專利名稱：生產(chǎn)氮漿的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)液氮和固體氮顆粒的漿料即氮漿(slush nitrogen)的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
液氮在很多行業(yè)中用作不燃燒且輕便的冷源。而且，低溫固態(tài)氮在冷卻固體表面時(shí)傳熱差。此外，氮不能用作流體，且因此其使用受到限制。
近來，高溫超導(dǎo)材料已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用。因此，能夠在與液氮溫度相同的溫度下冷卻的超導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。低至65K溫度用于冷卻而不使液氮凝固的極限，氮的熔點(diǎn)為63K。因?yàn)榉序v前的上限為大約75K，所以能夠以液氮顯熱冷卻的溫度范圍變化10K。
因?yàn)橐旱谋葻釣?kJ/kg，顯熱能夠變化的每單位質(zhì)量液氮的焓僅僅為20kJ/kg。此外，事實(shí)上，超導(dǎo)體的特性通常在低溫(接近液氮凝固溫度)下比在高溫(接近液氮的沸騰溫度)下更穩(wěn)定。
因此，因?yàn)槟軌蚶靡旱娘@熱冷卻的溫度范圍窄且其焓小，所以大量液氮是必須的。因此，大的超導(dǎo)設(shè)備成為必須的。如果冷卻溫度上升至沸點(diǎn)，例如超導(dǎo)體的性能限制在該溫度下。因此，使用固體氮顆粒和液氮的漿料，所謂的氮漿，其能夠連同相變潛熱(25kJ/kg)一起利用，使得可能保持在氮的三相點(diǎn)附近的低溫。從而，可克服上述困難。
還需要?dú)錆{(slush hydrogen)作為航天工業(yè)的液體燃料。例如，在日本公開專利No.6-241647(1994)中公開了一種氫漿生產(chǎn)設(shè)備，其中使用冷液氦以熱交換器來液化氫。液態(tài)氫的一部分進(jìn)一步在通過液氦冷卻的固體表面上凝固，并刮削所產(chǎn)生的固態(tài)氫。
日本公開專利No.6-281321(1994)公開了通過在低溫恒溫容器中在通過冷液氦冷卻的固體表面上凝固液態(tài)氫并刮削所產(chǎn)生的固態(tài)氫來生產(chǎn)氫漿的方法和設(shè)備，其中通過將過度冷卻的液態(tài)氫釋放到低溫恒溫容器中而產(chǎn)生大量氫漿。
在日本公開專利No.8-283001(1996)中，公開了一種生產(chǎn)氫漿的方法和設(shè)備，其中通過將氫氣吹入液氦中產(chǎn)生固態(tài)氫，且三相點(diǎn)液態(tài)氫與所產(chǎn)生的固態(tài)氫混合。
在每種情況下，通過應(yīng)用氦使氫變化。假設(shè)應(yīng)用該技術(shù)來生產(chǎn)氮漿。當(dāng)通過將氦冷凝作為冷卻劑再循環(huán)時(shí)，需要液化器，氦的液化溫度需要低于氮或氫的液化溫度。這種過程的缺點(diǎn)是需要大的設(shè)備并且生產(chǎn)費(fèi)用高。
因此，本發(fā)明的申請(qǐng)人在未公開的專利申請(qǐng)JP 2003-065571和JP2003-391508中提出生產(chǎn)氮漿的方法。前者是這樣的技術(shù)，其中氮漿通過使用能夠產(chǎn)生固態(tài)氮的低溫冷凍劑作為工作流體在低溫容器中吸取液氮來生產(chǎn)。因?yàn)橹挥泻た捎米鳟a(chǎn)生固態(tài)氮的低溫冷凍劑，所以需要特殊設(shè)備以防止固態(tài)氮閉塞噴嘴。對(duì)于控制固體氮粒徑，盡管在某種程度上可通過噴嘴直徑或流體壓力，但為了穩(wěn)定地獲得具有均勻粒徑的細(xì)粒有太多的因素要控制。后者是這樣的技術(shù)，其中使液氮容器中的氣相減壓以蒸發(fā)液相氮，使得將溫度最終降低至氮的三相點(diǎn)；通過保持三相點(diǎn)產(chǎn)生固態(tài)氮，將產(chǎn)生的固態(tài)氮細(xì)粉碎以獲得氮漿。然而，控制粒徑是困難的。
同時(shí)，因?yàn)榈獫{的工業(yè)應(yīng)用已進(jìn)步，所以流體的流動(dòng)性已經(jīng)變得必要。更具體地說，需要將氮漿中的固體氮顆粒細(xì)粉碎，并使粒徑均勻以發(fā)揮很小壓力損失的良好流動(dòng)性。因此，當(dāng)長(zhǎng)且大的物體在流動(dòng)氮漿中冷卻，或輸送氮漿長(zhǎng)距離時(shí)，可以高性能且高效率地實(shí)現(xiàn)冷卻或輸送。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到前述現(xiàn)有技術(shù)已有的問題和目前的需要完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供無需高成本的冷凍劑或附加設(shè)備生產(chǎn)包括粒徑受控的細(xì)微固體氮顆粒的氮漿的方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，生產(chǎn)氮漿的方法包括以下步驟將液氮從噴嘴噴射到保持在減壓下的容器中，調(diào)整噴嘴直徑和噴射壓力使得液氮維持微滴形態(tài)，由此形成具有均勻粒徑的液氮顆粒并將所述顆粒分散在容器中；在其停留在容器空間內(nèi)的過程中從微滴顆粒使氮汽化，以通過汽化潛熱凝固液氮顆粒并形成具有均勻粒徑的微細(xì)固體氮顆粒；然后將該固體氮顆粒與液氮混合。
噴射的液氮粒徑由噴嘴直徑和噴射壓力決定的流動(dòng)速率決定。噴射到空間內(nèi)的液滴的形狀變成球形。從噴射出的液氮球形顆粒的整個(gè)表面發(fā)生汽化，剝奪汽化潛熱，使得液氮顆粒的溫度低于凝固溫度使得顆粒以球形凝固。因?yàn)楣腆w氮顆粒的質(zhì)量可通過從噴射的液氮顆粒的質(zhì)量中減去對(duì)應(yīng)于將液氮顆粒的當(dāng)前溫度(已知)降低至氮的凝固溫度(63K)所需汽化潛熱的汽化的氮的質(zhì)量而得到，固體氮粒徑可以通過從固體氮比重幾何計(jì)算而得到。而且，產(chǎn)生的固體氮量可以通過測(cè)量作為氮?dú)鈴墓?yīng)的液氮中汽化的氮的量而容易地得到。
因?yàn)楫a(chǎn)生的固體氮在真空容器的底部累積，所以給定固體濃度的氮漿可以通過將三相點(diǎn)液氮到入容器中并攪拌液氮和固體氮來生產(chǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，生產(chǎn)氮漿的設(shè)備包括用于對(duì)容器內(nèi)部減壓的真空泵、能夠通過真空泵保持在減壓狀態(tài)下的容器、配置以能夠?qū)⒁旱獓娚涞饺萜髦械膰娮?、用于以壓力將液氮輸送至噴嘴的泵、和用于攪拌容器中物質(zhì)的攪拌器。在該設(shè)備中，噴嘴可以改變?yōu)椴煌睆降母鞣N噴嘴，且可以調(diào)整液氮輸送壓力。通過調(diào)節(jié)噴射壓力從選自多個(gè)噴嘴中的噴嘴將液氮噴射到保持減壓狀態(tài)下的容器中，以形成具有均勻粒徑的液氮細(xì)顆粒，并將所述顆粒分散在容器中。在停留在容器空間內(nèi)的過程中從液體顆粒使氮汽化，以通過汽化潛熱來凝固液氮顆粒，并形成具有均勻粒徑的微細(xì)固體氮顆粒。最后，將固體氮顆粒與液氮混合。
這樣，無需特殊昂貴的冷凍器或冷凍劑，該設(shè)備可用真空泵、直徑可調(diào)的噴射工具(對(duì)于不同噴嘴孔的各種噴嘴為可交換的噴射工具)、真空容器和用于供應(yīng)液氮的工具容易地制造。噴嘴直徑優(yōu)選為0.1mm至0.2mm。噴嘴的噴射壓力優(yōu)選為7kg/cm2至10kg/cm2。
根據(jù)本發(fā)明，多個(gè)噴嘴可以提供在一個(gè)容器中。
根據(jù)本發(fā)明，噴嘴可以是具有多個(gè)噴嘴孔的多孔型噴嘴。
根據(jù)本發(fā)明，生產(chǎn)氮漿的多個(gè)設(shè)備可以并聯(lián)連接，且形成固體氮顆粒的過程和將固體氮顆粒與具有接近三相點(diǎn)溫度的液氮混合的過程可以同時(shí)在分離的容器中進(jìn)行，這樣每個(gè)過程可以順序地并交替地在各容器中進(jìn)行，從而連續(xù)進(jìn)行整個(gè)過程。
如上所述，本發(fā)明的效果可以總結(jié)如下可無需高費(fèi)用的冷凍劑或附加設(shè)備通過如下生產(chǎn)包含具有受控粒徑的固體氮微粒的氮漿將液氮從噴嘴噴射到保持在減壓下的容器中，調(diào)整噴嘴直徑和噴射壓力使得液氮維持微滴形態(tài)，由此形成具有均勻粒徑的液氮細(xì)顆粒并將所述顆粒分散在容器中；在其停留在容器空間內(nèi)的過程中從微滴顆粒使氮汽化，以通過汽化潛熱凝固液氮顆粒并形成具有均勻粒徑的微細(xì)固體氮顆粒；然后將固體氮顆粒與液氮混合。


圖1是根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)氮漿的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的其中多個(gè)設(shè)備連接的連續(xù)生產(chǎn)氮漿的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將參照附圖舉例詳細(xì)說明本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，這里描述的具體實(shí)施方式
如構(gòu)成部件的尺寸、材料類型、構(gòu)造和相對(duì)布置等都不用于限制本發(fā)明到所公開的具體形式；除非其它特別說明，其目的是為了示例而公開。
第一實(shí)施方式圖1是根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)氮漿的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖。在圖1中，1為容器；2為能通過噴射液氮形成微滴的噴嘴；3為液氮罐；4為保持容器內(nèi)真空的真空泵；5為對(duì)提供在容器底部的液氮和固體氮進(jìn)行攪拌的攪拌器；6為液氮；7為供應(yīng)液氮的供給管；8為取出氮漿產(chǎn)物的管道；9為以噴嘴形成的液氮顆粒；10為從液氮顆粒凝固的固體氮顆粒；11為以壓力將液氮輸送至噴嘴的泵。
參照?qǐng)D1，下面解釋根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝。供應(yīng)液氮的供給管7連接到液氮罐3上，管的一端通過泵11連接到噴嘴2上。準(zhǔn)備好孔徑不同的各種噴嘴，并該噴嘴在孔的尺寸范圍內(nèi)可以交換。噴嘴內(nèi)的壓力可以泵11的轉(zhuǎn)速或以用于調(diào)整提供在泵11(未示出)出料側(cè)處的壓力的手段來調(diào)整。供應(yīng)液氮的供給管的另一端連接到容器1上。真空管連接到容器的頂部，以能夠通過真空泵降低容器內(nèi)部壓力。攪拌器5設(shè)置在容器底部，以能夠攪拌容器的內(nèi)容物。用于取出產(chǎn)物的管道8設(shè)置在容器1側(cè)壁的底部附近。
液氮預(yù)先儲(chǔ)備在液氮罐3中，或補(bǔ)充以保持合適的液位。氮通過供給管7以7至10kg/cm2的壓力供應(yīng)給噴嘴2。當(dāng)液氮從噴嘴噴射時(shí)，噴嘴2直徑在0.1mm至0.2mm的范圍內(nèi)變化，且操作真空泵4使得容器內(nèi)部壓力變?yōu)榇蠹s93托(其為三相點(diǎn))。結(jié)果，獲得具有在0.05mm至0.1mm之間變化的任何直徑的固體氮顆粒。如果使用一定的噴嘴孔直徑的噴嘴，并保持恒定的供應(yīng)壓力和恒定的減壓，可以獲得尖銳粒徑分布的固體氮粉末。
當(dāng)固體氮粉末形成并累積在容器底部時(shí)，通過供給管7將液氮引入容器中，用攪拌器5攪拌內(nèi)容物以形成具有均勻粒徑的微細(xì)固體氮顆粒。從用于取出氮漿產(chǎn)物的管道8中提取氮漿，以結(jié)束一個(gè)分批過程。
第二實(shí)施方式圖2為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的設(shè)備的示意圖。圖2包括圖1中相同標(biāo)記所表示的部件，因此省略了這些部件的具體說明。參照?qǐng)D2，下面解釋根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝。
類似于第一實(shí)施例中所解釋的設(shè)備的生產(chǎn)氮漿的設(shè)備100和200并聯(lián)布置。兩個(gè)設(shè)備的材料供應(yīng)線都連接到相同的液氮罐3，它們的產(chǎn)物移出線也都連接到相同的產(chǎn)物移出線80。在生產(chǎn)氮漿的設(shè)備100中，通過操作泵4保持容器1內(nèi)的減壓，以壓力將液氮6輸送至布置在容器1內(nèi)的噴嘴2，以形成液氮顆粒9，然后生產(chǎn)出包含固體氮顆粒10的固體氮粉末。同時(shí)，當(dāng)前一批生產(chǎn)的固體氮粉末停留在設(shè)備200中時(shí)，將液氮6從氮罐3引入到設(shè)備200的容器1中，操作攪拌器5以混合容器的內(nèi)容物和液氮，從而生產(chǎn)含有均勻固體氮細(xì)顆粒的氮漿。之后，通過產(chǎn)物移出線80取出產(chǎn)物。在設(shè)備100中生產(chǎn)微細(xì)固體氮顆粒的過程安排在與當(dāng)設(shè)備200中的混合和內(nèi)容物移出的過程完成的同時(shí)完成。接下來，固體氮顆粒生產(chǎn)過程依次轉(zhuǎn)變成混合和移出過程，以在設(shè)備200中生產(chǎn)固體氮顆粒并在100中混合并移出內(nèi)容物。之后，這些過程交替并連續(xù)進(jìn)行。
工業(yè)應(yīng)用性根據(jù)本發(fā)明，具有良好流動(dòng)性的氮漿可以用廉價(jià)的設(shè)備和方法來生產(chǎn)，大而長(zhǎng)的物體可以有效地冷卻，由此該技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用在超導(dǎo)設(shè)備工業(yè)和其它工業(yè)中。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)氮漿的方法，包括以下步驟(a)將液氮從噴嘴噴射到保持在減壓下的容器中，并調(diào)整噴嘴直徑和噴射壓力使得噴射后液氮維持微滴形態(tài)，由此形成具有均勻粒徑的液氮細(xì)顆粒并將所述顆粒分散在容器中；(b)在其停留在容器空間內(nèi)的過程中從微滴顆粒使氮汽化，以通過汽化潛熱凝固液氮顆粒并形成具有均勻粒徑的微細(xì)固體氮顆粒；和(c)將固體氮顆粒與液氮混合。
2.一種生產(chǎn)氮漿的設(shè)備，包括用于對(duì)容器內(nèi)部減壓的真空泵；能夠通過真空泵保持在減壓狀態(tài)下的容器；配置以能夠?qū)⒁旱獓娚涞饺萜髦械膰娮?；以壓力將液氮輸送至噴嘴的泵；和用于攪拌容器中?nèi)容物的攪拌器；其中，噴嘴可以改變?yōu)椴煌睆降母鞣N噴嘴，液氮輸送壓力可以調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)噴射壓力從選自多個(gè)噴嘴中的噴嘴中將液氮噴射到保持減壓狀態(tài)的容器中，以形成具有均勻粒徑的液氮細(xì)顆粒，并將所述顆粒分散在容器中，在它們停留在容器空間內(nèi)的過程中從液體顆粒使氮汽化，以通過汽化潛熱凝固液氮顆粒并形成具有均勻粒徑的微細(xì)固體氮顆粒，和將固體氮顆粒與液氮混合。
3.權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)氮漿的設(shè)備，其中多個(gè)噴嘴設(shè)置在一個(gè)容器中。
4.權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)氮漿的設(shè)備，其中噴嘴為具有多個(gè)噴嘴孔的多孔型噴嘴。
5.權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)氮漿的設(shè)備，其中生產(chǎn)氮漿的多個(gè)設(shè)備并聯(lián)連接，且形成固體氮顆粒的過程和將固體氮顆粒與具有接近三相點(diǎn)溫度的液氮注入混合的過程可以同時(shí)在分離的容器中進(jìn)行，使得每個(gè)過程可以順序地在各容器中進(jìn)行，以連續(xù)進(jìn)行整個(gè)過程。
全文摘要
一種生產(chǎn)氮漿的方法，其特征在于包括將液氮從噴嘴噴射到保持在減壓下的容器中，調(diào)整噴嘴直徑和噴射壓力使得液氮維持微滴形態(tài)，由此形成具有均勻粒徑液氮微粒并將它們分散在容器中，在它們停留在容器空間內(nèi)的過程中從微滴顆粒使氮汽化，以通過汽化潛熱凝固液氮顆粒并形成具有均勻粒徑的微細(xì)固體氮顆粒，然后將固體氮顆粒與液氮混合。
文檔編號(hào)B01J3/00GK1902126SQ20048003988
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2004年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月6日
發(fā)明者町田明登, 服部一裕, 松尾幸一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社前川制作所