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Dokumentenidentifikation DE69621388T2 19.09.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0762094
Titel Trockengasvorhang für kryogenische Oberfläche
Anmelder The Perkin-Elmer Corp., Norwalk, Conn., US
Erfinder Vogel, Herman, Newtown, Connecticut 06482, US
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69621388
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.07.1996
EP-Aktenzeichen 961108362
EP-Offenlegungsdatum 12.03.1997
EP date of grant 29.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse G01K 17/00
IPC-Nebenklasse F24F 9/00   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft den Schutz einer kalten Oberfläche vor Kondensation von der umgebenden Atmosphäre und besonders eine Vorrichtung, die einen laminaren Vorhang aus Trockengas über der kalten Oberfläche einer kryogenen Einrichtung, z. B. einem Kalorimeter, zur Verfügung stellt.

HINTERGRUND

Eine Anzahl von Einrichtungen und Instrumenten, wie z. B. Kalorimeter, benutzen flüssigen Stickstoff oder anderes verflüssigtes Gas in einem Vorratsbehälter bei sehr niedriger Temperatur. Solche Instrumente haben oft eine gekühlte ("kryogene") Arbeitsfläche, die normalerweise während des Betriebs des Instruments unter einer Abdeckung eingeschlossen ist. Wenn die Abdeckung zum Einbringen, Entfernen oder Minipulieren von Testproben geöffnet wird, werden die Arbeitsfläche und die Proben der Umgebungsluft ausgesetzt. Die Feuchtigkeit in der Luft beschlägt oder bereift im allgemeinen die Arbeitsfläche und die Proben, sofern kein Schutz bereitgestellt wird. Ein herkömmlicher Schutz wird durch einen Trockenkasten zur Verfügung gestellt, der wenigstens für die Zeit der Probenmanipulation als eine Abdeckung über die Arbeitsfläche gestellt wird. Ein solcher Kasten besitzt trockene Luft oder Stickstoff, die unter leichtem Druck eingeleitet werden, Löcher mit zwei Handschuhen, die in den Kasten hineinreichen, und eine Schleuse zum Durchführen der Proben. Die Anwendung dieses Systems ist recht mühsam besonders bei der Manipulation empfindlicher Proben mit Pinzetten beim Benutzen von Handschuhen.

Laminare Gasströme sind für Türeingänge benutzt worden, wie aus dem Dokument EP-A- 0362958 bekannt, um die Vermischung von Außen- und Innenluft zu minimieren, so dass Leute passieren können, ohne Türen zu öffnen, um z. B. das Innere vor extremer Temperatur oder medizinischer Kontamination zu schützen. Laminarströmungshauben sind bei der Arbeit mit Materialien benutzt worden, die äußerer Kontamination unterliegen oder sie verursachen, z. B. in der Gerichtsmedizin. Eine andere Anwendung für Laminarströmung ist die Kühlung von Gasturbinenblättern gewesen.

ZUSAMMENFASSUNG

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zum Verhindern des Beschlagens und Bereifens einer kryogenen Arbeitsfläche zur Verfügung zu stellen. Eine weißere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die einen Trockengasvorhang über einer kryogenen Arbeitsfläche zu Wege bringt, insbesondere um das Beschlagen und Bereifen der Oberfläche zu verhindern.

Die Vorangehende und andere Aufgaben werden, wenigstens zum Teil, durch eine Vorrichtung erfüllt, die einen Gehäusekanal umfasst, der aus Wänden gebildet ist, die eine Bodenwand und eine von der Bodenwand beabstandete parallele Deckenwand einschließen. Die Bodenwand verläuft stetig von der Arbeitsfläche in einer Längsrichtung im Wesentlichen parallel zu der kryogenen Oberfläche, wobei die Kanalöffnung auf die Arbeitsfläche weist. Ein Wabenelement füllt einen ersten Abschnitt des Kanals angrenzend an die Arbeitsfläche. Gas Wabenelement ist aus einer Vielzahl von Zellen gebildet, wobei jede Zelle einem Durchgangskanal in der Längsrichtung, einen Querschnitt mit einem mittleren Durchmesser und ein Längenverhältnis von Kanallänge zu mittlerem Durchmesser aufweist. Ein poröses Element mit einer Durchgangsporösität füllt einen zweiten Abschnitt des Kanals angrenzend an das Wabenelement gegenüber der Arbeitsfläche. Eine Kammer ist in dem Kanal angrenzend an das poröse Element gegenüber dem Wabenelement eingegrenzt. Eine Gaseinrichtung ist angeschlossen, um die Kammer mit einem Trockengas zu versorgen. Der Gasdruck ist zusammenwirkend mit der Porosität, dem Wandabstand, dem Querschnitt und dem Längenverhältnis gewählt, um einen Gasfluss durch das poröse Element und das Wabenelement mit einer Gasgeschwindigkeit so zu Wege zu bringen, dass ein laminarer Gasvorhang quer über der kryogenen Arbeitsfläche zu Stande gebracht wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Zeichnung ist eine geschnittene Vorderansicht einer Vorrichtung der Erfindung, die mit einem kryogenisch gekühlten Kalorimeter verwendet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Eine Vorrichtung 10 wird in Verbindung mit einer kryogenen Einrichtung oder Instrument 12, z. B. einem Differential-Scanning-Kalorimeter (DSC) wie z. B. ein Modell DSC-7 von Perkin-Elmer, verwendet, das flüssigen Stickstoff oder ein anderes verflüssigtes Gas in einem Vorratsbehälter 16 bei sehr niedriger Temperatur (-196ºC für flüssigen Stickstoff) benutzt. Ein derartiges Instrument hat einen gekühlten kryogenen Oberflächenbereich 18, der normalerweise unter einer Abdeckung 20 (teilweise entfernt dargestellt) eingeschlossen ist. Wenn die Abdeckung entfernt wird, unterliegt die Oberfläche der Kondensation oder Vereisung durch die Umgebungsluft 21. Die Oberfläche 18 braucht nicht glatt zu sein. Ein DSC kann z. B. einen Probenblock 22 mit einem durch einen Deckel 24 bedeckten Hohlraum 23 mit Löchern 19 und Probenschalen 27 in dem Hohlraum und ein Kühlelement 29 für den Block besitzen, das sich hinunter in den flüssigen Stickstoff erstreckt. Man wird einsehen, dass die Vorrichtung der Erfindung verwendet kann, um Oberflächen mit anderen Konfigurationen oder andere kryogene Anwendungen oder selbst eine einfache kalte Arbeitsfläche zu schützen, die nicht mit einem Instrument in Verbindung steht. Wie hierin und den Ansprüchen verwendet, bezieht sich der Begriff "kryogen" auf die niedrige Temperatur der Flüssigphase einer Substanz, die bei atmosphärischer Temperatur und Druck gasförmig ist, wie z. B. flüssiger Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder Helium.

Komponenten der Vorrichtung umfassen einen Gehäusekanal 26 aus Blech oder dergleichen, der auf einer Abdeckung 27 des DSC (oder einer anderen Oberfläche) ruht, wobei der Kanal ein Auslassende 28 angrenzend an die Arbeitsfläche 18 besitzt. Ein Wabenelement 30 füllt einen ersten Abschnitt 31 des Kanals am Auslassende mit offenen Längszellen 32, die längs des Kanals verlaufen. Ein poröses Element 34 füllt einen zweiten Abschnitt 33 des Kanals angrenzend an die Wabe auf der entgegengesetzten Seite des Auslasses. Eine Gaskammer 36 ist in dem Kanal auf der anderen Seite des porösen Elements von der Wabe eingegrenzt. Trockengas, z. B. getrocknete Luft oder Stickstoff, wird der Kammer durch ein Einlassrohr 38 und ein Gasventil 40 von einer druckgeregelten Gasversorgungsquelle 42 mit einem Druckmesser 43 zugeführt. Das Ventil kann durch einen Schalter 41 betätigt werden, wobei das Ventil durch einen Kontakt des Schalte durch die Abdeckung 20 geschlossen wird, wenn die Letztere in Position ist, und geöffnet wird, wenn die Abdeckung (wie gezeigt) entfernt wird. Die Kammer ist ein Bereich zum Verteilen des meisten der Einlassgasgeschwindigkeit. Das Gas fließt von der Kammer durch das poröse Material 34, das den Gasfluss weiter verteilt und seine Geschwindigkeit auf einen sehr niedrigen Pegel vermindert, so dass es gleichmäßig in den Wabenabschnitt eintreten kann. Das Gas durchfließt dann die Zellen 32 der Wabe, die mit einem Abmessungsquerschnitt in Bezug auf die Flussrate und die Gaseigenschaften gewählt werden, um einen laminaren Gasstrom 44 über der Arbeitsfläche 18 für einen gewünschten Arbeitsabstand X zu Stande zu bringen. Dieser Strom bewirkt einen schützenden Vorhang des Trockengases, der einen Beschlag oder eine Bereifung der Oberfläche verhindert oder wenigstens wesentlich vermindert.

Der Gehäusekanal 26 ist aus einer flachen Bodenwand 46 und einer paralellen Deckenwand 48 gebildet, die durch einen Wandabstand (Kanalhöhe) Y von der Bodenwand getrennt ist. Der Kanal besitzt vertikale parallele Seitenwände (nicht gezeigt). Die Bodenwand verläuft stetig von der effektiven Arbeitsfläche 18 gegenüber der Längsrichtung 49 des Flusses im Wesentlichen parallel zu der effektiven kryogenen Arbeitsfläche, so dass sich der Kanal auf der Arbeitsfläche öffnet. Der Kanal hat eine Querbreite (zwischen den Seitenwänden) wie erforderlich, um eine geeignete Arbeitsfläche, z. B. 5 bis 15 cm querüber, bereitzustellen. Die Kanalhöhe Y sollte für die Abschnitte des Kanals, welche das poröse Element und die Wabe enthalten, gleichmäßig sein und muss ausreichend sein, um einen laminaren Vorhang für eine Distanz X längs der Arbeitsfläche zu errichten, z. B. Y = 4 mm. Das poröse Element ermöglicht der Kammer, ungleichförmig zu sein und dennoch eine gute Flussverteilung zum gleichmäßigen Laminarfluß durch die Wabe bereitzustellen. Das poröse Element bietet auch eine Einrichtung, um das Kammervolumen zu minimieren. Die Kammer kann somit konfiguriert werden, um andere externe Merkmale, z. B. die Abdeckung 20 mit z. B. einer Krümmung (nicht gezeigt), in der Rückseite 51 der Kammer zu unterzubringen.

Das poröse Element 34 ist aus einem Schaum oder dergleichen gebildet, der eine Durchgangsporosität besitzt, die geeignet ist, den gewählten Gasdurchfluss unter einem angewandten Druck, z. B. 180 (Standard) ml/s bei 2.1 kg/cm² Manometerdruck (12 psig) von der Kammer 36 für einen Kanalquerschnitt von 0.4 cm mal 9 cm, bereitzustellen. Ein geeignetes Material ist ein Polyesterschaum des Grades 62000, geliefert von General Foam Co., Paramus NJ, mit einer Schaumdicke von 0.5 cm in der Flussrichtung.

Die Wabe 30 ist aus einer Vielzahl von Zellen 32 gebildet, wobei jede Zelle einen Durchgangskanal 52 in der Längsrichtung besitzt. Die Zellen sind vorzugsweise im Wesentlichen identisch. Das Material für die Wabe ist nicht kritisch, sollte aber korrosionsfest sein, z. B. ein rostfreier Stahl. Die Länge der Wabenzellen durch den Kanal kann z. B. 1.6 cm betragen.

Die Funktion des porösen Elements besteht darin, die Turbulenz im Wesentlichen zu beseitigen und sicherzustellen, dass jede Wabenzelle die gleiche Flussrate empfängt, um die niedrige Reynolds-Zahl zu erreichen. Ohne das poröse Element müsste das Volumen der Kammer etwa um den Faktor 100 vergrößert werden. Die Länge der Zellen sollte ausreichend sein, um sicherzustellen, dass der Fluss von jeder Zelle laminar entwickelt und parallel ist. Jeder Zellenkanal hat vorzugsweise ein Längenverhältnis von Länge zu mittlerem Durchmesser zwischen etwa 20 und 50, z. B. 3 cm Länge und 1 mm Durchmesser für ein Verhältnis von 30. Die Zellen einer Wabe sind typischerweise sechseckig, wobei ein mittlerer Durchmesser (hydraulischer Durchmesser) der Durchmesser eines Kreises ist, der die gleiche Querschnittsfläche wie die Zeile aufweist. Die Flussrate ist gewählt, um das Vermischen der aus den Zellen austretenden Ströme im Wesentlichen zu beseitigen, um so den laminaren Gasvorhang zu Stande zu bringen.

Bei der Laminarströmung über der Arbeitsfläche gibt es nur eine sehr kleine Vermischung mit der Umgebungsluft darüber. Die Höhe des Kanals, d. h. der Abstand zwischen der Boden- und der Deckenwand, kann relativ klein sein, muss aber ausreichend sein, um einen genügenden Schutz der Oberfläche mit einer annehmbaren Flussrate zu liefern.

Die Beabstandung der Deckenwand von der Bodenwand ist von anderen Parametern abhängig. Die Festlegung dieses und anderer Abmessungsaspekte und der Gasflussrate kann durch die unten dargelegte Theorie herausgefunden werden. Die unten zitierten Referenzen sind hierin durch Verweis eingeschlossen.

Eine kritische Reynolds-Zahl für die Wabenzellen hängt von dem "Dichtigkeitsverhältnis" der strukturellen Stirnfläche zur ganz offenen Flussfläche ab. Im vorliegenden Beispiel berechnet sich das Verhältnis zu 0.15 für eine Wanddicke der Waben von 0.05 mm und einen mittleren Zellendurchmesser von 1 mm. Eine Referenz ist "Aerodynamic Characteristics of Damping Screens" von G. B. Schubauer, W. G. Spangeberg und P. S. Klebanoff, National Advisory Commitee for Aeronautics (NACA) TN 2001 (Januar 1950), insbesondere Seife 35, Fig. 13. Gemäß der in dieser Fig. 13 aufgetragenen Graphik beträgt die kritische Reynolds-Zahl für dieses Verhältnis etwa 68.

Eine weitere Referenz ist "Subsonic Internal Aerodynamics" Pratt & Whitney Aircraft, Florida Research & Development Center PCS-3614 (4. Mai, 1970) insbesondere Seite K-24, Figur K-2. Diese bezieht sich auf Wirbelablösungen, worin ein Verhältnis "Ud" über "X/d" aufgetragen ist, wo L der Wirbelduchmesser und X die Entfernung stromabwärts von einem Gitter aus Drähten mit Durchmessern d ist. Das Verhältnis L/d sollte eines sein, welches das Vermischen von Strömen im Wesentlichen beseitigt. Aus Figur K-2, für L/d = 1 und X/D = 125, wurde herausgefunden, dass es angebracht ist, den Gitterdrahtdurchmesser der Referenz dem Wabenzellendurchmesser des vorliegenden Falles gleichzusetzen. Für eine gewählte Arbeitsfläche von X = 10 cm beträgt der mittlere Zellendurchmesser somit d = 0.8 mm.

Eine weitere Referenz ist "Boundary-Layer Theory" von Herman Schlichting, übersetzt von J. Kestin, McGraw Hill, 6. Ausgabe (1955), insbesondere Seite 175, Fig. 9.15. In dieser Figur ist eine Reynolds-Zahl N für einen "Mischverteilungsfaktor in ruhender Umgebung" über einem Verhältnis U/U&sub1;, für einen Fall (unter anderen) aufgetragen, wo die Mindestgeschwindigkeit in der Zone null ist. Die Reynolds-Zahl ist N = Y·[(U&sub1;/X)·(u/D)]1/2, wo U&sub1; die Maximalgeschwindigkeit in einer Zone zwischen zwei interagierenden parallelen Strömen (effektiv die Geschwindigkeit innerhalb der Wabe), U/U&sub1; der Geschwindigkeitsgradient, X die gewählte Länge der Arbeitsfläche von dem Kanal, Y die Höhe der Wabe, u die dynamische Viskosität des Gases und D die Dichte des Gases sind. Diese Reynolds-Zahl ist eine kritische Reynolds-Zahl für den Übergang von laminarem zu nicht laminarem Fluss zwischen zwei parallelen Strömen. Der tatsächliche Fluss muss eine Reynoldszahl unter dieser haben. Man kann sehen, dass N von der Wahl von X und Y abhängt.

Es ist erwünscht, dass der Geschwindigkeitsgradient niedrig ist, z. B. 0.2, was N = 2.4 ergibt, was damit die Berechnung von U&sub1; = 0.55 m/s erlaubt (mit Gasdaten aus Standardtabellen oder Formen für Stickstoff). Dies ergibt eine tatsächliche Strömungsrohr-Reynolds-Zahl Re = D·U&sub1;·d/u von 29, die niedriger ist als die oben bestimmte kritische Reynolds-Zahl von 68 und einen ausreichenden Sicherheitsfaktor von etwa 2.3 liefert. Im Allgemeinen sollte der Sicherheitsfaktor zwischen etwa 1.5 und 3 liegen, der der laminaren Fluss mit ausreichendem Volumen versieht, um einen praktischen Gasvorhang zur Verfügung zu stellen. Die berechnete Geschwindigkeit wird durch eine Gasflussrate von 178 ml/s für eine Wabe bereitgestellt, die 9 cm breit und 4 mm dick ist.


Anspruch[de]

1. Eine Vorrichtung (10) zum Bereitstellen eines Vorhangs aus Trockengas über einer kryogenen Arbeitsfläche (18) einer kryogenen Einrichtung (12), die umfasst:

einen Gehäusekanal (26), gebildet aus Wänden, die eine Bodenwand (46) und eine von dieser beabstandete Deckenwand (48) umfassen, wobei die Bodenwand (46) stetig von der Arbeitsfläche (18) in einer Längsrichtung im Wesentlichen parallel zu der kryogenen Oberfläche (18) verläuft und der Kanal (26) sich zur Arbeitsfläche (18) hin öffnet;

ein Wabenelement (30), das einen ersten Abschnitt (31) des Kanals angrenzend an die Arbeitsfläche füllt, wobei das Wabenelement (30) aus einer Vielzahl von Zellen (32) gebildet ist und jede Wabenzelle (32) einen Durchgangskanal in der Längsrichtung, einen Querschnitt mit einem mittleren Durchmesser und ein Längenverhältnis von Kanallänge zu mittlerem Durchmesser besitzt;

ein poröses Element (34) mit Durchgangsporosität, wobei das poröse Element (34) einen zweiten Abschnitt (33) des Kanals (26) angrenzend an das Wabenelement (30) gegenüber der Arbeitsfläche (18) füllt, eine Kammer (36), die in dem Kanal (26) angrenzend an das poröse Element (34) gegenüber dem Wabenelement (30) eingegrenzt ist, und

eine Gaseinrichtung, die angeschlossen ist, die Kammer (36) mit einem Trockengas bei einem Gasdruck zu versorgen, der zusammenwirkend mit der Porosität, der Beabstandung, dem Querschnitt und dem Längenverhältnis ausgewählt ist, um einen Gasfluss durch das poröse Element (34) und das Wabenelement (30) mit einer Gasgeschwindigkeit so zu Wege zu bringen, dass ein laminarer Vorhang (44) des Gases über der kryogenen Arbeitsfläche (18) zu Stande kommt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Arbeitsfläche eine ausgewählte Länge von dem Kanal besitzt, der Gasfluss eine kritsiche Reynolds-Zahl aufweist, die von der gewählten Länge und der Wandbeabstandung abhängt, und der Gasfluss in jedem Kanal eine tatsächliche Reynolds-Zahl hat, die um einen Faktor zwischen etwa 1.5 und 3 kleiner ist als die kritische Reynolds-Zahl.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 weiter umfassend eine entfernbare Abdeckung für die Arbeitsfläche sowie eine mit der Abdeckung zusammenwirkende Einrichtung, um den Gasfluss durch den Kanal zu bewirken, wenn die Abdeckung geschlossen ist, und den Gasfluss anzuhalten, wenn die Abdeckung geöffnet ist.







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