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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Wärmetauscherwasser
und ein Wärmetauschersystem
zum Durchführen
eines Wärmetauschvorgangs
bezüglich
eines Wärmetauscherobjektes
wie beispielsweise einer Maschinenanlage, Luft oder Flüssigkeit.
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2. BESCHREIBUNG DES TECHNISCHEN
HINTERGRUNDES
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Wärmetauscher
zum Kühlen
von Wärmetauscherobjekten,
wie beispielsweise einer Maschinenanlage, Luft oder Flüssigkeit
werden verbreitet in Fabriken und Laboren auf vielen Gebieten verwendet.
Herkömmlicherweise
wird in diesen Wärmetauschern
Wasser wie beispielsweise Stadtwasser oder Industriewasser als Wärmemedium
zum Durchführen
eines Wärmetauschvorgangs
verwendet, da Wasser sicher in der Handhabung und billig ist, und
sich aufgrund seiner großen
spezifischen Wärmekapazität und hohen
Wärmeübertragungsrate
als Wärmemedium
eignet.
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Herkömmliche
Systeme zur Zuführung
des Wärmemediums,
insbesondere des Wärmetauscherwassers,
sind konfiguriert wie beispielsweise in 11 dargestellt.
Insbesondere wird das Wärmetauscherwasser durch
eine Umwälzpumpe 51 zu
einem Kühler 52 transportiert,
der das Wärmetauscherwasser
unter Verwendung des Wassers 521 kühlt. Das Wärmetauscherwasser wird in diesem
Kühler
gekühlt.
Das Wärmetauscherwasser
wird hier nachfolgend manchmal als Kühlwasser bezeichnet. Anschließend wird
das gekühlte
Wärmetauscherwasser
(Kühlwasser)
zu einer Kühlvorrichtung 57 weitergeleitet
und zum Kühlen
eines Wärmetauscherobjektes 571 verwendet,
das die Kühlvorrichtung 57 passiert.
Das Wärmetauscherwasser
wird, nachdem es zum Kühlen
verwendet wurde, zurück
zur Einlassseite der Umwälzpumpe 51 geleitet,
und zwar durch die Rohrleitung 54, die mit dieser verbunden
ist und ein Zirkulationssystem bildet. Wenn die Qualität des in
diesem Zirkulationssystem befindlichen Wärmetauscherwassers nachlässt, wird
das Wasser teilweise oder vollständig durch
ein Ablassrohr 56 abgelassen. Dann wird dem Zirkulationssystem
Nachfüllwasser
zugeführt,
nachdem dieses in der Vorbehandlungsvorrichtung 59 behandelt
wurde.
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Wärmetauscher,
die herkömmliches
Wasser als Wärmemedium
verwenden, haben die folgenden Nachteile.
- (1)
Wasser, das als Wärmetauscherwasser
verwendet wird, enthält
gelösten
Sauerstoff oder Oxidationsmittel, wie beispielsweise hypochlorige
Säure und
Natriumhypochlorid, die in diesem zur Sterilisierung gelöst sind.
Durch die oxidierenden Effekte dieser Bestandteile erfolgt eine
Oxidation der Metallmaterialien, die im Wasserzuführungsrohrsystem
und der Flüssig-Seite
des Wärmetauschers
verwendet werden. Als Ergebnis werden (i) Oxidfilme oder, im schwerwiegenderen
Fall, geschwulstartige Vorsprünge
auf der Flüssig-Seite ausgebildet.
Dies beeinträchtigt
stark den Wärmeaustauschwirkungsgrad
und vergrößert den
Widerstand im Rohrleitungssystem (Wärmetauschersystem), so dass
das Fließen
einer spezifizierten Menge an Wärmetauscherwasser
behindert wird. Außerdem
wird (ii) die Dicke der Flüssig-Seite
des Metalls durch Oxidation und Auflösung verringert. Die mechanische
Festigkeit dieser Bauelemente geht dadurch verloren, wodurch möglicherweise Bauelemente
bedingt wird, was zu einem Auslaufen von Wäreinen Bruch der metauscherwasser
führt.
Außerdem
treten (iii) Probleme im Wärmetauschersystem
wie beispielsweise ein Zusetzen von Filtern auf, bedingt durch die
Erzeugung von sogenanntem "rostigen
Wasser" und einer
Zunahme der Verwirbelung, die durch korrosionsbedingtes Abplatzen
von Metallfragmenten bedingt ist.
- (2) Um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, sind häufig Anlagen zum Zusetzen von
Chemikalien wie beispielsweise Rosthemmern vorgesehen. Es muss daher
fortwährend
ein Einkauf und eine Lagerung dieser Chemikalien erfolgen, was zu
Kosten sowohl für
den Einkauf als auch für
den Lagerraum führt.
Beim Ablassen Rosthemmer enthaltenden Wäreines metauscherwassers müssen Maßnahmen
ergriffen werden, um Umweltbelastungen zu minimieren, die durch
das Ablassen von derartigem Wasser verursacht werden.
- (3) Die Konzentration von gelöstem Sauerstoff kann durch
Entgasen des Wärmetauscherwassers
verringert werden, um eine Oxidation durch gelösten Sauerstoff zu verhindern.
Jedoch kann eine Oxidation und Korrosion der Metallmaterialien durch
einfaches Verringern der Sauerstofflösung nicht in ausreichender Weise
vermieden werden.
- (4) Es gibt Fälle,
bei denen Algen und Mikroorganismen im Wärmetauschersystem wachsen,
wodurch biologische Filme auf der Flüssig-Seite ausgebildet werden.
Dies kann eine Verminderung des Wärmetauschwirkungsgrades und
eine Erhöhung
des Widerstandes im Inneren der Rohre hervorrufen. Chemikalien wie
beispielsweise Germizide müssen
dann zugesetzt werden, was, wie beim zuvor erwähnten Punkt (2), vergrößerte Kosten
und Umweltprobleme nach sich zieht.
- (5) Der Durchsatz des im Wärmetauscher
zirkulierenden Wärmetauscherwassers
ist für
gewöhnlich
auf einen Wert festgelegt, der einen (Sicherheits)-Spielraum enthält, derart,
dass das Wärmetauscherobjekt
auf eine Temperatur unterhalb einer vorbestimmten Temperatur gekühlt werden
kann, sogar wenn das Objekt die maximale Wärmelast erzeugt. Der Durchsatz
wird für
separate Objekte nicht individuell gesteuert. Ungeachtet der Tatsache,
dass das Wärmeabstrahl-Lastausmaß in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen stark variiert und dass keine Wärme erzeugt
wird, wenn der Betrieb der Anlage gestoppt ist, ist es bei herkömmlichen
Systemen typisch, dass das Wärmetauscherwasser
dauernd mit einem Durchsatz zirkuliert, der gemäß der maximalen Wärmeabstrahllast
festgelegt ist. Mit anderen Worten kann es vorkommen, dass in Abhängigkeit
von der Betriebssituation der überwiegende
Teil des Wärmetauscherwasser
unnötig und
vergeudend zirkuliert. Weiter liegt, Zuführtemperatur des Wärwährend die
metauscherwassers für
gewöhnlich
auf Raumtemperatur liegt, die Austrittstemperatur ungefähr 5°C höher als
die Zuführtemperatur. Da
es erforderlich ist, den Unterschied zwischen der Zufuhr- und Austrittstemperatur
des Wärmetauscherwassers
zu minimieren, wird in herkömmlichen
Systemen im Moment ein großer
Durchsatz an Wärmetauscherwasser
verwendet. Aus diesen Gründen
muss in Fabriken, die viele einen Wärmetauschvorgang erfordernde
Anlagen haben, ein Wärmetauschersystem
vorgesehen sein, in dem das Wärmetauscherwasser mit
einem extrem hohen Durchsatz zirkuliert. Um ein Wärmetauscherwasser
mit einem hohen Durchsatz umzuwälzen,
muss die Zirkulationsleitung für
das Wärmetauscherwasser
sehr groß ausgelegt
sein, um den Fluidwiderstand der Rohrleitung zu verringern, jedoch
innerhalb gewisser Grenzen. Als Gegenstück dazu wird typischerweise
der Kompressionsdruck der Kompressionspumpe erhöht. Jedoch nimmt der Energieverbrauch
der Kompressionspumpe proportional zur Pumpenausstoßmenge und
der Anzahl der installierten Pumpen zu. Demgemäß treten Probleme wie beispielsweise
hohe Kosten und ein großer
Einbauraum, der von Pumpen hoher Kapazität und Rohrleitungen großer Durchmesser
benötigt
wird, sowie die durch große
Pumpen bedingte Vibrationen auf. Außerdem kann der Einfluss auf
die Umwelt bei einem Ablassen einer großen Menge an Wärmetauscherwasser
sicherlich nicht vernachlässigt
werden. Wie zuvor beschrieben, standen ein Wärmetauscherwasser und ein Zuführsystem
für das
Wasser, die umweltfreundlich sind und einen stabilen Kühleffekt
mit hohem Wirkungsgrad für
einen langen Zeitraum aufrechterhalten können, herkömmlicherweise nicht zur Verfügung.
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INHALT DER ERFINDUNG
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Der
Zweck der Erfindung besteht darin, ein Wärmetauscherwasser bereitzustellen,
das eine Oxidation und eine Beeinträchtigung von Metallmaterialien
verhindert, die in Rohren für
das Zuführen/Umwälzen des Wärmetauscherwassers
oder auf der Flüssig-Seite
des Wärmetauschers
verwendet werden. Das Wärmetauscherwasser
sollte auch ein Wachstum von Algen und Mikroorganismen unterdrücken und
nachteilige Effekte für
die Umwelt beseitigen. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht
darin, ein einfaches Wärmetauschersystem
bereitzustellen, das bei bestehenden Systemen nachgerüstet werden
kann und das eine Kostenerhöhung minimiert.
Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, ein Steuern auf
eine optimale Temperatur durchzuführen, und zwar durch ein Anpassen
des Durchsatzes des Wärmetauscherwassers,
um einen niedrigeren Durchsatz und einen geringeren Druck des Wärmetauscherwassers
zu erzielen, so dass der Installationsraum und durch die Pumpe bedingte
Vibrationen verringert werden und ein Wärmetauschersystem erzielt wird,
das eine Kostenerhöhung
minimiert.
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Gemäß der Erfindung
wird in einem Wärmetauscher
zum Kühlen
eines Wärmetauscherobjektes,
wie beispielsweise einer Maschinenanlage, Luft oder Flüssigkeit,
ein reduzierendes Wärmetauscherwasser,
das, bestimmt auf Basis einer Standardwasserstoffelektrode, ein
negatives Redoxpotential hat, als Wärmetauscherwasser zum Durchführen eines
Wärmetauschvorgangs
mit dem Wärmetauscherobjekt
verwendet.
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Gemäß dem zuvor
Erwähnten
kann eine Oxidation und eine Beeinträchtigung der Metallmaterialien, die
in den Rohren zum Zuführen/Umwälzen des
Wärmetauscherwassers
oder auf der Flüssig-Seite
des Wärmetauschers
verwendet werden, verhindert werden. Ein Wachstum von Algen und
Mikroorganismen kann unterdrückt
werden und eine Beeinträchtigung
der Umwelt kann verringert werden. Weiter wird, da das reduzierende
Wasser beispielsweise durch Zusetzen von Wasserstoffgas zum Wasser
erzielt werden kann, ein einfaches Wärmetauschersystem vorgesehen,
das bei bestehenden Systemen nachgerüstet werden kann und das eine Kostenerhöhung minimiert.
Es sei angemerkt, dass nicht nur Wasserstoffgas verwendet werden
kann, sondern auch andere reduzierende Mittel.
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Außerdem kann
durch Steuern des Durchsatzes des Wärmetauscherwassers (Kühlwasser),
das im Wärmetauscher
(Kühlvorrichtung)
zum Kühlen
des Wärmetauscherobjektes
zirkuliert, die Temperatur des Kühlwassers
auf eine angestrebte Temperatur gesteuert werden. Auf diese Weise
kann das in der Kühlvorrichtung
zirkulierende Kühlwasser
auf den beabsichtigten Zweck bestmöglich "zugeschnitten" werden, was einen effizienten Wärmetauschvorgang
mit dem Wärmetauscherobjekt
ermöglicht.
Eine derartige Anordnung trägt zur
Kostenverminderung bei.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung dar;
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2 zeigt
ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 zeigt
ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 ist
ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Konzentration des
gelösten
Wasserstoffes und dem Standard-Redoxpotential zeigt;
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5 zeigt
ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 zeigt
ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung;
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7 zeigt
ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der Erfindung;
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8 zeigt
ein Wärmetauschersystemn
gemäß einer
siebten Ausführungsform
der Erfindung;
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9 zeigt
ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
achten Ausführungsform
der Erfindung;
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10 zeigt
ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
neunten Ausführungsform
der Erfindung;
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11 stellt
ein herkömmliches
Wärmetauschersystem
dar.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Bei
der Erfindung kann es sich beim Wärmetauscher, welcher einen
Wärmetauschvorgang
zwischen einem Wärmetauscherobjekt
(beispielsweise einer Maschinenanlage, Luft oder Flüssigkeit)
und dem Wärmetauscherwasser
oder Kühlwasser
durchführt,
um eine Kühlvorrichtung
zum Kühlen
oder eine Heizvorrichtung zum Heizen des Wärmetauscherobjektes in verschiedenen
Fabriken und Laboren handeln. Vorzugsweise handelt es sich beim
Wärmetauscher
gemäß der Erfindung
um eine Kühlvorrichtung
für ein
Kühlanlage
zum Fertigen von elektronischen Bauelementen wie beispielsweise
Halbleiterbauelementen und Flüssigkristallanzeigen.
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Das
Wärmetauscherwasser
der Erfindung ist lediglich durch das Merkmal eingeschränkt, dass
es ein reduzierendes Wasser ist, das, bei einer Bestimmung unter
Verwendung einer Standardwasserstoffelektrode, ein Standard-Redoxpotential
hat, das Null oder negativ ist. Das Wärmetauscherwasser kann ohne
Einschränkungen
Wasser sein, in dem Wasserstoff gelöst ist, oder Wasser, das, abgesehen
von Wasserstoffgas, eine geringe Menge an gelöstem Reduktionsmittel wie beispielsweise
Natriumsulfid und Natriumwasserstoffsulfid hat. Gelösten Wasserstoff
enthaltendes Wasser wird bevorzugt, da das Standard-Redoxpotential
durch Lösen einer
geringen Menge an Wasserstoff im Wasser leicht gesteuert werden
kann, und da Wasserstoff im Vergleich zu anderen Reduktionsmitteln
eine geringere Umweltbelastung aufweist. Bei dem Wasser, in dem
das Reduktionsmittel gelöst
wird, kann es sich um ein beliebiges der folgenden, und zwar Leitungswasser,
Flusswasser, Industriewasser, gefiltertes Wasser, das durch Entfernen
von Partikeln und Oxidationsmitteln, wie beispielsweise hypochloriger
Säure und
Natriumhypochlorid, aus diesen Wassern erhalten wird, und entionisiertes
Wasser handeln, das dadurch erhalten wird, dass diese Wasser in
Wasserreinigungsanlagen behandelt werden, um ionische und nicht-ionische
Substanzen zu beseitigen. Es ist zu bevorzugen, entionisiertes Wasser
zu verwenden, um eine Systemverunreinigung zu verhindern, insbesondere
wenn das Wasser als Wärmetauscherwasser
in einer Anlage zur Herstellung von elektronischen Bauelementen
verwendet wird. Weiter wird als Wasser zum Lösen des Reduktionsmittels vorzugsweise
entgastes Wasser verwendet. Ein beliebiges bekanntes Verfahren kann
zur Durchführung
der Entgasung verwendet werden. Der bevorzugte Pegel des Standard-Redoxpotentials
des reduzierenden Wassers beträgt
bei einer Bestimmung unter Verwendung der Standard-Wasserstoffelektrode –0,3 V oder
weniger. Das reduzierende Wasser kann ohne Weiteres auf ein angestrebtes
Standard-Redoxpotential gesteuert werden, indem eine geeignete Menge
an Wasserstoff in Wasser gelöst
wird, und zwar ungeachtet der Konzentration des im reduzierenden
Wasser gelösten
Sauerstoffs.
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Gelösten Wasserstoff
enthaltendes Wasser kann dadurch erzielt werden, dass in Wasser
Wasserstoffgas gelöst
wird, das in einem Gaszylinder aufbewahrt wird oder durch eine Elektrolyse
von Wasser erzeugt wird. Insbesondere erfolgt ein Lösen von
Wasserstoffgas in Wasser so, dass die Konzentration des gelösten Wasserstoffs
in Wasser von 25°C
von 1 atm auf einem Wert von 0,1 mg/l oder höher liegt, vorzugsweise bei 0,2
bis 1,5 mg/l. Die Konzentration des gelösten Sauerstoffs im Wasser,
das zum Lösen
von Wasserstoff verwendet wird, wird vorzugsweise vorab auf einen
Wert von 3 mg/l oder weniger abgesenkt, und stärker bevorzugt auf 0,1 mg/l
oder weniger, und zwar unter Verwendung einer bekannten Entgasungsvorrichtung.
Das Verfahren zur Messung der Konzentration an gelöstem Wasserstoff
und gelöstem
Sauerstoff im Wasser ist nicht auf irgendein spezielles Verfahren
eingeschränkt.
Beispielsweise erfolgt die Messung der Konzentration von gelöstem Wasserstoff
und gelöstem
Sauerstoff in entionisiertem Wasser vorzugsweise unter Verwendung
von Membranelektroden. 4 stellt die Beziehung zwischen
der Konzentration des gelösten
Wasserstoffes und dem Standard-Redoxpotential unter Verwendung der
Konzentration des gelösten
Sauerstoffs als Parameter dar. Wie zu ersehen ist, kann, falls die
Konzentration des gelösten
Sauerstoffs 3 mg/l beträgt,
das Standard-Redoxpotential des Wassers nicht zuverlässig auf
einem negativen Wert gehalten werden, wenn die Konzentration des
gelösten
Wasserstoffs unterhalb ungefähr
0,2 mg/l liegt.
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Die
folgenden Verfahren können
ohne Einschränkung
verwendet werden, um Wasserstoffgas im Wasser zu lösen: ein
Verfahren, bei dem Wasserstoffgas mittels eines gasdurchlässigen Films
in Wasser eingespritzt wird; ein Verfahren, bei dem Wasserstoffgas
direkt in die Rohrleitung "eingesprudelt" wird; ein Verfahren, bei
dem eine Verteilungseinrichtung wie beispielsweise eine statische
Mischeinrichtung verwendet wird, nachdem Wasserstoffgas eingespritzt
wurde; ein Verfahren, bei dem Wasserstoffgas von außen her
eingebracht wird, wie beispielsweise Einbringen von Wasserstoffgas
in die Einströmseite
einer Pumpe, die einem Gaslösungstank
ultrareines Wasser zuführt,
und Ermöglichen,
dass sich Wasserstoffgas durch den in der Pumpe auftretenden Mischeffekt
löst; und
ein Verfahren, bei dem ultrareines Wasser einer Elektrolysebehandlung
unterzogen wird und von der Kathodenseite das reduzierende Wasser
erhalten wird, das gelöstes
Wasserstoffgas enthält.
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Bezug
nehmend auf 1 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. 1 ist ein
Diagramm, welches ein Beispiel der Ausführungsform zeigt. Das Wärmetauschersystem 10a beinhaltet
eine Umwälzpumpe 1,
einen Kühler 2 für reduzierendes
Wasser, eine Entgasungseinrichtung 9, eine Reduktionswasser-Bereitungseinrichtung 3,
und eine Kühlvorrichtung 7,
welche ein Wärmetauscherobjekt 71 kühlt. Diese
Bestandteile sind durch eine Rohrleitung 4 verbunden und bilden
ein im Wesentlichen dicht abgeschlossenes Zirkulationssystem. "Im Wesentlichen dicht
verschlossen" bezieht
sich auf einen Zustand, bei dem eine Leckage auf einem Niveau zulässig ist,
der einen effizienten Betrieb des vorliegenden Zuführsystems
nicht behindert. Eine Zuführrohrleitung 81,
welche vom Äußeren des
Zirkulationssystems Nachfüllwasser
zuführt,
das in einer Vorbehandlungseinrichtung 61 behandelt wurde,
ist mit der Einlassseite der Umwälzpumpe 1 verbunden.
Eine Ablassrohrleitung 72 zum teilweisen oder vollständigen Ablassen
von im Kreislaufsystem befindlichen zirkulie renden Wasser zum Systemäußeren ist
in Strömungsrichtung
vor der Zuführrohrleitung 81 angeschlossen.
Ein wärmeisolierendes
Material 73 ist um die Rohrleitung 4 herum angeordnet.
Das Wärmeisolationsmaterial 73 verhindert
einen Anstieg der Temperatur des Kreislaufwassers (Kühlwassers),
der durch den Einfluss der Umgebungstemperatur bedingt ist, was
einen effizienteren Betrieb ermöglicht.
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Die
Vorbehandlungsvorrichtung 61 behandelt das Nachfüllwasser,
bevor es dem Zirkulationssystem zugeführt wird. Das Behandlungsverfahren
hängt vom
Typ des Nachfüllwassers
ab, kann jedoch, ohne Einschränkung,
durch einen Unit-Prozess erfolgen, beispielsweise Aktivkohleadsorption,
Koagulation, Membrantrennung, Ionentausch und Entgasung, oder durch
eine Vorrichtung, welche diese Unit-Prozesse kombiniert. Mittels der Vorbehandlungsvorrichtung 61 kann
das Nachfüllwasser
wie beispielsweise gefiltertes Wasser oder entionisiertes Wasser
erzielt werden. Die Reduktionswasserkühler 2 kann von einem
beliebigen Typ sein, der die Temperatur des Wärmetauscherwassers von 30 bis
40°C auf
ca. 10°C
am Kühleraustritt
herunterkühlen kann.
Der Kühler 2 kann
ohne Einschränkung
ein Anlagenteil wie beispielsweise einen Wärmetauscher, einen Kühlturm und
einen Kältekompressor,
oder eine Vorrichtung beinhalten, welche den Kühlvorgang durch Kombinieren
derartiger Anlagenteile durchführt.
Unter Verwendung der Reduktionswasserkühlers 2 kann ein Wärmetauscherwasser
bei einer Temperatur von ca. 10°C
erzielt werden. Das Kühlmittel
der Reduktionswasserkühlers 2 kann
beispielsweise Wasser oder Luft sein. Das Wärmetauscherobjekt 71,
das in der Kühlvorrichtung 7 gekühlt werden
soll, kann beispielsweise ein Wärmeabstrahlabschnitt
einer Halbleiterfertigungsvorrichtung sein.
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Die
Reduktionswasser-Bereitungsvorrichtung 3 besteht aus einem
Wasserstoffgas-Lösungstank 32 und
einer Wasserstoffgas-Erzeugungseinrichtung 31. Eine Redoxpotential-Messeinrichtung 5 und
eine Einrichtung 6 zur Messung der Konzentration des gelösten Wasserstoffes
sind mit der Rohrleitung zwischen der Reduktionswasser-Bereitungsvorrichtung 3 und
der Kühlvorrichtung 7 verbunden.
Diese Messvorrichtungen werden verwendet, um das Redoxpotential
und die Konzentration des gelösten
Wasserstoffes des Reduktionswassers dauernd zu überwachen, und dem gemäß die Menge
an Wasser zu steuern, die im Wasser im Wasserstoffgas-Lösungstank 32 gelöst werden
soll. Dies ist zwar in der Figur nicht dargestellt, jedoch ist eine
Steuereinrichtung für
gewöhnlich
in der zuvor beschriebenen Anordnung enthalten. Die Messwerte der
Redoxpotential-Messeinrichtung 5 und der Einrichtung 6 zur
Messung der Konzentration des gelösten Wasserstoffes werden zur
Steuereinrichtung übertragen.
Die Menge an Wasserstoffgas, die von der Wasserstoffgas-Erzeugungseinrichtung 31 dem
Wasserstoffgas-Lösungstank 32 zuzuführen ist,
wird dann gemäß den zur
Steuereinrichtung übertragenen
Messwerten gesteuert. Das Redoxpotential (und/oder die Konzentration
des gelösten
Wasserstoffs) des aus dem Wasserstoffgas-Lösungstank 32 austretenden
Reduktionswassers wird dadurch auf einem vorbestimmten Pegel gehalten.
Die Installationsorte der Redoxpotential-Messeinrichtung 5 und der Einrichtung 6 zur
Messung der Konzentration des gelösten Wasserstoffs sind nicht
auf die zuvor beschriebenen Orte eingeschränkt und können in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher
(Kühler 2)
liegen. Jedoch befinden sich die Installationsorte vorzugsweise
in Strömungsrichtung
vor der Kühlvorrichtung 7, wie
bei der vorliegenden Ausführungsform.
Es ist auch möglich,
nur entweder die Redoxpotential-Messeinrichtung 5 oder
die Einrichtung 6 zur Messung der Konzentration des gelösten Wasserstoffs
vorzusehen, und die Menge des gelösten Wasserstoffgases gemäß den erhaltenen
Messwerten zu steuern.
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Vor
Beginn des Betriebs dieses Wärmetauschersystems 10a werden
die innenliegenden Abschnitte des durch die Rohrleitung 4 verbundenen
Zirkulationssystems vorzugsweise durch ein Bakterizid sterilisiert. Ein
bekanntes Verfahren, wie beispielsweise das Verfahren, bei dem man
im System Wasser zirkulieren lässt, das
gelöstes
verfügbares
Chlor enthält,
kann als Sterilisierungsverfahren verwendet werden.
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Anschließend wird,
während
das Desinfektionswasser über
die Ablassrohrleitung 82 zum Äußeren des Systems abgelassen
wird, das in der Vorbehandlungseinrichtung 61 behandelte
Wasser über
die Zuführrohrleitung 81 dem
Zirkulationssystem vom Systemäußeren zugeführt, wodurch
das Desinfektionswasser mit dem vorbehandelten Nachfüllwasser
ersetzt wird. Die Entgasungseinrichtung 9, die Redukti onswasser-Bereitungsvorrichtung 3,
die Redoxpotential-Messeinrichtung 5 und die Einrichtung 6 zum
Messen der Konzentration des gelösten
Wasserstoffs werden dann eingeschaltet. Das im System zirkulierende
Wasser wird in Reduktionswasser umgewandelt, das eine Konzentration
an gelöstem
Sauerstoff von 3 mg/l oder weniger, eine Konzentration an gelöstem Wasserstoff
von 0,1 mg/l oder mehr, und ein Standard-Redoxpotential von –0,3 V oder
weniger hat, und zwar bestimmt auf Basis der Standard-Wasserstoffelektrode.
Das Reduktionswasser wird zur Beibehaltung dieser Zustände gesteuert.
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Das
Wärmetauscherobjekt 71 wird
in der Kühlvorrichtung 7 gekühlt. Das
Reduktionswasser wiederum, das die Wärme vom Wärmetauscherobjekt 71 in
der Kühlvorrichtung 7 aufgenommen
hat, wird gekühlt,
indem es durch den Reduktionswasserkühler 2 strömt. Der
Reduktionswasserkühler 2 kühlt das
Reduktionswasser unter Verwendung eines Kühlmittels 21, wie
beispielsweise Wasser oder Luft.
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Wenn
sich die Qualität
des Reduktionswassers nach einer langen Zirkulationsdauer verschlechtert hat,
wird das zirkulierende Reduktionswasser teilweise oder vollständig über die
Ablassrohrleitung 82 zum Äußeren des Systems abgelassen.
Die abgelassene Menge wird kompensiert, indem in der Vorbehandlungseinrichtung 61 behandeltes
Nachfüllwasser
vom Systemäußeren über die
Zuführrohrleitung 81 eingebracht
wird.
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Gemäß der Erfindung
wird Reduktionswasser als Wärmetauscherwasser
für die
Zirkulation in der Wärmetauschervorrichtung
verwendet. Das Zirkulationssystem wird dadurch in einem reduzierenden
Zustand gehalten. Demgemäß wird eine
Oxidation und Korrosion von Metallmaterialien der Flüssig-Seite
zuverlässig
verhindert werden. Da aerobe Mikroorganismen und Algen, welche biologische
Filme ausbilden, nur schwer unter reduzierenden Bedingungen wachsen,
kann eine Ausbildung derartiger Filme in effektiver Weise unterdrückt werden.
Das System erfordert lediglich eine Installation einfacher Vorrichtungen,
und verursacht keine weiteren Maschinenausrüstungskosten.
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Das
Reduktionswasser ist ein gelösten
Wasserstoff enthaltendes Wasser, das durch Lösen von Wasserstoffgas erzielt
wird, und weist ein Standard-Redoxpotential von –0,3 V oder weniger auf, bestimmt
auf Basis der Standard-Wasserstoffelektrode, und eine Konzentration
an gelöstem
Sauerstoff von 3 mg/l oder weniger, und eine Konzentration an gelöstem Wasserstoff
von 0,1 mg/l oder höher.
Eine Verwendung von derartigem Reduktionswasser verhindert in zuverlässiger Weise
ein Oxidieren und Korrodieren von Metallmaterialien der Flüssig-Seite.
Außerdem
kann ein derartiges Reduktionswasser, das ein gewünschtes
Niveau des Standard-Redoxpotentials
hat, ohne Weiteres erzielt werden. Das vorliegende System verwendet
keine Chemikalien, die herkömmlicherweise
Einkaufkosten und Lagerplatz benötigten,
und Bedenken in Bezug auf eine Umweltbeeinträchtigung verursachten. Dieses
leicht zu erhaltende Reduktionswasser dient auch dazu, eine Korrosion
von im System verwendeten Materialien und eine Ausbildung biologischer
Filme zu hemmen, wobei dabei nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt
vermindert werden.
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Das
Reduktionswasser wird dadurch hergestellt, dass ein reduzierendes
Mittel in entgastem Wasser gelöst
wird, und weist eine Konzentration an gelöstem Sauerstoff von 3 mg/l
oder weniger auf. Es ist daher möglich,
das Reduktionswasser unter Verwendung einer verminderten Lösungsmenge
des reduzierenden Mittels herzustellen.
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Wenn
das Kühlmittel 21 im
Reduktionswasserkühler 2 Wasser
ist, wird ebenfalls vorzugsweise das zuvor beschriebene Reduktionswasser
als Kühlmittel 21 verwendet.
Dies kann eine durch die Oxidation von Metallmaterialien bedingte
Korrosion und ein Wachstum von Mikroorganismen im Strömungsweg
des Kühlmittels 21 im
Reduktionswasserkühler 2 verhindern.
Es ist weiter zu bevorzugen, das Kühlmittel 21 in einem
Zirkulationssystem umzuwälzen,
das ähnlich
dem des Reduktionswassers ist.
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Bezug
nehmend auf 2 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung erläutert. 2 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Ausführungsform darstellt. Bauelemente
in 2, die solchen von 1 entsprechen,
sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Erläuterung
dieser entsprechenden Bauelemente wird hier nicht wiederholt, und
lediglich sich unterscheidende Punkte werden nachfolgend beschrieben.
Der Unterschied zwischen der vorliegenden Ausführungsform und 1 besteht
darin, dass eine im Wesentlichen dicht abgeschlossene Nebenstrom-Rohrleitung 41,
die von der Zirkulationsrohrleitung 4 abzweigt, vorgesehen
ist. Insbesondere ist die Nebenstrom-Rohrleitung 41 so angeschlossen,
dass sie zwischen dem Reduktionswasserkühler 2 und der Redoxpotential-Messeinrichtung 5 von
der Zirkulationsrohrleitung 42 abzweigt und zu dieser zurückgeführt ist.
Außerdem
sind die Entgasungseinrichtung 9 und die Reduktionswasser-Bereitungsvorrichtung 3 in
dieser Nebenstrom-Rohrleitung 41 angeordnet.
Ventile V1, V2 sind in der Zirkulationsrohrleitung 42 bzw.
der Nebenstrom-Rohrleitung 41 vorgesehen, und zwar an Positionen
unmittelbar in Strömungsrichtung
hinter der Abzweigung. Diese Ventile werden verwendet, um zu steuern, über welchen
Weg das Wärmetauscherwasser
zirkuliert.
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Beispielsweise
kann, durch In-Betrieb-Setzen der Entgasungseinrichtung 9 und
der Reduktionswasser-Bereitungsvorrichtung 3, wenn das
Ventil V1 geschlossen ist und das Ventil V2 geöffnet ist, um das Wärmetauscherwasser über die
Nebenstrom-Rohrleitung 41 zirkulieren
zu lassen, Reduktionswasser für
ein Zirkulieren als Kühlwasser
für die
Kühlvorrichtung 7 zugeführt werden.
Die Ventile V1, V2 können
periodisch geöffnet
und geschlossen werden oder können
alternativ gemäß den gemessenen
Werten der Redoxpotential-Messeinrichtung oder der Einrichtung 6 zur
Messung der Konzentration des gelösten Wasserstoffes gesteuert
werden. Es ist ebenfalls möglich,
zu ermöglichen,
dass ein Anteil des zirkulierenden Wassers dauernd abgezweigt wird
und durch die Nebenstrom-Rohrleitung 41 strömt. Das
Wärmetauschersystem 10b gemäß der zweiten
Ausführungsform
bietet ähnliche
Vorteile wie die erste Ausführungsform.
Außerdem
können,
da die vorliegende Ausführungsform
eine Installation einer Reduktionswasser-Bereitungsvorrichtung geringer
Größe an einem
vom Zirkulationssystem abgezweigten Ort ermöglicht, bestehende Wärmetauschersysteme
problemlos nachgerüstet
werden.
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Bezug
nehmend auf 3 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung erläutert. 3 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Ausführungsform darstellt. Bauelemente
in 3, die denen von 1 entsprechen,
sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Erläuterung
dieser entsprechenden Bauelemente wird hier nicht wiederholt, und
lediglich sich unterscheidende Punkte werden nachfolgend beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
befinden sich die Entgasungseinrichtung 9 und die Reduktionswasser-Bereitungsvorrichtung 3 nicht
innerhalb der Zirkulationsrohrleitung 4, sondern sind in
einer externen Rohrleitung 43 installiert, die an die Zirkulationsrohrleitung 4 angeschlossen
ist. Die Vorbehandlungseinrichtung 61 zur Behandlung des
Nachfüllwassers
ist vor der Entgasungseinrichtung 9 vorgesehen, und die
Zuführrohrleitung 81 verbindet
die Vorbehandlungseinrichtung 61 und die Entgasungseinrichtung 9.
Gemäß dieser
Anordnung wird Reduktionswasser dem in Gebrauch befindlichen zirkulierenden
Wasser über
die externe Rohrleitung zugeführt.
Das Standard-Redoxpotential und die Konzentration des gelösten Wasserstoffes
des zirkulierenden Wärmetauscherwassers
(des zirkulierenden Wassers) werden fortlaufend unter Verwendung
der Redoxpotential-Messeinrichtung 5 und der Einrichtung 6 zur
Messung der Konzentration des gelösten Wasserstoffes überwacht,
um demgemäß die Menge
an gelöstem
Wasserstoffgas zu steuern. Auf diese Weise wird das Standard-Redoxpotential
des zirkulierenden Wassers in stabiler Weise auf ein angestrebtes
Niveau gesteuert.
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Bezug
nehmend auf 5 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung erläutert. 5 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Ausführungsform darstellt. Bauelemente
in 5, die denen von 1 entsprechen,
sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Erläuterung
dieser entsprechenden Bauelemente wird hier nicht wiederholt, und
hauptsächlich
werden sich unterscheidende Punkte beschrieben.
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Innerhalb
des Wärmetauschersystems 11d der
vorliegenden Ausführungsform
ist ein als zweites System A bezeichnetes Zirkulationssystem in
gleicher Weise wie das Wärmetauschersystem 10a von 1 konfiguriert,
abgesehen davon, dass die Kühlvorrichtung 7 aus
der Zirkulationsrohrleitung 4 entfernt wurde. Ein erstes
System B ist separat vorgesehen, welches die Kühlvorrichtung 7, eine
Pumpe 64 (erste Reduktionswasser-Zuführvorrichtung) zum Zuführen von
Reduktionswasser zur Kühlvorrichtung 7,
und eine Zirkulationsrohrleitung 67 (erste Reduktionswasser-Zirkulationsrohrleitung)
beinhaltet, die so angeschlossen ist, dass sie ein Zirkulationssystem
mit der Kühlvorrichtung 7 und
der Pumpe 64 bildet. An Positionen in Strömungsrichtung hinter
der Einrichtung 6 zur Messung des gelösten Wasserstoffs des zweiten
Systems A sind eine Reduktionswasser-Zuführseitenrohrleitung 70 für ein Zuführen von
Reduktionswasser zum ersten System B und eine Reduktionswasser-Austrittsseitenrohrleitung 66 zum
Aufnehmen von Reduktionswasser vom ersten System B angeschlossen.
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Ein
Durchsatzeinstellventil 63 ist an der Reduktionswasser-Zuführseitenrohrleitung 70 vorgesehen. Der
Durchsatz der Reduktionswasser, das in das erste System B einströmt, wird
unter Verwendung dieses Durchsatzeinstellventils 63 gesteuert.
Die Menge an dem ersten System B zugeführten Reduktionswassers wird
durch Betätigen
dieses Durchsatzeinstellventils 63 und der (nicht dargestellten)
Ventile eingestellt, die sich am Kühlwassereinlass 62 und
dem Kühlwasserauslass 68 befinden,
was zu einer Einstellung der in die Kühlvorrichtung 7 strömenden Menge
an Reduktionswasser (Wärmetauscherwasser)
führt.
Dieses Reduktionswasser ist Wasser, das im Reduktionswasserkühler 2 gekühlt wurde.
Durch Einstellen des Durchsatzes des Reduktionswassers in der Kühlvorrichtung 7 kann
die Temperatur des Redukionswassers auf ein angestrebtes Niveau
gesteuert werden.
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Das
zweite System A ist identisch zum System von 1, abgesehen
davon, dass die Kühlvorrichtung 7 aus
der Zirkulationsrohrleitung 4 entfernt wurde. Das zweite
System A beinhaltet die Umwälzpumpe 1 zum Zuführen von
Reduktionswasser zum ersten System B, den Reduktionswasserkühler 2 zum
Kühlen
des aus der Kühlvorrichtung 7 austretenden
Reduktionswassers, die Reduktionswasser-Bereitungsvorrichtung 3, und die
Zirkulationsrohrleitung 4, die so angeschlossen ist, dass
mit der Umwälzpumpe 1,
dem Reduktionswasserkühler 2 und
der Reduktionswasser-Bereitungseinrichtung 3 ein Zirkulationssystem
gebildet wird. Bei die sem Wärmetauschersystem 10d ist
die Temperatur des im zweiten System A zirkulierenden Reduktionswassers geringer
als die Temperatur des im ersten System B zirkulierenden Reduktionswassers.
Bezugszeichen 74 bezeichnet ein Rückschlagventil.
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In 5 wird
das Reduktionswasser, das im Reduktionswasserkühler 2 des zweiten
Systems A auf ungefähr
10°C gekühlt wird,
zuerst der Kühlvorrichtung 7 des
ersten Systems B über
die Zirkulationsrohrleitung 4, den Kühlwassereinlass 62,
die Reduktionswasser-Zuführseitenrohrleitung 70 und
die Pumpe 64 zugeführt. Die
Kühlvorrichtung 7 kühlt beispielsweise
Kühlung
erfordernde Wärmelastbauelemente,
die einen Mikrowellenoszillator oder eine Trockenpumpe bilden. Die
Temperatur des in der Kühlvorrichtung 7 strömenden Reduktionswassers
wird fortlaufend durch einen Temperatursensor 65 überwacht.
Ein Anteil des aus der Kühlvorrichtung 7 austretenden
Reduktionswassers strömt
durch die Zirkulationsrohrleitung 67, und ein anderer Anteil
des Reduktionswassers strömt
durch die Reduktionswasser-Austrittsseitenrohrleitung 66 und
tritt über
den Kühlwasserauslass 68 in
die Zirkulationsrohrleitung 4 des zweiten Systems A ein.
Wenn die durch den Temperatursensor 65 überwachte Temperatur eine vorbestimmte
maximal zulässige
Temperatur oder darüber
erreicht, wird das Temperatursignal in ein elektrisches Signal umgewandelt,
das über
Schaltungen wie beispielsweise eine Steuerschaltung und eine Ansteuerschaltung übertragen
wird. Dieses Signal wird verwendet, um die Öffnung des Durchsatzeinstellventils 63 zu
erweitern. Durch Erweitern der Öffnung
des Ventils wird die Menge an in die Zirkulationsleitung (das erste
System B) strömenden
Reduktionswassers vergrößert, wodurch
die Temperatur des in die Kühlvorrichtung 7 strömenden Reduktionswassers
abgesenkt wird. Wenn die Temperatur des Kühlobjektes niedriger wird als
die vorbestimmte maximal zulässige
Temperatur, wird die Öffnung
des Durchsatzeinstellungsventils verringert, um den Durchsatz des
Reduktionswassers zu begrenzen. Auf diese Weise kann die Menge des
Reduktionswassers, das zum Kühlen
des Kühlobjektes 71 umgewälzt wird,
fortlaufend auf ein optimales Niveau gesteuert werden. In einigen
Fällen,
bei denen die Anlage nicht fortlaufend betrieben wird, gibt es eine
Zeit, bei der keine Wärmelast
erzeugt wird. Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
kann der Durchsatz an Redukti onswasser während solcher Abschaltzeiten
fast gestoppt werden, was eine unnötige Nutzung des Reduktionswassers
verhindert. Es ist ebenfalls zu bevorzugen, ein Ventil 91 in
der Zirkulationsrohrleitung 4 an einer Position zwischen
dem Kühlwassereinlass 62 und
dem Kühlwasserauslass 68 vorzusehen.
Durch Vorsehen eines derartigen Ventils 91 kann die Menge
an im zweiten Zirkulationssystem A zirkulierenden Wasser nach Wunsch
eingestellt werden.
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Wenn
gleichzeitig ein Kühlen
einer Mehrzahl von Kühlobjekten 71 erfolgt,
ist es zu bevorzugen, ein entsprechendes System B für jedes
Objekt 71 bereitzustellen, und die Mehrzahl von Systemen
B mit dem System A zu verbinden. Gemäß dieser Anordnung kann man
Reduktionswasser durch eines oder mehrere beliebige der Systeme
B zirkulieren lassen, die Reduktionswasser benötigen.
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Bezug
nehmend auf 6 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfmdung erläutert. 6 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Ausführungsform darstellt. Bauelemente
in 6, die solchen von 5 entsprechen,
sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Erläuterung
dieser entsprechenden Bauelemente wird hier nicht wiederholt, und
hauptsächlich
werden sich unterscheidende Punkte beschrieben.
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Das
Wärmetauschersystem 10e der
vorliegenden Ausführungsform
ist in gleicher Weise konfiguriert wie das Wärmetauschersystem 10d von 5,
abgesehen davon, dass die Kühlvorrichtung 7 im
ersten System B nun in einer Mehrzahl (4) vorgesehen ist.
Die Kühlvorrichtungen 7 sind
in Reihe und parallel angeschlossen. Weiter ist der Temperatursensor 65 in
der Rohrleitung direkt vor der Mehrzahl von Kühlvorrichtungen 7 positioniert,
so dass die Temperatur des durch diese Rohrleitung hindurchströmenden Reduktionswassers überwacht
wird. Unter Verwendung einer derartigen Anordnung und einer Betätigung der
(nicht dargestellten) Ventile, die sich am Kühlwassereinlass 62 und
dem Kühlwasserauslass 68 befinden,
kann man Reduktionswasser bei einer vorbestimmten Temperatur in
effizienter Weise in der Mehrzahl von Kühlvorrichtungen 7 zirkulieren
lassen.
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Da
die Wärmelast
bei dieser Ausführungsform
stark vergrößert ist,
sollte das Durchsatzeinstellventil 63 von einem Typ sein,
der den Durchsatz auf einen hohen Durchsatz verändern kann. Gemäß dem Wärmetauschersystemn 10e der
vorliegenden Ausführungsform
kann ein Kühlsystem
erzielt werden, das eine optimale Menge an Kühlwasser verwendet und eine
verbesserte Gleichmäßigkeit
der Temperatur aufweist.
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Bezug
nehmend auf 7 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der Erfindung erläutert. 7 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Ausführungsform darstellt. Bauelemente
in 7, die solchen von 5 entsprechen,
sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Erläuterung
dieser entsprechenden Bauelemente wird hier nicht wiederholt, und
hauptsächlich
werden sich unterscheidende Punkte beschrieben. Das Wärmetauschersystem 10f der
vorliegenden Ausführungsform
unterscheidet sich von demjenigen von 5 darin,
dass ein Pufferbehälter
(Kühlwasserbehälter) 69 nun
in der Zirkulationsrohrleitung 67 des ersten Systems B
im Wärmetauschersystem 10d von 5 angeordnet
ist. Der Pufferbehälter
ist so angeschlossen, dass er ein Teil des dicht abgeschlossenen
Systems bildet, und ist zum Speichern von gekühltem Reduktionswasser vorgesehen.
Weiter ist ein Rückschlagventil 50 an
der Kühlwasser-Austrittsseitenrohrleitung 66 angeordnet.
Diese Anordnung ist geeignet, wenn eine Kühlung des Kühlobjektes durch das Wärmetauschersystem 10f unmittelbar
erfolgen muss. Insbesondere ist während einer Abschaltzeit, wenn
sich die Anlage nicht in Betrieb befindet, das Durchsatzeinstellventil 63 fast
vollständig
geschlossen, wobei dabei vorab eine große Menge an Reduktionswasser
im Pufferbehälter 69 gespeichert
wird. Wenn die Anlage erneut gestartet wird, wird die Pumpe 64 in
Betrieb gesetzt, um unmittelbar ein Zirkulieren des im Pufferbehälter 69 gespeicherten
Reduktionswassers zu bewirken. Das gekühlte Reduktionswasser strömt durch
die Kühlvorrichtung 7,
und ein Anteil des Wassers strömt
anschließend über das
Rückschlagventil 50,
die Kühlwasser-Austrittsseitenrohrleitung 66 und
den Reduktionswasserauslass 68 in die Zirkulationsrohrleitung 4 des
zweiten Systems A. Der verbleibende Anteil des Wassers strömt durch
die Zirkulationsrohrleitung 67. Der Temperatursensor 65 überwacht
die Temperatur des in die Kühlvorrichtung 7 strö menden Reduktionswassers.
Wenn die Anlage ihren Betrieb fortsetzt, steigt die Temperatur des
Reduktionswassers. Wenn die Temperatur einen vorbestimmten maximal
zulässigen
Pegel überschreitet,
wird ein Temperatursignal als Rückmeldung
zugeführt,
um das Durchsatzeinstellventil 63 zu öffnen, wodurch neues Reduktionswasser
eingeleitet wird. Da vorab eine große Menge an Reduktionswasser
aufgespeichert wird, kann dieses System Fälle bewältigen, die eine unmittelbare
Kühlung
erfordern, wie beispielsweise bei einem Brennofen zur raschen Wärmebehandlung,
der bei einem Halbleiterfertigungsprozess verwendet wird. Wenn der
Betrieb der Anlage gestoppt wird, befindet sich die Pumpe 64 in
Betrieb, während
das Durchsatzeinstellventil 63 vollständig geöffnet ist, so dass, als Vorbereitung
für den
nächsten
Betrieb der Anlage, gekühltes
Reduktionswasser im Pufferbehälter 69 gesammelt
wird. Beim Sammeln von gekühltem
Reduktionswasser im Pufferbehälter 69 hat
das Rückschlagventil 50 die
Funktion, zu verhindern, dass auf der Hochtemperaturseite befindliches
Reduktionswasser in den Pufferbehälter einströmt, so dass die Wassertemperatur
im Pufferbehälter 69 auf
der Temperatur des in den Behälter
eintretenden gekühlten
Wassers gehalten wird.
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Bei
der vierten, fünften
und sechsten Ausführungsform
ist das zweite System A nicht auf das zuvor beschriebene Beispiel
eingeschränkt.
Das zweite System A kann ein Zirkulationssystem sein, das als Wärmetauschersystem 11b von 2 ohne
die Kühlvorrichtung 7 konfiguriert
ist, oder als Wärmetauschersystem 10c von 3 ohne
die Kühlvorrichtung 7.
Es ist ebenfalls zu bevorzugen, eine Mehrzahl von ersten Systemen
B vorzusehen.
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Bezug
nehmend auf 8 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
siebten Ausführungsform
der Erfindung erläutert. 8 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Ausführungsform darstellt. Bauelemente
in 8, die solchen von 5 entsprechen,
smd mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Erläuterung
dieser entsprechenden Bauelemente wird hier nicht wiederholt, und
hauptsächlich
werden sich unterscheidende Punkte beschrieben. Die Vorrichtung 10g zum
Kühlen
eines Wärmetauscherobjektes
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
unterscheidet sich von derjenigen von 5 darin,
dass das zweite System A des Wärmetauschersystems 10d von 5 von
einem beliebigen Typ (eines Kühlwasser-Zuführsystems)
sein kann, sofern es dem ersten System Kühlwasser (Wärmetauscherwasser) zuführen kann. Insbesondere
kann es sich bei dem Kühlwasser-Zuführsystem
der vorliegenden Ausführungsform
entweder um ein im Wesentlichen dicht abgeschlossenes System oder
um ein nicht dicht abgeschlossenes System handeln. Beim Kühlwasser
dieser Ausführungsform
kann es sich, ohne Einschränkung,
um Leitungswasser, Flusswasser, Industriewasser, gefiltertes Wasser,
das durch Entfernen von Partikeln und Oxidationsmitteln, wie beispielsweise
hypochloriger Säure
und Natriumhypochlorid, aus diesen Wassern erhalten wird, und entionisiertes
Wasser handeln, das dadurch erhalten wird, dass diese Wasser in
Wasserreinigungsanlagen behandelt werden, um ionische und nicht-ionische
Substanzen zu beseitigen, oder um das zuvor erwähnte Reduktionswasser handeln.
Das Reduktionswasser kann wie zuvor beschrieben hergestellt sein.
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In 8 überwacht
der Temperatursensor 65 fortlaufend die Temperatur des
in die Kühlvorrichtung 7 einströmenden Kühlwassers.
Das Kühlwasser,
das im (nicht dargestellten) Kühlwasserkühler im
Kühlwasser-Zuführsystem
auf ca. 10°C
gekühlt
wird, strömt
durch die Kühlwasser-Zuführrohrleitung 4a und
wird der Kühlvorrichtung 7 über den
Kühlwassereinlass 62,
das Durchsatzeinstellventil 63 und die Pumpe 64 zugeführt. Ein
Anteil des aus der Kühlvorrichtung 7 austretenden
Kühlwassers
strömt
durch die Kühlwasser-Zirkulationsrohrleitung 67,
wobei der übrige
Teil aus dem Kühlwasserauslass 68 austritt,
um in die Kühlwasser-Austrittsrohrleitung 66a einzutreten.
Wenn die durch den Temperatursensor 65 überwachte Temperatur die vorbestimmte
maximal zulässige
Temperatur oder darüber
erreicht, wird das Temperatursignal in ein elektrisches Signal umgewandelt,
das über
Schaltungen wie beispielsweise eine Steuerschaltung und eine Ansteuerschaltung übertragen
wird. Dieses Signal wird verwendet, um die Öffnung des Durchsatzeinstellventils 63 weiter
zu erweitern. Durch weiteres Erweitern der Öffnung des Ventils wird die
Menge an in die Zirkulationsleitung strömenden Kühlwassers vergrößert, wodurch
die Temperatur des durch die Kühlvorrichtung 7 strömenden Kühlwassers
abgesenkt wird. Wenn die Temperatur des Wärmetauscherobjektes niedriger
wird als die vorbestimmte maximal zulässige Temperatur, wird die Öffnung des
Durchsatzeinstel lungsventils 63 verringert, um den Durchsatz
des Kühlwassers
zu begrenzen. Auf diese Weise kann die Menge des Kühlwassers
zum Kühlen
des Wärmetauschers 7 fortlaufend
auf den minimal erforderlichen Pegel gesteuert werden. In einigen
Fällen,
bei denen die Anlage nicht fortlaufend betrieben wird, gibt es eine
Zeit, bei der keine Wärmelast
erzeugt wird. Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
kann der Durchsatz an Kühlwasser
während
einer solchen Abschaltzeit fast gestoppt werden, was einen unnötigen Verbrauch
an Kühlwasser
verhindert. Bezugszeichen 73 in 8 bezeichnet
ein Wärmeisoliermaterial.
Durch das Vorsehen des Wärmeisoliermaterials 73,
wie dargestellt, ist es möglich,
eine Beeinflussung durch die Umgebungstemperatur zu verhindern,
was einen effizienteren Betrieb ermöglicht. Auch wird eine Kondensation
verhindert.
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Bezug
nehmend auf 9 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
achten Ausführungsform
der Erfindung erläutert. 9 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Ausführungsform darstellt. Bauelemente
in 9, die solchen von 5 entsprechen,
sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Erläuterung
dieser entsprechenden Bauelemente wird hier nicht wiederholt, und
hauptsächlich
werden sich unterscheidende Punkte beschrieben. Die Vorrichtung 10h zum
Kühlen
eines Wärmetauscherobjektes
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
unterscheidet sich von derjenigen von 6 darin,
dass das zweite System A des Wärmetauschersystems 10e von 6 von
einem beliebigen Typ (eines Kühlwasser-Zuführsystems)
sein kann, sofern es dem ersten System Kühlwasser zuführen kann.
Insbesondere kann es sich bei dem Kühlwasser-Zuführsystem
der vorliegenden Ausführungsform
entweder um ein im Wesentlichen dicht abgeschlossenes System oder
um ein nicht dicht abgeschlossenes System handeln. Die Kühlwassertypen,
die verwendet werden können,
sind die gleichen wie die, welche für die zuvor beschriebene siebte
Ausführungsform
angeführt
wurden. Durch Vorsehen der Vorrichtung 10h zum Kühlen eines
Wärmetauscherobjektes
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
kann ein Kühlsystem
realisiert werden, das eine minimale Kühlwassermenge verwendet und
eine verbesserte Gleichmäßigkeit
der Temperatur aufweist.
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Bezug
nehmend auf 10 wird nachfolgend ein Wärmetauschersystem
gemäß einer
neunen Ausführungsform
der Erfindung erläutert. 10 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Ausführungsform darstellt. Bauelemente
in 10, die solchen von 7 entsprechen,
sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Eine Erläuterung
dieser entsprechenden Bauelemente wird hier nicht wiederholt, und
hauptsächlich werden
sich unterscheidende Punkte beschrieben. Die Vorrichtung 10i zum
Kühlen
eines Wärmetauscherobjektes
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
unterscheidet sich von derjenigen von 7 darin,
dass das zweite System A des Wärmetauschersystems 10f von 7 von
einem beliebigen Typ (eines Kühlwasser-Zuführsystems)
sein kann, sofern es dem ersten System Kühlwasser zuführen kann.
Insbesondere kann es sich bei dem Kühlwasser-Zuführsystem
der vorliegenden Ausführungsform
entweder um ein im Wesentlichen dicht abgeschlossenes System oder
um ein nicht dicht abgeschlossenes System handeln. Die Typen von
Kühlwasser,
die verwendet werden können,
sind die gleichen wie diejenigen, die für die zuvor beschriebene siebte
Ausführungsform
angeführt
wurden. Die Vorrichtung 10h zum Kühlen eines Wärmetauscherobjektes
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
bietet ähnliche
Vorteile wie die sechste Ausführungsform.
Die Zirkulationspumpe, die als Reduktionswasser-Zuführvorrichtung
und Kühlwasser-Zuführvorrichtung
verwendet wird, kann von einem beliebigen bekannten Typ sein, der
normalerweise verwendet wird. Jedoch wird vorzugsweise eine Zirkulationspumpe
verwendet, die einen solchen Aufbau hat, dass das Wärmetauscherwasser
oder das Kühlwasser
beim Abdichtungsabschnitt zwischen dem Motor und dem Laufrad der
Zirkulationspumpe nicht in Kontakt mit Luft kommt. Die Abdichtungsstruktur
bei diesem Abdichtungsabschnitt kann dadurch ausgebildet sein, dass
ein Inertgas in den Abdichtungsabschnitt eingebracht ist.
-
BEISPIELE
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Die
Erfindung wird nachfolgend detaillierter unter Verwendung spezieller
Beispiele beschrieben. Diese Beispiele dienen lediglich zu illustrativen
Zwecken und verstehen sich als in keiner Weise die Erfindung einschränkend.
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BEISPIEL 1
-
Ein
Wärmetauschersystem,
das eine Strömungskonfiguration
wie dargestellt in
2 hat (das Zirkulationssystem
ist ein dicht abgeschlossenes System), wurde verwendet, um Versuche
gemäß den Installationsspezifikationen
und den Betriebsbedingungen durchzuführen, die nachstehend aufgelistet
sind, sowie gemäß der in
Tabelle 1 angegebenen Qualität
des Zirkulationswassers. Die Ergebnisse nach 30 Tagen fortlaufendem
Betrieb sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Qualität des Zirkulationswassers
wurde durch Analysieren des Wassers bestimmt, dessen Probeentnahme
bei Punkt C in
2 erfolgte.
Wärmetauscherobjekt:
ein Wärmeabstrahlabschnitt
eines Halbleiterfertigungsgerätes
Rohrleitungsmaterial:
blank geglühtes
Rohr aus rostfreiem Stahl; Durchmesser 3/8 Zoll
Gesamtrohrlänge: 150
m
Entgasungsverfahren: Vakuumentgasung unter Verwendung emer
gasdurchlässigen
Membran
Wasserstofflösungsverfahren:
Membranlösung
unter Verwendung einer gasdurchlässigen
Membran
Zirkulationsdurchsatz: 10 l/min. Das gesamte zirkulierende
Wasser wurde fortlaufend durch die Entgasungseinrichtung
9 und
den Wasserstoffgas-Lösungsbehälter
32 zirkuliert,
wobei kein Nachfüllen
oder Ablassen von Zirkulationswasser erfolgte.
Temperatur des
Reduktionswassers vor dem Kühlen
durch den Kühler:
10°C
Temperatur
des Reduktionswassers nach dem Kühlen
durch den Kühler:
23°C
Metallkonzentration
im unbehandelten Wasser: 0,25 μg
Fe/L
Anzahl an lebenden Bakterien im unbehandelten Wasser:
2/mL
Zirkulationszeitdauer: 30 Tage
Auswertung: Untersuchung
des Zustandes der Rohrleitungsinnenfläche und Wasserqualitätsanalyse
des Reduktionswassers nach 30 Tagen TABELLE
1
-
- Anmerkung: In der Tabelle geben die oberen Reihen unter
den spezifischen Beispielen und den Vergleichsbeispielen die Qualität des Zirkulationswassers
und die Zustände
der Entgasung und der Wasserstofflösung an. Die unteren Zeilen
unter den spezifischen Beispielen und Vergleichsbeispielen bezeichnen
die Ergebnisse, die nach 30-tägigem
Betrieb beobachtet wurden. Die Symbole bezeichnen Folgendes:
- O: keine Rauhigkeit auf der Rohrleitungsinnenfläche
- Δ: geringes
Vorhandensein von Rauhigkeit auf der Rohrleitungsinnenfläche
- X: deutliches Vorhandensein von Rauhigkeit auf der Rohrleitungsinnenfläche
-
BEISPIEL 2
-
Unter
Verwendung der Vorrichtung 10g zum Kühlen eines Wärmetauscherobjektes,
welche die in 8 dargestellte Strömungskonfiguration
aufwies, wurden Messungen in Bezug auf die während eines vorbestimmten Zeitraums
benutzte (verbrauchte) Menge an Kühlwasser durchgeführt. Die
Durchschnittstemperatur an der Kühlwasserzuführseite
(T1) und die Durchschnittstemperatur an der Austrittsseite (T2)
der Kühlvorrichtung 7 wurden
ebenfalls gemessen. Zum Vergleich wurde ein herkömmliches Wärmetauschersystem, welches ähnliche
Konfiguration wie das Wärmetauschersystem 10g aufwies,
jedoch ohne den Temperatursensor 65, unter den gleichen
Bedingungen betrieben. Bei diesem System wurden zum Vergleich Messungen
in ähnlicher
Weise in Bezug auf die innerhalb des gleichen vorbestimmten Zeitraums
verwendete (verbrauchte) Menge an Kühlwasser, die Durchschnittstemperatur
auf der Kühlwasserzuführseite
(T3) und die Durchschnittstemperatur auf der Austrittsseite (T4)
der Kühlvorrichtung 7 vorgenommen.
Die Ergebnisse zeigten, dass, setzt man die Menge des Reduktionswassers,
das durch die herkömmliche
Kühlvorrichtung
verbraucht wurde, als Basismenge mit einem Wert von 100 an, der
anteilige Wert der Menge an durch die Kühlvorrichtung 10g mit
der in 8 dargestellten Strömungskonfiguration verwendetem
Reduktionswasser 36 betrug. Dies zeigt an, dass die benutzte
Kühlwassermenge
um mehr als 60 % vermindert wurde. Weiter betrug, während (T4-T3) ungefähr 8°C betrug,
(T2-T1) ungefähr
0,2°C, es
wurde also lediglich eine sehr geringe Temperaturdifferenz erzeugt.
Aus dieser Tatsache wurde gefunden, dass die Kühlvorrichtung 10g mit
der in 8 dargestellten Strömungskonfiguration die Differenz
zwischen den Temperaturen auf der Zuführseite und der Austrittsseite der
Kühlvorrichtung
minimiert werden kann, und diese daher vorteilhaft ist, wenn eine
hoch genaue Temperatursteuerung benötigt wird.
