DE69306541T3

DE69306541T3 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE69306541T3
Application number: DE69306541T
Authority: DE
Inventors: Thomas Robert Schulte
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2013-12-11
Also published as: MX9307872A; KR0168460B1; JP2865997B2; EP0601601B1; BR9305020A; US5452583A; EP0601601B2; KR940014224A; DE69306541T2; DE69306541D1; CA2111174C; CA2111174A1; ES2096842T3; US5377491A; CN1054915C; ES2096842T5; CN1093795A; JPH06210157A; TW264534B; EP0601601A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kühlmittel-Rückgewinnungssysteme und insbesondere auf Helium-Rückgewinnungssysteme, wie sie mit Kühlanordnungen für optische Fasern benutzt werden.

Hintergrund der Erfindung

Bei der Herstellung von optischen Fasern wird eine Glasstange oder Vorform, die speziell für die Herstellung von optischen Fasern hergestellt wird, in einem System zum Ziehen von optischen Fasern verarbeitet.
Eine Vorrichtung zum Ziehen von optischen Fasern ist in JP-A-60 46954 gezeigt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird ein Glasmaterial in einen Ziehofen eingebracht, in welchem es erweicht und in eine optische Faser gezogen wird. Die Faser wird durch eine Beschichtungsform geführt, in einem Härtungsofen ausgehärtet und auf eine Trommel aufgenommen. Zwischen dem Ziehofen und der Form ist eine Faserkühleinheit installiert, um die Strecke dazwischen zu verkürzen. Innerhalb der Kühleinheit wird die Faser durch Kontaktieren mit einem Gasgemisch aus Helium und Stickstoff gekühlt, wobei das Gasgemisch zwecks Umwälzung wiedergewonnen wird. Die Kühleinheit weist ein Wärmetauscherrohr auf. Dieses Rohr hat einen Durchlaß, durch den die heiße Faser hindurchgeleitet wird, einen Kühlgaseinlaß zum Einleiten von Kühlgas in den Durchlaß nahe dessen unterem Ende, und einen Kühlgasauslaß zum Abziehen von Kühlgas aus dem Durchlaß nahe dessen oberem Ende. Das Kühlgasgemisch wird erhalten, indem Heliumgas von einer Heliumflasche und Stickstoffgas von einer Stickstofflasche in einem Gasmischer gemischt werden; es wird über ein Ventil, einen Durchflußmesser und eine Gaskühlvorrichtung zu dem Kühlgaseinlaß geleitet, und es wird von dem Kühlgasauslaß zu dem Gasmischer zurückgeführt.
Bei einer aus JP-A-4-240 129 bekannten ähnlichen Vorrichtung zum Ziehen von optischen Fasern wird Heliumkühlgas von dem Gasmischer unmittelbar in den Kühlgaseinlaß des Wärmetauscherrohres und von dem Kühlgasauslaß dieses Rohres über einen Heliumgasreiniger zurück zu dem Gasmischer geleitet, wobei Gaskompressoren stromaufwärts und stromabwärts von dem Reiniger angeordnet sind, um für eine Kühlgasumwälzung zu sorgen. In dem Gasmischer wird gereinigtes Heliumgas von dem Reiniger mit frischem, reinem Helium gemischt, das von einer Heliumgasversorgung bereitgestellt wird. Die Durchflußmenge wird an dem Einlaß auf 80 l/min geregelt. Außerdem werden 10 l/min an Helium von der Heliumgasversorgung ergänzt.
Ein weiteres System zum Ziehen von optischen Fasern mit einem Ofen, einem Wärmetauscher, einer Anordnung zum Aufbringen eines Überzugs, einem Trockner- oder Aushärtofen und einer Spule ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 079 186 gezeigt.
Anfänglich wird die Glasstange oder Vorform in dem Ofen geschmolzen, um eine kleine halbflüssige Faser zu erzeugen. Die halbflüssige Faser wird dann gekühlt und in festen Zustand überführt, wenn diese durch die Luft und durch den Wärmetauscher fällt. Die gekühlte und verfestigte Faser von dem Wärmetauscher wird in der Anordnung zum Aufbringen eines Überzugs beschichtet, in dem Aushärtofen oder Trockner getrocknet und mit der Spule gezogen.
Die Zugrate der optischen Faser hängt von der Kühlrate der optischen Faser in dem Wärmetauscher ab. Das bedeutet, daß die Rate, mit welcher die Faser gezogen werden kann, bei einer Erhöhung der Kühlrate gesteigert werden kann. Um die Kühlrate zu steigern, wird normalerweise ein Kühlgas, wie z. B. Helium oder Stickstoff, in den Wärmetauscher eingeleitet, um die halbflüssige Faser mittels direktem Wärmeaustausch zu kühlen. Der direkte Wärmeaustausch wird ermöglicht, indem der Wärmetauscher so ausgelegt wird, daß für einen Durchlaß oder ein zylindrisches Loch gesorgt ist, welches von oben nach unten verläuft, um die optische Faser durchzuführen, wobei ein Einlaß zum Einleiten des Kühlmittels in den Durchlaß oder das zylindrische Loch vorgesehen ist sowie fakultativ mindestens ein Auslaß zum Entfernen des Kühlmittels von dem Durchlaß oder zylindrischen Loch. Der Strom des Kühlmittels in den Wärmetauscher wird gewöhnlich durch Dosierventile und Durchflußmesser gesteuert.
Obschon die Zugrate der optischen Faser durch Einsatz des obigen Wärmetauschers gesteigert wird, geht normalerweise das benutzte Kühlmittel an die Atmosphäre durch ein oder beide Enden des Durchlasses oder zylindrischen Loches und/oder den Auslaß verloren, und es ist außerdem mit Verunreinigungen kontaminiert, beispielsweise wenn Luftverunreinigungen in den Durchlaß oder das zentrische Loch eintreten, in welchem sich das Kühlmittel befindet. Das Ersetzen dieses verlorenen Kühlmittelgases stellt einen wesentlichen Kostenfaktor bei dem Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern dar. Daher besteht Bedarf für ein effektives und effizientes Kühlmittel-Rückgewinnungssystem und einen Wärmetauscher, welche die Kühlmittelverluste reduzieren und die Verunreinigung des Kühlmittels senken würden.
EP-A-0 094 172 befaßt sich mit der Regelung der Lösungsmitteldampf enthaltenden Atmosphäre eines Ofens oder Trockners, um eine nichtexplosive Atmosphäre aufrecht zu erhalten, indem während des Aushärtens von lösungsmittelhaltigen Harzüberzügen der Sauerstoffpegel auf einem vorbestimmten, sicheren Wert gehalten wird. Lösungsmitteldampf wird aus der Atmosphäre in dem Ofen oder Trockner zurückgewonnen, indem die Lösungsmitteldampf, inertes Gas und Sauerstoff enthaltende Atmosphäre von dem Ofen oder Trockner mit konstanter Durchflußmenge abgezogen wird. Die Konzentration des Lösungsmitteldampfes wird erfaßt, und nichtkondensiertes Gas wird zu dem Ofen oder Trockner mit einer Durchflußmenge zurückgeleitet, die in Abhängigkeit von erfaßten Änderungen in der Lösungsmitteldampfkonzentration der Atmosphäre variabel ist, so daß bezüglich der Ofenatmosphäre ein Stoffgleichgewicht aufrechterhalten wird. EP-A-0 094 172 betrifft damit nicht ein Faserkühlsystem socher Art, daß die Infiltration von Luft oder einem anderen Gas in den Durchlaß eines Wärmetauschers beschränkt wird, sondern vielmehr die Aufrechterhaltung eines nichtexplosiven Wertes in einer Kammer.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rückgewinnungssystem gemäß Anspruch 1, welches sich zur effizienten und effektiven Rückgewinnung von Kühlmittelgas eignet. Vor der Anordnung zum Pumpen von Kühlmittelgas kann mindestens ein Volumen zum Dämpfen von Schwankungen des Kühlmittelgasstromes vorgesehen sein, um den Druck und/oder den Durchfluß eines Kühlmittelgases, welches zu der Pumpanordnung geleitet wird, besser zu steuern. Das von der Anordnung zum Pumpen abgeleitete Kühlmittelgas kann mittels einer Kühlanordnung gekühlt werden, mittels einer Filteranordnung gefiltert werden und/oder kann in einem Reinigungssystem gereinigt werden, bevor es in den Einlaß mindestens eines Wärmetauschers eintritt. Mindestens eine der eingesetzten Kühlanordnungen kann in mindestens einem Wärmetauscher vorgesehen sein.
In der Nähe von mindestens einer der Endöffnungen des Durchlasses kann eine Dichtungsanordnung vorgesehen sein. Die Dichtungsanordnung ist ausgelegt, um die Infiltration oder das Eindringen von Gasen in den Durchlaß hinein oder aus diesem heraus zu minimieren oder zu reduzieren, jedoch den Durchtritt mindestens einer heißen Faser zu erlauben. Die Dichtungsanordnung kann aus der aus Labyrinthdichtungen, Gasdichtungen, mechanischen Dichtungen, Toleranzdichtungen und/oder Flüssigkeitsdichtungen bestehenden Gruppe ausgewählt sein. Anstelle der Dichtungsanordnung können ein Ofen zum Schmelzen einer Glasstange oder einer Vorform und eine Anordnung zum Aufbringen eines Überzuges an der Oberseite bzw. der Unterseite des Wärmetauschers abgedichtet sein, um die Infiltration von Luft zu minimieren und die Rückgewinnung von Kühlmittelgas zu verbessern.
Der Begriff "mindestens eine heiße Faser", wie er hier benutzt wird, bezeichnet eine oder mehrere beliebige Fasern, die gekühlt werden müssen.
Der Begriff "in der Nähe von", wie er hier benutzt wird, bezeichnet den einen bestimmten Punkt oder eine bestimmte Stelle umgebenden Bereich. Typischerweise schließt dieser einen Bereich zwischen dem Kühlmittelgasauslaß und der am nächsten gelegenen Endöffnung in dem Wärmetauscher und/oder zwischen dem Kühlmittelgaseinlaß und der am nächsten gelegenen Endöffnung in dem Wärmetauscher ein.
Der Begriff "Kühlmittelgas", wie er hier benutzt wird, bezeichnet ein jegliches Gas, welches heiße optische Fasern kühlen kann.
Der Begriff "mechanische Dichtung", wie er hier verwendet wird, bezeichnete eine jegliche mechanische Vorrichtung, welche die Endöffnungen eines Durchlasses abdichtet oder für eine Dichtungsanordnung in der Nähe der Endöffnungen des Durchlasses sorgt, indem ein direkter Kontakt mit mindestens einer Faser stattfindet, welche durch den Durchlaß geführt wird.
Der Begriff "Toleranzdichtungen", wie er hier benutzt wird, bezeichnet ein jegliches Merkmal, welches verwendet werden kann, um die Endöffnungen eines Durchlasses zu verringern oder den Durchlaß in der Nähe der Endöffnungen zu verringern, wobei ein minimaler oder kein Kontakt mit mindestens einer Faser erfolgt, welche durch den Durchlaß geführt wird. Der Begriff "Gasverunreinigungen"; wie er hier verwendet wird, bezeichnet ein jegliches anderes Gas als das Kühlmittelgas.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Rückgewinnungssystems, welches eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 zeigt einen Wärmetauscher und eine Rückgewinnungsleitung mit mindestens einer Überwachungs- und/oder Übermittlungsanordnung und mindestens einer Steuerungsanordnung, wobei es sich um eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt.
Fig. 3 zeigt einen Wärmetauscher mit Labyrinthdichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt einen Ofen und eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Überzuges, welche an der Oberseite und der Unterseite des Wärmetauschers angebracht sind.
Wie es in den obigen Figuren gezeigt ist, gibt es verschiedene bevorzugte Ausführungsformen, welche sich zum Rückgewinnen des Kühlmittelgases mit verringerter Kontamination eignen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Rückgewinnungssystems für Kühlmittelgas dargestellt. Das Kühlmittelgas-Rückgewinnungssystem weist unter anderem eine Mehrzahl von Wärmetauschern 1(a) bis 1(f), mindestens einen Sammelbehälter 3, mindestens einen Kompressor 5, mindestens eine Kühlanordnung 7, mindestens eine Filteranordnung 9, mindestens ein Reinigersystem 11, mindestens einen Produktbehälter 13 und mindestens einen Kühlmittelspeichertank 15 auf. Das Kühlmittel-Rückgewinnungssystem kann mit einem jeglichen System zum Ziehen von optischen Fasern gekoppelt werden, welches mindestens einen der Wärmetauscher 1 (a) bis 1 (f) benutzt.
Wie es in den Fig. 2 bis 4 gezeigt ist, verfügt mindestens einer der Wärmetauscher 1 (a) bis 1(f) über mindestens eine Durchführung 100, durch die eine Faser geführt werden kann, über mindestens einen Einlaß 101 zum Einleiten von Kühlmittelgas in die Durchführung und über mindestens einen Auslaß 102(a) und/oder 102(b) zum Rückgewinnen oder Entfernen von Kühlmittelgas der Durchführung 100. Die Durchführung 100, die normalerweise durch die Oberseite zu dem Boden des Wärmetauschers verläuft, so daß die Endöffnungen an der Oberseite und der Unterseite liegen, kann an bestimmten Stellen 103 (a) bis 103(c) entlang seiner Länge über Bereiche mit erweitertem Querschnitt verfügen. Der Bereich mit erweitertem Querschnitt kann direkt mit dem Einlaß 101 und dem Auslaß 102(a) und/oder 102(b) in Verbindung stehen, so daß ein großes Volumen von Kühlmittelgas in die Durchführung 101 rückgewonnen oder eingeleitet werden kann. Diese erweiterten Bereiche 103(a) bis 103(c) können in dem mittleren Abschnitt der Durchführung 100 und/oder in der Nähe der Endöffnungen der Durchführung 100 angeordnet sein. In Abhängigkeit von der Anordnung kann das Kühlmittelgas in die Durchführung 100 in gewünschter Weise eingebracht werden, z. B. im Gegenstrom hinsichtlich der Richtung einer Faser, da das Kühlmittel zu diesen Bereichen geführt oder von diesen gewonnen wird.
In der Nähe der Endöffnungen der Durchführung 100, vorzugsweise zwischen den Endöffnungen und dem Auslaß 102(a) oder 102(b) am nächsten zu den Endöffnungen hin, kann mindestens eine Dichtungsanordnung 104 angeordnet sein. Die Dichtungsanordnung 104 minimiert oder reduziert die Infiltration und/oder den Austritt von Gasen in die Durchführung 100 und/oder aus dieser heraus durch die Endöffnungen, und sie sorgt gleichzeitig für eine Öffnung oder für Öffnungen, die ausreichend sind, um eine Faser durch die Durchführung 100 zu führen. Die bevorzugte Dichtungsanordnung kann aus Labyrinthdichtungen, Gasdichtungen, mechanischen Dichtungen, Toleranzdichtungen und/oder Flüssigkeitsdichtungen ausgewählt werden. Von diesen bevorzugten Dichtungsanordnungen kann eine Labyrinthdichtung nützlich sein, da sie den Druckabfall in dem Gasstromweg zwischen den Endöffnungen und dem Auslaß, der am nächsten zu den Endöffnungen liegt, mittels einer Reihe von Ausbuchtungen 108 und Einschnürungen 109 steigert. Unter bestimmten Umständen kann eine Fluiddichtung vorteilhaft verwendet werden. Zur Verwendung einer Fluiddichtung, wie beispielsweise Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid, kann mindestens ein zusätzlicher Einlaß 105, der in Fluidverbindung mit der Durchführung 100 steht, erforderlich sein. Der Durchfluß der Fluiddichtung kann mittels eines Durchflußmessers 111 und eines Ventils 112 gesteuert werden. Der Begriff "Fluiddichtung", wie er hier verwendet wird, bezeichnet die Zugabe eines Fluids in die Durchführung an einer Stelle zwischen dem Kühlmittelgaseinlaß und der nächstgelegenen Endöffnung der Durchführung und/oder zwischen dem Kühlmittelgasauslaß und der nächstgelegenen Endöffnung der Durchführung, um eine Strömungsverteilung und/oder die Drücke innerhalb der Durchführung zu ändern, um die Rückgewinnung des Kühlmittelgases zu steigern und/oder die Infiltration von Verunreinigungen zu senken.
Es versteht sich, daß der Wärmetauscher so ausgelegt sein kann, um für Merkmale zu sorgen, die funktionell äquivalent zu der Dichtungsanordnung oder zu Merkmalen sind, die für eine Kombination der obigen Dichtungsanordnungen sorgen. Beispielsweise können ein Ofen 106 zum Schmelzen einer Glasstange oder einer Vorform und eine Anordnung zum Aufbringen eines Überzuges 107 zum Beschichten einer Faser an der Oberseite bzw. der Unterseite des Wärmetauschers mit oder ohne einer Dichtungsanordnung 110 gedichtet sein, da der Wärmetauscher gewöhnlich zwischen dem Ofen 106 und der Vorrichtung zum Aufbringen eines Überzuges 107 bei den konventionellen Systemen zum Ziehen von optischen Fasern verwendet wird. Bei solch einer Anordnung kann eine zusätzliche Dichtungsanordnung, wie beispielsweise eine Gassdichtung, verwendet werden, um die Infiltration von Luft oder anderen Gasen in die Durchführung weiter zu verringern.
Anfänglich wird das Kühlmittelgas in eine Mehrzahl von Wärmetauschern bei etwa 0 bar bis etwa 11 bar (etwa 0 bis etwa 150 psig) eingeleitet. Das Kühlmittelgas, obschon es von einer jeglichen Quelle abgeleitet werden kann, wird dem Speichertank 15 entnommen. Von dem Speichertank 1 S strömt das Kühlmittelgas unter anderem durch eine Zweigleitung 16 und eine Mehrzahl von Kühlmittelzufuhrleitungen 17(a) bis 17(f), die mit den Einlässen der Wärmetauscher in Fluidverbindung stehen. Die Kühlmittelzufuhrleitungen verfügen über Dosierventile 18(a) bis 18(f) und Durchflußmesser 19(a) bis 19(f), die sich zum Steuern des Stromes des Kühlmittelgases in den Wärmetauscher eignen. Das eingesetzte Kühlmittelgas kann mindestens eines der Gase Helium, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe, etc. sein. Von diesen Kühlmittelgasen wird normalerweise ein Gas bevorzugt, welches mindestens etwa 80 Vol.% Helium enthält.
Wenn das Kühlmittelgas in die Wärmetauscher, d. h. die Durchführungen, eintritt, fließt es in Richtung auf die Auslässe der Durchführungen. Die Auslässe der Durchführungen sind mit den Rückgewinnungsleitungen 20(a) bis 20(f) verbunden. Mindestens eine der Rückgewinnungsleitungen verfügt über eine Anordnung 22(a) bis 22(f) zum Überwachen und/oder Übertragen der Durchflußrate eines Kühlmittelgases von dem Auslaß des mindestens einen Wärmetauschers, der Konzentration an Verunreinigungen in einem Kühlmittelgas von dem Auslaß des mindestens einen Wärmetauschers und/oder dem Druck eines Kühlmittelgases von dem Auslaß des mindestens einen Wärmetauschers sowie eine Anordnung 21 (a) bis 21 (f) zum Steuern des Stromes eines Kühlmittelgases in den mindestens einen Wärmetauscher hinein und aus diesem heraus basierend aus dem aus der Überwachung gewonnenen und/oder übertragenen Wert, um die Infiltration von Luft oder einem anderen Gas in die mindestens eine Durchführung des mindestens einen Wärmetauschers zu begrenzen. Die Anordnung zum Überwachen und/oder Übertragen kann aus Durchflußmessern, Drucksensoren, Verunreinigungs- oder Gasanalysatoren (Sauerstoffanalysator) und/oder jeder bekannten Anordnung ausgewählt werden, während es sich bei der Anordnung zum Steuern um mindestens eine Strömungswiderstandsanordnung, wie beispielsweise Ventile, Öffnungen, gesinterte Filter, enge Röhren mit kleineren Durchmessern als die Rückgewinnungsleitung oder mit Packung versehene Betten handeln kann. Die Einstellung der Strömungswiderstandsanordnung kann manuell oder automatisch basierend auf der Durchflußrate, dem Druck und/oder der Zusammensetzung eines Kühlmittelgases in jeder Rückgewinnungsleitung erfolgen. Alternativ kann die Strömungswiderstandsanordnung basierend auf der Durchflußrate, dem Druck und/oder der Zusammensetzung eines Kühlmittelgases in einer jeden Rückgewinnungsleitung voreingestellt werden. Bei dem Betrieb kann die Zusammensetzung eines Kühlmittelgases dadurch bestimmt werden, daß die Konzentration von Sauerstoff in dem Kühlmittelgas mittels eines Sauerstoffanalysators festgestellt wird. Andererseits können die Durchflußrate und der Druck eines Kühlmittelgases durch Verwendung eines Durchflußmessers bzw. eines Drucksensors bestimmt werden. Durch die Einstellung der Strömungswiderstandsanordnung, wie beispielsweise Dosierventilen, zum Steuern des Drucks in der Nähe der Auslässe, d. h. Stellen in den Durchführungen, die direkt mit den Auslässen in Verbindung stehen, kann eine verbesserte Rückgewinnung des Kühlmittelgases ohne wesentliche Verunreinigungen erreicht werden. Im allgemeinen können mehr als etwa 50% des Kühlmittelgases unter Verwendung dieser Anordnung wiedergewonnen werden. Jedes verbleibende Kühlmittel kann normalerweise aus den Endöffnungen der Durchführungen herausströmen, um eine Verunreinigung durch Luft oder ein anderes Fluid oder die Infiltration von Luft oder eines anderen Gases in die Durchführungen zu begrenzen. Falls die Dichtungsanordnung oder Äquivalente davon in Verbindung mit dieser Anordnung benutzt werden, kann die Rückgewinnung des Kühlmittelgases natürlich weiter verbessert werden, da eine geringere Menge des Kühlmittelgases erforderlich ist, um die Kontamination durch Luft oder ein anderes Fluid zu verhindern. Beispielsweise steigert eine Labyrinthdichtung den Druckabfall in dem Gasstromweg zwischen den Endöffnungen und dem Auslaß, der am nächsten zu den Endöffnungen liegt, indem eine Reihe von Ausbuchtungen und Einschnürungen erzeugt wird. Falls eine Kontamination durch Luft oder ein anderes Fluid nicht beseitigt werden kann, kann eines oder können mehrere der Magnetventile oder anderen Ventile 23(a) bis 23(f) benutzt werden, um das hochkontaminierte Kühlmittelgas von speziellen Wärmetauschern zu isolieren, oder es kann ein Reinigersystem 11 benutzt werden, um eine oder mehrere Fluidverunreinigungen zu entfernen. Außerdem kann das Reinigersystem benutzt werden, um für höhere Pegel der Kühlmittelgasrückgewinnung zu sorgen, indem Verunreinigungen entfernt werden, die während dem höheren Kühlmittelgasdurchlluß oder der höheren Kühlmittelrückgewinnungsrate in den Wärmetauscher strömen können.
Das rückgewonnene Kühlmittelgas in den Rückgewinnungsleitungen kann in ein Volumen zum Dämpfen von Schwankungen in einem Kühlmittelgasstrom einströmen, wobei es sich hier um eine Rückgewinnungszweigleitung 24 oder um einen fakultativen Gassammelbehälter 3 handeln kann. Falls die Rückgewinnungszweigleitung 24 als das Volumen zur Dämpfung von Schwankungen in dem Kühlmittelgasstrom benutzt wird, sollten deren Länge und Innendurchmesser, die von dem Volumen des Kühlmittelgases von den Rückgewinnungsleitungen abhängen, angemessen bemessen werden, um Schwankungen in dem Kühlmittelgasstrom zu dämpfen. Normalerweise wird jedoch der Gebrauch des fakultativen Gassammelbehälters 3 bevorzugt, da er sich außerdem zur Senkung von Druckschwankungen und zum Verbessern der Steuerung des Kühlmittelgasflusses eignet.
Von der Rückgewinnungsleitung 24 und/oder von dem Gassammelbehälter 3 strömt das Kühlmittelgas zu der Anordnung zum Pumpen des Kühlmittelgases 5, wie beispielsweise einem Rückgewinnungsverdichter, durch eine Leitung 25, die über ein Ventil 26 verfügt. Die Anordnung zum Pumpen des Kühlmittelgases verdichtet das Kühlmittelgas von einem leichten Unterdruck (typischerweise etwa 0,03 bis etwa 1,0 bar (etwa 5 bis etwa 14,6 psia)) auf einen Druck, der für eine Umwälzung ausreicht (typischerweise etwa 1,4 bis 18,3 bar (5 bis 250 psig)). Das verdichtete Kühlmittelgas strömt durch eine Leitung 27 in eine fakultative Kühlanordnung 7. In der Kühlanordnung wird das verdichtete Kühlmittelgas gekühlt. Nach dem Kühlen können Öl, Wasser und/oder teilchenförmige Stoffe über eine fakultative Filteranordnung 9 von dem Kühlmittelgas entfernt werden.
Mindestens ein Teil des verdichteten Kühlmittelgases, der gekühlt und/oder gefiltert wurde oder nicht, kann automatisch zu der Anordnung zum Pumpen des Kühlmittelgases durch eine Umwälzleitung 28 mit einem Ventil 29 oder durch die Umwälzleitung 28 mit dem Ventil 29 und einem Teil der Leitung 25 automatisch umgewälzt werden. Die Umwälzleitung eignet sich zum Steuern des Druckes in dem Volumen zum Dämpfen von Schwankungen in dem Kühlmittelgasstrom, d. h. dem Gassammelbehälter, sowie zum Steuern der Durchflußrate des Kühlmittelgases. Es kann mindestens eine Anordnung 30(a) bis 30(c) zum Überwachen des Druckzustandes des Volumens, der Durchflußrate des von dem Volumen abgezogenen Kühlmittelgases und/oder dem Reinheitspegel des Kühlmittelgases in dem Volumen benutzt werden, um das (die) Ventil(e) 26 und/oder 29 oder eine andere (nicht gezeigte) äquivalente Strömungswiderstandsanordnung einzustellen, um die Durchflußrate des Kühlmittels und den Druck in dem Volumen, d. h. dem Behälter 3, zu steuern. In der Anordnung 30(a) bis 30(c) kann eine Anordnung zum Übertragen des überwachten Wertes installiert sein, so daß die Ventile 26 und/oder 29 oder die andere äquivalente Strömungswiderstandsanordnung automatisch mit einer Steueranordnung 31 und/oder 32 basierend auf dem überwachten und/oder übertragenen Zustand eingestellt werden können, um den Druck in dem Volumen, z. B. dem Behälter 3, und die Durchflußrate des Kühlmittelgases von dem Volumen, z. B. dem Behälter 3, zu steuern. Die Steuerung kann manuell oder automatisch unter Verwendung von elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Signalen erfolgen.
Der verbleibende Teil des verdichteten Kühlmittelgases kann zu dem fakultativen Reinigersystem 11 über eine Leitung 42 mit einem Ventil 43 geleitet werden. Das fakultative Reinigersystem kann unter anderem ausgewählt werden aus Filtrationssystemen, Fest- und Flüssigkeits-Trennsystemen, kryogenen Flüssigkeitsreinigersystemen, chemischen Adsorptionssystemen, katalytischen Reaktionssystemen, Absorptionssystemen, Membrantrennsystemen und/oder Druck- und/oder Temperaturwechseladsorptionssystemen. Von diesen Systemen werden die Membrantrennsysteme und die Druck- und/oder Temperaturwechseladsorptionssysteme bevorzugt, da das gereinigte Kühlmittelgas, wie z. B. Helium, beim Kühlen mindestens einer heißen Faser nicht hochrein sein muß. Natürlich können auch kryogene Gastrennsysteme nützlich sein, da das gereinigte Kühlmittelgas nicht weiter gekühlt werden muß. Diese Systeme können mit einem Trockner in Abhängigkeit von dem Feuchtigkeitspegel des Kühlmittelgases, welches in das Reinigersystem eintritt, benutzt werden oder nicht.
Bei dem gewünschten Membranreinigersystem kann die Reinigung des verdichteten Kühlmittelgases wie unten angegeben ausgeführt werden. Anfangs kann das verdichtete Kühlmit telgas zu mindestens einem Membranmodul geleitet werden, um einen Abfallstrom und einen Produktstrom zu erzeugen. Der nicht permeierte Strom kann als der Abfallstrom benutzt werden, während der permeierte Strom als der Produktstrom verwendet wird. Der rückgewonnene Produktstrom wird zu einer Mehrzahl der Wärmetauscher direkt oder durch den fakultativen Produktbehälter 13 und die Zweigleitung 16 geleitet. Ein fakultativer Kompressor (nicht gezeigt) kann benutzt werden, um den Produktstrom zu den Wärmetauschern zu liefern. Falls nötig, kann zumindest ein Teil des Produktstromes zu der Anordnung zum Pumpen des Kühlmittelgases durch eine Leitung 33 rückgeführt werden, um den Druck in dem Volumen, z. B. dem Behälter 3, zu steuern. In der Zwischenzeit kann der Abfallstrom mit weiteren Membranmodulen behandelt werden, um zweite Produktströme zu erzeugen. Die zweiten Produktströme können über eine Leitung 34 zu der Anordnung zum Pumpen des Kühlmittelgases rückgeführt werden, falls deren Reinheitspegel ausreichend hoch ist. Falls nicht, können sie mit einer anderen Reinigeranordnung, wie beispielsweise einem fakultativen Trockner, behandelt werden, bevor sie zu der Anordnung zum Pumpen des Kühlmittelgases geleitet werden, oder sie können durch eine Leitung 3 5 abgeführt werden. Es können zusätzliche Membranstufen benutzt werden, um die Ausbeute des Kühlmittelgases und/oder die Reinheit des Kühlmittelgases zu steigern.
Das verdichtete Kühlmittelgas, welches gekühlt, gefiltert und/oder gereinigt wurde oder nicht, wird zu dem Produktbehälter 13 geliefert. Der Produktbehälter kann nützlich sein, um Druckschwankungen zu senken und/oder die Steuerung der Durchflußrate eines Kühlmittelgases zu verbessern. Zu diesem Produktbehälter kann von dem Speichertank 15 durch eine Leitung 36, die über Ventile 37 und 38 verfügt, Wiederauffüll-Kühlmittelgas geleitet werden, um sich mit dem verdichteten Kühlmittelgas zu kombinieren, um jegliches verlorene Kühlmittelgas wieder auszugleichen. Der kombinierte Strom wird durch eine Leitung 16 mit einem Ventil 39 zu den Wärmetauschern geleitet. Der Strom kann mit einer zusätzlichen Kühlanordnung (nicht gezeigt) gekühlt werden, bevor er in die Wärmetauscher eingebracht wird und/oder er kann mit einer (nicht gezeigten) zusätzlichen Kühlanordnung gekühlt werden, die in die Wärmetauscher eingebaut oder integriert ist. Bei der integrierten Kühlanordnung kann es sich um eine oder mehrere zusätzliche Durchführungen oder Reservoirs in den Wärmetauschern handeln. Indem diese Durchführungen oder Reservoirs der Wärmetauscher mit flüssigem Stickstoff, flüssigem Helium, flüssigem Argon und ähnlichem gefüllt werden, kann das Kühlmittelgas in den Durchführungen zum Durchführen mindestens einer Faser durch indirekten Wärmeaustausch gekühlt werden.
Wenn die Konzentration der Verunreinigungen, z. B. die Konzentration von Sauerstoff, in dem wiedergewonnenen Kühlmittelgas von dem Wärmetauscher den zulässigen Grenzwert über steigt (typischerweise etwa 1 mol% bis etwa 50 mol%), wird Wiederauffühll-Kühlmittelgas durch eine Leitung 40 mit einem Ventil 41 direkt zu den Wärmetauschern geleitet. Mittlerweile kann das Rückgewinnungssystem, welches für die Rückgewinnung des Kühlmittelgases von den Auslässen der Wärmetauscher benutzt wird, isoliert oder abgeschaltet werden, um eine Kontamination des Kühlmittelgases zu reduzieren oder zu vermeiden. Natürlich kann Kühlmittelgas immer direkt zu den Wärmetauschern geliefert werden, falls das Rückgewinnungssystem aus anderen Gründen abgeschaltet wird.

Claims

1. Kühlmittelrückgewinnungssystem mit:

a) mindestens einem Wärmetauscher (1a - 1f) mit mindestens einer Durchführung (100), durch die mindestens eine heiße Faser hindurchgeleitet werden kann, mindestens einem Einlaß (101) zum Einleiten von Kühlmittelgas in die mindestens eine Durchführung sowie mindestens einem Auslaß (102a, 102b) zum Entfernen von Kühlmittelgas aus der mindestens einen Durchführung;

b) einer Anordnung zum Rückgewinnen und Umwälzen von Kühlmittelgas mit einer Anordnung (5) zum Pumpen von Kühlmittelgas von dem Auslaß des mindestens einen Wärmetauschers zu dem Einlaß des mindestens einen Wärmetauschers;

c) einer Anordnung (22a - 22f) zum Überwachen oder zum Überwachen und Übertragen der Konzentration an Verunreinigungen in dem Kühlmittelgas von dem Auslaß (102a, 102b) des mindestens einen Wärmetauschers (1a - 1f);

d) einer Strömungswiderstandsanordnung (18a - 18f) zum Steuern des Einströmens eines Kühlmittelgases in den mindestens einen Wärmetauscher (1a - lf) und einer weiteren Strömungswiderstandsanordnung (21a - 21f) zum Steuern des Ausströmens eines Kühlmittelgases aus dem mindestens einen Wärmetauscher (1a - lf) jeweils basierend auf dem überwachten Wert, um das Eindringen von Luft oder eines anderen Gases in die mindestens eine Durchführung (100) des mindestens einen Wärmetauschers (1a - 1f) zu begrenzen.

2. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Überwachungs- oder Überwachungs- und Übertragungsanordnung zusätzlich die Durchflußrate des Kühlmittelgases von dem Auslaß (102a, 102b) des mindestens einen Wärmetauschers (1a - 1f) überwacht oder überwacht und überträgt.

3. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Überwachungs- oder Überwachungs- und Übertragungsanordnung zusätzlich den Druck des Kühlmittelgases von dem Auslaß (102a, 102b) des mindestens einen Wärmetauschers (1a - 1f) überwacht oder überwacht und überträgt.

4. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner eine Anordnung (7) zum Kühlen von Kühlmittelgas vor seinem Eintreten in den Einlaß (101) des mindestens einen Wärmetauschers (1a - 1f) vorgesehen ist.

5. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei der Anordnung (22) zum Überwachen oder zum Überwachen und Übertragen um mindestens einen Verunreinigungs- oder Gasanalysator an mindestens einer Rückgewinnungsleitung (20) handelt, die mit dem Auslaß (102a, 102b) des mindestens einen Wärmetauschers in direkter Verbindung steht.

6. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Anordnung (22) zum Überwachen oder zum Überwachen und Übertragen mindestens ein Durchflußmesser an mindestens einer Rückgewinnungsleitung (20) ist, die mit dem Auslaß (102a, 102b) des mindestens einen Wärmetauschers in direkter Verbindung steht.

7. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Dichtungsanordnung (104, 110) in mindestens einem Ende der mindestens einen Durchführung (100) des Wärmetauschers (1a - 1f) vorgesehen ist, um das Eindringen von Luft in die mindestens eine Durchführung zu verringern oder zu minimieren und um zugleich für eine Öffnung oder Öffnungen zu sorgen, durch welche eine Faser oder Fasern hindurchgeführt werden kann/können.

8. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach Anspruch 7, bei dem es sich bei der Dichtungsanordnung (104) um Labyrinthdichtungen handelt, die in beiden Endöffnungen der mindestens einen Durchführung (100) des Wärmetauschers (1a - 1f) angeordnet sind.

9. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach Anspruch 7, bei dem die Dichtungsanordnung (110) einen Ofen (106) und eine Vorrichtung (107) zum Aufbringen eines Überzugs aufweist, welche zur oberen bzw. unteren Seite des Wärmetauschers (1a - 1f) abgedichtet sind, so daß das Eindringen von Luft in die mindestens eine Durchführung (100) des Wärmetauschers verringert oder minimiert wird.

10. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner eine Filteranordnung (9) zum Entfernen von Öl, Wasser und/oder Teilchen aus dem Kühlmittelgas vorgesehen ist, welches von dem Auslaß (102a, 102f) des Wärmetauschers (1a - 1f) und/oder der Pumpanordnung (5) gewonnen wurde.

11. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner mindestens ein Reinigungssystem (1) vorgesehen ist, welches aus der aus einem Membrantrennsystem, einem Druckwechseladsorptionssystem, einem Temperaturwech seladsorptionssystem und/oder einem Tieftemperaturgastrennsystem bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

12. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner ein Produktgefäß (13) zum Kombinieren von nachgefülltem Kühlmittel und aus der Pumpanordnung (5) gewonnenem Kühlmittelgas vorgesehen ist.

13. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System ein Kühlmittelgas mit mindestens etwa 80 Vol.% Helium aufweist.

14. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Volumen (3, 24) zum Dämpfen von Schwankungen in dem Kühlmittelgasstrom vorgesehen ist, das mit dem Auslaß (102) des mindestens einen Wärmetauschers (1a - 1f) in Verbindung steht und stromauf von der Pumpanordnung (5) angeordnet ist;

ferner eine Überwachungs- und/oder Übertragungsanordnung (32) zum Überwachen und/oder Übertragen des Druckzustandes des Kühlmittelgases in dem mindestens einen Volumen, der Durchflußrate des von dem mindestens einen Volumen gewonnenen Kühlmittelgases und/oder dem Reinheitsgrad des von dem mindestens einen Volumen gewonnenen Kühlmittelgases vorgesehen ist; und

die Steueranordnung (21) zum Steuern des Kühlmittelgasstroms zu der Pumpanordnung für das Kühlmittelgas basierend auf dem überwachten und/oder übertragenen Zustand vorgesehen ist.

15. Kühlmittelrückgewinnungssystem nach Anspruch 3, bei dem die Anordnung (22) zum Überwachen oder Überwachen und Übertragen mindestens ein Drucksensor an mindestens einer Rückgewinnungsleitung (20) ist, die mit dem Auslaß (102a, 102b) des mindestens einen Wärmetauschers in direkter Verbindung steht.