Det slutgiltiga konceptet för ugnen behöver testas för att bevisa att den verkligen fungerar.
För detta krävs en prototyp.
Om det beslutas att utveckla ugnen vidare och gå ifrån det gällande ugnskonceptet, så bör en ugn med glödtråd studeras, då denna anses ha största möjligheter till att ytterligare förminska ugnen.
För modulen måste alla valda komponenter testas tillsammans för att bevisa att rätt funktion kan erhållas. Om man väljer att fortsätta leta efter mindre och bättre komponenter så bör arbetet koncentreras till ventil för tryckluft, filter och kopplingar till detta, samt
radioaktivitetsmätare. Dessa komponenter är valda från befintlig utrustning för att de bevisat sin funktion men det kan finnas bättre komponenter på marknaden.
Fokus för fortsatt utveckling bör läggas på att hitta en lösning för att kunna koppla till och från en modul i ett steg. Detta kan ske med en manifolder för kopplingar. Anledningen till att fokus bör läggas vid denna funktion är att det skulle ge ett gott intryck gentemot kunden då modulen skulle bli mer servicevänlig.
Det finns även anledning att lägga vikt på en stilren design som tillsammans med modulkonceptet och manifolder med kopplingar kan ge ett övertag på marknaden.
När en fullgod lösning för ett modulkoncept anses vara uppnådd, är det dags att ta fram samtliga kvarvarande moduler för att uppnå ett komplett och flexibelt produktprogram.
Sammanfattning över förslag till vidareutveckling
Tillverka prototyp av ugn och testa funktion. Alternativt, studera möjligheterna för en ugn med glödtråd som värmekälla
Testa alla komponenter i modulen för att säkerställa funktion
Utveckla lösning för att koppla till och från en modul i endast ett steg
Tillverka fullständig prototyp för att säkerställa funktion för modulkonceptet
Utveckla samtliga nya modulerVid intresse av fortsatt utveckling av modulbaserad processutrustning, är det fördelaktigt om de personer som angriper problemet har god insyn i processen och har tidigare erfarenhet angående de förutsättningar som omger uppgiften
11 Referenser
Dahlström, K. (2010). Engineeringavdelningen, GE Healthcare Hysbyborg, Uppsala (Muntlig information)
General Electric (2010). Företagsbeskrivning, http://www.ge.com/company (2010-06-01) Högskolan i Skövde (2010). Konceptvalsmatris,
http://www.his.se/PageFiles/12707/konceptval.pdf (2010-06-02)
Larsen, P. Dahlström, K et al. Synthesis of [11C]Iodomethane by Iodonation of [11C]Methane, Appl. Radiat. lsot. Vol. 48 (No. 2), (1997), 153-157
Siemens PLM Software (2010). Design for Six Sigma.
http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/Images/wp_nx_six_sigma_tcm1023-23275.pdf (2010-06-01)
Bilagor
Ritningar
Bilaga 1 – Modulen med basmått Bilaga 2 – Ugn, exploderad vy
Bilaga 3 – Konceptritning över blocket Bilaga 4 – Rörhane, exploderad vy Bilaga 5 – Konceptritning för rörhane
Användarkravspecifikation
Bilaga 6 – Användarkravspecifikation – Modul #1 – Methanizer
Analys av komponenter
Bilaga 7 – Analys av komponenter
Bilaga 1 – Modulen med basmått.
Bilaga 2 – Ugn, exploderad vy
Bilaga 3 – Konceptritning över blocket
Bilaga 4 – Rörhane, explodevy
Bilaga 5 – Konceptritning för rörhane
Allt eftertryck av hela eller delar av detta dokument utan beställarens skriftliga medgivande är förbjudet.
Författare: Signatur: Datum:
EF & SJ 2010-04-21
Godkänd av: Signatur: Datum:
2010-04-21
Filnamn och status: Sekretessnivå:
Användarkravspecifikation
Modulbaserad 11C-processutrustning
Modul #1 - Methanizer
1 INNEHÅLL
1 INNEHÅLL... 2
2 SAMMANFATTNING... 3
3 GENERELL BESKRIVNING... 4
3.1 Gränssnitt... 4
3.2 Funktioner... 4
3.3 Användare... 4
3.4 Begränsningar... 4
3.5 Antaganden och beroenden... 4
4 SPECIFIKA KRAV... 5
4.1 Funktionella krav... 5
4.1.1 Funktionalitet... 5
4.1.2 Storlek... 5
4.1.3 Material och form... 5
4.1.4 Programlagring... 5
4.1.5 Strömförsörjning... 5
4.2 Servicefunktioner... 6
4.3 Krav på externa gränssnitt... 6
4.3.1 Användargränssnitt... 6
4.3.2 Mekaniska gränssnitt... 6
4.3.3 Hårdvarugränssnitt... 6
4.3.4 Kommunikationsgränssnitt... 6
4.4 Prestandakrav... 6
4.5 Konstruktionsbegränsningar... 6
4.6 Egenskaper... 7
4.7.4 Myndighetskrav... 7
5 DOKUMENTINFORMATION... 8
5.1 Versionsbeskrivning... 8
5.2 Distribution... 8
5.3 Definitioner... 8
5.4 Referenser... 8
Filnamn och status: Sekretessnivå:
2 SAMMANFATTNING
Detta dokument innehåller de övergripande kraven på projektet ”Modul #1 Methanizer”. Dessa krav ska fungera som input för generering av kommande konceptförslag.
Denna kravspecifikation består av två delar. Den första delen ger en generell beskrivning av produkten som ska utvecklas i detta projekt. Denna del
innehåller inga krav utan ger en allmän ökad förståelse för produkten. Den andra delen innehåller alla specificerade krav på produkten i olika avseenden.
3 GENERELL BESKRIVNING
3.1 Gränssnitt
Modul #1 ska tillverka 11CH4 från inkommande targetgas, som innehåller 11CO2
och N2. Tillverkningen sker genom att 11CO2 reagerar med H2 vid en förhöjd temperatur av 350° Celsius. 11CH4 transporteras vidare till nästa modul med He.
Modul 1# har alltså tre gasingångar för targetgas, H2 och He. Modulen kommer att ha tre utgångar för produktutgång, He, och waste. Beroende på koncept kan även tryckluft komma att användas, vilket kräver en ingång och utgång.
Totalt antal ingångar är 4 st. Totalt antal utgångar är 4 st.
Modulen kommer att ha extern strömförsörjning, och kontakter för kommunikation med operativsystem.
3.2 Funktioner
Modulen ska ta emot targetgas innehållandes 11CO2 för att sedan reagera med H2 och bilda 11CH4. Innan modulen är redo att ta emot targetgas, ska den rengöras och prepareras med helium och vätgas.
I modulen ska en ugn sitta. Den har till uppgift att fånga den radioaktiva koldioxiden. Koldioxiden fångas vid en temperatur under 35° Celsius. När all targetgas har passerat låter man H2 passera genom systemet, varefter man stänger in gasen och värmer ugnen till 350° Celsius och 11CH4 bildas. Därefter går gasen genom ett filter som tar bort restprodukter från tidigare reaktioner.
Gasen levereras till nästa modul med hjälp av ett heliumflöde.
3.3 Användare
Användare är utbildad servicepersonal ute hos kund, på PET Center.
3.4 Begränsningar
Övergripande styrsystem ingår inte i detta projekt. Modulens elektronik ingår ej, men förutsättningar för att det ska fungera ska finnas.
3.5 Antaganden och beroenden
Projektet utförs som examensarbete i enlighet med Six Sigma-metoden, 5 steg (DMADV).
DMADV står för Define, Measure, Analyze, Design och Verify.
Filnamn och status: Sekretessnivå:
4 SPECIFIKA KRAV
4.1 Funktionella krav
4.1.1 Funktionalitet
4.1.1.1 Modulen ska kunna ta emot targetgas med 10 bar 4.1.1.2 Modulen ska kunna ta emot helium med 1,5 bar 4.1.1.3 Modulen ska kunna ta emot vätgas med 1,5 bar
4.1.1.4 Modulen ska kunna utföra reaktion mellan targetgas och vätgas för att bilda 11CH4.
4.1.1.5 Modulen ska kunna leverera 11CH4 med ett flöde av 10-100 ml/min 4.1.1.6 Tillverkad 11CH4 ska levereras utan restprodukter från tidigare
reaktioner såsom vatten, koldioxid mm.
4.1.1.7 Från att targetgasen kommer in till leverans av metan får max 4 minuter ha fortlöpt.
4.1.1.8 Modulen måste vara redo att ta emot en ny batch med 17 minuters mellanrum.
4.1.1.9 Modulen ska ha en yield på minst 90 %, där yield definieras som radioaktivitet ut från modulen delat med radioaktivitet in i modulen.
4.1.1.10 Det tillverkade 11CH4 ska ha en radiokemisk renhet på minst 90 % 4.1.1.11 Modulen ska kunna operera utan att ändra trycket inne i den
såkallade hot-cellen.
4.1.2 Storlek
4.1.2.1 Modulen skall rymmas inom en rektangulär låda med dimensionerna 300 x 200 x 150 (B x D x H) [mm]
4.1.2.3 Den stationära enheten skall maximalt väga 15 [kg]
4.1.3 Material och form
4.1.3.1 Val av färgsättning sker efter konceptval
4.1.4 Programlagring N/A
4.1.5 Strömförsörjning
4.1.4.1 Produkten skall ha extern strömförsörjning, likspänning max 230 [V]
4.1.4.2 Maximal effekt är 2 [kW]
4.2 Servicefunktioner
4.2.1 Alla ingående hårdvara och mjukvara ska enkelt kunna testas efter slutmontering
4.2.2 Alla ingående komponenter ska vara lättåtkomliga för att kunna servas och bytas. De komponenter som har planerat underhåll ska prioriteras högst.
4.3 Krav på externa gränssnitt
4.3.1 Användargränssnitt
4.3.1.1 Det ska max 60 sek för servicepersonal att ta av resp. sätta dit en modul.
4.3.1.2 Modulen ska kunna övervakas och styras via extern programvara.
4.3.2 Mekaniska gränssnitt
4.3.2.1 Modulen ska kunna placeras i en såkallad hot-cell.
4.3.2.2 Modulen ska ha standardiserade kopplingar på in- och utgångar.
4.3.2.3 Modulen ska ha ingångar för targetgas, helium, vätgas och eventuell kylning.
4.3.2.4 Modulen ska ha utgångar för 11CH4, helium, waste och eventuell kylning.
4.3.3 Hårdvarugränssnitt
4.3.3.1 Strömförsörjning genom extern chassidon 4.3.3.2 Nätverksanslutning genom extern chassidon
4.3.4 Kommunikationsgränssnitt
Filnamn och status: Sekretessnivå:
4.6 Egenskaper
4.6.1 Säkerhet
4.6.1.1 Vid internt fel skall modulen indikera detta med felmeddelande på extern skärm i övervakningsutrymme.
4.6.1.2 Skydd ska finnas där risk för stötar och brännskador finns.
4.6.1.3 Modulen skall efter internt fel ej kunna skada användare.
4.6.1.4 Explosionsrisker ska elimineras.
4.6.2 Servicebarhet
4.6.2.1 Modulen ska kunna köras minst 50 cykler utan interaktion.
4.6.2.2 Samtliga komponenter skall kunna bytas av servicepersonal på plats
4.7.2.1 Projektet utförs som examensarbete, varför projektet ska
redovisas skriftligt i en rapport. Eventuella sammanställnings- och detaljritningar ska göras
4.7.3 Miljökrav TBA / N/A
4.7.4 Myndighetskrav
(Produkten skall uppfylla följande krav:
4.8.3.1 EN 61010 (Säkerhetsstandard för laborationsutrustning) 4.8.3.2 EN 61326 (EMC)
Syftet är att uppfylla krav enligt europanormer, UL och CSA för att säkerställa att produkten kan CE- och cUL-godkännas.)
5 DOKUMENTINFORMATION
5.1 Versionsbeskrivning
Version Ändrad av - datum Förklaring 01 EF & SJ,
2010-04-21
Första versionen 02 EF & SJ,
2010-05-31
Andra versionen
5.2 Distribution Utskriven kopia:
N/A
Digital kopia:
Kent Dahlström, Emil Fredén, Sebastian Johansson
5.3 Definitioner
Term Förklaring
TBA To be announced (meddelas senare) N/A Not applicable (ej applicerbart)
5.4 Referenser -
B 7 Analys av komponenter
Nedan redogörs för tillgängliga komponenter, som skulle kunna vara lämpliga att använda i modulen. Komponenterna beskrivs och jämförs sinsemellan med sina respektive för- och nackdelar.
B 7.1 Parametrar
Det finns en mängd olika komponenter tillgängliga på marknaden. För att kunna bedöma om en komponent är lämplig eller inte behövs ett flertal ingångsparametrar. Gemensamt för i princip alla komponenter är att parametrarna tryck, flöde, media, och temperatur måste vara kända.
B 7.2 Ventiler
Ventiler kan delas in i ett antal olika kategorier. Till att börja med kan de sorteras beroende på hur de styrs/manövreras. Det finns exempelvis elektriska solenoidventiler, pneumatiska ventiler och manuellt manövrerbara ventiler. Vidare kan ventilerna sorteras efter hur många in- respektive utgångar de har. Det finns alltifrån 2-vägs-, 3-vägsventiler och uppåt.
Ytterligare en klassificering är ventilernas kopplingar. Alltså vilken storlek de har och vilket material de utgörs av. Endast solenoidventiler studeras eftersom pneumatiska ventiler för stora och betydligt dyrare.
Krav (något beroende av konceptval):
• Tryck: 2 bar (10 bar för ventil på targetingång)
• Flöde: 200 ml/min
• Temperatur: ca 100º Celsius
• Media: Kunna hantera helium, vätgas, och targetgas
• 1/16”-koppling i metall
Solenoidventil: Parker Series 9, 2- och 3-vägsventiler1
Ventilerna i denna serie är små och klarar höga tryck. De är gjorda i rostfritt stål vilket är att föredra eftersom koldioxid kan tränga igenom plast och störa processen. Ventilerna har
standardgängor, med möjlighet att använda exempelvis Swagelokkopplingar. Storleksmässigt finns de ner till 1/16” för 2-vägsventiler och 1/8” för 3-vägsventiler. 1/16” klarar 80 bar, och 1/8” klarar 16 bar.
Solenoidventil: Parker Series 4, 2- och 3-vägsventiler2
Ventilerna i denna serie liknar de i serie 9. Däremot finns 3-vägsventilerna ända ner till 1/16”.
Dessa ventiler klarar dock inte lika högt tryck som serie 9. 1/8” klarar 7 bar, 1/16” klarar högre tryck (ej specificerat).
1 Parker (2010). Parker Series 9, http://www.parker.com/ (2010-06-01)
2
Parker Series 9, 2-vägsventil. Series 4 är i det närmaste identisk utseendemässigt. Bild från Parker.com
Solenoidventil: Takasago EXAKN-serien3
Ventilerna är små och klarar inte så höga tryck (max 3 bar). En nackdel med dessa ventiler är att anslutningar och andra detaljer utgörs av plast. Detta gör att de inte går att använda innan ugnen. Ytterligare en nackdel är kopplingarna. Det är svårt att få en tät koppling till rören.
Mycket talar för att de flesta ventiler ser ut som denna, när storleken minskar. Små ventiler som dessa bör sättas på så kallade manifolderblock, som är en fästanordning för att
kombinera olika komponenter.
Takasago EXAKN, 2-vägsventil. Bild från Takasago-elec.co.jp
Solenoidventil: Bürkert 2/2-way miniature solenoid valve, 2-vägsventil4
Ventilen finns i 1/8”-utförande och klarar 12 bar. Ventilen är liten men är tvungen att ha en kabelplugg påkopplad, vilket gör att den tar större plats. Koppling och andra detaljer utgörs av metall.
Bürkert miniature soleniod valve, 2-vägsventil. Bild från Burkert.se
Solenoidventil: Vici 6 port Sample Injector5
Det finns ventiler, som denna, med ett flertal in- och utgångar. Dessa är ofta utformade för ett specifikt ändamål. Ofta förekommer dessa ventiler vid analys av prover. Den har till fördel att den kan utföra ett prov med endast en ventil, istället för ett antal seriekopplade ventiler.
Ventilen kräver en aktiverare som tillsammans utgör en skrymmande detalj. Det vore dock intressant om en sådan här ventil, eller andra liknande, kunde användas i den tänka modulen istället för att ha många ventiler.
3 Takasago (2010). EXAKN-serien, http://www.takasago-elec.co.jp/ (2010-06-01)
Principskiss över en Vici-ventil. Bild från vici.com
Tryckluftsventil: SMC VZ1000/3000/5000 Series 2-vägsventil6
Vid användande av tryckluft för kylning av ugnen krävs ventiler som har kapacitet för att klara av större flöden. Ventilerna kan sättas på manifolder vilket gör att de kan packas tätt.
SMC VZ1000/3000/5000 Series. Bild från Smc.eu
B 7.3 Tryckreducering
Modulen ska eventuellt ha en komponent som reducerar ingångstrycket för targetgasen. Det finns dels aktiv tryckreducering, och passiv tryckreducering. Det förstnämnda används då man vill ha ett konstant och kontrollerat tryck, eftersom passiv tryckreducering är beroende av ingångstrycket som kan variera.
Krav (något beroende av konceptval):
• Tryck: Reducera ett tryck från 10 bar till 2 bar
• Flöde: 10-200 ml/min
• Temperatur: ca 20º Celsius
• Media: Kunna hantera targetgas
• 1/16”-koppling i metall
Parker APC Low Power Flow Control, Pressure Controllers7
Denna tryckregulator klarar av att reducera ett tryck från 14 bar ner till olika tryckområden.
En viss modell klarar av att reglera trycket mellan 0 och 2 bar. Fördelen med denna tryckregulator är att den är liten och kan styras från externt kontrollsystem.
6 SMC (2010). VCZ1000/3000/5000, http://www.smc.eu/ (2010-06-01)
7
Parker APC Low Power Flow Control, Pressure Controller. Bild från Parker.com
Bronkhorst IQ+FLOW8
IQ+Flow kan väljas för att mäta/reglera flöden, samt för att mäta/reglera tryck. Denna komponent är liten till storlek och kan sättas i manifolder för att kombinera tryck och flödesreglering. Detta skulle passa den tänkta modulen som behöver tryckreglering för targetgasen och flödesreglering för helium- och vätgas. Denna komponent skulle kunna monteras inuti den tänkta modulen eller utanför och då reglera samtliga tryck och flöden. Den är enligt Bronkhorst världens minsta tryck- och flödesregulator. Kan styras från externt kontrollsystem.
Bronkhorst IQ+Flow. Tre regulatorer i manifolder. Bild från Bronkhorst.com
Western Analytical Stainless steel frits9
Det finns även möjlighet att använda passiv tryckreglering, med hjälp av filter. Dessa filter finns i olika storlekar och kan pressas in direkt i rören. Filtrena finns i olika kornstorlekar för olika täthet. Problemet är att den är beroende av ingångstrycket.
Western Analytical Stainless steel frits i olika storlekar. Bild från Westernanalytical.com
Swagelok nålventil10
Ytterligare en typ av passiv tryckreducering är nålventilen. Med den kan trycket regleras manuellt, genom att reglera en skruv.
B 7.4 Flödesmätare/ -regulator
För att säkerställa att rätt mängd gas har passerat genom ledningarna är det viktigt att
registrera och övervaka flödet. Det görs lämpligen med flödesmätare. Helium och väte är de gaser där flödet bör registreras.
Krav (något beroende av konceptval):
• Tryck: 1-2 bar
• Flöde: Kunna reglera flödet mellan 10-100 ml/min för regulator. Mäta flödet för flödesmätare.
• Temperatur: ca 20º Celsius
• Media: Kunna hantera helium och vätgas.
• Helst 1/16”-koppling i metall
Bronkhorst- IQ+FLOW
Kan användas för att reglera flödet. Står beskriven under tryckreducering.
Honeywell- AWM4200 Series11
Liten flödesmätare, ungefär 1/10 så stor som IQ+Flow, men kan inte reglera flödet. Mätaren har ett hölje av plast vilket gör att den inte kan placeras innan ugnen. Kopplingarna är i plast och det är svårt att säga om kopplingarna kommer hålla tätt.
Honeywell AWM4200 Series. Flödesmätare. Bild från Sensortechnics.com
B 7.5 Tryckmätare
Tryckmätare kan användas för att visa om systemet läcker m.h.a. tryckfallskontroll.
Krav (något beroende av konceptval):
• Tryck: Mäta tryck från ca 0 - 2 bar
• Temperatur: ca 20º Celsius
• Media: Kunna hantera helium och vätgas
10 Swagelok (2010). Nålventil, http://www.swagelok.com/ (2010-06-01)
11
• Helst 1/16”-koppling i metall
Kavlico Pressure Transducer P4055/P405612
Denna tryckmätare och de två nedanstående är väldigt lika till sitt utförande. Det går att välja olika tryckområden. Tryckområdet 0-3,3 bar skulle passa den tänkta modulen. Komponenten finns med 1/8”-koppling. Storleksmässigt är den lite större än de två nedanstående.
Sensor Technics SSC3000 Series13
Tryckområde som passar den tänkta modulen finns att välja (0-3,8 bar). Finns med 1/8”-koppling. Den är liten. En fördel är att den inte har någon utstickande koppling för sladdar, vilket sparar utrymme.
Sensor Tehnics RTO Series14
Det går att välja tryckområde som passar den tänkta modulen (0-3,3 bar). Denna tryckmätare är liten. En nackdel är att den inte finns med koppling under 1/4”-koppling.
Sensor Technics SSC3000 Series. Bild från Sensortechnics.com
B 7.6 Ingångar/utgångar
Det nya konceptet ska vara modulbaserat vilket ställer höga krav på kopplingar mellan de olika modulerna. Kopplingarna måste klara de satta trycken från alla ingående gaser och samtidigt vara enkla att koppla på och av.
Swagelok Miniature Quick Connects15
Dessa kopplingar finns med 1/16”-kopplingar och en bit uppåt. Alla kroppar passar med alla skaft, oavsett storlek. Det går att lösgöra kopplingen med en hand. Kopplingarna är relativt små.
12 Kavlico (2010). P4055/P4056, http://www.kavlico.com/ (2010-06-01)
13 Sensor Technics (2010). SSC 3000 Series, http://www.sensortechnics.com/ (2010-06-01)
Swagelok Miniature Quick Connects. Överst ses skaftet, och nederst ses kroppen. Bild från swagelok.com
Stäubli Custom Multi-couplings system16
Med detta system går det att kombinera olika typer av kopplingar och fästa dem på en panel.
Det går att välja olika typer av låsanordningar, som kan lösgöra alla kopplingar på en gång.
Kopplingarna är skrymmande. En stor fördel med detta system är att ihopkoppling och frånkoppling kan ske enkelt, snabbt och säkert.
Stäubli Custom Multi-couplings system. Bild från Staubli.com
16
B 7.7 Filter
Filtret är det sista steget i modulen. Det ska rena gasen som kommer från ugnen från vatten och andra överblivna rester från reaktionen. Dessa filter finns i olika storlekar. Filtret är en komponent som måste bytas med jämna mellanrum, därför är det viktigt att ett byte kan ske snabbt och enkelt för att spara tid samt minska strålningsrisken för serviceteknikern.
Filtret bedöms vara lågprioriterat. Därför läggs inte så stor vikt vid letandet efter filter. För vidare utveckling kan det vara av intresse att undersöka olika lösningar för filter.
B 7.8 Radioaktivitetsmätare
Mätare för radioaktivitet används för att säkerställa processens radiokemiska kvalitet.
GM-rör, sitter i FX Tracerlab
I dagsläget sitter det ett Geiger-Müller-rör i FX Tracerlab. Den detekterar joniserande strålning i en gasfylld detektor i ett elektriskt fält. Förutom röret, krävs GM-kretskort och blyklotsar för att kollimera, vilket leder till att strålningen kommer från rätt håll.
PIN Silicon Photodiodes
Denna typ av radioaktivitetsmätare är relativt små och enkla. De använder sig av olika typer av så kallade scintillatorer ingjutna i exempelvis epoxiharts och en PIN-fotodiod. Denna utrustning kräver också viss elektronik, som kan placeras utanför modulen.