CN110740817A - 被动静电co2复合喷雾施加器 - Google Patents

被动静电co2复合喷雾施加器 Download PDF

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Abstract

用于产生含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾混合物并同时在基材表面喷射的静电喷雾应用设备和方法。在CO2和添加剂混合喷嘴与基材表面之间的空间中形成喷雾混合物。喷雾混合物是具有可变‑控制的空中和径向喷雾密度的复合流体，其包含压力‑和温度‑调节推进剂气体(压缩空气)、CO2颗粒和添加剂颗粒。存在两种或更多种含有被动带电的CO2颗粒的圆周高速气流，其轴对称且围绕含有一种或多种添加剂的内部低速注射气流同轴定位，以形成喷雾簇。轴对称的CO2颗粒‑气流在形成期间被动摩擦带电，并且喷雾的成簇布置在同轴气流之间和周围产生显著的静电场和康达(Coanda)空气质量流量。

Description

被动静电CO2复合喷雾施加器
优先权声明
本申请主张2017年4月4日提交的美国临时专利申请No.62481575和2018年4月4日提交的美国专利申请No.15945698的权益，以上专利申请以其全部内容作为参考并入。
背景技术
本发明一般地涉及用于形成和喷射CO2复合喷雾(CleanLogix LLC的商标)的喷雾施加器。更具体地，本发明涉及使用空气、固体二氧化碳和添加剂颗粒(如有机溶剂、涂料、颜料、纳米颗粒、微磨料和润滑剂)的被动式静电喷雾喷嘴和喷雾施加器组件。
CO2复合喷雾用于清洗、冷却和/或润滑的应用在本领域中是普遍已知的。例如，通常在车削、精确砂带磨削(precision abrasive grinding)或划片操作期间需要清洗、选择性热控制和/或润滑的硬机械加工(硬加工)过程期间使用CO2复合喷雾。在这些应用中，CO2复合喷雾用于延长切割工具或磨轮寿命，并改善生产力、尺寸公差和表面光洁度。
在本领域中已有几种CO2喷雾施加器的实例，其在制造或工业过程中用于将CO2喷雾导向基材、工件等。这些实例包括美国专利4,389,820、4,806,171和5,725,154。然而，上述实例中的每一种均在喷雾出于清洗、冷却和润滑目的的应用中，更具体地，对于冷却和润滑目的有益的CO2复合喷雾的形成和应用中具有缺点。
例如，CO2复合喷雾对机械加工基材的高效且行之有效的应用存在一些挑战。当使用足够高的喷雾速度来提供足够的能量以达到切割区表面时，大部分喷雾往往会偏离所述切割区表面或围绕它们流动，而不是冲击它们。当使用低速喷雾时，则不能有效穿透具有凹口的临界表面(critical surfaces)或复杂表面。例如，在CO2-基冷却-润滑喷雾的应用期间，观察到在从喷雾喷嘴至表面的转移期间，油添加剂团聚成非常大的沉淀。这种现象防碍CO2冷却剂颗粒和油-基润滑剂两者在机械加工表面(加工表面，machined surface)上的均匀分布，并且如果定位在距离要机械加工的基材过远的位置，则导致大部分雾化喷雾完全错过所述基材，从而浪费了一部分所应用的喷雾。由于润滑添加剂，如油，和冷却组分固体，二氧化碳颗粒具有某些完全相反的物理化学性质——即分别具有高熔点和极低的温度，因此发生了这种现象。CO2颗粒(即，冷却剂)的温度导致流动的润滑剂添加剂在可以在喷雾内建立起均一粒度和喷雾分布之前而过早地固化或凝胶化。这种现象抑制了均一和均匀的分散。当在喷嘴内或喷嘴头(nozzle tip)附近发生CO2固体颗粒和添加剂颗粒之间的混合时特别会出现这种情况，其导致产生了不一致的喷雾形状和化学性质，并且喷嘴被冷冻和团聚(结块，agglomerate)的油和添加剂堵塞。
现有技术包含几种用于向CO2复合喷雾中引入有益添加剂的CO2喷雾应用技术的实例。实例包括添加有机溶剂添加剂以提高喷雾清洗性能、添加润滑剂添加剂以提高机械加工性能，和添加等离子体添加剂以提高用于粘合(粘接)的表面修饰。现有技术在该方面的实例包括美国专利5,409,418、7,451,941、7,389,941和9,352,355。在上述实例中的每一个中，使用与CO2喷雾喷嘴装置集成的注射装置(方式，means)，将分别包含离子、溶剂、油或等离子体的添加剂流体直接添加至中心(居中，centrally)布置的CO2颗粒喷雾中，并且在一些情况下，上述注射装置包括使用高压和电极使添加剂颗粒主动带电以提高添加剂颗粒吸引力、混合和雾化的装置。然而，如已说明的，这种类型的注射方案引入了对喷雾添加剂的限制，这些喷雾添加剂与形成喷雾的喷嘴处或其附近的CO2喷雾的物理化学性质固有地不相容。例如，CO2颗粒喷嘴体(喷嘴主体、喷嘴本体，nozzle body)和出口内的高喷雾压力和速度、极低的温度以及被动静电带电为高熔点油引入了流动和混合限制。高分子量天然油，如大豆油和菜籽油(芥花油)为机械加工应用提供了最优良的润滑品质，但是将在比CO2颗粒喷嘴出口内或附近所存在的那些温度显著更高的温度下凝胶化或固化。在喷嘴内和来自喷嘴的CO2颗粒的形成和喷出期间所存在的静电场和电荷加剧了该问题。分别使用高压电极使添加剂和/或CO2颗粒喷雾带电或使其被动带电(摩擦带电)，使得过冷的高熔点油膜在喷嘴头附近或内部静电带电并凝聚成大又粘的凝胶或团块(mass)，其抑制了向CO2颗粒流中的流动和注射。此外，一旦注射到冷CO2颗粒流中并在目标表面喷射(project)时，这些较大的添加剂颗粒团块将抑制向极低表面区域，例如，包含切割工具、工件和切屑裂缝(chipcrevice)的切割区内的表面区域的间隙渗透(gap penetration)。结果是组成随时间变化的喷雾——具有低表面积的大颗粒团块(物质，mass)或者完全缺少润滑的颗粒。此外，现有技术的添加剂注射设备和方法对每个CO2喷雾喷嘴需要单独的添加剂注射方案，其在应用中要求更复杂的多喷雾构造方案，其需要较大的空中(aerial)和径向喷雾密度以提高应用生产力(产率)或实用性。
发明内容
产生用于在基材表面上使用的含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾(composite spray)的设备，其包括：可以将多个喷嘴电极围绕添加剂注射喷嘴轴对称定位；所述喷嘴电极可以包括具有喷嘴头的细长体(elongated body)，所述喷嘴头具有中心通孔，并且从所述中心通孔伸出，可以存在多个或至少三个轴对称通口(through port)；所述多个或至少三个通口可以形成三个用于使可调节膨胀管组件定中心(居中，centering)和定位的停落导引(landing guide)或支持部分；所述可调节膨胀管组件可以包括位于第二毛细管内的第一毛细管；所述第一和所述第二毛细管在所述中心通孔内可以是可调节的；所述添加剂注射喷嘴可以包括包含添加剂输送管的通口并接地的添加剂注射喷嘴体(喷嘴本体，nozzle body)，并且所述接地的添加剂注射喷嘴体可以使空气流动以形成空气-添加剂气溶胶；借此CO2颗粒流动通过所述可调节膨胀管组件以产生静电电荷，其分流至三个停落导引或支持部分以使所述喷嘴电极静电带电，然后所述CO2颗粒与空气混合以形成空气-CO2气溶胶；所述静电带电的喷嘴电极和所述空气-CO2气溶胶可以使所述空气-添加剂气溶胶被动带电；所述空气-添加剂气溶胶和所述空气-CO2气溶胶远离所述喷嘴合并以形成在所述基材表面喷射的静电带电的空气-添加剂-CO2气溶胶，借此所述CO2颗粒和所述添加剂相互作用，从而在所述喷嘴和所述基材表面之间的空间内形成含有添加剂混合物的静电带电且均一的CO2复合喷雾；并且可以在所述基材表面喷射含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾；可以围绕所述添加剂注射喷嘴轴对称布置至少两个喷嘴电极；所述添加剂可以包括可流动的有机和无机液体和固体；所述基材表面可以是切割区；所述添加剂是机械加工润滑剂(mechining lubricant)。
产生用于在基材表面上使用的含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾的设备，其包括：围绕添加剂注射喷嘴轴对称定位的多个喷嘴电极；包含具有喷嘴头的细长体的所述喷嘴电极是多个轴对称通口，所述喷嘴头具有中心通孔，并且其从所述中心通孔伸出；用于使可调节膨胀管组件定中心和定位的停落导引位于所述多个通口附近或邻近所述多个通口；所述可调节膨胀管组件包含位于第二毛细管内的第一毛细管；所述第一和所述第二毛细管在所述中心通孔内是可调节的；所述添加剂注射喷嘴包括包含添加剂输送管的通口且接地的添加剂注射喷嘴体，并且所述接地的添加剂注射喷嘴体使空气流动以形成空气-添加剂气溶胶；借此CO2颗粒流动通过所述可调节膨胀管组件以产生静电电荷，其分流至停落导引以使所述喷嘴电极静电带电，然后所述CO2颗粒与空气混合以形成空气-CO2气溶胶；所述静电带电的喷嘴电极和所述空气-CO2气溶胶使所述空气-添加剂气溶胶被动带电；所述空气-添加剂气溶胶和所述空气-CO2气溶胶远离所述喷嘴合并以形成在所述基材表面喷射的静电带电的空气-添加剂-CO2气溶胶，借此所述CO2颗粒和所述添加剂相互作用，从而在所述喷嘴和所述基材表面之间的空间内形成含有添加剂混合物的静电带电且均一的CO2复合喷雾；并且在所述基材表面喷射含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾。从所述中心通孔伸出，可以存在多个或至少三个轴对称通口；并且所述多个或至少三个通口形成三个用于使可调节膨胀管组件定中心和定位的停落导引；围绕所述添加剂注射喷嘴轴对称布置至少两个喷嘴电极；所述添加剂包含可流动的有机和无机液体和固体；所述基材表面是切割区；并且所述添加剂是机械加工润滑剂。
用于产生静电场的喷嘴电极设备，其包括：具有喷嘴头的细长体是至少三个轴对称通口，所述喷嘴头具有中心通孔，并且其从所述中心通孔伸出；所述至少三个通口形成三个用于定位可调节膨胀管组件的停落导引；所述可调节膨胀管组件包含位于第二毛细管内的第一毛细管；所述第一和所述第二毛细管在通口的中心孔内的位置是可调节的；并且借此CO2颗粒流动通过所述可调节膨胀管组件以产生静电电荷，其分流至三个停落导引以使所述喷嘴电极静电带电；所述设备可以由半导体材料或金属构成；长度可以在0.5至6.0英寸之间；并且可以分流至接地(earth ground)。
使用产生用于在基材表面上使用的含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾的设备来处理表面的方法，所述设备包括：围绕添加剂注射喷嘴轴对称定位的多个喷嘴电极；包含具有喷嘴头的细长体的所述喷嘴电极是多个轴对称通口，所述喷嘴头具有中心通孔，并且所述喷嘴电极从所述中心通孔伸出；用于使可调节膨胀管组件定中心和定位的停落导引邻近所述多个通口；所述可调节膨胀管组件包含位于第二毛细管内的第一毛细管；所述第一和所述第二毛细管在所述中心通孔内是可调节的；所述添加剂注射喷嘴包括包含添加剂输送管的通口且接地的添加剂注射喷嘴体，并且所述接地的添加剂注射喷嘴体使空气流动以形成空气-添加剂气溶胶；借此CO2颗粒流动通过所述可调节膨胀管组件以产生静电电荷，其分流至停落导引以使所述喷嘴电极静电带电，然后所述CO2颗粒与空气混合以形成空气-CO2气溶胶；所述静电带电的喷嘴电极和所述空气-CO2气溶胶使所述空气-添加剂气溶胶被动带电；所述空气-添加剂气溶胶和所述空气-CO2气溶胶远离所述喷嘴合并以形成在所述基材表面喷射的静电带电的空气-添加剂-CO2气溶胶，借此所述CO2颗粒和所述添加剂相互作用，从而在所述喷嘴和所述基材表面之间的空间内形成含有添加剂混合物的静电带电且均一的CO2复合喷雾；和在所述基材表面喷射含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾，所述方法包括以下步骤：将所述设备定位在远离所述基材表面的第一位置；用含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾涂覆所述基材表面；停止用含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾对所述基材表面的涂覆；将所述设备定位至第二位置；和通过应用(施加)不含添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾，从基材表面除去所述添加剂。该方法还具有：所述第一位置距所述基材表面6至18英寸；在第一位置应用含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾之后是1至600秒的浸泡时间(soak period)；所述第二位置距所述基材表面0.5至6英寸；所述添加剂包含可流动的有机和无机液体和固体；所述基材表面是制造表面。
本发明的方面提供了用于产生含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾的设备。通过将添加剂注射和雾化喷嘴定位在两个或更多个轴-对称定位且被动带电的CO2复合喷雾喷嘴的中心并与之同轴，本发明克服了现有技术的添加剂混合和喷雾喷射的限制。具有用于混合添加剂和CO2颗粒的静电场和速度驱动梯度以及辅助复合喷雾推进和递送的引导气流的新型簇式喷雾(cluster spray)布置使得能够形成几乎任何多种CO2复合流体喷雾组合物。独特地，在向目标基材(其与CO2和添加剂颗粒注射装置分离)输送期间，在空间形成了本发明的多组分CO2复合流体喷雾，从而消除了由于相变和直接接触带电现象所引入的干扰。围绕中心定位的添加剂喷雾流的轴-对称成簇CO2喷雾产生了可调节且均匀的静电场和速度梯度。
本发明消除了由于添加剂喷雾化学性质和CO2喷雾化学性质之间的多种物理化学差异所强加的限制。可以使用任何多种流体-夹带的(fluid-entrained)或可流动的微观固体、轻的和粘稠的液体、挥发性和可冷凝的气体、离子、水性和非水性液体以及它们的共混物。此外，可以使用单独的添加剂或高沸点液体的共混物、高熔点化合物、纳米颗粒、离子化合物、离子化流体、臭氧化流体、分散体或混悬液。此外，本发明拓展了CO2复合喷雾的有用性。例如，本发明可以用于在CO2复合喷雾清洗操作之后立即应用有益的表面涂层，如防锈剂、底漆(primer)和颜料。
本发明的另一个方面是提供用于提供更高的CO2复合喷雾的空中和径向喷雾密度(aerial and radial spray densities)以改善喷雾过程的生产率的设备和方法。与常规CO2雪状喷雾相比，CO2复合喷雾的优势在于调整CO2颗粒-在-推进剂气体中的浓度(CO2particle-in-propellant gas concentration)、喷雾压力和喷雾混合物温度的能力。然而，对于CO2喷雾施加器来说，限制在于低空中和径向喷雾密度-喷雾面积。这限制了在多种工业应用中的生产率，并且用于克服这种限制的当前技术将使用多口的宽-喷雾喷嘴阵列。然而，如已讨论的，用于添加有益添加剂的传统方式使这类布置非常复杂并且与高熔点添加剂化学性质不相容。
本发明的另一个方面是提供新型放电机械加工(EDM)CO2复合喷雾混合喷嘴设备，其用于选择性地将可调节的CO2颗粒注射组件(即美国专利9,221,057，图4B(502))定位在推进剂气体(propellant gas)的超声流的最中心区域，同时分流来自所述可调节CO2颗粒注射组件表面的静电电荷以产生静电带电的喷雾喷嘴。
在本发明的另一个方面，表面预处理涂覆操作之后是精密清洗操作。在某些清洗应用中，单独使用CO2复合喷雾可能很难除去表面污染。本发明教导了用于应用(优选地)高沸点预处理剂的均一涂层的示例性预处理方法，其在用CO2复合喷雾进行喷雾清洗之前或其过程同时，首先使复杂的表面污染物溶解(或另外变性)。
最终，本发明对于使用几乎任何强化特定喷雾应用，如精密清洗、硬机械加工、精确砂带磨削、粘合或表面消毒的添加剂化学性质来形成混合(hybrid)CO2复合喷雾是有用的。已开发了本发明所述的新型CO2复合喷雾施加器以最有效地配合本发明第一发明人所开发的CO2复合喷雾生成系统使用。用于使用本发明的优选的CO2复合喷雾生成系统包括美国专利No.5,725,154、7,451,941和9,221,067，并且将对它们的参考以其全部内容并入本发明。本发明引入了这些改良。在其优选实施方式中，本发明具有可以独立使用的几个方面或小方面，尽管优选地将它们一起使用以优化它们的益处。通过参考附图，考虑以下详细说明，将更全面地理解本发明的所有上述操作原理和优势。
附图说明
图1是现有技术美国专利5,409,418(图1)的节选，其描述了用于与常规CO2雪状喷雾系统(snow spray system)一起使用的具有同轴电离气体添加剂注射方式(装置，means)的雪状喷雾施加器(snow spray applicator)。
图2是现有技术美国专利7,451,941(图5)高粘液(稠密液)清洗方法和设备的节选，其描述了同轴喷雾施加器，所述喷雾施加器描述了内部同轴添加剂注射方式。
图3是现有技术美国专利7,389,941(图2)的节选，其描述了使用用于和美国专利No.7,451,941的图2所述的示例性CO2复合喷雾系统一起使用的外部康达(Coanda)-流添加剂注射方式的同轴喷雾混合喷嘴。
图4a和4b提供了将空气-CO2复合清洗喷雾与使用图3所示的现有技术的康达(Coanda)喷雾装置和方法的空气-CO2-油复合机械加工喷雾相比较的并排照片。
图5a和5b示意性地显示了形成被动带电的CO2复合喷雾设备的示例性的产生静电场的CO2复合喷雾喷嘴、添加剂注射器喷嘴以及它们的轴-对称成簇布置的基本方面和功能。
图6a、6b和6c显示了用于与本发明一起使用的示例性的轴-对称簇式喷雾喷嘴构造。
图7a和7b显示了多个簇式喷雾施加器(cluster spray applicator)的布置以调节空中和径向喷雾密度两者。
图8是示意性图示，其显示了围绕中心布置的浮动接地的添加剂注射器喷嘴并且位于轴-对称布置的浮动电荷载体喷嘴(floating charge carrier nozzle)之间所建立的对称的静电场。
图9显示了复合喷雾在空气中在包括被动带电的CO2颗粒和添加剂颗粒的空间中的形成，以及对示例性基材的应用。
图10a、10b、10c、10d和10e提供了用于与本发明一起使用的被动静电电荷生成CO2复合喷雾喷嘴的示例性设计的等轴(等距)侧视图、后视图和前视图、以及切片视图。
图11a、11b和11c提供了用于与本发明一起使用的示例性雾化添加剂注射器喷嘴的示例性设计的等轴侧视图、后视图和前视图。
图12a、12b和12c提供了用于轴-对称布置CO2复合喷雾喷嘴和添加剂注射喷嘴的4×1簇式喷雾施加器主体和使用它们用于提供推进剂空气(空气推进剂，propellant air)、CO2颗粒和添加剂的方式的示例性设计的等轴后视图、底视图和前视图。
图13是使用图12所示的示例性喷雾施加器的示例性3D打印喷枪(handgun)组件的等轴视图。
图14是使用本发明的4×1簇式喷雾喷嘴所产生的未加热的空气-CO2-油复合喷雾的照片。
图15是使用本发明的示例性表面预处理和清洗方法。
具体实施方式
本发明为用于产生含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾混合物并同时在基材表面喷射的静电喷雾应用设备和方法。在CO2和添加剂混合喷嘴与基材表面之间的空间中形成所述CO2复合喷雾混合物。所述CO2复合喷雾混合物是具有可变-控制的空中和径向喷雾密度的复合流体，其包含压力-和温度-调节推进剂气体(即压缩空气)、CO2颗粒和添加剂颗粒。本发明包括两种或更多种含有被动带电的CO2颗粒的圆周(环形，circumferential)高速气流，其轴对称且围绕含有一种或多种添加剂的内部低速注射气流同轴定位以形成喷雾簇。一个或多个喷雾簇可以用于形成更大的喷雾簇构造。轴-对称的CO2颗粒-气流在形成期间被动摩擦带电，并且喷雾成簇布置在同轴气流之间和周围产生了显著的静电场和康达(Coanda)空气质量流量(air mass flow)。在喷雾簇内，中心-定位的添加剂-气流施加小的粘滞阻力(viscous drag)并且相对于起阴极作用的圆周CO2颗粒-气流起阳极作用，其导致带电的CO2颗粒-气流和添加剂-气流颗粒在受它们之间的空间内所产生的极化静电场影响的空间中凝聚，从而形成了均一的混合空气-CO2-添加剂颗粒喷雾气流。使用本发明，可以产生用于工业制造应用，如涂覆、清洗、消毒和冷却-润滑的任何多种混合空气CO2-添加剂颗粒喷雾流。
图1是现有技术美国专利5,409,418(图1)的节选，其描述了用于与常规CO2雪状喷雾系统一起使用的具有同轴电离气体添加剂注射方式的雪状喷雾施加器。如图1所示，经可调节地计量液体CO2的微调阀(4)将液体CO2(2)通过快速膨胀(8)的雪状喷雾喷嘴(6)的内口(internal orifice)供应，以形成非常冷的CO2气体-颗粒气溶胶或雪状喷雾(10)。围绕所述雪状喷雾喷嘴(6)附加产生正或负的高压电位的气体电离装置(12)，气体如压缩空气(14)通过所述气体电离装置流入电离器装置以产生圆周围绕所述膨胀的雪状流(10)的电离气体(16)的同轴屏敝或掩蔽物，从而形成了在基材表面(20)选择性喷射(18)的包含膨胀的CO2气溶胶(10)并且围绕电离空气套(ionized air sheath)(16)的清洗喷雾。存在与常规雪状喷雾如'418有关的几种缺点，其引发第一署名发明人对于CO2复合喷雾的开发。这些限制包括极低的喷雾温度、大气水分(湿度)和有机蒸气冷凝以及过量的CO2使用等。'418的电离方案将电离气体围绕中心布置的CO2雪状流注射。所述中心布置的CO2雪状流比圆周电离气流更冷且更密集，并且由于CO2颗粒的升华，以近音速的速度以远离中心喷雾轴向外的方向快速膨胀。尽管该方案对于防止外部气氛进入所述中心布置的冷雪状喷雾，并且特别是在要通过它们处理的基材上的冷清洗区附近是有用的，但是这种添加剂注射布置阻碍了有益的静电电荷中和离子向喷雾最中心区，并且特别是基材本身上的接触清洗区的均一混合。此外，从安全角度来看，在喷雾清洗喷嘴上使用高压电离装置是不期望的，并且对于每个CO2喷雾喷嘴使用大体积电离器的要求提高了设备成本并且限制了具有极高径向和空中喷雾密度的CO2处理喷雾的开发和使用。最终，出于类似的上述限制，如CO2雪状喷雾膨胀、气流分割(flow stream segmentation)和极冷温度，'418的注射方案不能用于注射液体和固体添加剂来产生均一的CO2喷雾组合物。
图2是现有技术美国专利7,451,941(图5)高粘液清洗方法和设备的节选，其描述了同轴喷雾施加器，所述喷雾施加器描述了内部同轴添加剂注射方式。图2显示了本发明第一署名发明人所开发的示例性同轴CO2复合喷雾施加器和方法。与先前图1所讨论的常规雪状喷雾施加器非常不同，用于产生和喷射CO2复合喷雾(CleanLogix LLC的商标)的基本方案是--通过单独的喷雾组分产生、控制和输送方式以及使用不同设计的同轴喷雾混合喷嘴将它们集成——将主要组分合并以形成有效的CO2-基处理喷雾：(1)清洗剂(即，微观CO2颗粒)、(2)CO2颗粒推进和喷雾屏蔽剂(即，加热、电离和压缩的空气)和(3)任选的喷雾添加剂(即醇、微研磨颗粒)。如图2所示，示例性的同轴CO2复合喷雾施加器包括三个基本元件；同轴CO2颗粒输送毛细管(30)，其输送外部同轴推进剂气体输送管(34)的一部分内所携带的原位产生的微观CO2颗粒(32)，所述输送管(34)输送压力-调节并加热的推进剂气体(36)；毛细管(30)和输送管(34)两者均集成至同轴CO2-推进剂气体混合喷嘴(38)。除这些基本元件之外，使用外部添加剂进料管(42)，将任选的添加剂注射口(40)用于选择性进料压力-可流动的或可泵送的喷雾清洗添加剂，如溶剂或微磨料，所述进料管(42)将所述添加剂直接注射到CO2-推进剂气体混合物(44)中以形成空气-CO2-添加剂喷雾组合物(46)，然后在基材表面(50)选择性喷射所述组合物。在美国专利7,451,941中详细描述了因此所述的喷雾生成方法和设备，并且通过参考所述专利将所述方法和设备并入本说明书。
7,451,941(图2)所示和所述的示例性同轴喷雾施加器的明显缺陷在于快速的内部喷嘴堵塞和喷雾变型(偏差，aberration)，如溅射，特别是当注射高熔点添加剂，如生物基油或者通过与CO2颗粒混合并且在分散和雾化为细颗粒之前发生相变(即液体→固体)的任何添加剂时。高速且升华的CO2颗粒流产生了被动静电带电(高达5kV或更高)和极低(非常低，very low)的混合温度(低至-109华氏度)。在注射期间，冷CO2颗粒使高熔点润滑油热和静电胶凝化，从而形成了冷冻CO2颗粒和油的大结块，其对于冷却-润滑机械加工喷雾不是最优的。类似地，用于精密清洗应用的低熔点有机溶剂，如丙酮和甲醇向混合喷嘴的直接注射限制了具有CO2颗粒均匀分布的小雾化溶剂液滴的形成。在形成期间，将大量有机溶剂添加剂用作溶质CO2颗粒的散热剂(heat sink)(和溶剂)，从而导致CO2颗粒在输送至表面的过程中非常快速地升华。含有非常冷的液体溶剂雾化喷雾的非常小范围的清洗喷雾的结果使得任何大量CO2颗粒不存在。
图3是本发明第一署名发明人所开发的现有技术美国专利7,389,941(图2)的节选，其描述了使用用于和美国专利No.7,451,941的图2所述的示例性CO2复合喷雾系统一起使用的外部康达(Coanda)-流添加剂注射方式的同轴喷雾混合喷嘴。图3所示的新型喷雾喷嘴与图2所述的同轴喷雾喷嘴(38)是可互换的，并且能够通过美国专利No.7,451,941中所述的示例性CO2复合喷雾生成系统实现。如图3所示，将包含在流动自(在美国专利7,451,941中未显示但详细描述的)外部CO2颗粒产生器的输送毛细管(60)内的CO2颗粒进料至并通过喷嘴中心部分，流动自(在美国专利7,451,941中未显示但详细描述的)外部推进剂供给生成器的压力-和温度-调节的推进剂气体(62)在其上方流动；它们全部集成到康达-同轴CO2-推进剂气体-CO2颗粒-添加剂混合喷嘴(64)中。不同于美国专利7,451,941中图2所述的外部进料添加剂注射和内部同轴混合方法(42)，与CO2颗粒进料管(60)一起内部且同轴携带美国专利7,389,941的添加剂注射进料管(66)并将其选择性定位以将添加剂(68)注射到可调节圆周(环形)间隙(70)中，其与来自喷嘴内部并且位于康达喷嘴表面(72)的外表面上方的推进剂气体(62)的第一部分一起混合和流动。将流动CO2颗粒的毛细管输送管(60)选择性定位以将所述CO2颗粒在喷嘴出口(74)附近释放，因此CO2颗粒与推进剂气体(62)的第二部分混合并被推进。推进剂气体和添加剂混合物的第一部分在康达喷嘴外表面上方、向喷嘴头(76)流动，因此将推进剂气体-添加剂混合物注射到离开喷嘴出口(74)的推进剂气体-CO2颗粒混合物的第二部分以形成在基材表面(82)喷射(80)的CO2颗粒-推进剂气体-添加剂组合物(78)。在美国专利7,389,941中详细描述了因此所述的康达喷嘴设备并且其能够通过美国专利No.7,451,941的喷雾生成方法实现，通过参考所述专利将其引入本说明书。
如具有内部添加剂注射的图2所述的美国专利No.7,451,941的同轴混合喷嘴(38)一样，尽管不那么直接，但是图3所述的美国专利No.7,389,941的康达-流外部添加剂注射方法经历了类似的限制。在喷雾操作期间，康达喷嘴(76)的外表面静电带电，并且表面温度降低至极低的温度，两者均因为冷CO2颗粒-气体喷雾的内部膨胀和升华以及与喷嘴体内部和喷嘴出口(72)附近的推进剂气体的混合所致。减轻喷嘴冷冻效应的方式是显著提高推进剂气体的温度以补偿升华冷却。然而，对于机械加工应用，不应将推进剂气体加热至高于环境温度以保存CO2颗粒(即冷却剂)和扩大复合喷雾的整体冷却能力和效果。通过将不包含添加剂的空气-CO2复合喷雾与使用图3所示设备的包含高熔点添加剂的喷雾相比较，最好地显示了这种现象。
图4a和4b显示了将未加热的空气-CO2复合喷雾与使用图3所示的现有技术的康达-同轴喷雾喷嘴设备和方法的未加热的空气-CO2-油复合喷雾相比较的并排(side-by-side)照片。如图4a所示，未加热的空气-CO2复合喷雾显示在喷雾操作期间，在喷嘴头(90)上由静电带电和水蒸汽冷凝所造成的大气冰积累(atmospheric ice build-up)，但整体上，复合喷雾(92)仍保持良好的形式和稳定，条件是CO2颗粒的注射速率保持控制在约8lbs./小时(或更低)并且推进剂压力保持在70psi和70华氏度(或更高)以防止过度的喷嘴头冷凝和冷冻。现参考图4b并且使用与图4a相同的空气-CO2颗粒复合喷雾条件，将高熔点生物-基油以约70ml/小时注射通过图3所示的毛细管进料管(66)。如图4b可见，在短暂的喷雾操作之后，在整个康达注射表面(104)上，油添加剂开始带电、胶凝化和团聚(结块)，并且伴随着大气冰积累。所述积累观察为从图4a所示的康达喷嘴头(90)向外扩大的冷冻油团块(106)。随着它的发展，喷嘴头积累(106)防碍中心CO2复合喷雾(108)并且导致产生了不稳定且可变的冷却-润滑喷雾，其在向包括切割工具、工件和切屑的切割区(110)应用期间，包含不定量的或者不包含润滑剂添加剂。
CO2喷雾的产生和喷射产生了静电带电。这种摩擦带电现象是由于高速和升华的CO2颗粒(电介体)与具有不同功函数的表面，例如，用于制造CO2复合喷雾施加器的聚醚醚酮(PEEK)输送毛细管和金属混合喷嘴之间的接触所造成的。通过参考现有技术，本文已讨论的减轻静电电荷积累的方式包括将电离气体直接或间接注射到CO2喷雾中以及喷嘴接地或分流(shunting)。然而，即使使用了这些方式，在CO2颗粒喷雾向基材表面输送期间，随着它在大气中的膨胀和湍流移动，所述CO2颗粒喷雾继续摩擦带电。此外，即使是相对电中性的CO2喷雾，也将在冲击期间与基材表面摩擦带电。照此，本领域技术人员已知在CO2喷雾处理期间，减轻基材表面上静电带电的最好的补救方法是通过基材接地或分流方式，和在喷雾处理期间通过在基材上喷射单独的电离流体或辐射。例如，由本发明的第一署名发明人所共同开发的美国专利No.9,352,355是在操作期间使用大气等离子体(导电处理液)接触CO2复合喷雾和基材表面两者的示例性表面分流方式。通过将摩擦电荷从接触表面直接释放至等离子体羽流(plume)来减轻表面电荷积累。'355的设备和方法是提供有效表面清洗和修饰，同时控制处理喷雾和所处理的表面的静电电荷的混合处理方法。
总之，本发明的第一署名发明人在美国专利No.7,389,941中教导了用于在CO2复合喷雾中强化静电-雾化添加剂的形成的直接带电方法，并且所述方法包括使用高压(HV)电源和电线向可流动添加剂应用HV。在注射到康达喷嘴并且后续混合到摩擦带电的CO2复合喷雾中之前，所述添加剂混合物变得高度带电。本发明的第一署名发明人还在美国专利7,451,941中教导了间接带电方法，其包括将添加剂直接注射到摩擦带电的CO2复合喷雾中，如在CO2复合喷雾中形成被动带电的添加剂时所形成的一样。然而，根据现有技术讨论而显而易见的，这两种技术的联合限制(并且特别是当使用高熔点添加剂时)是双倍的：(1)由于极低的CO2颗粒-气体混合物温度所造成的添加剂不受控制的相变(物体与物体之间的直接热传递)以及(2)在雾化和冷凝现象之前，添加剂过早的静电带电或摩擦带电(物体与物体之间的直接电荷传递)。照此，相对于静电带电、添加剂注射和CO2复合喷雾形成的混合阶段的位置，现有技术中所使用的单件空气-CO2-添加剂混合喷嘴方案具有明显的冲突。
通过因此所详细讨论的现有技术，显然需要改善的CO2复合喷雾应用方法和设备。以下讨论描述了解决了上述限制的用于同轴注射、雾化、静电带电和分散几乎任何可流动的空气-添加剂组合物的新型CO2复合喷雾施加器和方法的方面。本发明的方面提供了用于产生含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾的设备。
在本发明的第一方面，将CO2复合喷雾喷嘴用作轴-对称布置的阴极阵列，起阳极作用的添加剂注射喷嘴位于其中，从而在喷雾操作期间，在它们之间的空气中产生了强电离静电场。由于相对于其周围环境存在过量的电子，因此CO2复合喷雾喷嘴和CO2颗粒是高度带电的。相对于CO2复合喷雾，添加剂喷雾喷嘴和雾化颗粒带相反电荷。本发明人使用得自Exair Corporation,Cincinnati,Ohio的7905型Exair静电仪(Exair Static Meter)测量了围绕CO2复合喷雾混合喷嘴的空气中所产生的静电场。用于与本发明一起使用的和由本发明的第一署名发明人共同开发的优选的CO2复合喷雾系统是美国专利9,221,067，并且参考该专利，将所述系统引入本说明书。如'067中所示(图4a)，使用了不接地的同轴CO2复合喷雾施加器，所述喷雾施加器使用集成到不锈钢超声混合喷嘴('067，图4a(116))中的单一0.008英寸PEEK毛细管节流阀('067，图4a(114))。以1200psi的CO2节流毛细管压力，80psi的推进剂压力和50℃的推进剂温度操作所述同轴CO2复合喷雾施加器。在这些CO2复合喷雾条件下，5kV/英寸的强静电场存在于相距约1英寸的围绕和邻近所述CO2喷雾混合喷嘴的空气间隙内的位置。照此，CO2喷雾混合喷嘴(即起阴极作用)在空气中发射出非常强的电离静电场，其可以在通过介电空气间隙分离的空间中用于使相邻且平行的添加剂颗粒(即起阳极作用)的流动气氛静电带电。在输送至基材表面期间，在空气中以及CO2颗粒和添加剂注射喷嘴的下游进行喷雾雾化、带电和混合阶段，从而减轻了使用集成空气-CO2-添加剂混合喷嘴方案的现有技术中所存在的喷雾形成限制，如冷冻、堵塞和喷溅。
在另一个方面，由于环绕CO2复合喷雾的对称性、多重性和高速度，簇式喷嘴布置引起了对称围绕所述CO2复合喷雾流场的圆周的大量且平行的空气流。大量空气流的诱发降低了大气阻力并且扩大了CO2复合喷雾的有效处理范围(即喷雾轨迹(spraytrajectory))。
在本发明的另一个方面，内部添加剂注射喷嘴可以使用与CO2喷雾喷嘴相同的压力和温度调控的推进剂气体源，但是使用来自远端添加剂供给的单独的同轴添加剂进料毛细管。用于添加剂注射器的混合喷嘴设计以产生具有小于外部CO2喷雾喷嘴阵列的速度(即更高的压力)的雾化添加剂喷雾。这提高了雾化(且被动带电)的添加剂颗粒向轴对称布置的CO2复合喷雾的掺入。参考图5至14，将最好地理解本发明的这些及其它方面。
图5a和5b示意性地显示了形成被动带电的CO2复合喷雾设备的示例性的生成静电场的CO2复合喷雾喷嘴、添加剂注射器喷嘴以及它们的轴-对称成簇布置的基本方面和功能。如图5a所示，需要三个基本组件来实践本发明。这些包括CO2复合喷雾生成系统(110)、添加剂注射系统(112)和本发明的被动静电的CO2复合喷雾施加器(114)。相对于可弯曲且同轴的流体输送管线和管组件，图5a中所示的示例性的被动静电的CO2复合喷雾施加器(114)流体连接至CO2复合喷雾生成系统(110)和添加剂注射系统(112)两者。CO2复合喷雾输送组件包括聚醚醚酮(PEEK)毛细管(116)，其提供了压力-和温度-调节的过饱和的CO2流体(118)。相对于可弯曲的毛细管输送管(122)，添加剂注射系统(112)使用压力-调节泵(124)提供了通过添加剂进料管线(126)从含有液体添加剂或包含液体和固体的添加剂混合物的储罐(128)所提供的可调节体积的添加剂(120)。添加剂输送管(122)含有任选的小型接地导线(130)，其连接接地(earth ground)(132)并且穿过添加剂输送管(122)内部的整个内部长度。所述接地导线(130)用作流动通过添加剂输送管(122)的添加剂的静电电荷感应器。被动静电CO2复合喷雾施加器(114)含有轴-对称围绕单一添加剂注射喷嘴(136)定位的两个或更多个CO2复合喷雾混合喷嘴(134)的阵列。所述CO2复合喷雾混合喷嘴(134)组合了压力-和温度-调节的推进剂气体(138)以及在喷嘴(134)中从过饱和CO2(118)产生的微粒化CO2颗粒，两种流体均由CO2复合喷雾生成器(110)提供，从而形成了CO2复合喷雾(未显示)。添加剂注射喷嘴(136)组合了相同的压力-和温度-调节的推进剂气体(138)以及添加剂流体(120)以形成雾化的添加剂喷雾(未显示)。在美国专利No.9,221,067和7,451,941中详细描述了用于与本发明一起使用的优选的CO2复合喷雾生成系统(110)，其可商购自CleanLogix LLC,Santa Clarita,Ca，通过参考以上两篇专利将其引入本说明书。适合于和本发明一起使用的示例性添加剂注射系统(112)和生物基金属加工润滑剂添加剂(120)可得自ITW ROCOL North America,Glenview,Illinois。
图5b提供了图5a中所示的示例性CO2复合喷雾喷嘴(134)和单一添加剂注射喷嘴(136)的更详细描述。如图5b所示，被动静电CO2复合喷雾施加器(114)包含中心定位在多个CO2复合喷雾喷嘴(134)之间的单一添加剂注射喷嘴(136)，所有所述CO2复合喷雾喷嘴布置在圆柱或管状喷雾施加器主体(140)的表面上。CO2复合喷雾喷嘴(134)由当与CO2颗粒接触时将被动摩擦带电的材料制成，例如，金属如不锈钢将在CO2摩擦带电期间产生非常强的静电场。喷雾施加器主体(140)可以由多种材料构成，其包括(例如)不锈钢、铝或聚合物，如
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此外，喷雾施加器主体(140)可以包含在3D-打印的施加器外壳内以提供在操作期间用于固定或把持以及操纵喷雾施加器主体(140)的装置，例如，提供用于机器人末端执行器的支架(mount)或者提供手动喷雾操作的把手。
在描述了被动静电CO2喷雾施加器的一般特征和布置之后，以下是CO2复合喷雾喷嘴(134)和添加剂注射喷雾喷嘴(136)的更详细说明。参考示例性的CO2复合喷雾喷嘴(134)，所述同轴CO2喷雾喷嘴包括两个组件：(1)用于流动压力-和温度-控制的推进剂气体(144)的外部推进剂气体导管(142)，和(2)用于流动微粒化CO2颗粒(148)的内部聚合物CO2颗粒导管(146)。在美国专利No.9,221,067和7,451,941中详细描述了优选的同轴CO2复合喷雾喷嘴(134)的构造和布置，通过参考以上两篇专利将其引入本发明。
参考示例性的添加剂注射喷雾喷嘴(136)，所述同轴添加剂喷雾喷嘴包括三个组件：(1)用于流动压力-和温度-控制的推进剂气体(144)的外部推进剂气体导管(150)，对于该示例性施加器，它是与CO2复合喷雾喷嘴(134)相同的来源，(2)用于流动压力-和温度-调节的添加剂(154)的内部聚合物添加剂导管(152)，和(3)任选的金属接地导线(130)，其穿过向添加剂注射喷嘴(136)供给的添加剂注射管(图5a，122)的长度。最终，在因此所描述的示例性的被动静电CO2复合喷雾施加器的操作期间，聚合物CO2颗粒添加剂导管(146)和金属喷嘴(142)内摩擦带电的CO2颗粒在CO2喷雾喷嘴(134)和添加剂注射喷雾喷嘴(136)之间产生了静电场(156)。
图6a、6b和6c显示了用于与本发明一起使用的示例性的轴-对称的簇式喷雾喷嘴构造。图6a显示了2×1簇式喷嘴布置，其包括在共同的喷雾施加器主体(140)上由两个CO2复合喷雾喷嘴(134)轴-对称限制的一个添加剂注射喷嘴(136)。图6b显示了3×1簇式喷嘴布置，其包括在共同的喷雾施加器主体(140)上由三个CO2复合喷雾喷嘴(134)轴-对称限制的一个添加剂注射喷嘴(136)。最终，图6c显示了8×1簇式喷嘴布置，其包括在共同的喷雾施加器主体(140)上由八个CO2复合喷雾喷嘴(134)轴-对称限制的一个添加剂注射喷嘴(136)。
图7a和7b显示了多个簇式喷雾施加器的布置以调节空中和径向喷雾密度两者。图7a显示了七个8×1的簇式喷雾喷嘴(160)的轴-对称布置。单个簇式喷雾施加器还可以旋转以产生在x轴(162)和y轴(164)两者上重叠的喷雾。如图7b所示，使用具有不同喷雾喷嘴构造和旋转的多个簇式喷雾施加器提供了对径向喷雾密度(166)和空中喷雾密度(168)两者的调节。
图8是示意性图示，其显示了围绕中心布置的添加剂注射器喷嘴并且位于轴-对称布置的带电载体喷嘴之间所建立的对称的静电场。图8显示了在产生带电CO2复合喷雾颗粒(172)的轴-对称布置的CO2复合喷雾喷嘴(134)之间定位的产生雾化添加剂颗粒(170)的中心金属添加剂喷嘴(136)，它们全部布置在喷雾施加器主体(140)的表面上。相对于产生带负电荷的CO2颗粒(172)的轴对称的金属CO2喷雾喷嘴(134)，雾化添加剂颗粒(170)是相对电中性或带正电的。喷雾操作期间的这种布置的结果是在中心和外部喷雾喷嘴之间建立静电场(174)。本发明所述的被动静电喷雾施加器包括起中心阳极作用的添加剂注射喷嘴(136)和起带电阴极作用的轴对称布置的CO2复合喷雾喷嘴(134)。通过CO2喷雾喷嘴(134)内部的内部毛细管和喷嘴体表面(176)之间的CO2颗粒的摩擦带电来产生电子。此外，由于相同的静电电荷，带电的CO2复合喷雾彼此排斥(178)。与高于中心添加剂喷雾的速度结合，静电斥力维持了喷雾对称性并且将添加剂的掺入轻微延迟至所述簇式喷雾喷嘴阵列的下游。
图9描述了CO2复合喷雾在空气中在包括被动带电的CO2颗粒和添加剂颗粒的空间中的形成，其产生了含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾混合物，以及它们对示例性基材的应用。如图9所示，本文所讨论的基本的被动静电CO2复合喷雾簇式喷嘴是包括由两个CO2复合喷雾喷嘴(134)所围绕的中心定位的添加剂注射喷嘴(136)的喷雾喷嘴的2×1轴-对称布置。通过压力-和温度-调节的推进剂气流所夹带和推进的摩擦带电的CO2颗粒形成了空气-CO2复合喷雾(180)，其以大于添加剂注射喷雾的速度(Vc)喷射至空间中。因此所形成的空气-CO2复合喷雾(180)在CO2喷雾喷嘴(134)和添加剂注射喷嘴(136)之间的空间中引起了大气气流(182)，并在围绕所述簇式喷雾喷嘴施加器的圆周空间中引起了大气气流(184)。相同压力-和温度-调节的推进剂气流中所夹带的相对电中性且雾化的添加剂颗粒形成了以小于CO2复合喷雾的速度(Va)移动的空气-添加剂喷雾(186)。如在本文图11和图12中更详细地讨论的，使用不同喷嘴设计实现了处于相同推进剂压力输入下的CO2喷雾喷嘴(134)和添加剂注射喷雾喷嘴(136)之间的速度差异。在喷雾操作期间，这种簇式喷嘴布置产生了静电场(188)和喷雾速度(190)梯度两者，其导致产生了快速静电带电和CO2复合喷雾对添加剂颗粒的夹带，从而在喷雾施加器下游形成了空气-添加剂-CO2复合喷雾(192)。基于推进剂压力输入，在簇式喷雾施加器喷嘴下游的一定距离，空气-添加剂-CO2复合喷雾混合以形成导向(196)基材表面(198)的均匀带电且添加剂-分散的CO2复合喷雾(194)。所述基材表面(198)可以接地(200)或者可以相对于高度带电的空气-添加剂-CO2颗粒气溶胶喷雾(194)起相对接地的作用。
图10a、10b、10c、10d和10e提供了用于与本发明一起使用的被动静电电荷生成CO2复合喷雾喷嘴的示例性设计的等轴侧视图、后视图和前视图以及切片视图。如图10a(侧视图)所示，示例性的CO2复合喷雾喷嘴(134)是不锈钢同轴推进剂气体-CO2颗粒混合体，其具有使得能够与喷雾施加器主体(图5b，140)上的轴-对称圆周位置连接的螺纹底座(threaded base)(210)、倒角喷嘴出口(chamfered nozzle exit)(212)和用于使通过三个叶状(lobed)推进剂气流通道(216)限定的PEEK CO2颗粒输送管(未显示)插入和定中心的通口的(through-ported)内部空间(214)。使用放电加工(EDM)产生了推进剂气流通道(216)，并且所述推进剂气流通道提供了使超音速推进剂气体围绕其流动的PEEK CO2颗粒输送管(未显示)定中心和固定的三-点托架(cradle)。如图10b(后视图)所示，螺纹底座(210)含有喷嘴密封面(218)，并且内部通口的空间显示了平面托架底座(220)，在所述底座上，PEEK CO2颗粒输送管(未显示)滑入到任何两个EDM推进剂流道(216)的交点(intersection)之间的位置。最终，如图10c(前视图)所示，示例性的CO2复合喷雾喷嘴含有中心-定位的可调节膨胀管组件(222)(参考美国专利No.9,221,067(图4b，“可调节膨胀管组件”，(502))，它托架在所述三个EDM推进剂流道(216)之间的交点处所产生的至少三个或更多个中心-定位和分流的条(bar)(220)之间。因此所描述的示例性同轴CO2复合喷雾喷嘴产生了速度高于添加剂注射喷雾喷嘴的空气和CO2颗粒流。
图10d和图10e提供了本发明所述的CO2复合喷雾喷嘴的内部设计和操作方面的更详细的视图。图10d是示例性CO2复合喷雾喷嘴的前视图。参考本发明的第一署名发明人的美国专利No.9,221,067(图4B，“可调节膨胀管组件”，(502))，本发明所述的CO2复合喷雾喷嘴提供了用于使'067(图4b)中所述的将微粒化CO2颗粒注射到流动通过EDM推进剂通道(216)的推进剂气体中的参考可调节膨胀管组件(222)定中心和定位，并且用于使其中所产生的静电电荷选择性分流(400)和导向的新型方法和设备。通过接地(404)的分流回路(shunting circuit)(402)，将静电电荷从可调节膨胀管组件(222)和喷嘴表面(406)的外表面沿着并通过内部EDM分流条(220)导向。现参考图10e，相对长且内部的EDM分流条(220)具有0.25英寸至6英寸之间或更长的长度，并且图10d的可调节膨胀管组件(222)选择性定位在喷嘴体的最中心区域内，并且沿EDM分流条(220)从喷嘴头(410)至喷嘴腔(412)内的位置穿过。预先确定三个或更多个EDM分流条(220)之间的直径以提供分流条地面(landsurface)和图10d的可调节膨胀管组件(222)的外表面之间的滑动接触配合。如使用本发明的第一署名发明人的美国专利No.9,227,215所确定的，基于CO2复合喷雾的最优喷雾羽流谱(分布，profile)的发展，确定可调节膨胀管组件(图10d(222))的释放(或注射)位置，并且具体地，其中将微粒化CO2颗粒注射到超声推进剂流道(216)中的位置。最终，通过对喷嘴体选择性应用接地元件(414)实现了图10d所述的分流机制。如果将喷嘴连接(414)接地，则静电电荷流动离开喷嘴体并进入接地。如果喷嘴连接(414)不接地，则静电电荷储存在喷嘴体尖头(nozzle body tip)(410)内并从所述喷嘴体尖头排出至喷雾流。
图11a、11b和11c提供了用于与本发明一起使用的示例性雾化添加剂注射器喷嘴的示例性设计的等轴侧视图、后视图(背视图)和前视图。如图11a(侧视图)所示，示例性的添加剂注射喷雾喷嘴(136)是不锈钢同轴推进剂气体-添加剂颗粒混合体，其具有使得能够与喷雾施加器主体(图5b，140)的最中心位置连接的螺纹底座(230)、倒角喷嘴出口(232)和用于插入PEEK添加剂输送管(未显示)的通口的圆形(环形，circular)内部空间(234)。使用相等的推进剂气体压力，图11所示的圆形推进剂气体流道(234)由于具有较大的表面积而使推进剂气体以与图10所述的EDM推进剂流道相比更低的速度流动。如图11b(后视图)所示，螺纹底座(230)含有喷嘴密封面(236)和内部通口的圆形空间(234)，在所述空间内部将所述PEEK添加剂颗粒输送管(未显示)一定程度地中心定位。最后，如图11c(前视图)所示，示例性的添加剂颗粒喷雾喷嘴含有一定程度中心-定位且轻微凹陷的PEEK添加剂颗粒输送管(238)，围绕所述输送管形成了圆形(环形)推进剂气体流道(240)。因此所描述的示例性同轴添加剂注射喷嘴产生了空气和添加剂颗粒流，其具有小于图10所述的CO2复合喷雾喷嘴所产生的CO2喷雾的速度。
图12a、12b和12c提供了用于轴-对称布置CO2复合喷雾喷嘴和添加剂注射喷嘴的4×1簇式喷雾施加器主体和使用它们用于提供推进剂空气、CO2颗粒和添加剂的方式的示例性设计的等轴后视图、底视图和前视图。参考图12a(后视图)，喷雾施加器主体(140)的后表面(248)含有用于使用(例如)PEEK螺母和管箍(ferrule)组件(两者均未显示)插入和固定添加剂输送管和任选的包含其中的接地导线(两者均未显示)的螺纹添加剂管进入端口(250)。此外，喷雾施加器(140)的后表面(248)含有围绕所述添加剂管进入端口(250)轴-对称布置的用于使用(例如)PEEK螺母和管箍组件(全部未显示)插入和固定CO2颗粒输送管的4个螺纹进入端口(252)。螺纹添加剂进入端口(250)和4个CO2颗粒进入端口(252)过渡至穿过喷雾施加器主体(140)的整个长度的通口的环形通道。如图12b所示，喷雾施加器主体(140)的底部含有螺纹推进剂气体进入端口(254)，其通口(端口通过，port through)所有添加剂(250)和CO2颗粒(252)通道，同时对含有PEEK添加剂和CO2颗粒输送管(全部未显示)的所有喷雾通道提供了压力-和温度-调节的推进剂气体的共同供给。最终，喷雾施加器的正面(256)含有用于固定分别如图10和图11所述的示例性CO2复合喷雾喷嘴和添加剂注射喷雾喷嘴的中心-定位的螺纹添加剂喷嘴端口(258)和4个轴-对称布置的螺纹CO2喷雾喷嘴端口(260)。喷雾施加器主体可以由能够耐受在CO2复合喷雾应用中常用的压力和温度的几乎任何材料构成。示例性的构造材料包括钢、铝和
Figure BDA0002300390810000181
图13是用于使用本发明作为手动喷雾清洗或者涂层应用工具的示例性3D打印喷枪(handgun)组件的等轴视图。参考图13，显示了图12所示的示例性喷雾施加器主体，其具有从用于集成所有必需的PEEK添加剂和CO2输送毛细管的具有端-盖(272)的圆柱形3D打印的ABS塑料护罩(shroud)(270)中穿过伸出的添加剂注射喷嘴(136)和CO2复合喷雾喷嘴(134)，所有毛细管均包含在输送软管(274)中。示例性喷枪组件还具有固定至护罩(270)底部的3D打印的ABS把手(276)和包含其中的施加器主体，并且含有用于集成推进剂气体供给软管(278)的通口。
图14是使用本发明的4×1簇式喷雾喷嘴所生成的未加热的空气-CO2-油复合喷雾的照片。如图14所示，在80psi的推进剂压力，20℃的推进剂温度，70ml/小时的油添加剂注射速率和4lbs./小时/喷嘴的CO2注射速率下操作簇式喷雾施加器。如图14可见，通过中心添加剂注射喷嘴(136)和4个轴-对称CO2复合喷雾喷嘴(134)所生成的各个喷雾在下游约2英寸的距离(280)仍保持分离。在下游约4英寸(282)，喷雾完全合并以形成直径约1.2英寸的环形且均一的静电带电的空气-添加剂-CO2颗粒喷雾。这在通过喷雾对压力测试膜的冲击所产生的图像(284)中显示，其原始图像是亮红色的。使用图14所示的示例性喷雾测试设备，持续60分钟(直至液体CO2圆柱体供给耗尽)的测试期间的连续喷雾操作在任何CO2复合喷雾喷嘴和添加剂注射喷嘴上未产生可见的结冰、堵塞和油添加剂积累。
图15是使用本发明的示例性表面预处理和清洗方法。在某些清洗应用中，表面污染可能很难去除，例如，钻孔后的钛、铝和碳纤维增强聚合物(CFRP)以及它们的堆叠物。常规钻孔法使用水油乳液(即冷却剂)。这类冷却剂留下了包含油、水和表面活性剂的薄膜的非常粘的表面残余物。本发明可以用于实现应用(优选地)高沸点预处理剂的均一涂层的新型预处理方法，其在用CO2复合喷雾进行喷雾清洗之前或同时，首先使复杂的表面污染物溶解(或另外变性)。
在预处理-清洗过程的第一步(290)中，将簇式喷雾施加器定位在距要处理的基材6至18英寸的距离，因此将包含90％(v:v)挥发性甲基硅氧烷(VMS)和10％(v:v)1-己醇的示例性的生境友好的、对人-安全的和高沸点的预处理添加剂组合物应用于(292)污染表面以形成穿透复杂表面污染物并使其变性(或脱粘)的均一薄膜。用于预处理步骤的示例性簇式喷雾参数范围包括下列：
CO2注射速率：2-4lbs./小时/喷嘴
添加剂注射速率：10-200ml/小时
推进剂温度：20-40℃
推进剂压力：30-50psi
该预处理涂覆过程步骤伴随着将本发明所述的CO2复合喷雾施加器远离污染表面定位至其中所述CO2颗粒喷雾对于形成和输送被动静电复合喷雾预处理涂层有用，但是对于施加表面冲击或清洗效果无用，从而不会除去沉积涂层的距离。例如，在约6英寸(15cm)或更大的距离，本发明所述的簇式喷雾施加器对于表面预涂覆是非常有用的，因为大部分CO2颗粒在该点已升华或者缺少产生明显清洗(去除)效果所需的尺寸和速度。此外，可以根据需要降低CO2注射压力(即CO2颗粒密度)、推进剂压力和推进剂温度以有利于均一预处理涂层的形成和维持。
在表面预涂覆步骤(292)之后，并且任选地在用于表面预处理剂完全穿透表面污染物层并使其变性的3至600秒或更长时间的停留期(294)之后，终止预处理添加剂注射并且将本发明所述的CO2复合喷雾施加器以1至6英寸之间的距离和与所述表面垂直的45至90度之间的喷雾施加器角重新定位(296)至基材，以提供精密喷雾清洗步骤(300)，从而除去残余的预处理剂和变性的表面污染物。用于喷雾清洗步骤的示例性簇式喷雾参数范围包括下列：
CO2注射速率：2-8lbs./小时/喷嘴
添加剂注射速率：0ml/小时
推进剂温度：40-60℃
推进剂压力：50-120psi
最终，可以使用手持喷雾施加器手动实施或者使用机器人和手臂端(end-of-arm)喷雾施加器自动实施这种新型预处理-清洗方法。
用于在本发明中使用的适合的添加剂包括(例如)来源于烃、醇、硅氧烷、萜烯和酯的纯液体和它们的共混物。另外，固体颗粒，如石墨纳米颗粒和油漆颜料(paint pigment)可以与适合的载体溶剂共混以形成压力-可流动的或者可泵送的液体混悬液。此外，可以在本发明中使用液体和混悬液的臭氧化混合物。最终，可以在本发明中使用添加剂，如电离气体。
本发明对于表面去污、表面涂覆和精密机械加工应用是有用的，以提供涂层、清洗、消毒、冷却、预处理、保存、涂漆和/或润滑功能。
根据需要，本文公开了本发明的详细实施方式；然而，应理解所公开的实施方式仅是本发明的示例，其可以以多种形式体现。因此，不应将本文所公开的具体结构和功能细节理解为限制，而仅是作为权利要求的基础和作为教导本领域技术人员在几乎任何适当详细的结构中不同地使用本发明的代表性基础。此外，本文所使用的标题、段落标题、术语和短语不意欲限制主题或范围；而是，提供对本发明可理解的描述。本发明由几个子部分组成，所述子部分独立地提供了本发明的总功能性的一部分并且当与本发明的其它部分组合时，有助于系统水平功能性。术语“CO2”和“CO2”和二氧化碳是可互换的。将如本文所使用的术语“一个”定义为一个或多于一个。将如本文所使用的术语多个定义为两个或多于两个。将如本文所使用的术语另一个定义为至少第二个或更多个。将如本文所使用的术语包括和/或具有定义为包括(即开放性语言)。将如本文所使用的术语偶联定义为连接，尽管不必需直接并且不必需机械连接。不应将权利要求中未明确表示“用于”实施特定功能的“装置(means)”或者“用于”实施特定功能的“步骤”的任何元件理解为如35U.S.C.Sec.112,Parag.6中所指明的“装置”或“步骤”条款。具体地，本文权利要求中“步骤”的使用不意欲援引35U.S.C.Sec.112,Parag.6的条款。
参考文献的并入：在本说明书中提及的所有研究论文、公开、专利和专利申请以每个单独公开、专利或专利申请具体且单独表明作为参考并入的相同程度作为参考并入本文；美国专利：2052869；2302289；2894691；3047208；3117726；3628737；3702519；3708993；3743186；3795367；3801020；3806039；3984054；3985302；4038786；4046492；4195780；4336017；4341347；4385728；4389820；4555059；4703590；4707951；4749125；4776515；4801086；4806171；5056720；5125979；5170942；5222332；5312598；5402940；5409418；5591412；5611491；5704554；5725154；5765761；5918817；6039269；6056213；6105886；6125787；6708903；7097717；7389941；7451941；9352355；9221067；9227215；和美国公开的专利申请：2004/0251327；2006/0027679；2006/0071091。

Claims (19)

1.一种产生用于在基材表面应用的含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾的设备，其包括：
a.围绕添加剂注射喷嘴轴对称定位的多个喷嘴电极；
b.所述喷嘴电极包含具有含中心通孔的喷嘴头的细长体，至少三个轴对称的通口从所述中心通孔伸出；
c.所述至少三个通口形成用于使可调节膨胀管组件定中心和定位的三个停落导引；
d.所述可调节膨胀管组件包含位于第二毛细管内的第一毛细管；
e.所述第一毛细管和所述第二毛细管在所述中心通孔内是可调节的；
f.所述添加剂注射喷嘴包括包含添加剂输送管的通口及接地的添加剂注射喷嘴体，且所述接地的添加剂注射喷嘴体使空气流动以形成空气-添加剂气溶胶；
其中，CO2颗粒流动通过所述可调节膨胀管组件以产生静电电荷，其分流至所述三个停落导引以使所述喷嘴电极静电带电，然后所述CO2颗粒与空气混合以形成空气-CO2气溶胶；
所述静电带电的喷嘴电极和所述空气-CO2气溶胶使所述空气-添加剂气溶胶被动带电；
所述空气-添加剂气溶胶和所述空气-CO2气溶胶远离所述喷嘴合并以形成在所述基材表面喷射的静电带电的空气-添加剂-CO2气溶胶，借此所述CO2颗粒和所述添加剂相互作用，从而在所述喷嘴和所述基材表面之间的空间形成含有添加剂混合物的静电带电且均一的CO2复合喷雾；且
在所述基材表面喷射含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾。
2.根据权利要求1所述的设备，其中至少两个喷嘴电极围绕所述添加剂注射喷嘴轴对称布置。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述添加剂包含可流动的有机和无机液体和固体。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述基材表面是切割区。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述添加剂是机械加工润滑剂。
6.一种产生用于在基材表面应用的含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾的设备，其包括：
a.围绕添加剂注射喷嘴轴对称定位的多个喷嘴电极；
b.所述喷嘴电极包含具有含中心通孔的喷嘴头的细长体，多个轴对称的通口从所述中心通孔伸出；
c.用于使可调节膨胀管组件定中心和定位的停落导引邻近所述多个通口；
d.所述可调节膨胀管组件包含位于第二毛细管内的第一毛细管；
e.所述第一毛细管和所述第二毛细管在所述中心通孔内是可调节的；
f.所述添加剂注射喷嘴包括包含添加剂输送管的通口及接地的添加剂注射喷嘴体，并且所述接地的添加剂注射喷嘴体使空气流动以形成空气-添加剂气溶胶；
借此CO2颗粒流动通过所述可调节膨胀管组件以产生静电电荷，其分流至所述停落导引以使所述喷嘴电极静电带电，然后所述CO2颗粒与空气混合以形成空气-CO2气溶胶；
所述静电带电的喷嘴电极和所述空气-CO2气溶胶使所述空气-添加剂气溶胶被动带电；
所述空气-添加剂气溶胶和所述空气-CO2气溶胶远离所述喷嘴合并以形成在所述基材表面喷射的静电带电的空气-添加剂-CO2气溶胶，借此所述CO2颗粒和所述添加剂相互作用，从而在所述喷嘴和所述基材表面之间的空间形成含有添加剂混合物的静电带电且均一的CO2复合喷雾；且
在所述基材表面喷射含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾。
7.根据权利要求6所述的设备，其中至少三个轴对称的通口从所述中心通孔伸出；并且所述至少三个通口形成用于使可调节膨胀管组件定中心和定位的三个停落导引。
8.根据权利要求6所述的设备，其中至少两个喷嘴电极围绕所述添加剂注射喷嘴轴对称布置。
9.根据权利要求6所述的设备，其中所述添加剂包含可流动的有机和无机液体和固体；
所述基材表面是切割区；且
所述添加剂是机械加工润滑剂。
10.一种用于产生静电场的喷嘴电极设备，其包括：
a.具有含中心通孔的喷嘴头的细长体，且至少三个轴对称的通口从所述中心通孔伸出；
b.所述至少三个通口形成用于定位可调节膨胀管组件的三个停落导引；
c.所述可调节膨胀管组件包含位于第二毛细管内的第一毛细管；
d.所述第一毛细管和所述第二毛细管在所述通口的中心孔内的位置是可调节的；且
e.借此CO2颗粒流动通过所述可调节膨胀管组件以产生静电电荷，其分流至所述三个停落导引以使所述喷嘴电极静电带电。
11.根据权利要求10所述的设备，由半导体材料或金属构成。
12.根据权利要求10所述的设备，长度在0.5和6.0英寸之间。
13.根据权利要求10所述的设备，分流至接地。
14.一种使用产生用于在基材表面上应用的含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾的设备来处理表面的方法，所述设备包括：
a.围绕添加剂注射喷嘴轴对称定位的多个喷嘴电极；
b.所述喷嘴电极包含具有含中心通孔的喷嘴头的细长体，并且多个轴对称通口从所述中心通孔伸出；
c.用于使可调节膨胀管组件定中心和定位的停落导引邻近所述多个通口；
d.所述可调节膨胀管组件包含位于第二毛细管内的第一毛细管；
e.所述第一毛细管和所述第二毛细管在所述中心通孔内是可调节的；
f.所述添加剂注射喷嘴包括包含添加剂输送管的通口及接地的添加剂注射喷嘴体，并且所述接地的添加剂注射喷嘴体使空气流动以形成空气-添加剂气溶胶；
借此CO2颗粒流动通过所述可调节膨胀管组件以产生静电电荷，其分流至停落导引以使所述喷嘴电极静电带电，然后所述CO2颗粒与空气混合以形成空气-CO2气溶胶；
所述静电带电的喷嘴电极和所述空气-CO2气溶胶使所述空气-添加剂气溶胶被动带电；
所述空气-添加剂气溶胶和所述空气-CO2气溶胶远离所述喷嘴合并以形成在所述基材表面喷射的静电带电的空气-添加剂-CO2气溶胶，借此所述CO2颗粒和所述添加剂相互作用，从而在所述喷嘴和所述基材表面之间的空间形成含有添加剂混合物的静电带电且均一的CO2复合喷雾；且
在所述基材表面喷射含有添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾，
所述方法包括以下步骤：
a.将所述设备在远离所述基材表面的第一位置定位；
b.用含有所述添加剂的所述静电带电且均一的CO2复合喷雾涂覆所述基材表面；
c.停止用含有所述添加剂的所述静电带电且均一的CO2复合喷雾对所述基材表面的涂覆；
d.将所述设备定位至第二位置；以及
e.通过应用不含添加剂的静电带电且均一的CO2复合喷雾，从基材表面除去所述添加剂。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一位置距离所述基材表面6至18英寸。
16.根据权利要求14所述的方法，其中在所述第一位置应用含有所述添加剂的所述静电带电且均一的CO2复合喷雾之后是1至600秒的浸泡时间。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二位置距离所述基材表面0.5至6英寸。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述添加剂包含可流动的有机和无机液体和固体。
19.根据权利要求14所述的设备，其中所述基材表面是制造表面。
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