Aparato y método para controlar el caudal de un líquido criogénico.

Un aparato para controlar el caudal de un líquido criogénico a través de una boquilla,

comprendiendo el aparato al menos un dispositivo de pulverización criogénica teniendo cada uno:

a) una zona de contacto (31c; 32; 33; 35; 36; 120) para poner en contacto el líquido criogénico (L) y un gas de estrangulamiento (G) y formar un fluido resultante de los mismos;

b) al menos una entrada de líquido criogénico en comunicación fluida con la zona de contacto para introducir el líquido criogénico a una primera presión y una primera temperatura en la zona de contacto;

c) al menos una entrada de gas en comunicación fluida con la zona de contacto para introducir el gas a una segunda presión y una segunda temperatura en la zona de contacto, no siendo la segunda presión inferior a la primera presión y teniendo el gas un punto de ebullición que no es mayor que la primera temperatura;

d) estando la zona de contacto en comunicación fluida con al menos una boquilla (N; 60; 60f: 160) para descargar el fluido resultante a través de la boquilla; y

e) un control del suministro de gas (207, 234, 236) en comunicación fluida con cada una de la al menos una entrada de gas;

donde

f) se proporcionan medios para suministrar el gas a la segunda temperatura que es mayor que la primera temperatura; y

g) el control del suministro de gas está adaptado para permitir el ajuste de al menos una de la temperatura y la presión del gas suministrado a cada una de la al menos una entrada de gas para conseguir un primer caudal deseado de líquido criogénico a través de la al menos una boquilla cuando se proporciona una fuente de líquido criogénico a una primera presión a cada una de la al menos una entrada de líquido criogénico.

Aparato y método para controlar el caudal de un líquido criogénico Esta solicitud reivindica el beneficio de las Solicitudes Provisionales de Estados Unidos No. 60/840.616 presentada el 28 de agosto de 2006, y 60/851189 presentada el 12 de octubre de 2006, ambas tituladas “Nozzle, System, and Method for Cr y ogenic Impingement”

La presente invención se refiere a un aparato y un método para controlar el caudal de un líquido criogénico a través de una boquilla criogénica. Una boquilla es una constricción de la tubería para el fluido en o cerca de la salida o el punto de terminación a partir de la cual ese fluido es expulsado al espacio abierto que está a una presión inferior a la presión en la tubería de suministro. Los pasajes para el fluido mostrados en las figuras 1C, 2A-2D y 3 son las constricciones dentro de la boquilla y esas figuras no muestran las tuberías de suministro a la boquilla.

La figura 1A muestra el método convencional para controlar el caudal de un líquido criogénico a través de una boquilla. En particular, una válvula V está instalada aguas arriba de la boquilla que limita el flujo del líquido criogénico L cuando el caudal deseado a través de la boquilla N es menor que la capacidad de diseño de la boquilla. Un problema con este método convencional es la caída de presión que experimenta el líquido a través de la válvula que causa una reducción de la velocidad de pulverización.

Además, la caída de presión hace que una parte del líquido hierva aguas abajo de la válvula, lo que puede taponar la boquilla y/o el pasaje de la boquilla, causando de este modo pulsaciones de caudal. Es importante entender, a este respecto, que el método convencional es incapaz de incrementar el tamaño del orificio de la boquilla para ventilar rápidamente la evaporación y, de este modo, eliminar las pulsaciones de caudal resultantes. En particular, un orificio de la boquilla más grande en el método convencional requeriría un mayor grado de restricción de la válvula para conseguir un intervalo equivalente de reducciones de flujo y, por lo tanto, una mayor caída de la presión e incluso más evaporación.

Esta limitación sobre el incremento del tamaño de la boquilla en el método convencional conduce a otro problema en el método convencional cuando la boquilla y la tubería de suministro a ésta deben refrigerarse desde la temperatura ambiente antes de la puesta en marcha. En particular, se requiere una boquilla sobredimensionada para ventilar rápidamente las grandes cantidades de vapor que se generan durante dicha refrigeración. Por consiguiente, el método convencional se enfrenta al dilema de elegir entre la tarea que requiere tiempo de cambiar la boquilla sobredimensionada antes de comenzar el funcionamiento normal, o las complejidades de diseñar un sistema para incrementar temporalmente el tamaño del orificio de la boquilla durante la refrigeración.

Finalmente, otro problema con el método convencional es la propia válvula. En particular, las válvulas que deben manipular líquidos criogénicos son costosas y tienden a averiarse. La presente invención proporciona un método para controlar el caudal de un líquido criogénico a través de una boquilla que evita los problemas descritos anteriormente.

La figura 1B muestra una modificación convencional a la figura 1A para reducir las pulsaciones de caudal inducidas por ebullición ubicando una válvula V en la boquilla N. De esta forma, la ebullición se produce en la descarga de la boquilla y, por lo tanto, se evita la obstrucción de la boquilla asociada. Desafortunadamente, esta modificación sería impráctica en muchas aplicaciones, dado que la válvula de control hace a la boquilla demasiado grande y voluminosa para encajar en máquinas de fabricación. Además, desplazar la caída de presión a la descarga de la boquilla no evita que se produzca la reducción de la velocidad de pulverización.

La técnica relacionada incluye los documentos Kellett, Patente de Estados Unidos 5.385.025; Brahmbhatt et al, Patente de Estados Unidos 6.363.729; Germain et al, Patente de Estados Unidos 6.070.416; y Kunkel et al, US 2002/0139125.

El documento WO 97/19773 A1 desvela un aparato y un método para controlar el caudal de un lubricante líquido a través de una boquilla de pulverización para lubricar las paredes de una cámara de moldeo de una máquina de moldeo por prensado. El lubricante líquido y aire son introducidos cada uno mediante aberturas de la boquilla respectivas en una primera cámara de vórtice del aparato. Una dispersión de líquido en el aire que se forma en la primera cámara de vórtice es introducida en una segunda cámara de vórtice mediante una trayectoria de flujo con un área de sección transversal de flujo reducida, estando la trayectoria de flujo conformada para producir al menos un cambio en la dirección del flujo en el flujo entre las dos cámaras de vórtice, y es descargada desde la segunda cámara de vórtice a través de una boquilla de atomización.

Es un objeto de la invención proporcionar un aparato y un método que permiten la pulverización continua y fina de un líquido criogénico con flexibilidad operativa mejorada con, no obstante, elevada fiabilidad en aplicaciones como pulverización térmica, soldadura, corte y rectificación criogénicas.

La presente invención es un método y aparato para controlar el caudal de un líquido criogénico a través de una boquilla. El caudal está controlado con un gas de “estrangulamiento” que tiene una presión mayor que o igual a la presión del líquido criogénico, una temperatura mayor que la temperatura del líquido criogénico; y un punto de ebullición menor que o igual a la temperatura del líquido criogénico.

La invención, proporciona un método de acuerdo con la reivindicación 12.

En el método de la presente invención, el líquido criogénico y el gas de estrangulamiento se introducen en una zona de contacto donde se ponen en contacto para formar un fluido resultante. El fluido resultante es descargado a través de la boquilla mientras se sigue introduciendo líquido criogénico y gas de estrangulamiento adicionales desde una o más fuentes aguas arriba de la zona de contacto, en la zona de contacto. En una realización del proceso de la presente invención, el proceso comprende, además, controlar el caudal de masa de descarga del fluido y la relación de masa del componente líquido del fluido descargado con respecto a su componente gaseoso en función de la presión del gas de estrangulamiento.

El aparato puede comprender un conducto que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo en comunicación de flujo frontal con la boquilla. El aparato comprende, además, una primera tubería de suministro que conecta una tubería de suministro de gas presurizado al conducto y una segunda tubería de suministro que conecta la tubería de suministro de líquido criogénico al conducto. El extremo de descarga de la tubería de suministro de gas está en comunicación de flujo frontal con el extremo aguas arriba del conducto, mientras que la tubería de suministro de líquido está en comunicación de flujo a 45-135 grados con el extremo aguas arriba del conducto (medido desde el conducto) .

El aparato puede comprender un conducto que tiene un primer extremo de alimentación y un segundo extremo de alimentación que puede ser un extremo de alimentación opuesto, y la boquilla puede estar compuesta por una fila de aberturas (u opcionalmente una rendija) a lo largo de al menos una parte de la longitud de la pared del conducto El aparato comprende, además, una primera tubería de suministro que tiene un extremo de descarga en comunicación de flujo frontal con al menos uno de los extremos de alimentación del conducto, y una segunda tubería de suministro que tiene un extremo de descarga en comunicación de flujo a 45-135° con al menos uno de los extremos de alimentación del conducto. El ángulo se mide desde el conducto. En una realización del segundo aparato, la primera tubería de suministro que está en comunicación frontal con el conducto conecta un suministro de gas presurizado al conducto, mientras que la segunda tubería de suministro que está en comunicación de flujo a 45-135° o comunicación de flujo a 90-135° con el conducto conecta un suministro de líquido criogénico al conducto.

El aparato puede comprender un espacio anular definido por un conducto externo que rodea de forma concéntrica a un conducto interno que contiene una pluralidad de aberturas en su pared. El espacio anular tiene un primer extremo de alimentación y un extremo de alimentación opuesto que son, respectivamente, adyacentes a un primer extremo de entrada y un extremo de entrada opuesto del... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para controlar el caudal de un líquido criogénico a través de una boquilla, comprendiendo el aparato al menos un dispositivo de pulverización criogénica teniendo cada uno:

a) una zona de contacto (31c; 32; 33; 35; 36; 120) para poner en contacto el líquido criogénico (L) y un gas de estrangulamiento (G) y formar un fluido resultante de los mismos; b) al menos una entrada de líquido criogénico en comunicación fluida con la zona de contacto para introducir el líquido criogénico a una primera presión y una primera temperatura en la zona de contacto; c) al menos una entrada de gas en comunicación fluida con la zona de contacto para introducir el gas a una segunda presión y una segunda temperatura en la zona de contacto, no siendo la segunda presión inferior a la primera presión y teniendo el gas un punto de ebullición que no es mayor que la primera temperatura; d) estando la zona de contacto en comunicación fluida con al menos una boquilla (N; 60; 60f: 160) para descargar el fluido resultante a través de la boquilla; y e) un control del suministro de gas (207, 234, 236) en comunicación fluida con cada una de la al menos una entrada de gas;

donde f) se proporcionan medios para suministrar el gas a la segunda temperatura que es mayor que la primera temperatura; y g) el control del suministro de gas está adaptado para permitir el ajuste de al menos una de la temperatura y la presión del gas suministrado a cada una de la al menos una entrada de gas para conseguir un primer caudal deseado de líquido criogénico a través de la al menos una boquilla cuando se proporciona una fuente de líquido criogénico a una primera presión a cada una de la al menos una entrada de líquido criogénico.

2. El aparato de la reivindicación 1, donde el control del suministro de gas está adaptado para permitir el ajuste de la presión del gas suministrado a cada una de la al menos una entrada de gas para conseguir el primer caudal deseado de líquido criogénico a través de la al menos una boquilla cuando se proporciona la fuente de líquido criogénico a la primera presión a cada una de la al menos una entrada de líquido criogénico.

3. El aparato de la reivindicación 1, donde el control del suministro de gas comprende al menos una válvula ajustable (234, 236) , siendo cada una de la al menos una válvula ajustable capaz de ajustar la presión del gas suministrado a una de la al menos una entrada de gas para que sea mayor que la primera presión.

4. El aparato de la reivindicación 1, donde la al menos una boquilla comprende una pluralidad de boquillas, teniendo cada una de la pluralidad de boquillas un caudal de líquido criogénico respectivo, definiendo los caudales de líquido criogénico para cada una de la pluralidad de boquillas colectivamente un perfil de pulverización (85; 86; 88) , donde el control del suministro de gas está adaptado para permitir el ajuste de al menos una de la temperatura y la presión del gas suministrado a cada una de la al menos una entrada de gas para conseguir un primer perfil de pulverización deseado cuando se proporciona una fuente de líquido criogénico a la primera presión a cada una de la al menos una entrada de líquido criogénico.

5. El aparato de la reivindicación 4, donde el control del suministro de gas comprende un controlador (207) que está programado para cambiar el perfil de pulverización de acuerdo con un perfil de refrigeración preprogramado.

6. El aparato de la reivindicación 4, donde el control del suministro de gas comprende un controlador (207) que está programado para cambiar el perfil de pulverización en respuesta a señales recibidas de un sensor (203) , donde, en realizaciones preferidas, el sensor comprende un sensor de temperatura que está adaptado para medir la temperatura de al menos una parte de un sustrato (201) que está siendo refrigerado por el al menos un dispositivo de pulverización criogénica y/o comprende un sensor de posición que rastrea la posición de una fuente de calor que actúa sobre al menos una parte de un sustrato que está siendo refrigerado por el al menos un dispositivo de pulverización criogénica.

7. El aparato de la reivindicación 1 y de acuerdo con al menos una de las siguientes características:

(i) el al menos un dispositivo de pulverización criogénica comprende una pluralidad de dispositivos de pulverización criogénica (H1 -H5) y el controlador del suministro de gas comprende una pluralidad de válvulas ajustables (Gv1a/Gv1b -Gv5a/Gv5b) , estando cada una de la pluralidad de válvulas ajustables en comunicación fluida con cada una de la al menos una entrada de gas;

(ii) la al menos una entrada de gas comprende una primera entrada de gas y una segunda entrada de gas.

8. El aparato de la reivindicación 1 que comprende:

un conducto externo (20) ; y un conducto interno (10a) situado dentro del conducto externo y que define un espacio anular (36) entre el

conducto externo y el conducto interno, comprendiendo la zona de contacto el espacio anular, teniendo el conducto interno al menos una abertura (40) situada para permitir que el líquido criogénico fluya radialmente desde el conducto interno al interior del espacio anular; estando la al menos una boquilla (60) formada sobre el conducto externo, estando cada una de la al menos una

boquilla en comunicación fluida con el espacio anular; estando la al menos una entrada de gas en comunicación fluida con el conducto externo y estando adaptada para estar conectada a un suministro de gas presurizado; y estando la al menos una entrada de líquido criogénico en comunicación fluida con el conducto interno, estando la al menos una entrada de líquido criogénico adaptada para estar conectada a un suministro de líquido criogénico.

9. El aparato de la reivindicación 8, donde el conducto externo incluye un primer extremo y un segundo extremo que es distal al primer extremo, estando la al menos una entrada de gas ubicada en el primer extremo y estando una entrada de gas adicional ubicada en el segundo extremo, estando la entrada de gas adicional adaptada para estar

conectada a un suministro de gas presurizado.

10. El aparato de la reivindicación 1, donde el aparato comprende un conducto (31c; 32; 33) que tiene un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo, la boquilla está en comunicación de flujo frontal con el extremo aguas abajo,

la entrada de gas está adaptada para estar conectada a una tubería de suministro de gas presurizado, teniendo la entrada de gas un extremo de descarga en comunicación de flujo frontal con el extremo aguas arriba de la boquilla, y la entrada de líquido está adaptada para conectarse a una tubería de suministro de líquido criogénico, teniendo la entrada de líquido un extremo de salida en comunicación de flujo .

45. 135 grados con el extremo aguas arriba.

11. El aparato de la reivindicación 10, donde el conducto tiene un diámetro mínimo y una longitud entre los extremos aguas arriba y aguas abajo y la longitud está entre 1, 0 y 40 veces el diámetro mínimo.

12. Un método que comprende:

a) suministrar un líquido criogénico (L) a una primera presión y una primera temperatura a una zona de contacto (31c; 32; 33; 35; 36; 120) que está en comunicación fluida con al menos una boquilla (N; 60; 60f: 160) ; b) suministrar un gas (G) a una segunda presión y una segunda temperatura a la zona de contacto, no siendo la segunda presión inferior a la primera presión, siendo la segunda temperatura mayor que la primera temperatura,

y teniendo el gas un punto de ebullición que no es mayor que la primera temperatura; c) poner en contacto el líquido y el gas en la zona de contacto para formar un fluido resultante;

donde d) el fluido resultante es descargado a través de cada una de la al menos una boquilla (N) mientras se sigue introduciendo el líquido criogénico y el gas en la zona de contacto; e) y el gas suministrado a la zona de contacto es regulado para conseguir un caudal deseado de líquido criogénico a través de cada una de la al menos una boquilla.

13. El método de la reivindicación 12, donde regular el gas suministrado a la zona de contacto comprende regular la segunda presión para conseguir el caudal deseado de líquido criogénico a través de cada una de la al menos una boquilla.

14. El método de la reivindicación 12, donde regular la segunda presión comprende regular la segunda presión para 50 que sea mayor de 1 a 100 veces la primera presión para conseguir el caudal deseado de líquido criogénico a través de cada una de la al menos una boquilla.

15. El método de la reivindicación 12, donde suministrar un gas a una segunda presión y una segunda temperatura a la zona de contacto comprende además suministrar el gas en una dirección que choca con el líquido criogénico que 55 está siendo suministrado a la zona de contacto.

16. El método de la reivindicación 15, donde suministrar el gas en una dirección que choca con el líquido criogénico que está siendo suministrado a la zona de contacto comprende suministrar el gas en una dirección que choca con el líquido criogénico que está siendo suministrado a la zona de contacto a un ángulo entre 45 y 135 grados.

17. El método de la reivindicación 12, donde la etapa de suministro de un líquido criogénico comprende además suministrar un líquido criogénico a una primera presión y una primera temperatura a un conducto interno que tiene al menos una abertura en comunicación fluida con la zona de contacto, estando el conducto interno ubicado dentro de un conducto externo y estando la zona de contacto ubicada entre los conductos interno y externo.