TW536601B - Apparatus and method for transferring a cryogenic fluid - Google Patents

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John Herbert Frey
Jean-Philippe Trembley
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Air Prod & Chem
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Description

536601 A7 _________B7___ 五、發明說明（/ ) 【發明背景】 【相關技藝說明】 在多種低溫流體傳送應用中’相當重要的一點是欲被 傳送的流體係在100%的液體狀態，或者盡可能的接近100 %。傳統地，此需要該流體被初始地相分離和/或在一熱 交換器中被過冷卻，和/或真空包覆該管線以保持其良好 絕緣。否則，在該傳輸線之熱洩漏將會造成汽化，因而造 成在傳輸線中的流動波動且造成一非穩定、脈動及大體上 不理想的流動。熱洩漏對於長的傳輸線路特別係爲一個問 題。 本發明對於低溫傳送線路著重於此第一重點而具有一 同軸或者 ''套管式(tube-in-tube)〃幾何形狀，其中該低溫流 體之第一部份流經內管，而第二部份流經介於該內管及外 管之間的環形區域，且係處於較該第一部份爲低之壓力狀 態。由於此壓力差，熟習此項技藝人士可瞭解：在環形區 域中的液體可提供一冷凍義務至在內管內側的液體（例如 :諸如被沸騰的），使得此內部液體係被冷卻且保持一飽 和的液體。較佳地，該液體甚至係被輕微地過冷卻，使得 冷凍之v'緩衝〃係可抵抗熱洩漏。 在多種低溫液體傳送應用中亦很重要的係爲該傳輸管 線係爲輕重量的以及彈性的。此提供在裝置、操作以及維 修期間的最大自由度，且亦使得該管線可抵抗重複的彎折 。本發明著重此對於低溫傳送管線之第二重點，藉由一彈 性材料（例如一聚合材料）來製造該管線的至少一部份。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _·---- 一一5J5 I n n n ϋ n n I I ϋ n n n n ϋ n n ϋ 1 n n n ϋ ϋ ·1 n ϋ n ϋ 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 536601 A7 ____B7 五、發明說明（^) 先前技藝中對於一低溫流體傳送管線並未提供有關著 重此兩者之重要的重點。 美國專利第3,696,627號（Longsworth)中揭示了一種 液體低溫傳送系統，其具有一剛性同軸管路設備用於過冷 卻以及穩定在傳送期間的冷凍流動。美國專利第4,296,610 號（Davis) ' 第 4,336,689 號（Davis)、第 4,715，187 號（
Stearns)以及第5,477,691號（White)揭示有相同的系統 〇
Chang et al.揭示了用於使用在低溫外科系統中之非金 屬彈性低溫傳送管線，其中該冷凍劑係使用於冷卻在一低 溫外科系統中之該低溫探測器（〜高性能多探測器低溫外 科手術裝置之發展〃，生化醫療手段及技術，一九九四年 九h月，第383 — 390頁）。由於該熱洩漏汽化係來自在 Chang的彈性管線的設計中的結果，此種管線必須爲短的 且供給一實質上過冷卻的液體（例如在-214°C的液態氮） 以爲了正確地工作。此需要上游使用複雜且昂貴的低溫儲 存、供給及控制系統。 低溫傳送管線係被揭示使用於機械應用之中，其中該 冷凍劑係用於冷卻切具及工件的介面。可參照美國專利案 第 2,635,399 號（West)、第 5，103,701 號（Lundm)、第 5,509,335 號（Emerson)、第 5,592,863 號（Jaskowiak)、 第 5,761，974 號（Wagner*)以及第 5,901，623 號（Hong)之 範例。相似於Chang之範例，此種管線必須要短且供應一 實質上過冷卻的低溫液體以抵抗熱洩漏汽化以及因此需要 k 4 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·---
一5J^ n n H ϋ n n n I I ϋ n ϋ n n n n n n n n n «1 n n n n ϋ n ϋ n I 536601 A7 ___Β7 五、發明說明（j ) 一昂貴的上游過冷卻系統。 美國專利案第3,433,028 (Klee)揭露了一種同軸系統 用於傳輸低溫流體在單純的單一相中通過實質上的距離。 使用固定尺寸、在低溫傳輸內管線的入口孔洞，該液體係 可進入該外管線，在此處當承受到外部熱洩漏時，其會汽 化。一熱感應爲主的流動控制單元，安裝於此同軸管線之 出口端，根據所需要的溫度値而閉塞在外管線中之蒸汽的 流動，其通常係高於在內管線中之液體的沸點50至100°F 。結果是，該外管線壓力可能接近冷凍劑源壓力，且其蒸 汽通常會比內部管線液體較爲溫暖。此外，高度熱洩漏無 法完全地被計算，因爲進入該外管線用於蒸發之液體的量 係被該固定尺寸的入口孔洞不變地限制。此種操作原理需 要在建造此種管線時使用高壓抗、非彈性金屬管以及厚壁 的熱絕緣。 日本專利第06210105A教示了一種聚合同軸傳輸管線 用於非低溫除氣應用。該管件材料特性妨礙了在低溫應用 中傳送管線的使用。 【發明槪要】 本發明係爲一種用於傳送一低溫流體之方法及裝置。 〜聚合同軸傳輸線係被利用，其中該低溫流體之第一部份 流經一內導管，而第二部份流經介於該內管及外管之間的 環形區域，其中環形區域係處於較該內側導管較低壓力之 狀態。在一種實施例中，該內導管實質上係非滲透性的且 __5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·---- 一 f n an n in n n n I n ϋ n n n n ϋ in n I ϋ ·ϋ amema n ·ϋ Ha n n n n n n n 536601 A7 __B7___ 五、發明說明) 該傳輸線係藉由一流動控制箱所前導，以分配該低溫流體 之第一和第二部份之至少一部份分別至該內導管和該環形 區域。在第二實施例中，該內導管之至少一部份係相對於 氣體滲透及液體滲透兩者爲滲透性的，使得該第一部份之 氣體部份和液體部份滲進該環形區域以形成該第二部份之 至少一部份。 【圖式簡單說明】 圖1 係本發明其中一種實施例之示意圖。 【元件符號說明】 2 0 流動控制箱 2 2 傳輸線 3 0 入口 6 1、 6 2、6 3通斷閥 6 4 計量閥 6 6 三通連結器 6 8 外殼 7 0 絕緣件 7 2 內管 7 4 外管 7 6 夾具 7 8 接頭 8 4 壓力釋放閥 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I ·ϋ ϋ I ϋ ϋ n^OJ^ ϋ ϋ ϋ n n I I I ϋ I n ϋ ϋ I I n ϋ I ϋ ϋ n n n ·ϋ n ϋ ϋ — ϋ n n 536601 A7 ________B7____ 五、發明說明（t ) 8 6、8 8 旁通孔 【詳細說明】 本發明之聚合、同軸的傳輸線關於其〜般的實施例， 例如圖1中的實施例，係最佳地被闡明，在此處該傳輸線 2 2係藉由一流動控制箱2 0前導。傳輸線2 2包含一內 管7 2，該內管7 2係被一外管7 4所環繞，該外管7 4 係被絕緣件7 〇所環繞，該絕緣件6 8係被彈性保護外殼 6 8所環繞。該低溫流體之第一部份流經該內管，而第二 部份流經介於該內管及外管之間的環形區域。該第一部份 係處於較該第二部份爲高之壓力狀態下。 該傳輸線之至少一部份係由彈性的材料所製成，例如 一聚合材料。在一種可能的實施例中，實質上所有的內管 以及實質上所有的外管係由彈性、聚合材料所製成。在另 一種可能的實施例中，實質上所有的外管可由彈性聚合材 料製成，而實質上所有的內管可由在低溫溫度時不易破碎 的彈性非聚合材料所製成，諸如：（1)銅及其合金（2)鋁及 其合金（3)鎳及其合金（4)奧氏體不銹鋼（5)高密度石墨 (6)陶磁纖維紡織編織管件產品。在另一個實施例中，實質 上所有的內管及實質上所有的外管係從以下彈性非聚合材 料之族群中選出製成，包含··（1)銅及其合金（2)鋁及其合 金（3)鎳及其合金（4)奧氏體不銹鋼（5)高密度石墨（6)陶 磁纖維紡織編織管件產品。在次另一種實施例中，實質上 所有的外管可由一彈性的絕緣材料製成。在其次另一種實 m 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·---- 匀“----- 線丨« 536601 A7 _______Β7 五、發明說明（乙） 施例中，該內管和/或外導管可具有實質上係矩形、多邊 形、橢圓形或者其它規則形狀幾何圖形之形狀的截面，而 代替圓管。 該內管可實質上係爲非滲透性的，使得沒有（如果任 何）在環形區域中的流體之第二部份係爲滲透穿過該內管 之結果。或者，至少該內管的一部份可具有鑽入於其之孔 洞和/或相對於氣體滲透和液體滲透係爲滲透性的，使得 該第一部份之氣體部份和一液體部份滲進該環形區域，以 形成該第二部份的至少一部份。或者，該內管之某區段， 或許係硏著該內管之長度均等地間隔，可爲增強的滲透性 Ο 該傳輸線係有利地藉由一流動控制機構所前導，以分 配該低溫液體之第一及第二部份的至少一部份分別地至該 內管及環形區域，例如顯示於圖1中之流動控制箱2 〇。 該流動控制機構亦可典型地整合有機構（例如：閥）以減 少分配至環形區域之流體的第二部份的壓力，至少流體之 第二部份之一部份係如同一液體被分配至該環形區域中。 由於此壓力差，在環形區域中的液體可提供一冷凍效果至 在內管內部的流體。在至少部份地滲透之內管的例子中， 來自該內管進入該環形區域之滲透氣體可增補至少一部份 該藉由該流動控制箱所執行的流體分配。該流動控制箱之 連接及內部元件包含三個通斷（例如：電磁線圏）閥（6 1、6 2、6 3 )以及一手動計量閥6 4，該等閥係與該 入口 3 0流體連接至該流動控制箱，且用於接收及調壓該 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 0 ί---- 線丨# 536601 A7 ____Β7___ 五、發明說明（"j ) 低溫流體之流動。流動控制箱2 〇之一關鍵的內部元件係 三通連結器6 6，其分別地導入該低溫流體之第一及第二 部份至該內管及環形區域。螺紋接頭7 8連接該三通連結 器6 6至該外管7 4。一可選擇使用的夾具7 6可被使用 以將該外管夾住至該螺紋接頭。流動控制箱2 〇具有一絕 緣外殼以及選擇地包含絕緣塡料。壓力釋放閥8 4係爲選 擇性的。通/斷閥6 2和6 3具有一內部的旁通孔（8 6 、8 8 )鑽入於其內部之中或者具有閥座。 在環形區域中之第二部份的流體之至少一部份可被傳 送至傳送目的地和/或在內管中延著液體流動之冷卻目標 。隨意地，在環形區域中之第二部份的流體之至少一部份 可被排出遠離該傳送目的地/冷卻目標。在前者情況中， 其可經由一同軸噴嘴而達成，該噴嘴具有一內導管和一外 導管，該內導管係與該傳輸線的內管流體連通，而該外導 管係與該傳輸線的環形區域流體連通。在後者的情況中， 所有的環形區域之流體係被排出，此可去除在環形區域中 的流動方向與該內管之流動方向同流之壓迫性。較佳地， 任何噴嘴應包含熱收縮連接器以防止在傳輸線以及噴嘴的 介面之間的滲漏。 用於本發明之傳輸線合適的聚合材料之例子包含以碳 爲主的聚合物、碳一氟爲主的聚合物、共聚物及其混合物 例如 Teflon™產品。（Teflon™係爲 E丄 Dupont de Nemours and Company之註冊商標。） 可被本發明之傳輸線傳送之低溫流體的例子包含氮、 9 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂卜--------線. 536601 A7 B7 [y 五、發明說明（ 氬或其混合物。 本發明用於傳送一低溫流體之設備及方法特別係適合 於需要相對低流率以及迅速的流體回應之傳送地點和/或 冷卻目標。用於本發明之傳輸線的此種傳送目的地和/或 冷卻目標之例子包含： (1) 用於應力篩選電子元件之環境測試室； (2) 欲被收縮配接之元件； (3) 用於生物學儲存之標本保持容器； (4) 一氮滴分配器； (5) 在機械應用中之切具和/或工件；以及 (6) 於低溫外科系統中之低溫探測器。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ;β ^♦OJI n n n n n I ϋ I ϋ n n n ϋ n ϋ n ϋ I n n n 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 536601 儲 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種用於傳送一低溫流體之傳輸線’其包含一內導 管，該內導管藉由一外導管所環繞，其中： 該低溫流體之第一部份流經該內導管’而第二部份流 經介於該內導管和外導管之間的環形區域； 該第一部份係處在較該第二部份爲高的壓力狀態下； 該傳輸線的至少一部份係由一彈性的材料製成；以及 在該環形區域中之第二部份流體的至少一部份係爲液 體，其提供給在內導管中之第一部份流體一冷凍義務。 2. 如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中該外導管係 爲管件，且其中該內導管係由實質上非滲透性聚合材料製 成之管件。 3. 如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中該內導管的 至少一部份係由聚合材料製成，其相對於氣體滲透及液體 滲透兩者係爲滲透性的，使得該第一部份之氣體部份和液 體部份兩者滲透進入該環形區域以形成該第二部份的至少 一部份。 4·如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中該傳輸線係 藉由一流動控制機構前導，以分配該低溫流體之第一和第 二部份的至少~部份分別至該內導管和環形區域。 5·如申請專利範圍第4項之傳輸線，其中該流動控制 機構係爲一流動控制箱，包含： 一入口，其用於接收一低溫流體； 複數個閥，其係與該入口流體連通且用於接收及調壓 該低溫流體之流動，其中該等閥之至少一個係爲一通/斷 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公爱) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、\έ 線 536601 A8B8C8D8 申請專利範圍 閥且至少該等閥之至少一個係爲一計量閥；以及 個二通連結器，其具有〜與該至少一個閥流體連通 之第一末端以及與該傳輸線流體連通之第二末端。 ^如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中在環形區域 中之第一部份流體之至少一部份經由使用一同軸的噴嘴被 傳送至傳送目的地和/或沿著在內導管中之液體流動的冷 卻目標；該噴嘴具有一內導管以及一外導管，該內導管係 與該傳輸線之內導管液體連通，該外導管係與該傳輸線之 環形區域液體連通。 7.如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中該第二部份 之至少一邰份係從該環形區域被排出遠離該傳送目的地和 /或該冷卻目標。 ^ 8·如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中該彈性的材 料係從一族群所選出之聚合材料，該族群係包含：以碳爲 主的聚合物、碳一氟爲主的聚合物、共具物及其混合物。 9.如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中該低溫流體 係從一族群中所選出，該族群包含：氮、氬或其混合物。 10·如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中該傳輸線係 使用以傳輸該低溫流體之至少~部份至一傳送目的地和/ 或從該族群中所選出之冷卻目標，該族群包含： 一用於應力篩選電子元件之環境測試室； 一欲被收縮配接之元件； 一用於生物學儲存之標本保持容器； 一氮滴分配器； 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) · 訂： 線 536601 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 一在機械應用中之切具和/或工件；以及 一在於低溫外科系統中之低溫探測器。 11· 一種使用一傳輸線而用於傳送一低溫流體之方法， 該傳輸線包含一內導管，該內導管係被一外導管所環繞， 該步驟包含流動該低溫流體之第一部份流經該內導管，而 流動一第二部份經過~介於該內導管及外導管之間的環形 區域，其中： 該第一部份係處在較該第二部份爲高的壓力狀態下； 該傳輸線的至少一部份係由一彈性、聚合的材料製成 :以及 在該環形區域中之第二部份流體的至少一部份 f係爲液 體，其提供給在內導管中之第一部份流體一冷凍義務。 12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該外導管係 爲管件，且其中該內導管係由實質上非滲透性聚合材料製 成之管件。 13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該內導管相 對於氣體滲透及液體滲透兩者係爲滲透性的，使該第〜部 份之氣體部份和液體部份兩者從該內導管滲透進入該環形 區域以形成該第二部份的至少〜部份。 14·如申請專利範圍第11項之方法，其中該傳輸線係 藉由一流動控制機構前導，以分配該低溫流體之第〜和第 二部份的至少一部份分別至該內導管和環形區域。' 15·如申請專利範圍第14項之方法，其中該流動控制 機構係爲一流動控制箱’包含： (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 訂·· 線 國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） 536601 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 一入口，其用於接收該低溫流體； 複數個閥，其係與該入口流體連通且用於接收及調壓 該低溫流體之流動，其中該等閥之至少一個係爲一通/斷 閥且至少該等閥之至少一個係爲一計量閥；以及 一個三通連結器，其具有一與該至少一個閥流體連通 之第一末端以及與該傳輸線流體連通之第二末端。、 16. 如申請專利範圍第11項之方法，其中在環形區域 中之第二部份流體之至少一部份經由使用一同軸的噴嘴被 傳送_傳送目的地和/或沿著在內導管中之液體流動的冷 卻目標；該噴嘴具有一內導管以及一外導管，該內導管係 與該傳輸線之內導管液體連通，該外導管係與該傳輸線之 環形區域液體連通。 17. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該第二部份 之至少一部份係從該環形區域被排出遠離該傳送目的地和 /或該冷卻目標。 18. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該彈性材料 係從一族群所選出之聚合材料，該族群係包含：以碳爲主 的聚合物、碳一氟爲主的聚合物、共具物及其混合物。1 19. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該低溫流體 係從一族群中所選出，該族群包含：氮、氬或其混合物。 20. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該傳輸線係 使用以傳輸該低溫流體之至少一部份至一傳送目的地和/ 或從該族群中所選出之冷卻目標，該族群包含： 一用於應力篩選電子元件之環境測試室； 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線 $ 536601 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 一欲被收縮配接之元件； 一用於生物學儲存之標本保持容器； 一氮滴分配器； 一在機械應用中之切具和/或工件；以及 一在於低溫外科系統中之低溫探測器。 21. 如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中實質上 的內導管以及實質上所有的外導管係由彈性、聚合材料有 製成。 、所 22. 如申請專利範圍第丨項之傳輸線，其中實質上所有 的外導管係由彈性聚合材料所製成，而實質上所有的內導 管係從一彈性非聚合材料之族群中選出製成，該族群包含 :(1)銅及其合金⑵錦及其合金⑶鎳及其合金⑷奧氏體 不銹鋼（5)高密度石墨（6)陶磁纖維紡織編織管件產品。 23·如申請專利範圍第11項之方法，其中實質上所有 的內導管及實質上所有外導管係由彈性聚合材料所製成ό 24·如申請專利範圍第u項之方法，其中實質上所有 的外導管係由彈性聚合材料所製成，而實質上所有的內導 管係從一彈性非聚合材料之族群中選出製成，該族群包含 :(1)銅及其合金（2)鋁及其合金（3)鎳及其合金（4)奧氏體 不銹鋼（5)高密度石墨（6)陶磁纖維紡織編織管件產品。 25. 如申請專利範圍第3項之傳輸線，其中該內導管沿 者其長度之適當區段係具有增強之滲透性。 26. 如申g靑專利範圍第13項之方法，其中其中該內導 管沿著其長度之適當區段係具有增強之滲透性。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格297公爱） (請先閲*m背面之注意事項再塡寫本頁) •II 線 536601 頜 C8 D8 六、申請專利範圍 27. 如申請專利範圍第1項之傳輸線，其中實質上所有 的內導管和實質上所有的外導管係從一彈性非聚合材料之 族群中選出製成，該族群包含：（1)銅及其合金（2)鋁及其 合金（3)鎳及其合金（4)奧氏體不銹鋼（5)高密度石墨（6) 陶磁纖維紡織編織管件產品。 28. 如申請專__第1項之傳輸線，其中實質上所有 的外導管係由彈性絕緣材料所製成，而實質上所有的內導 管係從一彈性非聚合材料之族群中選出製成，該族群包含 :(1)銅及其合金（2)鋁及其合金⑶鎳及其合金⑷奧氏體 不銹鋼（5)高密度石墨（6)陶磁纖維紡織編織管件產品。 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 線 $ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐）
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