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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen und Speichern von Kohlendioxidschnee, mit einem Behälter, in den ein an eine Zuführleitung für flüssiges Kohlendioxid angeschlossenes Schneehorn und eine Gasabzugsleitung einmündet, und mit einer Messeinrichtung zum Erfassen der Füllhöhe von Kohlendioxidschnee im Behälter.
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Zur Erzeugung von Kohlendioxidschnee kommen meist sogenannte Schneehörner zum Einsatz. In Ihnen wird über eine Druckleitung herangeführtes flüssiges Kohlendioxid an einer Entspannungsdüse entspannt, woraufhin das flüssige Kohlendioxid in ein Gemisch aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidschnee übergeht. Da bei der Entspannung des Kohlendioxids starke turbulente Strömungen auftreten, ist die Entspannungsdüse dabei meist an der Spitze eines sich konisch aufweitenden Mündungstrichters angeordnet, durch den eine gewisse Richtungsführung des erzeugten Schnee-Gas-Gemisches gewährleistet wird.
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Um den erzeugten Kohlendioxidschnee zumindest vorübergehend speichern zu können, kann die Entspannungsdüse für flüssiges Kohlendioxid auch in einem Behälter montiert sein. Beispielsweise wird in der
DE 2017 008 488 A1 oder der
EP 3 222 946 A1 eine Vorrichtung zum Dosieren von Kohlendioxidschnee beschrieben, bei der eine Entspannungsdüse für flüssiges Kohlendioxid im Innern eines Behälters ausmündet. Der Behälter ist zudem mit einer Gasableitung ausgestattet, die oberhalb der Entspannungsdüse vom Behälter abführt. Bei der Entspannung des flüssigen Kohlendioxids sinkt der entstehende Kohlendioxidschnee in Richtung des Behälterbodens, während das entstehende Kohlendioxidgas über die Gasableitung abgezogen wird. Der Gegenstand der
EP 3 222 946 A1 verfügt darüber hinaus über eine Einrichtung, mittels der von Zeit zu Zeit eine vorgegebene Menge an Kohlendioxidschnee aus dem Behälter abgezogen und einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann, beispielsweise zum Kühlen von Produktoberflächen oder zum Befüllen eines Kältemittelfachs eines Kühlbehälters. Um festzustellen, ob Kohlendioxidschnee aus dem Behälter entnommen werden kann, wird das Erreichen einer bestimmten Mindestfüllhöhe mittels eines - in dieser Druckschrift nicht näher spezifizierten - Sensors ermittelt.
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Die Füllhöhe von Kohlendioxidschnee in einem Behälter wird derzeit meist mit einem Temperatur - Messfühler bestimmt. Sobald die wachsende Menge an Kohlendioxidschnee im Behälter den Messfühler erreicht hat, gibt dieser eine konstante Temperatur von beispielsweise (bei Umgebungsdruck) -78,5°C an, und der Behälter kann als zumindest bis zur Höhe des Messfühlers befüllt angesehen werden. Allerdings besteht die Gefahr, dass aufgrund von turbulenten Strömungen, die während der Entspannung des Kohlendioxids im Behälter auftreten, und aufgrund von anziehenden Wechselwirkungen zwischen den Schneepartikeln im Laufe der Zeit ein Schneepaket am Messfühler anhaftet und das Messergebnis verfälscht.
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Abhilfe könnte dadurch geschaffen werden, dass die Messstelle beheizt wird. Dies ist allerdings insoweit problematisch, als dass bei einer zu geringen Heizleistung die Gefahr des Anhaftens von Schnee an den Messfühler weiterhin besteht, bei einer zu großen Heizleistung jedoch aufgrund des um die Heizung herum sublimierenden Kohlendioxids unerwünschte gasgefüllte Kavernen im Schnee entstehen, die, ebenso wie die von der Heizung erzeugte Wärme, das Messresultat verfälschen können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen und Speichern von Kohlendioxidschnee zu schaffen, bei der die Kohlendioxidschnee-Füllhöhe im Innern des Behälters mit größerer Zuverlässigkeit bestimmt werden kann.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich also dadurch aus, dass die Messeinrichtung eine vom Boden des Behälters vertikal beabstandet angeordnete photoelektrische Sensoreinheit mit einem Licht abstrahlenden Sender und einem lichtempfindlichen Empfänger umfasst.
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Sender und Empfänger der photoelektrischen Sensoreinheit können im gleichen Gehäuse untergebracht sein, was jedoch im Rahmen der Erfindung nicht zwingend erforderlich ist. Der Sender strahlt Licht in Richtung des Behälterinnern ab. Die Frequenz des Lichts spielt dabei keine Rolle, sofern gewährleistet ist, das das Licht an Trockeneispartikeln zumindest teilweise reflektiert wird. Besonders geeignet ist Licht im optischen oder infraroten Bereich. Trifft das Licht im Innern des Behälters auf eine Vielzahl an Trockeneispartikeln, wie sie insbesondere während der Schneeerzeugung auftreten, erfolgt eine diffuse Reflexion und das Licht gelangt teilweise zum Empfänger. Im Verlauf der Erzeugung von Trockeneispartikeln füllt sich der Behälter mit Kohlendioxidschnee. Übersteigt die Füllhöhe an Kohlendioxidschnee die vertikale Position des Senders im Behälter, kann der Empfänger kein oder fast kein Signal mehr vom Sender empfangen. Es erfolgt also eine starke Änderung des am Empfänger registrierten Signals. Bei weiterem Anstieg des Schneepegels ändert sich das Signal kaum noch und zeigt somit einer Bedienperson das Vorliegen eine Mindestfüllhöhe im Behälter an. Werden mehrere Sensoreinheiten vertikal übereinander angeordnet, kann auf diese Weise die Füllhöhe im Behälter mit größerer Präzision bestimmt werden.
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Die von der Sensoreinheit abgestrahlte Wärme reicht in der Regel aus, um vor der Sensoreinheit ein Luftpolster zu bilden, das die dauerhafte Anlagerung von Kohlendioxidschnee verhindert und somit die Funktionsfähigkeit der Sensoreinheit sicherstellt. Eine zusätzliche Heizeinrichtung zur Beheizung der Sensoreinheit ist in der Regel nicht erforderlich. Das Vorsehen einer solchen Heizeinrichtung kann dennoch insbesondere bei einer zu hohen Feuchtigkeit in der Atmosphäre im Innern des Behälters vorteilhaft sein, um Anlagerungen von Kohlendioxidschnee oder Wassereis im Bereich der Sensoreinheit zu beseitigen oder zu verhindern. Das Messresultat der photoelektrischen Sensoreinheit wird von einer derartigen Heizeinrichtung nicht oder nur unwesentlich beeinflusst. Im Übrigen ist es generell vorstellbar, die Wände des Behälters mit einer oder mehreren, vorzugsweise elektrischen Heizeirichtungen auszurüsten, um Anbackungen von Kohlendioxidschnee an die Innenwand des Behälters zu vermeiden oder solche, die sich bereits gebildet haben, auch während des laufenden Betriebs der Vorrichtung von Zeit zu Zeit abtauen zu können.
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Um besonders zuverlässig die Anlagerung von Schnee zu vermeiden, sind Sender und Empfänger der photoelektrischen Sensoreinheit bevorzugt derart in einer seitlichen Wand des Behälters zu montieren, dass sie mit einer Vorderfläche fluchtend mit der Innenwand des Behälters angeordnet sind. Bei der Vorderfläche kann es sich jeweils um einen integralen Bestandteil des Senders bzw. Empfänger handeln, etwa eine LED oder eine Fotodiode, die in der Regel unempfindlich gegenüber den innerhalb des Behälters herrschenden Temperaturen von ca. -78,5°C sind. Alternativ dazu können Sender und Empfänger jedoch auch hinter eine die Sensoreinheit vom Behälterinnenraum trennenden Wand aus einem transparenten Material, wie Glas, angeordnet sein, die ihrerseits mit einer Innenwand des Behälters fluchtend angeordnet ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt, sondern die photoelektrische Sensoreinheit kann auch an anderen Stellen platziert sein. Beispielsweise können Sender und/oder Empfänger innerhalb eines Kanals in der Wand des Behälters montiert sein, wobei die jeweiligen Vorderflächen zurückgesetzt von der Innenoberfläche des Behälters angeordnet sind, um die Bauteile zu schützen.
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Um eine exaktere Bestimmung der Füllhöhe im Behälter zu ermöglichen, sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Mehrzahl an photoelektrischen Sensoreinheiten vertikal übereinander und beabstandet voneinander angeordnet.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung eine Entnahmeeinrichtung zum Entnehmen von Kohlendioxidschnee aus dem Behälter aufweist. Diese ist mit Mitteln ausgerüstet, die die Entnahme einer vorgegebenen Menge an Kohlendioxidschnee aus dem Behälter in regelmäßigen Zeitabständen erlauben. Bei diesen Mitteln handelt es sich beispielsweise um eine Trenneinrichtung, die in regelmäßigen Zeitabständen einen mit Kohlendioxidschnee gefüllten Abschnitt des Behälters vom übrigen Behälter trennt und die mit einem Schubelement zusammenwirkt, das nach der Trennung den in diesem Abschnitt des Behälters befindlichen Kohlendioxidschnee herausstößt. Eine derartige Entnahmeeinrichtung ist beispielsweise in der
EP 3 222 946 A1 beschrieben. Bei den Mitteln kann es sich jedoch auch beispielsweise um eine Zellenradschleuse handeln. Die Entnahmeeinrichtung ist bevorzugt so ausgestaltet, dass in rascher Folge, beispielsweise in Zeitintervallen zwischen 1s bis 30s eine vorgegebene Menge Kohlendioxidschnee aus dem Behälter abgeführt oder ausgestoßen werden kann. Die erfindungsgemäße Füllhöhenbestimmung signalisiert dabei, dass im Behälter eine für die regelmäßige Entnahme jeweils hinreichende Menge an Kohlendioxidschnee vorhanden ist.
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Bevorzugt steht die photoelektrische Sensoreinheit mit einer Steuereinheit in Datenverbindung, mittels der in Abhängigkeit von einer erfassten Füllhöhe an Kohlendioxidschnee im Behälter der Zustrom an flüssigem Kohlendioxid in der Zuführleitung und/oder die Entnahme von Kohlendioxid aus dem Behälter an der Entnahmeeinrichtung regelbar ist. Auf diese Weise können die Zuführung von flüssigem Kohlendioxid und/oder die Entnahme von Kohlendioxidschnee aus dem Behälter mit großer Zuverlässigkeit nach einem vorgegebenen Programm automatisch gesteuert und somit mit hoher Effizienz durchgeführt werden.
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Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (1) zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt.
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Die in
1 gezeigte Vorrichtung
1 umfasst einem thermisch gut isolierten Behälter
2 in Gestalt eines aufrecht stehenden Zylinders mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt, in dessen -geodätisch gesehen- oberen Stirnseite ein Schneehorn
3 und eine Gasabzugsleitung
4 einmünden. Das Schneehorn
3 ist an eine Zuleitung
5 für flüssiges Kohlendioxid angeschlossen, die ihrerseits mit einem hier nicht gezeigten Tank verbunden ist, in dem das Kohlendioxid bei einem Druck von beispielsweise
15 bar bevorratet wird. Das Schneehorn
3 umfasst eine Entspannungsdüse
6, die zugleich das Ende der Zuleitung
5 bildet, und einen in das Innere des Behälters
2 hineinragenden Diffusor
7. Am Boden des Behälters
2 ist eine hier nicht näher erläuterte Entnahmeeinrichtung
8 zum Entnehmen von Kohlendioxidschnee angeordnet. Beispielsweise handelt es sich dabei um eine Entnahmeeinrichtung, die die Entnahme vorgegebener Mengen an Kohlendioxidschnee in regelmäßigen Zeitabständen erlaubt, wie sie beispielsweise in der
EP 3 222 946 A1 oder der
WO 2017/167620 A1 beschrieben sind, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Beispielweise ist die Entnahmeeinrichtung
8 so ausgebildet, dass in deren Betrieb in jeweils gleichen Zeitabständen von zwischen 1s und 30s, beispielsweise alle 5s bis 10s, eine jeweils gleiche Menge an Kohlendioxidschnee aus dem Behälter
2 ausgestoßen wird.
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In einer Seitenwand des Behälters 2 ist, vertikal beabstandet vom Boden des Behälters 2, eine photoelektrische Sensoreinheit 10 angeordnet. Die photoelektrische Sensoreinheit 10 umfasst einen Sender 11 und einen Empfänger 12, die im Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Gehäuse 9 untergebracht sind. Der Sender 11 ist in der Lage, Licht einer bestimmten Frequenz oder eines bestimmten Frequenzbereichs zu emittieren, beispielsweise eine Frequenz oder ein Frequenzbereich im optischen oder infraroten Spektrum. Der Empfänger ist in der Lage, Licht der gleichen Frequenz oder des gleichen Frequenzbereiches zu detektieren und in ein elektronisches Signal umzuwandeln. Sender 11 und Empfänger 12 stehen mit einer Steuereinheit 13 in Datenverbindung, von der aus die Emission von Licht am Sender 11 veranlasst und in der elektronische Daten aus dem Empfänger 12 verarbeitet werden können. Die Steuereinheit 13 steht zudem mit der Entnahmeeinrichtung 8 sowie mit einem Ventil 14 in der Zuleitung 5 in Datenverbindung, mittels dessen der Zustrom von flüssigem Kohlendioxid durch die Zuleitung 5 entsprechend einem von der Steuereinheit 13 übermitteltem Steuerbefehl geregelt und beispielsweise an die pro Zeiteinheit aus dem Behälter 2 zu entnehmende Menge Kohlendioxidschnee angepasst werden kann.
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Die Sensoreinheit 10 ist derart in der Wand des Behälters 2 installiert, dass Sender 11 und Empfänger 12 jeweils mit einer Vorderfläche 15, 16 im Wesentlichen bündig mit der Innenwand 17 des Behälters 2 abschließen. Die Vorderflächen 15, 16 können dabei Teil des jeweiligen elektronischen Baustein, also Sender 11 oder Empfänger 12 selbst sein, oder durch eine die Sensoreinheit 10 vom Innern des Behälters 2 abtrennenden Scheibe aus einem transparenten Material (hier nicht gezeigt).
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Elektrische Heizelemente 18, die in der Innenwand 17 des Behälters 2 montiert sind, verhindern das Anbacken von Kohledioxidschnee an der Innenwand 17. Um die Funktionsfähigkeit der Sensoreinheit 10 sicherzustellen, empfiehlt es sich derartige Heizelemente 18 auch in der Nähe der Sensoreinheit 10 vorzusehen.
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Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird flüssiges Kohlendioxid unter einem Druck von beispielsweise 15 bar über die Zuleitung 5 herangeführt und an der Entspannungsdüse 6 entspannt. Das flüssige Kohlendioxid geht dabei in ein Gemisch aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidschnee über. Während das Kohlendioxidgas über die Gasabzugsleitung 4 abgeführt wird, sinkt der erzeugte Schnee im Behälter 2 nach unten und füllt den Behälter 2 allmählich von unten nach oben auf. Gleichzeitig mit der Zuführung von Kohlendioxid wird der Sender 11 von der Steuereinheit 13 zur Abstrahlung von Licht in das Innere des Behälters 2 hinein veranlasst.
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Solange die Füllhöhe des sich im Behälter 2 sammelnden Kohlendioxidschnees noch nicht die Höhe der Sensoreinheit 10 erreicht hat, also beispielsweise der Behälter erst bis zu einer ersten Füllhöhe 19 angefüllt ist, befindet sich während der Zuführung des Kohlendioxids auf Höhe der Sensoreinheit 10 ein turbulent strömendes Gemisch aus Kohledioxidschnee und Kohlendioxidgas. Licht, das vom Sender 11 in das Innere des Behälters 2 hinein emittiert wird, wird von diesem Gemisch diffus reflektiert und zum kleinen Teil vom Empfänger 12 aufgefangen. Der Empfänger 12 sendet ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit 13, das dieser signalisiert, dass die Füllhöhe des Schnees noch nicht die Höhe der Sensoreinheit 10 erreicht hat. Übersteigt jedoch die Füllhöhe des Kohlendioxidschnees im Behälter 2 die Höhe der Sensoreinheit 10, steht sie also beispielsweise bei einer zweiten Füllhöhe 20, vermag das vom Sender 11 abgesendete Licht die sich unmittelbar vor dem Sender 11 befindliche Schneeschicht nicht mehr zu durchdringen und es gelangt kein, oder nur nicht sehr wenig davon zum Empfänger 12. Vom Empfänger 12 wird ein entsprechendes elektronisches Signal zur Steuereinheit 13 abgegeben, was diese, etwa nach einem vorgegebenen Programm, zur Abgabe weitere Steuerbefehle veranlasst, beispielsweise zur Schließung oder Drosselung des Ventils 14 in der Zuleitung 5 und/oder zur Betätigung der Entnahmeeinrichtung 8 zur Entnahme von Kohlendioxid.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Behälter
- 3
- Schneehorn
- 4
- Gasabzugsleitung
- 5
- Zuleitung für flüssiges Kohlendioxid
- 6
- Entspannungsdüse
- 7
- Diffusor
- 8
- Entnahmeeinrichtung
- 9
- Gehäuse
- 10
- Photoelektrische Sensoreinheit
- 11
- Sender
- 12
- Empfänger
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Ventil
- 15
- Vorderfläche (des Senders)
- 16
- Vorderfläche (des Empfängers)
- 17
- Innenwand
- 18
- Heizelement
- 19
- Erste Füllhöhe
- 20
- Zweite Füllhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2017008488 A1 [0003]
- EP 3222946 A1 [0003, 0013, 0016]
- WO 2017/167620 A1 [0016]