可用于冷却例如光纤的物体的传热流体

本发明涉及新型流体组合物及其在多种应用中作为传热流体的使用。

纯或较纯的氦具有极好的传热性质。例如，典型地，在光学纤维拉制 过程中，由于氦是化学惰性的以及它的传热性质，将其用于加强纤维的冷 却。在常见的纯气体中，只有氢具有比纯氦更高的导热性。但是，氢的惰 性不如氦，并且在有些与气体有关的传热应用中使用氢比使用任何惰性气 体更危险。因此，典型地，在某些(但不是所有)冷却或加热应用中，避 免使用氢作为气态传热介质。

用于传热过程的氦中的典型的杂质源于开始时存在于“纯”氦源中的 少量杂质和被用于与氦和被冷却或加热物体或材料间传热的其它物质向氦 中的渗透而引起的污染。这些杂质经常主要由氮和氧以及低得多的浓度的 氩、二氧化碳和水蒸汽以及更低浓度的通常可在空气中找到的其他气态成 分组成。由于这些杂质难以避免和/或避免这些杂质的成本高昂，一般容忍 了这些杂质，但这些杂质并不是有意识地引入氦中的。

一般认为氦或氢与其它气体的二元混合物比纯气体本身具有更好的传 热系数。参看，例如M.R.Vanco，“惰性气体及其二元混合物的相对传 热系数和压强下降的分析比较”，NASA TN D2677(1965)；F.W.Giacobbe， “所选择的二元气态混合物相对于氦和氢的传热能力”，Applied Thermal Engineering，Vol.18，Nos.3-4，pp.199-206(1998)；R.Holoboff等，“使 用氦的气体淬灭”，Advanced Materials & Processes，Vol.143，No.2，pp. 23-26(1993)。特别是Holobofd等指出，对于热处理炉，通过改变至最优 的氦/氩混合物，用户能够在将成本维持在相当于使用100％氦时的成本的 一部分的情况下，用仅用氩时不能得到的快速对部件进行热处理。在另一 个单独的例子中，相同作者也认识到了提高风扇速度(气体循环速度)对 于纯氦和纯氮的冷却速度的好处。但是，没有关于传热流体混合物速度对 于热交换流体的优化混合物的冷却速度的影响的讲述或建议。

出于说明的目的，并且按照较早时的理论，附图1显示了氦加上另一 种稀有气体与纯氦相比较的相对传热能力。在附图1中，为了有意识地避 免使用更加复杂的SI传热单位体系，人为地将纯氦的相对传热能力定为1。 因此，如果含氦二元气体混合物具有2.0(相对于纯氦)的传热能力，此数 据意味着在任何使用该气态混合物取代仅使用纯氦的传热过程中，该气体 混合物将2.0倍更有效。并且，作为使用这一数据的潜在性氦节约的简单 化例证，如果最佳的二元气体混合物仅含50％(体积或摩尔分数)氦和50％ 其它气体，为实现与仅用纯氦相同的冷却作用，仅需1/2的该气体混合物。 因此，在使用气体混合物的特定的冷却过程中，所需氦量仅为使用纯氦的 相同热交换过程的25％。

在附图2中，并且也按照较早时的理论，显示了氢与一种稀有气体的 相对于纯氦的最优的组合物和大致相对传热能力。在附图2中，也人为地 将纯氦的相对传热能力定为1.0。因此，如果仅含氢和氩(而不是氦)的二 元气体混合物(相对于纯氦)具有1.4的传热能力，在任何使用该气体混 合物取代仅使用纯氦的传热过程中，该气体混合物应1.4倍更有效。并且， 由于产生这一效果不需要氦，氦的使用被降至零。此外，典型地，由于氢 和氩的价格比氦便宜得多，与纯氦冷却剂气流相比，氢/氩冷却剂气流的总 成本价格几乎可以忽略。

应该指出，附图1和2中的数据是理论值，并且是基于所考察的气体 或气体混合物的湍流的。但是，在R.B.Bird、W.E.Stewart和E.N. Lightfoot，Transport Phenomena，pp.392-393(1960)的开创性工作中，作 者指出“传热系数以复杂的关系依赖于许多变量，其中包括流体性质(k、 μ、ρ、Cp)、体系的几何学、流速、特性温度差和表面温度分布的值”。 因此，在工程设计中，恒定性质的理想化的使用经常导致安全系数建立得 更大或者当走向另一极端时的危险情况。参看D.M.McEligot等，“惰性 气体混合物的内部强制对流”，Int.J.Heat Mass Transfer，Vol.20，pp. 475-486(1977)。

每个人都同意氦是昂贵的流体。尽管它是惰性的，但它不是可更新的 资源。一旦它逸出至大气中就不可回收。通常氦是循环使用的，有时是(例 如按照US-A-5,897,682和US-A-6,092,391中的描述)在提纯后循环使用的。 但是，这需要昂贵的压缩和/或低温设备。的确，正如K.Bammert等， “He-Ne、He-N2和He-CO2气体对封闭循环燃气轮机的影响”，ASME论 文74-GT-124(1974)中所指出的，尽管就传热效率而言纯氦经常被认为是 (除纯氢以外)最好的气态流体并且因而热交换单元可以非常紧凑，但压 缩气体所需的压缩设备的尺寸对于许多应用(例如宇宙飞行)而言是致命 性的。因此，尽管传热设备可以较小，传热流体(氦)的成本是与相对较 高的压缩设备成本相联系的。

根据流体传热系数的出人意料的本性，从以上文献来看，需要解决的 问题是，在利用速度对传热性能改进的影响的同时，在许多工程中常用的 传热情况下，能够使用可以容易地改变其组成、从而利用氦和/或氢的传热 性质的传热流体而不带来纯氦和压缩氦所需的昂贵的设备的大量开支。

本发明的解决方案是基本由选自氮、氩、二氧化碳及其混合物的重质 气体和选自氢、氦及其任何混合物的轻质气体构成、轻质气体的浓度为约 20摩尔％至约99摩尔％的传热流体混合物。

优选轻质气体浓度为约30摩尔％至约98摩尔％的传热流体混合物， 轻质气体的浓度优选约40摩尔％至约97摩尔％，更优选约50摩尔％至约 96摩尔％，特别优选轻质气体的浓度为约60摩尔％至约95摩尔％的传热 流体混合物。

本发明的另一个方面是冷却或加热物体的方法，该方法包括将物体与 本发明的传热流体混合物中的一种接触，该接触的方式选自直接接触物体、 间接接触物体及其结合。

优选使物体穿过基本封闭的空间(例如热交换器)和/或物体具有基本 为圆柱形的形状，特别地，所述物体是圆柱形光纤。

本发明的另一个方面是改进穿过热交换装置的基本为圆柱形的光纤的 冷却的方法，该方法包括以下步骤：

a)直接和/或间接将光纤与本发明的传热流体混合物相接触，和

b)在冷却过程中，间歇地或连续地对参数进行调整，上述参数选自： 传热流体混合物的组成、传热流体混合物流入热交换装置的流速、与纤维 以逆流方式接触的传热流体混合物的量、与纤维以并流方式接触的传热流 体混合物的量、与纤维以逆流方式接触的传热流体混合物的组成、与纤维 以并流方式接触的传热流体混合物的组成、被注入热交换装置的传热流体 混合物的温度、以逆流方式与纤维接触之前的传热流体混合物的温度、以 逆流方式与纤维接触的过程中的传热流体混合物的温度、以逆流方式与纤 维接触之后的传热流体混合物的温度、以并流方式与纤维接触之前的传热 流体混合物的温度、以并流方式与纤维接触的过程中的传热流体混合物的 温度、以并流方式与纤维接触之后的传热流体混合物的温度、被注入热交 换装置的传热流体混合物的压强、以逆流方式与纤维接触的传热流体混合 物的压强和以并流方式与纤维接触的传热流体混合物的压强。

本发明也涉及改进在封闭的空间里与停滞的或流动的气体混合物接触 的物体的冷却或加热的方法，该方法包括以下步骤：

a)直接和/或间接将该物体与本发明的传热流体混合物接触，和

b)在冷却过程中间歇地或连续地参数做出调整，上述参数选自：传热 流体混合物的组成、与物体接触的传热流体混合物的流速、与物体接触的 传热流体混合物的量、与物体接触的传热流体混合物的组成、进入封闭空 间的传热流体混合物的温度、与物体接触之前的传热流体混合物的温度、 与物体接触的过程中的传热流体混合物的温度、与物体接触之后的传热流 体混合物的温度、进入封闭空间的传热流体混合物的压强和与物体接触的 传热流体混合物的压强。

参数调整基于在冷却或加热过程中变化的物体的测得的参数自动或手 工进行。

又另一个方面，本发明也涉及由重质气体和轻质气体构成的传热流体 的制造方法，优选地，传热流体可以在具有高传热系数和高使用成本的第 一组成和具有与第一组成基本相同的传热系数但可将使用成本降低的第二 组成之间调整，所述方法包括以下步骤：

a)提供源于轻质气体源的选自氢、氦及其混合物的轻质气体，

b)提供源于重质气体源的选自氮、氩、二氧化碳及其混合物的重质气 体，

c)确定加热或冷却需求，

d)基于上述需求，将轻质气体和重质气体混合。

按照本发明，本文描述了可以被有益地用于传热应用(例如玻璃纤维 冷却应用)的、基本由氦或氢和其它气体构成的组合物，该组合物提供了 与纯氦几乎相同的传热，并显著地降低了使用纯氦的成本。

已经发现，十分出人意料地，基本由至少一种轻质气体(例如氦)和 至少一种重质气体(例如氩)构成的传热流体混合物，当以很低的体积速 度或很高的体积速度流过传热表面时，表现出低于但接近以相同体积速度 流动的纯轻质气体(例如氦)的传热系数。由此，被加热或冷却的流体中， 尽管本发明的组合物可能需要比纯氦稍大的传热面积以在取得相同的特性 温度差，由于本发明的组合物比纯氦的成本低得多，存在着总成本节约的 机会。另外，如果设计者允许稍高的特性温度差，则不需要改变传热面积。

另外，由于这些气体混合物在以很低和很高的体积速度之间的体积速 度流动时的传热系数与基本纯的氦或基本纯的氢相比的显著改善，热传递 设计者可以决定使用本发明的组合物并改变参数(例如浓度、体积速度、 系统压强、特性温度差及类似参数)以适应高需求时期。例如，在夏季中 的高冷却气体需求期间，使用组合物中的一种的的冷冻单元可以改变气体 的比例和体积速度以达到更高的特性温度差(更好的冷却)。

本发明也涉及冷却物体的方法，特别是冷却穿过热交换器移动的光纤 的方法，该方法包括将选自氢、氦及其任何混合物的轻质气体和选自以下 物质的重质气体的混合物直接与物体接触：N2、O2、F2、Ne、Cl2、Ar、 Br2、Kr、Xe、Rn、CH4、C2H4、C2H6、C3H8、C3H6、C4H10、(CH3)3CH、 NH3、CO、CO2、CCl4、CH3Cl、SO2、SO3、NO、NO2、N2O、CCl3F、 CCl2F2、CClF3、CBrF3、CF4、CHCl2F、CHClF2、CHF3、C2Cl4F2、C2Cl3F3、 C2Cl2F4、C2Br2F4、C2CIF5、C2F6、C2H4F2、C2H2F4及其混合物。

另外，本发明的另一个方面涉及冷却物体的方法，特别是冷却穿过热 交换器移动的光纤的方法，该方法包括将物体与氢(作为轻质气体)和氦 (作为重质气体)的混合物直接接触的步骤。

本发明的传热流体优选具有至少一种以约20摩尔％至约99摩尔％的 浓度存在的轻质气体，上述浓度更优选约30摩尔％至约98摩尔％，更优 选约40摩尔％至约97摩尔％。特别优选的传热流体混合物是至少一种轻 质气体的浓度为约50摩尔％至约96摩尔％的混合物，以及至少一种轻质 气体的浓度为约60摩尔％至约95摩尔％的混合物。

特别优选至少一种重质气体的每一种的分子量都至少五倍于至少一种 轻质气体的每一种的分子量的组合物。

其它优选的方法是在检查加热或冷却需求是否已被满足以及(如果需 求已被满足的话)需求是否在可以接受的成本限制范围内得到满足之后调 整传热流体混合物的组成和/或体积速度的方法。

此处使用的术语“冷却”包括冷冻，而术语“加热”包括煮沸、汽化 和类似操作。术语“流体”用于重质组分，表示在某些温度和压强下，重 质组分(例如CFC类)可以有液相和气相存在。

附图1和2阐明了氦和另一种稀有气体的混合物以及氢和稀有气体的 混合物总是更有效的传热流体的一般看法；

附图3A示意性阐明了用于产生附图3和4中所图示的实验数据的设 备；

附图3图示了在氦/氩传热流体混合物的发明中有用的实验数据；

附图4图示了在氦/二氧化碳传热流体混合物的发明中有用的实验数 据；并且

附图5图示了在理解用于冷却物体(例如光纤)的过程中的本发明的 方法中有用的逻辑图。

我们的实验室中使用气体进行的研究表明，气体混合物的传热系数随 着气体的体积速度而改变，并且存在着某些与纯轻质气体相比在高度层流 和高度湍流的状态下具有较差的传热性质的氢和/或氦与氩和/或二氧化碳 和/或氮的混合物。但是，已经确定，在一定体积速度范围内，含有至少一 种较高浓度的“轻质气体”和至少一种“重质气体”(例如氩、二氧化碳 或氮)的气体的传热系数比单独的气流高。在此将上述体积速度范围称为 “临界体积速度范围”。在该临界体积速度范围以上或以下，轻质气流具 有较高的传热系数。

此处使用的词语“轻质气体”和“重质气体”(分别)指低分子量气 体和高分子量气体。术语流体指气体、液体或气体和液体的结合物。例如， 两种典型的低分子量气体是氢(MW约＝2.0g/mol)和氦(MW约＝4.0g/mol)。 两种典型的高分子量稀有气体是氙(MW约＝131g/mol)和氡(MW约 ＝222g/mol)。另外，本发明的优选的传热流体混合物是含恰好正确的相对 于彼此的浓度的、尽可能轻的“轻质气体”和尽可能重的“重质气体”的 二元气态混合物，因为，典型地，在“临界体积速度范围”内，这些混合 物具有可能的最高的传热系数(即对于冷却或加热目的而言，它们是最好 的气态传热介质)。

对于含氢或氦的二元气体混合物，最好的(出于传热的目的)与氢或 氦混合的稀有气体是氡。其它非稀有的气体(例如SF6、UF6和许多重质无 机或有机气体(例如CFC类气体和许多其他特定的气体)也可以被用来与 轻质气体(例如氢或氦)混合，从而产生具有非常好的传热性质的传热流 体混合物。但是，氡是具有放射性的并且是非常稀有的(因此是非常昂贵 的)，而许多其他不属于稀有气体族的气体在高温下倾向于(对于分解而 言)不稳定。尽管并不希望排除例如氡或其他不属于稀有气体族的重质气 体的重质气体在制备气态传热混合物中的可能的使用(例如SF6、UF6和类 似物)，这些传热流体仅在某些传热应用中是优选的。例如，在可以容忍 一些放射性材料的场合下(例如在核反应堆中)可以在本发明的传热流体 混合物中使用放射性氡作为重质气体。

在此，发明人已经发现，可以使用与纯轻质或纯重质气体具有基本相 同或更好的传热(冷却或加热能力)的轻质气体和重质气体的某些混合物。 特别地，通过简单地测量传热流体混合物的体积速度、体系(混合物或被 加热或冷却的物体)的特性温度差以及加热或冷却需求，使用本发明的传 热流体混合物的方法或设备的操作者可以实现显著的成本节约。这一点可 以通过评价附图3中的数据而观察到。附图3中的曲线是在发明人的实验 室中使用类似附图3A所示的实验室设备获得的。以下对上述设备进行讨 论。

附图3A中所示的是一个带有处于与其外部的不锈钢管4同心的位置 的铜管2的装置。由此在管4的内表面和管2的外表面之间形成了一个腔。 向此腔中通过物流入口管道6和物流出口管道8输送足够将管2的内和外 表面维持在几乎100℃的物流。铜管2在点A和点B之间在两个位于流过 该处的气流的中心的热电偶之间长度为约9.4英寸(24cm)。铜管2内径 为0.25英寸(0.64cm)，外径为0.5英寸(1.3cm)。热电偶10和12分别 测定进入和流出的物流的温度，而热电偶54和62分别测定气流入口和出 口的温度。用于测试的预混合的氦/氩气流依靠进入管2前用冰浴冷却而以 几乎0℃的温度进入管2，并且所有气体在约1大气压强下进入管道。预混 合气流通过管道14和阀16进入设备1，随后如所示通过转子气体流量计， 尽管也可以使用其他类型的气体流量计。气流随后通过螺旋管件20、T形 管24和接头26。用通过接头22连接的气压表28观察流出流量计18的气 流的压强。较小的T形管27和接头29连接了管道34，而接头30连接了 热电偶32从而监测离开流量计18的气流的温度。管道34将气流通过浸没 在装在隔热容器38中的冰浴(约0℃)中的盘管36。通过盘管36后，已 被冷却至约0℃的气流通过管道40。由于气流在通过管道40时从环境中获 得一些热，设备1包括了封闭在外壳44中的管42。一系列接头45将管42 与铜管2连接，而热电偶54位于两管的中央。将源于容器38内的冰浴的 冷水用泵50通过管道48输送至外壳44和管42形成的腔中。用另一个热 电偶13监测冷水的温度。在与以逆流方式通过管42流动的气流之间的间 接热交换使温度稍升高(由热电偶56证实)之后，将水通过管道46返回 至容器38。从容器38通过另一管道52向泵50提供冷水。在多个流速和 气体组成下检测在铜管2中在点A和B之间流动的气体温度。

正如附图3中对于氦/氩传热流体混合物所示，当氦被作为轻质气体而 氩被作为重质流体时，在通过管子的体积流量低于约60SCFH时，与纯氦 相比较，传热流体混合物都具有较差的传热系数(如特性温度差(被定义 为流体的温度上升)所测得的)。但是，附图3也表明当体积流速在约90 SCFH和约250SCFH之间时，含大于60摩尔％的氦的氦和氩的混合物的 性能几乎与仅纯氦相同或更好。

附图4是针对二氧化碳和氦的混合物的类似的分析。注意在流速低于 约250SCFH和高于约80SCFH时，含至少60摩尔％的氦的氦和二氧化 碳的混合物的性能与仅纯氦相同或更好。

对其他二元混合物和三元混和物以及具有多于三种组分的混合物的进 一步测试已经揭示出了类似的行为。例如，特定的轻质气体的与特定的重 质气体(以某些最优的混合物比例)的许多组合已经令人惊讶地显示出几 乎与仅轻质气体一样好或更好的传热性质。但是，真正使用的气体的选择 将主要依赖于热交换过程中本发明的传热流体混合物可能经历的高温和低 温、流速(体积速度)和体系的压强以及，最后但不是最不重要的，成本 效率。

轻质气体与(可能处于混合气体/液体状态的)重质气体的混合可以通 过任何数量的方法完成，而这对于本发明不是关键性的。US-A-4,166,799 描述了一种方法和设备。在该专利的方法中，将对于一般液体化学材料具 有相对化学惰性的载气(例如氮或二氧化碳)通过压力调节器输送至装有 重质气体的罐中。罐用通常为液体的化学材料部分充满，将载气在液体表 面以下分布，从而使载气被通常为液体的材料的蒸汽饱和至相当程度。控 制罐的内容物的温度以提供预先确定的流出气体的温度。当液体的水平面 因挥发而下降时，以加入更多液体从而使液体的水平面保持不变为宜。气 体流出罐前，由于气体产量大(例如超过每小时50标准立方英尺)，基于 实际上可以实现并维持的气体分散程度，驻留时间倾向于比已经获得蒸汽 —液体平衡所需时间短；此外，高气体产量引起液体液滴夹带，而这是在 希望得到液态产物物流时所不希望的。为了解决所有这些问题，在流出的 气体流出罐之前，首先使其通过可以透过气体的设备，该设备被调整至阻 止被夹带的液体从罐中流出，并同时提供即将流出的气体混合物与所保留 的一般为液体的化学材料的额外的密切接触。

优选地，当本发明的传热流体混合物被用于冷却时，处于比要被冷却 或冷冻的物体适当低的温度下。例如优选以不高于环境温度(约25℃)的 温度，并优选以不高于约0℃的温度进入冷却装置或空间。当用于加热应 用时，本发明的传热流体混合物优选被加热至高于所需要的温度但低于重 质气体的分解温度的温度进入加热装置或空间。例如，非常低的温度可能 倾向于引起混合物中一种或多种气体的冷凝，而除非这种过程是在设计中 的(如在“热管”中)，在此情况下，这对于气态热交换可能不是有益的。

此外，非常高的温度可能在热交换过程中引起混合物中一种或多种轻 质气体和/或重质气体的分解，并由于原气体混合物组成的非故意的变化而 对所设计的热交换过程的总功效产生负面影响。另一方面，如果重质流体 的分解放出氢，由于氢具有所有常见气体中最高的导热性，可能具有有益 的影响。当使用例如商品名称“R-134a”的重质流体的情况可能就是这样。 上述重质流体具有1，1，1，2-四氟乙烷的化学式。尽管这类化合物典型地是很 惰性的，在升高的温度下，一些分解是可以预期的；参看例如 US-A-6,254,666。该文指出，破坏全氟化物的一种方法是通过热破坏。的 确，在半导体生产技术中，使用例如此类化合物的化合物产生用来清洁化 学蒸气沉积室内表面的等离子体，并肯定放出了一些氢。轻质气体与重质 气体的混合可以通过任何数量的方法完成，而这对于本发明不是关键性的。

提交日期为2001年1月19日、系列号为09/764,424的共同待审查专 利申请“混合气体的设备和方法”中描述了一种优选的方法和设备，该申 请中，使用了气体混合设备产生气体混合物的流。上述气体混合物可以被 用于本发明的多种用途，并且可以优选地供给一个或多个使用点使用。典 型地，气体混合设备至一个或多个使用点的气体混合物的流是连续的。但 是，上述流可以出于特殊目的(例如维护、质量控制和/或安全目的)而被 中断。

混合设备产生包括至少两种气体的气体混合物。例如，上述设备可以 产生但不限于产生包括以下气体的气体混合物：氮和氢、氮和氦、氩和氦。

专利申请‘424优选的混合设备可以有效地提供具有增加了的混合物浓 度均匀性的气体混合物。例如，在设计的氢浓度为混合物的3体积％并且 氮浓度为混合物的97体积％的氢和氮的混合物中，典型地，设备100能够 将氢在混合物的氢浓度维持在混合物的约3％士0.15体积％。

优选的混合设备包括为将第一种气体或气体混合物加入气体混合集管 (manifold)而连接的第一种气体源。为将第二种气体或气体混合物加入 气体混合集管而连接第二种气体源连接。流入气体混合集管的第一和第二 种气体的流以连续为宜。阀通常处于打开位置以分别允许第一和第二种气 体的流通过。第一种和第二种气体在气体混合集管中混合，从而形成气体 混合物。第一种和第二种气体源以位于现场(例如位于金属热处理设施附 近)为宜。

气体源可以是大型气体源。例如，大型气体源可以具有约40,000ft3 (1,130,000升)至约20,000,000ft3(5.66×108升)的容积。大型气体源可 以包括例如位于生产设施附近的大型气体容器或用于气体运输的管式拖 车。典型地，管式拖车具有约40,000ft3(1,130,000升)至约140,000ft3 (3,960,000升)的容积。大型气体源的使用可以补充或取代气瓶。此处使 用的术语“气瓶”包括容积小于大型气体源的容积的气体容器，上述容积 为例如约220ft3(6230升)至约300ft3(8500升)。

优选的混合设备可以产生大流量范围内的气体混合物的流。第一和第 二气体的流的流速至少取决于所希望的传热流体的量和/或所希望的第一 和第二气体在传热流体(HTF)混合物中的浓度。

在正常处理条件下，一个使用HTF混合物的点从气体混合集管接受 HFT混合物的连续的流。但是，在特别处理条件下，将输送至使用点的气 体混合物的流停止。此类处理条件可以包括例如使用点不能运转(例如当 加工设备因维护而被停止或生产因其他原因被停止)和/或当HTF混合物 不符合所要求的规格时。可以通过关闭通常打开的三通阀将上述流停止， 从而将至使用点的流停止。

按照优选的实现方案，优选的混合设备中的具体的部件包括例如第一 和第二质量流量控制器。

典型地，通过优选的HTF气体混合装置的气体的温度和压强取决于 所使用的气体的类型和/或气体混合物的具体传热应用。例如，在氮和氢 HTF混合物的生产中，氮气流的压强优选约110psig，氢气流的压强优选 约120psig。优选的设备可以(但不必须)包括一个或多个调整第一和/或 第二气体源提供的气流的压强的调压器。

按照优选的实现方案，可以通过第一和第二质量流速控制器调节第一 和第二气体的流速。流速取决于例如所希望的HTF混合物产物流的流速、 所希望的第一和第二气体在气体混合物中的浓度和HT气体混合物的具体 的HT应用。

可以(但不必须)将流出气体混合组件的HTF气体混合物输送至缓 冲容器。该缓冲容器起HTF气体混合物产品容器的作用，并用适于容纳气 体混合物的材料(例如不锈钢)制成。在优选的实现方案中，缓冲容器的 体积为约25加仑(94.6升)。可以将气体混合物从缓冲容器中取出并送至 使用点。

为了减少气体混合物产品中杂质的量，在HTF气体混合设备中可以 (但不必须)包括至少一个过滤器。例如，按照优选的实验方案，传热混 合设备可以(但不必须)包括过滤器以减少从第一和第二气体源注入的气 流中的杂质的量。

优选的混合设备可以(但不必须)包括能够(例如通过监测和控制第 一和/或第二气体的流速)调整气体混合物浓度的控制器。控制器可以通过 调整至少一个质量流量控制器来调整气体混合物的浓度。适用的控制器和 控制方法对于熟悉本领域的人员是已知的。控制器可以是例如可编程逻辑 控制器(PLC).Op

按照优选的实现方案，可以将控制器编程以通过调整至少一个质量流 量控制器提供具有所希望的浓度的气体混合物。检测器和气体分析仪可以 测量气体混合物中至少一种气体的浓度，并且可以将这一信息提供给控制 器200。优选在靠近使用点处测量传热气体混合物的浓度。例如，在一个 优选的实现方案中，控制器可以确定气体混合物中第一和第二气体的浓度。 可以随后对第一和第二质量流量控制器中的一者或二者进行调整以调节气 体混合物的总浓度。

至少一个额外的传感器和/或检测器能够测量流过设备的管道的气体 的各种性质，包括例如气体的压强、流速、温度和/或浓度。源于额外的传 感器和/或检测器的信息可以由控制器接收和处理。控制器也可以提供包括 例如有关气体的各种压强、流速、温度和气体混合物浓度的信息的数据报 告。设备的状态可以从处于远距离的位置监测，从而减少或消除通过人的 干预而进行每日监测的需求。

在优选的实现方案中，气体分析仪是氢气体分析仪，例如可以从位于 美国印第安纳州Laporte的Thermo Instrument Company得到的AT-401 百分率氢分析仪。典型地，连接气体分析仪以接收标准气体(span gas) 即参比气体的流。标准气体一般用来校准分析仪。标准气体的浓度一般对 应于气体混合物产品的所希望的浓度。典型地，还连接气体分析仪以接收 源于清洗气体管道的清洗气体的流。清洗气体可以是例如氮。

当将本发明的传热流体混合物用于冷却时，宜使其处于比被冷却或冷 冻的物体适当低的温度下，例如优选以不高于环境温度(约25℃)的温度， 并优选以不高于约0℃的温度进入冷却装置或空间。当用于加热应用时， 本发明的传热流体混合物优选以高于所需要的温度但低于重质气体分解温 度的温度进入加热装置或空间。例如，非常低的温度可能倾向于引起混合 物中的一种或多种气体的冷凝，而除非这种过程是在设计中的(如在“热 管”中)，在此情况下，这对于气态热交换可能不是有益的。

此外，非常高的温度可能引起热交换过程中混合物中的二氧化碳的分 解，并由于原气体混合物组成的非故意的变化而对所设计的热交换过程的 总功效产生负面影响。

一般而言，本发明的传热流体混合物在任何希望以直接与混合物接触 或间接与混合物接触(例如通过热交换管壁)的方式加热或冷却移动或非 移动物体的体系中都是有益的。在光纤拉制技术中，典型地，纤维穿过热 交换器移动并且气体混合物与纤维直接接触(参看例如美国专利第 6,125,638号的附图1，因其对光纤冷却热交换器的论述而通过引用并入本 文)。尽管流过固定圆柱的气体的传热系数已被定义，例如象Holoboff等， “使用氦的气体淬灭”，Advanced Materials & Processes，1993年2月中所 讨论的，对于特定传热体系，存在着使得预测难以作出的不确定因素。例 如，在纤维拉制技术中，光纤由轴拉动穿过热交换器移动。在一种方法中， 典型地，如638专利所述，冷却剂气体在交换器中纤维的大致中点处进入 热交换器，随后分开，部分气体以并流的形式和纤维一起移动，部分气体 以与纤维移动方向逆流的形式移动。

附图5显示了一个用于使用本发明的传热流体混合物进行加热或冷却 处理的逻辑图10的优选版本。具体过程对于此处的讨论并不重要。更具体 的例子在以下的实施例部分给出。首先，如框12和14所示，选择轻质气 体和重质气体。现在，也为了叙述方便，假定这是一个两组分或二元传热 流体(HTF)混合物。如此处所讨论的，随着具体的重质气体的不同，这 一理想化的假设可以是一个并不真正成立的简化，例如，当重质流体被暴 露于可以分解一些或全部重质气体的条件下时就是如此。所作的选择是基 于被加热或冷却的物体或流体的已知的性质的。例如，如果物体是要进行 冷冻的食物的话，则轻质气体和重质气体应从 “一般认为安全”的食品级氢或氦或其混合物和例如氩、二氧化碳或其混 合物的重质气体中选择。

如果传热过程是金属物体的热处理，则所作的选择是基于所希望的金 属最终性质的。随后如16处所示通过手工或计算机控制的操作远距离或在 本地制备初始HTF混合物，假定是80摩尔％轻质气体/20摩尔％重质气体 的混合物。如18处所示确定被加热或冷却的物体的冷却或加热需求。这一 决定可以象操作人员基于已有经验做出决定一样简单，也可以象使用多个 温度传感器、关于要被加热或冷却的进入的材料的特性的前馈信息以及类 似信息的计算机控制热分析一样复杂。

一旦做出了有关需求的决定，如20处所示开始HTF混合物的流并测 量特性温度差或AT。特性AT可以是基于HTF混合物在热交换单元的进 入点和离开点的温度改变或被加热或冷却的物体的温度改变或其组合的。 该组合的一个例子是例如金属热处理时。开始时可以监测金属的温度上升， 随后，典型地，金属部件的温度被维持在某一温度下若干分钟或小时。在 这种情况下，对于金属ΔT＝0，因此监测HTF混合物的ΔT。

此后，如菱形框24和26所示提出两个问题。第一个问题24是加热或 冷却需求是否被满足。如果答案是“是”的话，程序转向第二个问题并提 问满足需求的成本是否在可以接受的范围内。如果对此问题的答案是“是” 的话，HTF混合物的性能符合按照本发明的设想，再次测量ΔT，并且重 复提出24和26处的两个问题，等等。

回到菱形框24，如果加热或冷却需求没有被满足，则按照例如附图3 和4所示的图改变HTF混合物的组成和/或体积速度(BV)，并再次测定 特性ΔT，此后再次提出问题，直到加热或冷却需求被满足。如果对如菱形 框26所示的第二个问题的答案是“否”，则再一次地，程序是按照附图3 和4中的图改变HTF混合物的组成和/或BV，并再次提出两个问题。

阅读本公开后应该认识到，图5的程序并不暗示传热流体混合物的恒 定组成(尽管这一条件是本发明的范围之外的)的存在；的确，对这一点 的了解很大程度上上解释了本发明的关键方面。成本和满足要求之间又存 在斗争的倾向。

如框30所示，另一个选择是向HFT混合物中加入第三个(或更多个) 组分。例如，预期含有两种重质流体和一种轻质流体的混合物具有类似于 轻质流体和两种重质流体的平均值的传热性质。

以下实施例演示了使用HTF混合物和本发明的方法的范围。

实施例1、金属部件的热处理

可以将连续型常规退火炉改装以和本发明一起使用。例如，可以将800 英尺长的0.100英寸厚、25英寸宽的纯锆带退火。所使用的传热流体混合 物可以通过将储存于压强为22psig的贮槽中的液化氩与氦混合(例如通过 将氩挥发至其中流动着氦的管线中)制得。将混合物输送至热/工作区中产 品通道上方约15英寸处。可以将混合物按70/30氦/氩混合物输送至腔中。 应将约0.5至约5.0lb./min.混合物输送至热/工作区，得到约0.8psig的标称 炉腔压强，其目标是20分钟后获得约10ppm的剩余炉氧浓度。随后，典 型地，通过使用电热元件将热/工作区的温度从约400°F的起始温度升高/ 调整至约1600°F的操作温度。为了定量地确定适用的操作参数并稳定热/ 工作区上方的压强，对混合物的流进行监测。这些调整一般可以成功地将 剩余氧含量保持在约5.8-10ppm而不必超过2psig的腔的压强。

实施例2、冷冻食物和其他材料

本发明的实施中可以使用低温单独快速冷冻(IQF)冷冻机设备。IQF 提供了使用低温液体有效地表面冻结或完全冻结小至中尺寸(对于大致为 球形的物体(例如李子)，直径约1毫米至约5厘米)的食物产品或其他 工业产品(例如橡胶球或类似物)的设备。食物或其他工业产品的尺寸和 形状以使其可以做二维或三维移动为宜。例如，可以使用本发明的冷冻机 设备进行IQF处理的食物产品包括虾、豌豆、肉丁和肉丸。可能不宜处理 的产品的例子包括汉堡包肉饼、包装食品以及(由于易碎性和尺寸比例的 原因)类似玉米薄饼和土豆片的产品。

IQF设备以使用本发明的传热流体的直接接触冷却沿着产品支持物穿 过冷冻室移动的产品为宜，优选使用移动传送带使产品移动。但是，应当 理解，移动传送带并不是所有实现方案所必需的；可以使用一个固定的桌 子。这是因为在有些优选的实现方案中，将多个鼓风机放置在产品支持物 的两侧从而搅动产品、将产品通过产品支持物移动并当产品从产品入口穿 过冷冻室移动至产品出口时将其冷却。

在将冷冻液体直接喷洒到冷冻室上的优选的实现方案中，冷冻机外壳 完全封闭并容纳了冷低温气体，从而使所提供的仅有的开口是IQF设备两 端的产品入口和产品出口。

以循环室中装置的每一鼓风机均具有优选在其上表面上的入口和在冷 冻室的一侧壁上的出口为宜。鼓风机将冷气从冷冻室通过侧壁顶部和上盖 之间的缝隙抽出，并将冷低温气体穿过传送带上的产品循环。鼓风机出口 将低温液体(或者在机械类设备实现方案中的冷空气)横向穿过传送带直 接送至产品上，从而使产品即得到冷却又得到搅动，或者同时以气体的力 量将其吹过传送带。在将低温液体直接喷入冷冻室的实现方案中，优选将 液体冷冻剂注射器置于第一鼓风机的鼓风机出口处。取决于例如产品尺寸 和形状、是否希望进行二维或三维移动以及类似的因素等，鼓风机可以是 单速的或变速的。尽管可以在鼓风机中使用单速发动机，更优选使用变速 “鼠笼式”鼓风机。带有以1725rpm旋转的13.5英寸(34.3cm)径向叶 片的具有2马力发动机的变速鼓风机足以将多个平均直径为约0.5厘米至 约5厘米、密度为每立方厘米约0.7至约2.0克的单独产品块在18英寸 (45.7cm)宽的水平传送带的宽度内搅动。该尺寸和其他处尺寸的鼓风机 可以从美国俄亥俄州代顿的Dayton Blower Co.得到。但是，鼓风机尺寸与 传送带宽度之比的范围也可能是宽的，并且是处于本发明的范围之内的。 传热流体混合物注射器以将混合物直接喷洒在沿着传送带在鼓风机出口前 通过的食物或其他产品上为宜。在有些实现方案中，可以将一个或多个传 热流体混合物控制阀置于注射器的上游，并通过温度控制系统操作控制阀， 从而控制流过注射器的混合物的流量。

液体冷冻剂注射器将低温液体直接喷洒到沿着传送带从鼓风机出口前 经过的食物或其他产品上。

应当理解，如果要将非食物产品进行IQF处理，即使食品工业所不能 接受的传热流体也可以使用。另外，可以用机械冷却方法取代液体冷冻剂 注射器。这些实现方案中的热传递在冷冻室中的空气和冷却盘管中的冷冻 剂之间发生。在这些实现方案中，鼓风机以移动空气为宜，尽管在使用机 械冷却的同时将本发明的传热组合物喷洒至冷冻室中也是可以的。

实施例3、食物的冷冻

US-A-5,921,091公开了可能会得益于本发明的公开内容的直通道冷冻 机的例子。如US-A-5,921,091的附图1所示，直通道冷冻机包括加长的冷 冻机通道和将食物在其上面从冷冻机的入口传送到冷冻机的出口的传送 带。通道内(优选在靠近通道的入口处)装有一个或多个冷却剂喷嘴。冷 却剂喷嘴将按照本发明的混合物直接送至产品上。另一种方法是通道内装 有冷却剂喷嘴，但喷嘴不将冷却剂直接输送制食物产品上。在此情况下， 将通道内的冷气体混合物用风扇或鼓风机等设备在食物产品周围循环。也 可以在通道内在传送带的上方、下方或一侧装备一个或多个用于循环冷冻 机中的冷气体的风扇。

US-A-5,921,091讲述了氧和氮的混合物在形成“合成空气”(synthetic air)中的使用。在本发明中，优选使用氦和二氧化碳的混合物。由氦供给 源所提供的氦的量和源于二氧化碳源的二氧化碳的量由流量控制阀26、28 控制。可以由控制器30控制阀26、28以取得所希望的低温混合物，该混 合物优选18％至25％氧的混合物。也可以人工控制阀26、28。

为了确保对冷冻机所处室内的工人的安全工作条件，以在室内装置一 个或多个氧含量传感器32为宜。也可以从位于冷冻室内的一个或多个部位 读取氧含量信息，而不是将传感器置于冷冻时所处的室内。

源于这些氧含量传感器32的信息可以由控制器30使用从而通过使用 阀26、28(在需要时)改变流速来控制氮和氧的混合物。以装备当室内氧 含量低于可以接受的水平时由控制器30启动的警报器34为宜。

在附图1的实现方案中，氮和氧的混合物在刚好用于冷冻机通道10 之前由阀26、28混合。也可以通过装备用于液氮和液氧的两个分开的喷嘴 而在冷冻机通道10内混合制备混合物。按照另一个实现方案，可以将混合 物预混合而不是在冷冻机的入口处混合。但是，预混合的液体的退化 (degradation)作为压强和时间二者的函数而发生。预混合液体中的氧浓 度可以随时间连续上升而且在较高压强下改变的速度将增加。因此，由于 安全方面的原因，以在现场的车间内混合预混合产品为宜。

实施例4、光纤的冷却

典型地，光纤的生产在凝固(consolidation)过程中使用氦或氢干燥 玻璃预制棒，在加热过程中拉制纤维和冷却拉制后的纤维，特别当将纤维 用树脂涂层以达到增韧的目的并使其更能抵抗疲劳、磨损和类似作用时尤 其如此。US-A-6,092,391公开了凝固炉(consolidation furnace)的一些细 节。该专利公开了在废气流上的(组成、P、T或流速)传感器的使用。另 一专利，US-A-5,284,499，公开了如何将玻璃预制棒穿过加热元件、直径 测量装置和马弗管拉伸。冷却气体(氦和氩)流入此设备中管子的顶端， 并随着与典型地处于约2100-2300℃的温度下的纤维接触而被加热。典型 地，纤维在约9克的拉力下以约9米/秒的拉制速度拉制。气体流速被公开 为约3slpm。在该专利中，优选将气体的边界层(boundary layer)保持在 靠近纤维处，从而由此维持边界层并避免可能产生“弓(bow)”(纤维 弯曲)和“风管(airline)”(纤维中的小孔)的气流。

有趣的是，光纤制造领域中的其它文献则提倡使用更加湍急的气流以 使纤维尽可能快地冷却以便将树脂施于纤维上。此类文献中具有代表性的 是US-A-4,437,870。最先提及将氦作为冷却剂用于光纤制造的可能是 US-A-4,154,592，其中指出，由于其与氧和氮相比较高的热导率，氦明显 降低了热梯度。对氦/氧/氮的混合物进行了讨论。另一个有趣的专利是 US-A-5,059,229，其中公开了氦/氢混合物的使用，但没有提及传热作用。 其要点是将氢加入到冷却剂气体中以避免“瞬时氢敏感衰减(transient hydrogen sensitive attenuation)”。所有这些专利都没有指出可改变组成 和/或流速(体积速度)的传热流体混合物可以取得更低的成本和更有效的 冷却。

本传热流体混合物可以被有益地用于光纤凝固、拉制和纤维冷却以在 取得与纯氦几乎相同的冷却的同时降低成本。取决于所用方法，首先选择 轻质气体(例如氦)，随后选择重质流体(例如氩)，以及冷却需求。随 后通过加入更多的氩或更多的氦或任选的第三种流体(例如二氧化碳)以 调整组成和/或调整体积流速，并且也用调整后的气体组成计算运转成本。 如果冷却需求仍被满足并且成本在可以接受的限制以内，则维持调整后的 气体组成和体积流速。否则，则改变之。上述改变使用计算机存储的传热 数据版本，例如对于氩/氦体系如附图3所示。

实施例5、金属部件的热处理

可以将常规的仅使用气体的连续型退火炉改装以和本发明一起使用。 在使用氮、气态氩的炉子的操作中，此类炉子过去已经取得了25-30ppm 的标称剩余氧含量。典型地，该气氛使每一退火周期需要3至7小时。

作为实施例，可以使用本发明的传热流体混合物(例如85摩尔％的氦、 15摩尔％的氩)将800英尺长0.100英寸厚、25英寸宽的纯锆带退火。可 以很容易地将炉子改装以接受所述混合物。例如，可以使用例如在罐中压 强为22psig下储存的180升真空瓶液化氩和源于标准气体钢瓶的气态氦的 冷冻剂源。可以将混合物以0.5至约5.0lb/min传热流体混合物的典型流速 输送至腔中，这足以在数分钟后得到约0.8psig的标称炉腔压强和约10ppm 的剩余炉氧浓度。调整传热流体流速应使腔气氛具有一位数ppm范围内的 剩余氧浓度。

如果希望，可以例如使用电加热元件从约400°F的起始温度调整热/ 工作区温度至约1600°F的操作温度。可以几次调整传热流体混合物流量以 定量地确定适用的操作参数和稳定热/工作区上方的压强。典型地，这些调 整可以成功地将剩余氧含量保持在一位数ppm范围内而不使腔压强超过 5psig。