EP1334306B1 - Vorrichtung und verfahren zur überführung einer kryogenen flüssigkeit - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur überführung einer kryogenen flüssigkeit Download PDF

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EP1334306B1
EP1334306B1 EP01990051A EP01990051A EP1334306B1 EP 1334306 B1 EP1334306 B1 EP 1334306B1 EP 01990051 A EP01990051 A EP 01990051A EP 01990051 A EP01990051 A EP 01990051A EP 1334306 B1 EP1334306 B1 EP 1334306B1
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EP
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transfer line
inner conduit
annulus
conduit
cryogenic fluid
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Zbigniew Zurecki
John Herbert Frey
Jean-Philippe Trembley
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Air Products and Chemicals Inc
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Definitions

  • the present invention addresses this first concern for cryogenic transfer lines with a coaxial or "tube-in-tube” geometry where a first portion of the cryogenic fluid flows through the inner tube while a second portion flows through an annulus between the inner tube and outer tube which annulus is at a lower pressure than the inside tube.
  • the liquid in the annulus can provide a refrigeration duty to the liquid inside the inner tube (e.g. such as by boiling) such that this inner liquid is cooled and stays a saturated liquid.
  • the liquid is even subcooled slightly such that a "cushion" of refrigeration is available to fight heat leak.
  • the transfer line be lightweight and flexible. This provides for maximum degrees of freedom during installation, operation and maintenance and also enables the line to withstand repeated bending.
  • the present invention addresses this second concern for cryogenic transfer lines by making at least a portion of the line out of a polymeric flexible material.
  • WO 01/63169 considered as closest prior art, discloses a coaxial transfer tube in which cryogenic fluid to be transferred flows through an inner conduit.
  • the walls of the inner conduit allow gaseous cryogen to escape into the annulus between the inner and outer conduits.
  • the outer conduit is sealed at both ends to provide a dosed volume.
  • a vent may be provided to vent some of the gaseous cryogen from the closed volume.
  • Both conduits may be fabricated from flexible polymeric materials.
  • U.S. 3,696,627 (Longsworth) teaches a liquid cryogen transfer system having a rigid coaxial piping arrangement for subcooling and stabilizing cryogen flow during transfer.
  • U.S. 4,296,610 (Davis), 4,336,689 (Davis), 4,715,187 (Steams) and 5,477,691 (White) teach similar systems.
  • Chang et al. teaches non-metallic, flexible cryogenic transfer lines for use in cryosurgical systems where the cryogen is used to cool the cryoprobe in a cryosurgical system ("Development of a High-Performance Multiprobe Cryosurgical Device", Biomedical Instrumentation and Technology, Sept./Oct. 1994, pp. 383-390). Due to the heat leak boil-off resulting from the design of the flexible lines in Chang, combined with intrinsically poor insulation, such lines must be short and fed with a substantially subcooled cryogenic liquid (e.g. liquid nitrogen at -214 °C.) in order to work properly. This requires the up-stream usage of complex and expensive cryogenic storage, supply and control systems.
  • a substantially subcooled cryogenic liquid e.g. liquid nitrogen at -214 °C.
  • Cryogenic transfer lines are also taught for use in machining applications where the cryogen is used to cool the interface of the cutting tool and the workpiece. See for example U.S. 2,635,399 (West), 5,103,701 (Lundin), 5,509,335 (Emerson), 5,592,863 (Jaskowiak), 5,761,974 (Wagner) and 5,901,623 (Hong). Similar to Chang, such lines must be short and fed with a substantially subcooled cryogenic liquid to combat heat leak boil-off and thus requires an expensive up-stream subcooling system.
  • U.S. 3,433,028 discloses a coaxial system for conveying cryogenic fluids over substantial distances in pure single phase.
  • the liquid is admitted to the outer line where it vaporizes when subject to an external heat leak.
  • a thermal sensor-based flow control unit mounted at the exit end of this coaxial line, chokes the flow of the vapor in the outer line depending on the value of temperature required, usually 10 to 38 °C (50 to 100 °F) more than the boiling point of the liquid in the inner line.
  • the outer line pressure may be near the cryogenic source pressure, and its vapor always will be warmer than the inner line liquid.
  • JP 06210105 A teaches a polymeric coaxial transfer line for non-cryogeriic degassing applications.
  • the tube material characteristics preclude the use of the transfer line in cryogenic applications.
  • the present invention is a method and apparatus for transferring a cryogenic fluid.
  • An at least part polymeric, coaxial (i.e. "tube-in-tube” geometry) transfer line is utilized where a first portion of the cryogenic fluid flows through an inner conduit while a second portion flows through an annulus between the inner conduit and outer conduit which annulus is at a lower pressure than the inside conduit.
  • the inner conduit is substantially non-porous and the transfer line is preceded by a flow control means to distribute at least part of the first and second portions of the cryogenic fluid to the inner conduit and annulus respectively.
  • a least a portion of the inner conduit is porous with respect to both gas permeation and liquid permeation such that both a gaseous part and a liquid part of the first portion permeates into the annulus to form at least a part of the second portion.
  • Transfer line 22 comprises an inner tube 72 surrounded by an outer tube 74 surrounded by insulation 70 surrounded by flexible protective casing 68.
  • a first portion of the cryogenic fluid flows through the inner tube 72 while a second portion flows through the annulus between the inner tube 72 and outer tube 74. The first portion is at a higher pressure than the second portion.
  • At least a portion of the transfer line is made of a flexible polymeric material.
  • substantially all of the inner tube 72 and substantially all of the outer tube 74 are made of a flexible, polymeric material.
  • substantially all of the outer tube 74 can be made of a flexible polymeric material while substantially all of the inner tube 72 can be made of a flexible non-polymeric material that does not become brittle at cryogenic temperatures such as (i) copper and its alloys, (ii) aluminium and its alloys, (iii) nickel and its alloys, (iv) austenitic stainless steels, (v) dense graphite or (vi) ceramic fiber textile-woven tubing products.
  • substantially all of the outer tube can be made of a flexible insulating material.
  • the inner and/or outer conduits could have cross sections that are substantially in the shape of a rectangle, polygon, oval or other regularly shaped geometric figure.
  • the inner tube can be substantially non-porous such that little, if any, of the second portion of the fluid in the annulus is a result of permeation through the inner tube.
  • at least a portion of the inner tube can have holes drilled into it and/or be porous with respect to both gas permeation and liquid permeation such that both a gaseous part and a liquid part of the first portion permeates into the annulus to form at least a part of the second portion.
  • certain sections of the inner tube perhaps spaced equally along the length of the inner tube, could be of enhanced porosity.
  • the transfer line is advantageously preceded by a flow control means to distribute at least part of the first and second portions of the cryogenic fluid to the inner tube and annulus respectively such as flow control box 20 in Figure 1.
  • the flow control means would also typically integrate the means (e.g. valve) to reduce the pressure of the second portion of fluid that is distributed to the annulus, at least a fraction of which second portion of fluid is distributed into the annulus as a liquid.
  • the liquid in the annulus can provide a refrigeration duty to the fluid inside the inner tube.
  • the permeation from the inner tube into the annulus gas can supplement at least a portion of the fluid distribution performed by the flow control box.
  • the connections and internal components of the flow control box include three on/off (e.g. solenoid) valves (61, 62, 63) and a manual metering valve 64, which valves are in fluid communication with the inlet 30 to the flow control box and adapted to receive and pressure regulate a flow of the cryogenic fluid.
  • a key internal component of flow control box 20 is 3-way coupling 66 which introduces the first and second portions of the cryogenic fluid to the inner tube and annulus respectively.
  • Thread connection 78 connects the 3-way coupling 66 to the outer tube 74.
  • An optional line clamp 76 may be used to clamp the outer tube to the thread connection.
  • Flow control box 20 has an insulated casing and optionally contains insulating filler.
  • Pressure relief valve 84 is optional.
  • On/off valves 62 and 63 have an internal bypass orifice (86, 88) drilled in their internal wall or valve seat.
  • At least a fraction of the second portion of fluid in the annulus can be transferred to the transfer destination and/or cooling target along with the liquid stream in the inner tube.
  • at least a fraction of the second portion of fluid in the annulus can be vented away from the transfer destination/cooling target.
  • this can be accomplished via the use of a coaxial nozzle having an inner conduit in fluid communication with the inner tube of the transfer line and an outer conduit in fluid communication with the annulus of the transfer line.
  • any nozzle should include thermal shrink connectors to prevent leaks between the interface of the transfer line and nozzle.
  • suitable polymeric materials for the present invention's transfer line include carbon-based polymers, carbon-flourine based polymers, co-polymers and composites thereof such as TeflonTM products.
  • TeflonTM is a registered trademark of E.I. DuPont de Nemours and Company.
  • cryogenic fluids that can be transferred by the present invention's transfer line include nitrogen, argon or mixtures thereof.
  • the present invention's apparatus and method for transferring a cryogenic fluid is particularly suitable for transfer locations and/or cooling targets that require a relatively low flow rate and a rapid liquid response.
  • transfer destinations and/or cooling targets for the present invention's transfer line include:

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Claims (27)

  1. Verfahren zum Übertragen eines kryogenen Fluids unter Verwendung einer Übertragungsleitung, die eine von einer äußeren Leitung umgebene innere Leitung umfasst, wobei mindestens ein Teil der Übertragungsleitung aus einem flexiblen polymeren Material gefertigt ist, wobei bei dem Verfahren eine erste Portion des kryogenen Fluids durch die innere Leitung fließt, wobei die erste Portion einen höheren Druck als eine zweite Portion in einem Ringraum zwischen der inneren und äußeren Leitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Portion durch den Ringraum fließt und mindestens ein Teil der zweiten Portion des Fluids innerhalb des Ringraums flüssig ist, was eine Kühlleistung für die erste Portion des Fluids innerhalb der inneren Leitung ergibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der äußeren Leitung um ein Rohr handelt und wobei es sich bei der inneren Leitung um ein Rohr aus einem im wesentlichen nicht -porösen polymeren Material handelt.
  3. Verfahren n ach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Teil der inneren Leitung porös in Bezug auf eine Permeation sowohl von Gas als auch von Flüssigkeit in der Weise ist, dass beim Einsatz sowohl ein gasförmiger Teil als auch ein flüssiger Teil der ersten Portion durch die innere Leitung in den Ringraum eintritt, um mindestens einen Teil der zweiten Portion zu bilden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei bestimmte Abschnitte der inneren Leitung entlang der Länge der inneren Leitung von erhöhter Porosität sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Verteilen mindestens eines Teils der ersten und zweiten Portionen mittels einer Fließsteuereinrichtung.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei es sich bei der Fließsteuereinrichtung um einen Fließsteuerkasten handelt, der folgendes umfasst:
    (i) einen Einlass, der zur Aufnahme des kryogenen Fluids geeignet ist;
    (ii) eine Mehrzahl von Ventilen in Fluidverbindung mit dem Einlass, die dazu geeignet sind, einen Strom des kryogenen Fluids aufzunehmen und dessen Druc k zu regulieren, wobei es sich bei mindestens einem der Ventile um ein Auf-Zu-Ventil und bei mindestens einem der Ventile um ein Dosierventil handelt; und
    (iii) ein Dreiweg-Verbindungsstück mit einem ersten Ende in Fluidverbindung mit mindestens einem der Ventile und einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit der Übertragunsleitung.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Übertragen mindestens eines Teils der zweiten Portion des Fluids in den Ringraum zu einem Übertragungsbestimmungsort und/oder Kühlziel zusammen mit dem Flüssigkeitsstrom in der inneren Leitung über die Verwendung einer Koaxialdüse mit einer inneren Leitung in Fluidverbindung mit der inneren Leitung der Übertragungsleitung und einer äußeren Leitung in Fluidverbindung mit dem Ringraum der Übertragungsleitung.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Entlüften mindestens eines Teils der zweiten Portion aus dem Ringraum weg von dem Übertragungsbestimmungsort und/oder Kühlziel.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfas send das Übertragen eines kryogenen Fluids, das aus der Gruppe Stickstoff, Argon oder Gemische davon ausgewählt ist.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, umfassend das Abgeben mindestens einer Portion des kryogenen Fluids an einen Übertragungsbestimmungsort und/oder Kühlziel, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist:
    (i) eine Umgebungstestkammer, die zum Belastungs - Screening von elektronischen Bauteilen verwendet wird;
    (ii) ein zur Schrumpfpassung vorgesehenes Bauteil;
    (iii) einen für biologische Lagerungszwecke verwendeten Probenaufbewahrungsbehälter;
    (iv) einen Stickstoff-Tröpfchenspender;
    (v) ein Schneidwerkzeug und/oder Werkstück bei maschinellen Bearbeitungsvorgängen,
    (vi) eine Kryosonde in einem kryochirurgischen System.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei im wesentlichen die Gesamtheit der inneren Leitung und im wesentlichen die Gesamtheit der äußeren Leitung aus einem flexiblen polymeren Material gefertigt ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei im wesentlichen die gesamte äußere Leitung aus einem flexiblen polymeren Material gefertigt ist, wobei im wesentlichen die Gesamtheit der inneren Leitung aus einem flexiblen nicht - polymeren Material gefertigt ist, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
    (i) Kupfer und dessen Legierungen,
    (ii) Aluminium und dessen Legierungen,
    (iii) Nickel und dessen Legierungen,
    (iv) rostfreie Austenitstähle,
    (v) dichter Graphit oder
    (vi) aus keramischen Textilfasern gewebte Schlauchprodukte.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das polymere Material aus der Gruppe Polymere auf Kohlenstoff - Fluor-Basis, Copolymere und Verbundstoffe davon ausgewählt ist.
  14. Übertragungsleitung (22) zum Übertragen eines kryogenen Fluids, umfassend eine innere Lei tung (72), die von einer äußeren Leitung (74) umgeben ist, die beide zur Aufnahme eines kryogenen Fluids geeignet sind, wobei mindestens eine Portion der Übertragungsleitung (22) aus einem flexiblen polymeren Material gefertigt ist und wobei die innere Leitung (72) so angeordnet ist, dass sie bei der Verwendung eine erste Portion des kryogenen Fluids enthält, und die äußere Leitung (74) so angeordnet ist, dass sie bei der Verwendung eine zweite Portion des kryogenen Fluids in einem Ringraum zwischen der inn eren Leitung (72) und der äußeren Leitung (74) enthält, wobei sich die erste Portion bei der Verwendung auf einem höheren Druck als die zweite Portion befindet;
       dadurch gekennzeichnet, dass
    a) die äußere Leitung (72) an beiden Enden offen ist und so angeordnet ist, dass sie einen Strom der zweiten Portion entlang des Ringraums aufnimmt;
    b) es sich bei mindestens einem Teil der zweiten Portion des Fluids innerhalb des Ringraums um eine Flüssigkeit handelt, die eine Kühlleistung für die erste Portion des Fluids innerhalb der inneren Leitung (72) bereitstellt.
  15. Übertragungsleitung (22) nach Anspruch 14, wobei es sich bei der äußeren Leitung (74) um ein Rohr handelt und wobei es sich bei der inneren Leitung (72) um ein Rohr, das aus einem im wesentlichen nicht -porösen polymeren Material gefertigt ist, handelt.
  16. Übertragungsleitung (22) nach Anspruch 14, wobei mindestens eine Portion der inneren Leitung (72) aus einem polymeren Material gefertigt ist, das in Bezug auf die Permeation sowohl von Gas al s auch von Flüssigkeit durchlässig ist, so dass bei der Anwendung sowohl ein gasförmiger Teil als auch ein flüssiger Teil der ersten Portion in den Ringraum eintritt, um mindestens einen Teil der zweiten Portion zu bilden.
  17. Übertragungsleitung (22) nach Anspruch 16, wobei bestimmte Abschnitte der inneren Leitung (72) entlang der Länge der inneren Leitung (72) eine erhöhte Porosität aufweisen.
  18. Übertragungsleitung (22) nach Anspruch 14, wobei bei der Anwendung mindestens ein Teil der zweiten Portion aus dem Ringraum weg von einem Übertragungsbestimmungsort und/oder Kühlziel entlüftet wird.
  19. Übertragungsleitung (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei im wesentlichen die Gesamtheit der inneren Leitung (72) und im wesentlichen die Ges amtheit der äußeren Leitung (74) aus einem flexiblen polymeren Material gefertigt ist.
  20. Übertragungsleitung (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei im wesentlichen die Gesamtheit der äußeren Leitung (74) aus einem flexiblen polymeren Material gefertigt ist, während im wesentlichen die Gesamtheit der inneren Leitung (72) aus einem flexiblen nicht -polymeren Material gefertigt ist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist
    (i) Kupfer und dessen Legierungen,
    (ii) Aluminium und dessen Legierungen,
    (iii) Nickel und dessen Legierungen,
    (iv) rostfreie Austenitstähle,
    (v) dichter Graphit oder
    (vi) aus keramischen Textilfasern gewebte Schlauchprodukte.
  21. Übertragungsleitung (22) nach Anspruch 20, wobei im wesentlichen die Gesamtheit der äußeren Leitu ng (74) aus einem flexiblen polymeren isolierenden Material gefertigt ist.
  22. Übertragungsleitung (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei das flexible polymere Material aus der Gruppe Polymere auf Kohlenstoffbasis, Polymere auf Kohlenstoff - Fluor-Basis, Kopolymere und Verbundstoffe davon ausgewählt ist.
  23. Übertragungsleitung (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 22, die so angeordnet ist, dass bei ihrer Verwendung ein kryogenes Fluid, das aus der Gruppe Stickstoff, Argon oder Gemische davon ausgewählt ist, übertragen wird.
  24. Übertragungsleitung (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Übertragungsleitung (22) zur Abgabe mindestens einer Portion des kryogenen Fluids an einen Übertragungsbestimmungsort und/oder Kühlziel, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist, verwendet wird:
    (i) eine Umgebungstestkammer, die zum Belastungs Screening von elektronischen Bauteilen verwendet wird;
    (ii) ein zur Schrumpfpassung vorgesehenes Bauteil;
    (iii) einen für biologische Lagerungszwecke verwen deten Probenaufbewahrungsbehälter;
    (iv) einen Stickstoff-Tröpfchenspender;
    (v) ein Schneidwerkzeug und/oder Werkstück bei maschinellen Bearbeitungsvorgängen,
    (vi) eine Kryosonde in einem kryochirurgischen System.
  25. Übertragungsvorrichtung für ein kryo genes Fluid, umfassend eine Übertragunsleitung (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 24 und eine koaxiale Düse, wobei mindestens ein Teil der zweiten Portion des Fluids im Ringraum der Übertragungsleitung (22) zu einem Übertragungsbestimmungsort und/oder Kühlziel zusammen mit dem Flüssigkeitsstrom in der inneren Leitung (72) über die koaxiale Düse übertragbar ist, wobei diese Düse eine innere Leitung in Fluidverbindung mit der inneren Leitung (72) der Übertragungsleitung (22) und eine äußere Leitung in Fluid verbindung mit dem Ringraum der Übertragungsleitung (22) aufweist.
  26. Übertragungsvorrichtung für ein kryogenes Fluid, umfassend eine Übertragunsleitung (22) nach einem der Ansprüche 14 bis 24 und eine Strömungssteuereinrichtung (20), die der Übertrag ungsleitung (22) vorausgeht, um bei der Anwendung mindestens einen Teil der ersten und zweiten Portion des kryogenen Fluids auf die innere Leitung (72) bzw. den Ringraum zu verteilen.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei es sich bei der Strömungssteuereinrichtung (20) um einen Strömungssteuerbehälter handelt, der folgendes umfasst:
    (i) einen Einlass (30), der zur Aufnahme des kryogenen Fluids geeignet ist;
    (ii) eine Mehrzahl von Ventilen (61, 62, 63, 64) in Fluidverbindung mit dem Einlass (30), die dazu geeignet sind, einen Strom des kryogenen Fluids aufzunehmen und dessen Druck zu regulieren, wobei es sich bei mindestens einem der Ventile um ein Auf -Zu-Ventil (61, 62, 63) und bei mindestens einem der Ventile um ein Dosierventil (64) handelt; und
    (iii) ein Dreiweg-Verbindungsstück (66) mit einem ersten Ende in Fluidverbindung mit mindestens einem der Ventile (61, 62, 63, 64) und einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit der Übertragunsleitung (22).
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