NO329602B1 - Baerbar plasmabrenner - Google Patents

Abstract

Det er beskrevet en bærbar plasmabrenner (1) omfattende bæreanordning (2, 3), strømkilde (4) og trykkluftkilde (5). Trykkluftkilden (5) og elektronikkammer et (6) er montert til bæreanordningen (2). Plasmabrenneren (1) er videre forsynt med jordingsmiddel (7, 8) og brennerinnretning (9, 10). Kjøling av elektriske komponenter i elektron i kkam mere t (6) utføres ved hjelp av trykkluft eller gass fra trykkluftkilden (5).

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en bærbar plasmabrenner, dvs. en plasmabrenner som ikke er direkte koblet til eksterne kilder for elektrisitet og/eller trykkluft. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen kjølesystem for bærbar eller medbringbar plasmabrenner.

Plasma brennere brukes til plasmaskjæring eller -kutting. Plasmakutting er en prosess som hovedsaklig brukes til å skjære arbeidsstykker i stål og andre typer me-taller. Trykkluft eller gass under høyt trykk blåses med høy hastighet gjennom et munnstykke. Inne i munnstykket sitter en elektrode. Arbeidsstykket fungerer som anode, via en jordingskabel. Ved hjelp av et elektrisk felt, dannes en lysbue mellom elektroden og arbeidsstykket, og det oppstår en ionisering av lufta eller gassen, slik at det dannes et plasma. Plasmaet er tilstrekkelig varmt til å smelte metallet, og beveger seg så raskt at metallet blåses bort.

Fordi plasmakutting er en prosess som krever mye energi, vil deler av elektronikken i en slik brenner ha et høyt effektforbruk. En del av de elektroniske komponentene krever derfor egen kjøling. Dette kan blant annet være tyristorer, motstander eller transistorer. Den vanlige måten å kjøle slike komponenter på i en kommersiell brenner med ekstern tilgang på luft og strøm, er å montere disse komponentene på en kjøleprofil. Denne kjøles med tvungen konveksjon ved å bruke en vifte som blå-ser luft over kjøleprofilen. Et slikt system er relativt tungt, og kan veie 4-5 kg for en maskin med en typisk effekt på 6kW.

For en bærbar plasmabrenner vil en batterianordning sørge for strømforsyning, mens en trykkluftflaske vil sørge for gassforsyning. For at brenneren skal ha prak-tisk nytteverdi, bør batteri og trykkluftflaske ha en kapasitet som gir minst rundt 5 minutter kontinuerlig kutting, imidlertid kan en se for seg brennere med en lengre kuttetid, slik som for eksempel fra 5 til 10 minutter eller mere, samtidig som man i noen utførelser vil finne en kortere kuttetid tilstrekkelig for eksempel fra 5 til 3 minutter. De ovenfor nevnte elementene, batterianordning, gassforsyning osv, vil gi en tilleggsvekt til den bærbare plasmabrenneren utover vanlig vekt for en stasjo-nær brenner. I tillegg vil en bærbar brenner være forsynt med en form for bæreanordning, f.eks. seler og/eller bæreramme og annet. Hele brenneren skal ha en slik samlet vekt at en person forholdsvis enkelt kan bære denne på ryggen over en viss strekning, i enkelte tilfeller skal den også kunne bæres i ulendt terreng, dvs den skal ha så lav vekt som mulig.

I tillegg til vekt, er det en fordel at den bærbare brenneren har en form og størrelse og en håndterbarhet som er akseptabel for brukeren og som fortrinnsvis forenkler bruken med brenneren.

I US 2008/0237201 Al beskrives en bærbar plasmabrenner med strømkilde og trykkluftkilde. Denne publikasjonen gir imidlertid ingen forklaring på hvordan kjø-ling av elektriske komponenter skal foregå.

Ved å anvende kjent kjøling av de elektriske komponentene, f.eks. med kjølevifter, vil en bærbar plasmabrennerenhet med nødvendig utstyr kunne få en vekt på rundt 30 kg.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en plasmabrenner med en lavest mulig vekt. Det er også en hensikt å tilveiebringe en bærbar brenner som er lett å håndtere for brukeren.

For å oppnå dette, er en plasmabrenner i henhold til foreliggende oppfinnelse ut-styrt med et forbedret kjølesystem.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart og beskrevet ved hjelp av ikke-begrensende utførelseseksempler på en bærbar plasmabrenner og kjølesystem for denne. I figurene viser:

Figur 1 viser et første perspektivriss av en bærbar plasmabrenner.

Figur 2 viser et andre perspektivriss av den bærbare plasmabrenneren.

Figur 3 viser et perspektivriss av et første utførelseseksempel på et kjølesystem i henhold til oppfinnelsen. Figur 4 viser et perspektivriss av kjøleinnretningen i henhold til det første utførel-seseksempelet. Figur 5 viser et perspektivriss av et andre utførelseseksempel på et kjølesystem i henhold til oppfinnelsen. Figur 6 viser et perspektivriss av kjøleinnretningen i henhold til det andreutførel-seseksempelet.

Plasma brenneren er i beskrivelsen beskrevet som "bærbar". Plasmabrennere som er tilknyttet et ledningsnett vil også la seg bære en begrenset distanse avhengig av ledningen som forbinder brenneren med ledningsnettet. I søknaden menes imidlertid med "bærbar", en plasmabrenner som kan bæres av brukeren uten å være tilknyttet noe tilførselssystem. Et annet ord for "bærbar" i betydningen anvendt i søknaden kan være "medbringbar".

Figur 1 viser en bærbar plasmabrenner 1 i henhold til oppfinnelsen. Plasmabrenneren 1 omfatter en bæreanordning 2,3. I de viste utførelseseksemplene er bæreanordningen utformet som en bæreramme 2 med seler 3. Til bærerammen 2 er det montert en strømkilde i form av en batterianordning 4, trykkluftkilde 5 og elektronikkammer 6. Plasma brenneren 1 er videre forsynt med jordningskabel 7 med jor-dingsklype 8 og brennerslange 9 med brennermunnstykke 10. Minst en strømkabel 11 går mellom batteri 4 og elektronikkammer 6. En reduksjonsventil 24 er anbrakt i forbindelse med trykkluftkilden 5. En trykkluftregulator 13 er anbrakt i forbindelse

med elektronikkammeret 6. Reduksjonsventilen 24 og trykkluftregulatoren 13 vil bli nærmere forklart senere. Det skal imidlertid bemerkes at om dette er ønskelig, kan reduksjonsventilen 24 også være anbrakt i overkant av plasmabrenneren 1. Dette vil typisk være tilfellet hvis også trykkluftkilden 5 er snudd den andre veien, dvs. ca. 180° i forhold til retningen angitt på utførelseseksempelet i figurene. På samme måten kan også trykkluftregulatoren 13 anbringes andre steder på elektronikkammeret 6 om dette er ønskelig, men dette vil bli åpenbart av den følgende beskrivelsen. Figur 2 viser et andre perspektivriss av plasmabrenneren 1. Elektronikkammer, trykkluftkilde, strømkilde og annet utstyr er montert på en bæreramme 2. Jordingsklypen og brennermunnstykket vil ved transport være anbrakt i egnede fast-holdingsmidler (ikke vist). Seler 3 er festet til rammen, slik at brukeren har armene fri når han bærer på brenneren. Dette vil være en fordel hvis plasmabrenneren skal gjøres operativ raskt, ved at brukeren slipper først å sette denne fra seg for så å aktivere den, dvs. feste jordingsklypen, åpne for gasstilførsel o.l. Samtidig mulig-gjør selene 3 at brukeren kan holde og/eller bringe annet utstyr, når brenneren ikke er i bruk, men anbrakt på brukerens rygg. Figur 3 viser en bærbar plasmabrenner 1 med et første utførelseseksempel på en kjøleanordning 12 i henhold til oppfinnelsen. I det viste utførelseseksempelet driver en batterianordning 4 plasmabrenneren. Batteriene skal fortrinnsvis ha kapasitet til å gi brenneren en driftstid før opplading på minst 5 minutter før de er utladet og

skal også tåle hurtig utlading. Det er videre nødvendig at batteriene har en tilstrekkelig høy spenning til å skape en lysbue. Batterianordningen er i det viste eksempelet er et antall batterier koblet i serie.

Et eksempel på et egnet batteri er celle nr. ANR26650M1 kommersielt tilgjengelig fra produsenten A123 Systems, Watertown, Massachusetts, USA. Batteriet er en oppladbar celle-enhet med normal spenning på 3,3 V og normal kapasitet på 2,3 Ah. Intern impedans ved 1 kHz AC er typisk 8 mfi. Batteriene kan levere en strøm-styrke på opp til 70A ved kontinuerlig utladning, og ved 10 sekunders pulsutlading kan de levere en strømstyrke opp til 120 A. Batteriene er forbundet med elektronikkammeret 6 via minst en strømkabel 11.

Trykkluftkilden i utførelseseksempelet er en kompositt gassflaske med et trykk på 300 bar og et volum på omtrent 6 liter av en alminnelig type. Denne typen flasker er for eksempel kommersielt tilgjengelig fra Drager Safety AG & Co. KGaA, Lubeck, Tyskland. Gassflasken 5 er forsynt med en reduksjonsventil 24 for kontrollert frigjø-ring av gass. Gassen vil ha et betydelig trykkfall over reduksjonsventilen 24 og vil trolig ha et trykk på rundt 8 bar etter denne. Ved dette trykkfallet vil temperaturen på gassen synke, slik det er forklart under. Gassen føres så gjennom en gasskanal 25 til en trykkluftregulator 13. Trykkluftregulatoren 13 kontrollerer at det endelige trykket på gassen som føres videre mot brennermunnstykket er korrekt. Trykkluft eller gass under relativt høyt trykk, dvs. vanligvis rundt 4-5 bar, føres videre fra trykkluftregulatoren via en trykkluftkabel 14 til kjøleanordningen 12 og videre fra denne via en trykkluftkabel 15 til brennerslangen 9 og via denne igjen til brennermunnstykket 10.

Kjøleanordningen 12 i henhold til den første utførelsen av oppfinnelsen er en radiator. I det viste utførelseseksempelet er radiatoren en radiator av alminnelig type, hvor et fluid føres gjennom en eller flere kanaler forsynt med kjøleribber. Et eksempel på denne typen radiator er modellen 21908ERL kommersielt tilgjengelig fra Earl's Performance, Rancho Dominguez, California, USA. Imidlertid kan en tenke seg at kjøleanordningen eller radiatoren også kan være av en enklere type, slik som et rør, f.eks. et rør av lettmetall, slik som aluminium, magnesium, eller annet, som går i sløyfe over en plate, f.eks. en plate i lettmetall slik som aluminium, magnesium, eller annet, og som er tett forbundet på platen for temperaturoverføring mellom den kalde gassen i rørene og de elektroniske komponentene som trenger kjøling, f.eks. montert på den andre siden av platen.

Radiatoren kjøles ved hjelp av temperaturfall i den trykksatte gassen som følge av trykkfallet til trykkluften/-gassen, når luft eller gass forlater trykkluftkilden 5. Dette er nærmere forklart under, men en enkel forklaring på dette er som følger.

Trykkluftkilden eller luftforsyningen er i det viste eksempelet en trykkluftflaske med typisk 300 bar trykk. En reduksjonsventil 24 og en regulator 13 regulerer trykket ut av trykkluftflasken ned til riktig arbeidstrykk for plasmabrenneren. Arbeidstrykket er i størrelsesorden 5 bar. Når gassen reguleres fra et trykk på opptil 300 bar ned til rundt 5 bar, vil man få en ekspansjon av luften fra gassflaska. Denne ekspansjonen, sammen med en throttling-prosess i reduksjonsventilen, gjør at lufta blir kraf-tig avkjølt. Dette er nærmere forklart senere under overskriften "Fri ekspansjon og throttling-prosess i luft". For en gassflaske med luft trykksatt til 300 bar, og et typisk luftforbruk for en plasmabrenner, vil denne prosessen føre til en lufttemperatur på i størrelsesorden -10°C etter ett minutt, og i størrelsesorden -20°C etter 3 minutter.

Denne kalde gassen, som skal anvendes i kutteprosessen, føres gjennom kjølean-ordningen 12 i form av en radiator, en kjølesløyfe, et trykktett kammer eller annet, hvor gassen først anvendes til å kjøle elektroniske komponenter montert i brenneren, før den føres videre til brennermunnstykket 10.

Ved at man ikke har et separat kjølesystem, men integrerer dette i trykklufttilførse-len vil det være mulig å redusere vekten på kjøleanordningen betydelig, fra rundt 3 - 5 kg i et tradisjonelt system med vifte eller lignende, til ca 1 kg eller lettere i det gasskjølte systemet i henhold til oppfinnelsen. Elektroniske komponenter 16 med kjølebehov, f.eks. tyristorer, motstander, transistorer og lignende, monteres på en kjøleplate 17, og kjøleplaten 17 monteres på en kjøleanordning 12, slik som en radiator. Gass som hentes inn til radiatoren arrangert etter reduksjonsventilen 24 og regulatoren 13, passerer igjennom kjøleanordningen eller radiatoren, og ut via en solenoidventil 18, som kontrollerer gasstilførselen videre inn i brennerslangen 9. Solenoidventilen styres av startknappen 19 på brennermunnstykket 10. Den samme startknappen vil også aktivere de elektroniske komponentene.

Ved en plasmabrenner med en kjøleanordning ifølge det første utførelseseksempe-let, vil radiatoren kjøles ved tvungen konveksjon, og de elektroniske komponentene vil kjøles via kjøleplaten, ved konduksjon.

Figur 4 viser et mer detaljert riss av kjøleanordningen i henhold til det første utfø-relseseksempelet. En radiator 12 er montert til en side av en kjøleplate 17. Elektroniske komponenter 16 som vil ha behov for kjøling når plasmabrenneren anvendes, monteres til den andre siden av kjøleplaten 17. Radiatoren 12 er av en type som kjøles ved hjelp av gass som strømmer inn i radiatoren 12 gjennom et innløp 20 og ut av radiatoren 12 gjennom et utløp 21. Innløpet 20 er forbundet med den første trykkluftkabelen 14 som igjen er forbundet med trykkluftkilden 5. Mellom innløpet 20 og trykkluftkilden 5 vil det være montert en reduksjonsventil (se f.eks. fig. 3) og en trykkluftregulator 13 for regulering av gasstilførselen til kjøleanordningen 12 og brennermunnstykket 10. Utløpet 21 er forbundet med den andre trykkluftkabelen 15 som fører gassen gjennom en solenoideventil 18 og videre mot brennerkabelen.

På minst en av trykkluftkabiene 14, 15 er det anbrakt en solenoidventil 18 eller annen ventil egnet for å styres ved hjelp av en lett tilgjengelig bryteranordning. I det viste utførelseseksempelet er ventilen 18 montert mellom den andre trykkluftkabelen 15 og brennerkabelen 9. Ventilen 18 kan passende åpnes og lukkes ved hjelp av en startknapp 19 anbrakt på brennermunnstykket, som vist på fig. 1. Startknappen 19 vil også kunne starte lysbuen ved å aktivere det elektriske systemet til plasmabrenneren. Startknappen 19 kan anbringes på ethvert tilgjengelig sted på den bærbare plasmabrenneren etter de pågjeldende krav for bruk av en slik plasmabrenner.

Figur 5 og 6 viser kjøleinnretningen i henhold til et andre utførelseseksempel. Dette utførelseseksempelet benytter samme prinsipp som ved det første eksempelet, dvs. anvendelse av den kalde luften som strømmer fra trykkluftkilden mot brennermunnstykket, og virker i korte trekk som følgende: De elektroniske komponentene med kjølebehov monteres i et gasstett kammer, hvor små kjøleribber eventuelt monteres på de aktuelle komponentene. Luft hentes inn til kammeret etter regulatoren, passerer igjennom kammeret, og ut via en solenoidventil, som leder lufta videre inn i brennerslangen på samme måte som for det første utførelseseksempe-let. Solenoidventilen styres av startknappen på brennermunnstykket, også som beskrevet over. I dette andre utførelseseksempelet kjøles elektronikken direkte ved tvungen konveksjon.

Figur 5 viser en bærbar plasmabrenner 1 med det andre utførelseseksempelet på et kjølesystem i henhold til oppfinnelsen. Plasmabrenneren er forsynt med bæreramme 2, bæreseler 3, batteri 4 og trykkluftkilde 5 som beskrevet over. Trykkluft eller annen gass under trykk føres fra trykkluftkilden 5 gjennom en reduksjonsventil 24 videre gjennom en gasskanal 25 til en trykkluftregulator 13 og videre til en trykkluftkabel 14 som fører trykkluften eller den trykksatte gassen inn i en kjølean-ordning i form av et kjølekammer 6. Trykkluften føres så videre fra kjølekammeret via en andre trykkluftkabel 15 til brennerkabelen 9. Plasmabrenneren 1 er forsynt med reduksjonsventil 14, solenoidventil 18 og startknapp 19, som beskrevet over i forbindelse med det første utførelseseksempelet. Figur 6 viser mer detaljert kjøleanordningen i henhold til det andre utførelsesek-sempelet, delvis i snitt. Gass under trykk føres fra trykkluftkilden via en reduksjonsventil og trykkluftkabel (ikke vist) og videre forbi trykkluftregulatoren 13, gjennom den første trykkluftkabelen 14 og inn innløpet 20 til kjøleanordningen 12 i form av et gasstett kammer. Det gasstette kammeret 12 er delvis tatt vekk på figur 5 for å vise komponentene inne i kammeret. Elektroniske komponenter 16 med kjølebehov, som nevnt over, er anbrakt på en plate 22 slik som f.eks. et printkort 22. Komponentene 16 er videre forsynt med kjøleribber 23. Trykkluft eller gass under trykk, strømmer over kjøleribbene og de elektroniske komponentene i kammeret 12, ut utløpet 21, gjennom den andre trykkluftkabelen 15, forbi den reléstyr-te ventilen 18 til brennerkabelen 9 og videre ut brennermunnstykket (ikke vist).

I det viste eksempelet er kjøleribbene anbrakt i den antatte lengderetningen til luft-strømmen gjennom luftkammeret 12. Som et eksempel, kan man anvende et rib-bearrangement av typen SK106 kommersielt tilgjengelig fra Fischer elektronikk, Ludenscheid, Tyskland. Dette er ekstruderte ribbeenheter med 7 ribber per 40 mm bredde og 27 mm høyde.

Imidlertid vil en person med kjennskap til teknikken stå fritt til å velge orientering, høyde, bredde og antall på ribbene for å oppnå optimal kjøling. Ribbene kan med andre ord også stå på tvers av antatt strømningsretning eller i enhver vinkel mellom 0 og 180° på strømningsretningen. Ribbene trenger heller ikke å stå parallelt, men kan anbringes i ethvert ønsket tilfeldig eller ikke-tilfeldig mønster. Hvis dette er ønskelig, kan ribbene også utelates, slik at den kalde gassen strømmer direkte over de elektroniske komponentene.

Videre kan en også tenke seg at en anvender mer enn et gasstett kjølekammer og dermed fordeler de elektroniske komponentene med kjølebehov i et antall kammer, for eksempel slik at de med størst kjølebehov er i et første kammer, mens komponenter med synkende behov er anbrakt i påfølgende kammer før gassen endelig føres til brennermunnstykket.

Da gassen som strømmer ut av trykkluftkilden kan nå svært lave temperaturer, kan det være av interesse kun å føre en andel av gassen gjennom kjøleanordningen for å oppnå tilstrekkelig men ikke for sterk nedkjøling av de elektroniske komponentene. Hvis dette er ønskelig, kan man arrangere en termostyrt ventil i gasstrømmen i forkant av kjøleanordningen, hvor den termostyrte ventilen ved en gitt temperatur leder en andel av gassen utenom kjøleanordningen gjennom en separat tredje trykkluftkabel forbundet med solenoideventilen og/eller videre til brennerslangen og brennermunnstykket.

Det skal gjøres oppmerksom på at selv om det i innledningen er angitt at en bærbar plasmabrenner med anvendelse av kjent teknikk, vil kunne veie rundt 30 kg, er dette kun et anslag, da det ikke er alminnelig kjent å lage slike bærbare eller med-bringbare plasmabrennere. En alminnelig plasmabrenner for tilknytning til et ledningsnett veier på det nåværende tidspunkt fra rundt 9 kg til rundt 44 kg. En bærbar plasmabrenner omfatter i tillegg bæreinnretninger og bærbare kilder for strøm og trykkluft. Det kan derfor godt hende at en bærbar plasmabrenner med anvendelse av kjent teknikk for kjøling vil kunne ha en enda høyere vekt, og gjerne opp mot 40 kg, eller at vekten vil være noe under 30 kg. Dette vil imidlertid ikke ha betydning for oppfinnelsen, da enhver vektbespareise på denne typen utstyr vil være av stor verdi for brukeren og øke anvendelsesomfanget og rekkevidden betydelig.

Det skal også gjøres oppmerksom på at selv om det i søknadsteksten er gitt eksempler på trykkluftkilder som trykkluftflasker med 300 bar, vil det være åpenbart for en fagperson innen området at trykkluftflasker med andre trykk også kan være aktuelle, så lenge trykket er tilstrekkelig høyt til å tilveiebringe den påkrevde luft-mengden. Det kan for eksempel være flasker med fra 300 bar og nedover mot 50 bar eller enda lavere eller om ønskelig, flasker med et høyere trykk enn 300 bar, dvs. fra 300 bar opp til 600 bar eller enda høyere, f.eks. opp til 1000 bar eller mer. Det kan også anvendes andre typer flasker enn komposittflasker, så som stålflasker, lettmetallsflasker, beholdere i fiberforsterkede polymermaterialer eller annet.

Videre skal det bemerkes at det som strømkilde i de viste eksemplene er vist batte-rianordninger med et antall mindre sammenkoblede enheter. Det er imidlertid også mulig å tenke seg et enkelt batteri som i seg selv gir tilstrekkelig spenning og utla-dingshastighet. Det er åpenbart at dette også vil falle inn under oppfinnelsens om-fang. Batteriene kan også være av en oppladbar type eller batterier til én-gangs bruk. Forøvrig kan strømkilden være enhver egnet kompakt transportabel strømkil-de, slik at et lite, kompakt lettvekst-strømaggregat også vil være tenkelig, for eksempel et aggregat satt sammen av komponenter som er kjent fra radiostyrte fly og annet. Dette vil også falle inn under oppfinnelsen, slik denne er angitt i de ved-lagte krav.

Kjøleeffekten til trykkluften som strømmer fra trykkluftkilden mot brennermunnstykket vil nå bli forsøkt nærmere forklart.

FRI EKSPANSJON OG THROTTLING- PROSESS I LUFT

Fri ekspansjon og reelle gasser

Beskrivelsen av kjøling ved fri ekspansjon av en gass og kjøling fra Joule-Thomson effekten som følger i herunder er hentet fra Fredrick Reif. Fundamentals ofStatisti-cal and Thermal Physics. McGraw-Hill, 1965. Joule-Thomson eller throttling-effekten for luft er tidligere beskrevet og kvantisert i J. R. Roebuck. The Joule-Thomson Effect in Air. Physics, Proe. N. A. S., 12:55.58, 1925.. I J. R. Roebuck and H. Osterberg. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450.457, September 1, 1935 presenteres kurver og tabeller som vil bli benyttet videre herunder, spesielt benyttes Fig.l i J. R. Roebuck and H. Osterberg. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450.457, September 1, 1935. hvor isenthalpiske kurver fra eksperimentelle data er plottet.

Først tar vi for oss fri ekspansjon av en gass. Vi tenker oss en beholder som er delt i to kamre, A og B som er skilt fra hverandre med en stengt ventil. Først er gassen i kammer-, det er vakuum i kammer B. Vi åpner ventilen slik at det strømmer gass fra A til B. Det oppnås likevekt med samme trykk i begge kamre. Vil temperaturen endre seg under ekspansjonen?

Vi antar at beholderen er udeformerbar og termisk isolert fra omgivelsene slik at varmetransporten Q til omgivelsene er neglisjerbar, det siste kan skrives

Siden beholderens vegger er faste så utføres det ikke noe mekanisk arbeide W på omgivelsene Fra termodynamikkens første lov Q = AE + W følger det at den totale energien er bevart for denne prosessen For enkelthets skyld antas det at beholderen har neglisjerbar varmekapasitet. Den vil da ikke absorbere noe varme (i virkelighetens verden benyttes ofte stålbeholde-re og de har stor varmekapasitet). Eksperiment med en gassbeholder som beskrevet over og nedsenket i vann ble utført av Joule. Vannets temperatur før og etter ekspansjonen ble målt og det ble ikke registrert noen endringer. I ettertid kan en si at målenøyaktigheten ikke var særlig god, men det indikerer i alle fall det resultatet som er forventet av en ideell gass. Vi har generelt at den indre energien er bevart

Vi skiller videre mellom ideelle og reelle gasser. For en ideell gass er energien som skylles vekselvirkninger mellom molekylene neglisjert og den indre energien er kun avhengig av temperaturen, E = E( T). For denne tilnærmelsen gjelder: Temperaturen blir den samme før og etter ekspansjonen. Dette gjelder ikke nød-vendigvis for en reell gass.

Ikke ideelle gasser

For en reell gass må en ta hensyn til den molekylære interaksjonen. Disse kan fra-støte og tiltrekke hverandre. En kan omtrentlig si at ved høye temperaturer vil molekylene frastøte hverandre, ved lave temperaturer vil de tiltrekke hverandre. Tilstandsligningen for en gass kan generelt skrives

hvor koeffisientene B2lB3, ... kalles viral koeffisienter. For en ideell gass er disse neglisjerbare. Den svake vekselvirkningen (attraksjon) mellom molekyler med stor avstand viser seg å være signifikant ved lave temperaturer, hvor også molekylenes kinetiske energi er liten. Dette resulterer i en mindre avstand mellom molekylene enn uten denne vekselvirkningen. Attraksjonene resulterer i et redusert trykk. For dette tilfellet er S2(T) < 0. I et høyere temperaturregime er den kinetiske energien høyere og repulsive kortdistansekrefter vil dominere. Siden en får frastøtning etter-som temperaturen øker, så vil d~ B2( T)/ d~ T> 0 og S2(T) vil bli positiv. Dette muliggjør både avkjøling og oppvarming med fri ekspansjon avhengig av hvilken temperatur og tilstand gassen er i.

Van der Waal innførte følgende empiriske ligning for en reell gass

hvor v = V/ v er det molare volumet, a og b er positive konstanter spesifikke for den aktuelle gassen. For en tynn gass er a << v og b << v og (2.2) reduseres til tilstandsligningen for en ideell gass PV = vRT.

Vi er ute etter å se på effekten av avviket fra ideelle gasser, f.eks. avviket i indre energi sammenlignet med ideell gass. For en ideell gass er 5(7", v) = E( T). Hva blir for eksempel endringen i indre energi 5(7", v) - E( T0l v0) for en van der Waals gass. Ved å derivere (2.2) får vi

Vi har fra termodynamikken at hvor vi har benyttet Maxwell relasjonen Dette gir Vi innfører indre energi per mol, e og kan skrive Vi har også at Varmekapasiteten cv er kun en funksjon av temperatur for en van der Waal gass. For den indre energi/mol kan vi i følge (2.4) skrive som integrert gir For tilstrekkelig små temperaturendringer kan cv ansees å være konstant og (2.10) gir

hvilket viser at for en fri ekspansjon så avkjøles gassen (7 < 7"0).

Joule-Thomson prosessen

Vi skal se hva som skjer når gass strømmer gjennom en forhindring eller ventil. Trykket på oppstrømssiden er større enn trykket på nedstrømssiden, p1 > p2. Dette vil føre til en ekspansjon av gassen. I Joule-Thomson prosessen antar en at det strømmer gass inn mot ventilen med konstant trykk og temperatur og tilsvarende ut av ventilen. Vi ser bort fra varmetapet til/fra omgivelsene og antar at alle stør-relser er konstante over det tidsintervall som skal til for å oppnå termodynamisk likevekt. Vi antar at prosessen er tilnærmet adiabatisk.

Betrakt gasen på oppstrømssiden av ventilen. Det arbeidet som skal til for å trans-portere en masse M = p2V2 igjennom ventilen er p2V2. På nedstrøms side blir arbeidet utført av massen M tilsvarende PilA. Netto arbeid blir

Endringen i indre energi blir I følge antagelsen om adiabasi er ingen varme absorbert av massen M, Q = 0, og

Enthalpien H er konstant for denne prosessen.

For en ideell gass kan enthalpien skrives

Denne er kun en funksjon av temperaturen. I dette tilfellet gjelder H( T2) = H(Ti) og Ti = T2. Temperaturen er konstant. For en reell gass vil Joule-Thomson prosessen føre til endring i temperatur som vi skal se seinere. Størrelsen p = ( d~ T/ d~ p) H kalles Joule-Thomson koeffisienten og dette er en viktig parameter i beskrivelsen av denne prosessen, u > 0 gir avkjøling mens u < 0 gir oppvarming. Endringen i enthalpien kan skrives

Siden vi ikke har noe endring i enthalpien får vi Dermed får vi følgende uttrykk for Joule-Thomson koeffisienten Fra Maxwell relasjonene får vi Her er a volumekspansjonskoeffisienten. Vi kan dermed skrive For en ideell gass er a = T<1> og u = 0. En trunkert versjon av ekspansjonen (2.1) kan skrives Joule-Thomson koeffisienten blir for dette tilfellet

Ved lave temperaturer hvor molekylene er i en attraktiv tilstand vil B2 < 0 og 5S2/5r > 0 slik at £/ > 0. I dette tilfellet vil Joule-Thomson prosessen føre til en av-kjøling. Det er verdt å merke seg at det finnes gasser, for eksempel He, som har overgangen p = 0 ved lave temperaturer 34°K, mens for N2 (luft) skjer dette ved 625°/C. For høyere trykk senkes p = 0 punktet. Vi merker oss at luft hovedsaklig består av oksygen 02 og nitrogen N2. Begge er to-atomige og oppfører seg likt termodynamisk. Derfor kan luft godt simuleres med en rein N2 gass. Isenthalpiske kurver som spenner over et stort temperatur og trykkområde er gitt i Fig.l i J. R. Roebuck and H. Osterberg. The Joule-Thomson Effect in Nitrogen. Phys. Rev., 48:450.457, September 1, 1935.

Luftstrøm fra en flaske og gjennom en reduksjonsventil

Her er det to effekter som gjør seg gjeldende. Den ene er ekspansjonen av gassen idet trykkflaska tømmes, og den andre er passeringen av lufta gjennom reduksjonsventilen. Begge prosessene vil føre til avkjøling av gassen. Vi har m ålt tidsutviklingen av temperatur og trykk etter reduksjonsventilen. Tidsutviklingen av trykket innenfor ventilen er også blitt målt. Utviklingen av gassens temperatur inne i flaska kan da estimeres fra gassens isenthalpiske kurver. I vårt tilfelle (0 < p <

300 Bar, -30°C < T < 20°C) er alle isenthalpiske kurver "parallelle", slik at en ønsket isenthalpisk kurve kan oppnås ved å forskyve en annen langs temperaturaksen. Vi har plukket ut den isenthalpen som går gjennom punktet (-3°C, 20 Bar). Denne er vist i Diagram 1 under. Vi skal huske at bruken av isenthalpiske kurver gjelder approksimativt under adiabatiske forhold.

For hvert tidspunkt gjelder at

Ti kan bestemmes ut fra de målte størrelsene pu T2, p2. Vi avleser Ti for målt Pi på den isenthalpiske kurven som går gjennom (p2, 7"2), se Diagram 1.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Avvik fra adiabsi er den største kilden til feil i ekspansjons og throttling-prosessen. Måleresultater viser at temperaturen til lufta etter reduksjonsventilen varierer med trykket etter reduksjonsventilen (p2). Ifølge teorien for throttling burde temperaturen falle med redusert trykk mens målingene viser det motsatte. Dette er vist i Diagram 2. Forskjellene er relativt store.

Ved å øke trykket senkes temperaturen. Målinger er gjort ved p2 = 2 Bar, 5 Bar, 10 Bar hvor 10 bars trykk gir lavest temperatur. Ifølge teorien som er basert på konstant enthalpi burde det være motsatt. Fallet i temperatur med fallende trykk esti-mert fra den isenthalpiske kurven er 2-3°C. Dette er ikke konsistent med det som faktisk måles. Det målte temperaturfallet er på hele 10-15°C, hvor temperaturfallet øker med økt trykk, våre teoretiske resultater er basert på antagelsen om adiabasi. Inkonsistensen beskrevet over kan forklares ved at prosessen ikke er adiabatisk. Dette er i overensstemmelse med det observerte faktum at ventilen og det omkringliggende metallet avkjøles betydelig. Denne varmen tilføres gassen og altså blir gassen varmere enn det den idealiserte teorien vil gi. Det er derfor essensielt å måle den avkjølingen som faktisk oppnås for å finne ut om denne er tilstrekkelig for formålet.

Luft er et kompressibelt medium. Ved å øke trykket etter ventilen fra 2 til 10 Bar, vil tettheten endre seg en faktor 5 ved 10 Bar, (p = p/ RT). Den aktuelle tempera-turdifferansen er av minimal betydning for resultatet. Varmekapasiteten C til gassen er 5 ganger høyere ved lObar enn ved 2bar. For varme og temperatur kan vi tilnærmet skrive AT = AQ/C. Siden 11 ATT 11 << T kan vi skrive hT2bar/ ffiwbar « Cioiar / C2bar = 5. Altså kan vi forvente en høyere temperatur ved 2 Bar enn ved 10 Bar forutsatt at det foregår varmetransport fra de omkringliggende komponentene. Begge temperaturene blir høyere enn den ideelle temperaturen Tad som fremkom-mer ved adiabatiske forhold. Vi har flere målinger og det er prinsipielt mulig å be-regne Tad

Vi ser at T10 ->■ rad når Cio ->■<».

Eksempel: Med T2 = -10°C, T10 = -27°C, blir Tad = -32°C. Ved avlesning på den matchende isenthalpiske kurven får vi en endelig temperatur inne i flaska på ca. - 15°C etter at trykket er blitt redusert til 100 Bar, dvs. etter ca. 100s. Etter dette ser det ut til at kurvene flater ut.

Temperaturfallet for en komposittflaske og slange sammenlignet med stålflaske og slange vises i Diagram 3 og 4. Varmekapasiteten og varmeledningsevnen til kom-posittmaterialet er mindre enn for stålet. Derfor blir varmetapet til omgivelsene mindre for kompositt enn for stål. Vi kan anta at det for stålflasker er et betydelig varmetap fra stålflaska til gassen (når gasstemperaturen er lavere enn ståltempe-raturen). Dette fører til et betydelig avvik fra adiabasi. I en fornuftig beregning av gassens/luftas avkjøling må en ta hensyn til dette. Ved å måle trykk og temperatur etter reduksjonsventilen samtidig med trykket i flaska så kan likevel temperaturen inne i flaska estimeres (som vi har sett over).

Det oppnås en lavere lufttemperatur etter reduksjonsventilen for kompositt enn for stål og det tar lenger tid før komposittflaska når sin laveste temperatur (målt uten-på flaska). Dette er vist i Diagram 3 og 4 og er i overensstemmelse med det en kan forvente. Siden flaske, reduksjonsventil metalldeler omkring denne avkjøles, så holder ikke antagelsen om adiabasi. Målingene viser at en likevel oppnår en rikelig avkjøling. For en komposittflaske oppnås en temperatur under -30°C etter 120s ved 10 Bar slangetrykk. Anta at trykket inne i flaska er 30 Bar på dette tidspunktet. Da kan vi fra den isenthalpiske kurven avlese en temperatur på i underkant av

-20°C inne i flaska.

Konklusjon: Ekspansjonen av luft i en gassflaske sammen med throttling-prosessen i en reduksjonsventil gir rikelig mengder med avkjølt luft for kjøling av elektronikken i en plasmabrenner. Det oppnås temperaturer under -30°C tilgjengelig for kjøling av elektronikk og temperaturer under -20°C i gassflaska. Det kan diskuteres hvorvidt en trenger 300 Bar som starttrykk i gassflaska. Joule-Thomson prosessen er mindre effektiv ved høye trykk, siden den isenthalpiske kurven flater ut og Joule-Thomson indeksen p da nærmer seg null.

Oppfinnelsen er her beskrevet med referanse til anvendelse av luft som kjølende gass. Luft regnes vanligvis som en gassblanding med omtrent 80% N2 og omtrent 20% 02 eller 100% N2. Basert på hva som er forklart angående ekspansjon av trykksatt luft ekspandert gjennom en dyse, vil det være mulig for fagpersonen, uten unødig eksperimentering, å komme frem til fluider eller fluidblandinger som oppfører seg på tilsvarende måte. Eksempler på andre fluider eller fluidblandinger som kan tenkes å være anvendelige er C02, 02/ N2 og/eller blandinger av disse, faktisk vil de fleste fluider, med unntak av helium, hydrogen og neon, trolig kunne anvendes, men på grunn av den lette og billige tilgjengeligheten på luft, er dette en gass/gassblanding som er foretrukket.

Claims (10)

1. Bærbar plasmabrenner (1) omfattende bæreanordning (2, 3), strømkilde (4) og trykkluftkilde (5), hvor trykkluftkilden (5) og elektronikkammer (6) er montert til bæreanordningen (2), plasmabrenneren (1) er videre forsynt med jordingsmiddel (7,8) og brennerinnretning (9, 10), karakterisert ved at kjøling av elektriske komponenter i elektronikk-kammeret (6) utføres ved hjelp av trykkluft eller gass fra trykkluftkilden (5).

2. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 1, hvor trykkluft føres ut av trykkluftkilden gjennom en reduksjonsventil (24) via en trykkluftkanal og/eller -kabel (25, 14), gjennom en kjøleanordning (12) for kjøling av de elektroniske komponentene og videre gjennom en trykkluftkabel (15) til brennerinnretningen (9,10).

3. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 1 eller 2, hvor en trykkluftregulator (13) er tilveiebrakt mellom trykkventilen (24) og kjøleanordningen (12).

4. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge et av kravene 1-3, hvor trykkluftkilden (4) er en gassbeholder med et trykk på fra 50 til 1000 bar, fortrinnsvis fra 150 til 600 bar, mer foretrukket fra 150 til 350 bar.

5. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge et av kravene 1-4, hvor strømkilden (4) er en batterianordning.

6. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge et av kravene 1-5, hvor kjøleanordningen (12) er en radiator.

7. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 6, hvor radiatoren (12) er festet til en første side av en kjøleplate (17) og de elektroniske komponentene er til en andre side av kjøleplaten (17).

8. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge et av kravene 1-5, hvor kjøleanordningen (12) er et gasstett kjølekammer.

9. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 8, hvor de elektroniske komponentene er montert på innsiden av kjølekammeret (12).

10. Bærbar plasmabrenner (1) ifølge krav 9, hvor de elektroniske komponentene er forsynt med kjøleribber.