DE4400556A1 - Kühler- und Gasreinheitsprüf-Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Anlage, die als kryogener Kühler und insbesondere zum Reinigen eines solchen Kühlers sowie als Gasreinheitsprüfer verwendbar ist.

Gasentspannungskühler, wie Joule-Thomson-Kühler, nützen die Tatsache aus, daß ein einer adiabatischen Ausdehnung unter­ worfenes Gas sich abkühlt. In solchen Kühlern wird kompri­ miertes Gas kontinuierlich in ein Rohr eingeleitet, das eine kleine Öffnung enthält. Das durch die kleine Öffnung entwei­ chende Gas kühlt sich durch seine rasche Ausdehnung ab und tritt in Wärmeaustausch mit dem ankommenden Gas, wodurch das ankommende Gas teilweise abgekühlt wird.

Joule-Thomson-Kühler sind im einzelnen in dem Buch Miniat­ ure Refrigerators for Cryogenic Sensors and Cold Electro­ nics von Graham Walker,Oxford University Press, New York, 1989, beschrieben.

Infolge der an der Öffnung erzielten niedrigen Temperatur sammeln sich im Gas vorhandene Verunreinigungen in Form von Flüssigkeitstropfen oder Feststoffen, die sich auf der Innen­ seite des Rohres nahe der Öffnung und/oder innerhalb der Öffnung selbst niederschlagen. Dies kann eine teilweise oder vollständige Unterbrechung der Gasströmung bewirken.

Unter den herrschenden Bedingungen muß im Fall einer leichten Verschmutzung der Betrieb des Kühlers unterbrochen werden, es muß ein Erwärmen des Kühlers ermöglicht werden, was etwa ½ Stunde dauert, und sodann muß der Kühler mit reinem Gas gespült werden.

Bei extremer Verschmutzung muß das Rohr vor seiner Spülung mit einer Reinigungsflüssigkeit ausgebaut werden. Der Reini­ gungsvorgang ist umständlich und langwierig und dauert norma­ lerweise einige Stunden.

Wie im Stand der Technik bekannt, können einige bekannte Kühler auch als Gasreinheitsprüfer verwendet werden, wobei die Reinheit des Gases durch die während eines "Tests" ange­ sammelte Menge an Verunreinigungen geprüft wird. Am Beginn jedes Tests muß sich der Kühler auf einer Anfangstemperatur befinden, welche normalerweise wesentlich höher ist als die Betriebstemperatur, auf die der Kühler während eines Tests gebracht wird. So muß am Ende jedes Tests ein Kühler nach dem Stand der Technik auf seine Ausgangstemperatur zurückgebracht werden, was normalerweise wiederum etwa 30 Minuten dauert.

Durch die Erfindung soll eine Anlage geschaffen werden, die als Kühler verwendbar ist und eine verbesserte Einrichtung zum Ausstoßen von Verunreinigungen aufweist, die sich an der Innenseite eines Wärmeaustauscherrohres und an der Öffnung des Gasentspannungskühlers, wie eines kryogenen Joule- Thomson-Kühlers und/oder eines Gasreinheitsprüfers, ansam­ meln. Es soll eine Reinigungsanlage geschaffen werden, die kein Ausbauen des Wärmeaustauscherrohres erfordert und deren Reinigungs- und Aufwärmzeiten wesentlich kürzer sind als beim Stand der Technik.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 10 gelöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Anlage für einen Kühler:

• (a) ein Wärmeaustauscherrohr zur Aufnahme eines zugeführten Druckgases;
• (b) eine Gasauslaßöffnung, die mit dem Inneren des Wärmeaustauscherrohrs in Verbindung steht, um das Aus­ strömen des Druckgases und die Ausdehnung desselben während eines Kühlbetriebes zu ermöglichen; und
• (c) eine Bypassanordnung, die mit dem Wärmeaustauscherrohr verbunden und nach der Gasauslaßöffnung angeordnet ist und welche während eines Reinigungsbetriebes ermöglicht, daß der größte Teil des Gases das Wärmeaustauscherrohr verläßt, ohne durch die Gasauslaß­ öffnung zu strömen, und
• (d) eine Abtasteinrichtung zum Anzeigen des Ausmaßes der Gasverunreinigung, wobei eine längere kontinuierliche Betriebszeit ein reineres Gas anzeigt. Wahl­ weise kann ein Druckregler hinzugefügt werden, um eine bes­ sere Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des Reinheitstests zu gewährleisten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Bypassanordnung ein Spülventil auf, das während des Kühlbetriebs geschlossen und während des Reinigungsbetriebs geöffnet wird. Auf diese Weise wird während eines Reinigungs­ zyklus Gas mit hoher Geschwindigkeit durch das Rohr gedrückt und spült die Verunreinigungen aus.

Ferner ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung das Wärmeaustauscherrohr schraubenförmig über einen zylindrischen Kern gewickelt und innerhalb eines isolierten Gehäuses (Dewar) eingebaut. Die Bypassanordnung ist als eine Fortsetzung des Wärmeaustauscherrohrs innerhalb des zylindri­ schen Kerns angeordnet. Ferner entweicht bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung während des Kühlbetriebs das Gas durch die Gasauslaßöffnung in das Gehäuse und kühlt da­ durch das Wärmeaustauscherrohr und das einströmende warme Gas, bis Verflüssigung eintritt. Während des Reinigungsbe­ triebs strömt das Gas im allgemeinen an der Gasauslaßöffnung vorbei, so daß das einströmende warme Gas das Wärmeaustau­ scherrohr aufwärmt.

Schließlich weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Kühler einen Sensor auf, der vorzugsweise eine Einrichtung zum Umschalten des Kühlers vom Kühlbetrieb auf den Reinigungsbetrieb steuert. Der Sensor kann eine Strö­ mungsmeßeinrichtung, die auf die durch die Gasauslaßöffnung strömende Gasmenge anspricht, oder ein Temperaturfühlorgan, wie ein Thermoelement, sein, die bzw. das in der Nähe der Gasauslaßöffnung angeordnet ist. Ferner ist bei einer bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung der Kühler dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Reinigungsbetrieb eine Temperatur des Kühlers auf eine gewünschte Temperatur anhebt.

Die Erfindung schafft gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auch einen Gasreinheitsprüfer, der aufweist (a) ein Wärmeaus­ tauscherrohr zur Aufnahme eines zugeführten Druckgases, (b) eine Gasauslaßöffnung, die mit dem Inneren des Wärmeaustau­ scherrohrs in Verbindung steht, um das Ausströmen des Druck­ gases und die Ausdehnung desselben während eines Kühlbetriebs zu ermöglichen, (c) eine Bypassanordnung, die mit dem Wärme­ austauscherrohr verbunden und nach der Gasauslaßöffnung angeordnet ist und welche während eines Reinigungsbetriebes ermöglicht, daß der größte Teil des Gases das Wärmeaustau­ scherrohr verläßt, ohne durch die Gasauslaßöffnung zu strömen und (d) eine Sensoreinrichtung zum Anzeigen des Ausmaßes der Gasreinheit entsprechend der durch die Gasauslaßöffnung strömenden Gasmenge oder der Temperatur des Kühlers. Eine längere Betriebszeit zeigt ein reineres Gas an. Wahlweise ist auch ein Gasdruckregler eingebaut, um zuverlässigere Resul­ tate zu erzielen.

Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1A eine schematische Darstellung eines typischen kryogenen Joule-Thomson-Kühlers mit einer strom­ abwärts gelegenen Fortsetzung gemäß der Erfin­ dung,

Fig. 1B eine vergrößerte Teildarstellung eines Öffnungs­ teils des in Fig. 1A gezeigten Kühlers gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 1A und 1B zeigen einen kryogenen Kühler gemäß der vorliegenden Erfindung. Beispielhaft ist der in den Fig. 1A und 1B gezeigte Kühler vom Joule-Thomson-Typ. Bekanntlich kann dieser Kühlertyp als Gasreinheitsprüfer verwendet wer­ den. Wie beim Stand der Technik weist der Kühler normalerwei­ se ein Wärmeaustauscherrohr 12 auf, das um einen Kern 14 gewickelt ist, wobei beide innerhalb eines Gehäuses 16 ange­ ordnet sind. Erfindungsgemäß erstreckt sich das Rohr 12 aus dem Gehäuse 16 heraus und endet in einem Auslaß 18, an wel­ chem ein Hochdruckventil 20 angebracht ist. Die Fortsetzung des Rohrs 12 ist hier mit 22 bezeichnet.

Das Rohr 12 kann irgendeinen geeigneten Durchmesser aufwei­ sen, z. B. 0,3 mm Innendurchmesser und 0,5 mm Außendurchmes­ ser.

Bei Betrieb wird ein Hochdruckgas, wie Stickstoff, Sauer­ stoff, Argon oder irgendein anderes geeignetes Gas, in das Wärmeaustauscherrohr 12 an einem Einlaß 24 eingeleitet. Im Kühlbetrieb wird das Ventil 20 in einem geschlossenen Zustand gehalten, und das Gas entweicht durch eine kleine Öffnung 26 im Rohr 12 in einem Abschnitt 28 nahe des dem Ventilende entgegengesetzten Endes der Fortsetzung 22. Die Öffnung 26 kann irgendeine geeignete Größe aufweisen, um Kühlung zu bewirken. Beispielsweise hat die Öffnung 26 für die oben angegebene Rohrabmessung vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 0,04 und 0,06 mm. Das Gas steht normalerweise unter einem Druck zwischen 103 und 414 bar (1500 und 6000 psi).

Eine Abkühlung wird bewirkt, wenn das Hochdruckgas in das unter niedrigem Druck stehende Innere des Gehäuses 16 ent­ weicht, nachdem es mit dem Hochdruckgas in Wärmeaustausch getreten ist. Das Niederdruckgas tritt durch einen Auslaß 30 aus, vor welchem ein Strömungsgeschwindigkeits-Meßgerät 32 zur Messung der Strömung durch den Auslaß 30 angeordnet ist.

Infolge der Entspannung und Abkühlung des Gases beim oben beschriebenen Kühlbetrieb sammeln sich in dem Hochdruckgas enthaltene Verunreinigungen an der Innenseite des Rohrs 12 nahe oder innerhalb der Öffnung 26 in Form von flüssigen oder festen Ansammlungen 34 an.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Reinigungsbetrieb zur Beseitigung der Ansammlungen 34 vorge­ sehen. Bei diesem Reinigungsbetrieb, der normalerweise unmit­ telbar nach dem Kühlbetrieb eintritt, wird das Hochdruckven­ til 20 entweder von Hand oder automatisch geöffnet, und das Hochdruckgas kann durch den Auslaß 18 entweichen.

Infolge der Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck am Einlaß 24 und dem Außendruck am Auslaß 18 strömt der größte Teil des Gases mit hoher Geschwindigkeit durch das Rohr 12 und nimmt die Ansammlungen 34 mit sich.

Normalerweise dauert der Reinigungsbetrieb etwa 2 Minuten, und während dieser Zeit wird das Hochdruckgas kontinuierlich durch das Rohr 12 geleitet. Da sehr wenig Gas durch die Öffnung 26 austritt, tritt nur eine sehr geringe Abkühlung auf. Das wenige Gas, das durch die Öffnung 26 austritt, dient zur Reinigung der Öffnung, und das Gas, das an der Öffnung 26 vorbeiströmt, dient zum Aufwärmen und Reinigen des Rohrs 12 im Bereich der Öffnung. Es wird bemerkt, daß ein Fließen der Verunreinigungen um so leichter eintritt, je wärmer das Rohr 12 ist.

Infolge der Bewegung des warmen Gases durch das Rohr 12 bringt der Reinigungsbetrieb normalerweise den Kühler schnell auf nahezu Zimmertemperatur zurück, was die normale Ausgangs­ temperatur ist, die für einen Wiederbeginn des Kühlbetriebs geeignet ist. Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem eine beträchtliche Zeitdauer erforderlich ist, um die Ausgangstemperatur wieder zu erreichen.

Es ist festzustellen, daß die hier beschriebene Vorrichtung ein verhältnismäßig schnelles Ausspülen von im Gas vorhande­ nen Verunreinigungen sowie ein verhältnismäßig schnelles Zurückbringen des Kühlers auf seine Ausgangstemperatur ermög­ licht.

Es ist ferner durch den Fachmann festzustellen, daß erfin­ dungsgemäß ein Ventil 20 vorgesehen ist, das irgendwo nach der Öffnung 26 angeordnet ist.

Ferner fällt jede Vorrichtung, die eine Gasströmung durch den Kühler allgemein ohne Durchführung des Kühl- und Wärmeaus­ tauschvorgangs ermöglicht, in den Rahmen der Erfindung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gibt das Strömungsgeschwindigkeits-Meßgerät 32 eine Strömungsgeschwin­ digkeits-Information auf ein (nicht gezeigtes) Steuergerät. Das Steuergerät ist normalerweise so programmiert, daß es den Kühler in den Reinigungsbetrieb umschaltet, wenn die Strö­ mungsgeschwindigkeit unter einen vorbestimmten Wert absinkt, z. B. 20% weniger als einen gewünschten Wert, oder wenn eine Änderung in der Gasqualität eintritt. Das Steuergerät schal­ tet die Betriebsarten des Kühlers um, indem es das Ventil 20 wahlweise öffnet (für den Reinigungsbetrieb) und schließt (für den Kühlbetrieb).

Statt dessen kann, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Temperaturfüh­ ler 33, wie ein Thermoelement, in der Nähe der Gasauslaßöff­ nung angeordnet sein und eine Temperaturinformation auf das Steuergerät geben. Wenn die Kühlung infolge einer Blockierung der Öffnung durch Verunreinigungen aufhört, steigt die Tempe­ ratur an. Das Steuergerät ist normalerweise so programmiert, daß es den Kühler auf den Reinigungsbetrieb bei einem vorbe­ stimmten Temperaturwert umschaltet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Druckregler 40 direkt nach dem Einlaß 24 vorgesehen werden. Der Druckregler 40 gewährleistet einen gleichmäßigen Druck und stellt infolgedessen sicher, daß die erzielte Drosse­ lungsart für jeden Druckwert wiederholbar ist.

Es wird bemerkt, daß die Länge des Reinigungsbetriebs von der Größe der Rohre, von dem Ausmaß, auf das die Anlage erwärmt werden muß, und dem zulässigen minimalen Gasverlust während des Reinigens abhängt.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die Spüleinrichtung ein integraler Teil des Kühlers ist und ein Reinigen des Wärme­ austauschrohres ohne Ausbau des Kühlers ermöglicht.

Wie im Stand der Technik bekannt, ist die auf einem kryogenen Joule-Thomson-Kühler beruhende Anlage höchst geeignet für einen Gasreinheitsprüfer. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Anlage umfaßt der Gasreinheitsprüfer: (a) ein Wärmeaustau­ scherrohr zur Aufnahme eines zugeleiteten Druckgases; (b) eine Gasauslaßöffnung, die mit dem Inneren des Wärmeaustau­ scherrohres in Verbindung steht, um ein Ausströmen des Druck­ gases und die Ausdehnung desselben während eines Kühlbetrie­ bes zu ermöglichen; (c) eine Bypassanordnung, die mit dem Wärmeaustauscherrohr in Verbindung steht und in einem Gehäuse im wesentlichen eingeschlossen sowie nach der Gasauslaßöff­ nung angeordnet ist, wobei während eines Reinigungsbetriebes Gas durch die Auslaßöffnung in das Gehäuse ausströmt, und (d) einen Sensor zum Anzeigen des Ausmaßes der Gasreinheit, wobei eine längere kontinuierliche Betriebszeit ein reineres Gas anzeigt. Wahlweise ist ein Druckregler am Gaseinlaß einge­ baut, um eine bessere Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des Reinheitstests des jeweiligen Gases zu gewährleisten.

Claims (10)

1. Kühleranlage mit:
einem Wärmeaustauscherrohr zur Aufnahme eines zugeführ­ ten Druckgases;
einer Gasauslaßöffnung, die mit dem Inneren des Wärme­ austauscherrohrs in Verbindung steht und das Ausströmen des Druckgases und die Ausdehnung desselben während eines Kühlbetriebs ermöglicht;
gekennzeichnet durch:
eine Bypassanordnung (18, 20, 22), die mit dem Wärmeaus­ tauscherrohr (12) in Verbindung steht und nach der Gasauslaßöffnung (26) angeordnet ist und welche während eines Reinigungsbetriebs ermöglicht, daß der größte Teil des Druckgases aus dem Wärmeaustauscherrohr (12) aus­ tritt, ohne durch die Gasauslaßöffnung (26) zu strömen.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühler die Bypassanordnung ein Spülventil (20) umfaßt, das während des Kühlbetriebs geschlossen und während des Reinigungsbetriebs geöffnet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler in ein Gehäuse (16) eingebaut ist, das den größten Teil des Wärmeaustauscherrohrs (12) umfaßt und daß die Bypassanordnung eine Fortsetzung (22) des Wärmeaustauscherrohres (12) außerhalb des Gehäuses (16) umfaßt.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kühlbetriebs Gas durch die Gasauslaßöffnung (26) in das Gehäuse (16) austritt, um dadurch das Gas zu kühlen, welches wiederum das Wärmeaustauscherrohr (12) kühlt, und daß während des Reinigungsbetriebes das Gas allgemein an der Gasauslaßöffnung (26) vorbeiströmt, um dadurch das Wärmeaustauscherrohr (12) zu erwärmen.

5. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Sensoreinrichtung (32), die auf die Gasmenge anspricht, welche durch die Gasauslaßöffnung (26) strömt.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungs-Meßeinrichtung (32) eine Einrichtung zum Umschalten des Kühlers vom Kühlbetrieb auf den Reini­ gungsbetrieb bei einer vorbestimmten Gasströmungsge­ schwindigkeit aufweist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (33), welche auf die Temperatur des Kühlers anspricht.

8. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsbetrieb eine Tempera­ tur der Vorrichtung auf eine gewünschte Temperatur er­ höht.

9. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch einen Druckregler (40).

10. Gasreinheitsprüfanlage mit:
einem Wärmeaustauscherrohr, welches ein zugeführtes Druckgas aufnimmt;
eine Gasauslaßöffnung, die mit dem Inneren des Wärmeaus­ tauscherrohrs in Verbindung steht, um das Ausströmen des Druckgases und die Ausdehnung desselben während eines Kühlbetriebs zu ermöglichen;
gekennzeichnet durch
eine Bypassanordnung (18, 20, 22), die mit dem Wärmeaustauscherrohr (12) in Verbindung steht und im wesentlichen in einem Gehäuse (16) einge­ schlossen und nach der Gasauslaßöffnung (26) angeordnet ist, wobei während eines Reinigungsbetriebs Gas durch die Auslaßöffnung (26) in das Gehäuse (16) entweicht; und
eine Sensoreinrichtung (32, 33) zum Anzeigen des Ausma­ ßes der Gasreinheit entsprechend der jeweiligen Zeit eines stabilen Kühlbetriebs.