CN1304156C - 用于处理气态排放物的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于获取来自受控气氛处理设备(10)的排放物的设备和方法，该类型的设备具有至少一个，且通常几个受控气氛区域(14、16、18、20)和从其输送对环境不利的排放物的排放烟囱(22、24、26、28)。在该处理设备中，测流嘴(36)连接到来自个受控气氛区域的排放烟囱。该测流嘴(36)加速来自排放烟囱的排放流，提供用于测量来自排放烟囱的流量的装置，仍然维持来自排放烟囱的质量流速在预定的水平。该来自测流嘴(36)的流通过封闭管道(38、40、42、44)导向可选择的过滤器(50)和排风扇(52)，该排风扇提供吸力来通过测流嘴吸引排放流。

Description

用于处理气态排放物的系统和方法
技术领域
本发明涉及受控气氛处理的方法，其产生对环境不利的排放物，具体地，本发明涉及获取和处理这些排放物。
背景技术
有很多类型的设备用于在诸如惰性气体之类的受控气氛条件下，或者其它特定的温度或者气氛条件下，处理或者加工物品。这些类型的系统中的一种是可以被称为开放式系统，其中要被加工的材料被供给到传送带上，通过包括一个或者多个区域的罩，这些区域中保持特定的气氛条件。这些材料或者物品在这些受控气氛条件下加工以后，该传送带将它们传送出该罩。该传送带可以是连续的。通常，该罩具有开放的或者半开放的入口和出口开口，传送带穿过该入口和出口开口。该入口和出口开口具有充分小的截面积，或者安装有弹性的或者可移动的帘子或者迷宫式密封，这样在该设备中维持轻微的正压，以连续地或者间歇地净化设备中的加工室。控制区域通常也具有排放烟囱，用于通风或者去除排放物或者多余的副产品或者净化由对在设备中处理的材料或者物品的加工所产生的气体。
为了加工质量，受控气氛处理过程依赖于在罩中(加工室)维持特定水平的大气纯洁度。为了这样做，调节入口气流以在罩中和通过排放烟囱提供足够的净化速度。该入口流速是排除周围大气(空气、湿气)渗入罩而建立的，且也清除加工副产品或者排放物。对于足够低的入口净化速度存在矛盾的要求，这样在罩中维持均匀分布的纯净气体(且成本最小)，且足够高的排出速度来去除加工排放物。因此，必须在供应到设备的补充大气和从设备去除的排放流之间保持精妙的平衡。
考虑中的这种类型的加工或者设备的例子包括受控气氛或者划区域的大气炉或者加热炉，用于焊接电子元件、用于烧结金属元件粉末或者用于诸如金属热交换装置之类的物品的铜焊。这种类型的用于焊接的炉的一个例子在授予Chanasyk等人的美国专利5,573,688中显示。在这种类型的炉中，使用一种惰性气体，例如氮气，且在炉中提供连续的区域以逐渐加热物品，直到它们被焊接上，然后在从加热炉中出来以前将它们冷却。在烧结或者铜焊炉中，尤其是对于易氧化的元件，例如铝热交换装置，在各区域中的特定的温度曲线、产品供给速度和氧浓度必须精确控制，以提供铜焊所要求的必要的保护性或者还原性大气，以生产高质量的铜焊的或者烧结的产品。例如，在铜焊铝热交换装置中，通过测量在炉中使用的氮气保护气的供给速度和排放速度，氧的浓度必须维持在每百万范围的低的部分。保护气的净化速度必须很充分，以去除由产品加载产生的剩余水蒸气，且由于产品在加工中被加热，在产品表面上的任何剩余的冲压润滑剂将随着其它加工材料或者副产品一起挥发(称为热去脂)。排放的净化气体可以携带来自炉或者处理罩的污染物、金属和油，以微粒、蒸汽或者气体的形式通过排放烟囱。这也可以称为在炉中待加工的元件的热去脂。在通常的铜焊加工中，排放物可以包括诸如铝、镉、铬、铅、铋、锡、铁、铜、镁、镍和锌之类的金属，且也包括易挥发的有机化合物，诸如包括苯、乙苯、甲苯、二甲苯和其它的热分解产品，以及铜焊焊剂或者加工副产品。在目前的环境规则下，不可能简单地将这些对环境不利的排放物排放到大气中。有必要收集它们，且正确地处理或者处置它们。
过去用来收集这些对环境不利的排放物的一种方法是在每一个排放烟囱上设置一个排放罩，且使用排风扇或者其它吸取装置来吸引排放烟囱流进入排放罩。然而，这种类型的获取装置的效率很差。有时，在炉的烟囱中使用喷射器来帮助从炉中去除排放物，且将它们引导到排放罩，但是这样并没有起很大作用，且由于不能使用空气或者空气中的氧气可以通过排放烟囱渗入受控区域，所以需要额外的惰性气体流来操作喷射器。在这种类型的系统中，没有想到可以将炉的排放烟囱直接连接到排放罩，以确保完全获取排放物，因为流速很低，且惰性气体入口和排放去除不能被足够精确的控制来维持在炉中的所期望的受控气氛而不引起炉外大气的渗入。
本发明可以通过提供在炉的排放烟囱和吸入源之间连接的计量装置来提供直接连接的排放系统，且控制施加到计量装置的吸力，以维持其入口流通常等于所期望的通过排放烟囱的预定流速。在这样做中，一种未受干扰的气氛的均匀的小气候可以维持在加工罩中，其相对于周围大气具有均匀的正压。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于受控气氛处理设备的排放系统，该设备具有至少一个其中具有预定的气氛条件的内部区域和用于来自该区域的预定的排放流的排放烟囱。该系统包括连接到且流体连通排放烟囱的计量装置。该计量装置具有确定入口的会聚入口部分、确定出口的减少直径的出口部分，以及在入口流和出口流之间的预定关系。吸取装置连接到且连通计量装置出口，用于通过计量装置吸引排放流。同样，吸取控制装置可操作地与吸取装置相关联，用于维持计量装置中的出口流，这样其入口流大致等于来自内部区域的预定的排放流。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于从受控气氛处理设备获取排放物的方法，该类型的设备具有一个其中具有预定的气氛条件的内部区域和用于来自该区域的预定的排放流的排放烟囱。该方法包括增加来自排放烟囱的排放流的流速，同时维持通过排放烟囱的质量流速恒定的步骤。来自该排放烟囱的增加速度的流被输送到远处位置。同样，在输送步骤期间，控制排放流的温度和速度，这样防止来自排放流的挥发物和颗粒物质的凝聚和沉淀。
附图说明
现在通过例子、参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出了安装有根据本发明的排放系统的优选实施例的铜焊加热炉或者炉的正视示意图；
图2示出了图1所示的铜焊加热炉的示意性俯视图；
图3示出了图1所示的铜焊炉和排放系统的放大的左端视图；
图4示出了图1中由圆圈4指出的区域的放大的局部视图；
图5示出了图1到3的实施例中使用的测流嘴的概略的截面视图；
图6示出了如安装在图1到4的排放系统中所示的实际测流嘴的放大的截面视图；
图7示出了图6所示的测流嘴的底视图；
图8示出了本发明的排放系统的可选择的入口通风罩的放大视图；
图9示出了沿着图8的线9-9截取的截面视图；以及
图10示出了图8所示的通风罩的底视图。
具体实施方式
首先参考图1和2，一种诸如焊接或者铜焊炉或者加热炉之类的受控气氛处理设备通常由标号10指示。用于炉10的排放系统的优选实施例通常由标号12指示。该优选实施例对于铜焊的铝元件特别有用。例如可以使用不同类型的炉来焊接或者烧结或者铜焊其它金属。炉10具有多个内部区域14、16、18和20，这些区域具有预定的气氛条件，诸如惰性气体氛围，其相对于周围条件通常维持轻微的正压。在铜焊炉中的一个例子为，可能具有某些微量气态烃，可能达到1％的湿度和小于5到6ppm的氧气的保护气氛围。各区域14到20的温度也是预定的，此外，在铜焊炉中，温度在初始区域逐渐增加，直到达到铜焊温度，然后温度在后面的区域下降，以冷却被铜焊的产品。在铜焊炉中的通常条件在下面详细描述。
炉10的内部区域也具有排放烟囱22、24、26和28。排放烟囱24实际上是一对侧向间隔的排放烟囱。应当理解，炉10可以具有任何数量的受控气氛区域或者只是单个区域，且每个区域可以具有一个或者多个排放烟囱。
炉10具有入口开口30(如图3所示)和出口开口32，以及连续的传送带34，该传送带34穿过炉10，将要在炉10中处理的材料或者物品通过连续的受控气氛区域14到20来传送。
迄今所述的该受控气氛处理设备或者铜焊炉10可以是所期望的任何结构，且可以如所期望的在各区域使用任何处理气体或者气氛条件。在某些区域可以使用气体混合物或者搀杂的气体。例如，可以将少量氢加入氮，或者将气态焊剂注入氮气，尤其是对于除了铝以外的铜焊金属。
排放烟囱22到28的每一个具有计量装置，其以测流嘴36的形式连接到排放烟囱，且与排放烟囱流体连通。连接到各测流嘴36的流体管道或者导管38、40(分叉的)、42和44通过测流嘴36将排放流输送到共同的集管46，然后，集管46将收集的排放流输送到入口汇流管48。入口汇流管48连接到可选择的多级过滤器50，其可以包括除雾器、预过滤器、中间过滤器、HEPA过滤器和最终的活性碳层。排风扇52连接到过滤器50的出口，且提供连接到计量装置或者测流嘴36的吸取装置，以通过该测流嘴36吸引排放流。这里描述的一种适合于优选实施例的排风扇被确定为在10英寸WG时大约为350cfm(在69Pa下10m3/min)，但是可以根据排放烟囱的数量和可选择的一个或者多个通风罩的使用来变化，如下面进一步描述的。流体管道38、40、42和44的每一个包括球形阀54，其用作吸取控制装置，可操作地与排风扇或者吸取装置52相关联，用于维持来自计量装置或者测流嘴36的所期望的出口流。如下面进一步描述，测流嘴36这样设计，使得控制出口流也控制其入口流，且该入口流这样设置，使得通过测流嘴36的质量流速大致等于来自各区域14到20且通过烟囱22到28的预定的排放流速。
用于入口汇流管48、过滤器50、排风扇52和集管46的合适的支撑结构以框架56和直立元件58的形式提供，但是，如所期望的，可以使用任何其它类型的支撑结构。
可选择的通风罩60位于炉10的入口开口30处。具体地，参考图3和图8到10，通风罩60包括倒U形的入口区域62，其围绕炉10的入口开口30装配。入口区域62确定一窄的入口槽64，其通常具有大约0.64厘米的宽度。入口区域62的宽度大约为0.5米，其高度大约为0.25米。这就提供了通过槽64的大约1米每秒的获取速度，具有大约8000到9000升每分钟的罩流速。这就减少了受控气氛通过入口开口30的排出，但是足够有效地获取从入口开口30出来的排放物。
通风罩60具有排放出口66，其通过输送管68连接到入口汇流管48，以提供到通风罩60的吸力。应当注意，输送管68连接到主获取系统集管46下游的入口汇流管48，且与来自测流嘴36的流在过滤器50或者排风扇52的入口处会聚。这就防止相对冷的流通过输送管68而冷却来自排放烟囱22到28的流，要不然在获取系统管道系统中会引起凝聚，随后出现污染。
如果所期望，通风罩60可以设置在炉出口开口32来代替入口开口30处的通风罩60，或者作为入口开口30处的通风罩60的补充。同样，测流嘴36可以连接到入口和出口通风罩60的出口，尤其是在炉中没有沿着炉的隔焰部分的长度方向间隔的排放烟囱时。
接下来参考图5到7将进一步详细描述测流嘴36。测流嘴36是一种喷嘴型的流体流量计，其符合ASME(美国机械工程师协会)的长半径测流嘴的标准。同样的，该测流嘴具有形状为局部椭圆曲线的会聚入口部分，以确定喷嘴入口72。测流嘴36也具有减少直径的出口部分74，其确定喷嘴出口75。在通过入口72和出口75的入口流和出口流之间有预定的关系，其依照下面的公式：
Q = CAY ΔP ρ ( 1 - β 4 )
其中：Q＝体积流速，m3/S
      C＝排量系数
      A＝测流嘴喉部的截面积
      Y＝膨胀因子
      ΔP＝喉部和入口之间的压差，Pa
      ρ＝流体密度，kg/m3
      β＝测流嘴喉部直径与入口管道直径的比(β因子)
还提供了用于测量通过测流嘴的流速的装置，且其包括邻近测流嘴的入口设置的测压孔76和入口72下游大约5倍直径处设置的测压孔78。压差ΔP由测压孔76、78之间的压差确定，且该ΔP在上述公式中使用，以确定通过测流嘴36的流速。当发现在测压孔78处的压强与炉周围空气条件的压强相同时，然后可以使用大气压作为参考，从而不需要测压孔78。
如图5很好的显示，测流嘴36可以安装在排放烟囱22到28之上，且流体管道38到44可以滑入测流嘴36的上端。带螺纹的孔80、82适合于固定螺丝，用于将组件固定在一起。图6和7显示另一个实施例，其中排放烟囱22到28套上测流嘴36的下端部分。
排放烟囱22、24、26和28通常具有内径大约为3.5到3.8厘米，且测流嘴出口或者喉部75通常具有内径大约为1.7到2厘米。这就产生了大约为0.48的β比例，其在测流嘴36中提供足够高的压降，以为通过测流嘴36的流体测量提供相当好的分辨率。
如应该理解的，测流嘴36的减少直径的喉部75加速且增加来自排放烟囱22到28的流的速度。流体管道38到44和集管46确定尺寸来维持该流速，以防止颗粒物质的沉淀和排放流的冷却，这样的沉淀和冷却可以在通向排风扇52的流体管道中引起凝聚。排放烟囱22到28以及从其通向排风扇52的流体管道可以包裹有隔热材料，以维持其中的温度，且有助于防止凝聚。通过流体管道38到44和集管46的排放流的温度应该被维持在排放流的露点之上，其通常大约为140℃。
在通常的具有如上所述的封闭的排放物获取排放系统12的铝的铜焊炉10的工作中，受控气氛区域14到20内的温度在大约200℃到800℃之间变化。大约1200升每分钟的氮气提供到炉10，以弥补通过排放烟囱22到28的排放流以及通过入口30和出口32的输出流。在温度100到150℃之间，平均速度在1.8到2.4米每秒之间，来自入口开口30的输出流在大约100到150升每分钟的范围。在温度80到450℃之间，速度在3到4.5米每秒之间且质量流速为1.8到2.5克每秒，通过排放烟囱的流通常在80到300升每分钟的范围。流出测流嘴36的流速范围在9到23米每秒之间，具有的压差在大约40到250Pa之间。在温度大约为50℃，具有槽宽大约为0.63厘米，通过通风罩60的流大约为0.15到0.25立方米每秒。
具有连接到铜焊炉上的测流嘴36的通常的铜焊炉的具体性能的例子在下面的表格A中显示。
                                     表格A
  单位   入口排放物   区域3和4   区域6   出口
 气体特性氮气氧气氩气二氧化碳一氧化碳THC(甲烷)湿气分子量金属浓度 (％)(ppm)(ppm)(ppm)(ppm)(ppm)(％)(g/mole)(ug/Rm3) 99.696000750.3027.98387 99.6860002030.3027.983878 99.90600010.1028.002611 99.60600020.4027.971295
 操作特性温度密度 (℃)(kg/m3) 141.30.823 418.70.493 3300.566 800.965
  粘度烟囱直径速度实际体积流速参考体积流速气体质量流速雷诺数   (mPa.s)(m)(m/s)(m3/s)(l/min)(Rm3/s)(l/min)(g/s)   0.022440.0352.320.00221320.0015901.8102958   0.031710.0354.520.00432580.00181082.1192444   0.029010.0353.870.00372220.00181082.0932634   0.020010.0352.410.00231380.00201202.2204052
  喷嘴设计标准直径密度速度β比例雷诺数α比例膨胀因子排量系数压差 (m)(in.)(kg/m3)(m/s)(ft/min)(D2/D1)(Pa) 0.0170.6560.82410.0919860.479861710.99910.99950.931291 0.0170.6560.49419.7238820.478551180.99790.99880.9270211 0.0170.6560.56716.9733400.477855230.99820.99900.9287179 0.0170.6560.96610.5520760.477984880.99890.99930.9384116
在铜焊炉中使用的通风罩60的一个通常性能的例子在下面的表格B中显示：
                                 表格B
  通风槽
  加热炉泄漏/终止获取速度获取距离槽/面速度槽/面长度槽/面宽度罩流速   0.0063831.020.26723.221040.630.151   (Rm3/s)(l/min)(m/s)(m)(m/s)(cm)(cm)(Rm3/s)   13.5--200094502410.25320   (ft3/min)--(ft/min)(in)(ft/min)(in)(ft)(ft3/min)
静压损耗   9069576   (l/min)(Pa)   --2.31   --(in.WG)
  通风和排出通风最大速度通风深度管道直径管道速度静压损耗 11.616.3510.1611.5120 (m/s)(cm)(cm)(m/s)(Pa) 22512.504.0022650.08 (ft/min)(in)(in)(ft/min)(in.WG)
如上所述，应当理解，测流嘴36增加来自排放烟囱的排放流的流速，同时维持通过排放烟囱的质量流速的恒定或者不受干扰。通过排风扇，该增加了的流速从排放烟囱输送到远处位置。如果在排风扇之前使用了合适的过滤器，该过滤后的排放流可以在室内被排放。另外，如果该排放流是环境可接受的，其可以在室外排放到大气中。当排放流被从排放烟囱输送到排风扇时，维持排放流的温度和速度，以防止挥发物和颗粒物质从排放流中凝聚和沉淀。如果期望改变通过排放烟囱的排放流，从而施加到连接到测流嘴36的封闭管道的吸力可以调节，这样通过测流嘴的流与通过排放烟囱的所期望的流速相匹配。通过测量通过测流嘴36的流速可以调节吸力，从而使用阀54可以节制连接到测流嘴的管道中的吸力。
已经描述了本发明的优选实施例，应当理解，可以对上述的结构和操作方法进行各种修改。例如，替代使用ASME长半径测流嘴来作为计量测流嘴36，可以使用文氏管型的流体流量计。同样，该计量装置可以是孔板型流体流量计。在后面这些例子中，流量计最好具有减小直径的出口适配器，以增加排放流的流速，有助于防止在排放导管中的沉淀和凝聚。在沿着隔焰部分的长度方向没有排放烟囱，而是在炉的任一端具有排放管道或者通风罩的炉中，本发明的测流嘴可以在管道或者通风罩之后使用或者连接到管道或者通风罩使用。对于本说明书来说，术语排放烟囱打算包括在受控气氛的炉或者罩中的任何类型排放出口或者开口。
也应当理解，本发明的受控气氛处理设备可以具有任何数量的受控气氛区域，甚至包括单个受控气氛区域。本发明可以应用到连续处理的、半连续处理的或者甚至是分批处理的炉。
根据前面的公开，本领域的普通技术人员可以明白，在不离开本发明的精神和范围的情况下，在本发明的实际中可以进行很多改造和修改。上面的描述只是优选实施例，且只是通过例子说明，而没有限制本发明的范围。

Claims (19)

1.一种用于受控气氛处理设备的排放系统，该设备具有至少一个其中具有预定气氛条件的内部区域和一个用于来自所述区域的预定排放流的排放烟囱，该系统包括：
计量装置，其流体连通地连接到该排放烟囱，该计量装置具有确定入口的会聚入口部分、确定相对于入口具有较小直径的出口的出口部分，以及用于在计量装置处测量通过其中的流量的装置；吸取装置，其连接到且连通该计量装置出口，用于通过该计量装置吸引排放流；以及吸取控制装置，其响应于通过该计量装置测得的流量，且可操作地与吸取装置相关联，用于在计量装置中维持出口流，这样其入口流大致等于来自所述内部区域的预定排放流。
2.如权利要求1所述的排放系统，其特征在于：该计量装置是喷嘴型的流体流量计。
3.如权利要求2所述的排放系统，其特征在于：该流量计符合长半径测流嘴的美国机械工程师协会标准。
4.如权利要求1所述的排放系统，其还包括在该计量装置出口和该吸取装置之间连接的流体管道，该流体管道确定尺寸以维持来自计量装置出口的流速，以便防止颗粒物质的沉淀。
5.如权利要求4所述的排放系统，其特征在于：该吸取控制装置包括位于该吸取流体管道中的阀，以控制施加到该计量装置的吸力。
6.如权利要求1所述的排放系统，其还包括位于该计量装置和该吸取装置之间的过滤器。
7.如权利要求6所述的排放系统，其特征在于：该吸取装置是排风扇。
8.如权利要求1所述的排放系统，其还包括用于测量通过该计量装置的流的装置，其包括位于该入口和出口部分的测压孔，用于确定该计量装置入口和出口之间的压差。
9.如权利要求1所述的排放系统，其特征在于：该计量装置是文氏管型的流体流量计。
10.如权利要求1所述的排放系统，其特征在于：该计量装置是孔板型流体流量计。
11.如权利要求1所述的排放系统，其特征在于：该受控气氛处理设备具有入口开口和出口开口，并且还包括包围入口开口和出口开口之一的通风罩，该通风罩确定一窄的入口槽，以将受控气氛通过入口开口的排放减到最少。
12.如权利要求11所述的排放系统，其特征在于：该通风罩具有排放出口，该排放出口连接到该计量装置下游的该吸取装置。
13.如权利要求1所述的排放系统，其特征在于：该受控气氛处理设备在其中具有多个受控气氛区域，每个区域具有自己的排放烟囱，用于通过该烟囱的各个预定的排放流，其中所述的计量装置连接到所述排放烟囱之一，并且还包括多个类似的计量装置，所述装置之一连接到每个排放烟囱，所述流的测量装置连接到每个计量装置，该吸取装置连接到且连通每个计量装置，且吸取控制装置可操作地与每个计量装置相关联，用于维持通过其中的流速大致等于在各排放烟囱中的该预定流速。
14.如权利要求3所述的排放系统，其还包括位于该计量装置和该吸取装置之间的过滤器。
15.如权利要求3所述的排放系统，其还包括用于测量通过计量装置的流的装置，且包括位于入口和出口部分的测压孔，用于确定该计量装置入口和出口之间的压差。
16.一种用于从受控气氛处理设备获取排放物的方法，该设备是具有一个其中具有预定气氛条件的内部区域和一个用于来自所述区域的预定排放流的排放烟囱的类型，该方法包括的步骤为：
提供连通该排放烟囱的流量计，以增加排放流速，同时维持通过该排放烟囱的质量流速恒定；检测流量计处的流量，以产生用于控制通过该排放烟囱的流的测量，这样该排放烟囱的流大致等于来自所述区域的预定的排放流；从该流量计将该增加了速度的流输送到远处位置；在输送步骤期间维持该排放流的温度在该排放流的露点之上，且控制该排放流的速度，这样防止来自排放流的挥发物和颗粒物质的凝聚和沉淀。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：通过提供连接到该流量计的封闭管道来将来自该流量计的增加了速度的流输送到远处位置，且施加吸力到该封闭管道。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：在输送步骤期间，通过调节通过该封闭管道施加的吸力，来维持该排放流的速度。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：通过测量通过流量计的流速来调节吸力，从而在封闭管道中节制该吸力。
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