[发明专利]用于气流增湿的系统和方法

说明书

发明背景

本发明提供用于生产具有精确控制的水分含量的湿润气流的系统和方法。

湿润气体，比如氮气、非低温产生的氮气、氢气、空气、富氧空气、二氧化碳、氩气、氦气及其混合物，广泛地用于化学、热学、冶金学、电子学、激光加工、燃料电池以及食品加工工业，以促进化学反应、通过热和等离子技术焊接和喷雾金属和陶瓷材料、铜焊和烧结金属组件、精炼黑色及有色金属以及金属合金、促进燃烧、为金属和金属合金提供期望的物理和机械性能、焊接电子组件、通过化学气相沉积和物理气相沉积技术沉积多种元素的氧化物、控制用于激光的气体组成、操作用于燃料电池的气体组成、增加易腐食品(例如蔬菜和水果，以及包装食品)的贮藏寿命。湿润气体也用于控制环境和调节人的舒适度，例如通过生产和供给合成的可吸入空气和药用气体。

许多技术已经被用于用一些类型的湿度控制来增湿气体。例如，气流分成两个分离的流，一个通过增湿器并且另一个绕过增湿器。这两个流体随后合并并测量混合流的湿度水平，例如通过相对湿度测量仪器。然后通过调节通过增湿器的气流流速或调节绕过增湿器的气流流速以控制合并流的湿度水平。或者，简单地通过加入蒸汽和通过蒸汽加入程度调节湿度水平而增湿气流。虽然这些技术提供一定水平的湿度控制并适合于许多应用(例如环境、食品加工以及燃烧有关应用)，他们没能提供精确的湿度控制，而这在很多化学、热学、冶金学和电子学应用中是需要的。此外，他们不适合于精确增湿具有低湿度的气体，例如气流中含有的水分低于2000ppm的那些，或者在环境温度和压力下的露点低于约-13℃。

一个需要精确增湿低湿度气体的这样的应用是用于具有不锈钢带的连续式烧结炉，所述不锈钢带由于炉内加热区中带材料的还原(reduction)而随着时间损坏。已经发现用于这样的炉的带的使用寿命可以通过以下延长：提供受控水分量，以便于炉内的气氛对于带材料为氧化性从而在带上形成保护性氧化层，但对于炉中烧结的金属组分为还原性。参见例如，美国专利号5,613,185，其中描述了添加氧化剂(例如水分、二氧化碳、一氧化二氮等)到包括氮气和氢气的气氛中，以在烧结炉中达到超过两倍的带寿命。一种类似的方法在美国专利申请公开号2011/0318216中采用，其中描述了添加从约1至约10体积％的吸热气体(″endo-gas″)到包括氮气和氢气的气氛中，以形成对于带材料为氧化性但对于烧结炉中的金属部件为还原性的气氛。

美国专利号6,123,324阐明了进一步的增湿技术，其中描述了引导受控水量通过计量装置进入装填惰性无孔填料的气-液接触器，引导已知和精确流率的气体进入接触器，并且在接触器中用气流剪切和蒸发水流。虽然该方法提供精确的水分量，其要求小心控制加入的水量和在压力下操作的专用设备。另外的增湿技术描述在专利申请WO2012/013324和JP2008-275185中。

通过在鼓泡型增湿器或″鼓泡器″中使气体鼓泡穿过水，已使气体被已知水分量增湿而不依赖于湿度测量装置。通过经过鼓泡器增湿的气流的水分含量由操作条件计算，例如水温和鼓泡器的总压。例如，水的蒸汽压或气流中的水分由水温确定。然后水的蒸汽压和总操作压力信息被用于计算水的分压或气流中的水分含量。上述计算内在假定气流被水分饱和。如果气流未被水分饱和，则计算的水分含量值将总是高于气流中真实的水分含量。这是鼓泡器很少用于要求精确、一致和可靠的湿度水平的应用的主要原因。

数年来，鼓泡器设计作出了许多变化，以在气体中提供精确、一致和可靠的湿度水平。这些改进已经集中于改进鼓泡器中的气-液接触和维持恒定的水位和水温。一些新的鼓泡器设计确实提供了具有精确、一致和可靠的湿度水平的湿润气流，假如气流的流率维持恒定的话。因此，鼓泡器调节大小并设计用于提供固定流率的湿润气流。但是，如果湿润气流的流率随时间改变或者湿润气流中的水分水平要求随时间改变，他们则不能以精确、一致和可靠的湿度水平增湿气流。

基于以上讨论，显然需要以精确、一致和可靠的水分量增湿气体，而不依靠复杂的测量装置或昂贵的材料和设备的系统。

发明概述

本发明提供以精确、一致和可靠的水分量增湿气流的系统和方法。根据本发明增湿的气流可用于各种应用，包括而不限于，退火、铜焊、金属和合金的烧结、电子组件的回流焊接、玻璃-金属密封、化学工艺、金属氧化物的化学气相沉积，激光加工、燃料电池等。