FI57849B - Anordning foer att reglera vaetske- eller gasstroemning - Google Patents

Description

ESF*I M «dKUUJ-UTUSJUUKAISU

JBa l J ' * utuAcgninosskaift ofo^y ^ ^ (SI) Kv.ik.3/»nt.a3 g 05 D 7/00 SUOMI—FIN LAND €*i) ρ»**»**ιμ«ι»-****·«** T81089 (22) HatawilipMv»-—Amdtartiigrfu 10.0U.T8 ' (23) AllnHIvt—GIWgh«ad*( 10.0U.T8 (41) Tullut |ulklMkat—Bllvlt off«ntll| ^ jg

Fatanttl· ja rekisterihallitus /44) NUttiviksi panon |a ΐαηιΙφιΐΐαίΜη pvm.—

Patani och rsgisterstyrslsan ' Anastan utiafd och utUkrlftan publleand 30.06.80 (32)(33)(31) Pyydetty «tueiiimi·—tefird prtork* (Tl) Niilo Kaartinen, Vuolahti, 21620 Kuusisto, Suomi-Finland(Fl) (72) Niilo Kaartinen, Kuusisto, Pentti Juhala, Kaarina, Suomi-Finland(Fl) (TU) Oy Heinänen Ab (5U) Laite neste- tai kaasuvirtauksen säätämistä varten - Anordning för att reglera vätske- eller gasströmning Tämän keksinnön kohteena on laite neste- tai kaasuvirtauksen säätämistä varten, joka laite käsittää tilan, jonka kautta virtaava ainB on johdettavissa, sekä jäähdyttimen, joka on yhteydessä tilaa rajoittavaan, lämpöä johtavaa materiaalia olevaan seinämään siten, että seinämä on jäähdytettävissä aineen jäätymispisteen alapuolelle, jolloin virtaus katkeaa tilan kohdalla olevan aineen jäätyessä.

Neste- ja kaasuvirtauksia säätävinä laitteina käytetään nykyisin erilaisia käsikäyttöisiä ja mekaanisesti toimivia venttiilejä ja hanoja, kuten esim. magneetti- ja neulaventtiilejä. Näiden laitteiden epäkohtana on se, että. niissä on liikkuvia osia, jotka aiheuttavat tii-vistysvaikeuksia. Liikkuvat osat lisäävät myös venttiilien ja hanojen valmistuskustannuksia. Toisaalta on tunnettua yhdistää nesteen vir-taustienä toimivaan putkeen jäähdytin, jolloin virtaus on katkaistavissa jäädyttämällä putki umpeen. Virtauksen katkaisuun ei tällöin tarvita liikkuvia osia, mutta tämä tunnettu ratkaisu ei kuitenkaan sovellu nopeisiin säätötoimenpiteisiin, sillä putken umpeutuminen on hidasta eikä sen avaamismahdollisuuksiin ole kiinnitetty huomiota.

2 57849 Tämän keksinnön tarkoituksena on muodostaa virtaavan aineen jäädytykseen perustuva säätölaite, jossa mainitut epäkohdat on vältetty. Tunnusomaista keksinnön mukaiselle laitteelle on se, että se on varustettu sähköisesti toimivalla lämmityselimellä, jolla jäätynyt aine on sulatettavissa ja tila pidettävissä avoimena jäähdyttimen ollessa toiminnassa.

Keksinnön mukaisen laitteen tärkeimpänä etuna on se, että siihen ei kuulu lainkaan mekaanisia liikkuvia osia. Näinollen laitteessa ei ole myöskään osien väliin jääviä rakoja, joten se on ehdottomasti vuotamaton. Tällainen laite soveltuu erinomaisesti varsinkin radioaktiivisia aineita sisältävien neste- tai kaasuvirtausten säätämi- - seen. Laitteen voi tällöin muodostaa tasaisten seinämien rajoittama kanava, jossa ei ole minkäänlaisia radioaktiivisuutta sitovia rakoja tai koloja. Keksinnön mukaisen laitteen etuna tunnettuihin hanoi- - hin ja venttiileihin verrattuna on edelleen se, että sen tilan tarve on erittäin pieni.

Keksinnössä käytettävän lämmityselimen voi muodostaa jännitelähteeseen kytketty termosähköinen lämpöpumppu, joka on sijoitettu seinämän ulkopinnan ja erillisen jäähdyttimen väliin, niin että tilan jäähdytys ja lämmitys ovat säädettävissä lämpöpumpun kautta kulkevan sähkövirran suunnan avulla. Toisena vaihtoehtona on käyttää lämmitys-elimenä vastuslämmitintä, joka voidaan sijoittaa esim. jäähdytettävän seinämän pinnalle. Laitteeseen kuuluvan tilan, jonka kautta vir-taava aine on johdettavissa, voi tällöin muodostaa lämpöä johtavaa materiaalia olevaan seinämään rajoittuva kanava, jossa seinämän sisäpinnalle on sijoitettu vastuslämmitin seinämän ulkopinnan ollessa yhdistetty jäähdyttimeen, jonka lämpötila on pidettävissä jatkuvasti virtaavan aineen jäätymispisteen alapuolella.

Kummassakin mainituista sovellutusmuodoista virtauksen säätäminen voi tapahtua sähköisten signaalien avulla. Säätötoimenpiteet muodostuvat tällöin erittäin nopeiksi niin, että aineen virtaustien avautuminen ja sulkeutuminen voivat tapahtua lähes silmänräpäyksessä.

3 57849

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtciisesti esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää poikkileikkausta eräästä keksinnön mukaisesta nestevir-tauksen säätölaitteesta.

Kuvio 2 esittää leikkausta II - II kuviosta 1,

Kuvio 3 esittää osaa kuvion 1 mukaisesta laitteesta suuremmassa mittakaavassa ,

Kuvio 4 esittää erästä toista keksinnön mukaista laitetta osittain ** ; leikattuna.

Kuvio 5 esittää osaa kuvion 4 mukaisesta laitteesta suuremmassa mitta-kaavassa.

Kuvio 6 esittää leikkausta VI - VI kuviosta 5.

Kuvioissa 1 - 3 on esitetty laite, joka on tarkoitettu nestevirta-uksen säätämiseen johtojen 10 ja.11 välillä. Laitteella voidaan rajoittaa näiden johtojen välillä tapahtuvaa virtausta tai katkaista virtaus kokonaan.

Johtoa 10 myöten saapuva neste johdetaan säätölaitteeseen runkorakenteeseen 13 muodostettua pitkänomaista kanavaa 12 myöten. Kanavasta 12 neste siirtyy poikittaisen kanavan 14 kautta rengasmaiseen tilaan 15, joka ympäröi runkorakenteessa 13 olevaan poraukseen 16 sovitetun pitkänomaisen ulosmenoputken 17 alapäätä. Mainitusta rengasmaisesta tilasta 15 neste siirtyy porauksen 16 pään sulkevan, maljamaisesti kapenevan kannen 19 ohjaamana pienempään rengastilaan 15 a, joka sijaitsee ulosmenoputken 17 alapään muodostaman kapeamman putken 18 ympärillä. Neste virtaa tilassa 15a alaspäin, kannen 19 pohjan 19 a ohi ja sen jälkeen putkessa 18 ylöspäin poistuakseen ulosmenoputken 17 kautta johtoon 11.

Esitetyssä laitteessa nesteen virtaustie käsittää johtojen 10 ja 11 välillä lämpötilan suhteen säädettävissä olevan tilan, johon on liitetty elimet, joilla mainitussa tilassa vallitsevaa lämpötilaa voidaan alentaa niin, että tilassa oleva neste jäätyy ja ainakin rajoit- 4 57849 taa tilan kautta tapahtuvaa nestevirtauste, sekä sähköisesti säädettävät elimet, joilla mainitun tilan lämpötilaa voidaan lisätä niin, että jäätynyt neste ainakin osittain sulaa, jolloin tilan kautta kulkeva nesteenvirtaustie avautuu. Laite käsittää siten säädettävän lämpöpumpun 20, joka on kytketty kannen 19 pohjan 19 a ulkopintaan siten, että pohjan 19 a ja putken 18 alapään välinen tila G muodostaa mainitun lämpötilan suhteen säädettävissä olevan tilan. Lämpöpumpulla 20 on kaksi toimintatilaa, joista toinen alentaa pohjan 19 a lämpötilaa niin, että tilassa G oleva neste jäätyy ja sulkee ainakin osittain tilan kautta kulkevan virtaustien, ja toinen puolestaan kohottaa pohjan 19 a lämpötilaa niin, että tilassa G oleva jäätynyt neste sulaa ja neste pääsee jälleen virtaamaan tilan läpi.

Esitetty lämpöpumppu 20 on termosähköinen laite, jolla lämpö on siirrettävissä tilaan G tai sieltä pois jännitelähteestä 22 sähköjohtoja 21 myöten tulevien sähköisten ohjaussignaalien mukaisesti. Lämpöpumpun 20 yläpinta on tiiviisti kosketuksessa pohjaan 19 a ja alapinta on kosketuksessa laitteeseen kuuluvan ade-mman runkorakenteen 23 muodostamaan jäähdyttimeen. Mainittu runkorakenne 23 on yhdistetty ylempänä sijaitsevaan runkorakenteeseen 13kierreliitoksella 24 ja nesteen pääsy runkorakenteiden väliseen tilaan on estetty rengastiivisteellä 25·

Runkorakenteen 23 jäähdyttämiseksi riittävän alhaiseen lämpötilaan johdetaan sisääntulokanavan 27 kautta jäähdytettä runkorakenteessa olevaan tilaan 26, josta jäähdytä edelleen poistetaan ulosmenokanavaa 28 myöten. Jäähdyt teen avulla runkorakennetta 23 ja lämpöpumpun 20 alapintaa pidetään lämpötilassa, joka on sopivimrain vähintään 20°C säädön kohteena olevan nesteen jäätymispisteen alapuolella. Kun mainittuna nesteenä on vesi, on siten sopivaa pitää alempi runkorakenne 23 - 20°C:n lämpötilassa.

Esitetyssä laitteessa lämpötilan suhteen säädettävissä olevaan tilaan G saapuva neste voidaan esi jäähdyttää siten, että sen lämpötila on vain hiukan jäätymispisteen yläpuolella. Tätä varten ylempää runkorakennetta 13 pidetään lämpötilassa, joka on riittävän matala kanavassa 12 kulkevan nesteen jäähdyttämiseksi lämpötilaan, joka on enintään noin l°C jäätymispisteen yläpuolella. Runkorakenteen 13 pitämiseksi tällaisessa lämpötilassa johdetaan sisääntulokanavan 31 kautta sopivaa jäähdytettä jäähdytystilaan 30, josta jäähdyte poistuu ulosmenokanavaa 32 myöten. Nesteen esi jäähdyttäminen ennen sen 57849 5 saapumista lämpötilan suhteen säädettävän pohjapinnan 19 a kohdalle mahdollistaa nesteen jäädyttämisen mahdollisimman lyhyessä ajassa.

Lämpöpumppu 20 poistaa lämpöä kannen 19 oohjasta 19 a, joka on lämpöä johtavaa materiaalia, siten, että lämmön siirtyminen runkorakenteen 23 muodostamaan jäähdytti me en tapahtuu äärimmäisen nopeasti, jolloin tilassa G oleva neste jäätyy hetkessä kokonaan tai ainakin osittain. Näin ollen jäätyvä neste toimii itse laitteen säädettävänä sulkuelementtinä. Nopeus, jolla lämpö siirtyy pohjasta 19 a jäähdyt-timeen 23, riippuu pohjan ja jäähdyttimen lämpötilaerosta, kannessa ^ 19 ja jäähdyttimessä 23 käytetyn metallimateriaalin lämmönjohtavuu desta ja mainittujen elinten ja lämpöpumpun 20 välisistä rajapinnoista, lämpöpumpun ominaisuuksista ja lämpö pumppuun johdetun sähkövirran määrästä. Kun vesi, jota johdetaan esitetyn laitteen läpi nopeudella 50 ml/min, esi jäähdytetään ]?C:n päähän jäätymispisteestään ja jäähdytintä pidetään vähintään 20°C veden jäätymispisteen alapuolella, voidaan tila, jonka leveys on n. 0,05 - 0,1 mm, jäädyttää umpeen alle sekunnissa.

Säätämällä nopeutta, jolla lämpö siirtyy lämpöä johtavasta pohja-pinnasta 19 a jäähdyttimeen 23, voidaan tilaan G muodostuvan jääkerrok-sen paksuutta säätää niin, että tilan kautta kulkevaa nestevirtausta joko rajoitetaan tai se katkaistaan kokonaan. Niinpä virtauksen määrä voidaan säätää mille tahansa halutulle tasolle lämmönsiirron avulla. Käytettäessä esitettyä terraosähköistä lämpöpumppua, voidaan lämmön siirtymistä säätää pumpun kautta kulkevan sähkövirran avulla:

Mitä suurempi sähkövirta, sitä nopeampi lämmönsiirto.

Laitteen avaamiseksi nestevirtaukselle vaihdetaan lämpöpumpun kautta - kulkevan sähkövirran suuntaa, jolloin lämpö siirtyy pumpusta takaisin kannen 19 pohjaseinämään 19 a. Lämpö sillat taa nopeasti jäätyneen nesteen niin, että neste pääsee vapaasti virtaamaan tilan G kautta.

*

Kuvioissa 4 - 6 on esitetty keksinnön sovellutusmuoto, jossa on käytetty jäähdyttimen päälle sijoitettuja sähköisesti toimivia lämmitys-elimiä. Esitetyllä laitteella säädetään runkorakenteen 43 ympäröimään, sylinterin muotoiseen tankoon 42 muodostettujen johtojen 40 - 41 välillä tapahtuvaa nestevirtausta. Säätö tapahtuu johtojen 40 ja 41 6 57849 alapäihin rajoittuvien tilojen G 1 ja G 2 lämpötilojen avulla.

Mainittuihin tiloihin johtoa 40 tai 41 myöten tuotavan nesteen esi-jäähdytystä varten johdetaan runkorakenteessa 43 olevaan jäähdytys-tilaan 44 sisääntulokanavan 45 kautta jäähdytettä, joka poistuu ulosmenokanavasta 46. Kuten jo edellisen sovellutusmuodon yhteydessä on esitetty, mahdollistaa esi jäähdytys, joka tapahtuu ennen neeteen saapumista lämpötilan suhteen säädettävissä olevaan tilaan G, nesteen mahdollisimman nopean jäätymisen mainitussa tilassa.

Tilojen G 1 ja G 2 yhteisen jäähdyttimen muodostaa alempi runkorakenne 50, jota jäähdytetään siihen kuuluvan tilan 51 kautta johdetun jäähdytteen avulla. Jäähdyte johdetaan tilaan 51 sisääntulokanavan 52 kautta ja poistetaan mainitusta tilasta ulosmenokanavan 53 kautta. Jäähdytteen avulla runkorakenne 50 pidetään jäädytettävän nesteen jäätymispistettä alemmassa lämpötilassa sopivimmin niin, että lämpötilaero jäätymispisteeseen nähden on noin 5-40 kertaa niin suuri kuin runkorakenteen 43 ja mainitun jäätymispisteen lämpötilaero. Jo siis runkorakenteen 43 lämpötila on ΔΤ °C nesteen jäätymispisteen yläpuolella, tulee runkorakenteen 50 lämpötilan olla 5ΔΤ - 40 ΔΤ °C jäätymispisteen alapuolella.

Runkorakenteen 50 jäähdyttäminen jäähdyttää myös sille asetetun alus-levyn 60. Tälle aluslevylle 60, joka voi olla esim. alumiinioksidia, on sijoitettu 2 lämmityseliminä toimivaa rengasmaista sähkövastusta 61 ja 62, jotka on painettu paksuina kalvoina aluslevyn 60 pintaan. Haluttaessa lämmityselimet 61 ja 62 voidaan painaa suoraan jäähdytti-menä toimivan runkorakenteen 50 yläpinnalle. Kalvomaisten lämmitys-elinten 61 ja 62 materiaaliksi sopii hopean, palladiumin ja lyijyn seos, jossa vastuksen suuruus on 2,8 ohmia ja kalvon paksuus on 0,04 mm.

Johtojen 40 ja 41 alapäät muodostuvat tangon 42 alapään kohdalla sijaitsevista sylinterimäisistä putkista 63 ja 64, joiden alle lämmityselimet cl ja 62 on sijoitettu. Parittain järjestetyt sähköjohdot 65 ja 66 yhdistävät lämmityselimet 61 ja 62 sopivaan jännitelähteeseen niin, että lämmityselimiä voidaan lämmittää hallitusti, jolloin tiloissa G 1 ja G 2 oleva jää lämpötilan noustessa sulaa ja neste pääsee virtaamaan johtojen 40 ja 41 välillä. Nestevirtauksen suunta 7 57849 riippuu tällöin luonnollisesti johdoissa vallitsevista paineista.

Runkorakenteiden 43 ja 50 välillä tapahtuvan lämmönsiirron minimoimiseksi on näiden rakenteiden väliin asetettu lämpöä eristävä rengas 70, ja putket 63 ja 64 jatkuvat tangon 42 muiden osien alapuolelle niin, että aluslevyn 60 ja tangon 42 pohjan väliin jää eristävä ilmatila. Lisäksi putkien 63 ja 64 alapäihin 'on kiinnitetty lämpöä eristävät renkaat 71 ja 72, joiden tarkoituksena on estää lämmön siirtymistä putkista 63 ja 64 aluslevyyn 60 silloin, kun lämmityselimissä 61 ja 62 ei kulje virtaa/ sekä vastakkaissuuntaista lämmönsiirtymistä silloin, kun lämmityselimet ovat toiminnassa. Tällä päästään siihen, että lämmityselinten toimiessa tiloihin G 1 ja G 2 jää mahdollisimman paljon lämpöenergiaa, mikä nopeuttaa jäätyneen nesteen sulamista.

^ Kuvioiden 4-6 mukaisen laitteen toimintaa voidaan säätää tietyissä rajoissa lammityselimiin 61 ja 62 syötettävän sähkövirran määrän avulla. Esim. nopeus, jolla tilat G 1 ja G 2 avautuvat, kasvaa sähkövirran suuruuden kasvaessa. On myös mahdollista käyttää suhteellisen pieniä sähkövirtoja niin, että ainoastaan osa tiloissa G 1 ja G 2 olevasta jäätyneestä nesteestä sulaa, kun taas suuremmat sähkövirrat sulattavat kaiken jäätyneen nesteen ja avaavat tilan kokonaan. Tarpeen vaatiessa voidaan lämmityselimiä sijoittaa tilojen G 1 ja G 2 molemmille puolille, esim. sijoittamalla lisälämmittimet putkien 63 ia 64 alapäihin.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset sovellutus-muodot eivät rajoitu edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan voivat " vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa. Esimerkiksi lämpötilan suhteen säädettävissä oleva tila G saattaa muodoltaan poiketa siitä, mitä piirustuksissa on esitetty. Niinpä mainittu tila voi olla rengasmainen ja sitä rajoittavaan seinämään voi kuulua litteä ulkopinta, jota vasten kuviossa esitetty lämpöpumppu on sijoitettavissa. Toisaalta on mahdollista muotoilla lämpöpumppu rengasmaiseksi ja sijoittaa se tilaa rajoittavan seinämän ympärille. Mahdollista on myös se, että nesteen virtaustielle sijoitetaan litteä, reijitetty levy, jonka virtauskanavan Ulkopuolelle ulottuva jatke on kytketty lämpö-pumppuun .

Vaikka edellä on selostettu oääasiassa nestevirtausten säätämistä, voidaan keksinnön mukaisilla laitteilla säätää myös kaasuvirtauksia. Tämä voi tapahtua siten, että kaasuvirrasta kondensoituu ainetta tilaan G, jossa se muodostaa jäätä. Esim. vesihöyryvirtauksia voidaan 8 57849 säätää tällä tavoin. Toisaalta tila G voidaan sulkea ruiskuttamalla sinne pieni määrä jäätyvää nestettä, joka myöhemmin tilaa avattaessa voidaan haihduttaa kaasuvirtaukseen. Kim kaasun virtaustie halutaan sulkea nopeasti, pienen nestemäärän ruiskuttaminen tilaan G on yleensä välttämätöntä. Jos on tarpeen estää vieraiden höyryjen pääsy kaasuvirtaukseen, tilaan G voidaan johtaa nestemäistä galliumia. Galliumin sulamispiste on 29,8 °C,kiehumispiste 2344 °C ja höyryn-paine sulamispisteessä 10 “ ^torria, joten säädettävään kaasuvirtaukseen siirtyvän galliumin määrä on merkityksettömän pieni. Virtaus-tietä avattaessa nestemäinen gallium voidaan siirtää erityiseen säiliöön odottamaan seuraavaa käyttökertaa.

Claims (7)

9 57849

1. Laite neste- tai kaasuvirtauksen säätämistä varten, joka laite käsittää tilan, jonka kautta virtaava aine on johdettavissa, sekä jäähdyttimen (23,50), joka on yhteydessä tilaa rajoittavaan, lämpöä johtavaa materiaalia olevaan seinämään (19a,60) siten, että seinämä on jäähdytettävissä aineen jäätymispisteen alapuolelle, jolloin virtaus katkeaa tilan kohdalla olevan aineen jäätyessä, tunnettu siitä, että laite on varustettu sähköisesti toimivalla lämmityseli-mellä (20,61,62), jolla jäätynyt aine on sulatettavissa ja tila pidettävissä avoimena jäähdyttimen (23,50) ollessa toiminnassa. * I

2. Patenttivaatimuksen 1 mukaillen laite, tunnettu siitä, että lämmityselimen muodostaa jännitelähteeseen (22) kytketty termo-sähköinen lämpöpumppu (20), joka on sijoitettu seinämän (19a) ulko- ^ pinnan ja jäähdyttimen (23) väliin niin, että tilan jäähdytys ja lämmitys ovat säädettävissä lämpöpumpun kautta kulkevan sähkövirran suunnan avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että lämmityselimen1muodostaa vastuslämmitin (61,62).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että vastuslämmitin (61,62) muodostuu levymäiselle alustalle (60) painetusta vastusmateriaalikalvosta, joka on kytketty jännitelähteeseen.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että vastuslämmitin (61,62) on sijoitettu jäähdytettävän seinämän (60) pinnalle.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että jäädyttämällä suljettavan tilan muodostaa lämpöä johtavaa materiaalia olevaan seinämään (60) rajoittuva kanava (63,64) ja että seinämän sisäpinnalle on sijoitettu vastuslämmitin (61,62) seinämän ulkopinnan ollessa yhdistetty jäähdyttimeen (50), jonka lämpötila on pidettävissä jatkuvasti virtaavan aineen jäätymispisteen alapuolella.

7. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista mukainen laite, tunnettu siitä, että jäädyttämällä suljettavan tilan edelle on sijoitettu esijäähdytin (30-32), jonka avulla virtaava aine on jäähdytettävissä lähelle jäätymispistettään. 10 57849