DE69828266T2

DE69828266T2 - Vorrichtung und verfahren zur überführung von flüssigem kohlendioxid von einem hochdruckspeichertank zu einem niederdrucktransporttank

Info

Publication number: DE69828266T2
Application number: DE69828266T
Authority: DE
Inventors: H. Herman VIEGAS; W. Gary WOJCIECHOWSKI; J. Mark BUENZ; G. Girma DESTA
Original assignee: Thermo King Corp
Current assignee: Thermo King Corp
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: EP1457733A3; AU1190599A; EP0970323B1; DE69828266D1; EP1457733A2; JP2001506357A; EP0970323A1; US5916246A; CA2275641A1; ATE285545T1; WO1999020934A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System zum automatischen Überführen eines Kryogens, wie zum Beispiel einem flüssigen Kohlendioxid, von einem unter höherem Druck stehenden Speicherdrucktank zu einem unter einem niedrigeren Druck stehenden transportfähigen Tank ohne die Notwendigkeit für kontinuierliche Einstellungen von Strömungssteuerventilen von Hand.
Luftkonditionier- und Kühlsysteme der Art, wie sie verwendet werden, um die Ladungen von Lastwagen und Zugmaschinen-Anhängern zu kühlen, verwenden herkömmlicherweise ein Chlorfluorkohlenstoff-Kältemittel (CFC) und einen mechanischen Kühlzyklus. Wegen der vermuteten zerstörenden Wirkungen von CFCs auf das stratosphärische Ozon (O₃) werden praktische Alternativen für die Verwendung von CFCs in solchen Kühlsystemen gesucht. Eine solche Alternative ist ein kryogenisches Kühlsystem, das entweder flüssiges Kohlendioxid oder flüssigen Stickstoff verwendet. Ein solches System ist besonders attraktiv, weil zusätzlich zur Eliminierung der Notwendigkeit von CFC-Kältemitteln, es auch die Notwendigkeit eines Kältemittelkompressors und der Dieselmaschine oder des anderen Antriebs, der ihn antreibt, eliminiert. Ein Beispiel für ein solches kryogenisches Kühlsystem, das zur Verwendung mit flüssigem Kohlendioxid ausgelegt ist, ist beschrieben und beansprucht in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/501 372, angemeldet am 12. Juli 1995 und auf die Thermo King Corporation übertragen.
Wenn solche kryogenischen Kühlsysteme verwendet werden, um die Inhalte eines Lastwagens oder eines von einer Zugmaschine gezogenen Aufleger-Anhängers zu kühlen, werden sie mittels eines transportablen Speichertanks betrieben, der klein genug ist, um leicht durch das Fahrzeug transportiert zu werden, jedoch groß genug, um genug flüssiges Kryogen zu enthalten, um die Inhalte des Lastwagens oder des Anhängers für eine praktische Zeitdauer kühl zu halten. Idealerweise wird das flüssige Kohlendioxid innerhalb des transportablen Tanks bei einem Druck von etwa 758,45 kN/m² (110 psi) gehalten, der das Kryogen bei einer Temperatur von etwa –45,55°C (–50°F) hält. Unter diesen Bedingungen gehaltenes flüssiges Kohlendioxid ist gut geeignet für transportable Kühlanwendungen, da es eine relativ hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit in Kombination mit einer hohen Dichte hat. Jedoch wird flüssiges Kohlendioxid, das in großen Speichertanks hergestellt und gelagert wird, bei höheren Drücken in der Größenordnung von 1.723,75 bis 2.068,50 kN/m² (250 psi bis 300 psi) gehalten und bei höheren Temperaturen in der Größenordnung von –17,77 bis –23,33°C (0°F bis –10°F). Unter diesen Bedingungen gehaltenes flüssiges Kohlendioxid hat eine relativ kleinere Wärme-Absorptionsfähigkeit und eine geringere Dichte. Wenn daher das flüssige Kohlendioxid optimal ausgenutzt werden soll, muss es einem wesentlichen Druckabfall unterworfen werden (2.068,50 kN/m² [300 psi] gegen 758,45 kN/m² [110 psi]), wenn es von einem Speichertank in den Tank eines transportablen kryogenen Kühlsystems umgeladen wird. Beim Stand der Technik war es notwendig, um den Tank eines transportablen kryogenen Systems von einem Speichertank aus zu füllen, dass der Systembetreiber eine Einlassleitung zwischen dem Speichertank und dem transportablen Tank verlegte sowie eine Entlüftungsleitung zu einer Entlüftungsöffung in dem transportablen Tank. Strömungsventile und Drucksensoren waren sowohl in der Einlassleitung als auch in der Entlüftungsleitung vorgesehen. Während eines Füllvorgangs war es für den Systembetreiber notwendig, kontinuierlich das Füllventil und das Entlüftungsventil zu manipulieren und dabei gleichzeitig die Druckanzeigen zu beobachten, um den transportablen Tank von dem Speichertank bei einem Druck von etwa 758,45 kN/m² (110 psi) zu füllen, um die kryogenen Eigenschaften des flüssigen Kohlendioxids zu optimieren.
Jedoch hat die Anmelderin eine Anzahl von Risiken und Nachteilen beobachtet, die mit einer solchen Tankfülltechnik verbunden sind. Zum Beispiel ist es wichtig, dass der Druck der Flüssigkeit oder der Flüssigkeit/Dampf-Mischung in dem System nicht unter den Tripelpunkt für CO₂ abfällt. Bei oder nahe diesem Punkt beginnt eine Feststoff-Flüssigkeit-Mischung (Schlick) sich zu bilden, und dies kann eine Blockierung der Leitungen verursachen. Festes CO, wird allgemein als Trockeneis bezeichnet. Trockeneis in dem Füllschlauch kann die Strömung des flüssigen Kohlendioxids blockieren, während Trockeneis in dem transportablen Tank das kryogene System betriebsunfähig macht, bis das Kohlendioxid wieder verflüssigt wird. Der Vorgang der Wiederverflüssigung ist immer mühsam und langwierig und kann mehrere Tage dauern, wenn das innere Gefäß des transportablen Tanks aus weichem unlegiertem Stahl anstatt aus rostfreiem Stahl besteht, da die Temperatur des Trockeneises von –80,55°C (–110° F) den weichen Stahl bis zu einem Punkt verspröden kann, wo er brechen kann, wenn der transportable Tank plötzlich wieder unter Druck gesetzt wird. Das Füllen des transportablen Tanks mit einem zu hohen Druck kann Sicherheitsvorrichtungen auslösen oder überwinden, wie beispielsweise Überdruckscheiben, die in den Wänden des Fahrzeugtanks angebracht sind.
Wegen der Notwendigkeit der Aufrechterhaltung eines geeigneten Druckbereichs erfordern Füllsysteme nach dem Stand der Technik einen ausgebildeten und erfahrenen Systembetreiber, um kontinuierlich sowohl die Füll- und Entlüftungsventile während eines Füllvorgangs zu manipulieren und gleichzeitig den Druck des transportablen Tanks zu überwachen. Eine solche Bedienungsperson muss auch in der Lage sein, genau abzuschätzen, wenn der transportable Tank voll ist, da das Überfüllen eines solchen Tanks auch unerwünschte Bildung von Trockeneis sowohl in dem transportablen Tank als auch in der Einlassleitung verursachen kann. Die Bedienungsperson muss auch manuell den Füllschlauch von flüssigem Kohlendioxid entleeren, nachdem der Füllvorgang komplettiert ist, um die Bildung von potentiell hinderlichem Trockeneis zu vermeiden. Schließlich hat die Anmelderin beobachtet, dass das kontinuierliche Abblasen von gasförmigem Kohlendioxid, das durch den Druckunterschied zwischen dem Speichertank und dem transportablen Tank erzeugt wird, ein kontinuierliches lautes "Schreigeräusch" verursacht, das einen Ohrschutz nicht nur für die Bedienungsperson erforderlich macht, sondern für alle Personen in der unmittelbaren Nachbarschaft des Füllvorgangs.
Es ist also klar, dass ein System zum Überführen von flüssigem Kohlendioxid von einem Hochdruck-Speichertank in einen Niederdruck-Transporttank benötigt wird, das einen Füllvorgang automatisch durchführen kann und dadurch die Notwendigkeit für eine kontinuierliche Ventilmanipulation und Messwertüberwachung durch eine erfahrene Bedienungsperson überflüssig macht. Idealerweise würde ein solches System auch irgendeine Art von Einrichtungen zum automatischen Abschalten des Füllvorgangs umfassen, wenn der transportable Tank einen gefüllten Zustand erreicht, um so ein Überfüllen und die unerwünschte Bildung von Trockeneis in dem Tank und in dem Füllschlauch zu verhindern. Es wäre auch erwünscht, dass ein solches System irgendeine Art von Einrichtungen zum automatischen Entleeren des Füllschlauchs bei der Beendigung eines Füllvorgangs umfasst, um nicht nur die unnötige Verschwendung von flüssigem Kryogen zu vermeiden, sondern auch die unerwünschte Bildung von Trockeneis in diesem Schlauch. Schließlich sollte ein solches System irgendeinde Art von Einrichtungen zum Vermindern des Geräuschs aufweisen, das durch das kontinuierliche Abblasen von gasförmigem Kohlendioxid erzeugt wird, um so die Notwendigkeit für einen Ohrschutz in der Nachbarschaft des Füllvorgangs überflüssig zu machen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System geschaffen zum Überführen von flüssigem Kryogen, wie beispielsweise flüssigem Kohlendioxid, von einem Hochdruckbehälter, der einen Auslass für das flüssige Kryogen hat, zu einem Niederdruckbehälter, mit einer Einlassleitung, die zwischen den Hochdruck- und Niederdruckbehältern angeordnet ist, zum Leiten einer Strömung von flüssigem Kryogen von dem Hochdruckbehälter zu dem Niederdruckbehälter; einer Entlüftungsleitung, die mit dem Niederdruckbehälter verbunden ist, um gasförmiges Kryogen, wie zum Beispiel gasförmiges, flüssiges Kohlendioxid aus dem Niederdruckbehälter abzulassen; einem ersten Druckregler, der in Fluidverbindung mit der Einlassleitung steht, um den Druck des flüssigen Kryogens, das in den Niederdruckbehälter eintritt, auf einen ersten gewählten Wert zu vermindern, um die Kryogenströmung stromabwärts von dem ersten Druckregler kälter und dichter zu machen als das Kryogen stromaufwärts von dem ersten Druckregler; und einem zweiten Druckregler, der in Fluidverbindung mit der Entlüftungsleitung gekuppelt ist, um den Druck in dem Niederdruckbehälter auf einem zweiten gewählten Wert zu halten, während die Entlüftungsleitung gasförmiges Kryogen ablässt, wobei der zweite gewählte Druckwert niedriger ist als der erste gewählte Druckwert.
Das vorliegende System ist zum Überführen eines Kryogens vorgesehen, wie beispielsweise einem flüssigen Kohlendioxid, von einem Hochdruck-Speicherbehälter, der unter einem Druck von etwa 2.068,50 kN/m² (300 psi) steht, zu einem transportablen Niederdruckbehälter, der unter einem Druck von etwa 758,45 kN/m² (110 psi) steht.
Kurz gesagt, umfasst das System eine Einlassleitung und ein zugehöriges Entlastungsventil, das bei einem vorgewählten Druck aktiviert wird und das zwischen dem Hochdruckspeicherbehälter und dem transportablen Niederdruckbehälter angeordnet ist, um eine Strömung von flüssigem Kryogen, wie beispielsweise Kohlendioxid, während eines Füllvorgangs zu leiten; eine Entlüftungsleitung ist mit dem transportablen Behälter verbunden, um gasförmiges Kryogen, wie Kohlendioxid, das als Ergebnis des Füllvorgangs gebildet wird, aus dem transportablen Behälter abzulassen, und erste und zweite Druckregler sind fluidmäßig mit den Einlass- und Auslassleitungen gekuppelt.
Die beiden Druckregler vermindern den Druck des flüssigen Kohlendioxids in Stufen auf einen endgültigen erwünschten Druck von etwa 758,45 kN/m² (110 psi). Speziell vermindert der erste Druckregler den Druck des flüssigen Kohlendioxids, das durch die Einlassleitung strömt, von 2.068,50 kN/m² (300 psi) auf einen Druck, der unterhalb des maximalen Betriebsdrucks des transportablen Tanks liegt. Dies ist eine gewöhnlicherweise verwendete Praxis in diesem Gebiet für solche Behälter, und in diesem Fall wird der maximale Betriebsdruck durch ein Entlastungsventil gesteuert, das auf etwa 1.723,75 kN/m² (250 psi) eingestellt ist.
Demgemäß wird der erste Druckregler so gewählt, dass er den Druck des Kryogens auf etwa 1.206,62 kN/m² (175 psi) vermindert, was unterhalb der genannten Einstellung auf 1.723,75 kN/m² (250 psi) liegt. Er könnte jedoch auf 1.310,50 kN/m² (190 psi) eingestellt werden. Da eine solche Druckverminderung etwas von dem flüssigen Kohlendioxid veranlasst, in gasförmiges Kohlendioxid überzugehen, das seinerseits die Strömung des flüssigen Kryogens zu dem transportablen Behälter stört, ist es wichtig, dass die Armaturen des Systems so angeordnet sind, dass der transportable Behälter nur eine kurze Entfernung stromabwärts von dem ersten Druckregler liegt. Der zweite Druckregler ist stromabwärts von dem transportablen Behälter angeordnet und hält vorteilhafterweise den Druck dieses Behälters bei etwa 758,45 kN/m² (110 psi). Die resultierende Verminderung des Drucks von 2.068,50 auf 758,45 kN/m² (300 psi auf 110 psi) vermindert die Temperatur des flüssigen Kohlendioxids von etwa –17,77°C (0°F) auf etwa –45,55°C (–50°F). Das Speichern von flüssigem Kryogen bei diesem niedrigeren Druck erhöht wesentlich dessen Kapazität Wärme abzuführen, weil es kälter ist, wie es auch in vorteilhafter Weise seine Dichte erhöht, so dass der transportable Behälter mehr kryogenes Kältemittel enthalten kann. Zusätzlich schafft der Unterschied in den Druckeinstellungen der beiden Druckregler (1.206,62 kN/m² [175 psi] gegen 758,45 kN/m² [110 psi]) einen ausreichenden Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Druckregler, um den transportablen Behälter unter Druck zu speisen, so dass er in einer vernünftig kurzen Zeit gefüllt werden kann. Die zuletzt genannte Zahl könnte auch 861,88 kN/m² (125 psi) sein.
Das vorliegende System kann einen Abschaltmechanismus aufweisen, um die Strömung von flüssigem Kohlendioxid in den transportablen Behälter abzusperren, wenn ein Zustand "voll" gemessen wird. Der Abschaltmechanismus umfasst einen Sensor für das Flüssigkeitsniveau, der innerhalb des transportablen Behälters angebracht ist, ein elektrisch betätigtes Füllventil, das innerhalb der Einlassleitung angebracht ist, und einen Steuerkreis, der elektrisch sowohl mit dem Sensor als auch mit dem Ventil verbunden ist. Bei dem bevorzugten Ausführungs beispiel ist das Füllventil in der Einlassleitung stromaufwärts von dem ersten Druckregler installiert.
Das vorliegende System kann auch einen Entleerungsmechanismus aufweisen, der flüssiges Kohlendioxid aus der Einlassleitung am Ende eine Füllvorgangs entleert. Der Entleerungsmechanismus kann ein zweites elektrisch gesteuertes Ventil aufweisen, um eine Strömung von unter Druck stehendem Kohlendioxidgas unmittelbar stromabwärts von dem Füllventil einzulassen, in Kombination mit dem zuvor erwähnten Steuerkreis. Nachdem das Füllventil im Betrieb schließt, öffnet der zuvor erwähnte Steuerkreis das Entleerungsventil, so dass restliches flüssiges Kohlendioxid in der Leitung in den transportablen Behälter abfließt. Auf diese Weise konserviert der Entleerungsmechanismus in vorteilhafter Weise flüssiges Kryogen, während die Bildung von unerwünschtem Trockeneis in der Einlassleitung verhindert wird.
Schließlich kann das System einen Geräuschdämpfer aufweisen, der mit dem Ende der Entlüftungsleitung gekuppelt ist, um das Geräusch zu vermindern, das mit dem Ablassen von gasförmigem Kohlendioxid während des Füllvorgangs verbunden ist.
Ein bevorzugtes Verfahren kann zum Überführen von flüssigem Kohlendioxid von dem zuvor erwähnten Speicherbehälter zu einem transportablen Behälter verwendet werden, und es kann die Schritte des Leitens einer Strömung von flüssigem Kohlendioxid von dem Speicherbehälter zu dem transportablen Behälter durch eine Einlassleitung aufweisen, während der Druck des flüssigen Kohlendioxids, das in den Behälter fließt, vermindert und gehalten wird bei etwa 1.206,62 ykN/m² (175 psi). In dem nächsten Schritt wird gasförmiges Kohlendioxid, das als Ergebnis der Druckverminderung gebildet wird, von dem transportablen Behälter abgelassen, während ein Rückdruck von etwa 758,45 kN/m² (110 psi) aufrechterhalten wird. Schließlich wird die Strömung von flüssigem Kohlendioxid durch die Einlassleitung abgeschaltet; wenn der transportable Behälter einen Zustand "voll" erreicht, und die Einlassleitung wird von flüssigem Kohlendioxid entleert. Während all dieser Schritte wird das durch die Ablassleitung erzeugte Geräusch durch den zuvor erwähnten Auslassdämpfer gedämpft.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun anhand eines Beispiels auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, in der die einzige Figur ein schematisches Diagramm eines Füllsystems darstellt.
Das Füllsystem 1 arbeitet zum Füllen eines Transporttanks 3 eines auf einem Lastwagen montierten kryogenen Kühlsysems mit flüssigem Kohlendioxid von einem Speichertank 5 aus. Zu diesem Zweck weist das System 1 eine Leitung 7 auf, die an einem Ende mit einem Auslass 9 für flüssiges Kohlendioxid verbunden ist, das an dem Speichertank 5 angeordnet ist, und die einen flexiblen Schlauchabschnitt 7 stromabwärts von einem Druckregler 23 aufweist. Das System 1 weist ferner eine Leitung 11 auf, die verwendet wird, um die Leitung 7 zu entleeren, nachdem ein Füllvorgang durchgeführt worden ist. Die Leitung 11 ist an einem Ende mit einem Auslass 13 für gasförmiges Kohlendioxid an dem Speichertank 5 verbunden.
Wendet man sich nun den Komponenten zu, die zu der Leitung 7 gehören, so ist ein durch ein Solenoid betätigtes Füllventil 17 stromabwärts von dem Auslass 9 für flüssiges CO₂ vorgesehen, wie gezeigt. Dieses Ventil ist die primäre Komponente für die Steuerung einer Strömung von flüssigem Kohlendioxid von dem Speichertank 5 zu dem Transporttank 3. Ein Filter 19 ist stromabwärts von dem Füllventil 17 vorgesehen, um Eis und Schmutz aus dem flüssigen Kohlendioxid auszufiltern, das von dem Speichertank 5 her strömt. Stromabwärts von dem Filter 19 weist die Leitung 7 eine Zweigleitung 20 auf, die ein Entlastungsventil 21 zur Verhinderung eines Überdruckzustandes hat.
Normalerweise ist der Druck in der Leitung 7 zwischen 1.723,75 und 2.068,50 kN/m² (250 psi und 300 psi) stromaufwärts von dem ersten Druckregler 23 (das heißt er ist der gleiche Druck wie der Druck in dem Speichertank 5). Sollte jedoch dieser Druck jemals einen gewählten Druck überschreiten, zum Beispiel 2.413,25 kN/m² (350 psi), wird das zu der Einlassleitung gehörende Entlastungs-Abblasventil 21 aktiviert und lässt übermäßigen Druck ab. Solcher übermäßiger Druck kann auftreten, wenn flüssiges CO₂ in dem flexiblen Schlauchabschnitt 7 zwischen dem ersten Druckregler 23 und dem Tank 3 festgehalten werden sollte.
Stromabwärts von dem Entlastungsventil 21 befindet sich der zuvor erwähnte Druckregler 23 für flüssiges Kohlendioxid. Der Druckregler 23 ist so eingestellt, dass er einen Druck aufrechterhält, der geringer ist als der Aktivierungsdruck des Entlastungsventils 21, nämlich etwa 1.206,62 kN/m² (175 psi) stromabwärts von demselben. Dieser geringere Druck (1.206,62 kN/m² – 175 psi) muss niedriger sein als die Druckeinstellung von 1.723,75 kN/m² (250 psi) eines sekundären Entlastungsventils 21a des Transporttanks 3 und muss auch oberhalb des gewünschten Drucks des Transporttanks von etwa 758,45 kN/m² (110 psi) liegen. Druckbehälter wie der Transporttank 3 haben allgemein eines oder mehrere Entlastungsventile und andere Steuerventile. Zum Zweck dieser Beschreibung wird nur das Entlastungsventil 21a mit der höchsten Entlastungsdruckeinstellung an diesem Tank gezeigt. Stromabwärts von dem Leitungsdruckregler 23 ist ein Hochdruck-Vermeidungsschalter 25. Dieser Schalter ist elektrisch verbunden mit einem Steuerkreis 75 und wird vorzugsweise so eingestellt, dass er das durch Solenoid betätigte Füllventil 17 abschaltet, wenn der Druck in dem Schlauchabschnitt 7 der Füllleitung 7 stromabwärts von dem Ventil 23 über 1.379,00 kN/m² (200 psi) ansteigt. Ein visuelles Druckmessgerät 27 ist an der Zweigleitung vorgesehen, die den Überdruckschalter 25 mit dem Schlauchabschnitt 7 verbindet.
Die verbleibenden, mit dem Schlauchabschnitt 7 verbundenen Komponenten umfassen ein von Hand betätigtes Entnahmeventil 29 zum Entfernen von gasförmigem Kohlendioxid unter hohem Druck vor dem Lösen der Verbindung des Schlauchabschnitts 7 von dem Tank 3 mittels einer Schlauchkupplung 31, sowie ein Rückschlagventil 33, das mit einer Einlassleitung 34 verbunden ist, sowie ein von Hand betätigtes Kühlkreisventil 35, das es dem flüssigen Kohlendioxid gestattet, aus dem Tank 3 über eine Leitung 34 in einen (nicht gezeigten) kryogenen Kühlkreislauf zu strömen. Das Ventil 35 ist normalerweise während eines Tankfüllvorgangs geschlossen, so dass das gesamte flüssige Kohlendioxid einströmt, um den Tank 3 zu füllen.
Das Füllsystem 1 weist ferner einen Abblasschlauch 39 auf, der mit einer Gasauslassleitung 37 des Behälters zum Ablassen von gasförmigem Kohlendioxid verbunden ist, das als Ergebnis eines blitzartigen Verdampfens gebildet wird, wenn der Druck des flüssigen Kohlendioxids von etwa 2.068,50 auf etwa 758,45 kN/m² (300 psi auf 110 psi) vermindert wird. Der Abblasschlauch 39 weist ein Abblas-Abschalteventil 41 auf, um den Tank 3 dicht zu versiegeln, wenn der Schlauch 39 von diesem mittels einer Schlauchkupplung 43 abgenommen wird. Stromabwärts von der Kupplung 43 weist der Abblasschlauch ein Entnahmeventil 44 zum Ablassen von Hochdruck-Kohlendioxid-Abblasgasen auf, bevor der Schlauch 39 abgekuppelt wird.
Als Nächstes weist der Schlauch 39 einen zweiten Druckregler 45 zur Aufrechterhaltung eines Rückdrucks in dem Abblasschlauch (und infolgedessen in dem Tank 3) von 758,45 kN/m² (110 psi) auf. Der Druckregler 45 hält den Transporttank 3 unter dem gewünschten Druck von etwa 758,45 kN/m² (110 psi) während des Füllvorgangs und bis die Verbindung des Transporttanks 3 von dem Füllsystem 1 getrennt wird. Der Transporttank 3 hat andere Steuerventile und Entlastungsventile (nicht gezeigt), die den Druck des Transporttanks 3 bei Auslegungsbedingungen halten. Eine Druckleitung 47 verbindet den zweiten Druckregler 45 mit unter Druck stehendem Kohlendioxiddampf von dem Speichertank 5, um das notwendige Druckdifferential innerhalb des Reglers 45 aufrechtzuerhalten, so dass er seine Funktion ausführen kann. Der Abblasschlauch 39 endet in einem Dämpfer 49, der im Wesentlichen das Geräusch vermindert, das mit dem Abblasen von unter Druck stehendem Kohlendioxid während eines Füllvorgangs einhergeht, wenn Kohlendioxidgas aus dem Auslass 51 ausgelassen wird. Schließlich ist eine Schlaucharmatur 52 vorgesehen zum Lagern des Schlauchabschnitts 7 und des Abblasschlauchs 39 in einer leichten Überdruckbedingung, in einer mehr im Einzelnen nachstehend beschriebenen Art und Weise.
Wendet man sich nun einer Beschreibung der Komponenten des Systems 1 zu, die zu der Dampfleitung 11 gehören, so sollte zunächst festgehalten werden, dass die Leitung 11 sich in eine Entleerungsleitung 53 verzweigt, die an einem Punkt unmittelbar stromabwärts von dem durch Solenoid betätigten Füllventil 17 endet. Ein durch Solenoid betätigtes Entleerungsventil 55 ist in der Entleerungsleitung 53 vorgesehen, um selektiv unter Druck stehendes CO₂-Gas in den Schlauchabschnitt 7 der Füllleitung 7 stromabwärts von dem Ventil 17 einzuleiten, was für einen Enleerungsvorgang eigentümlich ist. Der andere Zweig der Dampfleitung 11 ist eine Filterspülleitung 57. Die Spülleitung 57 enthält einen dritten Druckregler 59, der den Druck des Kohlendioxidgases von dem Speichertank 5 auf einen Druck erniedrigt, der zum Spülen des Filters 19 geeignet ist, und der 34,48 bis 68,95 kN/m² (5 psi bis 10 psi) ist.
Stromabwärts von dem dritten Druckregler 59 befindet sich eine elektrische angetriebene Heizeinrichtung 65. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Heizeinrichtung 65 vorzugsweise eine Kapazität von etwa 600 Watt, um so die Temperatur des Kohlendioxidgases, das auf dem Weg zu dem Filter 19 strömt, auf etwa 82,22°C (180°F) zu erhöhen. Ein solches erhitztes Gas schmilzt vorteilhafterweise Wasser, Eis oder trockene Eispartikel (soweit vorhanden), die sich in dem Filter 19 eingelagert haben. Zusätzlich, wenn der Schlauchabschnitt 7 und der Abblasschlauch 39 nicht verwendet werden, um eine Füllvorgang durchzuführen, wird das erhitzte Niederdruckgas weiterhin durch die Füllleitung 7 geleitet, wenn die Enden der Schläuche 7 und 39 mit dem Ende der Schlauchverzweigung 52 gekuppelt sind. Die Verzweigung 52 ihrerseits leitet das erhitzte und schwach unter Druck gesetzte Gas durch den Abblasschlauch 39. Die Wärme und der positive Druck, die dieses Gas auf die beiden Schläuche 7 und 39 aufbringt, hält diese ihrerseits in einem von Eis und Schmutz freien Zustand. Stromabwärts von der Heizeinrichtung 65 befindet sich ein Rückschlagventil 67, ein Druckmessgerät 68, das zuvor diskutierte Filter 19 und ein durch Solenoid betätigtes Spülventil 69. Wenn es offen ist, gestattet das Ventil 69 einer Kombination des warmen Kohlendioxidgases und des geschmolzenen Eises aus dem Spülauslass 71 auszutreten.
Um einen automatischen Füllvorgang sicherzustellen, weist das System 1 ferner einen Tankniveausensor 73 auf. Während der Niveausensor 73 irgendeine von mehreren verschiedenen Formen annehmen kann, wird ein kapazitiver elektronischer Niveausensor bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet. Der Niveausensor 73 ist elektronisch mit dem zuvor erwähnten Steuerkreis 75 über eine elektrische Leitung 76 verbunden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Steuerkreis 75 nur aus einer Serie von Relais und Zeitgebern; er muss nicht ein Mikroprozessor sein, da die zum Öffnen und Schließen der durch Solenoid betätigten Ventile des Systems 1 verwendete Logik sehr einfach ist und nur eine kleine Anzahl von Ventilen zu irgendeiner gegebenen Zeit betrifft. Wie in der 1 schematisch angedeutet ist, ist der Ausgang des Steuerkreises 75 mit dem durch Solenoid betätigten Füllventil 17 mittels eines Drahtes 77 verbunden, mit dem durch Solenoid betätigten Entleerungsventil 55 durch einen Draht 78, mit der elektrischen Heizeinrichtung 65 über einen elektrischen Draht 79, um diese zu betätigen und stillzulegen, und mit dem durch Solenoid betätigten Entleerungsventil 69 durch einen Draht 81. Elektrische Drähte 76 und 80 verbinden den Tankniveausensor 73 und den Druckschalter 25 mit dem Eingang des Steuerkreises 75.
In dem ersten Schritt des Betriebs des Systems 1 befestigt der Systembetreiber den Füllschlauch 7 und den Abblasschlauch 39 an dem Fülleinlass und an dem Gasauslass des Tanks 3 mittels der Schlauchkupplungen 31 und 43. Der Betreiber stellt dann sicher, dass das Auslassventil 35, das zu dem Kühlkreis (nicht gezeigt) führt, geschlossen ist, und dass das Ablass-Absperrventil 41 offen ist. Er legt dann den Schalter des Steuerkreises 75 in eine "Tankfüll"-Stellung, in der der Kreis 75 das Füllventil 17 öffnet, während das Enleerungsventil 55 und das Spülventil 69 geschlossen werden. Flüssiges Kohlendioxid, unter Druck gesetzt zwischen 1.723,75 und 2.068,50 kN/m² (250 psi und 300 psi), strömt dann durch die Füllleitung 7, durch das Ventil 17, das Filter 19 und den ersten Druckregler 23. Der Druckregler 23 vermindert den Druck des flüssigen Kohlendioxids von etwa 2.068,50 kN/m² (300 psi) auf etwa 1.206,62 kN/m² (175 psi), wodurch einiges des Kohlendioxids in Gas übergeht. Die flüssig/gasförmige Kohlendioxidmischung strömt weiter durch die Kupplung 31, das Rückschlagventil 33 und in den Tank 3. Durch die Druckverminderung geschaffenes gasförmiges Kohlendioxid wird durch den Abblasschlauch 39 über das Ventil 41, die Kupplung 43 und den zweiten Druckregler 45 abgelassen. Von dem zweiten Druckregler 45 entweicht gasförmiges Kohlendioxid durch den Geräusch vermindernden Dämpfer 49 und von dort durch den Gasauslass 51. Dieser Schritt des Betriebes wird fortgesetzt, bis der Niveausensor 73 ein elektrisches Signal erzeugt, das anzeigt, dass eine "Tankvoll"-Bedingung erreicht ist. Dieses Signal wird durch den elektrischen Draht 76 zu dem Steuerkreis 75 geleitet, der seinerseits sofort das Füllventil 17 abschaltet und das durch Solenoid betätigte Entleerungsventil 55 öffnet. Das Öffnen des Ventils 55 treibt irgendwelches restliches flüssiges Kohlendioxid, das sich in dem Füllschlauch 7 stromabwärts von dem Ventil 17 befindet, mittels des gasförmigen Kohlendioxids, das unter einen Druck von zwischen 1723,75 und 2.068,50 kN/m² (250 psi und 300 psi) gesetzt wurde und auf 1.206,62 kN/m² (175 psi) durch den ersten Druckregler 23 vermindert wurde, in den Tank 3. Der hohe Druck des gasförmigen Kohlendioxids leert schnell den Schlauch 7 von sämtlichem restlichen flüssigen Kohlendioxid. Sobald dieser Schritt des Betriebes durchgeführt ist, werden die Ablassventile 29 und 44 manuell geöffnet, um den restlichen Druck aus dem Schlauchabschnitt 7 und dem Abblasschlauch 39 zu entfernen. Die Schläuche 7 und 39 werden dann von den Kupplungen 31 und 43 abgekuppelt und an die Enden des Schlauchverteilers 52 zur Lagerung angekuppelt.
Als Nächstes wird ein Schalter an dem Steuerkreis 75 in eine Stellung "Spülzyklus" gedreht, was die Wirkung hat, dass die Heizeinrichtung 65 aktiviert und das Spülventil 69 geöffnet wird. Die Durchführung dieser Schritte gestattet es dem Kohlendioxidgas, das auf eine Temperatur von etwa 82,22°C (180°F) erhitzt wurde, das Filter 19 unter einem Druck von zwischen 34,48 und 68,95 kN/m² (5 psi und 10 psi) zu spülen. Irgendwelches geschmolzenes Wasser und Gase strömen durch das durch Solenoid betätigte Ventil 69 und durch den Spülauslass 71, während erhitztes Kohlendioxidgas sowohl durch das Filter 19 als auch durch die Füllleitung 7 strömt. Die Heizeinrichtung 65 kann schließlich durch einen Zeitgeber abgeschaltet werden, falls dies erwünscht ist. Das Spülen mit Kohlendioxidgas unter einem Druck von 34,48 bis 68,95 kN/m² (5 psi bis 10 psi) wird fortgesetzt, um das System bei einem positiven Druck zu erwärmen, um Schmutz und Feuchtigkeit fernzuhalten.
Sowohl das System als auch das Verfahren der Erfindung gestatten es einem unerfahrenen Systembetreiber, einen transportablen kryogenen Behälter von einem Hochdruck-Speicherbehälter aus in einer automatisierten Betriebsweise zu füllen, die nicht die gleichzeitige Manipulierung von Strömungsventilen erfordert und die nicht die unnötige Verschwendung von kryogenem Kühlmittel zur Folge hat.

Claims

System zum Überführen vom flüssigem Kryogen, wie beispielsweise flüssigem Kohlendioxid, von einem Hochdruckbehälter (5), der einen Auslass (9) für das flüssige Kryogen hat, zu einem Niederdruckbehälter (3), mit: – einer Einlassleitung (7), die zwischen den Hochdruck- und Niederdruckbehältern angeordnet ist, zum Leiten einer Strömung von flüssigem Kryogen von dem Hochdruckbehälter zu dem Niederdruckbehälter; – einer Entlüftungsleitung (37), die mit dem Niederdruckbehälter verbunden ist, um gasförmiges Kryogen, wie zum Beispiel gasförmiges, flüssiges Kohlendioxid aus dem Niederdruckbehälter abzulassen; – einem ersten Druckregler (23), der in Fluidverbindung mit der Einlassleitung steht, um den Druck des flüssigen Kryogens, das in den Niederdruckbehälter eintritt, auf einen ersten gewählten Wert zu vermindern, um die Kryogenströmung stromabwärts von dem ersten Druckregler kälter und dichter zu machen als das Kryogen stromaufwärts von dem ersten Druckregler; und – einem zweiten Druckregler (45), der in Fluidverbindung mit der Entlüftungsleitung (37) gekuppelt ist, um den Druck in dem Niederdruckbehälter auf einem zweiten gewählten Wert zu halten, während die Entlüftungsleitung gasförmiges Kryogen ablässt, – wobei der zweite gewählte Druckwert niedriger ist als der erste gewählte Druckwert.
System nach Anspruch 1, bei dem der Hochdruckbehälter (5) bei über 1723.75 kN/m² (250 psi) unter Druck gesetzt ist und wobei der erste Druckregler (23) den Druck der Strömung auf etwa 1206,62 kN/m² (175 psi) vermindert.
System nach Anspruch 2, bei dem der zweite Druckregler (45) den Druck des Niederdruckbehälters auf wenigstens 551,60 kN/m² (80 psi) hält.
System nach Anspruch 1, bei dem der Hochdruckbehälter (5) bei etwa 2068,50 kN/m² (300 psi) unter Druck gesetzt ist und wobei die ersten und zweiten Druckregler (23, (45) den Niederdruckbehälter (3) bei einem Druck von zwischen etwa 1206,62 und 758,45 kN/m² (175 und 110 psi) halten.
System nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten gewählten Druckwerte 1206,62 und 758,45 kN/m² (175 psi und 110 psi) sind.
System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner Einrichtungen zum Absperren der Strömung von flüssigem Kryogen durch die Einlassleitung (7) aufweist, wenn der Niederdruckbehälter (3) voll ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Hochdruckbehälter bei über 1723,75 kN/m² (250 psi) unter Druck gesetzt ist und wobei der erste gewählte Wert, der zu dem ersten Druckregler gehört, 1310,50 kN/m² (190 psi) oder niedriger ist.
System nach Anspruch 7, bei dem der Hochdruckbehälter bei etwa 2068,50 kN/m² (300 psi) unter Druck gesetzt ist und wobei die ersten und zweiten gewählten Werte, die zu den ersten und zweiten Druckreglern gehören, 1206,62 und 861,88 kN/m² (175 psi und 125 psi) sind.
System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Dämpfer (49) aufweist, der fluidmäßig mit der Entlüftungsleitung (37) verbunden ist, um Lärm zu vermindern, der mit dem Entlüften von gasförmigem Kohlendioxid einhergeht.
System nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Absperreinrichtung einen Flüssigkeitsniveau-Sensor (73) zum Erzeugen eines elektrischen Signals aufweist, das einen vollen Zustand in dem Niederdruckbehälter (3) anzeigt, sowie ein elektrisch betätigtes Ventil zum Absperren der Strömung (17) von flüssigem Kryogen, wie zum Beispiel flüssiges Kohlendioxid, in der Einlassleitung (7) und einen Steuerkreis, der elektrisch mit dem Flüssigkeitsniveau-Sensor und dem Absperrventil verbunden ist, um das Ventil nach Empfang des elektrischen Signals von dem Sensor zu schließen.
System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Hochdruckbehälter ein Speicherbehälter und der Niederdruckbehälter ein Transportbehälter ist.
System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Filter (19), das fluidmäßig mit der Einlassleitung verbunden ist.
System nach Anspruch 12, bei dem der Hochdruckbehälter ferner einen Auslass für dampfförmiges Kryogen aufweist und bei dem eine Dampfleitung (11) strömungsmäßig mit dem Auslass (13) für Kryogendampf verbunden ist, wobei die Dampfleitung eine Entleerungsleitung (53) und eine Spülleitung (57) aufweist, wobei die Entleerungsleitung fluidmäßig mit der Einlassleitung (7) stromaufwärts von dem Filter (19) verbunden ist, wobei die Entleerungsleitung zum Entleeren von flüssigem Kryogen von der Einlassleitung (7) bestimmt ist, und wobei die Spülleitung (57) fluidmäßig mit dem Filter (19) verbunden ist, so dass das Filter während der Überführung des flüssigen Kryogens zu dem Niederdruckbehälter (3) selektiv gespült werden kann.
System nach Anspruch 13, das ferner einen Heizer (65) aufweist, der fluidmäßig mit der Spülleitung (57) gekuppelt ist, um selektiv die Temperatur des Kryogendampfes zu erhöhen, der zum Spülen des Filters (19) verwendet wird.
System nach Anspruch 13 oder 14, das ferner ein Entleerungsventil (55), das mit der Entleerungsleitung (53) verbunden ist, und ein Spülventil (69) aufweist, das mit dem Spülauslass (71) verbunden ist.
System nach den Ansprüchen 14 und 15 mit einem Steuerkreis (75), der elektrisch mit dem Entleerungsventil (55), dem Heizer (65) und dem Spülventil (69) verbunden ist, wobei der Steuerkreis dazu dient, selektiv das Entleerungsventil (55), das Spülventil (69) und den Heizer (65) zu betätigen: