TWI769561B - 冷噴灑系統中的多噴嘴設計及其相關方法 - Google Patents

Abstract

本文揭示一種冷噴灑系統。該冷噴灑系統包括一噴嘴單元，該噴嘴單元包括一塗層噴嘴部件，該塗層噴嘴部件經組態以將一金屬塗層之至少一部分塗覆於一基板上。該冷噴灑系統經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱。此外，本文揭示一種經由一冷噴灑技術塗覆塗層之方法。

Description

冷噴灑系統中的多噴嘴設計及其相關方法

本發明係關於一種塗覆一冷噴灑塗層之裝置及方法。

事故容錯燃料(ATF)係用來描述提高核燃料安全性及效能之新技術之一術語。此等燃料可併入用於護套及燃料芯塊之新材料及設計之用途。此等燃料之一標的係反應器核心失去主動冷卻時更佳容錯，同時在正常運行期間維持或改良燃料效能及經濟性。

冷噴灑沈積係在諸如ZIRLO®或Optimized ZIRLO^TM (其將係關於西屋公司事故容錯燃料之產品)之一鋯合金燃料護套上塗覆一鉻(Cr)層之極好方法。然而，氦氣作為用於冷噴灑之載氣之可用性有限。此外，氦氣在冷噴灑過程中消耗極為價昂，且未找到完全令人滿意之解決方案。氮氣係一種替代氣體，可用於冷噴灑中氦氣之替代。然而，採用現有系統設計，限制含氮冷噴灑噴嘴橫向速度，以便保持令人滿意之塗層厚度。因此，製造鉻塗層護套之總成本仍然相對較高。

本發明提供了一種可用於ATF生產之冷噴灑系統中之新型多噴嘴設計。該配置使用多個噴嘴在護套上，以達成一視需要密封金屬塗層，該塗層可在一PWR或BWR之實際運行條件下工作，甚至在事故情况下工作。多噴嘴按三(3)個尺寸佈置，例如，不需要在相同平面上。該設計能够在提高噴嘴橫向速度之同時，用氮氣塗覆一高品質鉻層。

本文揭示一種冷噴灑系統。該冷噴灑系統包括一噴嘴單元，該噴嘴單元包括一塗層噴嘴部件，該塗層噴嘴部件經組態以將一金屬塗層之至少一部分塗覆於一基板上。該冷噴灑系統經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱。

此外，本文揭示一種經由一冷噴灑技術塗覆塗層之方法。該方法包括預熱一基板及將一金屬塗層之至少一部分塗覆至該預熱基板。

本發明之此等及其他標的、特徵及特性，以及相關結構元件之操作方法及功能，以及部件組合及製造經濟效應，在參考附圖考慮以下實施方式及所附權利要求時，將變得更加明顯，所有附圖均形成本說明書之一部分，其中類似附圖標記指定各種附圖中對應部分。然而，應暸解，附圖僅用於說明繪示及描述，而不意味作為本發明之限制之一界定。

相關申請案之交互參考

本發明主張2019年10月21日申請之美國臨時專利申請案序號62/923,878，題為「用於事故容錯燃料生產之冷噴灑系統中的多噴嘴設計」之優先權利。該案之內容以引用之方式併入本文中。

在以下描述中，相似參考標記在附圖多個視圖中指定相似或對應零件。此外，在以下描述中，應暸解，諸如「向前」、「向後」、「左」、「右」、「向上地」、「向下地」等術語是方便之詞，不應被解釋為限制性術語。如本文中所使用，術語「數目」應用於指代任何非零整數，即一或任何大於一之整數(例如，1、2、3...)。

本發明包含一種冷噴灑系統，該冷噴灑系統包括用於塗覆冷噴灑塗層之一或多個噴嘴部件。噴嘴部件可成對配置以形成雙噴嘴單元。如本文中所使用，「雙」意味一對噴嘴部件。然而，除非另有說明，當使用「雙」時，亦經審慎考慮每個單元包括兩個以上噴嘴部件之實例。圖1展示根據本發明之一雙噴嘴單元100之部分示意性視圖。圖1中所展示之例示性雙噴嘴單元100可包括各種組件(例如，102-110)。一預熱噴嘴部件102a可作為一預熱裝置來加熱一基板112(例如，一護套管)。替代地或另外地，基板112亦可藉由預熱噴嘴部件102a來預清潔(例如，藉由預熱噴嘴部件102a在基板112上吹熱氣)。冷噴灑系統可進一步包括一塗層噴嘴部件102b。塗層噴嘴部件102b可經組態以經由一冷噴灑製程，將一金屬塗層之至少一部分塗覆於一基板112上。如本文中所使用「預熱」意謂在經由一冷噴灑製程將金屬塗層之至少一部分塗覆至基板112之前，將基板之溫度升高到環境溫度以上。

或者，除了預熱噴嘴部件102a之外，以包含其他熱源。因此，冷噴灑系統可包括一熱風槍、一預熱室、一感應加熱元件、一電動局部加熱裝置或其組合，以預熱及/或預清潔基板112。

基板112可包括，舉例而言，鋯或鋯合金管(例如，一核燃料棒護套、一控制棒護套)。鋯合金可包括，舉例而言，包含鋯及錫及/或鈮之一合金(例如，ZIRLO®及Optimized ZIRLO™合金可從美國賓夕法尼亞州西屋電氣公司獲得)。

金屬塗層可經由一冷噴灑製程塗覆至基板112，該冷噴灑製程藉由本發明之一冷噴灑系統執行。金屬塗層可包括一單個金屬材料或合金，或金屬塗層可包括多個層或區域，其中各自層或區域包括不同的金屬材料或合金。在沒有限制之情况下，可使用包括鉻、鈮、銅、鎳及鋁中之一或多種金屬材料(例如，粉末)來塗覆金屬塗層。儘管本文中描述對於ATF生產之塗覆塗層之使用，但應暸解，本文所描述之系統及組件在不偏離本發明之範疇之情況下，可用於其他冷噴灑應用，例如裂紋修復、管道塗層或其他塗層等。

當使用時，除了預熱及/或預清潔基板112外，預熱噴嘴部件102a可視需要在基板112上沈積金屬塗層之一第一層。金屬塗層之第一層亦可完成基板112之預熱/預清潔。隨後，塗層噴嘴部件102b可將一第二塗層塗覆於基板112之相同區域，該區域首先藉由預熱噴嘴部件102a塗覆及預熱。基板112可相對於雙噴嘴單元100移動，及/或單元100可相對於基板112移動。以此方式，可形成一多層塗層。多層塗層可包括，舉例而言，藉由預熱噴嘴部件102a安置於基板112上之鈮及藉由塗層噴嘴102b安置於鈮上之鉻。

當預熱噴嘴部件102a不用於沈積一塗層(但仍用於預熱/預清潔基板)時，可向預熱噴嘴部件102a供應一加熱及/或加壓氣體。可加熱氣體，使得基板112之加熱不超過其氧化加速臨限值(例如，不高於500℃、不高於400℃、不高於300℃)。在此情況下，加熱氣體可包括如下描述之一載氣及/或另一氣體(諸如空氣)。在此情況下，塗層噴嘴部件102b可塗覆單層塗層，例如，包括鉻之一塗層。

當預熱噴嘴部件102a用於沈積塗層及用於預熱/預清潔基板時，可向預熱噴嘴部件供應一加熱載氣及金屬塗層材料(例如，一粉末)。

氣體管線104可連接至預熱噴嘴部件102a，且加熱及/或加壓氣體可從氣體管線104輸送至預熱噴嘴部件102a。加熱氣體可充當將熱量輸送至基板112之介質，以便完成基板112之預熱/預清潔。雙噴嘴單元100可視需要包括與預熱噴嘴部件102a通信之第二管線(未示出)。當存在一第二管線時，氣體管線104可輸送一加熱載氣，且第二管線可輸送一金屬塗層材料(例如，一如上描述之金屬粉末)。當管線兩者都存在時，預熱噴嘴部件102a亦可混合氣體及粉末及/或容許氣體在應用前加熱粉末。

兩條管線106、管線108可與塗層噴嘴部件102b通信。管線106可輸送加熱及/或加壓載氣，且可將氣體輸送至塗層噴嘴部件102b。管線108可輸送金屬塗層材料。預熱噴嘴部件102b亦可混合氣體及粉末，且容許氣體在應用前加熱粉末。

氣體及/或粉末輸送管線104、管線106、管線108可包括撓性管線。

噴嘴連接器110容許將兩個噴嘴102a、噴嘴102b擰緊及與基板112對準。噴嘴連接器110之其他端可連接至一機械臂(未示出)上，用於在基板112周圍操縱單元，或可固定在適當位置，且基板112相對於靜態單元100移動。

對於冷噴灑製程，該方法可藉由將一載氣輸送至一加熱器而繼續，在該加熱器中，加熱載氣至足以將氣體保持在所要溫度之溫度。所要溫度(氣體通過噴嘴部件102a、噴嘴部件102b膨脹後)可低於金屬塗層材料熔化溫度之一半(例如，從100℃至750℃)。所要溫度亦可低於基板112之氧化加速溫度(例如，400℃至500℃)。載氣最初可使用一壓力加壓，舉例而言，5.0 MPa。

載氣可視需要預熱至200℃至1000℃之間、300℃至900℃或500℃至800℃之間。視需要預熱溫度將取決於用作載體之特定氣體之焦耳-湯姆遜(Joule-Thomson)冷卻係數。氣體在壓力變化時，膨脹或壓縮時是否冷卻取決於其焦耳-湯姆遜係數。對於正焦耳-湯姆遜係數，載氣冷卻，且必須預熱，以防止過度冷卻，其可影響冷噴灑製程之效能。熟悉此項技術者可使用計算來判定加熱程度，以防止過度冷卻。舉例而言，對於作為載氣之N₂ ，若入口溫度為130°C，則焦耳-湯姆遜係數為0.1°C/bar。對於在130°C下衝擊管道之氣體，若其初始壓力為10bar(~146.9 psig)，且最終壓力為1bar(~14.69 psig)，則需將氣體預熱至約9bar*0.1°C/bar或約0.9°C至約130.9°C。作為另一實例，氦氣作為載體之溫度在一3.0 MPa至4.0 MPa之壓力下可為450°C，在一5.0 MPa之壓力下氦氣作為載體之溫度可為1100°C，但在一3.0 MPa至4.0 MPa之壓力下亦可為600°C至800°C。熟悉此項技術者將認可溫度及壓力變數可取決於所使用設備之類型而變化，且可修改設備以調整溫度、壓力及體積參數。

冷噴灑製程依賴於加熱載氣之受控膨脹，以將粒子推進至基板112上。粒子撞擊基板112或先前沈積層，且透過絕熱剪切而發生塑膠變形。隨後粒子撞擊會累積形成塗層。在進入流動載氣之前，亦可將粒子加熱至粉末熔點之三分之一至二分之一的溫度，以便促進變形。噴嘴102a、噴嘴102b可在要塗覆之區域或需要材料積聚之區域上(例如，以從上至下依直線從一側到另一側噴灑區域之模式來噴灑）進行網格化。

合適載氣係此等惰性的(例如，不反應的)，及此等特別不會與粒子或基板112發生反應之氣體。例示性載氣包含氮氣(N₂ )、氬(Ar)、二氧化碳(CO₂ )及氦氣(He)。

在選擇載氣方面有相當大靈活性。可使用混合氣體。選擇係受物理學及經濟考量兩者驅動。舉例而言，較低分子量氣體提供較高速度，但應避免最高速度，此係因為其等可導致粒子反彈，且從而減少沈積粒子之數目。本發明容許在選擇載氣方面增加靈活性，且容許增加氮氣之使用，而非氦氣，同時保持或改良塗層品質及沈積速度。

圖2展示一冷噴灑系統中多噴嘴設計200之部分示意性視圖。通常，一多噴嘴系統200可包括兩個或更多個雙噴嘴單元100，諸如先前根據圖1討論之雙噴嘴單元。舉例而言，圖2展示藉由一個冷噴灑系統一起控制之三個雙噴嘴單元200a、雙噴嘴單元200b及雙噴嘴單元200c。雙噴嘴單元200a、雙噴嘴單元200b、雙噴嘴單元200c可分別與基板212a、基板212b及基板212c對準。三個雙噴嘴單元200a、雙噴嘴單元200b、雙噴嘴單元200c藉由一個冷噴灑系統控制，該系統可與機械臂整合或在基板相對於靜態噴嘴移動時固定到位。三個鋯合金護套管(舉例而言)可同時塗覆。採用此等多噴嘴設計200，可進一步提升塗覆基板212a-c之生產率。舉例而言，圖2中展示之設計將使生產率提升三倍(與一個雙噴嘴單元100相比)。綜上所述，使用N個雙噴嘴單元，生產率可提高N倍(與一個雙噴嘴單元相比)。應注意，雙噴嘴單元、送粉器、機械控制及冷噴灑主單元可視需要整合，以實現一最佳化操作。

本發明之冷噴灑系統可進一步包括附加組件。舉例而言，冷噴灑系統可包括整合在一起以進行操作之複數個噴嘴單元200a-c中之一或多個、用於向噴嘴單元200a-c供應粉末之複數個送粉器(及供應線108)、提供一操作員構件以控制系統之機械控制，及一冷噴灑主單元。

綜上所述，多噴嘴係一冷噴灑系統中之關鍵新型裝置，該等多噴嘴用於塗覆基板(諸如燃料棒護套)。此等裝置之安裝非常實用，且可藉由增加沈積粉末之數量(藉由預熱/預清潔基底)來更有效地生產塗層護套，且具有較高塗層品質。

此外，本文揭示一種經由一冷噴灑技術塗覆塗層之方法。該方法可藉由本文所公開之一冷噴灑系統來實現。該方法可包括對將要塗覆之基底112、基底212a-c進行預熱，且將金屬塗層之至少一部分塗覆至預熱基板。預熱可藉由本文所描述之任何熱源來完成，且可用於增加基板112、基板212a-c與塗層之間之結合。

預熱基板112、基板212a-c可經由一噴嘴部件或一熱風槍完成，該噴嘴部件或熱風槍可將熱氣吹向基板112、基板212a-c；一預熱室，其中基板112、基板212a-c可在塗覆至少一部分塗層之前放置一段時間；一感應加熱元件，其可在基板112、基板212a-c中感應一電流以加熱基板112、基板212a-c；一電動局部加熱裝置；或其一組合。

基板112、基板212a-c之預熱可經由一預熱噴嘴部件102a來完成，且金屬塗層之至少一部分可藉由塗層噴嘴部件102b塗覆。

預熱噴嘴部件102a亦可視需要塗覆金屬塗層之一第一部分，藉此對基板112、基板212a-c進行預熱及塗覆，且塗層噴嘴部件102b可以塗覆金屬塗層之一第二部分。

方法可進一步包括使用第一噴嘴部件102a對基板112、基板212a-c進行預清潔。

如本文所描述之冷噴灑系統及方法之一個優點係，在對基板112、基板212a-c進行預熱之後，可完成具有改良結合强度及密封性之一金屬塗層。預熱可改良基板112、基板212a-c與塗層或兩個塗層之間之結合。此外，預熱可增加可能的沈積及/或橫向速度(舉例而言，歸因於與基板之結合得到改良)。預清洗亦可移除會干擾塗層製程之污染物(諸如殘留物、化學雜質及/或顆粒碎屑)。此方法不僅廣泛地改良塗層品質，而且亦成功地提高了生產率。

此外，本文所描述之冷噴灑系統藉由使用較便宜氮氣，至少部分取代更昂貴及更難獲得之氦氣，以容許在基板塗覆期間節省時間及成本。

本文所描述之標的物之各種態樣在以下實例中陳述。 實例1–包括一噴嘴單元之冷噴灑系統。該噴嘴單元包括一塗層噴嘴部件，該塗層噴嘴部件經組態以將一金屬塗層之至少一部分塗覆於一基板上。該冷噴灑系統經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱。 實例2–如實例1之冷噴灑系統，其中該噴嘴單元進一步包括一預熱噴嘴部件、一熱風槍、一預熱室、一感應加熱元件、一電動局部加熱裝置或其組合，其經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱。 實例3–如實例1或2之冷噴灑系統，進一步包括一預熱噴嘴部件，其經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱。 實例4–如實例3之冷噴灑系統，其中該預熱噴嘴經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱，及將該金屬塗層之一部分塗覆至該基板。 實例5–如實例3或4之冷噴灑系統，其中該預熱噴嘴及該塗層噴嘴經組態分別塗覆兩種不同金屬塗層組件。 實例6–如實例1至5中任一實例之冷噴灑系統，其包括整合在一起以進行操作之複數個噴嘴單元之一或多個、複數個送粉器、機械控制及一冷噴灑主單元。 實例7–一種經由一冷噴灑技術塗覆塗層之方法，其包括預熱一基板及將一金屬塗層之至少一部分塗覆至該預熱基板。 實例8–如實例7之方法，其中該預熱經由以下來完成：一預熱噴嘴部件、一熱風槍、一預熱室、一感應加熱元件、一電動局部加熱裝置或其組合，其經組態以該對基板進行預熱。 實例9–如實例7或8之方法，其中該預熱經由一預熱噴嘴部件完成，且該金屬塗層之至少一部分係經由一塗層噴嘴部件塗覆。 實例10–如實例9之方法，其中該預熱噴嘴部件塗覆該金屬塗層之一第一部分，藉此塗覆及預熱該基板，且該第二噴嘴部件塗覆該金屬塗層之一第二部分。 實例11–如實例9或10之方法，其進一步包括使用該預熱噴嘴部件預清潔該基板。 實例12–如實例9之方法，其中該金屬塗層包括鉻。 實例13–如實例10之方法，其中該金屬塗層之第一部分包括鈮，該金屬塗層之第二部分包括鉻。

雖然已詳細描述本發明之具體實施例，但是熟悉此項技術者應暸解，可根據本發明之總體教導來開發對此等細節之各種修改和替代。因此，所公開之特定實施例僅用於說明，而不限於本發明之範疇，其將被賦予所附發明申請專利範圍及其任何和所有等效物之全部範圍。

100:雙噴嘴單元 102a:預熱噴嘴部件 102b:塗層噴嘴部件 104:管線 106:管線 108:管線 110:噴嘴連接器 112:基板 200:多噴嘴系統 200a:雙噴嘴單元 200b:雙噴嘴單元 200c:雙噴嘴單元 212a:基板 212b:基板 212c:基板

當結合隨附圖式閱讀時，可從以下較佳實施例之描述中獲得對本發明之進一步理解，其中：

圖1係根據本發明在一燃料棒護套上塗覆一塗層之一實例之一雙噴嘴配置之一部分示意性透視圖；及

圖2係根據本發明利用三個雙噴嘴配置同時向三個棒上塗覆塗層之一實例之另一配置之一部分示意性透視圖。

100:雙噴嘴單元

102a:預熱噴嘴部件

102b:塗層噴嘴部件

104:管線

106:管線

108:管線

110:噴嘴連接器

112:基板

Claims (12)

1. 一種冷噴灑系統，其包括：一噴嘴單元，該噴嘴單元包括：一塗層噴嘴部件，該塗層噴嘴部件經組態以將一金屬塗層之至少一部分塗覆於一基板上；及一預熱噴嘴部件，其經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱。
2. 如請求項1之冷噴灑系統，其中該噴嘴單元進一步包括一熱風槍、一預熱室、一感應加熱元件、一電動局部加熱裝置或其組合，其經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱。
3. 如請求項1之冷噴灑系統，其中該預熱噴嘴部件經組態以在將該金屬塗層之至少一部分塗覆至該基板之前對該基板進行預熱，及將該金屬塗層之一部分塗覆至該基板。
4. 如請求項3之冷噴灑系統，其中該預熱噴嘴部件及該塗層噴嘴部件經組態分別塗覆兩種不同金屬塗層組件。
5. 如請求項1之冷噴灑系統，其包括整合在一起以進行操作之複數個噴嘴單元之一或多個、複數個送粉器、機械控制及一冷噴灑主單元。
6. 一種經由一冷噴灑技術塗覆塗層之方法，其包括：預熱一基板及；將一金屬塗層之至少一部分塗覆至該預熱基板，其中該預熱經由至少一預熱噴嘴部件完成。
7. 如請求項6之方法，其中該預熱經由該預熱噴嘴部件及經組態以該對基板進行預熱之一熱風槍、一預熱室、一感應加熱元件、一電動局部加熱裝置所組成之群組之一部件或其組合來完成。
8. 如請求項6之方法，其中該金屬塗層之至少一部分係經由一塗層噴嘴部件塗覆。
9. 如請求項8之方法，其中該預熱噴嘴部件塗覆該金屬塗層之一第一部分，藉此塗覆及預熱該基板，且該塗層噴嘴部件塗覆該金屬塗層之一第二部分。
10. 如請求項8之方法，其進一步包括使用該預熱噴嘴部件預清潔該基板。
11. 如請求項8之方法，其中該金屬塗層包括鉻。
12. 如請求項9之方法，其中該金屬塗層之該第一部分包括鈮，該金屬塗層之該第二部分包括鉻。

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