TWI577452B - 形成及調節二氧化碳複合噴霧之裝置 - Google Patents

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Description

形成及調節二氧化碳複合噴霧之裝置
本發明有關一種用於產生、控制、與投射濃密流體噴霧之裝置，且更具體地，有關二氧化碳(CO2)固態-氣態複合噴霧，諸如CleanLogix LLC公司商標的CO2 Composite SprayTM，用於精確清潔、冷卻和切削應用。更具體地，本發明為一種改善的CO2複合噴霧清潔裝置。
相關申請案的交互參照
本申請案主張美國專利臨時申請案第61/836,635號(2013年6月18日申請)與第61/836,636號(2013年6月18日申請)之優先權，其在此併入本文供參考。
何尼克(S.A.Hoenig)先生首先提議使用具有由氣態二氧化碳推進的次微米大小固態二氧化碳粒子所組成的強噴霧流以清洗細粒表面(參閱1985年9月名稱「運用乾冰將微粒子從光學裝置、太空船、半導體晶圓與使用在無污染物製程的設備移除(The application of dry ice to the removal of particulates from optical apparatus,spacecraft,semiconductor wafers and equipment used in contaminant free manufacturing processes)」)。描述固態/氣態二氧化碳噴霧的理論導致其歸類為噴霧流形式之表面備製與清潔技術的種類。噴霧流中每個固態成份的動能之總和能夠最佳地描述任何噴霧流中可用的能 量，如下列公式的定義：KE=½ MV2，其中：KE=噴霧流中可用的動能；M=噴霧流中每單位固體的質量；且V=噴霧流中的固體速度。
有效益的固態/氣態二氧化碳噴霧具有超氣噴現項，在於公式中的質量項明顯隨著引入固體二氧化碳粒子而增加，以致增加可用在流的動能。固態/氣態二氧化碳噴霧流(具有遠低於氣噴流的噴嘴出口速度)將可達成氣噴流無法做到的污染物去除。事實上，固態/氣態二氧化碳噴霧流將可以達成氣體噴霧流無法以任何噴嘴出口速度去除的污染物。
在(參考上述)何尼克先生的最初努力之後，各種努力指向發展能夠產生凍結粒子與輸送氣體的混合的噴霧流、以及固態/氣態二氧化碳的噴霧流之方法和裝置。無需特別努力，大部分只能在二氧化碳氣噴中產生二氧化碳固態已達成系統清潔能力的最佳化。早期系統只達成略純氣噴清潔之改善。同時，在那時後可用的二氧化碳不是非常純；或者，如果是，其為相當昂貴。不純的二氧化碳應無法獲得自然的表面，沒有留下不想要的殘渣，且純但昂貴的二氧化碳是成本高昂，需要發展濃密流體淨化與輸送系統。
在1980後期，休斯飛機公司(Hughes Aircraft Company)的研究人員開始調查及發展用於光學表面的新清潔技術。這些研究人員從先前的經驗知道，決定性光學表面(諸如氣相沉積金塗層與自然拋光矽)在發生任何實體接觸之時，將導致不利變 化。休斯飛機公司研究人員能夠藉由設計遠較佳於早期設計的設備以改善固態/氣態二氧化碳噴霧清潔技術；不過，休斯飛機設備是非常昂貴。
在1980後期與1990早期，在見到休斯飛機公司及一些其他實體所達成的果之後，受到鼓勵的其他公司便開始開發及銷售固態/氣態二氧化碳噴霧清潔設備。這些先前的努力成果例示如下：惠特洛克(W.H.Whitlock)先生等人在1989年2月21日申請的美國專利案第4,806,171號；萊登(L.M.Layden)先生在1990年10月16日公告的專利案第4,962,891號；史威恩(E.A.Swain)先生等人在1992年6月30日公告的專利案第5,125,979號；彼得森(R.V.Peterson)先生等人在1994年5月31日公告的專利案第5,315,793號；史立德(J.D.Sneed)先生等人在1994年10月11日公告的專利案第5,354,384號；威利佛(J.F.Williford,Jr)先生在1994年11月15日公告的專利案第5,364,474號；葛印卡(L.N.Goenka)先生在1995年2月21日公告的專利案第5,390,450號；克朗-施密特(K.Krone-Schmidt)先生等人在1995年4月25日公告的專利案第5,409,418號；及(J.F.Williford,Jr)先生在1998年9月24日公告的專利案第5,558,110號。
如此描述的習知低溫噴霧清潔處理傳統上使用超音頻德拉伐(Laval)型(收擴)噴嘴。德拉伐低溫噴嘴的主要缺點在於流動流的噴嘴出口存在不平衡作用。周圍的流體(環境大氣)容易牽引噴嘴流動流，導致在從噴嘴出口排出以後，引起流動流快 速擴散。這導致液滴或可昇華的固態粒子快速膨脹，透過羽流擴散或產生眾多小固態粒子而導致清潔劑(固態粒子)明顯損失，其通常需將噴嘴置於靠近要發生效力的基體表面。德拉伐CO2噴嘴透過快速焦耳湯姆森擴散處理而產生兩狀態液化氣體(CO2(g)-CO2(l))，其浪費液態二氧化碳，且噴霧清潔能量主要只受到改變在噴嘴出口與表面之間距離變化、或液體CO2供應壓力(參閱本說明書描述的鮑溫(Bowen)先生的第'128號)的控制。不過，由於二氧化碳液化氣體粒子減少大小、數量與速度，不利影響噴霧清潔控制與效率，故這是反效果的。利用德拉伐噴嘴設計的習知低溫噴霧技術之普遍另一缺點是大氣污染物侵入及進入低溫粒子流動流。最重要的態樣是在噴霧羽流中存在大氣水蒸氣凝結。冷噴霧羽流邊界內含有的水蒸氣大氣連同清潔噴霧粒子一起輸送到表面，導致清潔處理複雜化。由於無法有效使昇華粒子流不受大氣環境影響、且噴霧邊界內無足夠熱能力避免凝結，故會引起水氣。
為了克服這些限制，在1990年代後期與2000年代早期，由第一發明人開發改善的CO2噴霧清潔與冷卻技術包含獨特的二氧化碳(CO2)「複合」噴霧(CO2 Composite SprayTM，CleanLogix LLC公司商標)，主要用於清潔、冷卻與潤滑方面的應用。CO2複合噴霧現階段用在許多產業應用，其範圍涵蓋在組裝操作過程，從硬碟機組件去除次微米粒子，以在精密機器操作過程去除切割工具與基體所引發的熱。
本發明的第一發明人開發用於產生及使用CO2複合噴霧的最近習知裝置與方法是在美國專利案第5,725,154號、第7,293,570號、與第7,451,941號描述。這些包括共軸CO2噴霧清潔裝置(第'154號)、延續段彈性毛細管冷凝器組件(第'570號)、與在共軸噴霧輸送裝置與方法(第'941號)中的彈性增強焦耳湯姆森毛細管。
CO2複合噴霧利用所謂「毛細管冷凝」處理的共軸或共軸附壁型(coaxial-Coanda)兩狀態複合噴嘴設計，將飽和液態CO2轉換成固態CO2粒子。CO2複合噴霧使用壓縮流體以加速可控制大小、密度、濃度、熱能力與動能的受控制固態CO2粒子(清潔或冷卻劑)量。壓縮氣體(亦稱為濃密流體)為壓縮超過標準溫度和壓力條件的氣體，且亦可甚至壓縮成類似液態的濃密。濃密液體的範例包括壓縮的空氣、氮、氫、氧、臭氧、與二氧化碳。壓縮氣體呈現多種可溶性化學，其行為如同溶劑與溶質，取決於壓力與溫度、且取決於溶劑-溶質系統的凝聚化學(參考：1983年，CRC出版公司，巴頓(A.F.Barton)先生提出的可溶性參數及其他凝聚參數的手冊(Handbook of Solubility Parameters and other Cohesion Parameters))。濃密流體特別使用在CO2複合噴霧當作推進劑、清潔與冷卻流體。例如，基本CO2複合噴霧系統將CO2壓縮成飽和液態CO2。液態CO2然後凝結成微觀固態CO2粒子。固態CO2粒子是有大小，且注入溫度和壓力調節過的濃密流體或壓縮的氣體，諸如清潔乾空氣、N2、Ar、或CO2，且在基體上使用各種不同施加器與噴嘴結構處理。推進劑氣體(本說明書亦稱為「濃密流體推進劑氣體」) 的主要功能是要將微觀固態CO2粒子射出到具足夠能量的表面，以在接觸介面處產生高濃密液態CO2，以形成液態(或所謂濃密流體)「濺散」。高能固態粒子衝擊力與濃密流體濺散的組合提供明顯的聲蝕作用、剪應力、與類似氟碳化學物，且取決於濃密流體推進劑氣體溫度和壓力、與CO2粒子濃度和添加劑，以提供無限可調清潔與冷卻噴霧成份。
為了產生固態二氧化碳粒子，使用一毛細管冷凝器組件，其包含隔熱聚醚醚酮(PEEK)毛細管的延伸段(或延續段)。一毛細管冷凝器組件提供一種簡單和有效率構件，用以將液態二氧化碳低溫冷卻(沸騰)及凝結成低速而濃密質量的固態粒子。改變毛細管冷凝器的長度與內徑(包括階梯型)產生具有不同粒子大小分布範圍與密度的粒子。一旦形成，CO2粒子便會注入且旋流式混合成熱濃密流體推進劑氣體，諸如氮、清潔乾空氣、或CO2氣體，其任一者可選擇性離子化，而與毛細管冷凝器組件共軸流動。如此，氣體推進劑壓力與溫度和粒子產生為獨立及可變控制，以對特別清潔應用產生特定類型的噴霧成份與能量。一共軸或共軸附壁型(coaxial-Coanda)噴嘴用來整合兩流。根據伯努利及/或附壁型流動流原理，固態CO2粒子在從次音速至近音速的範圍內變化加速。
熟諳此技者應明白，非常小量CO2粒子將執行許多清潔或冷卻工作。這是「簡潔就是美」處理與化學範例。不過，在習知CO2清潔噴霧內過度使用大量CO2且其所產生的薄噴霧傾向海棉狀(填氣)。應明白，使用更濃密細小粒子的較薄化(小粒 子濃密與均勻噴霧)將較快產生較乾淨表面(或較冷表面)。關於這一點，已有許多工作要減少CO2使用，以改善噴霧粒子均勻性，及使噴霧工作最大化。不過，到目前為止，達成此目標已使用許多與不同限制加以示意說明。首先，必須一致且有效率地產生非常小量CO2粒子。其次，必須在高速推進劑質量流之下將少量尺寸小的CO2粒子輸送到能有效率清潔(或冷卻)行動所需高能情況之下的表面。至此，不可能達成高度清潔(或冷卻)效力而有效率在CO2複合噴霧內產生超小量均勻分布CO2粒子、以及更習知德拉伐噴霧方案。例如，在1990年代後期，柏恩(Bowen)先生提出已在美國專利案第5,853,128號描述的一種高壓CO2噴雪霧裝置。在美國專利案第5853128號中，液態二氧化碳先壓縮成介於2,000psi與5,000psi範圍，且迫使透過德拉伐膨脹噴嘴改善液態對固態轉換，且增加有關改善清潔效能的粒子速度。此方式的主要缺點是使用明顯CO2數量，介於每噴嘴每小時15與50磅CO2範圍或更大，以增加噴霧清潔效力。
另一明顯缺點在於，通過噴嘴膨脹構件的快速凝結產生無粒子大小與噴霧密度均勻性的非常冷與濃密噴霧。諸如熱氣管套或噴嘴、環境處理腔、與甚至機械噴流幕(即是，包爾斯(Bowers)先生等人的美國專利案第8,454,409號)的輔助構件必須用來產生均勻分布的CO2氣體粒子噴霧。雖然流體壓力可能通過膨脹噴嘴、向上或向下而衰減，不過藉由習知噴嘴膨脹構件，例如前述第'128號發明，以控制結果處理流的質量流、結果處理流的粒子大小分布、流體溫度與噴霧力不是可獨立調 整，且使用明顯的液態CO2量產生處理粒子的適當質量。
而且，依照本說明書的美國專利案第'154號、第'570號、與第'941號描述本發明的第一發明人，較新的複合噴霧方法及裝置至今尚未以非常低流率成功達成精確的CO2粒子產生與流率控制。例如，微計量流入及通過毛細管冷凝器的飽和液態CO2低於每小時3至5磅CO2在輸送至共軸混合與加速噴嘴期間會產生明顯濺散(或阻塞)及/或粒子損失(昇華)。造成此問題複雜化，習知CO2複合噴霧使用液態CO2供應方案，其沿著飽和線在非常大壓力與溫差範圍內來控制液態CO2供應壓力、溫度與密度。
例如，具有0.020、0.030和0.080英吋內徑(ID)、或含有全部三個直徑的延續段的習知毛細管冷凝器無法使用飽和液態CO2注入與18旋轉微計量閥對其有效進行計量。18旋轉計量閥用來控制飽和液態CO2毛細管注入介於0.1至2旋轉範圍(代表流孔調整範圍介於約0.001和0.004英吋範圍)將造成阻塞、濺散、堵塞與類似正弦曲線噴霧變動，由於在計量閥體與內毛細管段內的飽和液態CO2沸滕(冷卻、壓力降與膨脹)。使用這些較短毛細管段(例如使用0.030內徑毛細管且毛細管冷凝器環路段短於36英吋長度)使這問題明顯惡化。使用如美國專利案第'570號所描述的較小毛細管內徑(ID)，諸如0.020英吋或較小與階梯型結構，經由限制引進更大毛細管壓力，其改善流動性但明顯減少CO2粒子產生量(粒子噴霧密度)與質量流控制。由於這些理由，小於0.020英吋的毛細管(且特別係，小 毛細管的長度較長於2尺)在商用CO2複合噴霧清潔應用不是想要的。
所有這些限制造成從毛細管冷凝器的下游粒子注入變動，而且是在共軸推進劑氣體混合噴嘴內，其造成在介於每噴嘴每小時有0.1和3磅的較低飽和液態CO2注入範圍的清潔或冷卻噴霧成份變動。雖然當液態CO2注入率增加時，變動確實減少，但這是浪費，對於使用(例如)0.030英吋內徑毛細管冷凝器，在低於每小時3至5磅CO2的毛細管注入率普遍存在噴霧不穩定性。
CO2複合噴霧變動會對需精確處理控制的應用(例如，固定的精確清潔率或冷卻率)造成問題。反作用控制方案使用在習知的CO2複合噴霧，以減少但無法除去噴霧變動。反作用控制方案可補償上面所討論的飽和液態CO2供應壓力、溫度與密度、以及毛細管冷凝器流動的上游變動，然後在注入加熱的推進劑氣體期間，抑制由可變毛細管CO2粒子氣體產生率所引起的噴霧變動。反作用控制方案利用監督及控制複合噴霧混合溫度(冷CO2粒子混合熱推進劑氣體)以控制CO2複合噴霧成份。一些粒子量加上一些加熱推進劑氣體量會產生某種程度的混合溫度。典型上，推進劑壓力、溫度與流程率可略微維持恆定，且可調整毛細管冷凝器的飽和液態CO2注入率，以將混合溫度維持介於一上限控制(UCL)與一下限控制(LCL)範圍。例如，典型上，對於具有0.030英吋內徑毛細管的共軸噴霧，毛細管注入流率維持介於每小時5至8磅液態CO2範圍，以達成 最佳的噴霧穩定控制。反作用控制的問題在於噴霧混合溫度必須在從噴嘴出口的下游距離處測量，以確保完全混合的複合噴霧。此涉及離線與時間延遲溫度測量與計量閥調整時段。而且，此程序不是即時且基本上始終漂移出超過或低於UCL和LCL設定點的控制。最後，此反作用控制方案所需的PC或PLC、軟體和自動化溫度測量與機械閥控制明顯增加CO2複合噴霧系統的成本與複雜化。
先前技術已仰賴各種不同CO2噴霧產生、監督與控制方案。先前技術所產生的清潔噴霧通常在使用過程會流動，且變化不定產生太薄或太濃密的CO2清潔噴霧。習知的CO2處理噴霧可利用結合伺服控制計量閥的溫度式噴霧成份測量，透過人眼的手動調整或自動調整而重新校準。
同樣地，目前需要用於產生及輸送持續穩定、更有力、與超薄(粒子密度)CO2複合噴霧。而且，需要可提供下列特徵與效益的CO2噴霧技術：1. 含眾多次微米粒子的超薄CO2噴霧成份；2. 較快速與更穩定噴霧調整；3. 較高噴霧清潔力(或冷卻能力)；4. 快速清潔(或冷卻)率；5. 較低噴霧成本；6. 較低能量使用；及7. 自動監督及控制CO2複合噴霧。
一種用於產生及調節推進劑氣體與二氧化碳流之噴霧裝 置，包括：處於一第一狀態之二氧化碳，其為飽和液態；將處於該第一狀態之二氧化碳壓縮以形成一第二狀態，其在密度大於0.9g/ml為過飽和；使用一高壓泵調整該壓縮；一微毛細管內處於該第二狀態的二氧化碳凝結形成一第三狀態，其為微觀固態；處於該第三狀態之該推進劑氣體與二氧化碳混合形成推進劑氣體與二氧化碳流；使用一高壓泵調整該二氧化碳混合率；及藉以將該推進劑氣體與二氧化碳流用來處理基體表面。
在一較佳具體實施例中，該微毛細管為至少一高壓毛細管，用於接收過飽和二氧化碳；該微毛細管的長度從6英吋至20英呎、外徑從0.020英吋0.125英吋、且內徑從25微米至0.010英吋；該微毛細管包括平行流配置之一或多個毛細管，其長度從6英吋至20英呎、外徑從0.020英吋至0.125英吋、且內徑從25微米至0.010英吋；該微毛細管包括聚醚醚酮或不銹鋼高壓毛細管；使用該高壓泵將處於該第一狀態之二氧化碳壓縮成過飽和；該高壓泵將處於該第一狀態之二氧化碳壓縮成微毛細管，以形成處於該第二狀態之二氧化碳，其為過飽和；該過飽和二氧化碳是在該微毛細管內壓縮成壓力介於900psi與10,000psi範圍；該過飽和二氧化碳壓縮成壓力介於1,000psi與5,000psi範圍；該過飽和二氧化碳為熱控制在溫度介於5℃與40℃範圍；該過飽和二氧化碳為熱控制在溫度介於10℃與25℃範圍。
在一較佳具體實施例中，該推進劑氣體為清潔乾空氣、氮、氬、或二氧化碳；該推進劑氣體為熱控制在溫度介於5℃ 與250℃範圍；處於一第三狀態之該推進劑氣體與該二氧化碳為共軸混合；處於一第三狀態之該推進劑氣體與該二氧化碳為使用可調整膨脹管混合，用以接收由該增壓微毛細管所產生處於一第三狀態之該二氧化碳；該飽和二氧化碳是在壓力介於500psi與900psi範圍；該飽和二氧化碳是在溫度介於5℃與40℃範圍；該過飽和二氧化碳為液態或超臨界流體；該處理噴霧在基體表面產生的剪應力介於10kPa與100MPa範圍；該處理噴霧在基體表面產生的溫度介於-40℃與200℃範圍；處於該第三狀態之該二氧化碳的注入率為介於每小時0.1磅與每小時20磅範圍。
在一較佳具體實施例中，該推進劑氣體與二氧化碳流為噴霧羽流，且使用光度計即時分析；噴霧羽流具幾何，其有寬度、高度、長度、成份或CO2粒子密度；該噴霧羽流的幾何可使用一推進劑氣體壓力、一推進劑氣體溫度、一添加劑濃度、或一CO2粒子濃度變化而調整；該光度計使用光源將垂直於該噴霧羽流的光束從一第一位置傳輸至一第二位置；該第一位置至該第二位置定義該噴霧羽流的長度；該光度計使用一光接收器，該光接收器安裝垂直於該噴霧羽流；該光接收器可在該光束通過或從噴霧羽流反射之時，取得該衰減的光束；該光度計連接一電腦器件；該電腦器件連接一可調整CO2複合噴霧產生器；當光束通過該噴霧羽流或從該噴霧羽流反射，該電腦器件可分析該光束變化；該電腦器件調整該可調整CO2複合噴霧產生器的推進劑氣體壓力、推進劑氣體溫度、添加劑注入率、或過飽和CO2注入率以調節該幾何，以維持該噴霧羽流的特性；該 光源包括鹵素光、氘光、雷射光或LED光；該光源是在紫外線、可見或紅外線的區域中操作；該光接收器包括光二極體偵測器、發光偵測器或UV-VIS-IR光譜儀；該光接收器測量光吸收、光反射或螢光；該電腦器件計算噴霧羽流幾何的光衰減輪廓指標值；該光衰減輪廓指標值隨著在該噴霧羽流內的CO2粒子密度和粒子大小、推進劑溫度和壓力、有機和無機添加劑、或水蒸氣含量而改變；該噴霧羽流幾何基於該光衰減輪廓指標值而即時控制；使用至少一光源或至少一光接收器；該噴霧羽流從一第一位置移至垂直於該噴霧羽流之一第二位置；該光源與光接收器從一第一位置移至垂直於該噴霧羽流之一第二位置；一計量儀用來使噴霧羽流幾何與一噴霧羽流性能度量產生關聯性；該計量儀包括一基體表面溫度測量系統、一OSEE表面測量系統、一FTIR表面分析系統、一衝擊剪應力測量系統、或一粒子計數系統；該噴霧羽流效能指標包括冷卻能力、衝擊粒子剪應力、污染移除率、表面處理、或表面潔淨度。
本發明之一目的是要提供一種改善CO2複合噴霧霧清潔系統；本發明之一進一步目的是要提供一種改善的毛細管冷凝器處理與裝置，其可在壓力大於900psi且最好介於1,000與5,000psi範圍或更大、且溫度介於70℉與100℉範圍的過飽和或超臨界條件之下操作，不管在供應線的飽和液態二氧化碳的壓力與溫度；本發明之另一目的是要使用高毛細管流體壓力及其調整，以提供近似零至每毛細管冷凝器元件有3磅CO2範圍的精確質量流控制；本發明之另一目的是要在平行流束中使用一或多個高壓微毛細管以提供一種改善的CO2複合噴霧 成份控制，以提供具高壓調節流控制的可調整質量流範圍；本發明之另一目的是要提供一種用於CO2複合噴霧之方法及裝置，其能以非常低複合噴霧壓力與推進劑氣體流率，使用非常小量微觀固態，從細緻表面去除污染物(諸如粒子、殘留物與熱)，而不致損壞表面；本發明之另一目的是要提供一種CO2複合噴霧系統，可使毛細管冷凝與注入壓力高達10,000psi，用以增加固態二氧化碳粒子的產生與注入速度，如此在CO2複合噴霧流中，減少共軸推進速度阻力及增加可用動能，藉由二氧化碳噴霧以去除強烈附著的污染物，而不致損壞所要噴霧的表面；本發明之另一目的是要提供一種用於監督及控制本發明所產生CO2複合噴霧的粒子密度之構件。以光為主之計量儀是用來測量噴霧幾何，且供應特定數據給電腦控制器進行調整，以維持或改變粒子注入；本發明之一目的是要提供一種用於即時成份與結構分析CO2複合噴霧之健全方法與裝置；本發明之一進一步目的是要提供使用紫外線、可見、及/或近紅外線為主發光及/或光度計測量之成份與結構分析方法；本發明之另一目的是要提供一種用於決定在推進劑氣體中含有固態二氧化碳的粒子密度、及決定其中的CO2粒子密度變化之方法；本發明之另一目的是要提供一種用於決定在CO2複合噴霧中包含或含有的氣態、液態或固態無機與有機添加劑量之方法；本發明之另一目是要提供一種用於分析單一或多重CO2複合噴霧之方法；本發明之另一目是要提供一種用於在直線或縱向與在垂直向中分析CO2複合噴霧的成份與結構之方法；本發明之另一目的是要提供一種用於方便調整在高壓微毛細管冷凝期間所產生微量CO2粒子的粒子大小之新方法；及本發明 之另一目的是要提供利用旋流與皮爾特(Peltier)技術之高效節能低量方法與裝置，用於從CO2氣體凝結及輸送小量飽和液態CO2，供使用在高壓微毛細管冷凝系統。
簡言之，本發明使用一或多個高壓焦耳湯姆森微毛細管冷凝器從過飽和液態CO2有效率產生微觀量固態CO2粒子，其然後使用加熱清潔乾氣體推進劑氣體將其混合成及加速到近音波速度。高壓微毛細管冷凝器組件在本說明書當作一質量控制器件與一液態對固態冷凝器器件兩者使用。
一或多個微毛細管是在過飽和壓力條件之下使用在相同毛細管冷凝器組件內，以達成精確壓力調節理質量控制，而允許在質量流範圍的增量變化內改變。結果是，相較於現階段使用習知CO2噴霧技術，使用超低液態CO2更明顯精確控制，包括CO2複合噴霧，其典型介於每小時的每噴嘴有3與15磅CO2範圍。
為了要在非常低質量流達成精確控制，相較於在習知CO2複合噴霧中使用的習知飽和氣態-液態毛細管液體供應壓力，本發明利用明顯較大的毛細管液體壓力(過飽和液態二氧化碳)，其壓力介於750psi與900psi範圍。
本發明的附加優點在於使用明顯較低推進質量流以明顯改善及維持低CO2粒子質量流接近零流率，以將微觀量的粒子控制加速在近似音速。
本發明在受控制的流體供應壓力介於900psi與10,000psi範圍、與溫度介於10℃與38℃範圍，且最好壓力介於1,000psi與5,000psi範圍及溫度介於20℃與30℃範圍(針為過飽和液態CO2)，每毛細管冷凝器之使用過飽和液態CO2的每微毛細管可增加噴霧流粒子密度與共軸推進注入速度範圍介於每小時0.1磅與每小時1.5磅或更大之間。微毛細管在平行流配置中可為「毛細管束」以增加質量流，不致降低壓力調節流率控制。例如，在平行流束組件中組合具0.005英吋內徑(ID)的一或多個高壓微毛細管允許線性及漸增地增加壓力調節質量流範圍。例如：使用一0.005英吋內徑毛細管、12英吋長度、1,000-1,500psi注入控制範圍，每小時有0.5至1.5磅；使用兩0.005英吋內徑毛細管、12英吋長度、1,000-1,500psi注入控制範圍，每小時有1.0至3磅；使用三個0.005英吋內徑毛細管、12英吋長度、1,000-1,500psi注入控制範圍，每小時有1.5至6磅；及使用四個0.005英吋內徑毛細管、12英吋長度、1,000-1,500psi注入控制範圍，每小時有2.0至12磅、等等。
毛細管束段可直接整合示範性CO2複合噴霧共軸噴霧系統的推進混合部分，或者，最好係，可使用直徑等於毛細管束的個別內徑總和、與整合本發明的新CO2複合噴嘴的運輸毛細管而於較長距離轉移至推進混合部分。
本發明利用(最好係)氣動控制式液高壓泵(電激勵活塞泵亦可使用)，以控制均勻尺寸與高密度固態CO2粒子的凝結與 微觀質量的質量與分布。這些CO2粒子為選擇性注入熱推進劑氣體，在所要處理的基體上混合及加速，如本發明中的「先前技術」中的描述。在此方面，在先前技術中，CO2複合噴霧的調整(與控制)典型是基於視覺觀察而手動執行；或者，使用熱電偶自動執行，以使在各種不同推進質量流壓力/噴嘴的噴霧的CO2粒子密度與固定的推進熱能力(溫度/質量流)設定值產生關聯性。視覺控制方法在清潔與冷卻效能兩者為主觀且產生不調和，且對於需要自動控制與一致效能的線上或連續應用不是可行的選擇。熱動力控制方法提供相對於自動壓力與質量流調節器的自動分析與控制，但較慢且只提供有關噴霧成份的混合溫度數據，不管在CO2複合噴霧中固有的所有可調整變數。習知的分析與控制方法不提供有關CO2複合噴霧的物理或化學形式或輪廓的資訊，其有關在噴霧羽流內包含或含有的質量流率、壓力、溫度、CO2粒子大小分布、與化學或物理添加劑。在本發明中，使用UV、VIS、NIR光且可包括特殊分光鏡技術(諸如拉曼分析)的分光鏡分析可用來估計CO2複合噴霧的化學與物理特性兩者，以最佳化其在清潔、機械與冷卻操作的效能。
測量可基於光吸收、反射或輻射現象。例如，臭氧是當作CO2複合噴霧內的添加劑使用，且其噴霧濃度概略是從臭氧產生與計量控制技術估計，且為明顯變化。本發明可同時直接決在羽流內的CO2粒子濃度(物理)與臭氧濃度(化學)。
在本發明中，基於在2微米紅外線波長區域的物理不透光(光阻斷/光抑制)、以及光吸收可確定CO2粒子密度。氧和臭氧 是在UV區域吸收，且水蒸氣是在近IR區域吸收。同樣地且未顯示，使用本發明可監督及控制吸收或使光變暗的其他化學或物理添加劑。一適當光源耦合一適當分光光度計或一簡單發光(或總光傳輸)；或者，光強度測量計是用在本發明，利用光吸光率、螢光、反射、傳輸、或拉曼測量來決定動態CO2複合噴霧的各種不同物理與化學態樣。一寬光譜光源(諸如氘、鎢或鹵素(215nm(奈米)-2500nm(奈米)))或更特殊的光譜源(諸如LED或雷射)可使用，包括單色發光、近單色發光、連續光譜與帶譜光源。簡單的發光或更複雜的光度計測量技術可使用在本發明，此取決於適當估計特殊CO2複合噴霧的物理與化學特性所需的資訊量。
一示範性光測量方案使用分光鏡光。分光鏡光通過噴霧羽流主體以估計CO2複合噴霧的化學、密度及/或實體形狀。一簡單的發光測量可使用在本發明，以決定在噴霧羽流的特殊與代表性部分的明顯噴霧密度。此資訊用來特徵化或輪廓化CO2噴霧羽流的品質、效能、即時動態控制。檢查噴霧羽流的形狀、其輪廓是用於對比及比較CO2複合噴霧的羽流形狀的另一更準確方法。如一範例，藉由使用兩代表性測量邊界值(%傳輸、%吸收、密度等等)來整合曲線函數可決定在代表輪廓(發光或光度計值)的代表性部分之下的面積。
在本發明中，寬光譜光傳輸測量用來區別具改變CO2粒子密度與化學添加劑濃度的CO2複合噴霧，其不可能以視覺區別。區別類似噴霧羽流的光傳輸測量的能力是利用具類似CO2 粒子密度的噴霧成份所測量的不同傳輸強度來表示。區別CO2複合噴霧的能力使此技術在品質保証(QA，Quality Assurance)或品管(QC，Quality Control)操作是非常有用，以在特殊應用中確保均勻噴霧特性與噴霧效能。
本發明的其他目的與效益可從下列描述及附圖而變得更明顯。
2‧‧‧飽和CO2原料
4‧‧‧液體密度
6‧‧‧粒子大小與密度
8‧‧‧注入
10‧‧‧推進劑氣體
12‧‧‧噴霧成份
14‧‧‧投射
16‧‧‧清潔(或冷卻)率
18‧‧‧反作用機構
20‧‧‧毛細管注入率
22‧‧‧上限控制
24‧‧‧下限控制
30‧‧‧密度
32‧‧‧壓力
34‧‧‧溫度
36‧‧‧飽和邊界線
38‧‧‧密度變化
40‧‧‧過飽和邊界線
42‧‧‧密度變化
50‧‧‧毛細管壓力
52‧‧‧CO2質量流
54‧‧‧計量閥控制方案
56‧‧‧毛細管壓力計量控制
58‧‧‧不穩定流率控制範圍
60‧‧‧毛細管
62‧‧‧毛細管
64‧‧‧毛細管
66‧‧‧毛細管
68‧‧‧流體溫度
70‧‧‧1000psi
72‧‧‧1200psi
80‧‧‧供應管
82‧‧‧注入口
84‧‧‧高壓液體泵
85‧‧‧流體連通
86‧‧‧缸瓶
88‧‧‧數位溫度控制器
90‧‧‧加熱元件
92‧‧‧彈簧加載式壓力釋放閥或自動閘閥
94‧‧‧過度液體容積釋放及返回
96‧‧‧壓力調節器
98‧‧‧饋入
100‧‧‧壓縮空氣
102‧‧‧空氣驅動排氣段
104‧‧‧管對管熱交換器
106‧‧‧微毛細管段或微毛細管冷凝器束
108‧‧‧自動閥
110‧‧‧微毛細管
112‧‧‧微毛細管束組件
114‧‧‧流體連通
116‧‧‧濃密流推進混合器組件
118‧‧‧運輸毛細管段
120‧‧‧關聯圖
122‧‧‧毛細管壓力降
124‧‧‧毛細管溫度降
126‧‧‧毛細管質量流
128‧‧‧焦耳湯姆森冷卻與冷凝處理
130‧‧‧微觀與微小固體
150‧‧‧狀態圖
152‧‧‧壓力
154‧‧‧溫度
156‧‧‧飽和線
158‧‧‧過飽和液態
160‧‧‧超臨界CO2
162‧‧‧CO2決定性壓力線
202‧‧‧液態CO2原料
204‧‧‧密度
206‧‧‧粒子大小和密度
208‧‧‧注入
210‧‧‧推進劑氣體
212‧‧‧CO2複合噴霧成份
214‧‧‧投射
216‧‧‧清潔(或冷卻)率
218‧‧‧主動式方案
220‧‧‧毛細管注入壓力
222‧‧‧上限控制成份
224‧‧‧下限控制成份
300‧‧‧旋流器件
302‧‧‧熱氣流
306‧‧‧外絕緣管
308‧‧‧管中管熱交換器
310‧‧‧逆流方向
312‧‧‧內熱導管
314‧‧‧CO2氣體
316‧‧‧飽和液態CO2
318‧‧‧裝置
319‧‧‧注入
320‧‧‧熱絕緣導管
322‧‧‧內熱導管
324‧‧‧共軸推進混合管與噴嘴
400‧‧‧電子致冷器
402‧‧‧熱側端
404‧‧‧冷側端
408‧‧‧殼管型熱交換器
412‧‧‧內熱導管
414‧‧‧CO2氣體
416‧‧‧飽和液態CO2
418‧‧‧裝置
419‧‧‧注入
424‧‧‧共軸推進混合管與噴嘴
430‧‧‧殼管式熱交換器
432‧‧‧內熱導管
434‧‧‧推進劑氣體來源
435‧‧‧推進劑氣體
496‧‧‧小箭號
498‧‧‧大箭號
500‧‧‧毛細管段
501‧‧‧雙箭號
502‧‧‧膨脹管組件
504‧‧‧鐵氟龍熱收縮絕緣
506‧‧‧管
508‧‧‧內徑
510‧‧‧毛細管注入管
512‧‧‧彈性體螺帽與無凸緣箍密封組件
514‧‧‧膨脹容積
516‧‧‧噴嘴喉部
518‧‧‧外部共軸推進噴嘴
520‧‧‧推進噴嘴出口
522‧‧‧混合容積
524‧‧‧推進噴嘴組件
525‧‧‧推進劑氣體
526‧‧‧共軸流動
528‧‧‧末端部
530‧‧‧入口部
532‧‧‧較大CO2晶粒
534‧‧‧較小粒子
600‧‧‧圖4A
602‧‧‧圖4B
604‧‧‧噴嘴2英吋
606‧‧‧試驗膜
608‧‧‧金屬片支撐基板
610‧‧‧CO2複合噴霧
612‧‧‧噴霧
614‧‧‧噴霧
616‧‧‧顯影圖案
618‧‧‧高壓膜圖
620‧‧‧80MPa
622‧‧‧膜
700‧‧‧60MPa
702‧‧‧10MPa
704‧‧‧本發明的實際噴霧影響結果
800‧‧‧PR=1
802‧‧‧PR=6
804‧‧‧PR=64
900‧‧‧先前技術噴霧
902‧‧‧脈動與旋流粒子氣體流
904‧‧‧穩定狀態非噴射旋流
906‧‧‧正常室光
908‧‧‧沒有照明
910‧‧‧CO2複合噴霧
912‧‧‧鮮明白光照明
1000‧‧‧900psi
1002‧‧‧2000psi
1004‧‧‧線性曲線
1006‧‧‧曲線方程
2002‧‧‧紅外線區域吸收
2004‧‧‧紫外線區域吸收
2006‧‧‧可見至紅外線區域吸收
2008‧‧‧從紫外線至紅外線區域的明顯吸收量
2010‧‧‧CO2複合噴嘴與噴霧羽流
2012‧‧‧光束
2014‧‧‧光源
2016‧‧‧傳輸光
2018‧‧‧偵測器
2020‧‧‧電值
2022‧‧‧噴霧羽流
2023‧‧‧垂直
2030‧‧‧分析數據
2032‧‧‧上限控制
2034‧‧‧下限控制
2040‧‧‧光傳輸位準
2042‧‧‧不同位置
2044‧‧‧薄噴霧輪廓
2046‧‧‧濃密噴霧輪廓
2048‧‧‧最佳噴霧輪廓
2050‧‧‧噴霧位置
2052‧‧‧正常發光或光度計數據值
2054‧‧‧最佳曲線方程
2056‧‧‧獨特SPI值
2060‧‧‧縱測量
2062‧‧‧噴霧羽流
2064‧‧‧傳輸光收集器件
2066‧‧‧垂直測量
2068‧‧‧噴霧羽流
2070‧‧‧傳輸光收集器件
2072‧‧‧發光或光度計輪廓
2074‧‧‧最大吸收位準
2076‧‧‧最小吸收位準
2078‧‧‧正常發光或光度計值
2080‧‧‧不同縱測量位置
2082‧‧‧發光或光度計輪廓
2084‧‧‧最大吸收位準
2086‧‧‧最小吸收位準
2088‧‧‧正常發光或光度計值
2090‧‧‧不同垂直測量位置
2100‧‧‧CO2複合噴霧產生器系統
2102‧‧‧CO2噴霧輸送線
2104‧‧‧CO2噴霧器噴嘴組件
2106‧‧‧噴霧或處理羽流
2108‧‧‧光源
2110‧‧‧光束
2112‧‧‧第一位置
2114‧‧‧第二位置
2116‧‧‧吸收、反射或衰減光束
2118‧‧‧光收集器或反射器
2120‧‧‧感測器電纜
2122‧‧‧放大器
2124‧‧‧電纜
2126‧‧‧電腦處理器
2128‧‧‧控制電纜
2130‧‧‧紅外線感測器
2132‧‧‧紅外線光束
2134‧‧‧基體
2136‧‧‧饋送
2138‧‧‧饋送
結合形成本發明之部分的附圖為示意說明先前技術或本發明之具體實施例，且連同描述，用來解釋本發明的原理。
圖1示意說明先前技術增強焦耳湯姆森(Joule-Thomson)毛細管冷凝技術及有關飽和液態CO2質量流與粒子密度控制的限制。
圖2示意說明相較於使用在本發明之一過飽和液態CO2原料，比較及對比於該高可變飽和液態CO2密度的本發明之一具體實施例。
圖3示意說明有關使用過飽和液態CO2液壓結合一微毛細管或毛細管束以控制質量流之本發明之一具體實施例。
圖4A示意說明本發明之一具體實施例，其包括一示範性系統使用一高壓增強焦耳湯姆森微毛細管裝置產生過飽和液態CO2及從其產生粒子。圖4B示意說明本發明之一具體實施例，其包括一示範性膨脹推進噴嘴，用以在注入推進劑氣體流以前，精確調整微CO2粒子的大小。圖4B-I和圖4B-II描述在圖4B描述的新膨脹裝置的操作。
圖5使用狀態圖示意說明介於飽和液態CO2、過飽和液態CO2、與超臨界CO2之間的差異。
圖6示意說明本發明使用高壓增強焦耳湯姆森微毛細管冷凝技術，其將過飽和液態CO2質量流控制與高壓微毛細管冷凝當作用以提供改善過低質量流與粒子密度控制的主動控制方案使用。
圖7示意說明本發明之一具體實施例，其包括一示範性以旋流為主的冷凝系統，以產生供使用在本發明的飽和液態CO2原料供應。
圖8示意說明本發明之一具體實施例，其包括一示範性皮爾特效應(Peltier-based)冷凝系統，以產生供使用在本發明的飽和液態CO2原料供應。
圖9A示意說明使用本發明以示範可調整噴霧能量範圍之實驗裝置與方法。圖9B提供實驗證據以示範本發明的噴霧力。圖9C提供示範本發明的噴霧效能之證據。圖9D為處於正常光之先前技術CO2複合噴霧的示意圖。圖9E為處於正常光的本發明之CO2複合噴霧的示意圖。圖9F為在照明之下的本發明之CO2複合噴霧的示意圖。
圖10為顯示噴霧混合溫度與毛細管壓力之間關係的圖式。
圖11示意說明CO2複合噴霧共有的各種化學性質之不同吸收輪廓。
圖12示意說明用於輪廓化CO2複合噴霧之以光為主的成份與結構分析系統的裝置具體實施例。
圖13示意說明使用發光與光度測定噴霧羽流數據建立諸如CO2粒子密度、添加劑濃度、與含水量之成份元素的上限控制(UCL，Upper Control Limit)與下限控制(LCL，Lower Control Limit)。
圖14示意說明源自CO2複合噴霧的發光測量之示範性噴霧輪廓。
圖15示意說明輪廓曲線下的面積之噴霧廓輪測度計算，用於快速分析及控制CO2複合噴霧。
圖16示意說明在縱方向與垂直方向兩者中的CO2複合噴霧羽流之測量。
圖17示意說明用以在垂直方向中測量CO2複合噴霧羽流之示範性系統。
本發明可從下面連同附圖的描述而變得更明白。
圖1示意說明關於飽和液態CO2質量流與粒子密度控制之先前技術增強焦耳湯姆森(Joule-Thomson)毛細管冷凝技術與限制。請即參考圖1，如本說明書討論的先前技術未提供用於毛細管冷凝處理的穩定飽和液態CO2來源以產生均勻與穩定的CO2粒子供應，用以注入及混合具恆定壓力與溫度之推進劑氣體。此限制的理由有關一些促成因素，包括：在撤銷與使用期間的大量CO2氣體供應箱壓力與溫度變化、環境溫度變化(諸如，工廠溫度與外部儲箱與輸送系統溫度)、從來源到天花板或地板至清潔系統的CO2氣體供應線內的溫度變化、高壓氣體輸送系統供應壓力與溫度變化、及用來凝結運送的高壓氣體至冷飽和液態CO2供應之冷凍冷凝器系統的內部壓力與溫度變化。
即使使用線端壓力調節器，環境溫度與冷凝器系統變動仍會造成壓力與溫度變化，其本質略微為正弦曲線。此造成飽和CO2原料(2)的高度變化與略微不可預知的壓力與溫度變動，造 成變化的液體密度(4)、變化的毛細管沸騰密度與造成粒子大小與密度(6)變化；且在注入(8)及混合加熱的推進劑氣體(10)之後，產生CO2粒子與推進劑氣體的變化噴霧成份(12)，其在投射(14)在表面時，產生變化的清潔(或冷卻)率(16)。
習知的控制構件包括一反作用機構(18)，藉此例如利用混合溫度(如本說明書討論)以定期測量噴霧，且手動或自動調整毛細管注入率(20)，以隨著時間維持CO2複合噴霧成份(12)在可接受的上限控制(22)與下限控制(24)內。如此描述先前技術限制隨著示範性低液態CO2注入率與毛細管流率(小毛細管直徑)惡化。
在已如此描述有關使用飽和液態CO2原料的習知CO2複合噴霧的各種不同噴霧控制問題，如相較於在本發明使用的過飽和液態CO2原料，圖2示意說明比較及對比於高度變化飽和液態CO2密度之本發明的一具體實施例。
先前技術的主要限制是變動飽和液態CO2流率密度。如圖2所示，有關毛細管注入液體密度(30)與壓力(32)和溫度(34)關聯性的圖式清楚地示意說明問題。液態蒸氣飽和邊界線(36)呈現密度變化(38)是在飽和液態CO2壓力(介於40atm與70atm)與溫度(介於278deg.K與304deg.K)之間的38%。相反地，且如在本發明的使用，一過飽和邊界線(40)呈現密度變化(42)小於在過飽和液態CO2壓力(介於70atm與680atm)與溫度(介於278deg.K與298deg.K)之間的3%。
在圖2描述的過飽和液態CO2特性，且如在本發明的使用，在非常大壓力範圍特別提供高度均勻與最大流體密度、以及一種使用微觀毛細管冷凝器用於精確流率調節的機構，如圖3描述。
相較於使用變化飽和液態CO2供應、0.030英吋內徑毛細管、與18轉微計量閥的示範性先前技術控制，圖3示意說明使用過飽和液態CO2液壓結合一微毛細管或毛細管束，以控制CO2質量流與粒子密度。圖3顯示，毛細管壓力(50)係與CO2質量流(52)有關聯，供比較及對比於使用示範性先前技術計量閥控制方案(54)與本發明的毛細管壓力計量控制(56)方法的流率與質量調節。18旋轉微計量閥控制方法(54)在低於2至3閥旋轉範圍是無效率，其代表高度不穩定，且使用介於750psi與900psi之間的飽和液態CO2供應，介於每小時約0.1lb(磅)至5lb(磅)CO2之間的不穩定流率控制範圍(58)。同樣地，使用具有約36英吋長度、且具飽和液態CO2注入的最佳化0.030英吋內徑焦耳湯姆森毛細管之先前技術方法只適於超過每毛細管(60)每小時有約5磅CO2的流率，且仍呈現接近此下限注入率之一些脈動。如圖1所討論，18旋轉計量閥必須定期調整以確保毛細管粒子產生率保持在預定可接收噴霧成份控制範圍內。而且如本說明書的討論，使用具先前技術計量閥流率控制構件之遠小於0.020英吋內徑(至較低流率範圍)的毛細管將造成限制，諸如無精確微流率控制與粒子產生變動。同樣地，在近似零與每毛細管的每小時有5磅CO2之間低範圍內需要允 許更大可預期與精確的質量與粒子流率。
本發明採用新的毛細管壓力計量控制方法與裝置。介於0.001英吋內徑與約0.020英吋內徑、與介於約6英吋至約36英吋或更大長度之小毛細管使用在單一或平行束，以使用高壓調節過飽和液態CO2注入來提供質量流控制與高壓焦耳湯姆森凝結兩者。利用此新的計量方法與裝置，允許精確與穩定控制小量CO2流率與粒子產生介於近似零與每毛細管每小時有5磅範圍內。請即參考圖3，三個示範性毛細管；一0.001英吋內徑毛細管(62)、一0.005英吋內徑毛細管(64)、與一0.010英吋內徑毛細管(66)，其都有類似長度。如圖3所示，一0.001英吋內徑毛細管(62)在約1000psi與2000psi之間流體壓力範圍內可產生約每小時有0.1與0.3磅之間的非常窄流率範圍。一0.005英吋內徑毛細管(64)在約1000psi與2000psi之間流體壓力範圍可產生約每小時有0.5與2磅之間的非常窄流率範圍。一0.010英吋內徑毛細管(66)在約1000psi與2000psi的之間流體壓力範圍可產生約每小時有3與5磅之間的非常窄流率範圍。此清楚示意說明本發明允許精確微觀質量流範圍控制。
此外，圖3顯示最小注入壓力且其為基於預定與受控制的過飽和液態CO2流體溫度。在注入毛細管或毛細管束，最小注入壓力確保過飽和液態CO2條件(最高恆定液體密度)。示範性最小注入壓力包括(例如)，在約10℃的流體溫度(68)為約900psi；在約20℃的流體溫度為約1000psi(70)；及在約30℃的 流體溫度為約1200psi(72)。
而且，毛細管的平行束可用來進一步擴大壓力調節質量控制範圍，如此為每小時有15磅CO2或更大，如圖4A的討論。
圖4A示意說明包括一示範性系統以產生過飽和液態CO2之本發明的一具體實施例，其使用一高壓增強焦耳湯姆森微毛細管組件從其產生粒子。相較於美國專利案第5,725,154號、第7,293,570號、與第7,451,941號的先前技術增強焦耳湯普生毛細管(EJTC，Enhanced Joule Thompson Capillary)冷凝器方法與裝置，圖4A的方法與裝置明顯改善冷凝處理與轉換效率。本說明書的高壓焦耳湯姆森毛細管冷凝處理在特別非常低的流率，提供改善產生、控制與注入CO2，以注入加熱的推進劑氣體，用於清潔與冷卻應用。例如，圖1a(2)的美國專利案第'941號的方法與裝置可使用圖4A的改善方法與裝置取代。
請即參考圖4A，含有且流過一供應管(80)、且典型有約介於750psi與1000psi間可變蒸氣壓力與介於50℉與75℉間可變流體溫度之飽和液態CO2的適當供應或原料，被引入示範性空氣驅動具有放大液壓效果的高壓液體泵(84)的注入口(82)。此可包括例如液態CO2的缸瓶供應、來自CO2氣體CO2源的冷凍凝結、與新的低容積旋流與皮爾特效應冷凝器系統，如本說明書的圖7和8描述。飽和液態CO2壓縮成過飽和壓力介於1,000psi與10,000psi範圍，且壓縮成過飽和液態CO2的供應，且使用流體連通(85)的儲存系統儲存，包含一絕緣與溫度控制 的高壓缸瓶(86)。適於使用在本發明的示範性高壓液體泵(84)包括空氣驅動和空氣調節液壓放大器、與增壓器氣動液壓泵機型編號MS-7、MS-12、MS-21、AAD-5、AAD-7及/或DSF-B15，其可從美國加州博班克市斯克爾國際公司(Haskel International Inc.)取得。不過，能夠將CO2氣體或飽和液態CO2加壓成過飽和液態CO2原料的空氣、電動或液壓驅動泵之其他商標與類型適於實施本發明。
熱絕緣缸瓶(86)可包括簡單高壓管或裝有排氣口的取樣缸瓶，其內部容積足以穩定過飽和液態CO2的原料供應，在使用過程不致過度流體熱變化。儲存容積與加熱負荷可基於下游毛細管冷凝器要求(磅CO2/小時)加以計算。例如，使用一數位溫度控制器(88)與一加熱元件(90)(包覆或栓合在儲存缸瓶(86)周圍)可提供熱控制，其全部包覆在適當的熱絕緣媒體。過飽和流體溫度最好控制在約70℉溫度、或超過環境溫度的一些度數，確保隨著周圍環境保持穩定。此確保穩定與一致性的過飽和液態CO2密度。
不過，對於20英呎或更大的較長微毛細管冷凝器長度而言，在約88℉或更高的溫度、與在2,500psi或更大的非常高注入壓力之下，使用超臨界CO2以供應在本說明書所述的毛細管段或毛細管束冷凝器組件是很有用。零表面張力、非常低黏質、與高流體密度的組合允許在較長、較小毛細管冷凝器內有更大梯度冷凝處理。超臨界CO2注入係特別透過冷卻、壓縮與結晶的三個階段以轉變原料：超臨界->液態->固態，以對較長 毛細管冷凝器提供非常大的壓力與溫度梯度。
一彈簧加載式壓力釋放閥或自動閘閥(92)可用來維持儲存缸瓶(86)內的恆定壓力，允許過度液體容積釋放及返回(94)飽和(或超臨界)原料供應管(80)。
示範性空氣驅動液壓增壓器泵(84)為使用手動或自動機械空氣傳動系統加以控制。使用手動調整或自動數位壓力調節器(96)，將壓縮空氣(100)調節在20psi與150psi範圍且饋入(98)高壓液體泵(84)的空氣驅動段。泵驅動空氣調節與壓縮的流體輸出壓力概略產生線性關係，且取決於選定的泵，將控制CO2流體壓力在900psi與10,000psi範圍。在來自泵(84)的空氣驅動排氣段(102)的驅動空氣壓縮與膨脹，膨脹的驅動空氣根據焦耳湯姆森膨脹冷卻原理明顯冷卻。此冷卻的能力可使用在對流中間冷卻器組件內的本發明，諸如，一管對管熱交換器(104)，以冷卻及壓縮在供應管(80)中包含的飽和液態CO2原料。
在產生過飽和液態CO2(或超臨界CO2)的供應之後，使用稱為高壓增強焦耳湯姆森微毛細管冷凝器組件(或在本說明書縮寫為EJTMC組件(106))之一微毛細管段或微毛細管冷凝器束，以計量過飽和流體。使用例如來自美國新澤西州菲爾德(Fairfield)市的派克漢尼汾(Parker Hannifin)公司自動閥(108)的系列9或99脈動閥可達成啟動與關閉計量，其以流體形連接介於儲存缸瓶(86)與EJTMC組件(106)間。
EJTMC組件包括一毛細管環，其長度介於6英吋與30英呎或更長範圍，且內徑最好介於0.001英吋與0.015英吋範圍，其在本說明書稱為微毛細管。如圖4A所示，微毛細管在平行流配置中可為「毛細管束」以增加質量流，而不致降低壓力調節流控制。例如，一12英吋長度而有0.005英吋內徑毛細管的單件微毛細管(110)，將可在1000-1500psi注入壓力範圍提供約每小時有0.5至1.5磅的精確流率。在另一範例中，一含有四個0.005英吋內徑毛細管、12英吋長度的微毛細管束組件(112)將可在1000-1500psi之間的注入壓力範圍內，提供約每小時有2至12磅的精確流率。
單件EJTMC微毛細管或束狀EJTMC組件(106)經由共軸預混合器(即是，在濃密流體推進氣管之一部分內共軸饋入的微毛細管)而流體連通(114)，且流入示範性CO2複合噴霧共軸噴霧系統的濃密流推進混合器組件(116)，例如，如美國專利案第'941號的圖2所述，或(或者)，可使用直徑等於毛細管束的個別內徑總和之一運輸毛細管段(118)，可在較長距離上轉移及流體連通該推進混合部。最好係，單件EJTMC微毛細管或EJMTC束組件為流體連通在本說明書的圖4B描述的示範性膨脹、定位及混合噴嘴。
關於如此描述的示範性毛細管束對輸送毛細管轉變方法，其重要地係，使用諸如在美國專利案第'570號的分段與膨脹毛細管裝置不會使微毛細管液體快速膨脹，因為此將引起阻塞和濺散、及其他不想要的影響。假設，本發明使用小內徑毛 細管，沿著均勻毛細管冷凝器容積的逐漸壓力降最好允許過飽和液態二氧化碳的微觀量逐漸沸騰、冷卻及凝結成均勻大小微觀CO2固態粒子與CO2蒸氣的無流動與均勻分散的混合。例如，含有平行四個0.005英吋內徑毛細管的高壓毛細管束(具有d1+d2+d3+d4=0.020英吋的內徑總和)可固接至一0.020英吋內徑運輸毛細管段，如此形成均勻的毛細管束對運輸毛細管容積轉變。如此，毛細管束當作高壓注入器與流量限流器兩者使用，一新的焦耳湯姆森節流閥。相反地，如在美國專利案第'570號(圖2)中使用的增量與連續毛細管容積變化，其使用含有漸增內徑(d)d1<d2<d3<d4等等(產生不連貫容積)的一連串分段循序連通的毛細管，用於先將飽和液態二氧化碳快速膨脹及凝結成小質量晶粒(d1)；然後，依據循著膨脹步驟(d2、d3和d4)，將其合併及生長成含少量粒子(低密度)的懸浮粒子，但有非常大的平均粒子大小。美國專利案第'570號中的晶粒生長製程等同雪球滾下山般的大小和質量，或在從上層大氣落下的其向下處，將冰冷的微小雨滴結合成大冰雹。此一粒子生長技術在本發明是不想要，因為其在CO2複合噴霧內，引起過度粒子生長與低和非均勻粒子分布或密度的結果。
相反地，本發明藉由避免在高壓過飽和液態CO2毛細管注入之後的不連貫壓力降與過度膨脹冷卻而克服此限制。過飽和液態CO2沸滕(冷卻)在非常高壓梯度之下在毛細管段內及沿著其而逐漸及均勻。使用可變控制高流體壓力與微毛細管束的組合無法控制濺散或阻塞與質量流(微觀粒子產生)。
請即參考圖4A所示的關聯圖(120)，使用如此描述的EJTMC微毛細管系統之高壓、過飽和液態CO2(或超臨界CO2)冷凝處理會增加毛細管壓力降(122)、增加毛細管溫度降(124)、控制毛細管質量流(126)，且其全部都增加焦耳湯姆森冷卻與冷凝處理(128)。同樣地，圖4A的方法與裝置增加微觀與微小固體(130)的產生。
對照下，使用內徑(例如)0.020、0.030、0.040、0.060、和0.080英吋之一或多個毛細管、結合微計量閥及使用飽和液態二氧化碳之於先前技術所討論的CO2複合噴霧無法提供精確質量控制(及產生均勻微觀CO2粒子)、且經由從近似零流到最大流的整個質量流範圍內為線性。使用內徑低於0.020英吋的毛細管不會產生較小粒子的較小質量流，但當擴大成較大直徑毛細管段，亦產生不不均勻的粒子流(即是，增加變動、濺散與昇華損失)。例如，包含較小尺寸CO2粒子的較小質量流更容易受到先前技術(即是，美國專利案第'570號)中所呈現較長或階梯型毛細管轉移內的加熱與昇華之影響。同樣地，大量清潔或冷卻劑(固態CO2粒子)在轉移與在引用推進劑氣體以前會被破壞(昇華)，在噴霧處理下，在衝擊表面之前，其本身使該殘留CO2粒子群之一部分進一步昇華。
在已如此描述用於產生小量微觀CO2晶粒的高壓EJTMC冷凝器組件的較佳具體實施例，圖4B示意說明本發明的濃密流體粒子推進混合與噴霧輸送嘴(亦稱為「混合器」)具體實施例。本具體實施例在本發明中提供一些有用功能。在本具體實 施例之一第一態樣中，由圖4A的EJTMC裝置與製程產生的CO2微晶粒(與冷濃密蒸氣)進一步修改，以透過可調整(原位)超冷與晶粒生長製程增加粒子大小。在本具體實施例之一第二態樣中，CO2粒子流的壓力與流率係與推進劑氣體流的壓力與流率呈機械性平衡，以最佳化CO2粒子加速與粒子守恆(即是，避免過度湍流混合)。在本具體實施例之一第三態樣中，CO2粒子流為透過內共軸與縱向兩者的精確機械式對準而注入在噴嘴體(且進入推進劑氣體流)內。
在圖4A描述的EJTMC裝置與製程產生非常小量的相對高壓、快速移動、與超細CO2粒子，亦稱為「微粒子」，其包含在冷CO2蒸氣內，從高壓冷凝器EJTMC組件(圖4A(106))的末端部排出。本發明產生的CO2微粒子是在短且小容積膨脹管內生長(晶狀)成有用的大小。其後，生長的晶粒與殘留的CO2蒸氣為共軸注入在推進劑氣體流內的精確位置，且在噴嘴的混合區域內具壓力平衡與精確共軸注入。冷微粒子與蒸氣混合係注入可調整膨脹微腔，因此，冷CO2微粒子可根據下列機構以累積粒子質量：突然膨脹期間的快速壓力與溫度降導致濃密冷蒸氣凝結成固態微粒子，成為冷沸騰液態薄膜，其然後進一步凝結成凍固態表面層。膨脹冷凝處理發生在非常短行逕與相當小的膨脹容積內。膨脹容積決定晶粒生長量，且粒子為層層生長，直到最後注入及混合在膨脹管的末端部處的推進氣流。此外，從冷凝器EJTMC組件(圖4A(106))排出的較高壓力、低流CO2微粒子與蒸氣，與膨脹腔產生的CO2微粒子與蒸氣的膨脹混合必須與在噴嘴組件內的相當高流率、低壓推進劑氣體形成 平衡，以除去湍流。關於此，本具體實施例的膨脹管組件提供有能力在混合期間，機械性調整(或平衡)兩流間的壓力與流率。
請即參考圖4B，在可動或定位可調毛細管段(500)(如雙箭號(501)所示)內流動的微量CO2微粒子與濃密冷CO2蒸氣(如小箭號(496)所示)是在(且沿著)縱向行逕熱絕緣(選擇性)硬膨脹管組件(502)內的不同位置處，選擇性結合與凝結(如較大箭號(498)所示)，其可釋放在膨脹處理期間形成的靜電放電。可調膨脹管組件(502)可例如使用涵蓋不鏽鋼毛細管(506)的全部或部分鐵氟龍(Teflon)熱收縮絕緣(504)構成。相較於毛細管注入管(510)的外徑，不鏽鋼毛細管(506)有略為較大的內徑(508)。假設此配置，內毛細管段(500)可在沿著硬膨脹管(506)中內部的任何地方選擇性重新定位。彈性體螺帽與無凸緣箍密封組件(512)(例如)可用來將毛細管段(500)固定至膨脹管組件(502)。可動毛細管段(500)與硬膨脹管(506)如此在其形成可調整與微觀膨脹容積(514)，標示為「V1」。硬膨脹管(506)本身安置在一外部共軸推進噴嘴(518)的喉部(516)內，該外部共軸推進噴嘴係接近推進噴嘴出口(520)，如此在其形成可調整粒子推進混合容積(522)，標示為「V2」。一彈性體螺帽與無凸緣箍密封組件(未顯示)(例如)可用來將噴嘴膨脹管組件(502)固定至推進噴嘴組件(524)。濃密流體推進劑氣體(525)(諸如，清潔乾空氣、氮、或二氧化碳)加熱在約60℉至約300℉範圍，且在選擇性絕緣硬膨脹管組件(502)共軸流動(526)，混合及加速來自推進噴嘴出口(520)的膨脹CO2粒子。
圖4B-I和圖4B-II描述在圖4B描述的新膨脹裝置的操作。可動毛細管段(500)可位在從硬膨脹管(506)的末端部(圖4B-I，(528))至其的入口部(圖4B-II，530)的任何地方。硬膨脹管(506)的長度最好構成介於約0.5英吋至8英吋長度範圍，且內徑介於約0.0625英吋至0.250英吋範圍，以調適具略微較小外徑的可動毛細管段，例如從約0.06英吋至0.20英吋。符合本說明書討論之可調性需求的毛細管段(500)與膨脹管(506)之其他組合可使用。一較大膨脹容積V1(圖4B，(514))產生較大CO2晶粒(圖4B-II，(532))。一較小膨脹容積V1(圖4B，(514))產生較小粒子(圖4B-I，(534))。同樣地，且使用本具體實施例，可使用如所述的簡單可動管中管膨脹裝置，將粒子大小從細粒(小V1)調整到粗粒(大V1)。本具體實施例亦可當作一精確的「粒子進入推進注入對準管」使用。混合容積V2(圖4B，(522))與推進劑氣體(圖4B，(525))流率(壓力)可經由噴嘴喉部(圖4B，(516))內之膨脹管(圖4B，(506))的原位調整而平衡，以調適膨脹流體壓力流與濃密流體推進劑氣體壓力流之間的差異。
先前技術且由第一發明人發展的CO2粒子生長方法不適合使用在本發明。下列討論比較及對比圖4B、圖4B-I、和圖4B-II的新粒子大小調整裝置與美國專利案第5,725,154號(第'154號)與美國專利案第7,134,946號(第'946號)描述的膨脹裝置。
第'154號的裝置是在內部固定位置雪樣管(第'154號，圖11，(22))上移動推進噴嘴體(第'154號，圖10，(投射14))。此 外，第'154號描述的裝置利用一螺紋調整部(第'154號，圖10，(投射14))以提供CO2粒子氣體膨脹容積變化。螺紋調整特徵在調整期間產生微觀粒子，且如此無法用於精確粒子移除應用。此外，第'154號中使用的膨脹容積是利用一分流孔(第'154號，圖11，(136))，以在完全開啟(最大膨脹容積)之時，產生高度非線性壓力梯度且受到「阻塞」或「濺散」。相反地，圖4B的器件為清潔器件，其利用管中管調整與無凸緣箍密封機構，且在調整期間產生線性容積壓力梯度。此外，相較於第'154號的一分流膨脹孔，圖4B提供的膨脹器件有較大範圍的粒子大小控制。
請即重新參第'946號，彈性PEEK管的不同長度與漸增直徑(第'946號，圖6)串連形成含一推進管之任何種類的膨脹管組件。第'946號膨脹系統不受歡迎，無法原位調整，且不提供精確推進注入控制。而且，個別的膨脹段容積或膨脹系統的末端定位無法在推進管內原位調整。例如，第'946號(圖6)的CO2粒子膨脹系統需要完全拆解在第'946號(圖5)中顯示的共軸噴霧器器件；移除舊的階梯型膨脹管組件與安裝新的階梯型膨脹管組件；及重新組裝整個共軸噴霧器系統，以達成CO2膨脹與結晶處理的變化。仍且，整個毛細管冷凝器系統必須對準推進噴嘴，以平衡毛細管與濃密流體推進劑氣體壓力與流率。而且，第'946號的階梯型配置無法實際使用在本發明所使用的微觀量液態二氧化碳。在本發明產生的微量微觀CO2粒子在推進注入點之前的長膨脹距離期間會完全昇華。此外，需要單獨置中器件以將第'946號的末端彈性毛細管段定位在噴嘴的末端 部內。
圖5使用狀態圖以示意說明飽和液態CO2、過飽和液態CO2、與超臨界CO2之間的差異。狀態圖(150)顯示以CO2為主之壓力(152)與溫度(154)的不同狀態。水蒸氣-液態飽和線(156)代表利用氣體飽和液態CO2的習知毛細管冷凝器的沸騰P-T曲線，其典型範圍為沿著介於約750psi至875psi壓力範圍、與介於約10℃和25℃溫度範圍之飽和線(156)的某處。相反地，本發明利用高壓CO2流體，其為過飽和液態(158)或超臨界CO2(160)，其超過飽和線，典型超過1070psi的CO2決定性壓力線(162)，介於約900psi至10,000psi壓力範圍與介於約10℃和35℃溫度範圍。過飽和液態在沿著近似室溫的非常廣泛壓力範圍會呈現小變化的穩定、近似最大液體密度，如本說明書的圖2所討論。當超臨界流體壓縮成較高於2000psi的流體壓力，其可能呈現非常高近似液體密度，不具表面張力且具非常低的黏質，且在本發明用於注入非常長EJTMC毛細管冷凝器組件，如本說明書的圖4A所討論。
圖6示意說明本發明使用使用高壓增強焦耳湯姆森微毛細管冷凝技術，其將過飽和液態CO2質量流控制與高壓微毛細管冷凝當作主動控制方案使用，用以提供改善的超低質量流與粒子密度控制。請即參考圖6，本發明針對毛細管冷凝處理提供穩定的過飽和液態CO2(或超臨界CO2)來源，以產生均勻與穩定CO2粒子供應，用以注入及混合具恆定壓力與溫度之推進劑氣體。此穩定性的理由(且如本說明書的討論)有關一些關鍵 性因素，包括；除去有關在移開與使用期間，大量CO2氣體供應箱壓力與溫度變化的先前技術限制；環境溫度變化(諸如，工廠溫度與外部儲箱與輸送系統溫度)、從來源到天花板或地板到清潔系統的CO2氣體供應線內的溫度變化、高壓氣體輸送系統供應壓力與溫度的變化、與用來將輸送的高壓氣體凝結成冷飽和液態CO2供應的致冷劑冷凝器系統之內部壓力與溫度的變化。
此造成高度穩定與可預期的液態CO2原料(202)供應，其歸於產生恒定密度(204)、恒定毛細管沸騰密度、與粒子大小和密度(206)的結果穩定與控制，且在注入(208)及混合加熱的推進劑氣體(210)之後，產生CO2粒子與推進劑氣體的穩定CO2複合噴霧成份(212)，其在投射(214)在表面之時，產生穩定的清潔(或冷卻)率(216)。
本發明控制構件涉及一主動式方案(218)，藉此CO2供應受控制，如本說明書的討論，且毛細管注入壓力(220)可視需要加以手動或自動調整，以產生不同CO2複合噴霧粒子注入率與成份(212)。因此，本發明可隨著時間維持可接收的上限控制成份(222)與下限控制成份(224)之間的較小範圍。對於非常低液態CO2注入率與毛細管流率(小毛細管直徑)，可去除先前技術限制。
在已描述本發明及其超過先前技術的優點之後，下列詳細討論將分別示意說明圖7和8的兩新方法與裝置，用於產生使 用在本發明的飽和液態CO2的低容積供應。
圖7示意說明本發明之一具體實施例，其包含一示範性旋流型冷凝系統，以產生飽和液態CO2原料以使用在本發明。請即參考圖7，一旋流器件(300)用來產生一熱氣流(302)與一冷氣流(304)。冷氣流(304)為流體連通一管中管熱交換器(308)的外絕緣管(306)(例如一聚亞安酯管)的入口，且在一內熱導管(312)(例如一銅管)是以逆流方向(310)流動，該內熱導管為流體連通CO2氣體(314)的來源，該CO2氣體是在介於750psi與850psi範圍壓力流過內熱導管(312)。流過內熱導管(312)的CO2氣體為沿著圖5的飽和線(156)而凝結(在飽和壓力)成飽和液態CO2(316)的原料，該內熱導管為流體連通圖4A的裝置(318)；其產生CO2粒子的穩定供應，用以注入(319)一共軸推進混合管與噴嘴(324)。
作為一種用於改善旋流型致冷技術效率之新構件，本發明使用如前述的管中管熱交換器與流方案，以用於旋流器件(300)產生的熱氣流(302)。熱空氣係逆流過熱絕緣導管(320)，該熱絕緣導管包含用以流動推進劑氣體之一內熱導管(322)。流過內熱導管(322)的推進劑氣體會被加熱且供應給示範性共軸推進混合管與噴嘴(324)。
如本發明使用的旋流器件提供CO2凝結與推進劑氣體加熱功能兩者，其可節約能量，且改善小容積供應系統的整體系統效率以使用在本發明。旋流器件可從一些來源取得且有廣泛 冷卻(與加熱)能力。
圖8示意說明本發明之一具體實施例，其包括一示範性皮爾特(Peltier)型致冷系統，以產生飽和液態CO2原料供應以使用在本發明。請即參考圖8，一電子致冷器(Peltier Device)(400)用來產生一熱側端(402)與一冷側端(404)。冷側端(404)配對一殼管型熱交換器(408)，其包含一內熱導管(412)(例如銅管)，其為流體連通CO2氣體(414)的來源，在750psi與850psi壓力範圍流過內熱導管(412)。流過內熱導管(412)的CO2氣體(414)沿著圖5的飽和線(156)而凝結(在飽和壓力)成飽和液態CO2(416)的原料，該內熱導管為流體連通圖4A的裝置(418)；其產生CO2粒子的穩定供應，用以注入(419)一共軸推進混合管與噴嘴(424)。
作為一種用於改善皮爾特(Peltier)致冷技術的效率之新方法，本發明使用如前述的殼管式熱交換器與流方案，用於由電子致冷器(Peltier Device)(400)產生的熱側端(402)。熱側端可配對殼管式熱交換器(430)，該熱交換器包含一內熱導管(432)(例如銅管)，該導管為流體連通推進劑氣體來源(434)。流過內熱導管(432)的推進劑氣體來源(434)會被加熱產生加熱的推進劑氣體(435)，供應給示範性共軸推進混合管與噴嘴(424)。
如本發明使用的電子致冷器(Peltier Device)提供CO2凝結與推進加熱功能兩者，其可節約能量，且可改善用於小容積供應系統的整體系統效率，以使用在本發明使用。電子致冷器 (Peltier device)可從一些來源取得且有廣泛冷卻(與加熱)能力。
實驗1
在已如此描述有關CO2粒子產生的本發明之較佳與示範性具體實施例，下列參考圖9A、9B、9C、9D、9E和9F的討論詳細說用實驗測試、結果、與分析，其經由相較且對比於利用先前技術(特別係先前技術)的本發明與美國專利案第'5,725,154號(美國專利案第'154號)所述及操作的第一代噴霧清潔系統；及利用先前技術的本發明與美國專利案第'7,451,941號(美國專利案第'941號)噴霧系統方案(使用美國專利案第7,293,570號(美國專利案第'570號)所述階梯型毛細管系統修改)所述及操作的第二代噴霧清潔系統之間的效能特徵。所有CO2複合噴霧清潔系統是在等同濃密流體推進劑氣體壓力與溫度條件之下經過試驗。
本發明的試驗裝置與條件：
在美國專利案第'7,451,941號(美國專利案第'941號)中所述，稱為PowerSnoTM CO2複合噴霧清潔系統的商用CO2複合噴霧系統(由美國加州聖塔克萊利塔市CleanLogix LLC公司製造的型號PS6000)是利用本發明修改。系統修改包含圖4A(高壓毛細管冷凝器組件)和圖4B(噴嘴)的裝置。修改的噴霧系統使用如表1所述的主要處理試驗參數來設定及操作。由圖4A的0.008英吋內徑EJTMC組件(106)(12英吋長度)產生的CO2 「微粒子」饋入圖4B的可調整噴霧餵噴嘴，且在注入(及混合)圖4B的推進劑氣體(525)流之前，利用示範性膨脹室(如圖4B的6英吋長x0.0625英吋內徑膨脹容積(514))擴大成粗粒子饋流。
先前技術的試驗裝置與狀況：
用來示範第一代噴霧系統(美國專利案第5,725,154號(美國專利案第'154號))的噴霧效能之裝置包含美國加州聖塔克萊利塔市Deflex Corporation公司所製造型號MS6000的MicroSnoTM CO2噴霧清潔系統，其使用內徑0.030英吋(外徑0.0625英吋)PEEK共軸CO2冷凝器毛細管的單段36英吋長 度。如表2所示，有關濃密流體推進劑氣體類型、溫度、與壓力的主要試驗參數為等同於本發明使用的試驗條件，且使用美國專利案第'154號的毛細管凝結與噴嘴混合方案。
用來示範第二代噴霧系統的噴霧效能(其使用美國專利案第7,293,570號(美國專利案第'5701號)所修改的美國專利案第7,451,941號(美國專利案第'941號)噴霧系統方案)之裝置包含美國加州聖塔克萊利塔市CleanLogix LLC公司製造型號PS6000的PowerSnoTM CO2複合噴霧清潔系統，其使用「階梯型」增強型焦耳湯姆森毛細管(EJTC)冷凝器系統，該系統包含內徑0.030英吋(外徑0.0625英吋)PEEK毛細管之30英吋管段，該管段為連接一內徑0.070英吋(外徑0.125英吋)PEEK毛 細管之30英吋管段。如表3所示，用於濃密流體推進劑氣體類型、溫度、與壓力的主要試驗參數等同本發明使用的試驗條件，且分別使用美國專利案第'941號(EJTC凝結器噴嘴方案)與美國專利案第'570號(階梯型毛細管方案)的毛細管冷凝與噴嘴混合方案。
噴霧力試驗裝置與方法：
本發明與先前技術系統(即為美國專利案第'154號(第一代噴霧)與美國專利案第'570/'941號(第二代噴霧))是在相同推進劑氣體壓力與溫度之下試驗，以決定最大可達成噴霧衝擊壓力。請即參考圖9A，包含使用圖4A(600)和圖4B(602)(噴嘴) 的裝置修改的先前技術PowerSnoTM Model PS600 CO2噴霧系統之本發明係與噴嘴2英吋(604)一起安置，其為取自美國麻薩諸塞州波士頓市Tekscan公司的2英吋矩形塊的FujiFilmTM Malar微封裝接觸壓力試驗膜(606)，其膠貼在金屬片支撐基板(608)。各種不同類型FujiFilm衝擊應力膜可取自Tekscan公司，其壓力範圍從0.1MPa至130MPa。請即重新參考圖9A，最初的試驗使用圖4A(600)和圖4B(602)的PowerSno修改以產生CO2複合噴霧(610)，且使用在表1列出的噴霧試驗參數(粗粒子流)，其是在約90°的衝擊角度在試驗膜(606)進行約60秒鐘，以達成全膜彩色顯影。噴霧衝擊應力是在壓敏膜上指出，受衝擊膜的顏色變化範圍從無色至淡粉紅色、與暗紅色(最高衝擊應力)。值得注意，使用本發明的噴霧衝擊試驗幾乎立即實體損壞FujiFilm HS高壓膜(50-100MPa範圍)表面，其在噴霧(612)的周邊產生暗紅色，指出約80MPa的剪應力，且在噴霧(614)的中心完全蝕刻除聚脂膜，指出剪應力大於100MPa。此損壞需要非常快速在試驗膜上移動噴霧頭，以完成60秒暴露週期，產生較淡微紅色顯影圖案(616)。FujiFilm壓力試驗膜(其範圍從低壓範圍至高壓範圍)供應膜顏色與壓力關聯圖。使用FujiFilm HS高壓膜圖(618)，本發明的噴霧試驗指出最大衝擊壓力介於噴霧周邊處的80MPa(620)至噴霧中心處的高達100MPa範圍，且基於膜(622)的實際損壞甚至更高。同樣地，在此實驗之下接受的可靠薄膜壓力測量以用於比較與討論結果認為非常保守，且明顯大於可能超過在本說明書報告的最大剪應力值。
其後，使用先前技術CO2噴霧系統(美國專利案第'154號與美國專利案第'570/'941號)執行相同噴霧衝擊試驗程序，且分別使用在表2與表3列出的噴霧試驗條件。這些噴霧試驗需使使用較低壓力膜，在第'570/'941號使用FujiFilm LS(10-50MPa範圍)，且在第'154號使用LW(2.5-10MPa範圍)，由於兩先前技術系統產生較低的衝擊應力。應注意，在噴霧衝擊試驗期間，先前技術系統未實際損壞壓力敏感聚脂膜表面。
結果：
噴霧衝擊試驗揭露預期與意外結果兩者。請即參考圖9B，如期望，由使用階梯型毛細管方案的第二代美國專利案第'570/'941號CO2噴霧系統所產生的含粗粒子噴霧流產生約500%的衝擊剪壓力，其大於在第一代美國專利案第'154號CO2噴霧系統試驗中所使用的單件毛細管系統。美國專利案第'570/'941號系統的峰值剪應力(700)(0.030/0/070階梯型毛細管)產生約60MPa，且美國專利案第'154號系統的峰值剪應力(702)(0.030毛細管)達成約10MPa，其分別使用在表3與表2列出的主要噴霧處理條件。
使用圖4A和圖4B的高壓微毛細管冷凝處理與膨脹處理之本發明的實際噴霧影響結果(704)產生粗粒子噴霧流分別產生(至少)80MPa的高衝擊剪應力，其大於使用在美國專利案第'154號噴霧試驗的單件毛細管系統700%，且大於使用在美國專利案第'570/'941號處理的階梯型毛細管增強超過33%。最特 別地，本發明使用較小的粒子(肉眼實際無法見到)且約88%少用CO2，指出具優越CO2節省有效運用的更大能量噴霧處理。噴霧試驗實驗亦進行以決定本發明的範疇。此可藉由調整圖4B的示範性噴嘴的膨脹容積(V1)達成，以在其提供最小膨脹容積與最大體積。能量微觀粒子流產生剪應力少於2MPa(在100psi推進劑壓力)到至少80MPa。
結果的討論：
本發明的針對性效能目標是要在只使用非常小量CO2之時，產生適當的清潔力。同樣地，在圖9B，本發明的實際噴霧影響結果(704)是相當意外且顯得違反直覺。噴霧試驗實驗重複數次，以確定在此報告的結果。請即重新參考圖9B，預期的結果在於，本發明產生的較小與更少粒子(即是，微粒子)產生的噴霧衝擊少於美國專利案第'570/'941號的峰值剪應力(700)、或可能甚至少於美國專利案第'154號的峰值剪應力(702)。此開始的邏輯與預期似乎適當，假設在基於粒子大小(假設所有關鍵噴霧參數微維護相同)的兩先前技術系統之間建立噴霧力依存性。
相當明顯，本發明產生多種噴霧衝擊應力，從小於美國專利案第'154號(如預期)有關所要產生特細粒子至大於美國專利案第'570/'941號有關較粗粒子(非預期)，且經過證明，此可調整噴霧力範圍使用的CO2少於先前技術噴霧系統的80%+。
本發明的重要效能利用比較經試驗的三個噴霧系統之間的噴霧效能比而適當示範。一效能比(PR，Pperformance Ratio)是將最大剪應力(MPa)除以CO2使用(磅/小時)而計算出。請即參考圖9C，使用0.030英吋毛細管冷凝器的第一代CO2複合噴霧系統(美國專利案第'154號)認為是基準點，且效能比值為10Mpa除以10磅/小時或PR=1(800)。使用階梯型0.030/0.070英吋毛細管冷凝器的美國專利案第'570/'941號噴霧系統效能比提供PR=6(802)或5倍(5x)大於美國專利案第'154號的最大效能比。本發明產生PR=64(804)，其為64倍(64x)大於美國專利案第'154號噴霧系統、與11倍(11x)大於美國專利案第'570/'941號噴霧系統。
對照於先前技術CO2噴霧，下列提供關於本發明的增強效能之可能解釋。將微粒子(Microseed)高壓毛細管注入圖4B的小膨脹室(514)產生較小與較硬CO2粒子，該等粒子有較高密度，且其以較高速度移動，產生更大能量表面衝擊。此假定的證據是在粒子膨脹(即是，最大V1)期間出現相當宏亮噴射爆裂音，其不會出現在此試驗的先前技術。噴射爆裂音發生在超音速噴流(請參考在2013年5月27-29日，由巴爾斯等人在AIAA期刊發表名稱「Quantifying crackle-inducing acoustic shock-structures emitted by a fully-expanded Mach 3 jet」)。
另一因素是表面衝擊密度。更多與較小粒子增加在基體表面介面處的接觸面積。高頻能量衝擊產生較高噴濺的流出速度及產生較高卸載應力。
關於此，可能最重要因素之一是CO2複合噴霧幾何。CO2複合噴霧在先前技術中呈現反常，且已在本說明書討論，包括噴霧脈動與噴霧粒子密度起伏。這些缺點主要是在注入毛細管冷凝器組件期間改變飽和液態CO2的壓力與溫度調件所引起。先前技術呈現的另一噴霧反常為噴霧旋流或旋轉。噴霧旋轉是在CO2粒子從毛細管冷凝器(不管類型)混合在推進劑氣體之後發生。粒子推進劑氣體速度、密度與溫度之間的變化造成旋流、熱流與阻力，其全部視為旋轉噴霧流，所謂的開爾文赫爾姆霍茲(Kelvin-Helmholtz)不穩安性。這些反常造成減少所要處理表面的噴霧清潔或冷卻能量。請即參考圖9D，先前技術噴霧(900)在正常室光中產生肉眼可見的脈動與旋流粒子氣體流(902)。
本發明是在可調整噴嘴組件內利用高壓微毛細管冷凝結合壓力平衡以解決先前技術噴霧缺點。請即參考圖9E，本發明產生穩定狀態非噴射旋流(904)，其在正常室光(906)且在沒有照明(908)下，肉眼幾乎無法感受到。而且，請即參考圖9F，本發明產生的CO2複合噴霧(910)實際上相當濃密，當使用鮮明白光照明(912)時，發現含無數硬、快速移動微觀CO2粒子。而且，本發明示範及確定流動流平衡，此經由噴霧流內沒有旋流而證明。一般相信，本發明使用的超臨界流體壓力條件產生微細化效果，類超臨界溶液快速膨脹(Rapid Expansion of Supercritical Solution)處理，其中，高壓縮CO2流體快速膨脹以產生固態二氧化碳的更多微觀晶粒，相較於先前技術，其有 非常高表面區域、較高密度與較高軌道速度(即是，較少阻力)。同樣地，本發明示範的實驗結果指出高頻率、高能量、與密裝表面衝擊、且具最小推進劑粒子混合湍流。
實驗2
進行實驗以決定CO2複合噴霧的噴霧混合溫度與EJTMC組件內的微毛細管壓力變化之間的關係。
噴霧力試驗裝置與方法：
本發明經過試驗以決定示範性高壓微毛細管的複合噴霧混合溫度變化，而維持固定混合推進劑氣體(清潔乾空氣)壓力、流率與溫度。本實驗的試驗裝置包括利用圖4A和圖4B的裝置修改的先前技術PowerSnoTM Model PS6000 CO2噴霧系統。圖4B的混合噴嘴置放於距離K-Type熱電偶的0.25英吋處，該熱電偶連接一數位溫度計(取自Omega Engineering公司的Omega Model CL23A)。圖4A的高壓冷凝器EJTMC組件(106)包括一12英吋長微毛細管，其內徑為0.008英吋，共軸(且可調整)置於圖4B的噴嘴裝置內。如此描述的共軸CO2複合噴霧組件是在推進劑氣體流固定在壓力70psi、溫度固定在20℃、且推進劑氣體流率約2scfm之條件下操作。微毛細管EJTMC組件的液態CO2供應壓力可在0psi(沒有注入)至2000psi範圍內步進調整。在每個過飽和注入壓力步驟，測量及記錄該混合噴霧溫度。
結果：
表4概括描述一些微毛細管壓力值的可再生噴霧混合溫度。
結果的討論
請即參考圖10，在從900psi(1000)至2000psi(1002)範圍內的噴霧溫度與毛細管壓力數據比較提供一相當線性曲線(1004)。該線性曲線取決於試驗範圍。例如，當依組態的試驗裝置使用在機械操作或冷卻應用內，藉由根據圖10顯示的曲線方程(1006)來改變EJTMC過飽和壓力，以提供可調整噴霧混合溫度，如一範例所示。有趣地係，當毛細管壓力增加時，整體的混合噴霧壓力不會明顯增加，不過，在混合的複合噴霧中呈現可見的冷卻粒子數量會增加。此指出增強的焦耳湯姆森 冷卻、與液態至固體的轉變，由於增加在微毛細管組件內的壓力降(與溫度降)。
在此藉由參考圖1至圖10描述在本說明書描述的產生增強CO2粒子噴霧的較佳具體實施例，下列參考圖11至圖17的討論描述用以監督及控制由本發明所產生CO2複合噴霧的較佳具體實施例，其利用整合在一CO2複合噴霧產生器之一連貫或不連貫的光源、一光偵測器、與一電腦器件。
圖11示意說明CO2複合噴霧的普通各種不同化學物的示範性吸收輪廓。在CO2複合噴霧內發現的普通化學物包括空氣(氮、氧)、二氧化碳與水蒸氣(特意地，從大氣注入或凝結)。如圖11所示，每個複合物有獨特的吸收特徵或輪廓，例如，二氧化碳在紅外線區域吸收(2002)、氧和臭氧在紫外線區域吸收(2004)、且水蒸氣在可見至紅外線區域吸收(2006)。二氧化碳、氧/臭氧與水的重疊示範從紫外線至紅外線區域的明顯吸收量(2008)。本發明提供用以區別CO2複合噴霧成份之各種不同以光為主的構件，及在清潔、冷卻與機械操作中，可利用此資訊針對最佳噴霧效能以調整(及維持)個別成份。
圖12示意說明用於輪廓化CO2複合噴霧之以光為主的成份與結構分析系統的裝置具體實施例。請即參考圖12，一CO2複合噴嘴與噴霧羽流(2010)位在光束(2012)之間，該光束源自一些光源(2014)，包括寬譜氘、鎢、及/或鹵素，其操作介於200nm(奈米)與2500nm(奈米)範圍；以及源自LED或雷射的多個 特定光譜來源。已通過噴霧羽流(2010)之一或多個部分的傳輸光(2016)透過管子輸送至一光度計分析儀或光偵測器(2018)。適於實施本發明的示範性偵測器(2018)包括各種不同分光光度計(可取自美國佛羅里達州達尼丁市的Ocean Optics公司)與以光二極體為主的光偵測器(可取自美國麻薩諸塞州紐伯里波特市的Gigahertz-Optik公司)。各種不同類型分析可在傳輸光(2016)進行，且其取決於光源(2014)與偵測器(2018)的類型。示範性分析技術包括吸光率、螢光、反射、傳輸與拉曼測量。各種不同分析產生電值(2020)形式的數據集，其可經過正常化及處理以形成特定CO2複合噴霧的特徵或輪廓，具某種程度CO2粒子大小分布、粒子密度(推進劑粒子)、添加劑方案、壓力與溫度。例如，一或多個測量可在沿著行逕的不同位置處之縱向沿著噴霧羽流(2022)、或垂直(2023)面對噴霧羽流達成，以決定沿著其軌道(縱羽流測量)從在噴嘴出口至特定距離、或從噴嘴出口的預定距離處之從側對側(垂直羽流測量)的化學與物理態樣(及其變化)，包括化學含量與結構資訊兩者。
圖13示意說明使用在圖12描述的示範性系統，利用發光與光度計噴霧羽流數據建立成份元素(諸如CO2粒子密度、添加劑濃度、與含水量)的一上限控制(UCL)與下限控制(LCL)。請即參考圖13，在清潔、冷卻或機械操作內的施加噴霧期間，可對不同CO2複合噴霧建立源自分析數據(2030)的輪廓全集，且可用於對其調整或維持。上限控制(2032)與下限控制(2034)可建立，且其可由操作員或自動控制用來維持可接收限制內的各種不同噴霧成份。此一品管保証方案例如在精確粒子清潔應用是 非常有用，其中，在清潔率(次微米粒子移除率)與多重變化CO2粒子密度、粒子大小、噴霧壓力、與噴霧溫度之間存在者直接關聯性。
圖14示意說明源自CO2複合噴霧的發光測量的示範性噴霧輪廓。如圖14所示，使用圖12的裝置且例如使用一寬譜光源(諸如鹵素光與光二極體偵測器)可建立噴霧輪廓，以測量通過噴霧羽流的光傳輸變化。在沿著噴霧羽流之一或多個預定點上使用圖12的分析裝置可產生特徵或輪廓，此取決於多重噴霧成份變數，包括CO2粒子密度、粒子大小分布、推進劑壓力和混合溫度、添加劑和添加劑濃度。使在沿著噴霧羽流的不同位置(2042)處的百分比(%)光傳輸位準(2040)產生關聯可產生每個獨特CO2複合噴霧成份的獨特噴霧輪廓(P)。示範性噴霧輪廓包括一薄噴霧輪廓(2044)、一濃密噴霧輪廓(2046)、與一最佳噴霧輪廓(2048)，以針對特別噴霧應用處理最適宜成份。
源自本發明的最佳噴霧輪廓可進一步分析以決定特殊CO2複合噴霧成份的特徵值。圖15示意說明源自最佳輪廓曲線下方之區域的噴霧輪廓度量計算。此值在本說明書稱為噴霧輪廓指數(SPI，Spray Profile Index)且有助於快速估計與控制CO2複合噴霧。基本上，代表最適宜CO2複合噴霧羽流的代表性輪廓與具有獨特正常發光或光度計數據值(2052)的兩噴霧位置(2050)用來整合最佳曲線方程(2054)，以產生獨特SPI值(2056)。
本發明使用垂直與縱噴霧羽流分析兩者以特徵化CO2複合噴霧的成份與結構。如圖16所示，縱測量(2060)包括將所見到光的反射、吸收或螢光特性分析成移過偵測器、或傳輸光收集器件(2064)的噴霧羽流(2062)。垂直測量(2066)包括將所見到光的反射、吸收或螢光特性分析成移向偵測器、或傳輸光收集器件(2070)的噴霧羽流(2068)。
縱噴霧羽流測量通常產生發光或光度計輪廓(2072)，其特徵在於正常發光或光度計值(2078)與不同縱測量位置(2080)的比較圖中，接近噴嘴出口為最大吸收位準(2074)，在噴嘴出口的下游段為最小吸收位準(2076)。縱噴霧羽流分析用於決定沿著行逕各點處的噴霧羽流的長度及其直徑。此外，縱噴霧羽流分析用於使不同縱噴霧輪廓與粒子密度、粒子大小分布、粒子速度、壓力、與溫度產生關聯性。
垂直噴霧羽流測量通常產生的發光或光度計輪廓(2082)，其特徵在於正常發光或光度計值(2088)與不同垂直測量位置(2090)的比較圖中，接近噴霧羽流中心為最大吸收位準(2084)、且在噴霧羽流周邊為最小吸收位準(2086)。垂直噴霧羽流分析用於決定位於從噴嘴出口的不同距離處的噴霧羽流直徑，包括決定在共軸噴嘴內的CO2粒子注入毛細管的對準或定位。此外，垂直噴霧羽流分析用於使不同垂直噴霧輪廓與粒子密度、粒子大小分布、粒子速度、壓力、與溫度產生關聯性。
如本說明書的討論，先前技術並未說明在施加CO2複合噴霧期間，使用光度計方法以即時動態監督、控制、及改變CO2複合噴霧來處理基體的能力，例如在施加CO2複合噴霧期間，以在機械處理或精確噴霧清潔處理期間提供精確冷卻。
在一第一範例中，在施加CO2複合噴霧羽流期間，可使用紅外線(IR)感測器監督我要機械處理的基體，以在機械處理期間監督基體加熱，然後調整噴霧羽流以改變冷卻能力與清潔效果(即是，噴霧力)。不過，此為反作用的方式，機械處理的基體已太熱或太冷，且其後要調整噴霧羽流。此反作用控制方案無法將處理噴霧羽流即時特徵化為一種用於動態控制或改變有關一組特殊關鍵製程變數(諸如機械路徑、機械速度、機械供料率、切割深度、切割工具或塗層類型、或所要機器處理基體的成份)的條件(例如處理羽流熱能力)之構件。一改良方式(與本發明之態樣)是要檢查、關聯、及控制有關機械處理的關鍵製程變數的處理噴霧羽流成份，如此，變更可基於CO2複合噴霧產生器的預定機械命令輸出(即是，M-Code)的預期機械處理變化而即時達成。例如，在機械處理期間，可發展預定噴霧羽流輪廓，以在機械處理期間動態處理適當力、化學、與熱能力，以使用本發明來即時監督及控制該等輪廓。同樣地，紅外線(IR)感測器可當作一品管(即是，熱管理)測量工具使用，以與使用本發明針對機械處理及/或機械熱所發展的噴霧成份輪廓產生關聯性。
如另一範例，在精確噴霧清潔處理期間，在特定噴霧處理 時段期間維持精確噴霧羽流成份以提供噴霧清潔濃度是重要的。在施加處理噴霧期間之處理噴霧成份的任何變化會在所要處理的基體上導致表面清潔品質變化。此點已是個挑戰。一目前方法是要對基體過度處理，由於已知噴霧控制差異性，然後使用(例如)一光電子放射分析儀(即是，OSEE監督器)、衝擊剪應力膜、或表面粒子分析儀(即是，SurfScan器件)，以分析處理過(在此情況經過清潔)的基體表面。另一方法是使用計溫來離線分析處理噴霧，以對噴霧成份進行粗略調整，例如CO2粒子注入率，及線上將處理噴霧送回清潔處理。此對精確清潔處理是不連續，造成不必要的Takt時間，且造成不必要的表面清潔品質水準差異性。同樣地，本發明的關鍵性態樣是要即時監視噴霧羽流且維持恆定成份，以確保一致性的清潔處理。而且，本發明可視需要，利用本說明書描述的新潁以光為主的監督、分析與控制方案，對其進行動態改變，以調適精確清潔處理。如上述的示範性分析技術係與噴霧羽流指標值或輪廓有關聯，以針對特定類型基體、表面污染物(即是，粒子、殘留物、與熱)、與處理時間，最佳化精確清潔處理，以提供即時統計製程控制(SPC，Statistical Process Control)。
一種用於分析及控制CO2複合噴霧的特性之示範性系統是在圖17提供。顯示的示範性系統用來動態特徵化CO2複合噴霧羽流，且依需要將其調整以維持預定的成份；或者，在利用系統的基體處理以前、期間或其後，響應(或基於)例如系統外部的輸入，在該系統正在檢查要使用噴霧羽流處理的基體表面，即時動態改變噴霧羽流特性，包含壓力、溫度、CO2粒子 密度、或添加化學物。外部分析輸入器件可使用在本發明，例如一表面分析儀(諸如光激發電子發射(OSEE，Optically Stimulated Electron Emission)表面分析儀)、粒子測量系統、聲學震動測量計、或IR溫度計，以使處理噴霧羽流輪廓與最佳化移除或控制製程污染(殘留物、粒子或熱)所施加的精確清潔或機械處理產生關聯性。
請即參考圖17，使用在本具體實施例之一示範性噴霧系統包括一可調整CO2複合噴霧產生器系統(2100)、CO2噴霧輸送線(2102)、與CO2噴霧器噴嘴組件(2104)。適合使用在本具體實施例的示範性可調整CO2複合噴霧產生器與噴霧器是在美國專利申請案第5,725,154號、第7,451,941號、第7,901,540號、與第8,021,489號描述，且包括本發明的增強CO2粒子產生具體實施例，例如，在圖4A和圖4B描述的方法與裝置。這些示範性CO2複合噴霧產生與應用系統產生CO2複合噴霧或處理羽流(2106)，其含有一可調整成份，包含推進劑氣體流率、壓力和溫度、CO2粒子密度和粒子大小分布、與選擇性化學和物理添加劑。所有CO2複合噴霧共同點是在處理噴霧羽流的特性與一致性、及其在特別精確清潔、機械操作或冷卻應用的效能之間的關係。如此，非常重要的是可在該應用處理期間對其監督、維持、調整。
同樣地及請即重新參考圖17，本具體實施例提供一光源(2108)，以產生光束(2110)，該光束會沿著從一第一位置(2112)行逕至一第二位置(2114)傳遞至噴霧羽流之一部分，以產生該 羽流的衰減光輪廓(類似特徵)，如圖16描述。光源(2108)可為任何變化，包括雷射、LED、或鹵素。光源(2108)可固定、移動；或者，數個光源可沿著噴霧或處理羽流(2106)的行逕以陣列方式使用。或者，噴霧或處理羽流(2106)可從該第一位置(2112)至該第二位置(2114)向後或向前移動以產生輪廓。已通過噴霧或處理羽流(2106)之一或多個吸收、反射或衰減光束(2116)是由一或多個光收集器或反射器(2118)接收，其相對連接一或多個感測器電纜(2120)至一或多個放大器(2122)，將衰減的光束轉換成電流或電壓信號，利用一或多個電纜(2124)分送給電腦處理器(2126)。電腦處理器可為任何變化，包括工業電腦，具類比輸入卡與軟體、或一處理邏輯控制器(PLC，Process Logic Controller)與軟體，以執行羽流輪廓分析與計算，如圖16所述。或者，該(等)感測器電纜(2120)與放大器(2122)可被一光纖感測器、光纖電纜、與分光光度計(全未顯示)取代，以利用特殊波長吸光率、螢光、或拉曼分光鏡分析來提供處理羽流的化學分析。電腦處理器(2126)與軟體分析噴霧羽流、執行(例如)如圖16所述的分析，且依需要進行CO2複合噴霧產生器系統(2100)的調整，以維持(或改變)特別處理羽流特性。此調整可使用具電腦處理器(2126)的適當數位輸出器件來執行，其相對連接一控制電纜(2128)至CO2複合噴霧產生器系統(2100)，以視需要調整例如改變推進劑壓力與溫度、CO2粒子注入率、與添加劑，以在特殊清潔或機械應用方面，維持或改變處理羽流特性。
例如，關於本發明的增強CO2粒子產生與注入處理，該電 腦處理(2126)可增加或減少泵壓力(圖4A，(84))，以分別增加或減少在高壓EJTMC組件(圖4A，(106))內的微觀CO2粒子的產生率、與進入示範性混合噴嘴組件的隨後注入流量，該混合噴嘴組件包括一CO2粒子推進劑氣體預混合器與混合器組件，如圖4A所示。為了EJTMC流體注入壓力和溫度與CO2複合噴霧羽流粒子密度變化有關聯性，在過飽和二氧化碳(液體或超臨界)壓力與溫度輸入電腦處理器(2126)之時，位於泵(圖4A，(流體連通85))的排出側之壓力感測器(未顯示)與選擇性溫度感測器(未顯示)將可提供其測量。
此調整對於維持特定處理噴霧羽流特性或調整其以調適所需應用變化是必要的。例如，可能需要從較高噴霧壓力位準到較低噴霧壓力位準的推進劑壓力變化，且維持於所要清潔基體表面的更敏感部分、或增加CO2粒子注入率，以增加處理噴霧的熱能力以在機械操作的特定階段能有較佳處理更高的機械熱。同樣地，外部分析測量技術可連同本發明使用，以使噴霧羽流輪廓與特殊效能特性產生關聯性。請即重新參考圖17，例如，紅外線(IR)感測器(2130)與紅外線光束(2132)可用來產生有關基體(2134)表面溫度與噴霧或處理羽流(2106)輪廓比較的電腦查閱表。基體(2134)表面溫度可從紅外線感測器(2130)饋送(2136)，且饋送(2138)至電腦處理器(2126)內的熱電偶輸入卡(未顯示)。其他類型的外部分析測量技術(諸如OSEE)可用來使定量清潔處理效能(即是，表觀清潔率)與處理羽流輪廓互產生關聯性。
在已如此描述以光為主的監督與控制具體實施例的較佳態樣，下列討論示意說明本具體實施例的各種不同使用。
使用的範例
如圖11所述，每個成份具有獨特的吸收特徵或輪廓，即為紅外線區域的二氧化碳吸收(2002)、紫外線區域的氧與臭氧吸收(2004)、與可見至紅外線區域的水蒸氣吸收(2006)。二氧化碳、氧/臭氧與水的重疊示範從紫外線至紅外線區域的明顯吸收量(2008)。圖12、13、14和15的本說明書描述的以光為主的分析裝置與方法用於區別CO2複合噴霧的成份。
決定在CO2複合噴霧中的臭氧濃度
臭氧使用在CO2複合噴霧內，以增強在氧化與以氧氣處理機構兩者的清潔與機械效能，且隸屬於本發明之第一發明人的數個共同未決臨時專利申請案。CO2複合噴霧內的臭氧與氧位準的知識與控制對於處理最佳化與品質保証是重要的。請即參考圖11，臭氧在介於200nm(奈米)和300nm(奈米)、與500nm(奈米)和650nm(奈米)範圍的紫外線(UV)區域會強烈吸收(圖11，(2004))。使用在圖12所述裝置來分析在這些區域內或近似該區域的UV吸收特性產生吸收輪廓，使用圖15所述的SPI計算技術可使該吸收輪廓與CO2複合噴霧內的各種不同臭氧濃度產生關聯性。
決定CO2複合噴霧中的CO2粒子密度
CO2複合噴霧粒子大小與密度在清潔或機械操作內對噴霧功能的效能是重要因素。例如，在精確清潔操作方面，非常薄(低CO2粒子密度)與非常高溫度(高推進劑氣體溫度及/或質量流率)噴霧成份是想要的。在排熱、冷卻或機械應用方面，冷卻劑推進劑氣體流含有的非常粗粒(大尺寸)與濃厚(高密度)粒子流是想要的。同樣地，瞭解及控制CO2複合噴霧的粒子大小與密度的物理成份是重要的。在CO2複合噴霧含有的二氧化碳固體吸收可見與紅外線輻射。同樣地，兩光為型的分析方法可用來決定粒子濃度-[1]可見光吸光率與[2]近紅外線輻射吸收。請即參考圖11，二氧化碳在約2000nm(奈米)的近紅外線區域強烈吸收(圖11，(2002))。在此波長，利用圖12所述裝置、及使用分光光度計來分析NIR吸收特性產生吸收輪廓，使用圖15所述SPI計算技術使吸收輪廓與CO2複合噴霧內的各種不同二氧化碳濃度產生關聯性。SPI值將可說明CO2固態與水蒸氣濃度組合。或者，光二極體偵測器允許選擇性測量光衰減或黑暗化。發光SPI值選擇性描述CO2粒子濃度以及粒子大小變化。
決定CO2複合噴霧的乾燥
CO2複合噴霧乾燥(即是，呈現凝結水滴)在清潔或機械操作內對噴霧功能性效能是重要的因素。例如，超乾燥CO2複合噴霧代表非常薄(低CO2粒子密度)與高溫度(高推進劑氣體溫 度及/或質量流率)噴霧輪廓。超乾燥CO2複合噴霧在精確清潔應用方面是想要的，以避免大氣水蒸氣(與含有的有機和無機粒子與殘留物)凝結成CO2複合噴霧。請即參考圖11，水蒸氣在看見至800nm(奈米)與2000nm(奈米)範圍的近紅外線區域可強烈吸收(圖11，(2006))。採用在圖12所述的裝置及使用分光光度計以分析在此範圍的可見至NIR吸收特性可產生吸收輪廓，使用在圖15描述的SPI計算技術可使該吸收輪廓與CO2複合噴霧內的各種不同水蒸氣濃度有關聯性，有關CO2粒子密度與粒子大小、推進劑溫度與質量流、及大氣濕度。如此計算的SPI值說明各種不同CO2複合噴霧成份內的可凝結水蒸氣濃度。
本發明揭示一種使用在CO2複合噴霧製程中，用於產生、輸送及控制具有均勻密度與分布之微固態二氧化碳(CO2)粒子的微觀量之方法及裝置。毛細管冷凝器組件內的近飽和、或飽和液態二氧化碳的壓力為使用一高壓泵以選擇性壓縮成密度大於0.9ml/L，以形成過飽和液態(或超臨界)CO2原料，其有受控制與最佳液態CO2密度與溫度。一高壓微毛細管冷凝器組件用來在超低流率將精確過飽和液態CO2量有效率地轉換成微小與高能固態二氧化碳粒子的均勻質量、密度與分布。該等固態二氧化碳粒子利用調整注入泵壓力而選擇性注入一推進劑氣體流，以形成具有可變粒子密度的CO2複合噴霧。該噴霧成份為使用新的光度計即時監督及調整。光束通過CO2複合噴霧流的部分，其間使用一偵測器收集傳輸光且使用一電腦處理器件進行分析。光源包括寬光譜與特殊波長，諸如鹵素、氘、 雷射與LED，且工作在紫外線、可見紅外線區域。偵測器包括：簡單的光二極體偵測器，用以測量發光或強度；及更複雜的分析分光光度計。電腦處理器件包括一個人電腦或處理邏輯控制器。光吸收、反射及/或螢光數據係與CO2粒子密度與粒子大小、噴霧羽流長度、有機與無機噴霧添加劑、與水蒸氣含量有關聯。處理噴霧幾何可與各種不同計量儀和方法有關聯，且用來最佳化及控制CO2複合噴霧的精確清潔、機械操作、與冷卻處理。
依照需要，在本說明書揭露本發明的詳細具體實施例；不過，應明白，揭露的具體實施例只是本發明的示範性，其能以各種不同形式具體實施。因此，本說明書揭露的特定結構和功能細節不視為限制，而僅是文後申請專利範圍的基礎，且為用以對熟諳此技者說明在實際上任何適當詳細結構中，各種不同使用本發明的代表性基礎。此外，本說明書使用的術語和片語不是要限制；而是要提供對本發明描述的瞭解。如本說明書所使用的術語「一」定義為：一或一個以上。如本說明書所使用的術語「複數個」定義為：兩或兩個以上。如本說明書所使用的術語「另外」定義為至少一第二或多個。如本說明書所使用的術語「包括」及/或「具有」定義為包含(即是，開放性語言)。雖然不必然為直接連接，且不必然為機械連接，但如本說明書所使用的術語「耦合」定義為連接。
在文後申請專利範圍中，未明確說明用於執行特定功能的「構件」、或用於執行特定功能的「步驟」之任何元件並不解 釋為如在第35號美國法典(U.S.C.)的第112條第6段中詳述的「構件」或「步驟」。尤其，文後申請專利範圍中使用的「步驟」並不是要實施第35號美國法典第112條第6段中的規範。所有引用與參考的專利、專利申請案與文獻在此全部併入本文供參考。
80‧‧‧供應管
82‧‧‧注入口
84‧‧‧高壓液體泵
85‧‧‧流體連通
86‧‧‧儲存缸瓶
88‧‧‧數位溫度控制器
94‧‧‧過度液體容積釋放及返回
96‧‧‧原料供應線
98‧‧‧饋入
100‧‧‧壓縮空氣
102‧‧‧空氣驅動排氣段
104‧‧‧管對管熱交換器
106‧‧‧微毛細管段或微毛細管冷凝器束
110‧‧‧微毛細管
112‧‧‧微毛細管束組件
114‧‧‧流體連通
116‧‧‧濃密流推進混合器組件
118‧‧‧運輸毛細管段
120‧‧‧關聯圖
122‧‧‧毛細管壓力降
124‧‧‧毛細管溫度降
126‧‧‧毛細管質量流
128‧‧‧焦耳湯姆森冷卻與冷凝處理
130‧‧‧微觀與微小固體

Claims (46)

  1. 一種用於產生及調節推進劑氣體與二氧化碳流之噴霧裝置，包括：該二氧化碳處於一第一狀態，其為一飽和液態；壓縮處於該第一狀態之該二氧化碳，以形成一第二狀態，其在濃密大於0.9g/ml為過飽和；使用一高壓泵以調整該壓縮；凝結一微毛細管內處於該第二狀態之該二氧化碳以形成一第三狀態，其為一微觀固態；混合處於該第三狀態之該推進劑氣體與二氧化碳以形成該推進劑氣體與二氧化碳流；使用一高壓泵以調整該二氧化碳混合率；及藉此該推進劑氣體與二氧化碳流用來處理一基體表面。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中，該微毛細管為至少一高壓毛細管，用於接收過飽和二氧化碳。
  3. 如請求項2所述之裝置，其中，該微毛細管的長度為從6英吋至20英呎，外徑為從0.020英吋至0.125英吋、內徑為從25微米至0.010英吋。
  4. 如請求項2所述之裝置，其中，該微毛細管包括平行流配置之一或多個毛細管，其長度為從6英吋至20英呎，外徑為從0.020英吋至0.125英吋，且內徑為從25微米至0.010英吋。
  5. 如請求項2所述之裝置，其中，該微毛細管包括聚醚醚酮、或不銹鋼高壓毛細管。
  6. 如請求項1所述之裝置，其中，使用該高壓泵將處於該第一狀態之該二氧化碳壓縮成過飽和。
  7. 如請求項6所述之裝置，其中，該高壓泵將處於該第一狀態之該二氧化碳壓縮成該微毛細管，以形成處於該第二狀態之該二氧化碳，其為過飽和。
  8. 如請求項7所述之裝置，其中，該過飽和二氧化碳是在該微毛細管內壓縮成壓力介於900psi與10,000psi範圍。
  9. 如請求項8所述之裝置，其中，該過飽和二氧化碳壓縮成壓力介於1,000psi與5,000psi範圍。
  10. 如請求項7所述之裝置，其中，該過飽和二氧化碳為受熱控制在溫度介於5℃與40℃範圍。
  11. 如請求項10所述之裝置，其中，該過飽和二氧化碳為受熱控制在溫度介於10℃與25℃範圍。
  12. 如請求項1所述之裝置，其中，該推進劑氣體為清潔乾空氣、氮、氬或二氧化碳。
  13. 如請求項12所述之裝置，其中，該推進劑氣體為受熱控制在溫度介於5℃與250℃範圍。
  14. 如請求項1所述之裝置，其中，處於一第三狀態之該推進劑氣體與該二氧化碳為共軸混合。
  15. 如請求項1所述之裝置，其中，使用一可調整膨脹管混合處於一第三狀態之該推進劑氣體與該二氧化碳，用於接收由該加壓微毛細管所產生的處於一第三狀態之該二氧化碳。
  16. 如請求項1所述之裝置，其中，該飽和二氧化碳是在壓力介於500psi與900psi範圍。
  17. 如請求項1所述之裝置，其中，該飽和二氧化碳是在溫度介於5℃與40℃範圍。
  18. 如請求項1所述之裝置，其中，該過飽和二氧化碳為液態或超臨界流體。
  19. 如請求項1所述之裝置，其中，該處理噴霧在基體表面上產生剪應力介於10kPa和100MPa範圍。
  20. 如請求項1所述之裝置，其中，該處理噴霧在基體表面上產生溫度介於-40℃與200℃範圍。
  21. 如請求項1所述之裝置，其中，處於該第三狀態之該二氧化碳的注入率為介於每小時0.1lb(磅)與每小時20lb(磅)之間。
  22. 如請求項1所述之裝置，其中，該推進劑氣體與該二氧 化碳流為噴霧羽流，且使用光度計即時分析。
  23. 如請求項22所述之裝置，其中，該噴霧羽流具有幾何，該幾何具有一寬度、一高度、一長度、一成份、或一CO2粒子密度。
  24. 如請求項23所述之裝置，其中，該噴霧羽流的幾何為使用一推進劑氣體壓力、一推進劑氣體溫度、一添加劑濃度、或一CO2粒子濃度變化加以調整。
  25. 如請求項22所述之裝置，其中，該光度計使用一光源將直線於該噴霧羽流的光束從一第一位置傳輸至一第二位置。
  26. 如請求項25所述之裝置，其中，該第一位置至該第二位置定義該噴霧羽流的長度。
  27. 如請求項22所述之裝置，其中，該光度計使用一光接收器，其安裝垂直於該噴霧羽流。
  28. 如請求項27所述之裝置，其中，當該衰減光束通過該噴霧羽流或從其反射時，該光接收器便補捉該衰減光束。
  29. 如請求項22所述之裝置，其中，該光度計連接一電腦器件。
  30. 如請求項29所述之裝置，其中，該電腦器件連接一可調整CO2複合噴霧產生器。
  31. 如請求項29所述之裝置，其中，當光束通過該噴霧羽流或從該噴霧羽流反射，該電腦器件分析其變化。
  32. 如請求項30所述之裝置，其中，該電腦器件調整該可調整CO2複合噴霧產生器之推進劑氣體壓力、推進劑氣體溫度、添加劑注入率、或過飽和CO2注入率以調節幾何，以維持該噴霧羽流的特性。
  33. 如請求項25所述之裝置，其中，該光源包括鹵素光、氘光、雷射光或LED光。
  34. 如請求項25所述之裝置，其中，該光源是在紫外線、可見或紅外線區域中操作。
  35. 如請求項27所述之裝置，其中，該光接收器包括光二極體偵測器、發光偵測器或UV-VIS-IR分光光度計。
  36. 如請求項27所述之裝置，其中，該光接收器測量光吸收、光反射或光螢光。
  37. 如請求項29所述之裝置，其中，該電腦器件計算噴霧羽流幾何的光衰減輪廓指標值。
  38. 如請求項37所述之裝置，其中，該光衰減輪廓指標值隨著在該噴霧羽流內的CO2粒子密度和粒子大小、推進劑溫度和壓力、有機和無機添加劑、或水蒸氣含量而變化。
  39. 如請求項37所述之裝置，其中，該噴霧羽流幾何為基於該光衰減輪廓指標而即時控制。
  40. 如請求項25所述之裝置，其中，使用至少一光源。
  41. 如請求項27所述之裝置，其中，使用至少一光接收器。
  42. 如請求項25所述之裝置，其中，該噴霧羽流從一第一位置移至一第二位置，該第二位置為垂直於該噴霧羽流。
  43. 如請求項25所述之裝置，其中，該光源與該光接收器從一第一位置移至一第二位置，該第二位置為垂直於該噴霧羽流。
  44. 如請求項22所述之裝置，其中，一計量儀用來使噴霧羽流幾何與一噴霧羽流效能度量產生關聯。
  45. 如請求項44述之裝置，其中，該計量儀包括一基體表面溫度測量系統、一OSEE表面測量系統、一FTIR表面分析系統、一衝擊剪應力測量系統或一粒子計數系統。
  46. 如請求項44述之裝置，其中，該噴霧羽流效能度量包括冷卻能力、衝擊粒子剪應力、污染移除率、表面處理、或表面潔淨度。
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