CN105705259A

CN105705259A - 形成及调节co2复合喷雾的方法和装置

Info

Publication number: CN105705259A
Application number: CN201480045866.2A
Authority: CN
Inventors: 大卫·杰克森; 丽芙·玛丽安; 费利佩·索托; 李强
Original assignee: CLEANLOGIX LLC
Current assignee: CLEANLOGIX LLC
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2016-06-22
Also published as: EP3151982A2; EP3151982A4; CN111842343A; TW201511839A; TWI577452B; WO2015026434A3; US20140367483A1; US9227215B2; WO2015026434A2; US20140367479A1; US9221067B2

Abstract

公开了一种用于产生、输送及控制具有均匀密度和分布的微固体二氧化碳(CO₂)粒子的微观量的方法及装置，供使用在CO₂复合喷雾过程，其使用液体二氧化碳的压缩，以形成过饱和液体，其然后经由微毛细管冷凝成微小且高能的固体二氧化碳粒子，其被注入到推进剂气体流中。

Description

形成及调节CO2复合喷雾的方法和装置

发明人：

杰克森·大卫；玛丽安·丽芙；索托·费利佩；李强

代理案卷号2013-0484PCT

相互引用

本申请要求美国临时专利申请第61/836,635号(2013年6月18日提交)与第61/836,636号(2013年6月18日提交)的优先权，其在此并入本文供参考。

技术领域

本发明涉及一种用于产生、控制、与投射(射出，喷射，projecting)浓密流体喷雾的方法和装置，且更具体地，涉及二氧化碳(CO₂)固态-气态复合喷雾，诸如CleanLogixLLC公司商标的CO₂CompositeSpray^TM，用于精确清洁、冷却和切削(加工，machining)应用。更具体地，本发明为一种改善的CO₂复合喷雾清洁方法和装置。

背景技术

何尼克(S.A.Hoenig)首先提议使用具有由气态二氧化碳推进的次微米大小固态二氧化碳粒子所组成的强喷雾流以清洗细粒表面(参阅1985年9月的“Theapplicationofdryicetotheremovalofparticulatesfromopticalapparatus,spacecraft,semiconductorwafersandequipmentusedincontaminantfreemanufacturingprocesses”)。描述固态/气态二氧化碳喷雾的理论导致其归类为喷雾流形式的表面制备与清洁技术的种类。喷雾流中每种固态成分的动能的总和能够最佳地描述任何喷雾流中可用的能量，如下列公式的定义(KE＝1/2MV²)，其中：KE＝喷雾流中可用的动能；M＝喷雾流中每单位固体的质量；且V＝喷雾流中的固体速度。

有益的固态/气态二氧化碳喷雾优于气喷(气态喷雾，gaseousspray)，优势在于公式中的质量项明显随着引入固体二氧化碳粒子而增加，这进而增加流中可用的动能。固态/气态二氧化碳喷雾流(具有远低于气喷流的喷嘴出口速度)将可达成气喷流无法做到的污染物去除。事实上，固态/气态二氧化碳喷雾流将可以达成气体喷雾流无法以任何喷嘴出口速度去除的污染物。

在(参考上述)何尼克的最初努力之后，各种努力指向发展能够产生冻结粒子与输送气体的混合的喷雾流、以及固态/气态二氧化碳的喷雾流的方法和装置。无需特别努力，大部分只能在二氧化碳气喷中产生二氧化碳固态已达成系统清洁能力的优化。早期系统只达成略纯气喷清洁的稍微改善。同时，在那时后可用的二氧化碳不是非常纯；或者，如果是，其相当昂贵。不纯的二氧化碳应无法获得自然(原始，pristine)表面清洁度，而没有留下不想要的残渣，而纯且昂贵的二氧化碳成本高昂，需要发展浓密流体净化与输送系统。

在1980后期，休斯飞机公司(HughesAircraftCompany)的研究人员开始调查及发展用于光学表面的新清洁技术。这些研究人员从先前的经验知道，临界光学表面(诸如气相沉积金涂层与自然抛光硅)在发生任何实体接触之时，将导致不利变化。休斯的研究人员能够借由设计远较佳于早期设计的设备以改善固态/气态二氧化碳喷雾清洁技术；不过，休斯飞机设备非常昂贵。

在1980后期与1990早期，在见到休斯及一些其他机构(entities)所达到的成果之后，受到鼓励的其他公司便开始开发及销售固态/气态二氧化碳喷雾清洁设备。这些先前的努力成果例示如下：惠特洛克(W.H.Whitlock)等人在1989年2月21日公告的美国专利第4,806,171号；莱登(L.M.Layden)在1990年10月16日公告的专利第4,962,891号；史维恩(E.A.Swain)等人在1992年6月30日公告的专利第5,125,979号；彼得森(R.V.Peterson)等人在1994年5月31日公告的专利第5,315,793号；史立德(J.D.Sneed)等人在1994年10月11日公告的专利第5,354,384号；威利佛(J.F.Williford,Jr)在1994年11月15日公告的专利第5,364,474号；葛印卡(L.N.Goenka)在1995年2月21日公告的专利案第5,390,450号；克朗-施密特(K.Krone-Schmidt)等人在1995年4月25日公告的专利第5,409,418号；及(J.F.Williford,Jr)在1998年9月24日公告的专利案第5,558,110号。

如此描述的习知低温喷雾清洁处理传统上使用超音频德拉伐(deLaval)型(收扩(convergent-divergent))喷嘴。德拉伐低温喷嘴的主要缺点在于流体流的喷嘴出口存在不平衡作用。周围的流体(环境大气)容易牵引喷嘴流体流，导致在从喷嘴出口排出以后，引起流体流快速扩散。这导致液滴或可升华的固态粒子快速膨胀，通过羽流扩散(plumeexpansion)或产生众多小固态粒子而导致清洁剂(固态粒子)明显损失，其通常需将喷嘴置于靠近要发生效力的基体表面。德拉伐CO₂喷嘴通过快速焦耳汤姆森扩散处理而产生两相气溶胶(aerosol)(CO₂(g)-CO₂(l))，其浪费液态二氧化碳，且喷雾清洁能量主要只受到改变在喷嘴出口与表面之间距离变化、或液体CO₂供应压力(参阅本文描述的鲍温(Bowen)的第′128号)的控制。不过，由于二氧化碳气溶胶粒子大小、数量与速度减少，所有这些都不利地影响喷雾清洁控制与效率，故这是反效果的。利用德拉伐喷嘴设计的习知低温喷雾技术的普遍另一缺点是大气污染物侵入及进入低温粒子流动流。最重要的方面是在喷雾羽流中存在大气水蒸气冷凝。冷喷雾羽流边界内含有的潮湿大气连同清洁喷雾粒子一起输送到表面，导致清洁处理复杂化。由于无法有效使升华粒子流不受大气环境影响、且喷雾边界内无足够热能力避免冷凝，故会引起水气。

为了克服这些限制，在1990年代后期与2000年代早期，由第一发明人开发改善的CO₂喷雾清洁与冷却技术包含独特的二氧化碳(CO₂)“复合”喷雾(CO₂CompositeSpray^TM，CleanLogixLLC公司商标)，主要用于清洁、冷却与润滑方面的应用。CO₂复合喷雾现阶段用在许多产业应用，其范围涵盖在组装操作过程，从硬盘机组件去除次微米粒子，以在精密机器操作过程去除切割工具与基体所引发的热。

本发明的第一发明人开发用于产生及使用CO₂复合喷雾的最近习知装置与方法是在美国专利第5,725,154号、第7,293,570号、与第7,451,941号描述。这些包括共轴CO₂喷雾清洁装置(第′154号)、延续段弹性毛细管冷凝器组件(第′570号)、与在共轴喷雾输送装置与方法(第′941号)中的弹性增强焦耳汤姆森毛细管。

CO₂复合喷雾利用所谓“毛细管冷凝”处理的共轴或共轴附壁型(Coaxial-Coanda)两相复合喷嘴设计，将饱和液体CO₂转换成固态CO₂粒子。CO₂复合喷雾使用压缩流体以加速可控制大小、密度、浓度、热能力与动能的受控量的固态CO₂粒子(清洁或冷却剂)。压缩气体(也称为浓密流体)为压缩超过标准温度和压力条件的气体，且甚至可以压缩成类似液态的密度。浓密流体的实例包括压缩的空气、氮、氢、氧、臭氧、与二氧化碳。压缩气体呈现多种可溶性化学性质，其行为如同溶剂与溶质，取决于压力与温度、且取决于溶剂-溶质系统的凝聚化学性质(参考：1983年，CRC出版公司，巴顿(A.F.Barton)提出的可溶性参数及其他凝聚参数的手册(HandbookofSolubilityParametersandotherCohesionParameters))。浓密流体特别使用在CO₂复合喷雾中当作推进剂、清洁与冷却流体。例如，基本CO₂复合喷雾系统将CO₂压缩成饱和液体CO₂。液态CO₂然后冷凝成微观固体CO₂粒子。固态CO₂粒子有大小，且注入温度和压力调节过的浓密流体或压缩的气体，诸如清洁干空气、N₂、Ar、或CO₂，且在基体上使用各种不同施加器与喷嘴结构处理。推进剂气体(本文也称为“浓密流体推进剂气体”)的主要功能是将微观固体CO₂粒子射出到具足够能量的表面，以在接触界面处产生高密度液态CO₂，形成液态(或所谓浓密流体)“溅散(splat)”。高能固态粒子冲击力与浓密流体溅散的组合提供明显的声蚀作用、剪应力、与类似氟碳化学物，且取决于浓密流体推进剂气体温度和压力、与CO₂粒子浓度和添加剂，以提供无限可调清洁与冷却喷雾成分。

为了产生固态二氧化碳粒子，使用毛细管冷凝器组件，其包含隔热聚醚醚酮(PEEK)毛细管的延伸段(或延续段)。毛细管冷凝器组件提供一种简单和有效率构件，用以将液态二氧化碳低温冷却(沸腾)及冷凝成低速而浓密质量的固态粒子。改变毛细管冷凝器的长度与内径(包括阶梯型)产生具有不同粒子大小分布范围与密度的粒子。一旦形成，CO₂粒子便会注入且旋流式混合成热浓密流体推进剂气体，诸如氮、清洁干空气、或CO₂气体，其任一者可选择性离子化，而与毛细管冷凝器组件共轴流动。如此，气体推进剂压力与温度和粒子产生为独立及可变控制，以对特定清洁应用产生特定类型的喷雾成分与能量。共轴或共轴附壁型(Coaxial-Coanda)喷嘴用于整合两种流。根据伯努利及/或附壁型流动流原理，固态CO₂粒子在从次音速至近音速的范围内变化加速。

本领域技术人员已知，非常小量CO₂粒子将进行许多清洁或冷却工作。这是“简洁就是美(lessismore)”处理与化学实例。不过，在习知的CO₂清洁喷雾内使用的大量CO₂过度且其所产生的薄喷雾倾向海棉状(气体填充)。应明白，使用更浓密粒子的较薄化(低粒子浓密与均匀喷雾)将较快产生较干净表面(或较冷表面)。关于这一点，已有许多工作要减少CO₂使用，以改善喷雾粒子均匀性，及使喷雾工作最大化。不过，到目前为止，达成此目标已使用许多与不同限制加以示意说明。首先，必须一致且有效率地产生非常小量CO₂粒子。其次，必须在高速推进剂质量流之下将少量尺寸小的CO₂粒子输送到有效清洁(或冷却)行动所需高能情况下的表面。至此，不可能达成高度清洁(或冷却)效力而有效率在CO₂复合喷雾内产生超小量均匀分布CO₂粒子、以及更习知德拉伐喷雾方案。例如，在1990年代后期，柏恩(Bowen)提出已在美国专利第5,853,128号描述的一种高压CO₂喷雪雾装置。在美国专利第5853128号中，液态二氧化碳先压缩成介于2,000psi与5,000psi之间，且迫使通过德拉伐膨胀喷嘴改善液态向固态转换，且增加有关改善清洁效能的粒子速度。此方式的主要缺点是使用显著量的CO₂，介于每喷嘴每小时15与50磅CO₂之间或更大，以增加喷雾清洁效力。

另一明显缺点在于，通过喷嘴膨胀构件的快速冷凝产生缺乏粒子大小与喷雾密度均匀性的非常冷与浓密喷雾。诸如热气管套或喷嘴、环境处理腔、与甚至机械喷流幕(即，包尔斯(Bowers)等人的美国专利第8,454,409号)的辅助构件必须用于产生均匀分布的CO₂气体粒子喷雾。虽然流体压力可能通过膨胀喷嘴、向上或向下而衰减，不过借由习知喷嘴膨胀构件，例如前述第′128号发明，以控制结果处理流的质量流、结果处理流的粒子大小分布、流体温度与喷雾力不是可独立调节，且使用明显的液态CO₂量产生处理粒子的适当质量。

而且，依照本文的美国专利第′154号、第′570号、与第′941号描述本发明的第一发明人，较新的复合喷雾方法及装置至今尚未以非常低流动速率成功达成精确的CO₂粒子产生与流动速率控制。例如，微计量流入及通过毛细管冷凝器的饱和液体CO₂低于每小时3至5磅CO₂在输送至共轴混合与加速喷嘴期间会产生明显溅散(或阻塞)及/或粒子损失(升华)。造成此问题复杂化，习知CO₂复合喷雾使用液态CO₂供应方案，其沿着饱和线在非常大压力与温差范围内来控制液态CO₂供应压力、温度与密度。

例如，具有0.020、0.030和0.080英寸内径(ID)、或含有全部三个直径的延续段的习知毛细管冷凝器无法使用饱和液体CO₂注入与18旋转微计量阀对其有效进行计量。18旋转计量阀用于控制饱和液体CO₂毛细管注入介于0.1至2旋转范围(代表流孔调节范围介于约0.001和0.004英寸范围)将造成阻塞、溅散、堵塞与类似正弦曲线喷雾变动，由于在计量阀体与内毛细管段内的饱和液体CO₂沸腾(冷却、压力降与膨胀)。使用这些较短毛细管段(例如使用0.030内径毛细管且毛细管冷凝器环路段短于36英寸长度)使这问题明显恶化。使用如美国专利第′570号所描述的较小毛细管内径(ID)，诸如0.020英寸或较小与阶梯型结构，经由限制引进更大毛细管压力，其改善流动性但明显减少CO₂粒子产生量(粒子喷雾密度)与质量流控制。由于这些理由，小于0.020英寸的毛细管(且特别是，小毛细管的长度较长于2英尺)在商用CO₂复合喷雾清洁应用不是优选的。

所有这些限制造成从毛细管冷凝器的下游粒子注入变动，而且是在共轴推进剂气体混合喷嘴内，其造成在介于每喷嘴每小时0.1和3磅之间的较低饱和液体CO₂注入范围的清洁或冷却喷雾成分变动。虽然当液态CO₂注入速率(注入比率，注入率，injectionrate)增加时，变动确实减少，但这是浪费，对于使用(例如)0.030英寸内径毛细管冷凝器，在低于每小时3至5磅CO₂的毛细管注入速率普遍存在喷雾不稳定性。

CO₂复合喷雾变动会对需精确处理控制的应用(例如，固定的精确清洁率或冷却率)造成问题。反作用控制方案使用在习知的CO₂复合喷雾，以减少但无法除去喷雾变动。反作用控制方案可补偿上面所讨论的饱和液体CO₂供应压力、温度与密度、以及毛细管冷凝器流动的上游变动，然后在注入加热的推进剂气体期间，抑制由可变毛细管CO₂粒子气体产生率所引起的喷雾变动。反作用控制方案利用监督及控制复合喷雾混合温度(冷CO₂粒子混合热推进剂气体)以控制CO₂复合喷雾成分。一些粒子量加上一些加热推进剂气体量会产生某种程度的混合温度。典型上，推进剂压力、温度与流程率可略微维持恒定，且可调节毛细管冷凝器的饱和液体CO₂注入速率，以将混合温度维持介于上限控制(UCL)与下限控制(LCL)范围之间。例如，典型上，对于具有0.030英寸内径毛细管的共轴喷雾，毛细管注入流动速率维持介于每小时5至8磅液态CO₂之间，以达成最佳的喷雾稳定控制。反作用控制的问题在于喷雾混合温度必须在从喷嘴出口的下游距离处测量，以确保完全混合的复合喷雾。此涉及脱机与时间延迟温度测量与计量阀调节时段。而且，此程序不是实时且基本上始终漂移出超过或低于UCL和LCL设定点的控制。最后，此反作用控制方案所需的PC或PLC、软件和自动化温度测量与机械阀控制明显增加CO₂复合喷雾系统的成本与复杂化。

现有技术已依赖各种不同CO₂喷雾产生、监督与控制方案。现有技术所产生的清洁喷雾通常在使用过程会流动，且变化不定产生太薄或太浓密的CO₂清洁喷雾。习知的CO₂处理喷雾可利用结合伺服控制计量阀的温度式喷雾成分测量，通过人眼的手动调节或自动调节而重新校准。

同样地，目前需要用于产生及输送持续稳定、更有力、与超薄(粒子密度)CO₂复合喷雾。而且，需要可提供下列特征与效益的CO₂喷雾技术：

1.含更多种次微米粒子的超薄CO₂喷雾成分；

2.较快速与更稳定的喷雾调节；

3.较高的喷雾清洁力(或冷却能力)；

4.更快速的清洁(或冷却)速率；

5.较低的喷雾成本；

6.较低的能量使用；及

7.CO₂复合喷雾的自动监督及控制。

发明内容

一种用于产生及调节推进剂气体与二氧化碳的流的喷雾装置，包括：处于第一状态的二氧化碳，其为饱和液体；将处于该第一状态的二氧化碳压缩以形成第二状态，其在密度大于0.9g/ml为过饱和；使用高压泵调节所述压缩；在微毛细管内处于该第二状态的二氧化碳冷凝形成第三状态，其为微观固体；处于该第三状态的该推进剂气体与所述二氧化碳混合形成推进剂气体与二氧化碳的流；使用高压泵调节所述二氧化碳的混合速率(混合比率，混合率，mixingrate)；及借以将该流用于处理基体表面。

在一个优选实施方式中，该微毛细管为至少一个高压毛细管，用于接收过饱和二氧化碳；该微毛细管的长度从6英寸至20英尺、外径从0.020英寸至0.125英寸、且内径从25微米至0.010英寸；该微毛细管包括平行流配置的一个或多个毛细管，其长度从6英寸至20英尺、外径从0.020英寸至0.125英寸、且内径从25微米至0.010英寸；该微毛细管包括聚醚醚酮或不锈钢高压毛细管；使用该高压泵将处于该第一状态的二氧化碳压缩成过饱和；该高压泵将处于该第一状态的二氧化碳压缩至微毛细管中，以形成处于该第二状态的二氧化碳，其为过饱和；该过饱和二氧化碳在该微毛细管内压缩成压力介于900psi与10,000psi之间；该过饱和二氧化碳压缩成压力介于1,000psi与5,000psi之间；该过饱和二氧化碳热控制在温度介于5℃与40℃之间；该过饱和二氧化碳热控制在温度介于10℃与25℃之间。

在一个优选实施方式中，该推进剂气体为清洁干空气、氮、氩、或二氧化碳；该推进剂气体热控制在温度介于5℃与250℃之间；该推进剂气体与处于第三状态的该二氧化碳共轴混合；该推进剂气体与处于第三状态的该二氧化碳使用可调节膨胀管混合，该可调节膨胀管用以接收由该加压微毛细管所产生处于第三状态的该二氧化碳；该饱和二氧化碳的压力介于500psi与900psi之间；该饱和二氧化碳的温度介于5℃与40℃之间；该过饱和二氧化碳为液态或超临界流体；该处理喷雾在基体表面产生的剪应力介于10kPa与100MPa之间；该处理喷雾在基体表面产生的温度介于-40℃与200℃之间；处于该第三状态的该二氧化碳的注入速率介于每小时0.1磅与每小时20磅之间。

在一个优选实施方式中，该推进剂气体与二氧化碳的流为喷雾羽流，且使用光度计(亮度仪，photometricdevice)实时分析；喷雾羽流具有几何体(几何形状，几何构成，geometry)，其有宽度、高度、长度、成分(组成，组分，composition)或CO₂粒子密度；该喷雾羽流的几何体可使用推进剂气体压力、推进剂气体温度、添加剂浓度、或CO₂粒子浓度变化而调节；该光度计使用光源将垂直于该喷雾羽流的光束从第一位置传输至一第二位置；该第一位置至该第二位置定义该喷雾羽流的长度；该光度计使用光接收器，该光接收器安装为垂直于该喷雾羽流；该光接收器可在该光束通过或从喷雾羽流反射时，获取(捕获，capture)该衰减的光束；该光度计连接至计算器件(计算机装置，computingdevice)；该计算器件连接至可调节CO₂复合喷雾发生器；当光束通过该喷雾羽流或从该喷雾羽流反射，该计算器件可分析该光束变化；该计算器件调节该可调节CO₂复合喷雾发生器的推进剂气体压力、推进剂气体温度、添加剂注入速率、或过饱和CO₂注入速率以调节该几何体，以维持该喷雾羽流的特性；该光源包括卤素光、氘光、激光或LED光；该光源是在紫外线、可见或红外线区域中操作；该光接收器包括光二极管侦测器、发光侦测器或UV-VIS-IR光谱仪；该光接收器测量光吸收、光反射或荧光；该计算器件计算喷雾羽流几何体的光衰减轮廓指数值(轮廓指标值，特性指标，profileindex)；该光衰减轮廓指数值随着在该喷雾羽流内的CO₂粒子密度和粒子大小、推进剂温度和压力、有机和无机添加剂、或水蒸气含量而改变；该喷雾羽流几何体基于该光衰减轮廓指数而实时控制；使用至少一个光源或至少一个光接收器；该喷雾羽流从第一位置移至垂直于该喷雾羽流的第二位置；该光源与光接收器从第一位置移至垂直于所述喷雾羽流的第二位置；计量仪用于使喷雾羽流几何体与喷雾羽流性能度量产生关联性；该计量仪包括基体表面温度测量系统、OSEE表面测量系统、FTIR表面分析系统、冲击剪应力测量系统、或粒子计数系统；该喷雾羽流效能指标包括冷却能力、冲击粒子剪应力、污染去除速率(移除率，removalrate)、表面抛光(finish)、或表面洁净度(清洁水平，cleanlinesslevel)。

本发明的目的是要提供一种改善CO₂复合喷雾雾清洁系统；本发明的进一步目的是提供一种改善的毛细管冷凝器处理与装置，其可在压力大于900psi且最好介于1,000与5,000psi的范围内或更大、且温度介于70°F与100°F之间的过饱和或超临界条件下操作，不管在供应线的饱和液体二氧化碳的压力与温度；本发明的另一目的是要使用高毛细管流体压力及其调节，以提供近似零至每毛细管冷凝器元件3磅CO₂范围的精确质量流控制；本发明的另一目的是在平行流束中使用一个或多个高压微毛细管以提供一种改善的CO₂复合喷雾成分控制，以提供具高压调节流控制的可调节质量流范围；本发明的另一目的是提供一种用于CO₂复合喷雾的方法及装置，其能以非常低复合喷雾压力与推进剂气体流动速率，使用非常小量微观固体，从细致表面去除污染物(诸如粒子、残留物与热)，而不致损坏表面；本发明的另一目的是要提供一种CO₂复合喷雾系统，可使毛细管冷凝与注入压力高达10,000psi，用以增加固态二氧化碳粒子的产生与注入速度，如此在CO₂复合喷雾流中，减少共轴推进速度阻力及增加可用动能，借由二氧化碳喷雾以去除强烈附着的污染物，而不致损坏所要喷雾的表面；本发明的另一目的是要提供一种用于监督及控制本发明所产生CO₂复合喷雾的粒子密度的构件。基于光的计量仪是用于测量喷雾几何体，且供应特定信息给计算机控制器进行调节，以维持或改变粒子注入；本发明的一个目的是提供一种用于实时成分与结构分析CO₂复合喷雾的健全方法与装置；本发明的进一步目的是提供使用基于紫外线、可见和/或近红外线的发光和/或光度测量的成分与结构分析方法；本发明的另一目的是提供一种用于确定在推进剂气体中含有固态二氧化碳的粒子密度、及确定其中的CO₂粒子密度变化的方法；本发明的另一目的是要提供一种用于确定在CO₂复合喷雾中包含或含有的气态、液态或固态无机与有机添加剂量的方法；本发明的另一目是提供一种用于分析单一或多种CO₂复合喷雾的方法；本发明的另一目是提供一种用于在直线或纵向与在垂直向中分析CO₂复合喷雾的成分与结构的方法；本发明的另一目的是提供一种用于方便调节在高压微毛细管冷凝期间所产生微量CO₂粒子的粒子大小的新方法；及本发明的另一目的是提供利用旋流(涡流，Vortex)与皮尔特(Peltier)技术的高效节能低量方法与装置，用于从CO₂气体冷凝及输送小量饱和液体CO₂，供使用在高压微毛细管冷凝系统。

简言之，本发明使用一个或多个高压焦耳汤姆森微毛细管冷凝器从过饱和液体CO₂有效率产生微观量固态CO₂粒子，其然后使用加热清洁干气体推进剂气体将其混合成及加速到近音波速度。高压微毛细管冷凝器组件在本文用作质量控制器件与液态至固态冷凝器器件两者。

一个或多个微毛细管是在过饱和压力条件下使用在同一毛细管冷凝器组件内，以达成精确压力调节质量控制，而允许在质量流范围的增量变化内改变。结果是，相较于现阶段使用习知CO₂喷雾技术，使用超低液态CO₂实现更明显精确控制，包括CO₂复合喷雾，其典型地介于每小时每喷嘴3与15磅CO₂之间。

为了在非常低质量流下达到精确控制，相较于在习知CO₂复合喷雾中使用的习知饱和气态-液态毛细管液体供应压力，本发明利用明显较大的毛细管液体压力(过饱和液体二氧化碳)，其压力介于750psi与900psi的范围内。

本发明的附加优点在于使用明显较少的推进质量流明显改善及维持低CO₂粒子质量流接近零流速，以将微观量的粒子控制加速至近似音速。

本发明在受控制的流体供应压力介于900psi与10,000psi之间、与温度介于10℃与38℃之间，且最好压力介于1,000psi与5,000psi之间及温度介于20℃与30℃之间(针为过饱和液体CO₂)，每毛细管冷凝器的使用过饱和液体CO₂的每微毛细管可增加喷雾流粒子密度与共轴推进注入速度范围介于每小时0.1磅与每小时1.5磅之间或更大。微毛细管在平行流配置中可为“束状”以增加质量流，不致降低压力调节流动控制。例如，在平行流束组件中组合具0.005英寸内径(ID)的一个或多个高压微毛细管允许线性及渐增地增加压力调节质量流范围。例如：使用一(1)个0.005英寸内径毛细管、12英寸长度、1,000-1,500psi注入控制范围，每小时0.5至1.5磅；使用两(2)个0.005英寸内径毛细管、12英寸长度、1,000-1,500psi注入控制范围，每小时1.0至3磅；使用三(3)个0.005英寸内径毛细管、12英寸长度、1,000-1,500psi注入控制范围，每小时1.5至6磅；及使用四(4)个0.005英寸内径毛细管、12英寸长度、1,000-1,500psi注入控制范围，每小时2.0至12磅，等等。

毛细管束段可直接整合示例性CO₂复合喷雾共轴喷雾系统的推进混合部分，或者优选地，可使用直径等于毛细管束的各个内径总和并且与本发明的新CO₂复合喷嘴整合的运输毛细管，在较长距离内转移至推进混合部分。

本发明利用(优选地)气动控制式液高压泵(电激励活塞泵也可使用)，以控制均匀尺寸与高密度固态CO₂粒子的冷凝与微观质量的质量与分布。这些CO₂粒子为选择性注入热推进剂气体，在所要处理的基体上混合及加速，如在背景技术中和在本发明相关的现有技术中的描述。在此方面，在现有技术中，CO₂复合喷雾的调节(与控制)典型地是基于视觉观察或手动进行；或者，使用热电偶自动进行，以使在各种不同推进质量流压力/喷嘴的喷雾的CO₂粒子密度与固定的推进热能力(温度/质量流)设定值产生关联性。视觉控制方法在清洁与冷却效能两者为主观且产生不调和，且对于需要自动控制与一致效能的在线或连续应用不是可行的选择。热动力控制方法提供相对于自动压力与质量流调节器的自动分析与控制，但较慢且只提供有关喷雾成分的混合温度数据，不管在CO₂复合喷雾中固有的所有可调节变数。习知的分析与控制方法不提供有关CO₂复合喷雾的物理或化学形式或轮廓的信息，其有关在喷雾羽流内包含或含有的质量流动速率、压力、温度、CO₂粒子大小分布、与化学或物理添加剂。在本发明中，使用UV、VIS、NIR光且可包括专门的分光镜技术(诸如拉曼分析)的分光镜分析可用于估计CO₂复合喷雾的化学与物理特性两者，以优化其在清洁、机械与冷却操作的效能。

测量可基于光吸收、反射或辐射现象。例如，臭氧是当作CO₂复合喷雾内的添加剂使用，且其喷雾浓度概略是从臭氧产生与计量控制技术估计，且为明显变化。本发明可同时直接决在羽流内的CO₂粒子浓度(物理)与臭氧浓度(化学)。

在本发明中，基于在2微米红外线波长区域的物理不透光(光阻断/光抑制)、以及光吸收可确定CO₂粒子密度。氧和臭氧是在UV区域吸收，且水蒸气是在近IR区域吸收。同样地且未显示，使用本发明可监督及控制吸收或使光变暗的其他化学或物理添加剂。适当光源耦合适当分光光度计或简单发光(或总光传输)；或者，光强度测量计是用在本发明中，利用光吸光度、荧光、反射、传输、或拉曼测量来决定动态CO₂复合喷雾的各种不同物理与化学方面。宽光谱光源(诸如氘、钨或卤素(215nm–2500nm))或更具体的光谱源(诸如LED或激光)可使用，包括单色发光、近单色发光、连续光谱与带谱光源。简单的发光或更复杂的光度计测量技术可使用在本发明，此取决于适当估计特定CO₂复合喷雾的物理与化学特性所需的信息量。

示例性光测量方案使用分光镜光。分光镜光通过喷雾羽流主体以估计CO₂复合喷雾的化学、密度及/或物理形状。简单的发光测量可使用在本发明中，以确定在喷雾羽流的特定与代表性部分的明显喷雾密度。此信息用于表征或轮廓化CO₂喷雾羽流的质量、效能、实时动态控制。检查喷雾羽流的形状、其轮廓是用于对比及比较CO₂复合喷雾的羽流形状的另一更准确方法。作为实例，借由使用两个代表性测量边界值(％传输、％吸收、密度等等)来整合曲线函数可决定在代表轮廓(发光或光度计值)的代表性部分之下的面积。

在本发明中，宽光谱光传输测量用于区别具有改变CO₂粒子密度与化学添加剂浓度的CO₂复合喷雾，其不可能以视觉区别。区别类似喷雾羽流的光传输测量的能力是利用具有类似CO₂粒子密度的喷雾成分所测量的不同传输强度来表示。区别CO₂复合喷雾的能力使此技术在质量保证(QA，QualityAssurance)或品管(QC，QualityControl)操作是非常有用的，以在特定应用中确保均匀喷雾特性与喷雾效能。

本发明的其他目的与效益可从下列描述及附图而变得更明显。

附图说明

结合形成本发明的部分的附图为示意说明现有技术或本发明的具体实施方式，且连同描述，用于解释本发明的原理。

图1示意说明现有技术增强焦耳汤姆森(Joule-Thomson)毛细管冷凝技术及有关饱和液体CO₂质量流与粒子密度控制的限制。

图2示意说明相较于使用在本发明的过饱和液体CO₂原料，比较及对比于该高可变饱和液体CO₂密度的本发明的具体实施方式。

图3示意说明有关使用过饱和液体CO₂液压结合微毛细管或毛细管束以控制质量流的本发明的具体实施方式。

图4A示意说明本发明的具体实施方式，其包括示例性系统使用高压增强焦耳汤姆森微毛细管装置产生过饱和液体CO₂及从其产生粒子。图4B示意说明本发明的具体实施方式，其包括示例性膨胀推进喷嘴，用以在注入推进剂气体流以前，精确调节微CO₂粒子的大小。

图5使用相图示意说明介于饱和液体CO₂、过饱和液体CO₂、与超临界CO₂之间的差异。

图6示意说明本发明使用高压增强焦耳汤姆森微毛细管冷凝技术，其将过饱和液体CO₂质量流控制与高压微毛细管冷凝当作用以提供改善过低质量流与粒子密度控制的主动控制方案使用。

图7示意说明本发明的具体实施方式，其包括示例性以旋流为主的冷凝系统，以产生供使用在本发明中的饱和液体CO₂原料供应。

图8示意说明本发明的具体实施方式，其包括示例性皮尔特效应(Peltier-based)冷凝系统，以产生供使用在本发明的饱和液体CO₂原料供应。

图9A示意说明使用本发明以示范可调节喷雾能量范围的实验装置与方法。图9B提供实验证据以示范本发明的喷雾力。图9C提供示范本发明的喷雾效能的证据。图9D为处于正常光的现有技术CO₂复合喷雾的示意图。图9E为处于正常光的本发明的CO₂复合喷雾的示意图。图9F为在照明之下的本发明的CO₂复合喷雾的示意图。

图10为显示喷雾混合温度与毛细管压力之间关系的图式。

图11示意说明CO₂复合喷雾共有的各种化学性质的不同吸收曲线。

图12示意说明用于图示CO₂复合喷雾的基于光的成分与结构分析系统的装置的具体实施方式。

图13示意说明使用发光与光度测定喷雾羽流数据建立诸如CO₂粒子密度、添加剂浓度、与含水量的成分元素的上限控制(UCL，uppercontrollimit)与下限控制(LCL，lowercontrollimit)。

图14示意说明源自CO₂复合喷雾的发光测量的示例性喷雾图形。

图15示意说明图形曲线下的面积的喷雾图形测度计算，用于快速分析及控制CO₂复合喷雾。

图16示意说明在纵向与垂直方向两者中的CO₂复合喷雾羽流的测量。

图17示意说明用以在垂直方向中测量CO₂复合喷雾羽流的示例性系统。

本发明可从下面连同附图的描述而变得更明白。

具体实施方式

图1示意说明关于饱和液体CO₂质量流与粒子密度控制的现有技术增强焦耳汤姆森(Joule-Thomson)毛细管冷凝技术与限制。参考图1，如本文讨论的现有技术未提供用于毛细管冷凝处理的稳定饱和液体CO₂来源以产生均匀与稳定的CO₂粒子供应，用以注入及混合具有恒定压力与温度的推进剂气体。此限制的理由有关一些促成因素，包括：在撤销与使用期间的大量CO₂气体供应箱压力与温度变化、环境温度变化(诸如，工厂温度与外部储箱与输送系统温度)、从来源到天花板或地板至清洁系统的CO₂气体供应线内的温度变化、高压气体输送系统供应压力与温度变化、及用于冷凝运送的高压气体至冷饱和液体CO₂供应的冷冻冷凝器系统的内部压力与温度变化。

即使使用线端压力调节器，环境温度与冷凝器系统变动仍会造成压力与温度变化，其本质略微为正弦曲线。此造成饱和CO₂原料(2)的高度变化与略微不可预知的压力与温度变动，造成变化的液体密度(4)、变化的毛细管沸腾密度与造成粒子大小与密度(6)变化；且在注入(8)及混合加热的推进剂气体(10)之后，产生CO₂粒子与推进剂气体的变化喷雾成分(12)，其在投射(14)在表面时，产生变化的清洁(或冷却)率(16)。

习知的控制构件包括反作用机构(18)，借此例如利用混合温度(如本文讨论)以定期测量喷雾，且手动或自动调节毛细管注入速率(20)，以随着时间维持CO₂复合喷雾成分(12)在可接受的上限控制(22)与下限控制(24)内。如此描述现有技术限制随着示例性低液态CO₂注入速率与毛细管流动速率(小毛细管直径)恶化。

在已如此描述有关使用饱和液体CO₂原料的习知CO₂复合喷雾的各种不同喷雾控制问题，如相较于在本发明使用的过饱和液体CO₂原料，图2示意说明比较及对比于高度变化饱和液体CO₂密度的本发明的具体实施方式。

现有技术的主要限制是变动饱和液体CO₂流体密度。如图2所示，有关毛细管注入液体密度(30)与压力(32)和温度(34)关联性的图式清楚地示意说明问题。液态-蒸气饱和边界线(36)呈现密度变化(38)是在饱和液体CO₂压力(介于40atm与70atm之间)与温度(介于278deg.K与304deg.K)之间的38％。相反地，且如在本发明的使用，过饱和边界线(40)呈现密度变化(42)小于在过饱和液体CO₂压力(介于70atm与680atm之间)与温度(介于278deg.K与298deg.K之间)之间的3％。

在图2描述的过饱和液体CO₂特性，且如在本发明的使用，在非常大压力范围特别提供高度均匀与最大流体密度、以及一种使用微观毛细管冷凝器用于精确流动速率调节的机构，如图3描述。

相较于使用变化饱和液体CO₂供应、0.030英寸内径毛细管、与18转微计量阀的示例性现有技术控制，图3示意说明使用过饱和液体CO₂液压结合微毛细管或毛细管束，以控制CO₂质量流与粒子密度。图3显示，毛细管压力(50)是与CO₂质量流(52)有关联，供比较及对比于使用示例性现有技术计量阀控制方案(54)与本发明的毛细管压力计量控制(56)方法的流动速率与质量调节。18旋转微计量阀控制方法(54)在低于2至3阀旋转范围是无效的，其代表高度不稳定，因此使用介于750psi与900psi之间的饱和液体CO₂供应，介于每小时约0.1lbs.至5lbs.CO₂之间的不稳定流动速率控制范围(58)。同样地，使用具有约36英寸长度、且具有饱和液体CO₂注入的优化0.030英寸内径焦耳汤姆森毛细管的现有技术方法只适于超过每毛细管(60)每小时约5lbs.CO₂的流速，且仍呈现接近此下限注入速率的一些脉动。如图1所讨论，18旋转计量阀必须定期调节以确保毛细管粒子产生率保持在预定可接收喷雾成分控制范围内。而且如本文的讨论，使用具有现有技术计量阀流动速率控制构件的远小于0.020英寸内径(至较低流动速率范围)的毛细管将造成限制，诸如无精确微流动速率控制与粒子产生变动。同样地，在近似零与每毛细管每小时5lbs.CO₂之间低范围内需要允许更大可预期与精确的质量与粒子流动速率。

本发明采用新的毛细管压力计量控制方法与装置。介于0.001英寸内径与约0.020英寸内径、与介于约6英寸至约36英寸或更大长度的小毛细管使用在单一或平行束，以使用高压调节过饱和液体CO₂注入来提供质量流控制与高压焦耳汤姆森冷凝两者。利用此新的计量方法与装置，允许精确与稳定控制小量CO₂流动速率与粒子产生介于近似零与每毛细管每小时5磅范围内。现在参考图3，三个示例性毛细管；0.001英寸内径毛细管(62)、0.005英寸内径毛细管(64)、与0.010英寸内径毛细管(66)，其都有类似长度。如图3所示，0.001英寸内径毛细管(62)在约1000psi与2000psi之间的流体压力范围内可产生每小时约0.1与0.3磅之间的非常窄的流动速率范围。0.005英寸内径毛细管(64)在约1000psi与2000psi之间流体压力范围可产生每小时约0.5与2磅之间的非常窄的流动速率范围。0.010英寸内径毛细管(66)在约1000psi与2000psi的之间流体压力范围可产生每小时约3与5磅之间的非常窄的流动速率范围。此清楚示意说明本发明允许精确微观质量流范围控制。

此外，图3显示最小注入压力且其为基于预定与受控制的过饱和液体CO₂流体温度。在注入毛细管或毛细管束，最小注入压力确保过饱和液体CO₂条件(最高恒定液体密度)。示例性最小注入压力包括(例如)，在约10℃的流体温度(68)为约900psi；在约20℃的流体温度为约1000psi(70)；及在约30℃的流体温度为约1200psi(72)。

而且，毛细管的平行束可用于进一步扩大压力调节质量控制范围，如此为每小时15磅CO₂或更大，如图4A的讨论。

图4A示意说明包括示例性系统以产生过饱和液体CO₂的本发明的具体实施方式，其使用高压增强焦耳汤姆森微毛细管组件从其产生粒子。相较于美国专利第5,725,154号、第7,293,570号、与第7,451,941号的现有技术增强焦耳汤普生毛细管(EJTC，EnhancedJouleThompsonCapillary)冷凝器方法与装置，图4A的方法与装置明显改善冷凝处理与转换效率。本文的高压焦耳汤姆森毛细管冷凝处理在特别非常低的流动速率，提供改善产生、控制与注入CO₂，以注入加热的推进剂气体，用于清洁与冷却应用。例如，图1a(2)的美国专利第′941号的方法与装置可使用图4A的改善方法与装置取代。

现在参考图4A，含有且流过供应管(80)、且典型地具有约介于750psi与1000psi之间的可变蒸气压力与介于50°F与75°F之间的可变流体温度的饱和液体CO₂的适当供应或原料，被引入示例性空气驱动具有放大液压效果的高压液体泵(84)的注入口(82)。此可包括例如液态CO₂的缸瓶供应、来自CO₂气体CO₂源的冷冻凝结、与新的低容积旋流与皮尔特效应冷凝器系统，如本文的图7和图8描述。饱和液体CO₂压缩成过饱和压力介于1,000psi与10,000psi之间，且压缩成过饱和液体CO₂的供应，且使用流体连通(85)的储存系统储存，包含绝缘与温度控制的高压缸瓶(86)。适于使用在本发明的示例性高压液体泵(84)包括空气驱动和空气调节液压放大器、与增压器气动液压泵机型编号MS-7、MS-12、MS-21、AAD-5、AAD-7及/或DSF-B15，其可从美国加州博班克市斯克尔国际公司(HaskelInternationalInc.)取得。不过，能够将CO₂气体或饱和液体CO₂加压成过饱和液体CO₂原料的空气、电动或液压驱动泵的其他商标与类型适于实施本发明。

热绝缘缸瓶(86)可包括简单高压管或装有排气口的取样缸瓶，其内部容积足以稳定过饱和液体CO₂的原料供应，在使用过程不致过度流体热变化。储存容积与加热负荷可基于下游毛细管冷凝器要求(磅CO₂/小时)加以计算。例如，使用数字温度控制器(88)与加热元件(包覆或栓合在储存缸瓶(86)周围)可提供热控制，其全部包覆在适当的热绝缘媒体。过饱和流体温度最好控制在约70°F的温度、或超过环境温度的一些度数，确保随着周围环境保持稳定。此确保稳定与一致性的过饱和液体CO₂密度。

不过，对于20英尺或更大的较长微毛细管冷凝器长度而言，在约88°F或更高的温度、与在2,500psi或更大的非常高的注入压力之下，使用超临界CO₂以供应在本文所述的毛细管段或毛细管束冷凝器组件很有用。零表面张力、非常低粘度、与高流体密度的组合允许在较长、较小毛细管冷凝器内有更大梯度冷凝处理。超临界CO₂注入特别地通过冷却、压缩与结晶的三个阶段转变原料：超临界→液态→固态，以对较长毛细管冷凝器提供非常大的压力与温度梯度。

弹簧加载式压力释放阀或自动闸阀(92)可用于维持储存缸瓶(86)内的恒定压力，允许过度液体容积释放及返回(94)饱和(或超临界)原料供应管(80)。

示例性空气驱动液压增压器泵(84)为使用手动或自动机械空气传动系统加以控制。使用手动调节或自动数字压力调节器(96)，将压缩空气(100)调节在20psi与150psi之间且馈入(98)高压液体泵(84)的空气驱动段。泵驱动空气调节与压缩的流体输出压力概略产生线性关系，且取决于选定的泵，将控制CO₂流体压力在900psi与10,000psi之间。在来自泵(84)的空气驱动排气段(102)的驱动空气压缩与膨胀，膨胀的驱动空气根据焦耳汤姆森膨胀冷却原理明显冷却。此冷却的能力可使用在对流中间冷却器组件内的本发明，诸如，管对管热交换器(104)，以冷却及压缩在供应管(80)中包含的饱和液体CO₂原料。

在产生过饱和液体CO₂(或超临界CO₂)的供应之后，使用称为高压增强焦耳汤姆森微毛细管冷凝器组件(或在本文缩写为EJTMC组件)的微毛细管段或微毛细管冷凝器束(106)，以计量过饱和流体。使用例如来自ParkerHannifin,Fairfield,NJ的自动阀(108)的系列9或99脉动阀可达成启动与关闭计量，其以流体形连接介于储存缸瓶(86)与EJTMC组件(106)间。

EJTMC组件包括毛细管环，其长度介于6英寸与30英尺之间或更长，且内径优选介于0.001英寸与0.015英寸之间，其在本文称为微毛细管。如图4A所示，微毛细管在平行流配置中可为“束状”以增加质量流，而不致降低压力调节流控制。例如，12英寸长度且具有0.005英寸内径毛细管的单件微毛细管(110)，将可在1000-1500psi注入压力范围提供每小时约0.5至1.5磅的精确流速。在另一实例中，含有四(4)个0.005英寸内径毛细管、12英寸长度的微毛细管束组件(112)将可在1000-1500psi之间的注入压力范围内，提供每小时约2至12磅的精确流速。

单件EJTMC微毛细管或束状EJTMC组件(106)经由共轴预混合器(即，在浓密流体推进气管的一部分内共轴馈入的微毛细管)而流体连通(114)，且流入示例性CO₂复合喷雾共轴喷雾系统的浓密流推进混合器组件(116)，例如，如美国专利第′941号的图2所述，或可替换地，可使用直径等于毛细管束的各个内径总和的运输毛细管段(118)，可在较长距离内转移及流体连通该推进混合部。优选的是，单件EJTMC微毛细管或EJMTC束组件为流体连通在本文的图4B描述的示例性膨胀、定位及混合喷嘴。

关于如此描述的示例性毛细管束对输送毛细管转变方法，其重要地系是，使用诸如在美国专利第′570号的分段与膨胀毛细管装置不会使微毛细管液体快速膨胀，因为此将引起阻塞和溅散、及其他不想要的影响。假设，本发明使用小内径毛细管，沿着均匀毛细管冷凝器容积的逐渐压力降最好允许过饱和液体二氧化碳的微观量逐渐沸腾、冷却及凝结成均匀大小微观CO₂固态粒子与CO₂蒸气的无流动与均匀分散的混合。例如，含有平行四(4)个0.005英寸内径毛细管的高压毛细管束(具有d1+d2+d3+d4＝0.020英寸的内径总和)可固接至0.020英寸内径运输毛细管段，如此形成均匀的毛细管束对运输毛细管容积转变。如此，毛细管束当作高压注入器与流量限流器两者使用，新的焦耳汤姆森节流阀。相反地，如在美国专利第′570号(图2)中使用的增量与连续毛细管容积变化，其使用含有渐增内径(d)d1<d2<d3<d4等等(产生不连贯容积)的一连串分段循序连通的毛细管，用于先将饱和液体二氧化碳快速膨胀及冷凝成小质量晶粒(d1)；然后，遵循各膨胀步骤(d2、d3和d4)，将其合并及生长成含少量粒子(低密度)的悬浮粒子，但有非常大的平均粒子大小。美国专利第′570号中的晶粒生长过程等同雪球滚下山般的大小和质量，或在从上层大气落下的其向下处，将冰冷的微小雨滴结合成大冰雹。此粒子生长技术在本发明中不期望，因为其在CO₂复合喷雾内，引起过度粒子生长与低和非均匀粒子分布或密度的结果。

相反地，本发明借由避免在高压过饱和液体CO₂毛细管注入之后的不连贯压力降与过度膨胀冷却而克服此限制。过饱和液体CO₂沸腾(冷却)在非常高压梯度之下在毛细管段内及沿着其而逐渐及均匀。使用可变控制高流体压力与微毛细管束的组合无法控制溅散或阻塞与质量流(微观粒子产生)。

参考图4A所示的关联图(120)，使用如此描述的EJTMC微毛细管系统的高压、过饱和液体CO₂(或超临界CO₂)冷凝处理会增加毛细管压力降(122)、增加毛细管温度降(124)、控制毛细管质量流(126)，且其全部都增加焦耳汤姆森冷却与冷凝处理(128)。同样地，图4A的方法与装置增加微观与微小固体(130)的产生。

对照下，使用内径(例如)0.020、0.030、0.040、0.060、和0.080英寸中的一个或多个毛细管、结合微计量阀及使用饱和液体二氧化碳的于现有技术所讨论的CO₂复合喷雾无法提供精确质量控制(及产生均匀微观CO₂粒子)、且经由从近似零流到最大流的整个质量流范围内为线性。使用内径低于0.020英寸的毛细管不会产生较小粒子的较小质量流，但当扩大成较大直径毛细管段，也产生不不均匀的粒子流(即，增加变动、溅散与升华损失)。例如，包含较小尺寸CO₂粒子的较小质量流更容易受到现有技术(即，美国专利第′570号)中所呈现较长或阶梯型毛细管转移内的加热与升华的影响。同样地，大量清洁或冷却剂(固态CO₂粒子)在转移与在引用推进剂气体以前会被破坏(升华)，在喷雾处理下，在冲击表面之前，其本身使该残留CO₂粒子群的一部分进一步升华。

在已如此描述用于产生小量微观CO₂晶粒的高压EJTMC冷凝器组件的优选实施方式，图4B示意说明本发明的浓密流体粒子推进混合与喷雾输送嘴(也称为“混合器”)具体实施方式。本实施方式在本发明中提供一些有用功能。在本实施方式的第一方面中，由图4A的EJTMC装置与过程产生的CO₂微晶粒(与冷浓密蒸气)进一步修改，以通过可调节(原位)超冷与晶粒生长过程增加粒子大小。在本实施方式的第二方面中，CO₂粒子流的压力与流动速率与推进剂气体流的压力与流动速率呈机械性平衡，以优化CO₂粒子加速与粒子守恒(即，避免过度湍流混合)。在本实施方式的第三方面中，CO₂粒子流为通过内共轴与纵向两者的精确机械式对准而注入在喷嘴体(且进入推进剂气体流)内。

在图4A描述的EJTMC装置与过程产生非常小量的相对高压、快速移动、与超细CO₂粒子，也称为“微粒子(微晶种，microseeds)”，其包含在冷CO₂蒸气内，从高压冷凝器EJTMC组件(图4A(106))的末端部排出。本发明产生的CO₂微粒子是在短且小容积膨胀管内生长(晶状)成有用的大小。其后，生长的晶粒与残留的CO₂蒸气为共轴注入在推进剂气体流内的精确位置，且在喷嘴的混合区域内具压力平衡与精确共轴注入。冷微粒子与蒸气混合系注入可调节膨胀微腔，因此，冷CO₂微粒子可根据下列机构以累积粒子质量：突然膨胀期间的快速压力与温度降导致浓密冷蒸气凝结成固态微粒子，成为冷沸腾液态薄膜，其然后进一步冷凝成冻固态表面层。膨胀冷凝处理发生在非常短行径与相当小的膨胀容积内。膨胀容积决定晶粒生长量，且粒子为层层生长，直到最后注入及混合在膨胀管的末端部处的推进气流。此外，从冷凝器EJTMC组件(图4A(106))排出的较高压力、低流CO₂微粒子与蒸气，与膨胀腔产生的CO₂微粒子与蒸气的膨胀混合必须与在喷嘴组件内的相当高的流动速率、低压推进剂气体形成平衡，以除去湍流。关于此，本实施方式的膨胀管组件提供有能力在混合期间，机械性调节(或平衡)两流间的压力与流动速率。

现在参考图4B，在可动或定位可调毛细管段(500)(如双箭号(501)所示)内流动的微量CO₂微粒子与浓密冷CO₂蒸气(如小箭号(496)所示)是在(且沿着)纵向行径热绝缘(选择性)硬膨胀管组件(502)内的不同位置处，选择性结合与冷凝(如较大箭号(498)所示)，其可释放在膨胀处理期间形成的静电放电。可调膨胀管组件(502)可例如使用涵盖不锈钢毛细管(506)的全部或部分铁氟龙(特氟隆，Teflon)热收缩绝缘(504)构成。相较于毛细管注入管(510)的外径，不锈钢毛细管(506)有略为较大的内径(508)。假设此配置，内毛细管段(500)可在沿着硬膨胀管(506)中内部的任何地方选择性重新定位。弹性体螺帽与无凸缘箍密封组件(512)(例如)可用于将毛细管段(500)固定至膨胀管组件(502)。可动毛细管段(500)与硬膨胀管(506)如此在其形成可调节与微观膨胀容积(514)，标示为“V1”。硬膨胀管(506)本身安置在外部共轴推进喷嘴(518)的喉部(516)内，该外部共轴推进喷嘴接近推进喷嘴出口(520)，如此在其形成可调节粒子推进混合容积(522)，标示为“V2”。弹性体螺帽与无凸缘箍密封组件(未显示)(例如)可用于将喷嘴膨胀管组件(502)固定至推进喷嘴组件(524)。浓密流体推进剂气体(525)(诸如，清洁干空气、氮、或二氧化碳)加热在约60°F至约300°F范围，且在选择性绝缘硬膨胀管组件(502)共轴流动(526)，混合及加速来自推进喷嘴出口(520)的膨胀CO₂粒子。

图4B-I和图4B-II描述在图4B描述的新膨胀装置的操作。可动毛细管段(500)可位在从硬膨胀管(506)的末端部(图4B-I，(528))至其的入口部(图4B-II，530)的任何地方。硬膨胀管(506)的长度最好构成介于约0.5英寸至8英寸之间的长度，且内径介于约0.0625英寸至0.250英寸之间，以调适具略微较小外径的可动毛细管段，例如从约0.06英寸至0.20英寸。符合本文讨论的可调性需求的毛细管段(500)与膨胀管(506)的其他组合可使用。较大膨胀容积V1(图4B，514)产生较大CO₂晶粒(图4B-II，532)。较小膨胀容积V1(图4B，514)产生较小粒子(图4B-I，534)。同样地，且使用本实施方式，可使用如所述的简单可动管中管膨胀装置，将粒子大小从细粒(小V1)调节到粗粒(大V1)。本实施方式也可当作精确的粒子进入推进注入对准管使用。混合容积V2(图4B，522)与推进剂气体(图4B，525)流动速率(压力)可经由喷嘴喉部(图4B，516)内的膨胀管(图4B，506)的原位调节而平衡，以调适膨胀流体压力流与浓密流体推进剂气体压力流之间的差异。

现有技术且由第一发明人发展的CO₂粒子生长方法不适合使用在本发明。下列讨论比较及对比图4B、图4B-I、和图4B-II的新粒子大小调节装置与美国专利第5,725,154号(第′154号)与美国专利第7,134,946号(第′946号)描述的膨胀装置。

第′154号的装置是在内部固定位置雪样管(第′154号，图11，(22))上移动推进喷嘴体(第′154号，图10，(14))。此外，第′154号描述的装置利用螺纹调节部(第′154号，图10，(14))以提供CO₂粒子气体膨胀容积变化。螺纹调节特征在调节期间产生微观粒子，且如此无法用于精确粒子移除应用。此外，第′154号中使用的膨胀容积是利用分流孔(第′154号，图11，(136))，以在完全开启(最大膨胀容积)之时，产生高度非线性压力梯度且受到“阻塞”或“溅散”。相反地，图4B的器件为清洁器件，其利用管中管调节与无凸缘箍密封机构，且在调节期间产生线性容积压力梯度。此外，相较于第′154号的分流膨胀孔，图4B提供的膨胀器件有较大范围的粒子大小控制。

现在参见第′946号，弹性PEEK管的不同长度与渐增直径(第′946号，图6)串连形成含推进管的任何种类的膨胀管组件。第′946号膨胀系统不受欢迎，无法原位调节，且不提供精确推进注入控制。而且，个别的膨胀段容积或膨胀系统的末端定位无法在推进管内原位调节。例如，第′946号(图6)的CO₂粒子膨胀系统需要完全拆解在第′946号(图5)中显示的共轴喷雾器器件；移除旧的阶梯型膨胀管组件与安装新的阶梯型膨胀管组件；及重新组装整个共轴喷雾器系统，以达成CO₂膨胀与结晶处理的变化。仍且，整个毛细管冷凝器系统必须对准推进喷嘴，以平衡毛细管与浓密流体推进剂气体压力与流动速率。而且，第′946号的阶梯型配置无法实际使用在本发明所使用的微观量液态二氧化碳。在本发明产生的微量微观CO₂粒子在推进注入点之前的长膨胀距离期间会完全升华。此外，需要单独置中器件以将第′946号的末端弹性毛细管段定位在喷嘴的末端部内。

图5使用相图以示意说明饱和液体CO₂、过饱和液体CO₂、与超临界CO₂之间的差异。相图(150)显示CO₂基于压力(152)与温度(154)的不同相。水蒸气-液态饱和线(156)代表利用气体饱和液体CO₂的习知毛细管冷凝器的沸腾P-T曲线，其典型范围为沿着在约750psi至875psi的压力范围、与在约10℃至25℃的温度范围的饱和线(156)的某处。相反地，本发明利用高压CO₂流体，其为过饱和液体(158)或超临界CO₂(160)，其超过饱和线，典型超过1070psi的CO₂临界压力线(162)，在约900psi至10,000psi的压力范围与约10℃至35℃的温度。过饱和液体在沿着近似室温的非常广泛压力范围会呈现小变化的稳定、近似最大液体密度，如本文的图2所讨论。当超临界流体压缩成较高于2000psi的流体压力时，其可以呈现非常高的近似液体密度，不具表面张力且具非常低的粘度，且在本发明用于注入非常长EJTMC毛细管冷凝器组件，如本文的图4A所讨论。

图6示意说明本发明使用高压增强焦耳汤姆森微毛细管冷凝技术，其将过饱和液体CO₂质量流控制与高压微毛细管冷凝当作主动控制方案使用，用以提供改善的超低质量流与粒子密度控制。参考图6，本发明针对毛细管冷凝处理提供稳定的过饱和液体CO₂(或超临界CO₂)来源，以产生均匀与稳定CO₂粒子供应，用以注入及混合具恒定压力与温度的推进剂气体。此稳定性的理由(且如本文的讨论)有关一些关键性因素，包括；除去有关在移开与使用期间，大量CO₂气体供应箱压力与温度变化的现有技术限制；环境温度变化(诸如，工厂温度与外部储箱与输送系统温度)、从来源到天花板或地板到清洁系统的CO₂气体供应线内的温度变化、高压气体输送系统供应压力与温度的变化、与用于将输送的高压气体冷凝成冷饱和液体CO₂供应的致冷剂冷凝器系统之内部压力与温度的变化。

此造成高度稳定与可预期的液态CO₂原料(200)供应，其归于产生恒定密度(204)、恒定毛细管沸腾密度、与粒子大小和密度(206)的结果稳定与控制，且在注入(208)及混合加热的推进剂气体(210)之后，产生CO₂粒子与推进剂气体的稳定CO₂复合喷雾成分(212)，其在投射(214)在表面之时，产生稳定的清洁(或冷却)率(216)。

本发明控制构件涉及主动式方案(218)，借此CO₂供应受控制，如本文的讨论，且毛细管注入压力(220)可视需要加以手动或自动调节，以产生不同CO₂复合喷雾粒子注入速率与成分(212)。因此，本发明可随着时间维持可接收的上限控制成分(222)与下限控制成分(224)之间的较小范围。对于非常低液态CO₂注入速率与毛细管流动速率(小毛细管直径)，可去除现有技术限制。

在已描述本发明及其超过现有技术的优点之后，下列详细讨论将分别示意说明图7和图8的两种新方法与装置，用于产生使用在本发明的饱和液体CO₂的低容积供应。

图7示意说明本发明的具体实施方式，其包含示例性旋流型冷凝系统，以产生饱和液体CO₂原料以使用在本发明。参考图7，旋流器件(300)用于产生热气流(302)与冷气流(304)。冷气流(304)为流体连通管中管热交换器(308)的外绝缘管(306)(例如聚氨酯管)的入口，且在内热导管(312)(例如铜管)是以逆流方向(310)流动，该内热导管为流体连通CO₂气体(314)的来源，该CO₂气体是在介于750psi与850psi之间的压力流过内热导管(312)。流过内热导管(312)的CO₂气体为沿着图5的饱和线(156)而冷凝(在饱和压力)成饱和液体CO₂(316)的原料，该内热导管为流体连通图4A的装置(318)；其产生CO₂粒子的稳定供应，用以注入(319)共轴推进混合管与喷嘴(324)。

作为一种用于改善旋流型致冷技术效率的新构件，本发明使用如前述的管中管热交换器与流方案，以用于旋流器件(300)产生的热气流(302)。热空气系逆流过热绝缘导管(320)，该热绝缘导管包含用以流动推进剂气体的内热导管(322)。流过内热导管(322)的推进剂气体会被加热且供应给示例性共轴推进混合管与喷嘴(324)。

如本发明使用的旋流器件提供CO₂冷凝与推进剂气体加热功能两者，其可节约能量，且改善小容积供应系统的整体系统效率以使用在本发明。旋流器件可从一些来源取得且有广泛冷却(与加热)能力。

图8示意说明本发明的实施方式，其包括示例性皮尔特(Peltier)型致冷系统，以产生饱和液体CO₂原料供应以使用在本发明。参考图8，电子致冷器(PeltierDevice)(400)用于产生热侧端(402)与冷侧端(404)。冷侧端(404)配对有壳管型热交换器(408)，其包含内热导管(412)(例如铜管)，其为流体连通CO₂气体(414)的来源，在750psi与850psi之间的压力流过内热导管(412)。流过内热导管(412)的CO₂气体(414)沿着图5的饱和线(156)而冷凝(在饱和压力)成饱和液体CO₂(416)的原料，该内热导管为流体连通图4A的装置(418)；其产生CO₂粒子的稳定供应，用以注入(419)共轴推进混合管与喷嘴(424)。

作为一种用于改善皮尔特(Peltier)型致冷技术的效率的新方法，本发明使用如前述的壳管式热交换器与流动方案，用于由电子致冷器(PeltierDevice)(400)产生的热侧端(402)。热侧端可配对至壳管式热交换器(430)，该热交换器包含内热导管(432)(例如铜管)，该导管为流体连通推进剂气体来源(434)。流过内热导管(432)的推进剂气体来源(434)会被加热产生加热的推进剂气体(435)，供应给示例性共轴推进混合管与喷嘴(424)。

如本发明使用的电子致冷器(PeltierDevice)提供CO₂冷凝与推进加热功能两者，其可节约能量，且可改善用于小容积供应系统的整体系统效率，以使用在本发明使用。电子致冷器(Peltierdevice)可从一些来源取得且有广泛冷却(与加热)能力。

实验1

在已如此描述有关CO₂粒子产生的本发明的较佳与示例性具体实施方式，下列参考图9A、图9B、图9C、图9D、图9E和图9F的讨论详细说用实验测试、结果、与分析，其经由相较且对比于利用现有技术(特别系现有技术)的本发明与美国专利第′5,725,154号(美国专利第′154号)所述及操作的第一代喷雾清洁系统；及利用现有技术的本发明与美国专利第′7,451,941号(美国专利第′941号)喷雾系统方案(使用美国专利第7,293,570号(美国专利第′570号)所述阶梯型毛细管系统修改)所述及操作的第二代喷雾清洁系统之间的效能特征。所有CO₂复合喷雾清洁系统是在等同浓密流体推进剂气体压力与温度条件之下经过试验。

本发明的试验装置与条件：

在美国专利第′7,451,941号(美国专利第′941号)中所述，称为PowerSno^TMCO₂复合喷雾清洁系统的商用CO₂复合喷雾系统(由美国加州圣塔克莱利塔市CleanLogixLLC公司制造的型号PS6000)是利用本发明修改。系统修改包含图4A(高压毛细管冷凝器组件)和图4B(喷嘴)的装置。修改的喷雾系统使用如表1所述的主要处理试验参数来设定及操作。由图4A的0.008英寸内径EJTMC组件(106)(12英寸长度)产生的CO₂“微粒子”馈入图4B的可调节喷雾喂喷嘴，且在注入(及混合)图4B的推进剂气体(525)流之前，利用示例性膨胀室(如图4B的6英寸长x0.0625英寸内径膨胀容积(514))扩大成粗粒子馈流。

表1-本发明的实验测试参数

现有技术的试验装置与状况：

用于示范第一代喷雾系统(美国专利第5,725,154号(美国专利第′154号))的喷雾效能的装置包含美国加州圣塔克莱利塔市DeflexCorporation所制造型号MS6000的MicroSno^TMCO₂喷雾清洁系统，其使用内径0.030英寸(外径0.0625英寸)PEEK共轴CO₂冷凝器毛细管的单段36英寸长度。如表2所示，有关浓密流体推进剂气体类型、温度、与压力的主要试验参数为等同于本发明使用的试验条件，且使用美国专利第′154号的毛细管冷凝与喷嘴混合方案。

表2-美国专利第′154号的实验试验参数

用于示范第二代喷雾系统的喷雾效能(其使用美国专利第7,293,570号(美国专利第′570号)所修改的美国专利第7,451,941号(美国专利第′941号)喷雾系统方案)的装置包含美国加州圣塔克莱利塔市CleanLogixLLC公司制造型号PS6000的PowerSno^TMCO₂复合喷雾清洁系统，其使用“阶梯型”增强型焦耳汤姆森毛细管(EJTC)冷凝器系统，该系统包含内径0.030英寸(外径0.0625英寸)PEEK毛细管的30英寸管段，该管段为连接内径0.070英寸(外径0.125英寸)PEEK毛细管的30英寸管段。如表3所示，用于浓密流体推进剂气体类型、温度、与压力的主要试验参数等同本发明使用的试验条件，且分别使用美国专利第′941号(EJTC冷凝器喷嘴方案)与美国专利第′570号(阶梯型毛细管方案)的毛细管冷凝与喷嘴混合方案。

表3-美国专利第′570/′941号的实验测试参数

主要试验参数	值
		浓密流体推进剂气体	清理干空气(-40°F露点)
浓密流体推进剂气体温度	200℃
		浓密流体推进剂气体流动速率(压力)	3.2scfm(在100psi)
EJTC段长度	60英寸
		EJTC段内径(阶梯型)	0.030英寸至0.070英寸
EJTC供应压力与温度	800psi/15℃(饱和液体CO₂)
		通过EJTC组件的CO₂质量流	10磅/小时(薄喷雾)
CO₂粒子类型(细粒/粗粒)	粗粒(阶梯型膨胀)

喷雾力试验装置与方法：

本发明与现有技术系统(即为美国专利第′154号(第一代喷雾)与美国专利第′570/′941号(第二代喷雾))是在相同推进剂气体压力与温度之下试验，以确定最大可达成喷雾冲击压力。参考图9A，包含使用图4A(600)和图4B(602)(喷嘴)的装置修改的现有技术PowerSno^TMModelPS600CO₂喷雾系统的本发明系与喷嘴2英寸(604)一起安置，其为取自美国麻萨诸塞州波士顿市Tekscan的2英寸矩形块的FujiFilm^TMMalar微封装接触压力试验膜(606)，其胶贴在金属片支撑基板(608)。各种不同类型FujiFilm冲击应力膜可取自Tekscan，其压力范围从0.1MPa至130MPa。重新参考图9A，最初的试验使用图4A(600)和图4B(602)的PowerSno修改以产生CO₂复合喷雾(610)，且使用在表1列出的喷雾试验参数(粗粒子流)，其是在约90°的冲击角度在试验膜(606)进行约60秒，以达成全膜彩色显影。喷雾冲击应力是在压敏膜上指出，受冲击膜的颜色变化范围从无色至淡粉红色、与暗红色(最高冲击应力)。值得注意，使用本发明的喷雾冲击试验几乎立即实体损坏FujiFilmHS高压膜(50-100MPa范围)表面，其在喷雾(612)的周边产生暗红色，指出约80MPa的剪应力，且在喷雾(614)的中心完全蚀刻除聚脂膜，指出剪应力大于100MPa。此损坏需要非常快速在试验膜上移动喷雾头，以完成60秒暴露周期，产生较淡微红色显影图案(616)。FujiFilm压力试验膜(其范围从低压范围至高压范围)供应膜颜色与压力关联图。使用FujiFilmHS高压膜图(618)，本发明的喷雾试验指出最大冲击压力介于喷雾周边处的80MPa(620)至喷雾中心处的高达100MPa之间，且基于膜(622)的实际损坏甚至更高。同样地，在此实验之下接受的可靠薄膜压力测量以用于比较与讨论结果认为非常保守，且明显大于可能超过在本文报告的最大剪应力值。

其后，使用现有技术CO₂喷雾系统(美国专利第′154号与美国专利第′570/′941号)进行相同喷雾冲击试验程序，且分别使用在表2与表3列出的喷雾试验条件。这些喷雾试验需使使用较低压力膜，在第′570/′941号使用FujiFilmLS(10-50MPa范围)，且在第′154号使用LW(2.5-10MPa范围)，由于两种现有技术系统产生较低的冲击应力。应注意，在喷雾冲击试验期间，现有技术系统未实际损坏压力敏感聚脂膜表面。

结果：

喷雾冲击试验揭露预期与意外结果两者。参考图9B，如期望，由使用阶梯型毛细管方案的第二代美国专利第′570/′941号CO₂喷雾系统所产生的含粗粒子喷雾流产生的冲击剪压力大于在第一代美国专利第′154号CO₂喷雾系统试验中所使用的单件毛细管系统约500％。美国专利第′570/′941号系统的峰值剪应力(0.030/0/070阶梯型毛细管)产生约60MPa(700)，且美国专利第′154号系统的峰值剪应力(0.030毛细管)达成约10MPa(702)，其分别使用在表3与表2列出的主要喷雾处理条件。

使用图4A和图4B的高压微毛细管冷凝处理与膨胀处理的本发明的实际喷雾影响结果产生粗粒子喷雾流分别产生(至少)80MPa的高冲击剪应力(704)，其大于使用在美国专利第′154号喷雾试验的单件毛细管系统700％，且大于使用在美国专利第′570/′941号处理的阶梯型毛细管增强超过33％。最特别地，本发明使用较小的粒子(肉眼实际无法见到)且少用CO₂约88％，指出具有优越CO₂节省有效运用的更大能量喷雾处理。喷雾试验实验也进行以确定本发明的范畴。此可借由调节图4B的示例性喷嘴的膨胀容积(V1)达成，以在其提供最小膨胀容积与最大体积。能量微观粒子流产生剪应力少于2MPa(在100psi推进剂压力)到至少80MPa。

结果的讨论：

本发明的针对性效能目标是要在只使用非常小量CO₂之时，产生适当的清洁力。同样地，在图9B，本发明的实际喷雾影响结果(704)是相当意外且显得违反直觉。喷雾试验实验重复数次，以确定在此报告的结果。重新参考图9B，预期的结果在于，本发明产生的较小与更少粒子(即，微粒子)产生的喷雾冲击少于美国专利第′570/′941号的峰值剪应力(700)、或可能甚至少于美国专利第′154号的峰值剪应力(702)。此开始的逻辑与预期似乎适当，假设在基于粒子大小(假设所有关键喷雾参数微维护相同)的两现有技术系统之间建立喷雾力相关性。

相当明显，本发明产生多种喷雾冲击应力，从小于美国专利第′154号(如预期)有关所要产生特细粒子至大于美国专利第′570/′941号有关较粗粒子(非预期)，且经过证明，此可调节喷雾力范围使用的CO₂少于现有技术喷雾系统的80％+。

本发明的重要效能利用比较经试验的三个喷雾系统之间的喷雾效能比而适当示范。效能比(PR，performanceRatio)是将最大剪应力(MPa)除以CO₂使用(磅/小时)而计算出。参考图9C，使用0.030英寸毛细管冷凝器的第一代CO₂复合喷雾系统(美国专利第′154号)认为是基准点，且效能比值为10Mpa除以10磅/小时或PR＝1(800)。使用阶梯型.030/.070英寸毛细管冷凝器的美国专利第′570/′941号喷雾系统效能比提供PR＝6(802)或5倍(5x)大于美国专利第′154号的最大效能比。本发明产生PR＝64(804)，其为64倍(64x)大于美国专利第′154号喷雾系统、与11倍(11x)大于美国专利第′570/′941号喷雾系统。

对照于现有技术CO₂喷雾，下列提供关于本发明的增强效能的可能解释。将微粒子(Microseed)高压毛细管注入图4B的小膨胀室(514)产生较小与较硬CO₂粒子，该等粒子有较高密度，且其以较高速度移动，产生更大能量表面冲击。此假定的证据是在粒子膨胀(即，最大V1)期间出现相当宏亮喷射爆裂音，其不会出现在此试验的现有技术。喷射爆裂音发生在超音速喷流(参考文件：在2013年5月27-29日，由巴尔斯等人在AIAA期刊发表的“Quantifyingcrackle-inducingacousticshock-structuresemittedbyafully-expandedMach3jet”)。

另一因素是表面冲击密度。更多与较小粒子增加在基体表面接口处的接触面积。高频能量冲击产生较高喷溅的流出速度及产生较高卸除(卸载，unload)应力。

关于此，可能最重要因素之一是CO₂复合喷雾几何体。CO₂复合喷雾在现有技术中呈现反常，且已在本文讨论，包括喷雾脉动与喷雾粒子密度起伏。这些缺点主要是在注入毛细管冷凝器组件期间改变饱和液体CO₂的压力与温度条件所引起。现有技术呈现的另一喷雾反常为喷雾旋流或旋转。喷雾旋转是在CO₂粒子从毛细管冷凝器(不管类型)混合在推进剂气体之后发生。粒子推进剂气体速度、密度与温度之间的变化造成旋流、热流与阻力，其全部视为旋转喷雾流，所谓的开尔文赫尔姆霍兹(Kelvin-Helmholtz)不稳定性。这些反常造成减少所要处理表面的喷雾清洁或冷却能量。参考图9D，现有技术喷雾(900)在正常室光中产生肉眼可见的脉动与旋流粒子气体流(902)。

本发明是在可调节喷嘴组件内利用高压微毛细管冷凝结合压力平衡以解决现有技术喷雾缺点。参考图9E，本发明产生稳定状态非喷射旋流(904)，其在正常室光(906)且在没有照明(908)下，肉眼几乎无法感受到。而且，参考图9F，本发明产生的CO₂复合喷雾(910)实际上相当浓密，当使用鲜明白光照明(912)时，发现含无数硬质、快速移动的微观CO₂粒子。而且，本发明证明及确定流体流平衡，此经由喷雾流内没有旋流而证明。一般相信，本发明使用的超临界流体压力条件产生微细化效果，类似于RESS(超临界溶液快速膨胀(RapidExpansionofSupercriticalSolution))处理，其中，高压缩CO₂流体快速膨胀以产生固态二氧化碳的更多微观晶粒，相较于现有技术，其有非常高表面区域、较高密度与较高轨道速度(即，较少阻力)。同样地，本发明示范的实验结果指出高频率、高能量、与密装(closely-packed)表面冲击、且具最小推进剂粒子混合湍流。

实验2

进行实验以决定CO₂复合喷雾的喷雾混合温度与EJTMC组件内的微毛细管压力变化之间的关系。

喷雾力试验装置与方法：

本发明经过试验以确定示例性高压微毛细管的复合喷雾混合温度变化，而维持固定混合推进剂气体(清洁干空气)压力、流动速率与温度。本实验的试验装置包括利用图4A和图4B的装置修改的现有技术PowerSno^TM型号PS6000CO₂喷雾系统。图4B的混合喷嘴置放于距离K-Type热电偶的0.25英寸处，该热电偶连接数字温度计(OmegaEngineering的OmegaModelCL23A)。图4A的高压冷凝器EJTMC组件(106)包括12英寸长微毛细管，其内径为0.008英寸，共轴(且可调节)置于图4B的喷嘴装置内。如此描述的共轴CO₂复合喷雾组件是在推进剂气体流固定在压力70psi、温度固定在20℃、且推进剂气体流动速率约2scfm的条件下操作。微毛细管EJTMC组件的液态CO₂供应压力可在0psi(没有注入)至2000psi范围内步进调节。在每个过饱和注入压力步骤，测量及记录该混合喷雾温度。

结果：

表4概括描述一些微毛细管压力值的可再生喷雾混合温度。

表4-本发明的实验试验参数

结果的讨论：

参考图10，在从900psi(1000)至2000psi(1002)范围内的喷雾温度与毛细管压力数据比较提供相当线性曲线(1004)。该线性曲线取决于试验范围。例如，当依组态的试验装置使用在机械操作或冷却应用内，借由根据图10显示的曲线方程(1006)来改变EJTMC过饱和压力，以提供可调节喷雾混合温度，如实例所示。有趣的是，当毛细管压力增加时，整体的混合喷雾压力不会明显增加，不过，在混合的复合喷雾中呈现可见的冷却粒子数量会增加。此指出增强的焦耳汤姆森冷却、与液态至固体的转变，由于增加在微毛细管组件内的压力降(与温度降)。

在此借由参考图1至图10描述在本文描述的产生增强CO₂粒子喷雾的优选实施方式，下列参考图11至图17的讨论描述用以监督及控制由本发明所产生CO₂复合喷雾的优选实施方式，其利用整合在CO₂复合喷雾发生器的连贯或不连贯的光源、光侦测器、与计算器件。

图11示意说明CO₂复合喷雾的普通各种不同化学物的示例性吸收曲线。在CO₂复合喷雾内发现的常见化学物包括空气(氮、氧)、二氧化碳与水蒸气(特意地，从大气注入或冷凝)。如图11所示，每种复合物有独特的吸收特征或曲线，例如，二氧化碳在红外线区域吸收(2002)、氧和臭氧在紫外线区域吸收(2004)、且水蒸气在可见至红外线区域吸收(2006)。二氧化碳、氧/臭氧与水的重叠证明从紫外线至红外线区域的明显吸收量(2008)。本发明提供用以区别CO₂复合喷雾成分的各种不同基于光的构件，及在清洁、冷却与机械操作中，可利用此信息针对最佳喷雾效能以调节(及维持)个别成分。

图12示意说明用于轮廓化CO₂复合喷雾的基于光的成分与结构分析系统的装置实施方式。参考图12，CO₂复合喷嘴与喷雾羽流(2010)位在光束(2012)之间，该光束源自一些光源(2014)，包括宽谱氘、钨、及/或卤素，其操作介于200nm与2500nm之间的范围；以及源自LED或激光的多个特定光谱来源。已通过喷雾羽流(2010)中的一个或多个部分的传输光(2016)通过管子输送至光度计分析仪或光侦测器(2018)。适于实施本发明的示例性侦测器(2010)包括各种不同分光光度计(可取自美国佛罗里达州达尼丁市的OceanOptics)与基于光电二极管的光侦测器(可取自美国麻萨诸塞州纽伯里波特市的Gigahertz-Optik)。各种不同类型分析可在传输光(2016)进行，且其取决于光源(2014)与侦测器(2018)的类型。示例性分析技术包括吸光度、荧光、反射、传输与拉曼测量。各种不同分析产生电值(electricalvalues)(2020)形式的数据集，其可经过标准化及处理以形成特定CO₂复合喷雾的特征或轮廓，具有某种程度CO₂粒子大小分布、粒子密度(推进剂粒子)、添加剂方案、压力与温度。例如，一个或多个测量可在沿着行径的不同位置处的纵向沿着喷雾羽流(2022)、或垂直(2023)面对喷雾羽流达成，以确定沿着其轨道(纵羽流测量)从在喷嘴出口至特定距离、或从喷嘴出口的预定距离处的从侧对侧(垂直羽流测量)的化学与物理方面(及其变化)，包括化学含量与结构信息两者。

图13示意说明使用在图12描述的示例性系统，利用发光与光度计喷雾羽流数据建立成分元素(诸如CO₂粒子密度、添加剂浓度、与含水量)的上限控制(UCL)与下限控制(LCL)。参考图13，在清洁、冷却或机械操作内的施加喷雾期间，可对不同CO₂复合喷雾建立源自分析数据(2030)的轮廓全集，且可用于对其调节或维持。上限控制(2032)与下限控制(2034)可建立，且其可由操作员或自动控制用于维持可接收限制内的各种不同喷雾成分。此品管保证方案例如在精确粒子清洁应用是非常有用，其中，在清洁率(次微米粒子去除率)与多重变化CO₂粒子密度、粒子大小、喷雾压力、与喷雾温度之间存在者直接关联性。

图14示意说明源自CO₂复合喷雾的发光测量的示例性喷雾轮廓。如图14所示，使用图12的装置且例如使用宽谱光源(诸如卤素光与光电二极管侦测器)可建立喷雾轮廓，以测量通过喷雾羽流的光传输变化。在沿着喷雾羽流的一个或多个预定点上使用图12的分析装置可产生特征或轮廓，此取决于多重喷雾成分变量，包括CO₂粒子密度、粒子大小分布、推进剂压力和混合温度、添加剂和添加剂浓度。使在沿着喷雾羽流的不同位置(2042)处的百分比(％)光传输位准(2040)产生关联可产生每种独特CO₂复合喷雾成分的独特喷雾轮廓(P)。示例性喷雾轮廓包括薄喷雾轮廓(2044)、浓密喷雾轮廓(2046)、与最佳喷雾轮廓(2048)，以针对特别喷雾应用处理最适宜成分。

源自本发明的最佳喷雾轮廓可进一步分析以确定特定CO₂复合喷雾成分的特征值。图15示意说明源自最佳轮廓曲线下方的区域的喷雾轮廓度量计算。此值在本文称为喷雾轮廓指数(或“SPI”，SprayProfileIndex)且有助于快速估计与控制CO₂复合喷雾。基本上，代表最适宜CO₂复合喷雾羽流的代表性轮廓与具有独特正常发光或光度计数据值(2052)的两喷雾位置(2050)用于整合最佳曲线方程(2054)，以产生独特SPI值(2056)。

本发明使用垂直与纵喷雾羽流分析两者以特征化CO₂复合喷雾的成分与结构。如图16所示，纵测量(2060)包括将所见到光的反射、吸收或荧光特性分析成移过侦测器、或传输光收集器件(2064)的喷雾羽流(2062)。垂直测量(2066)包括将所见到光的反射、吸收或荧光特性分析成移向侦测器、或传输光收集器件(2070)的喷雾羽流(2068)。

纵喷雾羽流测量通常产生发光或光度计轮廓(2072)，其特征在于正常发光或光度计值(2078)与不同纵测量位置(2080)的比较图中，接近喷嘴出口为最大吸收位准(水平，level)(2074)，在喷嘴出口的下游段为最小吸收位准(2076)。纵喷雾羽流分析用于确定沿着行径各点处的喷雾羽流的长度及其直径。此外，纵喷雾羽流分析用于使不同纵喷雾轮廓与粒子密度、粒子大小分布、粒子速度、压力、与温度产生关联性。

垂直喷雾羽流测量通常产生的发光或光度计轮廓(2082)，其特征在于正常发光或光度计值(2088)与不同垂直测量位置(2090)的比较图中，接近喷雾羽流中心为最大吸收位准(2084)、且在喷雾羽流周边为最小吸收位准(2086)。垂直喷雾羽流分析用于确定位于从喷嘴出口的不同距离处的喷雾羽流直径，包括确定在共轴喷嘴内的CO₂粒子注入毛细管的对准或定位。此外，垂直喷雾羽流分析用于使不同垂直喷雾轮廓与粒子密度、粒子大小分布、粒子速度、压力、与温度产生关联性。

如本文的讨论，现有技术并未说明在施加CO₂复合喷雾期间，使用光度计方法以实时动态监督、控制、及改变CO₂复合喷雾来处理基体的能力，例如在施加CO₂复合喷雾期间，以在机械处理或精确喷雾清洁处理期间提供精确冷却。

在第一实例中，在施加CO₂复合喷雾羽流期间，可使用红外线(IR)传感器监督所要机械处理的基体，以在机械处理期间监督基体加热，然后调节喷雾羽流以改变冷却能力与清洁效果(即，喷雾力)。不过，此为反作用的方式，机械处理的基体已太热或太冷，且其后要调节喷雾羽流。此反作用控制(反应控制，reactivecontrol)方案无法将处理喷雾羽流实时特征化为一种用于动态控制或改变有关一组特定关键过程变量(诸如机械路径、机械速度、机械供料率、切割深度、切割工具或涂层类型、或所要机器处理基体的成分)的条件(例如处理羽流热能力)的构件。改良方式(与本发明的方面)是要检查、关联、及控制有关机械处理的关键过程变量的处理喷雾羽流成分，如此，变更可基于CO₂复合喷雾发生器的预定机械命令输出(即，M-Code)的预期机械处理变化而实时达成。例如，在机械处理期间，可发展预定喷雾羽流轮廓，以在机械处理期间动态处理适当力、化学、与热能力，以使用本发明来实时监督及控制这些轮廓。同样地，红外线(IR)传感器可当作品管(即，热管理)测量工具使用，以与使用本发明针对机械处理及/或机械热所发展的喷雾成分轮廓产生关联性。

如另一实例，在精确喷雾清洁处理期间，在特定喷雾处理时段期间维持精确喷雾羽流成分以提供喷雾清洁浓度是重要的。在施加处理喷雾期间的处理喷雾成分的任何变化会在所要处理的基体上导致表面清洁质量变化。此点已是个挑战。目前方法是要对基体过度处理，由于已知喷雾控制差异性，然后使用(例如)光电子放射分析仪(即，OSEE监督器)、冲击剪应力膜、或表面粒子分析仪(即，SurfScan器件)，以分析处理过(在此情况经过清洁)的基体表面。另一方法是使用计温来脱机分析处理喷雾，以对喷雾成分进行粗略调节，例如CO₂粒子注入速率，及在线将处理喷雾送回清洁处理。此对精确清洁处理是不连续，造成不必要的Takt时间，且造成不必要的表面清洁质量水平差异性。同样地，本发明的关键性方面是要实时监视喷雾羽流且维持恒定成分，以确保一致性的清洁处理。而且，本发明可视需要，利用本文描述的新颖基于光的监督、分析与控制方案，对其进行动态改变，以调适精确清洁处理。如上述的示例性分析技术系与喷雾羽流指标值或轮廓有关联，以针对特定类型基体、表面污染物(即，粒子、残留物、与热)、与处理时间，优化精确清洁处理，以提供实时统计过程控制(SPC，StatisticalProcessControl)。

一种用于分析及控制CO₂复合喷雾的特性的示例性系统在图17提供。显示的示例性系统用于动态特征化CO₂复合喷雾羽流，且依需要将其调节以维持预定的成分；或者，在利用系统的基体处理以前、期间或其后，响应(或基于)例如系统外部的输入，在该系统正在检查要使用喷雾羽流处理的基体表面，实时动态改变喷雾羽流特性，包含压力、温度、CO₂粒子密度、或添加化学物。外部分析输入器件可使用在本发明，例如表面分析仪(诸如OSEE(光激发电子发射(OpticallyStimulatedElectronEmission))表面分析仪)、粒子测量系统、声学震动测量计、或IR温度计，以使处理喷雾羽流轮廓与优化移除或控制过程污染(残留物、粒子或热)所施加的精确清洁或机械处理产生关联性。

参考图17，使用在本实施方式的示例性喷雾系统包括可调节CO₂复合喷雾发生器系统(2100)、CO₂喷雾输送线(2102)、与CO₂喷雾器喷嘴组件(2104)。适合使用在本实施方式的示例性可调节CO₂复合喷雾发生器与喷雾器是在美国专利申请案第5,725,154号、第7,451,941号、第7,901,540号、与第8,021,489号描述，且包括本发明的增强CO₂粒子产生具体实施方式，例如，在图4A和图4B描述的方法与装置。这些示例性CO₂复合喷雾产生与应用系统产生CO₂复合喷雾或处理羽流(2106)，其含有可调节成分，包含推进剂气体流动速率、压力和温度、CO₂粒子密度和粒子大小分布、与可选的化学和物理添加剂。所有CO₂复合喷雾共同点是在处理喷雾羽流的特性与一致性、及其在特别精确清洁、机械操作或冷却应用的效能之间的关系。如此，非常重要的是可在该应用处理期间对其监督、维持、调节。

同样地及重新参考图17，本实施方式提供光源(2108)，以产生光束(2110)，该光束会沿着从第一位置(2112)行径至第二位置(2114)传递至喷雾羽流的一部分，以产生该羽流的衰减光轮廓(类似于特征)，如图16描述。光源(2108)可为任何变化，包括激光、LED、或卤素。光源(2108)可固定、移动；或者，数个光源可沿着喷雾或处理羽流(2106)的行径以阵列方式使用。或者，喷雾或处理羽流(2106)可从该第一位置(2112)至该第二位置(2114)向后或向前移动以产生轮廓。已通过喷雾或处理羽流(2106)中的一个或多个吸收、反射或衰减光束(2116)由一个或多个光收集器或反射器(2118)接收，其相对连接一个或多个传感器电缆(2120)至一个或多个放大器(2122)，将衰减的光束转换成电流或电压信号，利用一个或多个电缆(2124)分送给计算机处理器(2126)。计算机处理器可为任何变化，包括工业计算机，具有模拟输入卡与软件、或处理逻辑控制器(PLC，ProcessLogicController)与软件，以进行羽流轮廓分析与计算，如图16所述。或者，所述传感器电缆(2120)与放大器(2122)可被光纤传感器、光纤电缆、与分光光度计(全未显示)取代，以利用波长特异性吸光度、荧光、或拉曼分光镜分析来提供处理羽流的化学分析。计算机处理器(2126)与软件分析喷雾羽流、进行(例如)如图16所述的分析，且依需要进行CO₂复合喷雾发生器系统(2100)的调节，以维持(或改变)特定处理羽流特性。此调节可使用具有计算机处理器(2126)的适当数字输出器件来进行，其相对连接控制电缆(2128)至CO₂复合喷雾发生器系统(2100)，以视需要调节例如改变推进剂压力与温度、CO₂粒子注入速率、与添加剂，以在特定清洁或机械应用方面，维持或改变处理羽流特性。

例如，关于本发明的增强CO₂粒子产生与注入处理，该计算机处理(2126)可增加或减少泵压力(图4A，84)，以分别增加或减少在高压EJTMC组件(图4A，106)内的微观CO₂粒子的产生率、与进入示例性混合喷嘴组件的随后注入流量，该混合喷嘴组件包括CO₂粒子推进剂气体预混合器与混合器组件，如图4A所示。为了EJTMC流体注入压力和温度与CO₂复合喷雾羽流粒子密度变化有关联性，在过饱和二氧化碳(液体或超临界)压力与温度输入计算机处理器(2126)之时，位于泵(图4A，85)的排出侧的压力传感器(未显示)与选择性温度传感器(未显示)将可提供其测量。

此调节对于维持特定处理喷雾羽流特性或调节其以调适所需应用变化是必要的。例如，可能需要从较高喷雾压力位准到较低喷雾压力位准的推进剂压力变化，且维持于所要清洁基体表面的更敏感部分、或增加CO₂粒子注入速率，以增加处理喷雾的热能力以在机械操作的特定阶段能有较佳处理更高的机械热。同样地，外部分析测量技术可连同本发明使用，以使喷雾羽流轮廓与特定效能特性产生关联性。重新参考图17，例如，红外线(IR)传感器(2130)与红外线光束(2132)可用于产生有关基体(2134)表面温度与喷雾或处理羽流(2106)轮廓比较的计算机查阅表。基体(2134)表面温度可从红外线传感器(2130)馈送(2136)，且馈送(2138)至计算机处理器(2126)内的热电偶输入卡(未显示)。其他类型的外部分析测量技术(诸如OSEE)可用于使定量清洁处理效能(即，表观清洁率)与处理羽流轮廓互产生关联性。

在已如此描述基于光的监督与控制实施方式的优选方面，下列讨论示意说明本实施方式的各种不同用途。

用途的实例

如图11所述，每种成分具有独特的吸收特征或曲线，即红外线区域的二氧化碳吸收(2002)、紫外线区域的氧与臭氧吸收(2004)、与可见至红外线区域的水蒸气吸收(2006)。二氧化碳、氧/臭氧与水的重叠证明从紫外线至红外线区域的明显吸收量(2008)。图12、图13、图14和图15的本文描述的基于光的分析装置与方法用于区别CO₂复合喷雾的成分。

确定在CO₂复合喷雾中的臭氧浓度

臭氧使用在CO₂复合喷雾内，以增强在氧化与以氧气处理机构两者的清洁与机械效能，且是本发明的第一发明人的数个共同未决临时专利申请主题。CO₂复合喷雾内的臭氧与氧位准的知识与控制对于处理优化与质量保证是重要的。参考图11，臭氧在介于200nm和300nm之间、与500nm和650nm之间的UV区域会强烈吸收(图11，(2004))。使用在图12所述装置来分析在这些区域内或近似该区域的UV吸收特性产生吸收曲线，使用图15所述的SPI计算技术可使该吸收曲线与CO₂复合喷雾内的各种不同臭氧浓度产生关联性。

确定CO₂复合喷雾中的CO₂粒子密度

CO₂复合喷雾粒子大小与密度在清洁或机械操作内对喷雾功能的效能是重要因素。例如，在精确清洁操作方面，非常薄(低CO₂粒子密度)与非常高温度(高推进剂气体温度及/或质量流动速率)喷雾成分是期望的。在排热、冷却或机械应用方面，冷却剂推进剂气体流含有的非常粗粒(大尺寸)与浓厚(高密度)粒子流是期望的。同样地，了解及控制CO₂复合喷雾的粒子大小与密度的物理成分是重要的。在CO₂复合喷雾含有的二氧化碳固体吸收可见与红外线辐射。同样地，两种基于光的分析方法可用于确定粒子浓度–[1]可见光吸光度与[2]近红外线辐射吸收。参考图11，二氧化碳在约2000nm的近红外线区域强烈吸收(图11，(2002))。在此波长，利用图12所述装置、及使用分光光度计来分析NIR吸收特性产生吸收轮廓，使用图15所述SPI计算技术使吸收轮廓与CO₂复合喷雾内的各种不同二氧化碳浓度产生关联性。SPI值将可说明CO₂固态与水蒸气浓度组合。或者，光二极管侦测器允许选择性测量光衰减或黑暗化。发光SPI值选择性描述CO₂粒子浓度以及粒子大小变化。

确定CO₂复合喷雾的干燥

CO₂复合喷雾干燥(即，呈现冷凝水滴)在清洁或机械操作内对喷雾功能性效能是重要的因素。例如，超干燥CO₂复合喷雾代表非常薄(低CO₂粒子密度)与高温度(高推进剂气体温度及/或质量流动速率)喷雾轮廓。超干燥CO₂复合喷雾在精确清洁应用方面是期望的，以避免大气水蒸气(与含有的有机和无机粒子与残留物)冷凝成CO₂复合喷雾。参考图11，水蒸气在可见光区域至800nm与2000nm之间的近红外线区域可强烈吸收(图11，(2006))。采用在图12所述的装置及使用分光光度计以分析在此范围的可见至NIR吸收特性可产生吸收轮廓，使用在图15描述的SPI计算技术可使该吸收轮廓与CO₂复合喷雾内的各种不同水蒸气浓度有关联性，有关CO₂粒子密度与粒子大小、推进剂温度与质量流、及大气湿度。如此计算的SPI值说明各种不同CO₂复合喷雾成分内的可冷凝水蒸气浓度。

公开了一种使用在CO₂复合喷雾过程中，用于产生、输送及控制具有均匀密度与分布的微固态二氧化碳(CO₂)粒子的微观量的方法及装置。毛细管冷凝器组件内的近饱和、或饱和液体二氧化碳的压力为使用高压泵以选择性压缩成密度大于0.9ml/L，以形成过饱和液体(或超临界)CO₂原料，其有受控制与最佳液态CO₂密度与温度。高压微毛细管冷凝器组件用于在超低流动速率将精确过饱和液体CO₂量有效率地转换成微小与高能固态二氧化碳粒子的均匀质量、密度与分布。所述固态二氧化碳粒子利用调节注入泵压力而选择性注入推进剂气体流，以形成具有可变粒子密度的CO₂复合喷雾。该喷雾成分为使用新的光度计实时监督及调节。光束通过CO₂复合喷雾流的部分，其间使用侦测器收集传输光且使用计算机处理器件进行分析。光源包括宽光谱与特定波长，诸如卤素、氘、激光与LED，且工作在紫外线、可见、红外线区域。侦测器包括：简单的光电二极管侦测器，用以测量发光或强度；及更复杂的分析分光光度计。计算机处理器件包括个人计算机或处理逻辑控制器。光吸收、反射及/或荧光数据与CO₂粒子密度与粒子大小、喷雾羽流长度、有机与无机喷雾添加剂、与水蒸气含量有关联。处理喷雾几何体可与各种不同计量仪和方法有关联，且用于优化及控制CO₂复合喷雾的精确清洁、机械操作、与冷却处理。

依照需要，在本文揭露本发明的详细具体实施方式；不过，应明白，揭露的具体实施方式只是本发明的示例，其能以各种不同形式具体实施。因此，本文揭露的特定结构和功能细节不视为限制，而仅是权利要求的基础，且为用以对本领域技术人员说明在实际上任何适当详细结构中，各种不同使用本发明的代表性基础。此外，本文使用的术语和词组不意图限制；而是要提供对本发明描述的了解。如本文所使用的术语“一”或“一个”定义为：一个或多于一个。如本文所使用的术语多个定义为：两个或多于两个。如本文所使用的术语另外定义为至少两个或更多个。如本文所使用的术语包括及/或具有定义为包含(即，开放性语言)。如本文所使用的术语耦合定义为连接，但是不必然为直接连接，且不必然为机械连接。

在权利要求中，未明确说明用于进行特定功能的“构件”、或用于进行特定功能的“步骤”的任何要素并不解释为如在第35号美国法典(U.S.C.)的第112条第6段中详述的“构件”或“步骤”。尤其，权利要求中使用的“步骤”并不是要实施第35号美国法典第112条第6段中的规范。所有引用与参考的专利、专利申请与文献在此全部并入本文供参考。

Claims

1.一种用于产生和调节推进剂气体与二氧化碳的流的喷雾装置，包括：

处于第一状态的二氧化碳，其为饱和液体；

压缩处于所述第一状态的二氧化碳以形成第二状态，其在密度大于0.9g/ml为过饱和；

使用高压泵调节所述压缩；

处于所述第二状态的二氧化碳在微毛细管内冷凝从而形成第三状态，其为微观固体；

混合所述推进剂气体与处于所述第三状态的所述二氧化碳以形成所述推进剂气体与二氧化碳的流；

使用高压泵调节所述二氧化碳混合速率；以及

借此所述流用于处理基体表面。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微毛细管为至少一个高压毛细管，用于接收过饱和二氧化碳。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述微毛细管的长度为从6英寸至20英尺，外径为从0.020英寸至0.125英寸，并且内径为从25微米至0.010英寸。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述微毛细管包括以平行流配置的一个或多个毛细管，所述一个或多个毛细管的长度为从6英寸至20英尺，外径为从0.020英寸至0.125英寸，并且内径为从25微米至0.010英寸。

5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述微毛细管包括聚醚醚酮或不锈钢高压毛细管。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，使用所述高压泵将处于所述第一状态的二氧化碳压缩至过饱和。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述高压泵将处于所述第一状态的二氧化碳压缩至所述微毛细管中，以形成处于所述第二状态的二氧化碳，其为过饱和。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，过饱和的二氧化碳在所述微毛细管内被压缩至压力介于900psi与10,000psi之间。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，过饱和的二氧化碳被压缩至压力介于1,000psi与5,000psi之间。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，过饱和的二氧化碳被热控制在温度介于5℃与40℃之间。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，过饱和的二氧化碳被热控制在温度介于10℃与25℃之间。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述推进剂气体为清洁干空气、氮、氩或二氧化碳。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述推进剂气体被热控制在温度介于5℃与250℃之间。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述推进剂气体与处于所述第三状态的二氧化碳共轴混合。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，使用可调节膨胀管混合所述推进剂气体与处于所述第三状态的二氧化碳，所述可调节膨胀管用于接收由加压的所述微毛细管产生的处于所述第三状态的二氧化碳。

16.根据权利要求1所述的装置，其中，饱和的二氧化碳的压力介于500psi与900psi之间。

17.根据权利要求1所述的装置，其中，饱和的二氧化碳的温度介于5℃与40℃之间。

18.根据权利要求1所述的装置，其中，过饱和的二氧化碳为液体或超临界流体。

19.根据权利要求1所述的装置，其中，处理喷雾在所述基体表面上产生的剪应力介于10kPa与100MPa之间。

20.根据权利要求1所述的装置，其中，处理喷雾在所述基体表面上产生的温度介于-40℃与200℃之间。

21.根据权利要求1所述的装置，其中，处于所述第三状态的二氧化碳的注入速率介于每小时0.1lbs与每小时20lbs之间。

22.根据权利要求1所述的装置，其中，所述推进剂气体与二氧化碳的所述流是喷雾羽流，并且使用光度计进行实时分析。

23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述喷雾羽流具有几何体，所述几何体具有宽度、高度、长度、成分或CO₂粒子密度。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，使用推进剂气体压力、推进剂气体温度、添加剂浓度或CO₂粒子浓度变化调节所述喷雾羽流的几何体。

25.根据权利要求22所述的装置，其中，所述光度计使用光源将垂直于所述喷雾羽流的光束从第一位置传输至第二位置。

26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述第一位置至所述第二位置限定所述喷雾羽流的长度。

27.根据权利要求22所述的装置，其中，所述光度计使用垂直于所述喷雾羽流安装的光接收器。

28.根据权利要求27所述的装置，其中，当光束通过所述喷雾羽流或从所述喷雾羽流反射时，所述光接收器获取衰减的光束。

29.根据权利要求22所述的装置，其中，所述光度计连接至计算器件。

30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述计算器件连接至可调节CO₂复合喷雾发生器。

31.根据权利要求29所述的装置，其中，当光束通过所述喷雾羽流或从所述喷雾羽流反射时，所述计算器件分析所述光束的变化。

32.根据权利要求30所述的装置，其中，所述计算器件调节所述可调节CO₂复合喷雾发生器的推进剂气体压力、推进剂气体温度、添加剂注入速率或过饱和CO₂注入速率，从而调节几何体以保持所述喷雾羽流的特性。

33.根据权利要求25所述的装置，其中，所述光源包括卤素光、氘光、激光或LED光。

34.根据权利要求25所述的装置，其中，所述光源在紫外线、可见或红外线区域中操作。

35.根据权利要求27所述的装置，其中，所述光接收器包括光电二极管侦测器、发光侦测器或UV-VIS-IR分光光度计。

36.根据权利要求27所述的装置，其中，所述光接收器测量光吸收、光反射或光荧光。

37.根据权利要求29所述的装置，其中，所述计算器件计算喷雾羽流几何体的光衰减轮廓指数值。

38.根据权利要求37所述的装置，其中，所述光衰减轮廓指数值随着在所述喷雾羽流内的CO₂粒子密度和粒子大小、推进剂温度和压力、有机和无机添加剂或水蒸气含量而变化。

39.根据权利要求37所述的装置，其中，基于所述光衰减轮廓指数实时控制所述喷雾羽流几何体。

40.根据权利要求25所述的装置，其中，使用至少一个光源。

41.根据权利要求27所述的装置，其中，使用至少一个光接收器。

42.根据权利要求25所述的装置，其中，所述喷雾羽流从第一位置移至垂直于所述喷雾羽流的第二位置。

43.根据权利要求25所述的装置，其中，所述光源和光接收器从第一位置移至垂直于所述喷雾羽流的第二位置。

44.根据权利要求22所述的装置，其中，计量仪用于使喷雾羽流几何体与喷雾羽流性能度量产生关联。

45.根据权利要求44所述的装置，其中，所述计量仪包括基体表面温度测量系统、OSEE表面测量系统、FTIR表面分析系统、冲击剪应力测量系统或粒子计数系统。

46.根据权利要求44所述的装置，其中，所述喷雾羽流性能度量包括冷却能力、冲击粒子剪应力、污染去除速率、表面抛光或表面洁净度。