用於製備大小和形狀均勻的小球的設備和方法
2023-05-07 08:17:46 1
專利名稱：用於製備大小和形狀均勻的小球的設備和方法
技術領域：
本發明是共同待決美國專利中系列號08/892,145的部分繼續申請，該申請於1997，07，14提交，目前仍處於待決。
本發明涉及大小均勻和形狀均勻的球體或球狀物的製造。從一個方面看，本發明涉及製造用於焊料組合物的大小均勻的金屬球體。
背景技術：
對於形成具有已知大小的材料小滴曾經提出多種製造方法。本發明是對Chun等人的美國專利No.5,266,098方法的改進，將其引此作為參改。Chun等人的該專利描述使小滴帶上電荷，試圖製造大小均勻的小滴。Chun等人的方法所製造的小滴合格率很低，不合格部分是扁平的、橢圓的或不規則的。Chun等人的方法只限於製造具有粗糙不平表面的不規則形狀的小滴。
其它考慮過的使小滴帶電荷來製造小滴的方法包括Smith的美國專利No.5,560,543敘述了一種製造方法，該法使小滴通過帶電板和接地板，以選擇性地偏轉小滴。蘇聯專利No.541682 039-A1敘述了製造小滴的方法，該法使小滴通過電場帶上電荷。Orme等人的美國專利Nos.5,171,360；5,226,948；5,259,593和5,340,090敘述了幾種製造純產品的方法和設備，它們將大小均勻的小滴流引向有合格產品形狀的收集器。C.H.Passow的學位論文，麻省理工學院(MIT)1992年5月，敘述了一種製造均勻小滴的方法，該法將平行板置於帶電荷板下，選擇性地使某些小滴偏轉到收集的一邊。
其它製造小滴的各種方法包括Hayes的美國專利No.5,411,602敘述的方法，該法將焊料滴從噴射裝置射入惰性氣流中，並收集固化的焊料球；Hommel等人的美國專利No,4,956,128敘述了小滴穿過一種氯化鈣硬化水溶液的方法；Yabuki等人的美國專利No.4,744,821敘述了形成滴並將其通過油和水層的方法；Fulwyler等人的美國專利No.4,302,166敘述了一種小滴成形設備，其中小滴滴入一種非離子型表面活性劑的水溶液中。Green等人的美國專利No.4,628,040敘述了利用文丘利方法使水珠成形，其中小滴通過油固化；Eylon等人的美國專利No.4,787,935敘述了用旋流冷卻流體固化小滴製備粉末的方法；Anderson的美國專利Nos.4,216,718，和4,419,303敘述了用於高壓放電燈的鈉汞齊顆粒的製造方法，其中振動出料噴嘴使滴珠成形並落入一流體中；Rhim等人的美國專利No.4,981,625敘述了聚合物微球粒的成形方法，該法採用噴射單體小滴，使小滴珠帶電，在冷凍液中使小滴冷凍，再用輻照使小滴熔化，以便激活使單體聚合的自由基。
現有技術有關小滴生成的方法出於數種原因不能完全滿足要求，主要的問題是小滴顆粒尺寸的分布太寬。小滴尺寸不一致使小滴難於用作焊料。另一個問題是在小滴生成之後，需要去除小滴表面上的雜質或氧化物或者清除油和溶液，後兩種東西是在小滴通過時沾上的。小滴的清潔會增加製造時間和製造費用。
另一個主要問題是小滴珠的形狀不規則和/或表面凹凸不平。非球狀的小滴難於加工和應用。
因此，本發明的目的是開發一種製造高質量的大小和形狀均勻的小滴的設備和方法。本發明還提供了一種不用多個生成步驟和/或清潔步驟的方法。
發明概述本發明提出一種用選定材料或各種材料製造大小和形狀均勻的小球的高精密方法和設備。該設備包括小球形成裝置和溫控固化環境。在優選的實施方案中，小球的形成採用一種將低粘度的液體物料送入坩堝或進料系統的均勻小球生成裝置。坩堝帶有加熱和熔化物料的部件。坩堝中的低粘度液體物料受到擾動傳動機構的一定周期性的擾動。坩堝至少有一流孔供物料通過。物料經受壓差(宜為4-50psi)以流過流孔。施加在物料上的周期性擾動引起物流有控制地破碎為尺寸均勻的小球。小球形成之後，充電機構使小球帶上正電荷或負電荷。如果充電機構相對於物流保持一個預先給定的電壓時，充電機構和物流之間的電位和電容組合使物流的前導點帶電，每個小球在脫離物流之前一直保持電荷，電荷使其保持球狀。球上的電荷使相鄰的球相互排斥，各個小球上的相同電荷阻止小球在其運動途徑上與相鄰的小球融合。
在一個特別優選的實施方案中，物流用激勵致動裝置引入的精密周期擾動(優選1-30kHz)破碎。在某些實施方案中激勵致動裝置包括一電動的或壓電傳感器。在一個特別優選的實施方案中，傳感器包括安裝在坩堝頂部的五層壓電晶體，下部的四片晶體是機械串接並平行地接到正弦高壓源上。頂部的壓電晶體作移動探測器。輸出電壓是激勵致動器裝置振幅的表徵。在另一實施方案中，物料的周期擾動可從整體式多層壓電激勵致動器獲得。一種優選的多層致動器的尺寸如下長5mm、高5mm、寬5mm。該多層致動器包括大約29層共燒結的壓電陶瓷片，多層致動器能膨脹3微米以上。在某些實施方案中，一個延伸部件，比如一根棒，附著在激勵致動器裝置的底部，並延伸到物料中。激勵致動器裝置通過棒將精密的周期擾動傳送給物料。
在另一個實施方案中，激勵致動器裝置可包括一具有噴嘴的壓電陶瓷材料，該陶瓷材料與電壓源相連。噴嘴具有一決定坩堝流孔的固定縱橫比。正弦電壓直接施於噴嘴上引起精密的周期擾動，該擾動經噴嘴壁傳送到物流中。亦可考慮，在某些溫度很高的情況下(例如低粘度液體物料的溫度大於300℃)可採用鈮酸鋰(LiNbO3)代替壓電陶瓷材料。
至少有一個壓力調節器保持坩堝內的恆定靜壓。在一個優選的實施方案中，壓力調節器在小球形成裝置運行之前將坩堝保持在負壓狀態，負壓防止材料從噴嘴滴出。在一個優選的實施方案中，壓力調節器在小球形成裝置運行期間將坩堝中低粘度液體物料維持在預定的液位，從而使坩堝保持正壓。在一個優選的實施方案中，壓力調節器向坩堝中的低粘度液體物料上方供應一種幹的惰性氣體，例如氮。正壓使物料通過坩堝流孔流出。物料上方壓力的大小控制物料流出流孔的流量。在小球形成裝置運行期間，施加的恆定正壓使物料從噴嘴流出並形成噴射流或物流。激勵致動器的正弦頻率使物流按精密的周期得到擾動。由於雷利(Rayleigh)不穩定效應，由於動量能在物流中形成擾動，將物流破碎為形狀和大小均勻的互相隔開的小球。兩個相鄰小球之間的距離λ是噴射速度Vj和擾動頻率的函數，λ＝Vj/f。
在某些實施方案中，本發明提供一種偏轉機構，該機構與充電機構的關係是在空間上保持一個距離。偏轉機構包括至少一組折射面，這些折射面在空間上相互隔開。高壓跨接這組折射面，使表面之間產生電場，偏轉機構形成電力場，小球通過此電力場。由於小球帶電荷，根據它們的極性，小球在電場中發生偏移。偏轉機構在空間上將小球在垂直於中心或垂直軸的平面上隔開，防止球的融合，保持其尺寸的一致性。
小球的偏移距離是小球大小和速度、小球的電荷和偏轉場力的函數。通過折射機構，大球滯留在靠近中心軸的地方，而小球偏移中心軸較遠些。
目視系統安置在離坩堝流孔有一段距離的地方，以監測小球的形成並測定小球的尺寸。在優選的實施方案中，目視系統在操作上與激勵致動器裝置關聯，以便增加或減少施於低粘度液體物料的周期性擾動。目視系統同樣在操作上與偏轉機構相配，以根據目視系統收集的信息決定增加、保持或減少小球的電荷。
本發明是對Chun等人的美國專利No.5226098的工藝的改進，後者的小滴不是在溫控環境中形成的。根據本發明的另一方面，小球形成機構在溫控固化環境中運行。溫控固化環境使小滴在短時間和小距離內形成。同時溫控固化環境使小球表面上出現沾汙如氧化物的可能性減少。溫控固化環境至少含有一種傳熱介質，例如冷氣或液化氣。傳熱介質提供一種固化環境，小球可在其中有控制地冷卻和固化。在某些實施方案中，溫控固化環境提供一種溫度梯度，可使小球能以可控的方式很快冷卻，致使形成的小球具有一致的圓形或球形，同時具有均勻的大小。在採用鍚-鉛合金製造焊料小球的實施方案中，溫控固化環境中的溫度梯度的情況是在靠近坩堝的上部小室的溫度約為室溫--90℃(某些方案中約為0℃)，而在靠近溫控固化環境底的下部小室的溫度約為-110℃--70℃。在另一個用不同的低粘度物料製造小球的實施方案中，固化環境的溫度控制使小球能很快地並均勻地形成。溫控固化環境的溫度受所用傳熱介質的種類的影響，不言而喻，各種傳熱介質，包括液化氣、滷-碳流體、氨、水和蒸汽皆在本發明考慮的範圍內，而且傳熱介質的溫度與用於製造小球的低粘度液體物料的種類有關，其範圍約為室溫--200℃。
在一實施方案中，其低粘度液體物料含有一種由輻射熱固化的材料，例如銅和鋼一類金屬，這可採用不同類型的傳熱介質，而且傳熱介質可以不同的溫度提供。例如製造鈦小球的實施方案中，傳熱介質可包括熱氣或蒸汽。
在某些實施方案中曾經發現，小球與快速移動或流動的傳熱介質接觸有可能使小球的形狀變得不均勻。因此，在某些優選方案中希望傳熱介質有較小的運動或流動。溫控固化環境中的傳熱介質基本上保持靜止以致沒有與形成的小球進行接觸並使其變形的介質流動。
在某些實施方案中，溫控固化環境包括兩種環境，第一種或氣相環境包括第一種傳熱介質，第二種或液相環境包括第二種傳熱介質。在另一些實施方案中，溫控固化環境包括第一或氣相環境而不包括第二或液相環境。但是，本文將詳細敘述氣相/液相溫控固化環境以便完全理解本發明的全部實施方案。還應理解，所有的實施方案皆在本發明考慮範圍之內。應用氣相/液相溫控固化環境在形成較軟的或有延度性的材料的小球和在形成大直徑的小球或有高熔化潛熱(即材料從液相轉化為固相時的放出的熱量)的小球時特別有用。
一旦小球離開偏轉機構，小球以首先在小球的外表面生成外皮或外殼而開始固化。在小球離開氣相環境區以前，該小球基本上已經固化，即熔化熱已從小球轉移到氣相傳熱介質或者已輻射出去。小球可能仍處於高溫下，仍具有一定的延度性。小球然後進入液相環境，該環境宜含有低溫惰性液體物料，例如提供液氮。液相環境進一步冷卻小球，去除其比熱並使其固化。液相環境同時起緩衝介質作用，它防止球相互碰撞或與上部小室和下部小室的底和壁碰撞時發生機械變形。
在一個優選的實施方案中，低溫液體物料懸浮在溫控固化環境的頂部區和底部區。懸浮在頂部區的低溫液體懸浮入氣相環境並至少部分汽化，從而將氣相環境保持在優選的低溫。在某些實施方案中，考慮使懸浮在頂部的液體能接觸下行的小球，以加速其冷卻。
在一個優選的實施方案中，溫控固化環境的底部有一漏鬥，該漏鬥包含第二或液相環境。液相環境在小球撞擊漏鬥底之前能使小球得到緩衝。一旦小球已經通過液相環境池，則勿需另外的加工步驟。也勿需從球的表面去除任何油或其它物料。
本發明的範圍包括監測用於形成均勻大小小球的操作參數的任何變化並對其作出反應。第一熱電偶測量溫控固化環境頂部的溫度，第二熱電偶測量溫控固化環境底部的溫度。壓差傳感器監測坩堝的壓力。數據採集/控制系統與壓力傳感器、熱電偶、小球形成裝置和目視觀察系統相連。數據採集/控制系統收集壓力和溫度的測量數據並控制小球的形成裝置。數據採集/控制系統和目視觀察系統提供能動地控制形成的小球的尺寸的現實可能性。小球的尺寸由目視觀察系統測量。數據採集/控制系統連續接收並修改有關坩堝壓力和由激勵致動器裝置提供的頻率，以使小球直徑保持在預定的大小。不言而喻形成的小球的實際尺寸取決於最終的使用要求。
按照本發明，小球的形成和對小球的形狀和直徑的控制都準確到微米之內。小球直徑的精密在約1％的範圍內。本發明是對Chun等人的美國專利No.5266098的技術進一步改進，因為根據本發明製造的小球基本上呈球形並且表面光滑。本發明的小球有高的球形度，通過小球各部分的直徑變化均小於約1.0％。
本發明的方法和設備可用於製造大小和形狀均勻的小球，其直徑範圍約12-1000微米。本發明特別適用於製造其直徑大於500微米的，在某些優選的實施方案中可大於760微米(0.030英寸±0.0003)。封閉式的溫控固化環境控制小球從液態到固態的轉化速率。製造出的小球的體積和表面比影響小球的冷卻速率。較大直徑的小球在溫控固化環境中有控制地固化，以使小球基本保持圓形和平滑的表面，並具有均一的形狀。
操作參數，包括流孔直徑，小球周期性擾動的頻率和振幅均可進行變化，以可得到不同直徑的小球。不言而喻，小球的最佳直徑部分取決於所制小球的類型。其它一些參數，諸如金屬進入坩堝的進料速率、坩堝壓力、成小球材料的溫度、小球所帶電荷量等同樣影響大小和形狀均勻的小球的大小和形成速率。
不言而喻，低粘度液體物料的本身溫度影響小球的熱狀態。在某些實施方案中物料的溫度可正好高於熔點，而在另外一些實施方案中，例如可高於物料熔點50℃。物料的溫度差別影響實心小球的形成速率。
在本發明的某些實施方案中，另一可變參數是球形成裝置和小球的固化點之間的「遠離」距離。
本發明能使小球的固化比在常規的小滴形成設備中的快。在優選方案中，小球穿過封閉的溫控固化環境下降，並在與封閉環境的底面接觸之前的下降時間約為0.5-1.5秒。封閉的溫控固化環境能在短得多的距離內(約為1-5米，而常規制球設備為10-20米)及在短得多的時間內(約為0.5-1.5，優選0.8秒，而常規方法為7-10秒)形成小球。
在溫控固化環境中制出的小球基本不含雜質或氧化物。
在優選方案中，小球由低粘度液體形成，該液體包括例如玻璃、陶瓷和金屬。在本發明考慮範圍內的某些方案中，小球可由多種金屬製成，它包括鍚/鉛焊料合金、金、鋁、鋼或銅的合金。此外，小球可將鍍類金屬，諸如銀、金或鈀或塗復有機塗層，以便防止其製成後氧化。
小球特別可用於將集成電路內連到印刷電路板上的焊料，特別是作球柵陣列、晶片封裝和倒裝晶片封裝的焊料。
在某些實施方案中，按照本發明形成的小球特別適於作焊料組合物，而且小球勿需添加任何焊劑來防止在小球表面上生成氧化物。
雖然這裡給出並敘述了某些優選實施方案，但應該理解，本發明並不局限於此，並可在下述權利要求的範圍內具體化。
附圖簡述
圖1表示本發明的製造大小和形狀均勻的小球的一種設備。
圖1A是圖1中一部分的放大圖。
圖2是小球在冷卻過程中的放大截面圖。
優選實施方案敘述參看附圖，概況示出一種製造大小和形狀均勻的小球的設備10。設備10至少包括一個小球形成裝置12和一封閉的溫控固化環境14。小球形成裝置12通常包括坩堝20和激勵致動器50。坩堝20有一頂部區22，該區與底部區24在空間上是隔開的。坩堝20界定一封閉空間26，該空間接受低粘度液體物料28的供應。在某些高溫應用中，坩堝20由陶瓷材料製成。坩堝20內部的溫度用熱電偶探測器25和溫度控制器27監控，它們與加熱部件29連接。加熱部件29將物料28的溫度保持在其熔點以上。坩堝20通過在供料進口34處的供料部件34和壓力調節機構30相連。坩堝20的壓力用置於近供料進口34處的壓力傳感器36監測。坩堝20內的壓力由壓力調節器30調節。在本發明的考慮範圍內，壓力調節器30可將如氮的惰性氣體送入坩堝20以形成正壓。
坩堝20有一端蓋40，該端蓋帶一可拆卸連接到底部區24的噴嘴42。噴嘴42通常附著在端蓋40的中心。噴嘴42至少界定一流孔44。在一個優選的實施方案中，流孔44的內徑約為12-1000微米。在本發明的考慮範圍內，噴嘴42可具有一個以上的流孔44。但為了敘述方便，只詳細討論一個流孔的情況。在一個優選的實施方案中，採用了蘭寶石噴嘴，該噴嘴在操作上附裝於端蓋40，後者由高溫陶瓷材料製成。在另一些實施方案中，採用陶瓷噴嘴。噴嘴42裝配到位於端蓋40中心的錐形配件中。在一個優選的實施方案中，採用鎖緊螺母將噴嘴42固定到端蓋40上。
激勵致動器50對低粘度液體物料28提供周期性擾動。在所示實施方案中，激勵致動器50包括壓電晶體54的疊片組52，它與坩堝20的頂部區22在操作上相連。在一個實施方案中，壓電疊片組52含有至少5片壓電晶體54A、54B、54C、54D和54E。下面四片晶體54B、54C、54D和54E以機械串聯的，並以並聯與正弦高壓源56電連接。頂上的壓電晶體54A作為移動傳感器。該移動傳感器54A的輸出電壓是激勵致動器50的振幅的表徵。延伸部件56，例如擾動棒附裝於壓電疊片組52的底部。壓電疊片組52的激勵經延伸部件56傳到物料28。
在本發明的考慮範圍內，激勵致動器50亦可包括整體式多層壓電致動器(未示出)，該致動器可包含如25-30層，在某些優選方案中甚至是29層燒結在一起的壓電陶瓷，其尺寸約為5mm×5mm×5mm，它可膨脹3微米以上。
在另一個方案中，採用壓電陶瓷材料作噴嘴材料向物料28提供激勵。正弦電壓直接施於噴嘴，在噴嘴中形成周期性擾動。
在某些實施方案中，壓力調節器30包括真空泵60，該泵通過進料口61與坩堝20的頂部區22在操作上相連。真空泵60使坩堝20在形成小球之前維持負壓。負壓防止物料28在小球形成裝置12運行前從噴嘴42漏出。
在小球形成裝置10運行期間，來自壓力調節器30的恆壓迫使物料28從噴嘴42噴入溫控固化環境14。物料28形成穩態層狀噴射流或物流70。來自激勵致動器50的激勵使物料70受到周期性擾動。按照雷利不穩定效應的現象，物流70破碎為大小和形狀均勻的相互隔開的小球72。
充電系統80附裝於坩堝端蓋40。充電系統80和端蓋40之間的距離可根據選定的操作參數調節。在一優選的實施方案中，充電系統80可由鋁材製成。高壓由電壓源82施於充電系統80。物流70破碎為小滴72，同時穿過充電系統80中的開口84。充電系統80賦於物流70以電荷。當小球72形成時，小球72保留了電荷。小球72的電荷在鄰近小球72之間形成作用力，防止小球72融合。
帶電荷的小球72穿過封閉的溫控固化環境14，在所示實施方案中，該環境包括第一或氣相環境102和第二或液相環境122。
在所示實施方案中，封閉的溫控固化環境14包括上部小室90和下部小室100。在某些實施方案中，上部小室90維持在第一溫度，下部小室100維持在第二溫度。第一和第二溫度界定在封閉的溫控固化環境中的溫度梯度。在製造鍚/鉛合金小球的方案中，希望上部小室90中的第一溫度在室溫到約-90℃(在某些方案中約為0℃)範圍內，而下部小室100中的第二溫度在約-110℃到約-170℃範圍內。
小球形成裝置12通過支撐杆92安裝在上部小室90內。上部小室90與下部小室100密封連接。上部小室90與下部小室100的聯接使上部小室90和下部小室200界定第一或氣相封閉環境102。上部小室90至少具有一透明段94。在一個優選方案中，上部小室90包括一段丙烯酸材料，例如，其尺寸約為12×12×24英寸。目視觀察系統98置於上部小室90的透明段94附近。目視觀察系統98監測小球72的形成，並在小球通過目視觀察系統98時測定小球尺寸。
下部小室100至少有壁104和底部區106。在某些實施方案中，下部小室100優選用CPVC管材製造，其內徑優選14英寸。下部小室100包括偏轉機構110。在所示實施方案中，偏轉機構110包括兩塊折射板112和114。板112和114各具有排斥或帶電錶面112′和114′。相鄰板112和114之間的距離界定開口118，帶電荷的小球72通過此開口。吸引或排斥表面112′和114′優選由高導電材料如銅、鋁、鋼等製成，其長度在某些方案中約為150-400毫米。表面112′和114′之間的開口通常約為10-40毫米。應該明白，在其它一些實施方案中，其長度和距離至少部分決定於低粘度液體物料的種類、所制球的尺寸和其它操作參數。當球72下降時，小球72通過偏轉機構110。經高壓源116給偏轉機構110施加高壓，高壓在板112和114之間產生電場。由於小球72帶有電荷，電場對小球72或者吸引，或者偏轉。小球的偏轉距離是小球的電荷、大小和速度的函數。較大的球72的下降途徑接近通過偏轉機構110的中心軸，而較小的球從偏轉機構110的中心軸偏離開。
下部小室100的底部區106包容液相環境122。在一些優選實施方案中，底部區106包括不鏽鋼製的漏鬥124。低溫閥126置於漏鬥124的底部區128。開啟這個閥門可將漏鬥124中的球72收集和返回。
下部小室100包括第一或上傳熱介質進料供給機構130，該機構置於下部小室100的上區132中。為在優選實施方案中，進料供給機構130包括銅管134，該管呈環繞延伸到下部小室100的壁104附近。銅管134上有多個徑向開孔136。在一個優選實施方案中，孔136通常沿銅管134均勻分布。孔136容許第一傳熱介質138懸浮到下部小室100之中。由於下部小室100與上部小室90是相通的，傳熱介質138既冷卻上部小室90又冷卻下部小室100。在傳熱介質138含液氮的實施方案中，傳熱介質使封閉的氣相環境102的溫度保持在約-80℃-約-170℃內。
在所示實施方案中，下部小室100同時具有第二或下傳熱介質供應機構140，該機構置於漏鬥124附近，但在空間上是隔開的。漏鬥124按預定數量盛放第二傳熱介質144。應該理解，第一和第二傳熱介質可能是同一物料，或者是不同物料，例如液化氣體如液氮和/或液態滷-碳化物。第二傳熱介質144的供給界定第二或液相環境122。在所示實施方案中，溫控固化環境14包括氣相環境102和液相環境122，它允許小球72在與漏鬥124的底128接觸之前固化，熔化熱散發到氣相環境102中，比熱散發到液相環境122中。漏鬥124中的液相環境122使小球72在與漏鬥124接觸之前得到緩衝。
在所示實施方案中，第一個熱電偶150監測上部小室90的溫度，第二個熱電偶154監測下部小室100的溫度，以使氣相環境102和液相環境122保持在優選的小球固化溫度下。但是，應理解，可附加熱電偶以監測封閉的溫控固化環境的溫度梯度。
在小球形成裝置12運行之前，封閉的溫控固化環境14和坩堝20用幹的惰性氣體吹洗。氧含量監測器160置於小室100之中以監測大小均勻的小球的製造設備10在整個運行期內的氧含量。從封閉的溫控固化環境14延伸出的釋放162提供溫控固化環境14中預期的壓力和傳熱介質的量。
在運行中，噴嘴42的流孔44對準充電系統80的開口84。充電系統80使物料70帶上電荷，在每個小球72形成並脫離物流70時，每個小球72保留部分電荷。當帶電荷的小球72下降時，該小球經或接近偏轉機構110的帶電板112和114穿過。
在帶電錶面或排斥表面112′和114′保持預定電壓的條件下，在開口118處形成的電場使小球72進一步帶電。小球72相互之間以及與帶電錶面或排斥表面112′和114′之間保持預定距離。圖2中的箭頭通常表示排斥力。每個小球72下降時，前導小球不但與後繼小球72相排斥，而且與帶電錶面112′和114′的邊相排斥，從而防止了相同電荷的小球相互融合。
不言而喻，根據所制球的最終用途可採用各種合適的材料。球上的實際電荷不單是所用金屬的函數，而且亦是球徑和帶電板112和114及小球72間電壓的函數。球上的電荷宜為10-7庫侖-克量級；但是不言而喻，亦可採用其它的電荷量，電荷量與上面討論的各種參數有關。
帶電小球72在穿過氣相環境102向下運動時固化，而在與液相環境122接觸之前完全固化。從圖2可以看出，小球72首先生成表皮部分172，它屏蔽熔融部分174。當小球72向下運動和固化時，表皮部分172變厚，直到球72與漏鬥124接觸之前熔融部分174消失。
不言而喻，本發明的制球設備10在操作上與數據採集/控制系統180相連，以收集和測量數據並且控制制球設備。數據採集/控制系統180同樣測量熱電偶和壓力傳感器的輸出電壓。數據採集/控制系統180還與目視觀察系統98相連，以提供能動地控制制球。在設備10操作期間，測量所形成球的尺寸和形狀。數據採集/控制系統180改變坩堝壓力和激勵致動器50所產生的頻率，從而使球的大小和形狀保持在預定的直徑。
不言而喻，本發明僅描述了上述的優選實施方案，但在不偏離下列權利要求所定義的本發明的實質和範圍下可有各種替代方案、修改方案和選擇方案。
權利要求
1.一種形成大小和形狀均勻的小球的方法，它包括下列步驟向坩堝供應一種低粘度液體物料，向坩堝中的低粘度液體物料施加精密的周期性擾動，向低粘度液體物料施加壓力，該壓力迫使物料以穩定層流經過坩堝中的至少一個流孔，流出的物流進入一封閉的溫控固化環境，該封閉的溫控固化環境包含至少一種傳熱介質，在物流離開流孔並破碎為多個小球時向物流施加電荷，使帶電小球通過電場以偏轉小球，以及使小球通過封閉的溫控固化環境中的傳熱介質以使小球冷卻和固化。
2.權利要求1的方法，其中傳熱介質在封閉的溫控固化環境中形成熱梯度。
3.權利要求1的方法，其中封閉的溫控固化環境包括帶電小球通過的第一或氣相環境，該第一或氣相環境包含第一傳熱介質，該介質包括冷卻流體、液化氣體或滷碳化物的噴霧，冷卻流體在封閉的溫控環境中蒸發並吸收小球的熔化熱。
4.權利要求3的方法，其中封閉的溫控固化環境包括小球通過的第二或液相環境，該第二或液相環境包含第二傳熱介質，該介質包括供給液化氣體或滷碳化物。
5.權利要求4的方法，其中小球通過第二或液相環境，以便吸收小球的比熱並使小球在與封閉的溫控固化環境底接觸之前得到緩衝。
6.權利要求1的方法，還包括目視監測步驟，當低粘度液體物流破碎為小球時，監測該物流以提供有關小球直徑和形狀以及物流穩定性的信息。
7.權利要求1的方法，其中固化的小球收集在封閉的溫控固化環境的漏鬥形底中。
8.權利要求1的方法，其中小球的直徑界於12-1000微米之間。
9.權利要求1的方法，其中小球在與封閉的溫控固化環境底接觸之前，通過封閉的溫控固化環境的時間約為0.5-1.5秒。
10.權利要求1的方法，其中封閉的低溫固化環境的溫度約低於0℃。
11.權利要求4的方法，其中在物流破碎為小球和小球接觸第二或液相環境之間的距離是變化的，以加長或縮短小球的固化時間。
12.權利要求1的方法，其中用壓電致動器向低粘度液體物料施加精密的周期性擾動。
13.權利要求12的方法，其中壓電傳感器包括安裝在坩堝頂部的壓電晶體疊片組。
14.權利要求1的方法，其中用安裝在坩堝頂部的電動傳感器向低粘度液體物料施加精密的周期性擾動。
15.權利要求1的方法，其中通過一噴嘴施加精密的周期性擾動，該噴嘴具有界定坩堝的流孔的固定縱橫比。
16.權利要求1的方法，其中向低粘度液體物流施加基本恆定的正壓，迫使低粘度液體物料呈穩定層流流過流孔。
17.權利要求1的方法，其中偏轉機構包括兩個在空間上分開的表面，在兩個表面之間形成電場以偏轉向下移動的小球。
18.採用權利要求1的方法形成的大小和形狀基本均勻的小球。
19.權利要求18的小球，其中通過每個小球的任何截面的直徑的變化小於1.0％。
20.權利要求19的小球，其中每個小球的直徑約大於500微米。
21.一種形成大小和形狀均勻的小球的設備，它包括承受低粘度液體物料供應的坩堝，向坩堝中的低粘度液體物料施加精密周期性擾動的激勵裝置。向低粘度液體物料施加壓力的壓力調節器，以使低粘度液體物料呈穩定層流通過坩堝的至少一個流孔，該物流在離開流孔時破碎為多個大小基本均勻的小球，當物流離開流孔並破碎為小球時，向低粘度液體物流施加電荷的充電部件，當帶電小球通過偏轉機構形成的電場時用於偏轉帶電小球的偏轉機構，以及封閉的溫控固化環境，該環境界定第一或氣相環境，並且它包含至少一種傳熱介質，封閉的溫控固化環境受低粘度液體物流和小球，在第一或氣相環境中的傳熱介質吸收熔化熱，使小球冷卻並基本固化。
22.權利要求21的設備，其中傳熱介質在封閉的溫控固化環境中形成熱梯度。
23.權利要求21的設備，其中封閉的溫控固化環境還包括第二或液相環境，該液相環境吸收小球的比熱，並在小球與封閉的溫控固化環境底接觸之前使小球得到緩衝。
24.權利要求23的設備，其中第二或液相環境接收含液化氣體或滷碳化物的第二傳熱介質的供應。
25.權利要求21的設備，還包括觀察系統，以監測物流破碎成小球並提供有關小球直徑和形狀的信息。
26.權利要求21的設備，其中封閉的溫控固化環境的底包括一漏鬥。
27.權利要求21的設備，其中流孔的直徑在12-1000微米範圍內。
28.權利要求21的設備，其中在坩堝流孔和封閉的溫控固化環境底之間所界定的距離在1-5米的範圍內。
29.權利要求21的設備，其中封閉的溫控固化環境的溫度約低於0℃。
30.權利要求23的設備，其中在物流破碎成小球和小球接觸第二或液相環境之間的距離是變化的，以加長或縮短小球固化的時間。
31.權利要求21的設備，其中激勵裝置包括壓電致動器。
32.權利要求31的設備，其中壓電致動器包括安裝在坩堝頂部的壓電晶體的疊片組。
33.權利要求21的設備，其中激勵裝置包括電動傳感器。
34.權利要求21的設備，其中激勵裝置包括有固定縱橫比的噴嘴，它界定坩堝的流孔。
35.權利要求21的設備，其中壓力調節器提供包括一種幹的惰性氣體的正壓。
36.權利要求21的設備，其中偏轉機構包含兩個空間上分開的表面和在表面之間提供電力場的電壓源。
37.採用權利要求21的設備形成的大小和形狀基本均勻的小球。
38.權利要求37的小球，其中通過每個小球的任何截面的直徑的變化小於1.0％。
39.權利要求38的小球，其中每個小球的直徑大於約500微米。
全文摘要
大小和形狀均勻的小球(72)是通過向低粘度液體物料施加精密的周期性擾動形成的。壓力迫使物料呈穩定層流穿過坩堝(20)的至少一流孔。該物流進入封閉的溫控固化環境(14),該環境包含至少一傳熱介質。當物流離開坩堝破碎為多個小球時,充電機構(110)向該物流充電以便在小球通過電場時受到偏轉。封閉的溫控固化環境使小球冷卻和基本固化。
文檔編號B01J2/06GK1262636SQ98807037
公開日2000年8月9日 申請日期1998年6月5日 優先權日1997年7月14日
發明者J·唐, G·B·赫斯, M·D·穆申斯基, T·S·格林 申請人:艾羅奎普有限公司