流气体压力的 变化对喷射剖面的影响。如图6G和6H所示，只在环形空间的一 端引入节流气体的影响导致对应的喷射排放86g和86h转移到相 对端。在图61中，在右侧引入的G2的节流气体压力高于在右侧 引入的Gl的节流气体压力，由此产生的喷射排放86i被推到较 寸氐压力的一侧。图6G、 6H和61体现了喷管实施例的特点，在该实施 例中，通过在气体入口 Gl和G2处提供具有会产生希望的喷射剖 面的对应压力的气体就能获得希望的喷射剖面。类似地，其他希 望的喷射剖面可通过简单地调整在气体入口 G1和G2处的气体压 力来获得。但应当注意的是，由于喷管操作环境的变化，如温度 的变化，获得特定喷射剖面所必需的Gl和G2处的压力可能会变 化。图7示出了喷射系统200的一个实施例，其可以结合 本文所披露的任何喷管实施例。该系统包括喷杆210、装有低温 液体(本实施例中为液氮(LIN))的加压罐218、装有节流气 体(本实施例中为常温氮气)的加压罐220、汽化器222、可编 程逻辑控制器("PLC" ) 207、温度传感器203。喷杆就是本文 所披露的任一配置的喷管，其被部分地包围在实心的或部分孔的 箱或盒结构内。该箱或盒结构只在低温流体从喷嘴喷射的方向上 敞开，用干燥的室温气体将该箱或盒结构内部的低温流体清除掉 以防止喷嘴结冰。该净化气体可与节流气体相同，并来自同样的
23罐，但是在整个冷却操作过程中该净化气体流量通常恒定且与通 过喷管的液体或气体流无关。在本实施例中，喷杆210包括一个^f氐温液体入口 212 和两个节流气体入口 214、 216。低温液体供应线224从罐218 向低温液体入口 212供应LIN。电磁阀226开关该LIN供应。气体供应线228从罐体220向喷杆210供应节流气 体。气体供应线228分成两个分支230、 2 32 ，每个分支连接到 节流气体入口 214、 216之一上。可调节阀234、 236分别位于分 支2 30、 232的其中一个上，以能够调整分支230、 2 32的每一个 中的下游气体压力和流量。可选地，可以提供与可调节阀234 、 236的每一个串联的电磁阀(未图示)，以便无需重新调整可调 节阀234、 236就能开关气流。在工作时，气体节流流230、 232 控制(增加、减少或保持)如上所讨论的液体流量、吹风功能和 液体喷射模式。气体净化线2 38分接到分支230、 232上游的供应线 228中。气体净化线238包括电磁阀240和位于电磁阀240下游 的两个分支242 、 244，这两个分支的每一个连接到气体入口 214、 216之一。在工作时，气体净化线238及其分支242 、 244向喷 杆210供应除冰气体，其阻止低温流体喷射喷嘴结霜。在图7中，喷杆210用来冷却被粉末喷枪2 05加热的 圆柱状基体2 01 (如钢)。当喷枪2 05沿基体201表面移动时， 喷枪205作用的基体部分变得比基体201的其他区域要热。在本 实施例中，传感器203提供沿基体201表面的温度读数，该读数 由PLC 207读取。PLC 207进而调节可调节阀234、 236 ，以产生 低温流体喷射剖面209,其会向基体2 01最热的区域提供额外的 冷却，对其他区域则提供较少的冷却。当喷枪205沿基体201移 动时，PLC 207会改变喷射剖面。替代地，PLC 2 07可以响应追踪喷枪205位置的位置 传感器(未图示)的信号而调整喷射剖面，或者可对PLC 207进 行预先编程以跟随定时的喷射剖面序列，该喷射剖面序列与喷枪 205的动作同步。圓柱状基体2 01也可以是辊子或其他形成工具，这些工具用于轧制金属或非金属条、仿形该条及类似操作、连续形成 和成型操作。该辊子或形成工具在工作时升温，其表面上会粘上
不希望的特殊碎片。以特定剖面209排放低温流体的喷杆210可 用于吹净基体表面上的碎片和/或冷却该表面。对于清洁，图 6A-6I中所示的任一种喷嘴喷射模式皆可使用。对于一些冷却的 实施例，如果从本发明的喷嘴向要冷却的基体或辊子施加低温流 体，则优选加强来自喷嘴中部的流体喷射和/或最小化来自喷嘴 端部的低温液体流，如图6B或6C所示。在轧制及其他形成操作 中，辊子或其他基体的中部通常是最热的，而辊子或其他基体的 端部则是最凉的。图8显示了一种喷管，该喷管包括被巻成围绕基体的 环形。在本实施例中，可以控制喷射剖面8 8以追踪旋转热点15A， 该旋转热点15A是在喷枪13A沿方向14A环绕或部分环绕基体部 分12A时产生的。参见图9,其显示了一种管式喷射设备，该管式喷射 设备类似于图5中所示的喷管，在该管式喷射设备中低温液体通 过沿管道112长度形成的开口 160排放。低温液体(最好为LIN) 通过常规供应管114提供给喷管101，然后穿过90度的弯部116 进入管道112内的接触区12 0。节流气体通过具有9 0度的弯部 124和位于其末端128的射管126的供应管122供应。射管126 延伸越过低温液体供应管114的弯部116进入到接触区12 0内， 其加强了节流气体和低温流体的接触。本发明不限于所示的实施例。在本发明的范围内，可 以使用包括多个气体和液体供应流和管线的喷嘴，并可以对所示 实施例做出其它改变。
2权利要求
1、一种设备，其包括至少一个低温喷射装置，每个低温喷射装置具有至少一个气体入口，其流体连通接触区；和至少一个低温液体入口，其流体连通接触区，该接触区流体连通至少一个喷嘴；以及气体供应控制装置，其流体连通所述至少一个气体入口的每一个；其中，气体供应控制装置适于能够调节供应给所述至少一个气体入口的每一个的气体的温度和压力中的至少一个，以便在向所述至少一个低温液体入口的每一个提供处于第一压力的低温液体源时获得通过所述至少一个喷嘴的低温液体的第一期望流量。
2、 如权利要求l所述的设备，其中气体供应控制装置适于能够 调节供应给所述至少一个气体入口的每一个的气体的压力，以便在向 所述至少 一 个低温液体入口提供处于第 一压力的低温液体源时获得通 过所述至少一个喷嘴的低温液体的第一期望流量。
3、 如权利要求l所述的设备，其中气体供应控制装置包括至少 一个可调节阀，该至少一个可调节阀的每一个能够将供应给所述至少 一个气体入口的每 一个的气体的压力调节到大于第一压力。
4、 如权利要求l所述的设备，其中所述的至少一个喷嘴包括多 个喷嘴，该多个喷嘴的每一个具有相应的低温液体流量，该多个喷嘴 的每一个的低温液体流量共同限定了喷射剖面，气体供应控制装置适 于能够调节供应给所述至少一个气体入口的每一个的气体的温度和压 力中的至少一个，以便在向所述至少一个低温液体入口的每一个提供 处于第一压力的低温液体源时获得第一期望喷射剖面。
5、 如权利要求4所述的设备，其中气体供应控制装置包括控制 器，该控制器被编程以根据预编程的冷却剖面改变喷射剖面。
6、 如权利要求4所述的设备，其中气体供应控制装置包括控制 器，该控制器被编程以改变喷射剖面，作为对接受自传感器的信号的 响应。
7、 如权利要求6所述的设备，其中所述传感器包括温度传感器， 该温度传感器适于测量被所述至少一个低温喷射装置冷却的基体的至 少一部分的温度。
8、 如权利要求6所述的设备，其中所述传感器包括位置传感器， 该位置传感器追踪作用在被所述至少一个低温喷射装置冷却的基体的 至少一部分上的热源的位置。
9、 如权利要求l所述的设备，其中所述至少一个气体入口包括 第一气体入口和第二气体入口 。
10、 如权利要求l所述的设备，其中所述至少一个低温喷射装置 包括多个低温喷射装置，气体供应控制装置包括多个可调节阀，该多 个可调节阀的每一个流体连通所述至少一个气体入口的每一个。
11、 一种设备，其包括 外管；内管，其放置在外管内并限定了位于外管和内管之间的环形空间， 该内管具有至少一个开口 ，该至少一个开口被放置成能使低温液体从 该内管径向流入该环形空间中；形成在外管上的至少一个喷嘴，该至少一个喷嘴的每一个流体连 通该环形空间；与外管流体连通的第一气体入口 ，该第一气体入口适于连接到加 压的气体供应源上；以及与内管流体连通的第 一〗氐温液体入口 ，该第 一低温液体入口适于 连接到低温液体供给上。
12、 如权利要求ll所述的设备，其中第一气体入口正面流连通 环形空间。
13、 如权利要求ll所述的设备，其中外管包括第一端部和远离 该第一端部的第二端部，第一气体入口位于该第一端部，该第二气体 入口位于该第二端部，第二气体入口适于连接到加压的气体供给上。
14、 如权利要求ll所述的设备，其中内管和外管均为圆柱体且 同轴。
15、 如权利要求ll所述的设备，其中所述的至少一个喷嘴包括排成一行的多个喷嘴。
16、 如权利要求ll所述的设备，进一步包括气体供应控制装置，其与第一气体入口流体连通且适于能够调节供应给第一气体入口的气 体的温度、压力和质量流量中的至少一个，以便当向第一低温液体入 口提供处于第一压力的低温液体源时获得通过所述至少一个喷嘴的低温液体的第一期望流量。
17、 一种设备，其包括管道，其具有上游端部和下游端部； 喷嘴，其正面流连通下游端部；第一入口，其适于连接到加压的气体供应线上，该第一入口具有正面流连通喷嘴上游端部的氺夂放端部；以及第二入口，其适于连接到低温液体供应线上，该第二入口具有以45-135度流连通上游端部的出口端部。
18、 如权利要求17所述的设备，其中管道具有最小直径和位于 上游端部和下游端部之间的长度，该长度处于最小直径的l. 0倍和40倍 之间。
19、 一种方法，其包括向接触区供应处于第一压力和第一温度的低温液体，该接触区流 体连通至少一个喷嘴；向接触区供应处于第二压力和第二温度的气体，第二压力不小于 第一压力，第二温度高于第一温度，该气体具有的沸点在l个大气压下不高于第一温度；调节供应给接触区的气体，以获得通过所述至少一个喷嘴的每一 个的低温液体的期望流量。
20、 如权利要求19所述的方法，其中调节供应给接触区的气体 包括调节第二压力以获得通过所述至少一个喷嘴的每一个低温流体的 预期流量。
21、 如权利要求19所述的方法，其中调节第二压力包括调节第 二压力大于第一压力的1到100倍，以获得通过所述至少一个喷嘴的每 一个的低温液体的期望流量。
22、 如权利要求19所述的方法，其中向接触区供应处于第二压 力和第二温度的气体进一步包括沿沖击被供给接触区的低温液体的方 向供应该气体。
23、 如权利要求22所述的方法，其中沿冲击被供给接触区的低触区的低温液体的方向供应该气体。
24、 如权利要求19所述的方法，其中供应低温液体的步骤进一步包括向内管供应处于第一压力和第一温度的低温液体，该内管具有 与接触区流体连通的至少一个开口，该内管位于外管内、该接触区则 位于内外管之间。
25、 如权利要求19所述的方法，其中调节被供应气体的步骤进 一步包括用控制器调节供给接触区的气体，对该控制器编程以基于(a ) 来自至少一个传感器的信号和(b)预编程冷却剖面中的一个或多个调 整供给接触区的气体的压力剖面。
26、 如权利要求19所述的方法，其中该方法用于选自下列组的 应用之一热喷涂；焊接；熔接；硬化；渗氮；渗碳；激光上光；感 应热处理；钎焊；挤压；铸造；精轧；锻造；压花；雕刻；制作图案； 金属条、带或管的印刷、划线或切割；金属和非金属部件的低温切削 和磨削；以及在金属、陶瓷、航天、医疗、电子和光学工业中的加工、 表面处理或组装。
全文摘要
现公开一种喷嘴和方法，其用于使低温液体(L)与气体(G)接触并通过该喷嘴排放产生的流体。在一个实施例中，被排放流体的液相组分与气相组分的比率作为气体压力的函数被控制。
文档编号B05B7/04GK101511490SQ200780032358
公开日2009年8月19日 申请日期2007年8月28日 优先权日2006年8月28日
发明者J·L·格林, R·E·诺尔, Z·朱雷基 申请人:气体产品与化学公司