BOQUILLA CRIOGÉNICA ANTECEDENTES La presente invención se relaciona a una boquilla criogénica. En particular, la presente invención se relaciona al control- del gasto de flujo de un liquido criogénico a través de una boquilla criogénica. Una boquilla es una constricción de la linea de fluido en o cerca del punto de salida o de terminación del cual ese fluido es expulsado en el 'espacio abierto que está a una presión inferior que la presión en la linea de suministro. Los pasajes de fluido mostrados en las Figs . 1C, 2A-2D y 3 son las constricciones dentro de la boquilla y esas figuras no muestran las lineas de suministro a la boquilla. La Fig. 1A muestra el método convencional para controlar el gasto de flujo de un liquido criogénico a través de una boquilla. En particular una válvula V se instala corriente arriba de la boquilla que restringe el flujo del liquido criogénico L cuando el gasto de flujo 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 calda de presión del liquido que incurre a través de la válvula lo cual causa una reducción en la velocidad de rociado. Además, la calda de presión causa que una porción del liquido hierva corriente abajo de la válvula lo cual
puede taponar la boquilla y/o el pasaje de boquilla, de esta manera causando pulsaciones de gasto de flujo. Es importante entender a este respecto que el método convencional está restringido del incremento del tamaño del orificio de boquilla para ventilar rápidamente la porción evaporada y asi eliminar las pulsaciones de gasto de flujo resultantes. En particular, un orificio de boquilla más grande en el método convencional requeriría un grado más alto de restricción de la válvula para lograr un intervalo equivalente de reducciones de flujo, y de esta manera una caída de presión más grande y aun más porción evaporada. Esta restricción sobre el incremento del tamaño de boquilla en el método convencional conduce a otro problema en el método convencional cuando la boquilla y la línea de suministro a la misma deben ser enfriadas hacia abajo desde la temperatura ambiente antes del arranque. En particular, una boquilla sobredimensionada es requerida para ventilar rápidamente las cantidades grandes de vapor que se emiten durante tal enfriamiento. Consecuentemente, el método convencional se enfrenta con el dilema de elegir entre la tarea consumidora de tiempo de cambiar la boquilla sobredimensionada antes de comenzar la operación normal, o las complejidades de diseñar un sistema para incrementar temporalmente el tamaño de orificio de la boquilla durante el enf iamiento .
Finalmente, otro problema con el método convencional es la válvula misma. En particular, las válvulas que deben manejar líquidos criogénicos son costosas y tienden a romperse. La presente invención proporciona un método para controlar el gasto de flujo de un líquido criogénico a través de una boquilla que evita los problemas descritos en lo •anterior . La Fig. IB muestra una modificación convencional a la Figura 1A para reducir las pulsaciones de gasto de flujo inducidas por la ebullición al ubicar la válvula V en la boquilla N. De esta manera, la ebullición ocurre en la descarga de la boquilla y así se evita el taponamiento asociado de la boquilla. Desafortunadamente, esta modificación sería impráctica en muchas aplicaciones ya que la válvula de control hace a la boquilla demasiado grande y voluminosa para ajustarse en las máquinas manufacturadas. Además, el movimiento de la caída de presión a la descarga de boquilla no impide que ocurra la reducción en la velocidad de rociado . Técnica relacionada incluye la patente
Norteamericana 5,385,025 de Kellett; la patente Norteamericana 6,363,729 de Brahmbhatt y colaboradores; la patente Norteamérica 6,070,416 de Germain y colaboradores; y ' solicitud US 2002/0139125 de Kunkel y colaboradores.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención es un método y aparato para controlar el gasto de flujo de un liquido criogénico a través de una boquilla. El gasto de flujo se controla con un gas de "estrangulación" que tiene una presión mayor que o igual a la presión del liquido criogénico, una temperatura mayor que la temperatura del liquido criogénico; y un punto de ebullición menor o igual la temperatura del liquido criogénico. Específicamente esta invención proporciona un proceso que comprende proporcionar un liquido criogénico; proporcionar un gas de estrangulación que tiene una presión mayor que o igual a la presión del liquido criogénico, una temperatura mayor que la temperatura del liquido criogénico; y un punto de ebullición menor que o igual a la temperatura del liquido criogénico; introducir el liquido criogénico y el gas de estrangulación en una zona de contacto y poner en contacto el liquido y el gas de estrangulación para formar un fluido resultante; y descargar el fluido a través de una boquilla mientras que se continúa introduciendo el liquido criogénico y el gas de estrangulación en la zona de contacto. El método incluye la etapa de continuar los flujos de gas y de liquido durante un periodo de tiempo y ajusfar el gasto de flujo de masa, y/o temperatura, y/o presión del gas como sea deseado entre el flujo máximo a nada de flujo de gas para ajusfar o mantener el gasto de flujo de masa del liquido
criogénico . En el proceso de la presente invención, el liquido criogénico y el gas de estrangulación se introducen en una zona de contacto donde se ponen en contacto para formar un fluido resultante. El fluido resultante se descarga a través de la boquilla mientras que se continúa introduciendo liquido criogénico adicional y gas de estrangulación o liquido criogénico adicional, o gas de estrangulación adicional, desde una o más fuentes corriente arriba de la zona de contacto, dentro de la zona de contacto. En una modalidad del proceso de la presente invención, el proceso además comprende controlar el gasto de flujo de masa de descarga del fluido y la relación de masa del componente liquido del fluido descargado a su componente gaseoso como una función de la presión del gas de estrangulación. En una modalidad de la presente invención, el aparato comprende un conducto que tiene un extremo corriente arriba y un extremo corriente abajo en comunicación de flujo frontal con la boquilla. El aparato además comprende una primera linea de suministro que conecta una linea de suministro de gas presurizado al conducto y una segunda linea de suministro que conecta la linea de suministro de liquido criogénico al conducto. El extremo de descarga de la linea de suministro de gas está en comunicación de flujo frontal con el extremo corriente arriba del conducto, mientras que la
línea de suministro de líquido está en comunicación de flujo de 45-135 grados con el extremo corriente arriba del conducto (medida desde el conducto) . En una segunda modalidad de aparato de la presente invención, el aparato comprende un conducto que tiene un primer extremo de alimentación y un segundo extremo de alimentación que puede ser un extremo de alimentación opuesto, y una boquilla que comprende una hilera de aberturas (u opcionalmente una ranura) a lo largo de por lo menos una porción de la longitud de la pared del conducto. El aparato además comprende una primera línea de suministro que tiene un extremo de descarga en comunicación de flujo frontal con por lo menos uno de los extremos de alimentación del conducto, y una segunda línea de suministro que tiene un extremo de descarga en comunicación de flujo de 45-135° con por lo menos uno de los extremos de alimentación del conducto. El ángulo se mide desde el conducto. En una modalidad del segundo aparato, la primera línea de suministro que está en comunicación frontal con el conducto conecta un suministro de gas presurizado al conducto, mientras que la segunda línea de suministro que está en comunicación de flujo de 45-135° o comunicación de flujo de 90-135° con el conducto conecta un suministro de líquido criogénico al conducto. En una tercera modalidad de aparato de la presente invención, el aparato comprende un espacio anular definido
por un conducto externo que circunda concéntricamente 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 están respectivamente adyacentes a un primer extremo de entrada y un extremo de entrada opuesto del conducto interno. El aparato además comprende una boquilla que comprende una hilera de aberturas (u opcionalmente una ranura) a lo largo de por lo menos una porción de la longitud de la pared del conducto externo, una primera linea de suministro en comunicación de flujo con por lo menos uno de los extremos de alimentación del espacio anular, y una segunda linea de suministro en comunicación de flujo con por lo menos uno de los extremos de entrada del conducto interno. En una modalidad del tercer aparato, la primera linea de suministro en comunicación de flujo con el espacio anular conecta un suministro de gas presurizado al espacio anular, mientras que la segunda linea de suministro en comunicación de flujo con el conducto interno conecta un suministro de liquido criogénico al conducto interno. Esta invención además proporciona un aparato que comprende por lo menos un dispositivo de rociado criogénico cada uno que tiene por lo menos una entrada de gas en comunicación de fluido con una zona de contacto; y por lo menos una entrada de liquido criogénico en comunicación de
fluido con la zona de contacto, la zona de contacto que está en comunicación de fluido con por lo menos una boquilla; y un control de suministro de gas en comunicación de fluido con cada una de por lo menos una entrada de gas; en donde el control de suministro de gas está adaptado para permitir el ajuste - de por lo menos uno de temperatura y presión del gas suministrado a cada uno de la por lo menos una entrada de gas para lograr en primer gasto de flujo deseado de liquido criogénico a través de la por lo menos una boquilla cuando una fuente de liquido criogénico a una primera presión se proporciona a cada una de por lo menos una entrada de liquido criogénico . La invención además proporciona un aparato que comprende: un conducto externo; un conducto interno posicionado dentro del conducto externo y que define un espacio anular entre el conducto externo y el conducto interno, el conducto interno que tiene por lo menos una abertura posicionada para permitir que el liquido criogénico fluya radialmente desde el conducto interno al espacio anular; por lo menos una boquilla formada sobre el conducto externo, cada una de por lo menos una boquilla que está en comunicación de fluido con el espacio anular; una primera entrada de gas en comunicación de fluido con el conducto externo, la primera entrada de gas que está adaptada para ser conectada a un suministro de gas presurizado; y una primera .
entrada de liquido criogénico en comunicación de fluido con el conducto interno, la primera entrada de liquido criogénico que está adaptada para ser conectada a un suministro de liquido criogénico. Esta invención además proporciona un aparato que comprende: un conducto que tiene un extremo corriente arriba y un extremo corriente abajo; una boquilla en comunicación de flujo frontal con el extremo corriente abajo; una primera entrada que está adaptada para ser conectada a una linea de suministro de gas presurizado, la primera entrada que tiene un extremo de descarga en comunicación de flujo frontal con el extremo corriente arriba de la boquilla; y una segunda entrada que está adaptada para conectarse a una linea de suministro de liquido criogénico, la segunda entrada que tiene un extremo de salida en comunicación de flujo de 45 -135 grados con el extremo corriente arriba. Esta invención además proporciona un método que comprende: suministrar un liquido criogénico a una primera presión y primera temperatura a una zona de contacto que está en comunicación de fluido con por ' lo menos una boquilla; suministrar un gas a una segunda presión y segunda temperatura a la zona de contacto, la segunda presión que es no menor que la primera presión, la segunda temperatura que es mayor que la primera temperatura, y el gas que tiene un punto de ebullición en 1 atm. que no es mayor que la primera
temperatura; regular el gas suministrado a la zona de contacto con el fin de lograr un gasto de flujo deseado de liquido criogénico a través de cada una de la por lo menos una boquilla. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Fig. 1A muestra una boquilla de rociado criogénica convencional . La Fig. IB muestra una boquilla de rociado criogénica convencional con una ubicación modificada. La Fig. 1C muestra una modalidad de la presente invención . Las Figs . 2A a 2D muestran otras diversas modalidades de la presente invención que tienen diferentes configuraciones de zona de contacto y/o de boquilla. La Fig. 3 muestra una modalidad adicional de la presente invención. La Fig. 4 muestra otra modalidad de la presente invención que tiene múltiples boquillas de rociado. La Fig. 5 muestra una modalidad de tubo de rociado de un solo conducto de la presente invención. Las Figs . 6A a 61 muestran diversas modalidades de tubo de rociado de doble conducto de la presente invención. La Fig. 7 muestra un sistema de tubo de rociado que está adaptado para rastrear una fuente de calor en movimiento .
La Fig. 8 muestra otra modalidad del tubo de rociado de la Fig. 7 en la cual el tubo de rociado circunda un sustrato. La Fig. 9 muestra otra" modalidad de tubo de rociado alternativa . DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se utiliza en la presente y en las reivindicaciones, los siguientes términos serán definidos como sigue: (i) Un "fluido criogénico" significa un fluido que tiene un punto de ebullición menor que -73°C a 1 atm de presión . (ii) Un "liquido criogénico" significa un fluido criogénico en fase liquida de un punto de ebullición menor -73°C a 1 atm de presión. (iii) Una "boquilla" significará una o más aberturas para descargar un fluido. Una boquilla es una constricción de la linea de fluido en o cerca del punto de salida o de terminación de la cual ese fluido es expulsado dentro del espacio abierto que está a una presión menor que la presión en la linea de suministro. (iv) comunicación de flujo "frontal" entre un conducto y una boquilla significará la ruta de flujo del extremo de descarga del conducto que sale en la ruta de flujo a través de la boquilla sin un cambio en la dirección. De
manera similar, comunicación de flujo "frontal" entre un fluido y un conducto significará la ruta de flujo del fluido que sale a la ruta de flujo en la alimentación o extremo corriente arriba del conducto sin un cambio en la dirección. Finalmente, comunicación de flujo "frontal" entre una linea de suministro y un conducto significará la ruta de flujo en el extremo de descarga de la linea de suministro que sale en la ruta de flujo en la alimentación o extremo corriente arriba del conducto sin un cambio en la dirección. (v) "Comunicación de flujo de 45°-135°" entre un fluido y un conducto significará la ruta de flujo del fluido que sale en la ruta de flujo en el extremo de alimentación del conducto en un ángulo de 45° a 135°. De manera similar, comunicación de flujo de 45°-135° entre una linea de suministro y un conducto significará la ruta de flujo en el extremo de descarga de la linea de suministro que sale en la ruta de flujo en el extremo de alimentación del conducto en un ángulo de 45° a 135°. Para algunas modalidades, la dirección del flujo del gas en el liquido dentro de la zona de contacto en la boquilla, como es definido por las aberturas, lineas de suministro u otras conexiones, es de 0° a 180°, 0° a 90° o 45° a 90°, y el conducto puede o no puede estar en comunicación de flujo frontal con la zona de contacto . La presente invención está basada en el
descubrimiento de los solicitantes que cuando un liquido criogénico y un gas de "estrangulación" presurizado se introducen en una "zona de contacto" y el fluido resultante descargado a través de una boquilla, la relación de liquido de fluido descargado a gaseoso y por lo tanto el gasto de flujo de liquido criogénico, se puede controlar como una función de la presión del gas de estrangulación. De esta manera, la presente invención puede alternar entre una funcionalidad de enfriamiento de impacto, cuando el fluido de descarga puede comprender una mayoría (51-100%) o porcentaje más alto de hasta 100% de liquido (por ejemplo, 75-100% de líquido) y una funcionalidad de limpieza rápida cuando el fluido de descarga puede comprender una mayoría (51-100%) o porcentaje más alto de hasta 100% de gas (por ejemplo, 75-100% de gas) , sin ninguno de los cambios diferentes a la presión del gas de estrangulación (después, la característica de "funcionalidad híbrida") . Además, en una modalidad de "tubo de rociado" de la presente invención, los solicitantes han desarrollado un método para controlar el "perfil de rociado" del componente líquido de fluido descargado como una función de la presión del gas de estrangulación (después, la característica de "perfil de rociado") . De esta manera, la presente invención puede igualar un "perfil de enfriamiento" del sustrato (tal como en una aplicación de laminación en frío donde la parte
media de la tira de metal requiere más enfriamiento que los extremos) o aun rastrear una carga de calor dinámica que es impartida a un sustrato (tal como en una aplicación de rociado térmica, por ejemplo, divulgada el "Thermal Deposition Coating Method" 11/389,308 presentar el 27 de marzo de 2006, que reclama la prioridad a la solicitud provisional 60/670,497, presentada el 12 de abril del 2005, intitulada "Control Method for Thermal Deposition Coating Operations") las cuales son ambas incorporadas en la presente en sus totalidades por referencia aqui. En general, los incrementos en la presión del gas de estrangulación entre una presión igual a la presión de líquidos criogénico y una presión de gas máxima da por resultado disminuciones proporcionales en la relación de líquido de fluido descargado a gaseoso. La composición de fluido de descarga puede variar entre 100 por ciento de líquido a 100 por ciento de gas. Tales incrementos en la presión de gas darán por resultado una disminución proporcionar en el gasto de flujo de masa total del fluido descargado. Estas relaciones se discuten en más detalle enseguida . Una ventaja importante en la presente invención es la habilidad para controlar el componente del líquido de fluido descargado que se logra sin una válvula de restricción de flujo convencional y la caída de presión asociada.
Consecuentemente, distinto a los métodos convencionales, la velocidad de rociado de liquido en la presente invención no decae conforme el componente liquido de la descarga es reducido (después en la presente, la característica "velocidad de rociado") . Otra consecuencia importante de la ausencia de la válvula de restricción de flujo convencional en la presente invención es la habilidad para utilizar tamaños de boquilla más grandes que son posibles con los métodos convencionales. Consecuentemente, la boquilla se puede incrementar a un tamaño que responderá rápidamente a los incrementos de presión del gas en términos de lograr la relación de descarga de líquido a gaseoso deseada (después en la presente, la característica de "respuesta rápida") . Por otra parte, este tamaño de boquilla incrementado también funciona rápidamente para ventilar las cantidades grandes de vapor que son generadas cuando el sistema debe ser arrancado desde la temperatura ambiental (después en la presente, la característica de "arranques rápidos") . La funcionalidad híbrida anterior, perfil de rociado, velocidad de rociado, respuesta ' rápida y características de arranque rápido hacen a la presente invención únicamente adecuada para una amplia gama de aplicaciones que incluyen, pero no limitadas, a lo siguientes:
(i) una aplicación de rociado térmico, particularmente utilizando oxi-combustible de alta velocidad (HVOF) o sistemas de rociado de plasma; (ii) soldadura; funcionamiento; endurecimiento; nitruración; cementación; encristalado con láser; tratamiento de calor de inducción; soldadura fuerte; extrusión; vaciado; laminado de acabado; forj amiento; estampado; gravado; decoración; impresión, trazado o rasurado de tira, cinta o tubo de metal; corte criogénico y rectificación de componentes de metal y de no metal; y (iii) procesamiento, aplanamiento, o ensamble en las industrias de metales, de cerámica, aeroespaciales , médicas, electrónicas, y ópticas. Además de la presión del gas de estrangulación, la temperatura del gas de estrangulación también desempeña una función en la presente invención. En particular, la porción evaporada que es generada cuando el gas de estrangulación hace contacto con el liquido criogénico contribuye al efecto de estrangulación. Típicamente, la temperatura del gas de estrangulación introducida en la zona de contacto es ambiental (ya que esto asegura una porción evaporada adecuada sin la necesidad de ya sea calentar o enfriar el gas de estrangulación) y la presión del gas funciona como la "palanca de control" preferida en la presente invención. Sin embargo, en términos de la regulación de la contribución de
la porción evaporada al efecto de estrangulación, la temperatura del gas también podría funcionar como la palanca de control, ya sea por si misma, es decir, tal que la presión del gas es mantenida constantes (o en combinación con ajuste en la presión del gas. También, nada que cualquier cantidad de calor adicionada a un liquido criogénico saturada causará por lo menos algo de porción evaporada, la temperatura del gas de estrangulación es de preferencia mayor que la temperatura liquido criogénico. Generalmente, considerando la temperatura, es posible reducir la presión requerida para cualquier proporción de estrangulación particular al utilizar una temperatura más alta que la ambiental, pero si la temperatura es demasiado alta, la habilidad para sintonizar finamente el componente liquido como una función de la presión del gas se puede comprometer. Con el fin de asegurar que el gas de estrangulación no condense cuando se pone en contacto con el liquido criogénico, el punto de ebullición del gas de estrangulación debe ser menor que o igual al punto de ebullición de liquido criogénico. Consecuentemente, si el liquido criogénico es nitrógeno saturado, el gas de estrangulación puede comprender nitrógeno pero no argón, mientras que si el liquido criogénico es argón saturado, el gas de estrangulación puede comprender ya sea nitrógeno o argón. Típicamente, los factores de costo y disponibilidad favorecen al nitrógeno
liquido como el liquido criogénico y el nitrógeno gaseoso como el gas de estrangulación. También, observar que el componente de oxigeno del aire podria condensar inadvertidamente en la zona de contacto y crear un problema de flamabilidad, el aire es típicamente indeseado como el gas de estrangulación. Finalmente, considerando la elección de los fluidos en la presente invención, observar que el dióxido de carbono líquido es típicamente inaceptable ya que el líquido criogénico debido a que se congela en la expansión y puede formar tapones de hielo dentro de la boquilla. La relación exacta entre la presión de gas de estrangulación y (i) la relación de los gastos de flujo de masa de líquido a gaseoso del fluido descargado (después en la presente, "DL/G") , y (ii) el gasto de flujo de masa total del fluido descargado (después, "DF") dependerán de un número de factores que incluyen, pero no limitados a, la temperatura del gas de estrangulación como es mencionado en lo anterior, la elección de líquido criogénico y el gas, el tamaño de la boquilla y la zona de contacto, y la configuración entre la boquilla y zona de contacto. Además, puesto que el gas de estrangulación se puede esperar que incurra en por lo menos una caída de presión moderada en la línea de suministro que conecta el suministro presurizado del gas de estrangulación a la zona de contacto, esta caída de presión también debe ser tomada en cuenta. Por consiguiente, las relaciones exactas
deben ser experimentalmente determinadas para cualquier sistema particular. Descrito enseguida, sin embargo, estando las relaciones observadas basadas en la experimentación de los solicitantes con el nitrógeno liquido saturado como el liquido criogénico y el nitrógeno a temperatura ambiental como el gas de estrangulación sobre un intervalo de presiones de liquido y gas entre el 10 y 350 psig, y un intervalo de tamaños de boquilla y configuraciones de zona de contacto. Notar la relación entre la presión del gas de estrangulación y las proporciones de introducción del nitrógeno liquido y gaseoso dentro de la zona de contacto (después en la presente, "FL", y "FG" respectivamente) también se incluyen ya que estas relaciones también proporcionan discernimientos a la presente invención como es discutido adicionalmente enseguida. Las relaciones para una modalidad de la invención referida en lo anterior son como sigue. Con respecto a incrementos en la presión del gas de estrangulación entre una presión del gas igual a la presión del liquido criogénico (después en la presente, la "condición no estrangular") , y una presión del gas igual a 1.05-1.3 veces el calibre de presión de liquido criogénico (después en la presente, la "condición completamente estrangular", tales incrementos de presión del gas dieron por resultado: (i) disminuciones proporcionales en DL/G entre 1.0
y casi cero; (ii) disminuciones proporcionales en DF entre la DF máxima que ocurre en la condición no estrangulada, y la DF mínima que ocurre en la condición estrangulada que es una fracción o una fracción pequeña de la DF máxima; (iii) disminuciones proporcionales en FL entre la FL máxima que ocurre en la condición no estrangulada, y la FL mínima que ocurre en la condición estrangulada que es una fracción pequeña, por ejemplo, 10-15%, de la FL máxima para algunas modalidades; y (iv) incrementos proporcionales en FG entre la FG mínima que ocurre en la condición no estrangulada que el igual a aproximadamente 0-11% de la FL máxima, y la FG máxima que ocurre en la condición estrangulada que es igual a 10-35% de la FL máxima para muchas modalidades. En modalidades alternativas, la relación de entre la presión del gas y la presión del líquido en sus entradas respectivas en la zona de contacto en la boquilla puede ser cualquier valor mayor que 1 o puede variar entre mayor que 1 a 100. Como es sugerido en lo anterior, las relaciones anteriores proporcionan un número de discernimientos a la presente invención como sigue: (i) La presión del gas para lograr la condición completamente estrangulada es ventajosamente moderada,
específicamente de solo 1.05-1.30 veces la presión de líquido criogénico sobre una base de presión manométrica. Las expresiones de suministro de gas más altas son aun más efectivas pero no necesarias si la boquilla se diseña dentro de las otras especificaciones discretas aquí, por ejemplo, el ángulo de choque preferido del gas y las corrientes de líquido dentro de los conductos de boquilla. También, conforme a (iv) anterior, y notando que la presión de gas de estrangulación y la proporción de introducción de gas de estrangulación siempre corresponderá directamente para un diseño específico u geometría, esto se traduce en una proporción de introducción de gas de estrangulación moderada requerida para lograr la condición completamente estrangulada, específicamente solo aproximadamente 10-35% de la proporción de introducción de líquido criogénico que ocurre la condición no estrangulada. (ii) Conforme a (iii) anterior, el gasto de alimentación de líquido criogénico no es cero en la condición completamente estrangulada como podría ser esperado, si no en cambio es aproximadamente 10-15% del gasto de flujo del gasto de introducción de líquido criogénico que ocurre en la condición no estrangulada. Esto significa que la porción evaporada está contribuyendo al efecto de estrangulación aun cuando el fluido estrangulado no contiene líquido. También esto tiene la ventaja de facilitar la característica de
respuesta rápida en la presente invención aun desde la condición completamente estrangulada puesto que el gasto de introducción de liquido criogénico no tiene que ser apagado y reiniciado . (üi) Conforme a (iv) anterior, notar que el gasto de alimentación de gas de estrangulación puede ser tan alto como 11% antes de una partida (o por lo menos una partida significante) de que ocurra la condición no estrangulada. Esto está relacionado con la acumulación inicial del gas de estrangulación en la linea de suministro y la zona de contacto . ¦ La experimentación del solicitante proporcionó características adicionales específicas a las dos categorías amplias de las configuraciones entre la zona de contacto y boquilla en la presente invención. En la primera categoría, después en la presente la configuración de "pistola de disparo", la zona de contacto comprende un conducto que descarga el fluido frontalmente a través de una boquilla de una sola abertura. La segunda categoría, después la configuración de "tubo de rociado", la zona de contacto comprende un conducto que descarga el fluido en una dirección radial desde el conducto a través de una boquilla a lo largo de la longitudinal de la pared del conducto que consiste en ya sea una hilera de aberturas o una ranura. Varias variaciones básicas de la configuración de tubo de rociado se
divulgan en la presente. En una variación, después en la presente, (la variación de "un solo tubo") , el liquido criogénico y gas de estrangulación se introducen en uno, o típicamente ambos, los extremos del conducto que comprende la zona de contacto. En otra variación (después en la presente, la variación "de tubo en tubo") , el gas de estrangulación se introduce en uno o ambos extremos del espacio anular definido por los tubos concéntricos, mientras que el líquido criogénico se introduce en el espacio anular a través de una serie de aberturas en el tubo interno que está en comunicación de flujo radial con el espacio anular que comprende la zona de contacto. Las características específicas de cada una de estas configuraciones se detallan en la siguiente discusión de las figuras. La modalidad de la presente invención mostrada en la Fig. 1C es un ejemplo de la configuración de pistola de disparo entre la zona de contacto y la boquilla. La Fig. 1C, la zona de contacto comprende un conducto 31c (identificado por el sombreado cruzado en la Fig. 1C) que tiene un extremo corriente abajo en comunicación de flujo frontal con la boquilla N, y un extremo corriente arriba en comunicación de flujo con un suministro de tanto el suministro de líquido criogénico L por la vía de la primera línea de suministro, como el gas de estrangulación G por la vía de la segunda línea de suministro. El líquido criogénico y el gas de
estrangulación se introducen en la zona de contacto a través de sus lineas de suministro respectivos y se ponen en contacto para formar un fluido resultante. El fluido resultante se descarga a través de la boquilla mientras que se continúa introduciendo el líquido criogénico y el gas de estrangulación en la zona de contacto. La Fig. 1C también incorpora la observación del Solicitante de que la habilidad para "sintonizar finamente" la relación de líquido de fluido descargado a gaseoso en la configuración de pistola de disparo es aumentada cuando: (i) desde un punto de vista del proceso, el líquido criogénico y el gas de estrangulación chocan entre sí en su introducción en el mezclado en un ángulo "y" que puede ser de cualquier valor, por ejemplo, entre 0 a 360° o de 0 a 270°, o 0 a 180°, pero para algunas modalidades es de 45° a 135° o de 45° a 90° (y de preferencia 90° como se muestra en la Fig. 1C) . (El ángulo "y" como se muestra es el ángulo formado entre el conducto de líquido y el conducto de gas; es decir, el ángulo formado entre la dirección del flujo del gas y el líquido a medida que se introducen entre sí en la zona de contacto. La dirección del flujo de líquido y gas en la boquilla es indicado por las fechas adyacente a L y G.); y (iii) desde un punto de vista del aparato, la longitud x del conducto de zona de contacto 31c (identificado por el sombreado cruzado en la Fig. 1C) puede ser cualquier
valor, pero puede estar entre 1.0 y 40 veces el diámetro "d" minúscula del conducto que en su punto más reducido. Observar que las Figuras muestran modalidades que tienen ya sea las lineas de liquido o de gas frontales con el extremo de descarga de la boquilla. La boquilla de la invención no está limitada a las modalidades mostradas, y esta invención proporciona que los conductos de liquido y de gas dentro de la boquilla pueden ser configurados de modo que ninguno está en el flujo frontal con el extremo de descarga de la boquilla. Por ejemplos, el conducto de liquido criogénico y el conducto de gas y la zona de contacto podrían estar arreglados en la boquilla a 120° entre sí, o el conducto de líquido criogénico y el conducto de gas, podrían estar a 90° separados y la zona de contacto podría estar ubicada a 135° desde ambos de estos conductos. En modalidades alternativas, dos o más conductos de gas podrían ser proporcionados en cada conducto de líquido criogénico en una botella. Se prefiere cuando dos o más conductos de gas son utilizados dentro de la boquilla que ellos estén espaciados 45° a 90° desde el conducto de líquido criogénico, aunque algunos ángulos se pueden utilizar como es descrito más anticipadamente . La Fig. 2A es idéntica a la Fig. 1C excepto que la orientación de las corrientes de suministro con respecto al conducto de zona de contacto 32a (identificado por el
sombreado cruzado en la Fig. 2A) esta invertido. A este respecto, la Fig. 2A incorpora a la observación del solicitante de que la sintonización fina en la configuración de la pistola de disparo es además aumentada cuando el ángulo de choque es orientado tal que: (i) desde un punto de vista del proceso, el gas de estrangulación está en comunicación de flujo frontal con el extremo corriente arriba del conducto; y (ii) desde un punto de vista del aparato, el conducto del suministro de gas presurizado G está en comunicación de flujo frontal con la zona de contacto, mientras que el conducto del suministro de liquido criogénico L está en comunicación de flujo de 45°-135°, o comunicación de flujo de 90°-135° con la zona de contacto (y de preferencia 90° como se muestra en la Fig. 2A) . La Fig. 2B es idéntica a la Fig. 2A excepto que el liquido criogénico y el gas de estrangulación se introduce en el conducto de la zona de contacto en 32b (identificada por el sombreado cruzado en la Fig. 2B) en paralelo y frontal. El solicitante observó que los ángulos de impacto menores que 45° entre el gas y el liquido (y especialmente ángulos de impacto iguales a cero tal como la Fig. 2B) tendieron a dar por resultado un intervalo de sintonización similar a encendido/apagado, reducido. Cuandó estas boquillas no estuvieron en ya sea la condición sustancialmente no
estrangulada o de manera sustancial completamente estrangulada, ellas tendieron a tener una descarga pulsante desde la boquilla. Por lo tanto, las boquillas configuradas con ángulos de impacto más pequeños (es decir menor que 45° entre las direcciones de flujo de liquido y de gas sobre una macro escala en la zona de contacto) seria útil principalmente para aplicaciones que cambian entre las condiciones de sustancialmente no estrangulado y de manera sustancial completamente estrangulado. La Fig. 2C es idéntica a la Fig. 2A excepto que el conducto de zona de contacto 32c (identificado por el sombreado cruzado en la Fig. 2C) y la boquilla N son modificados tal que el extremo de corriente abajo del conducto diverge en un tamaño de boquilla más grande con el fin de proporcionar un rociado más disperso. La Fig. 2D es idéntica a la Fig. 2A excepto que el conducto de zona de contacto 32d (identificado por el sombreado cruzado en la Fig. 2D) contiene una cámara esférica en su extremo de corriente arriba. A este respecto, la Fig. 2D incorpora la observación del solicitante de que la habilidad de sintonización fina también se efectúa por el diámetro de tal cámara. En particular, el diámetro D de la cámara está de preferencia entre 1.0 y 6.0 veces el diámetro del conducto en su punto más angosto. La 'Fig. 3 es idéntica a la Fig. 2A excepto:
(i) la configuración de pistola de disparo entre la zona de contacto 33 (además identificada por el sombreado cruzado) y la boquilla N está verticalmente orientada; (ii) la zona de contacto, la linea de suministro de gas Gl, y la linea de suministro de liquido criogénico Ll todos comprenden tubería de polímero de carbono-flúor de diámetro de 1/ pulgadas (que retiene un grado de flexibilidad aun cuando se enfría a temperaturas criogénicas) y están protegidos del daño mecánico por una manguera Hl de acero inoxidable flexible de diámetro de ¾ pulgada; y (iii) un tapón espumoso blando SP se utiliza en el punto de entrada a la manguera de acero inoxidable para prevenir la acumulación del agua condensada dentro de la manguera. Materiales alternos conocidos para un experto en la técnica pueden ser utilizados. Los pasajes de fluidos mostrados en las Figs . 1C, 2A-2D y 3 son las constricciones entre la boquilla y esas figuras no muestra las líneas de suministro a la boquilla. La Fig. 4 muestra un sistema de enfriamiento y de limpieza criogénica industrial que comprende cinco líneas de enfriamiento Hl hasta H5 respectivas que son idénticas al aparato en la Fig. 3. El sistema comprende una caja fría Bl que aloja los componentes criogénicos, y una caja de temperatura ambiente B2 que aloja los componentes del gas de estrangulación. El líquido criogénico de entrada Li entra a
la caja fría por la vía de la válvula de liquido principal LvM y una válvula de ventilación de vapor convencional Va que separa gravitacionalmente y ventila el vapor desde la corriente entrante. La válvula de alivio de presión PRv se adiciona al lado de entrada por seguridad. La salida de vaciado del fondo Vb de la ventilación de vapor está conectada a las cinco líneas de enfriamiento Hl hasta H5 por la vía de líneas de suministro intermedias Ll hasta L5 respectivas y válvulas de solenoide Lvl hasta Lv5 respectivas. Típicamente, las líneas de enfriamiento Hl hasta H5 son cada una de diez a veinticinco pies de largo de modo que los operadores pueden fácilmente mover las líneas al punto de uso como pueda ser requerido. Puesto que la- tubería de polímero en la líneas de enfriamiento se contraerán mucho más que la manguera de acero inoxidable circundante, la tubería entre las líneas de enfriamiento y las válvulas de solenoide es extendida por 3 pulgadas adicionales con el fin de prevenir los esfuerzos de tención que de otra manera se acumularían en la tubería después del enfriamiento. Otra soluciones podrían ser utilizadas para prevenir a los esfuerzos de tención excesivos de la tubería tal como una manguera de acero inoxidable cargada en resorte, contráctil, de tipo fuelle. El gas de estrada Gi entra a la caja de temperatura ambiente B2 por la vía de la válvula principal Gv . Aquí, la corriente de gas se divide en corriente
ramificada respectiva Gl hasta G6. La corriente G6 conduce a una válvula de purga Gv6 manualmente ajustable que descarga una pequeña cantidad de gas en la caja fria por la vía del orificio ?ß con el fin de inertizar esa caja y prevenir la condensación de humedad interna. Cada una de las corrientes respectivas Gl hasta G5 se dirige a un par respectivo de válvulas de .solenoide Gvla/Gvlb hasta Gv5a/Gv5b. La función de la primera válvula de solenoide Gvla hasta Gv5a respetiva en cada par es abrir o cerrar el flujo de gas necesario en la condición completamente estrangulada. La función de la segunda válvula Gvlb hasta Gv5b respectiva en cada par es abrir o cerrar el flujo de gas a las válvulas manualmente ajustadas Gvlc hasta Gv5c respectivas. La abertura de la válvula manualmente ajustada se ajusta por los operadores por anticipado con el fin de seleccionar el gasto de flujo de gas de estrangulación que corresponde a la relación deseada de la relación de liquido a gaseoso del fluido descargado. Esta relación deseada refleja el gasto de flujo de enfriamiento normal que puede ser rápidamente reducido a cero, y luego rápidamente reiniciado al abrir o cerrar la válvula Gvla hasta Gv5a respectiva. Si todas las cinco ramificaciones no son necesarias en una operación de enfriamiento y aspersión dada, ambas de las válvulas de gas y de liquido correspondientes permanecen cerradas. Un controlador programable, eléctrico PLC se aloja en la caja de
temperatura ambiente para controlar la secuencia de abertura y cierre de las válvulas deseada y se conecta a las válvulas como un panel de control y, opcionalmente, a sensores remotos de temperatura y/o limpieza. Corriente abajo de las válvulas de control de gas, las lineas de gas comunican fluidamente con las lineas de enfriamiento Hl hasta H5 respectivas por la via de los orificios pl hasta p5 respectivos. La modalidad mostrada en la Fig. 4 se evaluó utilizando boquillas de acero inoxidable que tiene un diámetro de 0.1 pulgada y una zona de contacto larga de 1.0 pulgada. El nitrógeno liquido saturado en Li se suministró a la caja fria Bl en 80 psig por la via del liquido principal LvM, mientras que el nitrógeno Gi de temperatura ambiente se suministró a la caja de temperatura ambiente B2 en 100 psig por la via de la válvula de gas principal GvM. Ambas de estas válvulas se abrieron subsecuentemente para tomar el sistema en un modo de pausa y pre-enfriar los componentes criogénicos alojados en la caja fria Bl antes de la operación. En la siguiente etapa, las válvulas respectivas Lvl hasta Lv5 se abrieron para medir el gasto de flujo máximo del nitrógeno liquido a través de las lineas de enfriamiento Hl hasta H5 respectivas. Un rociado de liquido uniforme se estableció después de menos de 30 segundos, aunque la temperatura de arranque de la linea fue ambientada. El gasto de descarga de fluido fue de 2.75 Ibs/minutos y comprendió un rociado de
gotitas finas, largo de 4 pulgadas, seguido con una cola larga, rápida y blanca de 6 pulgadas de vapor de temperatura criogénica. Enseguida. Las válvulas respectivas Gvla hasta Gv5a se abrieron a la condición completamente estrangulada para encontrar el gasto de flujo de gas requerido para convertir la descarga de roció en nitrógeno de temperatura ambiente. Para esta modalidad, el gasto de flujo de masa de gas de nitrógeno de estrangulación completa medido fue de 1.0 lb/minuto por boquilla. Adicionalmente para esta modalidad, el gasto de entrada de nitrógeno liquido en la condición de boquilla completamente estrangulada fue 0.3 lbs/minuto por boquilla. Enseguida, las válvulas Gvla hasta Gv5a respectivas se cerraron lo cual dio por resultado la restauración de un rociado de nitrógeno liquido visible dentro de un par de segundos. Enseguida, las válvulas Gvlb hasta Gv5b respectivas se abrieron y las válvulas Gvlc hasta Gv5c respectivas se ajustaron para obtener gastos de flujo de gas más grandes y más pequeños en las lineas de enfriamiento Hl hasta H5 respectivas. La manipulación del gasto de flujo de gas utilizando las válvulas Gvlc hasta Gv5c respectivas dio por resultado la estrangulación parcial esperada del componente liquido de la descarga de rociado con la consecuencia de calentar la descarga y una transición rápida entre las funcionalidades de enfriamiento y aspersión de gas. Después de que una parte de sustrato se ha
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procesado por la funcionalidad de enfriamiento de la boquilla, la funcionalidad de aspersión de gas se puede utilizar para incrementar la temperatura de la parte a temperatura ambiente para evitar la condensación de la humedad ambiental sobre la misma. Aunque esta evaluación usa las lineas de enfriamiento idénticamente controladas por el controlador PLC basados sobre la entrada térmica de los sensores de temperatura externa, el sistema puede comprender cualquier número de lineas de enfriamiento diferentemente dimensionadas de una a tantas como sean prácticas, por ejemplo veinte. También, cada linea de enfriamiento puede controlada por el PLC independientemente de las otras lineas de enfriamiento y usar su propia entrada térmica. La modalidad mostrada en la Fig. 5 es un ejemplo de la configuración de un solo tubo de rociado en la presente invención en donde: (i) la zona de contacto comprende un conducto 35 que tiene un primer extremo de alimentación 35a y un extremo de alimentación opuesto 35b; (ii) la boquilla comprende ya sea una hilera de aberturas (como se muestra en la Fig. 5) o una ranura a lo largo de la longitud longitudinal de la pared del conducto; (iii) como es suministrado por una linea de suministro en comunicación de flujo con un suministro de liquido criogénico, el liquido criogénico Li se introduce en
el conducto a través de por lo menos uno de los extremos de alimentación del conducto (y de manera típica ambos extremos de alimentación como es mostrado por L2 en la Fig. 5); (iv) como es suministrado por una línea de suministro en comunicación de flujo con un suministro de gas presurizado, el gas de estrangulación Gi se introduce en el conducto a través de por lo menos uno de los extremos de alimentación del conducto (y de manera típica ambos extremos como se muestra por la G2 en la Fig. 5) ; y (v) el fluido se descarga a través de la boquilla en una dirección radial desde el conducto como es representado por el perfil de rociado 85 en la Fig. 5. La Fig. 5 incorpora la observación de los solicitantes de que la habilidad para sintonización fina de la relación de líquido a gaseoso del fluido descargado, y por lo tanto su gasto de flujo líquido, en la configuración de un solo tubo es aumentada cuando: (i) desde un punto de vista del proceso, el líquido criogénico y el gas de estrangulación chocan entre sí a 45°-135° o 45°-90° (y de preferencia 90° como se muestra en la Fig. 5) en su introducción en la zona de contacto y el gas de estrangulación está en comunicación de flujo frontal con el extremo (s) de alimentación del conducto; (ii) desde un punto de vista del aparato, la línea de suministro que conecta la zona de contacto al suministro
de gas presurizado está en comunicación de flujo frontal con el extremo (s) de alimentación de la zona de contacto, mientras que la linea de suministro que conecta el extremo de corriente arriba de la zona de contacto al liquido de suministro criogénico está en comunicación de flujo- de 45°-135° o 90°-135° con el extremo (s) de alimentación de la zona de contacto (y de preferencia 90° como es mostrado en la Fig. 5) . (El ángulo entre el flujo del gas y el liquido en zona de contacto se muestra como 90° y puede estar entre 45° y 90° u otros valores como es descrito previamente) y (iii) también desde un punto de vista del aparato, la relación de la longitud del conducto a su diámetro puede estar entre 4 y 20 (observar que en relación a mayores que 20, el conducto puede llegar hacer demasiado largo para un grado suficiente de contacto de impacto para que ocurra en el área media del conducto) . La modalidad de la presente invención mostrada en la Fig. 6A es un ejemplo de la variación de tubo-en-tubo de la configuración de tubo de rociado en donde: (i) la zona de contacto comprende un espacio anular 36 definido por un conducto externo 20 que circunda concéntricamente un conducto interno 10a; (ii) el espacio anular tiene un primer extremo de alimentación y un segundo extremo de alimentación (opuestos) ; y
(iii) el conducto interno tiene un primer extremo de entrada y un segundo extremo de entrada (opuesto) que están adyacentes a, respectivamente, el primer extremo de alimentación y el extremo de alimentación opuesto del espacio anular, (iv) el conducto interno contiene una pluralidad de aberturas 40 en su pared para dispersar uniformemente liquido criogénico en el espacio anular como es representado por las corriente 50 en la Fig. 6A (como se muestra el flujo de liquido en el gas está a 90° a la dirección del flujo del gas en una macro escala como es indicado por las flechas que marcan las corrientes 50 y las flechas que marcan la dirección de flu o para Gi y G2) ; (v) la boquilla comprende una hilera de aberturas 60 como es mostrado en la Fig. 6A (u opcionalmente una ranura) a lo largo de la longitud longitudinal de la pared del conducto externo y se selecciona del grupo que consiste de una hilera de aberturas y una ranura; y (vi) como es suministrado por una linea de suministro en comunicación de flujo con un suministro de gas presurizado, el gas de estrangulación Gi se introduce en el espacio anular a través de por lo menos uno de los extremos de alimentación del espacio anular (y de manera típica ambos extremos como es mostrado por G2 en la Fig. 6A) ; (vii) como es suministrado por una línea de
suministro en comunicación de flujo con un suministro de liquido criogénico, el liquido criogénico Li se introduce en el conducto interno a través de por lo menos uno de los extremos de entrada del conducto interno (y algunas veces ambos extremos como es mostrado por L2 en la Fig. 6A) ; (viii) el líquido criogénico se dispersa en el espacio anular a través de la pluralidad de aberturas contenidas en la pared del conducto interno en una dirección radial desde el conducto interno; y (ix) el fluido 70 se descarga a través de la horquilla en una dirección radial desde el conducto externo como es representado por el perfil del rociado 86a en la Fig. 6?. La variación de tubo-en-tubo de la modalidad de tubo de rociado incorpora la observación del solicitante de que la habilidad de sintonización fina de la modalidad de tubo de rociado se incrementa al efectuar el contacto de impacto entre el líquido y el gas a lo largo de la longitud del espacio anular (o por lo menos a lo largo de la longitud en la cual el gas es capaz de mantener su velocidad) . Esto también permite un incremento en la relación de longitud a diámetro de la zona de contacto del intervalo de 4-20 de la variación del un solo tubo a un intervalo de 4-80. Para diferentes modalidades, el intervalo del diámetro mínimo y la longitud de la zona de contacto están entre 1 y 80 veces el
diámetro mínimo . Los conductos interno y externo de la variación de tubo-en-tubo de la configuración de tubo de rociado se pueden hacer de acero inoxidable, aluminio, cobre o polímeros criogénicamente compatibles tal sea como compuestos de epoxi reforzados con fibra, polietileno de ultra-alto peso molecular, y los similares. El diámetro típico del conducto interno puede variar entre 1 mm y 25 mm mientras que el diámetro típico del conducto externo puede variar entre 3 mm y 75 mm. La relación típica entre el diámetro de conducto externo al diámetro de conducto interno puede variar entre 2 y 8. Como es mencionado en lo anterior, la relación de longitud a diámetro típica con respecto al conducto externo puede variar de entre 4 y 80. El espesor de pared del conducto interno depende del material de construcción seleccionado y puede ser tan pequeño como sea práctico durante la fabricación del dispositivo pero suficiente para contener la presión del fluido que llena este conducto. El espesor de pared típico de preferencia puede variar entre 1% - 10% del diámetro de conducto interno. No hay necesidad por alguna orientación especial de la pluralidad de aberturas en el conducto interno mientras que su distribución dentro del espacio anular sea relativamente uniforme. Las aberturas de boquilla en el conducto externo de preferencia se alinean en una dirección específica con el fin
de ser capaz de descargar el fluido en esa dirección. El espesor de pared del conducto externo de preferencia se selecciona para proporcionar un canal de expansión suficientemente largo para el fluido que sale de las aberturas de boquilla. Tal canal suficientemente largo depende de varios parámetros de operación, pero típicamente se selecciona al comparar su longitud, es decir el espesor de pared externo, a su diámetro o diámetro interno. La relación de longitud a diámetro típica de las aberturas de boquilla varía entre 3 y 25. Las modalidades en las Figs . 6a a 61, el diámetro interno típico de las aberturas de boquilla está entre 0.4 y 2.0 mm. Consecuentemente, una vez que se satisfacen los requerimientos de fabricación y presión, la pared de conducto externo puede ser además seleccionada para ser de por lo menos 1.4 mm y excede frecuentemente 40 mm. Finalmente, la relación del área de sección transversal total de las aberturas de boquilla en la pared de conducto externo al área de sección transversal total de las aberturas en la pared de conducto interno es típicamente 1.0, aunque un intervalo de relación expandido entre 0.5 y 2.0 es funcionable . La modalidad mostrada en la Fig. 6A se ensambló utilizando los siguientes componentes y especificaciones. (i) El conducto interno hecho de acero inoxidable y que tiene el diámetro interno de 0.335 pulgadas, un
diámetro externo de 0.375 pulgadas, y longitud de 35.5 pulgadas, y que contiene 94 agujeros, cada uno que tiene un diámetro interno de 0.03 pulgadas. (ii) El tubo externo se hizo de epoxi crio-compatible reforzado con fibra que tiene un diámetro interno igual a 0.745 pulgadas, un diámetro externo igual a 1.1 pulgadas y una longitud igual a 34.5 pulgadas, y que contiene 83 aberturas de boquilla a lo largo de una linea recta, cada una que tiene un diámetro interno igual a 0.035 pulgadas y espaciado entre si utilizando una etapa de 0.35 pulgadas . (iii) la relación entre el diámetro externo de tubo externo y el diámetro externo de tubo interno fue de 2.9. La relación de longitud a diámetro del tubo externo fue 31.4. El espesor 'de pared del tubo interno fue 5% de su diámetro externo. El espesor de pared de tubo externo fue 4.5 mm, y la relación de longitud a diámetro de cada abertura de boquilla fue de 5. La relación del área de superficie de sección transversal total de las aberturas de boquilla en el conducto externo al área de superficie de sección transversal total de las aberturas en el conducto interno fue 1.2. Como será descrito en más grande detalle en la presente, la variación de tubo-en-tubo del tubo de rociado proporciona esa habilidad para ajusfar el "perfil de rociado" del tubo de rociado. El perfil de rociado se define por las
descargas del componente líquido colectivas de cada una de la abertura de boquilla. En la Figs . 6A hasta 61, el gasto de flujo de líquido criogénico relativo en cada abertura de boquilla es representado por líneas de longitud variable. Una línea más larga significa un gasto de flujo más grande y viceversa. En la variación de tubo de rociado de tubo-en-tubo el perfil de vaciado puede ser manipulado como una función de : (a) la presión del gas de estrangulación; (b) en que extremo (s) de espacio anular se introduce el gas de estrangulación; y (c) donde se introduce el gas de estrangulación en ambos extremos del espacio anular, una variación en la presión del gas de estrangulación introducida en cada extremo . La relación entre perfil de rociado y las variables anteriores se explica en más detalle y en relación con las Figs. 6A a 61. En la Fig. 6A, la presión de gas de estrangulación introducido en ambos extremos del espacio anular es igual a la presión de líquido criogénico introducido en ambos extremos del conducto interno (es decir, una condición no estrangulada) y -el perfil de rociado resultante 86a es "uniforme" como se muestra en la Fig. 6A. La Fig. 6B es idéntica a la Fig. 6A excepto que la
presión del gas de estrangulación es ligeramente más grande que la presión de liquido criogénico. Como resultado, el perfil de rociado 86b es "comprimido" en una forma parabólica como se muestra en la Fig. 6B. Esto sugiere que la mayoría de la parte evaporada está siendo generada en los extremos del espacio anular y "empuje" de líquido restante hacia el centro de los tubos. Como un resultado, la descarga de las aberturas de boquilla localizadas cercas de los extremos del espacio anular está compuesta principalmente de gas, y por lo tanto, tiene un gasto de flujo de líquido relativamente bajo. La descarga a través de la abertura de boquilla cerca del centro de tubo de rociado contiene una fracción de líquido más grande, y por lo tanto, un gasto de flujo de líquido más alto. La Fig. 6C es idéntica a la Fig. 6B excepto que la presión de gas es además incrementada, para de esta manera comprimir el perfil de rociado 86c. Conforme la presión del gas es además incrementada a la condición completamente de estrangulación, la descarga de rociado es completamente gaseosa y a temperatura ambiente. La Fig. 6D es idéntica a la Fig. 6A excepto que el líquido criogénico es solamente introducido en un extremo del conducto interno que, como se muestra por el perfil de rociado 86d, es suficiente para asegurar el mismo perfil de rociado simétrico y uniforme como la Fig. 6A.
La Fig. 6E es idéntica a la Fig. 6A excepto que el conducto interno lOe es modificado tal que las aberturas son menos y todas agrupadas alrededor del centro del tubo. Esto dio por resultado meno's controlabilidad del componente de liquido de la descarga como es comparado con al Fig. 6A aunque se logró un perfil de rociado 86e similar. La Fig. 6F es idéntica a la Fig. 6A excepto que la boquilla consiste de una sola ranura 60f en el conducto · excepto que, como se mostró por el perfil de rociado 86f, no afectó el perfil de rociado. Las Figs. 6G, 6H y 61 muestran el efecto sobre el perfil de rociado cuando la presión del gas de estrangulación introducido en cada extremo es variada. Como se muestra en las Figs. 6G y 6H, el efecto de introducir el gas de estrangulación en solamente un extremo del espacio anular dio por resultado el desplazamiento de las cargas de rociado 86g y 86h respectiva al extremo opuesto. En la Fig. 61, la presión del gas de estrangulación para G2 introducido sobre el lado derecho es más alto que la presión del gas de estrangulación para Gl introducido sobre el lado derecho y la descarga de rociado 86i resultante se empuja al lado de presión inferior. Las Figs. 6G, 6H y 61 incorporan la característica de la modalidad de tubo de rociado mediante la cual un perfil de rociado deseado se puede lograr al proporcionar el gas en
las entradas de gas Gl y G2 en las expresiones respectivas que producirán el perfil de rociado deseado. De manera similar, otros perfiles de rociado deseados se pueden lograr al ajustar simplemente la presión del gas en las entradas de gas Gl y G2. Sin embargo, se debe observar que la expresión de Gl y G2 necesarias para lograr un perfil de rociado especifico pueden cambiar debido a los cambios en el ambiente de operación del tubo de rociado, tal como la temperatura. La Fig. 7 muestra una modalidad de un sistema de roció 200 que podría incorporar solamente las modalidades de tubo de rociado divulgadas en la presente. El sistema comprende una barra de rociado 210, un tanque presurizado 218 que contiene un criogénico (LIN en esta modalidad) , un tanque presurizado 220 que contiene gas de estrangulación (nitrógeno gaseoso a temperatura ambiente de esta modalidad) , un vaporizador 222, un controlador lógico programable ("PLC") 207, un censor de temperatura 203. La barra de rociado es un tubo de rociado de cualquier configuración divulgada en la presente que está parcialmente encerrado en una caja sólida o semi-porosa o estructura de caja. La caja o estructura de caja se abre solamente en la dirección que el líquido criogénico es impulsado de las boquillas y se purga desde el interior de la caja o estructura de caja con un gas de temperatura ambiente seco con el fin de prevenir la congelación de la boquilla. El gas de purga puede ser el
mismo como el gas de estrangulación y proveniente del mismo tanque, pero el gasto de flujo de gas de purga es típicamente constante por toda la operación de enfriamiento completa y no relacionada con los flujos de liquido o gaseoso a través del tubo de rociado. En esta modalidad, la barra de roció 210 incluye una entrada de liquido criogénico 212 y dos entradas de gas de estrangulación 214, 216. Una linea de suministro de liquido criogénico 224 suministra LIN desde el tanque 218 a la entrada de liquido criogénico 212. Una válvula solenoide 226 activa el suministro de LIN en encendido y apagado. Una linea de suministro de gas 228 suministra gas de estrangulación desde el tanque 220 a la barra de roció 210. La linea de suministro de gas 228 se divide en dos ramificaciones 230, 232, cada una de la cual está conectada a una de las entradas de gas de estrangulación 214, 216. Una válvula ajustable 234, 236 está ubicada sobre cada una de las ramificaciones 230, 232 para permitir el ajuste de la presión y gasto de flujo del gas corriente abajo en cada una de las ramificaciones 230, 232. Opcionalmente, una válvula de solenoide (no mostrada) podría ser proporcionada en serie con cada una de las válvulas ajustables 234, 236 para permitir que el flujo de gas sea encendido y apagado sin tener que reajustar las válvulas ajustables 234, 236. Cuando se opera, las corrientes de estrangulación de gas 230, 232 controla
(incrementa, disminuye o mantiene) el gasto de flujo de liquido, la función de aspersión, y el patrón de rociado de liquido como es discutido en lo anterior. Una linea de purga de gas 238 es ahusada en la linea de suministro 228 corrientes arriba de las ramificaciones 230, 232. La linea de purga de gas 238 incluye una válvula solenoide 240 y dos ramificaciones 242, 244 que están ubicadas corriente abajo de la válvula de solenoides 240 y cada una conecta una de las entrada de gas 214, 216. Cuando es operada, la linea de purga de gas 238, y sus ramificaciones 242 y 244 suministran a la barra de rociado 210 gas de eliminación de congelación que impide la congelación de las boquillas de rociado de fluido criogénico. En la Fig. 7, la barra de rociado 210 está siendo utilizada para enfriar un sustrato cilindrico 201 (por ejemplo, acero) que está siendo calentado por una pistola de rociado de polvo 205. A medida que la pistola de rociado 205 se mueve a lo largo de la superficie del sustrato 201, la porción del sustrato en la cual la pistola de rociado 205 está accionando llega hacer más caliente que las otras áreas del sustrato 201. En esta modalidad un censor 203 proporciona lecturas de temperatura a lo largo de la superficie del sustrato 201, que son leídas por el PLC 207. El PLC 207, a su vez, ajusta las válvulas ajustadas 234, 236 para generar un perfil de rociado de fluido criogénico, 209, que
proporcionará enfriamiento adicional en el área más caliente del sustrato 201 y menos enfriamiento en las otras áreas. El PLC 207 cambiará el perfil de rociado conforme la pistola de rociado 205 se mueve a lo largo del sustrato 201. Alternativamente, el PLC 207 podría ajusfar el perfil de rociado en respuesta a señales desde un censor de posición (no mostrado) que rastrea la posición de pistola de rociado 205 o el PLC 207 podría ser pre-programado para seguir una secuencia oportuna de los perfiles de rociado que son sincronizados por el movimiento de la pistola de rociado 205. El sustrato cilindrico 201 también, puede ser un rodillo u otra herramienta de formación utilizada para laminar metal o tira no metálica, perfilar tal tira y realizar operaciones de formación y conformación continuas, similares. El rodillo o la herramienta de formación se calientan durante la operación y recolecta los restos de material particulado indeseado sobre su superficie. La barra de rociado 210 que descarga el fluido criogénico con un perfil específico 209 se puede utilizar para limpiar con aspersión los restos de la superficie del sustrato y para enfriar la superficie. Para la limpieza, cualquiera de los patrones de rociado de las boquillas demostradas en la Fig. 6A-6I puede ser utilizado. Para algunas modalidades para el enfriamiento, es preferido si el fluido criogénico se aplica
desde la boquilla de esta invención al intensificar el rociado del fluido de la porción central de la boquilla y/o al minimizar el flujo de fluido criogénico desde los extremos de la boquilla como se muestra en la Fig. 6B o 6C al sustrato o rodillo a ser enfriado. Durante la laminación u otras operaciones de formación, la porción central del rodillo u otro sustrato está usualmente más caliente y los extremos del rodillo u otro sustrato más fríos. La Fig. 8 muestra un tubo de rociado que comprende un conducto que está envuelto en una forma circular que circunda el sustrato. En esta modalidad, el perfil de rociado 88 puede ser controlado para rastrear la mancha caliente rotatoria 15A que es generada cuando la pistola de rociado 13A circula o parcialmente circula alrededor de la parte de sustrato 12A en la dirección 14A. Con referencia a la Fig. 9, se muestra un aparato de rociado de tipo tubo 110, que es similar al tubo de rociado mostrado en la Fig. 5 en que el liquido criogénico se descarga a través de las aberturas 160 formadas a lo largo de la longitud de un conducto. El líquido criogénico (de preferencia LIN) se suministra al tubo de rociado 110 mediante un tubo de suministro convencional 114, luego pasa a través de un codo de 90 grados 116 y en una zona de contacto 120 dentro del conducto 112. El gas de estrangulación es suministrado por un tubo de suministro 122 que tiene un codo
de 90 grados 124 y un tubo de inyección 126 en su extremo terminal 128. El tubo de inyección 126 se extiende más allá del codo 116 del tubo de suministro de liquido criogénico 114 y en la zona de contacto 120/ que aumenta el contacto entre el gas de estrangulación y el fluido criogénico. Esta invención no está limitada a las modalidades mostradas. Las boquillas que comprenden múltiples corrientes y lineas de suministro de gas y liquido puede ser utilizadas, y otras modificaciones se pueden hacer a las modalidades mostradas, que están todavía dentro del alcance de esta invención .