用于输送低温流体的系统和方法.pdf

本发明公开了用于输送低温流体的系统和方法。其中，一种旋转喷嘴组件包括：转轴，其具有孔以通过其输送低温流体，所述转轴具有下游部分和与供应室相关的上游部分；密封，其布置在所述供应室内并围绕所述转轴的至少一部分；和密封支撑盘，其靠近所述密封布置，所述密封支撑盘包括围绕所述转轴外径的孔，所述孔的直径使得当所述低温流体流过所述转轴的所述孔时，所述转轴可以自由旋转，同时所述密封防止低温流体漏出所述密封。

1.  一种旋转喷嘴组件，包括：
转轴，其具有孔以通过其输送低温流体，所述转轴具有下游部分和与供应室相关的上游部分；
密封，其布置在所述供应室内并围绕所述转轴的至少一部分；和
密封支撑盘，其靠近所述密封布置，所述密封支撑盘包括围绕所述转轴外径的孔，所述孔的直径使得当所述低温流体流过所述转轴的所述孔时，所述转轴可以自由旋转，同时所述密封防止低温流体漏出所述密封。

2.  根据权利要求1所述的旋转喷嘴组件，还包括一个或多个轴承，所述一个或多个轴承布置在轴承室内并可操作以允许所述转轴的旋转，所述一个或多个轴承位于所述密封支撑盘的下游。

3.  根据权利要求2所述的旋转喷嘴组件，其中，所述一个或多个轴承包括两个角接触轴承和一个径向接触轴承。

4.  根据权利要求2所述的旋转喷嘴组件，其中，所述一个或多个轴承用低温级别的航空油脂来润滑。

5.  根据权利要求2所述的旋转喷嘴组件，其中，所述一个或多个轴承是不需要润滑的轴承。

6.  根据权利要求5所述的旋转喷嘴组件，其中，所述轴承选自由溅射涂覆轴承和陶瓷轴承组成的组。

7.  根据权利要求1所述的旋转喷嘴组件，其中，所述密封包括由超高分子量聚乙烯形成的主体。

8.  根据权利要求1所述的旋转喷嘴组件，其中，所述孔的直径介于0.191英寸和0.193英寸之间。

9.  根据权利要求1所述的旋转喷嘴组件，还包括万能工作台，其连接至所述转轴的下游部分。

10.  一种旋转喷嘴组件，包括：
转轴，其具有孔以通过其输送低温流体，所述转轴具有下游部分和与供应室相关的上游部分；
密封，其布置在所述供应室内并围绕所述转轴的至少一部分，所述密封包括由超高分子量聚乙烯形成的主体和布置于在所述主体的上游端中形成的槽内的弹簧；和
密封支撑盘，其靠近所述密封布置，所述密封支撑盘包括围绕所述转轴外径的孔，所述孔的直径介于0.191英寸和0.193英寸之间。

11.  根据权利要求10所述的旋转喷嘴组件，还包括两个角接触轴承和一个径向接触轴承，所述两个角接触轴承和一个径向接触轴承布置在轴承室内并可操作以允许所述转轴的旋转，所述轴承位于所述密封支撑盘的下游。

12.  根据权利要求11所述的旋转喷嘴组件，其中，所述轴承用低温级别的航空油脂来润滑。

13.  根据权利要求11所述的旋转喷嘴组件，其中，所述轴承不需要润滑。

14.  根据权利要求13所述的旋转喷嘴组件，其中，所述轴承是溅射涂覆轴承。

15.  根据权利要求13所述的旋转喷嘴组件，其中，所述轴承是陶瓷轴承。

16.  一种方法，包括：
设置与转轴的上游部分中形成的孔流体连通的供应室；
在所述供应室内设置密封，所述密封围绕所述转轴的至少一部分；并且
通过使用靠近所述密封布置的密封支撑盘，来防止流过所述转轴的所述孔的低温流体漏出所述密封。

17.  根据权利要求16所述的方法，还包括通过布置在轴承室内的一个或多个轴承来允许所述转轴的旋转。

18.  根据权利要求17所述的方法，还包括用低温级别的航空油脂来润滑所述一个或多个轴承。

19.  根据权利要求17所述的方法，还包括使所述一个或多个轴承没有润滑。

20.  根据权利要求16所述的方法，还包括使所述密封支撑盘设置有直径在0.191英寸和0.193英寸之间的孔。

21.  根据权利要求16所述的方法，还包括将万能工作台连接至所述转轴的下游部分。

用于输送低温流体的系统和方法
本申请是申请日为2005年7月8日、申请号为200580029752.X、发明名称为“用于输送低温流体的系统和方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般地涉及流体动力机械加工，更具体而言，涉及用于输送低温流体的系统和方法。
背景技术
在流体动力机械加工中，由于流体流的动量变化引起的力被用于切割、研磨或以其它方式加工材料。例如，水经常被用作流体来切割或研磨某些材料，并且各种研磨材料可以用于增强材料去除。但是，喷水机械加工可能遭遇与在机械加工操作期间水的聚集相关的问题或者与从工件去除的材料对周围环境或水的潜在污染相关的问题。
为了解决前述问题，可升华颗粒(例如干冰)可以用作切割材料。使用可升华颗粒的主要优点是没有可被聚集的次生废料：干冰颗粒在撞击工件之后很快变成气态的二氧化碳(CO₂)。然后气态的二氧化碳可以排放到大气中。液氮也可以被用作流体媒介。因为二氧化碳和氮气在大气中大量存在，所以将它们排入大气中不会引起任何问题。
发明内容
根据本发明的实施例，低温流体输送系统包括：容器，其容纳第一温度和第一压力的低温流体；第一热交换器，其连接至所述容器以用于接收所述低温流体并将所述低温流体冷却至第二温度；第一泵，其连接至所述第一热交换器以用于将所述低温流体加压至第二压力；第二泵，其用于将所述低温流体加压至第三压力；第二热交换器，其连接至所述第二泵以用于将所述低温流体冷却至第三温度；和喷嘴，其连接至所述第二热交换器以用于向目标输送所述低温流体的射流。
本发明的实施例提供了许多技术优点。本发明的实施例可以包括这些优点的全部、一些或者不包括这些。例如，在一个实施例中，低温流体输送系统能够提供高压和高速的流体流以切割或以其它方式机械加工各种材料。这样的系统可以用在医药应用中，例如肝脏或其它形式的外科手术。通过使用低温流体(例如氮)，不会聚集次生废料；在切割或撞击工件之后，超临界态的氮很快挥发。因为氮在大气中大量存在，所以将其排入大气不会引起任何问题。
在另一个实施例中，低温流体输送系统用在冷喷涂中。小的金属颗粒或二氧化碳可以在离开喷嘴之前被携带在流体流中。这样的系统可以用于执行诸如喷砂的功能或代替电镀。
对本领域技术人员而言，可以从以下的附图、说明和权利要求中容易地得到其它的技术优点。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的低温流体输送系统的功能性框图；
图2是根据本发明一个实施例的再冷却器和前级泵的示意图；
图3是根据本发明一个实施例的前级泵的更详细示意图；
图4是根据本发明一个实施例的交换器的示意图；
图5是根据本发明一个实施例的一对增压器的示意图；
图6是根据本发明一个实施例的热交换器的示意图；
图7是根据本发明一个实施例的液压系统的示意图；
图8A至8C是根据本发明一个实施例的旋转喷嘴组件的各种示意图；
图9A是根据本发明一个实施例的喷嘴组件的示意图；以及
图9B是图示根据本发明一个实施例的不同喷嘴组件的示意图。
具体实施方式
通过参考附图的图1至图9B，将最好地理解本发明的实施例和一些它们的优点，其中类似的标号用于各个附图的类似及相应部件。
图1是根据本发明一个实施例的低温流体输送系统100的功能性框图。在图示的实施例中，输送系统100包括液氮供应体102、再冷却器104、前级泵106、交换器108、一对增压泵110、热交换器112、喷嘴组件114、动力系统116、再循环泵118、安全阀组件120和控制器122。但是，本发明也考虑到了具有多于、少于或不同于图1所示那些部件的输送系统100。通常，低温流体输送系统100能够提供高压、高速的低温流体流，以切割、研磨或以其它方式适当地机械加工各种材料。输送系统100的部件可以包含在单个结构(例如滑移机(skid))中，或者可以是以任何合适的方式布置的分离部件。以下结合图2至图9B描述输送系统100的部件的细节。
尽管未详细示出，但是每个部件可以经由适于以各种温度和压力输送合适冷冻剂的任何合适管路彼此耦合。该管路可以包含其它合适的部件，例如阀、泵和减压器(reducer)，并且根据处理标准可以是任何合适的尺寸。作为示例，从液氮供应体102至再冷却器104的管路可以是直径为3/4英寸的管路。与系统100相关的温度和压力可以根据系统100的具体实施情况而改变。
液氮供应体102用于储存氮，通常是以液态的形式，但是也可以存在一些气态氮。尽管在此详细说明中一直使用氮作为低温流体，但是本发明也考虑到用于用在输送系统100中的其它合适的冷冻剂。此外，术语“流体”可以指液体、气体、蒸气、超临界态或其任意组合。在一个实施例中，液氮供应体102是双壁箱，其储存温度低于或等于-270°F且压力小于或等于80psi的液氮。但是，供应体102可以以任何合适的温度和任何合适的压力来供应任何合适的冷冻剂。此外，供应体102还用于以任何合适的速度(例如大约三加仑每分钟)为系统100提供液氮或其它合适的冷冻剂。
再冷却器104用于在液氮进入前级泵106之前再冷却从液氮供应体102接收的液氮。在一个实施例中，再冷却器104将液氮再冷却至大约-310°F。在一个实施例中，再冷却器104是壳-管式热交换器；但是，再冷却器104可以采用其它合适的热交换器的形式。除了从液氮供应体102接收液氮，再冷却器104还可以从前级泵106接收回收的液氮，如以下结合图2更详细描述的。氮从前级泵106至再冷却器104的再循环是通过再循环泵118来实现的。
前级泵106将从再冷却器104接收的液氮的压力升高至更高的压力。在一个实施例中，前级泵106将氮的压力升高至大约15,000和20,000psi之间，用于增压泵110的使用。由于前级泵106对液氮压力的升高，氮的温度从-310°F降至大约-170°F和-190°F之间的某个值。以下结合图3描述前级泵106的进一步细节。
交换器108是热交换器，其在相反的流向上接收来自前级泵106的较冷入流超临界态氮和来自增压泵110的较热超临界态氮。然后，热量在两个流之间交换或对流，导致入流的氮在被输送到增压泵110之前被加热，并且来自增压泵110的排放在被供应到热交换器112之前被预冷。以下结合图4更详细地描述交换器108的细节。
增压泵110经由压缩将超临界态氮的压力例如从大约15,000psi升高至55,000psi。以下将结合图5描述增压泵110d的细节。增压泵110与交换器108结合工作，如以下更详细的描述。
热交换器112将来自增压泵110的高压超临界态氮冷却至大约-235°F。在一个实施例中，热交换器112是合适的壳-管式热交换器；但是，热交换器112可以是其它合适类型的热交换器。以下将结合图6描述热交换器112的细节。
喷嘴组件114接收来自热交换器112的被冷却的低温流体，并产生高速的射流以用于切割、研磨、涂覆或其它合适的机械加工操作。以下将结合图8和9描述喷嘴组件114的一些实施例的细节。在一个实施例中，由喷嘴114输送的射流的速度可以是大约3马赫；但是，本发明也考虑了其它合适的速度。安全阀组件120用于将超临界态氮释放至大气，以在由于任何原因(例如重新定位被切割或研磨的物件)需要中断输送至喷嘴的流的情况下，保持输送至喷嘴114的氮的平稳、响应性流动。在一个实施例中，安全阀组件120包括气动操作的合适三通阀；但是，本发明也考虑了对安全阀组件120使用其它合适的阀。
动力系统116提供动力至前级泵106和增压泵110。动力系统116能够使得超临界态氮通过输送系统100平稳地流动，并可以是任何合适的动力系统，例如液压系统、气动系统或电动系统。以下结合图7描述动力系统116的一个实施例的细节。在一些实施例中，动力系统116还可以为再循环泵118和交换器108提供动力。在液压系统的情况下，动力系统116可以包含合适的储液器、管路、泵、阀和其它部件以操作泵106、110和/或118。
控制器122可以是控制低温流体输送系统100的具有任何合适硬件、固件和/或软件的任何合适计算装置。例如，控制器122控制动力系统116的阀以及阀的排序，如以下结合图7所述，并且通常监视并控制整个系统100以及其它部件(例如卸压阀)的温度和压力以提供系统100的安全操作。在输送系统100的部件全都包含在一个滑移机上的实施例中，控制器122可以与滑移机分离也可以不分离。控制器122还可以具有对输送系统100的操作者提供重要的操作参数的选项。例如，经由触摸屏控制面板，操作者可以控制更多相关的操作参数，例如输出温度和输出压力。冷却和升温(ramp-up)处理两者也可以由控制器122来控制。
图2是根据本发明一个实施例的再冷却器104和前级泵106的示意图。在图示的实施例中，再冷却器104包括储存冷却剂201(例如液氮)的容器200、和布置在容器200内的管路202。管路202经由供应管线204接收来自液氮供应体102的液氮。再循环泵118也连接至管路202并可操作以输送通过管路202流至前级泵106的低温流体。
再循环泵118用于将液氮的压力从大约80psi升高至大约130psi，以“灌注”前级泵116，这导致良好的净正吸升力(net positive suctionhead)以防止气穴现象。再循环泵118还用于使流过与前级泵106相关的一对套管205的液氮经由反馈管线206再循环回到再冷却器104。在动力系统116(图1)为气动的实施例中，可以不需要再循环泵118。
反馈管线206将再循环的氮输送回到供应管线204。此外，连接至反馈管线206的是具有相关的阀212的管线210。阀212结合与再冷却器104相关的自动水平控制器208工作，以控制容器200内冷却剂201的水平。例如，如果水平开始下降，则自动水平控制器208激励阀212打开，使得流经反馈管线206的氮可以经由管线210进入容器200。
自动水平控制器208可以是任何合适的差压转换器，例如起泡器、浮子、激光传感器或其他合适的水平控制器。自动水平控制器208可以以任何合适的方式并在任何合适的位置处连接至容器200。用于控制容器200内冷却剂201的水平的原因是为了保持流入过程的液氮的适当再冷却，并为了防止冷却剂201从容器200溢出。
图2还示出了连接在供应管线204和管线210之间的气相分离器214。气相分离器214用于将氮中的任何氮气引导至管线210。在一个实施例中，气相分离器214包括串连的手动阀和电磁阀；但是，对于气相分离器214也可以考虑其他合适的阀布置。
图3是根据本发明一个实施例的前级泵106的示意图。在图示的实施例中，前级泵106是由位于双动式液压缸300中的双头线性液压活塞309在两个方向上驱动的双动式线性增压器。动力系统116以合适的压力和流速提供动力，从而以线性往复的方式操作活塞309。可以包含在间隔件(spacer)304中的一对限位开关306发送电子控制信号以切换方向控制阀，使得活塞309行进方向反向。前级泵106还包括一对冷端部302，该对冷端部通过一对中间间隔件304与液压缸300分离。围绕每个冷端部302的是用于经由再循环泵118(图2)从再冷却器104接收液氮的套管205。
如上所述，前级泵106用作将低压液氮转换成中间压力超临界态氮的放大器。为了实现此，前级泵106在活塞309的每一侧上都设置有柱塞310，使得以在前级泵106的一侧在吸入行程时相反侧产生中间压力排放的方式在活塞行进的两个方向上都产生力。因此，在柱塞310的吸入行程期间，液氮在抽吸作用下通过合适的止回阀组件311a进入冷端部302。在柱塞310使行进运动反向之后，氮被压缩并以预定的升高压力通过合适的排放止回阀组件311b排出。然后，该中间压力的超临界态氮(大约在15,000至20,000psi之间)被输送至交换器108。
中间间隔件304可以具有任何合适的长度，并且用于在液压缸300和冷端部302之间提供隔热并辅助它们之间的合适机械连接。中间间隔件304可以以任何合适的方式连接至液压缸300，并且冷端部302可以以任何合适的方式(例如通过螺纹连接)连接至各个中间间隔件304。图3还示出了蓄积器308(也就是已知的调节室(surge chamber))，以通过去除其中的任何压力波动来使氮的流动平稳。
图4是根据本发明一个实施例的交换器108的示意图。在图示的实施例中，交换器108包括实心的主体400、穿过主体400的电阻加热器402、以及延伸穿过主体400的一对导管404、406。在一个实施例中，主体400由固态铝形成；但是，本发明也考虑了其它合适的材料。电阻加热器402可以是能提供热量至主体400的任何合适加热单元。导管404、406可以是任何合适的尺寸和形状，并且两者都用于通过其来输送氮或其它合适的冷冻剂。
如上所述，交换器108是热交换器，其用于在相反的流向上接收来自前级泵106的入流超临界态中间压力氮和从增压泵110排放的超临界态高压氮。两个液体流都穿过主体400，其中在两个流之间进行热量交换，导致入流超临界态氮在被供应至到增压泵110之前被加热(如参考标号409所示)，并且来自增压泵110的热排放在被供应到热交换器112之前被预冷(如参考标号411所示)。电阻加热器402可以用于控制或以其它方式影响两个流之间的热交换。此外，主体400的材料和尺寸的选择也影响该交换。
在一个实施例中，来自前级泵106的超临界态氮以大约-170°F至-190°F的温度以及15,000和20,000psi之间的压力进入导管404。交换器108将该入流氮加热至大约-140°F和-40°F之间。增压泵110(如以下结合图5的更详细描述)将氮的压力升高至大约55,000psi，并且由此在经由导管406再次进入主体400之前将氮的温度升高至大约50°F和150°F之间。在经过导管406之后，在氮被输送到热交换器112之前，氮的温度被接着冷却至大约+30°F至-40°F之间的温度。对于流过交换器108的低温流体，系统100也考虑了其它合适的温度和压力。
图5是根据本发明一个实施例的增压泵110的示意图。为了方便起见，图5通过用“a”或“b”表示它们各自的部件来示出增压泵110a、110b中的每个。以下的描述在没有用“a”或“b”表示的情况下来一般地表示部件。在图示的实施例中，每个增压泵110包括其中布置有活塞502的液压缸501、连接至液压缸501的一对中间间隔件503、和连接至中间间隔件503的一对高压缸505。每个增压泵110还包括一对限位开关504和位于活塞502两端处的一对柱塞506。增压泵110的布置类似于前级泵106，除了增压泵110不包括位于高压缸505周围的套管，但是如果需要的化也可以包含套管。增压泵110的操作类似于前级泵106。
增压泵110作为用于在从供应管线500接收的中间压力引入的氮输送到热交换器112之前将其转换成高压处理排放流体的放大器。为了实现此，每个增压泵110在活塞502的各侧上设置有柱塞506，使得以在增压泵的一侧处于吸入行程时相反侧产生高压排放流体的方式在活塞行进的两个方向上都产生压力。因此，在柱塞506的吸入行程中，氮在抽吸作用下通过合适的止回阀组件511进入高压缸505。在柱塞506使行进的运动反向之后，超临界态氮被压缩并以升高的压力(其是由喷嘴孔径和泵压力极限所确定的)通过合适的排放止回阀组件513排出。
因此，在一个实施例中，增压泵110通过压缩使大约15,000-20,000psi之间的超临界态氮的压力升高为大约55,000psi的超临界态氮。动力系统116(图1)以合适的压力和合适的流速提供动力，从而以往复的方式操作活塞502。可以包含在间隔件503中的限位开关504发送电子控制信号以切换方向控制阀，使得活塞502的行进反向。
图6是根据本发明一个实施例的热交换器112的示意图。如上所述，热交换器112可以是任何合适的热交换器，例如壳-管式热交换器。在图示的实施例中，热交换器112包括存储液氮浴(bath)601的容器600。氮可以经由供应管线603来接收，氮可以来自液氮供应体102(图1)。尽管在图6中液氮用于使浴601冷却，但是系统100也考虑了其它合适的冷却剂。
热交换器112还包括一个或多个螺旋管602，螺旋管602经由供应管线605接收来自增压泵110的超临界态氮。系统100考虑了螺旋管602的任何合适构造。根据与热交换器112相关的螺旋管602的数量，分配歧管606可以用于分配穿过三个螺旋管602中的每个的超临界态氮。在将超临界态氮输送至喷嘴组件114之前，对于给定的大约55,000psi的压力，液氮浴601将螺旋管602中的超临界态氮冷却至大约-235°F的最小温度。
热交换器112还包括自动水平控制器608。类似于再冷却器104的自动水平控制器208(图2)，自动水平控制器608控制容器600中液氮浴601的水平，以控制排出热交换器112的氮的温度。对输送至喷嘴组件114的氮的温度的控制对于由喷嘴组件114产生的射流的品质是很重要的。
图7是根据本发明一个实施例的动力系统116的示意图。动力系统116用于提供动力至前级泵106和增压泵110两者，并且在图示的实施例中，动力系统116是液压动力系统，其中前级泵106和增压泵110两者分别由单独的液压油泵700和702供给。泵700、702是压力补偿的、可变排量(以此可变压力)泵，它们从共用储液器704获得其油供给。
泵700经由液压阀706提供加压的油至前级泵106。此外，来自泵700中的导向回路的油流过一系列外部液压阀708，外部液压阀708控制泵700自身的排量并由此控制泵700输送的压力。外部液压阀708可以由操作员经由连接至可编程逻辑控制器(“PLC”)的控制器122(图1)来控制，由此提供了对特定应用选择合适压力的灵活性。
泵700可操作以提供处于从大约300psi高至大约3000psi范围内的加压油。该压力可以由操作员经由控制器122来选择。外部液压阀708执行间接改变排量并由此改变泵700的压力的功能。流出导向管线的油进入常闭的比例控制阀(“PCV”)710和常闭的手动调节的压力调节阀(“HV”)712。在本发明一个实施例的操作中，HV 712被设定为小于3000psi的值，作为在正常操作期间PCV 710出现故障的情况下的冗余备用阀。PCV710用于经由控制器122和PLC来设定液压油泵排放压力(都低于由HV 712所设定的压力)。这两个阀都允许导向回路的油回流至储液器704。
卸压阀(“PRV”)714包括在外部液压阀708中，作为卸载由于液压泵故障而在整个前级泵液压回路中建立的任何过压的装置。其表示在液压过压情况下对前级泵106附加的安全措施。
液压阀706包括四通的电磁操作的方向流动控制阀(“SV”)716，其提供加压的油至前级泵106。如上结合图3所述，在一个实施例中，前级泵106是包括双动式致动器和两个冷端部302的双动式液压驱动泵，其能产生高达20,000psi或更高的压力。活塞309行进的末端是经由限位开关306来确定的，限位开关306传递该信息至PLC，然后PLC传递信号以打开和关闭SV 716的各个控制阀端口。
在动力系统116的前级泵部分的一个实施例的操作中，当通过各自的限位开关306对冷端部306中的一个感测到行进末端(压缩行程)时，限位开关306传递该信息至PLC，然后PLC发送信号至电磁控制阀SV716，以使当前液压油的流向反向。在此实施例中，电磁控制阀SV 716上的一个端口(A或B)从加压油流入改变为油流出回到储液器704，相反地，电磁控制阀SV 716的另一个端口从油流出到储液器704改变为加压油的流入。这具有使活塞309的运动方向反向的效果，由此将一个冷端部302从压缩行程转换为吸入行程，同时将相反的冷端部302从吸入行程转换为压缩行程。然后，当相反的冷端部302到达其行进末端时重复该过程。阀的排序自身连续地重复，由此提供了将氮加压至中间压力所需的泵吸作用。
泵702经由一系列液压阀720将加压的油提供至增压泵110。此外，来自泵702中的导向回路的油流过一系列外部液压阀722，外部液压阀722控制泵702自身的排量并由此控制泵702输送的压力。外部液压阀722可以由操作员经由连接至PLC的控制器122(图1)来控制，由此提供了对特定应用选择适当压力的灵活性。
泵702能够提供在从大约300psi高至大约3000psi范围内的加压油。该压力可以由操作员经由控制器122来选择。外部液压阀722实现远程地改变排量并由此改变泵702的压力的功能。流出导向管线的油进入常闭的比例控制阀(“PCV”)724和常闭的手动调节的压力调节阀(“HV”)726。在本发明一个实施例的操作中，HV 726被设置为小于3000psi的值，作为在正常操作期间PCV 724出现故障的情况下的冗余备用阀。PCV724用于经由控制器122和PLC来设定液压油泵排放压力(都低于油HV726所设定的压力)。这两个阀都允许导向回路的油流回至储液器704。
卸压阀(“PRV”)728包括在外部液压阀722中，作为卸载由于泵702发生故障而在整个增压液压回路中建立的任何过压的装置。其表示在液压过压情况下对增压泵110附加的安全措施。
液压阀720提供加压的液压油至增压泵110的液压缸501，增压泵110将作为超临界态流体的氮压缩至60,000psi或更高。除了使用两个单独的方向流动控制阀730和734(四通电磁操作方向流动控制阀)对进出各个液压缸501的液压油提供方向流动控制外，液压阀720还经由“定序”阀，PRV 734和PRV 736使油按顺序供应至各个液压缸501，在一个实施例中，“定序”阀，PRV 734和PRV 736是可排泄、可调节的导向操作的卸压阀。一个PRV专用于各个液压缸501，PRV 734和PRV 736两者的排泄端口都由“定相”阀SV 738(三通电磁操作方向流动控制阀)控制，该阀以定相的方式开通和禁止各个定序阀的导向功能。打开PRV 734和PRV736的排泄端口(将油导向流至储液器704的端口)能够禁止这些相同的阀的导向功能，并由此回避这些阀所拥有的任何卸压能力，从而一旦克服了任何最小的分级弹簧压力(stage spring pressure)，就传递完全的液压泵压力。相反，当重新开通导向功能(导向流不排放至储液器)时，阀的卸压能力也被重新开通。
在动力系统116的增压泵部分的一个实施例的操作中，参考图5，一个增压器液压活塞502b到达其行程的末端，并且其相应的柱塞506b处于几乎完全延伸的位置。相应地，高压缸505b将最大的超临界态流体压力输送至单个共用的高压排放管线，该管线在其出口处安装有压力调节节流器。同时，限位开关504b将发送表示活塞502b的行程末端的信号。定序阀PRV 736完全打开(定相阀SV 738已经打开用于排出的导向流以流至储液器704的通道)，由此禁止定序阀PRV 736的导向功能并禁止阀的卸压能力。此构造以在泵702的排放端口处产生的完全压力(不包括管线和阀损耗)将液压油通过方向流动控制阀SV 732输送至液压活塞502b。
同时，定序阀PRV 734的排泄端口不具有至储液器704的流动通道，因为定相阀SV 738已经中断了该流动路径，这开通了阀的导向功能并由此开通了PRV 734的卸压能力。开通PRV 734的卸压能力的影响是在PRV 734上产生差压ΔP(其可以被手动设定)并由此在SV 730和液压缸501a上产生差压，差压的幅度等于由PRV 734的可调弹簧设定所产生的压力。该差压ΔP转化为从高压缸505a排出的排放压力的减小并转换到共用高压排放管线中，其等于ΔP乘以高压缸增压系数的乘积。
此时共用的单个高压排放管线中的压力处于先前由高压缸505b产生的压力，该先前产生的压力没有受到ΔP导致的压力减小的影响，因为对于高压缸505b不存在用于ΔP产生的条件(PRV 736的卸压能力被禁止)。该条件的结合使得液压活塞502a停止在中间行进位置处，这是因为减小的液压油压力乘以高压缸的增压因子的乘积建立了增压排放压力，其小于单个共用高压排放管线中其必须被克服的背压。这防止了液压活塞502a任何进一步的行进。
在该当前起始点状态下，PLC从高压缸505b的限位开关504b接收柱塞506b当前已经到达其行程末端的信号。然后，PLC发送信号至方向流动控制阀SV 732以切换液压油流动方向，使得活塞502b能够开始反向，也就是说，油开始流到液压缸501b的相反侧中，同时流出之前加压的一侧。同时，PLC发送信号至定相阀SV 78，定相阀SV 78然后切换并阻挡定序阀PRV 736的导向油排泄流动路径(由此开通该阀的卸压能力，这接着产生了先前描述的差压ΔP)，并解除对PRV 734的至储液器704的导向油排泄流动路径的阻挡，从而禁止卸压能力并消除压差ΔP。
现在，压差ΔP的消除使得在液压泵702的排放端口处产生的完全油压对驱动液压缸501a变得有效，从而允许活塞502a完成其先前停止的压缩行程。现在这可以发生，是因为共用高压排放管线中的背压不再大于从高压缸505a排放的压力。来自泵702的加压液压油继续流入到液压缸501b的相反侧，直到活塞502b到达停止的中间行进位置(由于在定序阀PRV 736的下游侧上产生了差压ΔP)。相应地，由活塞502a驱动的高压柱塞506a已经到达其行程末端，并且相应的限位开关504a发送信号至PLC，PLC然后发送信号至方向流动控制阀SV 730以切换液压油流动的方向，使得活塞502a能够开始反向，也就是说，油开始流到液压缸501a的相反侧中，同时流出先前加压的一侧。
活塞502a反向直到其停止，在该点时，活塞502b(等待在停止位置)不再停止而将完成其整个行程。然后，活塞502b到达其行程末端并反向，在该点时，活塞502b停止而活塞502a(现在等待在停止位置)继续并完成其整个行程。以此方式，在增压泵110a、110b中的每个上的所有高压缸实现它们各自相同的部件功能。所呈现的整个增压泵循环本身持续重复，从而将以高达乃至根据需要超过60,000psi的压力提供高压超临界态氮。
在没有使用调节室的双增压操作中，一个高压缸将氮压缩至某个压力然后停止，而另一个高压缸完成其先前停止的压缩行程，因此通过允许不同高压缸的吸入和压缩相位的一些重叠(“定相”)来实现至喷嘴的高压超临界态氮的稳定、相对“无压力波动”的流动。在没有该方法的情况下，如果以完全按顺序的方式来使缸操作，则由各个缸的吸入相位和压缩相位之间的时滞引起喷嘴处的压力变化可能相当明显。
图8A、8B和8C是根据本发明一个实施例的旋转喷嘴组件800的各种示意图。本发明考虑了适于不同平台的喷嘴组件800，例如被连接至机械臂、手持棒或根据应用的其他合适的有源或无源平台。
在图示的实施例中，喷嘴组件800包括壳体802、有孔805穿过其中的转轴804、供应室808、旋转密封810、密封支撑盘812、容纳径向轴承824和一对角接触轴承826的轴承壳体827、油脂接口828和万能工作台830。本发明还考虑了用于喷嘴组件800的部件多于、少于或不同于图8A-8C所示的那些的情况。
壳体802可以是任何合适的尺寸和形状，并可以由任何合适的材料形成。转轴804部分地布置在壳体802内，并具有与供应室808相关的上游部分806，以接收高压低温流体。转轴804可以具有任何合适的长度，并且还可以由任何合适的材料形成。孔805也可以具有任何合适的直径。转轴804可以以任何合适的方式旋转，例如合适的驱动组件(未示出)。
在图示的实施例中，轴804通过径向轴承824和角接触轴承826相对于壳体802旋转。任何合适数量和任何合适类型的轴承可以用于代替径向轴承824和角接触轴承826。在一个实施例中，轴承824、826用任何合适的润滑油来润滑。在本发明的具体实施例中，轴承824、826用低温级别的航空油脂来润滑。在一个实施例中，低温级别的航空油脂是全氟聚醚油脂。例如，该油脂可以是由Lubrication Technology，Inc.制造的Christo-MCG-16。在本发明的另一个具体实施例中，轴承824、826是不需要润滑的轴承。在使用不需要润滑的轴承的实施例中，轴承可以是溅射涂覆的轴承、陶瓷轴承或不需要润滑的其他合适的轴承。例如，轴承824、826可以用永磁低摩擦涂层(例如二硫化钨)来溅射涂覆。
为了防止高压氮从供应室808泄漏至轴承壳体828中，密封810布置在供应室808内并围绕转轴804的上游部分。密封支撑盘812靠近密封810的下游端布置以随着轴804的旋转将密封810保持在适当的位置。在一个实施例中，密封810是旋转密封，以下将结合图8C更详细地描述。
现在参考图8B，密封支撑盘812包括围绕转轴804的外径818的孔814。在一个实施例中，直径818介于0.187和0.1875英寸之间。根据本发明一个实施例的教导，孔814的直径816使得当低温流体(例如超临界态氮)流过转轴804的孔805时，转轴804能够自由旋转，同时密封810防止低温流体泄漏出密封810。在一个实施例中，这是通过具有至少为0.191英寸并且不大于0.193英寸的孔径816来实现的。
参考图8C，密封810包括主体820和弹簧构件822，弹簧构件822布置在密封810的上游端上的槽823中。在一个实施例中，主体820由超高分子量的聚乙烯(“UHMW PE”)形成，其可以是油填充式的；但是，其他合适的材料可以用于主体820。在一个实施例中，弹簧构件822是具有V型横截面的悬臂弹簧构件；但是，弹簧构件822可以具有其他合适的横截面，例如圆形。在本发明的具体实施例中，密封810的内径在0.188和0.191英寸之间。
根据用于喷嘴组件800的应用，万能工作台830可以是任何合适的万能工作台。例如，如果喷嘴组件800是旋转喷嘴组件，则万能工作台830可以具有与孔805流体连通的多个孔，以例如进行喷砂操作。
图9A是根据本发明一个实施例的喷嘴组件900的示意图。喷嘴组件900可以用于研磨、喷砂、冷喷涂或其他合适的机械加工或制造处理中。其还具有代替常用的电镀的潜力。在图示的实施例中，喷嘴组件900包括壳体902、高压氮供应体904、研磨材料供应体906、混合室908和喷嘴910。本发明考虑了用于喷嘴组件900的部件多于、少于或不同于图9A所示那些的情况。此外，本发明考虑了结合图8A中的旋转喷嘴组件800的特征，以辅助与研磨材料一起旋转。
壳体902可以是任何合适的尺寸和形状并可以由任何合适的材料形成，例如不锈钢。壳体902可以以任何合适的方式连接至高压超临界态氮供应体904，例如螺纹连接。高压超临界态氮供应体904将高压超临界态氮或其他合适的冷冻剂输送到混合室908中。在进入混合室908之前，超临界态氮流过孔913。孔913可以具有任何合适的直径，例如大约0.012英寸，以控制氮到混合室908中的流动。混合室908可以由任何合适的材料形成；但是，在一个实施例中，混合室908由硬材料形成，例如碳化钨。
研磨材料供应体906可以以任何合适的方式连接至壳体902，例如螺纹连接。研磨材料供应体906将研磨材料907输送到混合室908中。研磨材料907可以是任何合适的研磨材料，例如粗砂、水晶混合物、玻璃、金属颗粒以及二氧化碳。研磨材料907与超临界态氮在混合室908中混合，并经由喷嘴910朝向目标(未示出)排出室908。
喷嘴910以任何合适的方式连接至壳体902，例如螺纹连接在壳体902上的筒夹915。在一个实施例中，喷嘴910的尺寸使得高压超临界态氮射流在撞击目标之前不会损失连贯性(coherence)(也就是变得不稳定并损失大量能量)。在一个实施例中，这是通过使暴露的喷嘴910的长度不大于2英寸来实现的。喷嘴910可以由任何合适的材料形成。例如，喷嘴910可以由氮化硼、碳化钨或其他合适的硬耐磨材料形成。在一个实施例中，高压超临界态氮以不低于-235°F的温度、不高于55,000psi的给定压力排出喷嘴910。
尽管图9A中未示出，真空罩(vacuum shroud)或其他合适的真空系统可以与喷嘴组件900结合，以对排出喷嘴910的任何研磨材料在其撞击目标之后将其移除。这减少或消除了对环境的任何潜在污染。
图9B是图示根据本发明一个实施例的不同喷嘴组件920的示意图。如图所示，喷嘴组件920包括文氏管喷嘴922，在一些实施例中其还可以是直喷嘴。文氏管喷嘴922辅助研磨剂的携带以及排出喷嘴922的氮/研磨剂颗粒混合物的横向扩散924，以提供适于清洁和研磨的大接触面积。喷嘴922的长度923可以是任何合适的长度。此外，喷嘴922可以具有与其相关的任何合适直径。文氏管喷嘴922可以由任何合适的材料形成，例如金属。在一个实施例中，文氏管喷嘴922用陶瓷材料进行衬里。
喷嘴组件920还包括壳体925，高压氮管线926和研磨剂颗粒供应体938以任何合适的方式连接至壳体925。密封930围绕氮管线926的外径并可以是由任何合适材料形成的任何合适密封。氮管线926包括在其端部中形成的孔932，孔932可以具有任何合适的直径，例如介于大约10和12密耳之间。
研磨剂颗粒供应体938可以是正向供应体(positive feed)或文氏管抽吸供应体，其将研磨剂颗粒引入壳体925中用于与氮混合。可以使用任何合适的研磨剂颗粒。
尽管已经详细描述了本发明的实施例和一些优点，但是在不脱离本发明的由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以进行各种变化、增加和省略。