ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2010/20-SE
Examensarbete 15 hp Juni 2010
Utveckling av modulbaserad 11C- processutrustning inom PET
Presentation av idéer och koncept Sebastian Johansson
Emil Fredén
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536 751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Abstract
Utveckling av modulbaserad 11C-processutrustning inom PET
Development of module-based 11C process equipment within PET
Sebastian Johansson, Emil Fredén
This report describes the planning and the accomplishment of the final diploma work at the study program Mechanical Engineering, Department of Engineering Sciences, Uppsala University. Two students carried out the diploma work at GE Healthcare Husbyborg in Uppsala.
The aim of the diploma work was to develop and improve existing process
equipment for 11C-radiochemistry in PET. The process equipment was to be divided into smaller independent modules to make it more flexible. Part of the existing process equipment is an oven that is supposed to perform a specific chemical reaction. One of the main goals was to study and improve this oven.
The work could be divided into three main phases:
- Present concepts for one module, and interface between different modules - Analyze and choose components for the module mentioned above
- Present concepts for the oven, which is placed in the module mentioned above At the beginning, user requirements were listed in cooperation with the mentor.
Later, components available on the market and the existing process equipment were analyzed. A product function analysis of the oven was made to show its function and design.
The concept phase was mainly about brainstorming to generate ideas. Later, hybridization was used as a method to combine different ideas. Then two prototypes were built and tested. The test results showed which idea seemed to be the best.
Different concepts were assessed and put into a concept selection matrix, after which the best was chosen and developed further.
ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2010/20-SE Examinator: Claes Aldman
Ämnesgranskare: Lars Degerman Handledare: Kent Dahlström
Sammanfattning
Denna rapport beskriver planering och utförande av det avslutande examensarbetet för programmet maskinteknik vid institutionen för Teknikvetenskaper, Uppsala universitet.
Examensarbetet utfördes av två studenter vid GE Healthcare Husbyborg Uppsala, som utvecklar och tillverkar utrustning inom Positron Emission Tomography (PET). PET är en metod för att lokalisera ämnesomsättningsförändringar i människokroppen, bland annat cancersjukdomar.
Examensarbetets syfte var att vidareutveckla och förbättra en befintlig processutrustning för 11C-radiokemi inom PET. Processutrustningen skulle delas in i mindre fristående moduler för att göra den mer flexibel. Den skulle dessutom göras mindre till storlek. I processutrustningen sitter en ugn som bland annat har till uppgift att utföra en kemisk reaktion. Ett av målen var att studera och förbättra denna ugn.
Examensarbetet bestod huvudsakligen av tre huvuddelar:
Presentera koncept för en modul, och gränssnitt mellan olika moduler
Analysera och välja komponenter till ovan nämnda modul
Presentera koncept för ugnen, som sitter placerad i ovan nämnda modul
Arbetet strukturerades enligt metoden Design for Six Sigma (DFSS), som lägger stor vikt vid analysfasen. Till en början definierades uppgiften tillsammans med handledare, då bland annat en användarkravspecifikation utarbetades. Därefter utfördes analysfasen, då analys av komponenter på marknaden och befintlig utrustning utfördes. Bland annat gjordes en
produktfunktionsanalys för ugnen, som tydligt visar dess funktion och uppbyggnad. Analysen resulterade i en stor förståelse för problemet, och gav bra förutsättningar för att generera koncept.
Konceptgenereringsfasen bestod huvudsakligen av brainstorming för att generera idéer, där alla idéer välkomnades. Vidare användes hybridisering, som är en metod för att kombinera olika idéer med varandra. Prototyper för två ugnkoncept tillverkades och testades. Dessa tester gav indikationer på vad som verkade lämpligast. Koncept för ugnen och modulen bedömdes och fördes in i en konceptvalsmatris, varefter de bästa valdes ut och
vidareutvecklades.
Figur 1 Två likadana moduler på varandra till vänster. Ugnen till höger.
Nyckelord: produktutveckling, konstruktion, koncept, PET, CAD, examensarbete
Förord
Syftet med denna rapport är att beskriva utförandet och resultatet av det avslutande
examensarbetet i maskinteknik, vid institutionen för Teknikvetenskaper, Uppsala Universitet.
Arbetet utförs av två studenter på GE Healthcare Husbyborg i Uppsala.
Vi vill skänka ett stort tack till vår handledare Kent Dahlström som har varit ett fantastiskt stöd och bollplank under hela arbetets gång. Kent har bidragit med mycket värdefull
information, som annars hade varit svår att tillgå. Vi vill också tacka vår ämnesgranskare Lars Degerman på institutionen för Teknikvetenskaper vid Uppsala Universitet, som alltid varit öppen och tillgänglig vid funderingar.
Uppsala i juni 2010
Sebastian Johansson och Emil Fredén
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 FÖRETAGSBESKRIVNING... 1
1.2 POSITRONEMISSIONTOMOGRAPHY... 1
1.3 PROBLEMBESKRIVNING... 1
1.4 SYFTE OCH MÅL... 2
1.5 AVGRÄNSNINGAR... 2
2 Metod ... 3
2.1 DESIGN FORSIXSIGMA... 3
2.2 DEFINITION AV PROJEKTETS OMFATTNING... 3
2.3 FAKTAINSAMLING... 3
2.4 KONCEPTGENERERING... 4
2.5 VAL AV KONCEPT... 4
2.6 PROTOTYPTESTNING... 4
2.7 PRESENTATION OCH KONSTRUKTION MEDCAD... 5
3 Krav och förutsättningar ... 6
3.1 POSITRONEMISSIONTOMOGRAPHY... 6
3.2 PROCESSEN FÖR BILDANDET AV11CH4... 8
3.2.1 Modulens uppgift och funktion ... 8
3.3 KRAV FÖR UGNEN OCH MODULEN... 9
3.3.1 Ugnen ... 9
3.3.2 Modulen ... 10
4 Analys av befintlig utrustning... 11
4.1 PROCESSCHEMA... 11
4.1.1 Uppgift och funktion ... 11
4.1.2 Utförande, m.a.p. funktion ... 12
4.1.3 Utförande, m.a.p. komponenter... 13
4.2 JÄMFÖRELSE MELLANPETTRACEMEI MICROLAB OCHFX TRACERLAB... 14
4.2.1 För- och nackdelar... 15
4.3 ANALYS AV UGNEN... 16
4.3.1 Funktion ... 16
4.3.2 Ugnens uppgifter ... 16
4.3.3 Den befintliga ugnen ... 17
4.3.4 Förutsättningar för nytt ugnkoncept ... 19
5 Val av komponenter... 20
5.1 VENTIL... 20
5.2 TRYCKREDUCERING OCH FLÖDESREGLERING... 20
5.3 TRYCKMÄTARE... 21
5.4 KOPPLINGAR FÖR IN-OCH UTGÅNGAR... 21
5.5 FILTER... 22
5.6 RADIOAKTIVITETSMÄTARE... 22
6 Idégenerering... 23
6.1 UGNEN... 23
6.1.1 Idéer för förvaring av molekylärsikt ... 23
6.1.2 Kopplingar... 25
6.1.3 Idéer för uppvärmning av ugn... 26
6.2.1 Idéer för modulens ställning... 31
6.2.2 Idéer för montering av komponenter... 33
6.2.3 Idéer för Kopplingar... 35
7.1UGNEN... 36
7.1.1 Koncept 1 ... 36
7.1.2 Koncept 2 ... 37
7.1.3 Koncept 3 ... 38
7.2 MODULEN... 39
7.2.1 Koncept 1 ... 39
7.2.2 Koncept 2 ... 41
8 Prototyptestning... 42
8.1 FÖRUTSÄTTNINGAR... 42
8.1.1 Uppställning ... 42
8.2 PROTOTYP1 (UGNKONCEPT2)... 42
8.2.1 Test 1 ... 44
8.2.2 Test 2 ... 45
8.2.3 Test 3 ... 46
8.2.4 Test 4 ... 47
8.2.5 Test 5 ... 48
8.3 PROTOTYP2 (UGNKONCEPT3)... 49
8.3.1 Test 6 ... 50
8.4 REFERENS, FX TRACERLAB... 51
8.5 ANALYS AV PROTOTYPTESTER... 52
8.5.1 Sammanställning av testresultat ... 52
8.5.2 Tolkning av testresultat ... 52
8.5.3 Felkällor ... 53
9 Vidareutveckling av koncept... 54
9.1 KONCEPTVALSMATRIS UGN... 54
9.2 MODUL... 56
9.3 VAL AV KONCEPT... 58
9.3.1 Ugn ... 58
9.3.2 Modul ... 58
9.4 BESKRIVNING AV SLUTGILTIGT KONCEPT... 59
9.4.1 Ugn ... 59
10 Slutsatser och diskussion ... 67
10.1 UGNEN... 67
10.2 MODULEN... 67
10.3 FÖRSLAG TILL VIDARE UTVECKLING AV MODULBASERAD PROCESSUTRUSTNING... 68
11 Referenser... 69
Tabellförteckning
Tabell 3.1 – Funktionalitetskrav saxade från användarkravspecifikationen...10
Tabell 4.1 – Jämförelse mellan PETtrace MeI Microlab och FX Tracerlab...14
Tabell 8.1– Sammanställning av testresultat...52
Tabell 9.1 – Konceptvalsmatris, ugn... 54
Tabell 9.2 – Konceptvalsmatris, modul...56
Figurförteckning
Figur 1 Modul och ugn. ...iFigur 2– Kärnreaktion……… ...6
Figur 3- Kemisk reaktion……… ...6
Figur 4 - PET, förloppet från cyklotron till kamera...6
Figur 5 – Cyklotron. . ...7
Figur 6– Processutrustning och kamera...7
Figur 7– Förenklat processchema. ...8
Figur 8– Processchema för PETtrace MeI Microlab. ...11
Figur 9 – Mekaniskt gränssnitt för PETtrace MeI Microlab...13
Figur 10– Produktfunktionsanalys...17
Figur 11- Ugn utan fästelement. PETtrace MeI Microlab. ...18
Figur 12- Ugn från PETtrace MeI Microlab. ...19
Figur 13 - Parker Series 9 ...20
Figur 14 - Bronkhorst IQ+flow……… … 20
Figur 15- Sensor Technics SSC3000 Series ...21
Figur 16 - Swagelok Miniature Quick Connects………...21
Figur 17 – IU001 ...23
Figur 18 – IU002 ...24
Figur 19 – IU003 ...24
Figur 20 - Swaglok-koppling...25
Figur 21 – IU005. Valco-koppling ...25
Figur 22- Heater cartridge ...26
Figur 23 - Gödtråd ...27
Figur 24 – IU010 ...28
Figur 25 - IU0011...28
Figur 26 – IU012 ...29
Figur 27 – Peltierelement...30
Figur 28 – IM001...31
Figur 29 – IM002...32
Figur 30 – IM003...32
Figur 31 – IM004...33
Figur 32 – IM005...34
Figur 33 – IM006...34
Figur 34 – IM007 Snabbkoppling från Swagelok...35
Figur 35– IM008 Snabbkoppling från Stäubli ...35
Figur 36 – Koncept 1 ...36
Figur 37 – Koncept 1, snittvy ...37
Figur 38 – Koncept 2 ...38
Figur 39 – Koncept 2, snittvy ...38
Figur 40 – Koncept 3 ...39
Figur 41 – Koncept 1, modul. ...40
Figur 42 – Koncept 2, modulen. ...41
Figur 43 – Prototyp 1 vid laborationstillfälle 1...43
Figur 47 – Prototyp 1, test 3. ...46
Figur 48 – Prototyp1, kylröret är borttaget. ...47
Figur 49 – Prototyp 1 utan kylrör, test 4...47
Figur 50– Prototyp 1, test 5. ...48
Figur 51 – Prototyp 2 isärplockad...49
Figur 52 – Prototyp 2 placerad och kopplad...49
Figur 53 – Prototyp 2, test 1. . ...50
Figur 54 – Uppvärmnings- och nedkylnintstid för ugnen i FX Tracerlab. ...51
Figur 55 – Viktad poäng från konceptvalsmatris, ugn...55
Figur 56 – Viktad poäng från konceptvalsmatris, modul...57
Figur 57 - Valt koncept...58
Figur 58 – Koncept 1 ...59
Figur 59 – Valt ugnskoncept...59
Figur 60 - Figur ugn snittvy...59
Figur 61 - Slutgiltigt modulkoncept...61
Figur 62 - Figur snabbkopplingar ...61
Figur 63 - Processchema för den slutgiltiga modulen...62
Figur 64 - Modul ovanifrån ...63
Figur 65 - Snabbkopplingar ...63
Figur 66 – Ventiler, V1-V5 ...64
Figur 67 – Tryckgivare, T1 och T2...64
Figur 68 - Manifolder för tryck- och flödesregulator ...64
Figur 69 - Ugn i modul ...65
Figur 70 - Radioaktivitetsmätare för ugn...65
Figur 71 - Tryckluftventil ...65
Figur 72 – Filter och plastfront...66
1 Inledning
1.1 Företagsbeskrivning
GE, General Electric, är ett av världens största företag med anställda över hela världen.
Företaget grundades år 1890 av Thomas Edison. Det har sedan dess växt och har idag marknadsandelar inom många olika områden. Koncerndivisionen GE Healthcare, under vilken examensarbetet utförs, har 45 000 anställda över hela världen. Examensarbetet utförs för GE Healthcare i Husbyborg Uppsala, även benämnt GEMS PET Systems AB. Där
utvecklas och tillverkas utrustning som används inom Positron Emission Tomography (PET).
Denna teknik används för att lokalisera olika typer av förändringar i människokroppen.1
1.2 Positron Emission Tomography
För diagnostik av sjukdomsförändringar, exempelvis tumörer, kan radioaktiva isotoper, s.k.
tracermolekyler som utstrålar positroner, injiceras. Den gammastrålning som uppkommer vid reaktionen mellan positroner och kolmolekylernas elektroner i kroppen kan registreras av en speciell kamera. Metoden kallas Positron Emission Tomography (PET). PET kan i
kombination med CT (Computed Tomography) ge en tydlig tredimensionell bild av förändringar i människokroppen.
Framställning av dessa kortlivade radioaktiva kol-, syre-, kväve- eller fluor-isotoper består av ett led processer, med början i en protonaccelerator, så kallad cyklotron. Slutprodukten för cyklotronen kommer som input i nästa steg där en processutrustning märker upp molekylen till en tracer.2
Examensarbetet kommer att behandla delar av en11C – processutrustning.
1.3 Problembeskrivning
Befintliga processutrustningar för11C- radiokemi är på väg att nå slutfasen i
produktlivscykeln. Det som kännetecknar dessa system är att de behandlar stora batcher med hög aktivitet, tar stor plats och kräver en hel del underhåll.
Kunder, oftast PET-center som distribuerar tracerprodukter, har tidigare velat ha stora batcher med aktivitet medan man i dag ser ut att även sträva efter allt mindre. Detta leder till att kunderna kan använda sig av processutrustningar anpassade för mindre batcher än dagens befintliga utrustningar. Ytterligare en anledning till att använda mindre apparatur är att den befintliga utrustningen anses skrymmande och tar upp stor plats i så kallade hot-cells, som har begränsad arbetsyta.
1General Electric (2010). Företagsbeskrivning, http://www.ge.com/company/ (2010-06-01)
Utöver ett mindre system, eftersträvas också ett mer flexibelt system, med fler
anpassningsmöjligheter. Det är även önskvärt att hitta lösningar för att göra utrustningen mer lättservad än dagens befintliga utrustningar.
En central del i utrustningen är en ugn som i dagsläget anses skrymmande. Det vore av intresse att se över om det finns möjlighet att göra ugnen mindre till storlek och mer användarvänlig utan att funktionen påverkas negativt.
1.4 Syfte och mål
Examensarbetet utgör första fasen i ett utvecklingsprojekt för en processutrustning. GE Healthcare har för närvarande befintlig utrustning för denna process, och vill se om det finns möjlighet till förbättring av denna utrustning. Syftet med examensarbetet är att göra
utrustningen mindre till storlek och mer flexibel.
Examensarbetet behandlar två huvudfrågor, vilka är:
Kan utrustningen delas upp i mindre fristående moduler för att göra processen mer flexibel?
Kan11CH4- ugnen göras mindre utan att prestanda påverkas negativt?
Målen är att:
Ta fram övergripande koncept, för gränssnitt mellan olika moduler, vilket ska bidra till en mer flexibel utrustning
Ta fram ett koncept med utvalda komponenter för den första modulen3i en11C- processutrustning
Ta fram koncept för en11CH4- ugn, som är mindre än motsvarande befintliga ugnar
1.5 Avgränsningar
Examensarbetet behandlar framtagning av koncept för en modulbaserad processutrustning och koncept för en ugn, ur ett maskintekniskt perspektiv.
Arbetet omfattar:
Koncept för gränssnitt mellan olika moduler
Koncept för den första modulen i utrustningen
Koncept för en ugn som ska placeras i den första modulen Arbetet omfattar inte:
Elektronik
Programvara
3I rapporten nämns modulen frekvent. Modulen avser den processutrustning detta examensarbete fokuserar på.
Modulen har samma funktion som det första steget i två befintliga utrustningar som studeras.
2 Metod
2.1 Design for Six Sigma
Arbetet delas in i fem huvudområden, eller fem steg, enligt metoden Design for Six Sigma (DFSS). Metoden avser att säkerställa en god kvalitet från idé till färdig produkt genom ständiga förbättringar. Six Sigma har hittills till största del använts inom
tillverkningsprocesser för att minimera systematiska avvikelser men har på senare tid kommit att användas inom produktutvecklingsprocesser, likt detta examensarbete.
Metodens fem steg som appliceras på detta arbete är Define, Measure, Analyze, Design, och Verify (DMADV), och skiljer sig något mot det traditionella arbetssättet Define, Measure, Analyze, Improve, Control (DMAIC). DMAIC används för att minimera systematiska avvikelser och kvalitetsbrister i tillverkningsprocesser i det skede när
produktutvecklingsprocessen redan är avslutad, medan DMADV införs i ett tidigare skede för att redan då minimera eventuella kvalitetsbrister.4
Metodens huvudområden appliceras på arbetet som följer:
Define – Definition av projektets omfattning Measure och Analyze – Faktainsamling
Design – Konceptgenerering och Konstruktion med CAD Verify – Prototypframtagning
2.2 Definition av projektets omfattning
Till att börja med definieras projektets omfattning och avgränsningar för att ge en djupare förståelse för problemets art. Genom en tydlig omfattning och tydliga avgränsningar, kan fokus läggas där det är lämpligast för att erhålla ett så bra resultat som möjligt utifrån målen.
Vidare arbetas en kravspecifikation fram där kundönskemål radas upp, från externa såväl som interna kunder. Genom en väl underbyggd kravlista förs projektet i rätt riktning och
eventuella missförstånd kan undvikas.
2.3 Faktainsamling
Faktainsamlingen utgör den mest centrala delen, tillsammans med konceptgenereringen, i detta arbete. Den ligger till grund för allt vidare arbete i projektet. För att kunna åstadkomma förbättringar är det viktigt att det finns en stor bas av kunskap att stå på. I och med
faktainsamlingen ges en förståelse för de problem och komplikationer som arbetet avser att lösa.
En del av faktinsamlingen (Measure) är tänkt att klargöra viktiga parametrar som har betydelse för produktens funktion. I och med vetskapen om vad som påverkar
produktkvaliteten, minskar risken för att exempelvis fel konstrueras in.
I den andra delen av faktainsamlingen (Analyze) jämförs och analyseras företagets motsvarande befintliga processutrustningar. Där beskrivs deras för- och nackdelar gente varandra och vad som skulle kunna tänkas förbättras. En produktfunktionsanalys görs för den befintliga ugnen för att åskådliggöra dess funktion och uppbyggnad.
Analysdelen består av ytterligare en del som är integrerad med konceptgenereringen. Den avser att leta efter och samla in fakta om komponenter som är lämpliga att placeras i modulen.
Komponenterna jämförs och bedöms varefter de mest lämpade väljs ut.
Efter faktainsamlingen finns goda förutsättningar för att ge lösningsförslag, dels på modulen och dels på ugnen.
2.4 Konceptgenerering
De huvudsakliga målen med arbetet är att ta fram nya koncept för en modulbaserad processutrustning samt undersöka om det går att ta fram en ugn som tar mindre plats, och samtidigt uppfyller samma funktion som tidigare.
I konceptgenereringsfasen används olika metoder, huvudsakligen brainstorming, för att inspirera och främja kreativiteten. Eftersom arbetet utförs av två studenter är brainstorming en fördelaktig metod att använda. Under möten diskuteras de problem som kommit upp till ytan under analysdelen och hur man ska lösa dessa. En modifierad version av metoden
hybridisering används för att kombinera olika typer av idéer för att bilda koncept.
Hybridisering används annars huvudsakligen för att kombinera idéer från färdiga koncept.
Efter att en rad koncept har genererats väljs de mest fördelaktiga ut, varefter de diskuteras och vidareutvecklas.
2.5 Val av koncept
Efter konceptgenereringen bedöms varje koncept individuellt utifrån funktion, storlek och komplexitet. Koncepten bedöms i en konceptvalsmatris, som är en systematiskt metod för att bedöma koncept.5
2.6 Prototyptestning
För att testa och jämföra de nya koncepten tillverkas ett mindre antal prototyper över några koncept. På grund av den begränsade arbetstiden tillverkas endast prototyper för ugnen. De olika ugnarna testas för att visa dess olika för- och nackdelar. Testerna ger indikationer på vilka koncept som är mest framgångsrika, och vad som bör satsas på i framtiden vid vidareutveckling av ugnen.
5Högskolan i Skövde (2010). Konceptvalsmatris, http://www.his.se/PageFiles/12707/konceptval.pdf (2010-06- 02)
2.7 Presentation och konstruktion med CAD
För att lättare kunna kommunicera och diskutera kring nya idéer presenteras och visualiseras de olika koncepten. Till en början skissas koncepten upp för hand på papper, varefter för- och nackdelar framstår tydligare. I ett senare skede används CAD för att konstruera koncepten mer noggrant. Ju mer noggrant koncepten utvecklas, desto tydligare framstår problem och komplikationer som kan uppstå.
En överskådlig och tydlig presentation görs över koncept på ugnen och modulen. Senare ritas konstruktionsritningar över de mest framgångsrika ugnskoncepten upp.
3 Krav och förutsättningar
Under detta kapitel beskrivs dels bakomliggande teori och dels de krav som ställs på den tänkta modulen och ugnen. Det är av stor vikt att känna till detta vid generering av koncept.
3.1 Positron Emission Tomography
Positron Emission Tomography används för att upptäcka och lokalisera eventuella sjukdomsförändringar. Metoden går ut på att injicera radioaktiva isotoper, så kallade
tracermolekyler, in i människokroppen. Kroppen placeras därefter inuti en speciell kamera, se figur 6.
Tracermolekylerna koncentrerar sig där det är mest aktivitet i kroppen, alltså vid eventuella sjukdomsförändringar. När de radioaktiva tracermolekylerna sönderfaller inuti kroppen skickas en positron ut. Positronen träffar sedan en utav kroppens elektroner, varpå en annihilation6sker och gammastrålning sänds ut i olika riktningar. Denna gammastrålning registreras av kameran, och koordinaterna för annihilationen kan läsas av.
Produktionen av dessa tracermolekyler har sin början i en så kallad cyklotron, som är en typ av partikelaccelerator, se figur 5. I den låts en proton accelerera i en spiralformad bana med hjälp av ett magnetfält. När protonen har fått tillräckligt hög energi, vänds magnetfältet och protonen förs in i en targetkammare. I targetkammaren har man placerat ett visst media, som kan variera beroende av ändamål. I detta examensarbete behandlas en specifik typ av
targetgas. Mediet består i detta fallet av kvävgas och ca 1 % syrgas. Den accelererade protonen kolliderar med kvävekärnorna, utför en kärnreaktion och bildar en radioaktiv targetgas. Denna reaktion beskrivs mer ingående nedan, se figur 2 och 3. Targetgasen består till största del av kvävgas, sedan syrgas, och slutligen radioaktiv koldioxid.
Figur 2– Kärnreaktion, proton krockar Figur 3- Kemisk reaktion, radioaktiv kolradikal med kvävgas och bildar radioaktiv kolisotop reagerar med syrgasen och bildar radioaktiv koldioxid
Targetgasen kommer som input i en processutrustning, se figur 6. Processutrustningen arbetet avser tar emot en targetgas med radioaktiv koldioxid. De befintliga motsvarande
processutrustningarna som studeras har till uppgift att låta den ovan nämnda targetgasen genomgå en rad reaktioner för att bilda så kallad11C-metyljodid. Denna metyljodid kan sedan märka upp olika former av organiska molekyler eller mediciner till en så kallad tracer.7
Figur 4 - PET, förloppet från cyklotron till kamera. Arbetet behandlar delar av en processutrustning.
6Annihilation: partikel möter sin antipartikel, och materia omvandlas till energi
7Dahlström, K. (2010). Engineeringavdelningen, GE Healthcare Husbyborg, Uppsala (Muntlig information)
Figur 5 – Cyklotron. Till vänster ses kopparplattorna i vilka protonen accelererar i en spiralbana. Till höger ses ett antal olika targetkammare. Bilder från GE Healthcare.
Figur 6– Processutrustning och kamera. Till vänster ses FX Tracerlab MeI och till höger ses en PET/CT-scanner där patienten placeras horisontellt. Bilder från GE Healthcare.
3.2 Processen för bildandet av
11CH
4Arbetet avser den första modulen i en modulbaserad processutrustning. Här beskrivs processen för den första modulen och dess funktion.
3.2.1 Modulens uppgift och funktion
Modulen har till uppgift att tillverka 11CH4från inkommande targetgas, som innehåller11CO2
och N2. Tillverkningen sker genom att11CO2reagerar med H2vid en förhöjd temperatur av 350Celsius. 11CH4transporteras sedan vidare till nästa modul med He.
Modulen har alltså tre gasingångar för targetgas, H2och He. Modulen kommer att ha tre utgångar för produktutgång, helium, och waste. Beroende på koncept kan även tryckluft komma att användas, vilket kräver ett antal fler in- respektive utgångar.
Modulen tar emot targetgas innehållandes11CO2för att sedan reagera med H2och bilda
11CH4. Innan modulen är redo att ta emot targetgas, rengörs och prepareras den med helium och vätgas.
I modulen finns en ugn som har till uppgift att fånga och koncentrera den radioaktiva
koldioxiden. Koldioxiden adsorberas8på molekylärsikt vid en temperatur under 35Celsius.
När all targetgas har passerat låter man H2passera genom systemet, varefter man stänger in gasen och värmer ugnen till 350Celsius och11CH4bildas. I ugnen finns, förutom
molekylärsikt, även nickel som fungerar som katalysator vid reaktionen. Förfarandet för denna process är patenterad och står beskriven i en artikel av Larsen, Dahlström et. al.9. Man låter det tillverkade radioaktiva metanet passera ut genom ett filter som har till uppgift att rena gasen från överblivna rester (bl.a. koldioxid) och vatten. Gasen levereras till nästa modul med hjälp av ett heliumflöde.
Se figur 7 för ett förenklat processchema över den första modulen, med dess in- och utgångar.
Figur 7– Förenklat processchema för den första modulen. Ingångar till vänster och utgångar till höger. Ugnen utgör en central del i modulen. I den utförs en reaktion mellan11CO2och H2för att bilda11CH4.
8Adsorbera: uppta på sin yta
9Larsen, P. Dahlström. K et al. Synthesis of [11C]Iodomethane by Iodination of [l1C]Methane, Appl. Radiat.
lsot., Vol. 48 (No. 2.), (1997), 153-157.
3.3 Krav för ugnen och modulen
Här tas de mest väsentliga kraven upp. De krav som tas störst hänsyn till i detta arbete är de funktionella mekaniska kraven.
Nedan följer de krav av störst betydelse.
3.3.1 Ugnen
Temperatur och tid
Ugnen som utför reaktionen ska kunna värmas från 35Celsius till 350Celsius och kylas från 350Celsius till 35Celsius. Tiderna för både uppvärmning och nedkylning är viktiga att hålla låga
Molekylärsikt
I ugnen finns en pulverblandning bestående av 2/3 molekylärsikt och 1/3 nickel.
Molekylärsikten har till uppgift att fånga och koncentrera den radioaktiva koldioxiden, och nicklet fungerar som katalysator vid reaktionen mellan koldioxiden och vätgasen.
Vid uppfångningen av koldioxiden är den så kallade kontakttiden avgörande för ugnens prestanda. Kontakttiden är proportionell mot pulverblandningens volym. I dagsläget sägs kontakttiden vara tämligen överdimensionerad. I samråd med handledare har en ny volym för molekylärsikten diskuterats fram, och bestämts till 25 % av dagens volym.
Flöde
Flödet på targetgasen kommer vara avgörande för vad ugnen måste klara av. Targetgasen som ska passera har en volym på 1000 ml och genomflödar på en tid av 90 sekunder, vilket ger ett genomsnittligt flöde på 670 ml/min.
3.3.2 Modulen
Tabell 3.1 – Funktionalitetskrav saxade från användarkravspecifikationen.
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 bilda11CH4.
4.1.1.5 Modulen ska kunna leverera11CH4med ett flöde av 10-100 ml/min 4.1.1.6 Det tillverkade 11CH4ska levereras utan överblivna rester, såsom vatten
och koldioxid.
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.
4.1.1.11 Modulen ska kunna operera utan att ändra trycket inne i den såkallade hot- cellen.
4.1.2.1 Modulen skall rymmas inom en rektangulär låda med dimensionerna 300 x 200 x 150 (B x D x H) [mm]
Inkommande tryck
De krav som behandlar tryck spelar in vid val av komponenter, som minst måste klara av dessa tryck.
Temperatur och tid
För att kunna utföra reaktionen, krävs en ugn som kan värmas från 35Celsius till 350 Celsius och kylas från 350Celsius till 35Celsius. Tidskraven är av stor vikt, och påverkas till stor del av uppvärmnings- och kylningstiderna på ugnen som är placerad i modulen.
Ändring av tryck i hot-cell
Tidigare har det varit tillåtet att ändra trycket i hot-cellen där processutrustningen är placerad.
Då har man kunnat kyla ugnen med hjälp av tryckluft utifrån. I dagsläget måste ugnen kylas utan att trycket ändras.
4 Analys av befintlig utrustning
Under detta kapitel analyseras företagets motsvarande befintliga utrustning. Först analyseras företagets första version av en så kallad MeI-utrustning (metyljodid), PETtrace MeI Microlab.
Den analyseras på detaljnivå, och beskriver vad dess respektive komponenter har för funktion och uppgift.
Sedan jämförs och analyseras PETtrace MeI Microlab med deras senaste processutrustning för metyljodid, FX Tracerlab. I den analysen beskrivs deras för- och nackdelar gente varandra.
4.1 Processchema 4.1.1 Uppgift och funktion
Den analyserade processutrustningens uppgift är att av inkommande targetgas10, H2och jod bilda metyljodid (MeI), 11CH3I. Figur 8 visar processchema för PETtrace MeI Microlab.
Figur 8– Processchema för PETtrace MeI Microlab.
4.1.2 Utförande, m.a.p. funktion
Processutrustningen utför uppgiften som följer.
1. Systemet spolas ur med helium för att få bort rester av radioaktivitet, vatten och föroreningar. Allt som spolas bort går till utgång ”waste 1”, som leder ut från systemet.
2. För att rensa ytterligare rester, spolas systemet med H2.
3. Targetgasen kopplas på när ugnen är kall. Helium och väte är avstängda.
4. Targetgasens11CO2-molekyler fångas i en ugn, innehållandes molekylärsikt och katalysatorn nickel.11CO2-molekylerna fångas upp på molekylärsiktens ytor. Ugnens utgång är kopplad till waste 1 så att alla rester åker ut ur systemet.
5. All targetgas går igenom ugnen.
6. H2spolas genom systemet. Ugnens utgång är kopplad till waste 1 så att alla rester åker ut ur systemet. När rätt mängd H2finns i ugnen stängs gasen och wasteutgången av.
H2blir instängt i ugnen.
7. Ugnen värms upp till 350Celsius.
8. Med hjälp av katalysatorn nickel reagerar 11CO2-molekylerna med H2och bildar11CH4
och vatten.
9. Ugnens utgång kopplas på till nästa station som är ett filter. Helium släpps på för att transportera den radioaktiva gasen genom filtret.
10. Filtret tar bort vatten och andra orenheter från gasen. Helium och11CH4 passerar.
11. Gasen går via en pump till en ugn.
12. Gasen går inuti ett glasrör innehållande jod. Glasröret är omgivet av två ugnar, varav den första förångar I2vid ca 100Celsius. Den andra ugnen utför en reaktion mellan
11CH4och jod vid ca 720Celsius.11CH4+ I2->11CH3I + HI. Ungefär 9% av11CH4
omvandlas till 11CH3I per genomgång.
13. Gasen går vidare genom ett filter som tar bort föroreningar, så som HI och CO2. 14. Gasen går vidare till en ugn innehållandes Porapaksom har till uppgift att fånga den
radioaktiva11CH3I och släppa vidare resten.
15. Man låter gasen loopas genom steg 12-15 för att öka koncentrationen av11CH3I i ugn 16. När 90 % av15. 11CH4har omvandlats till11CH3I låter man gasen gå vidare till
produktutgången.
17. Systemet spolas med helium och går ut i waste 2.
4.1.3 Utförande, m.a.p. komponenter
1. En elektrisk ventil (VMB) kopplas på och helium går genom en manuellt reglerbar ventil (MMB) som reglerar flödet, vidare genom en flödesmätare (RMB). Därefter går gasen genom VMB och genom en ugn (OMA). Därefter går gasen genom en ventil (VMD) ut till waste 1. Ventil VMB stängs.
2. En elektrisk ventil (VMC) kopplas på och H2går genom en manuellt reglerbar ventil (MMC) som reglerar glödet, vidare genom en flödesmätare (RMC). Därefter går gasen genom VMC och genom en ugn (OMA). Därefter går gasen genom en ventil (VMD) och ut till waste 1. Ventil VMC stängs.
3. En elektrisk ventil (VMA) kopplas på och targetgas går genom en ugn (OMA) och molekylärsikt (CMB). Gasen går genom en ventil (VMD) ut till waste 1.
4. Targetgasen går genom ugnen (OMA).
5. Targetgasen går genom ugnen (OMA).
6. H2kopplas på enligt punkt 2.
7. Ugnen (OMA) värms upp till 350Celsius.
8. Med hjälp av katalysatorn nickel reagerar 11CO2-molekylerna med H2och bildar11CH4
och vatten.
9. VMA stängs, VMB kopplas på.
10. Ventil VMD kopplas om till ett filter CMC.
11. Gasen går via ventilen VME genom pumpen QM vidare till ugnen OMB i ett glasrör 12. Vidare till ugn OMCCMD.
13. Gasen går vidare till ett filter CME 14. Gasen går vidare till ugn OMD
15. Ventilen VMF ställs in så att gasen kan loopas i en bana. Gasen går via en manuellt reglerbar ventil (MMA) genom en flödesmätare (RMA) till ventilen VME som är omställd så att gasen återigen går till pumpen QM.
16. Ventilen VMF ställs in så att gasen går via ventilen VMG och ut till produktutgången Se figur 9 för mekaniskt gränssnitt.
Figur 9 – Mekaniskt gränssnitt för PETtrace MeI Microlab. Ugnen (OMA) ses till höger.
4.2 Jämförelse mellan PETtrace MeI Microlab och FX Tracerlab
Nedan följer en jämförelse mellan företagets två motsvarande befintliga utrustningar: FX Tracerlab och PETtrace MeI Microlab, varav den senast nämnda är den äldsta varianten.
Jämförelsen begränsas till det första steget i processen som motsvarar modulen som
examensarbetet omfattar. Den tänkta modulen omfattar uppfångning av 11CO2, reaktion med H2för att bilda11CH4, och rening av gasen.
Nedan jämförs de båda utrustningarna utifrån funktion och/eller komponent.
Tabell 4.1 – Jämförelse mellan PETtrace MeI Microlab och FX Tracerlab PETtrace MeI Microlab FX Tracerlab
Ingångar 1/8 “ Swagelok ,
snabbkoppling för tryckluft 1/8 “ Swagelok, snabbkoppling för tryckluft
Ledning före ugn 1/8 ” rör, rostfritt stål 1/16” blandat med 1/8” rör, rostfritt Ledning efter ugn 1/8 ” rör, plast stål1/16” blandat med 1/8” rör, plast Tryckreducering,
targetgas Ingen reducering, ca 10 bar Reducering till ca 2 bar med tryckregulator.
Flödesreducering Ingen reducering Reducering av helium och vätegas med flödesregulator. Ingen reglering på targetgas .
Flödesmätning Ingen Helium och vätgas med
flödesreglering.
Tryckmätning Ingen Helium och vätgas med separata
tryckmätare. Targetgas med tryckregulator.
Radioaktivitetsmätning Ingen GM-mätare vid ugn.
Ventiler, inmatning Alla inventiler: 2-vägs Parker Series 9, 1/8 ” Swagelok.
3-vägsventil för He och H2 1/8 ” Swagelok. 2-vägsventil 1/8 ”.
Ventiler, utmatning 3-vägsventil, Neptune research, 1/8” plastgänga på utgång.
2 st 2-vägsventiler, Parker, 1/16”
Swagelok
Ugn 0,3 molekylärsikt + 0,2 g
nickel, blåser med lufttryck utifrån på flänsar, värmepatroner.
0,3 molekylärsikt + 0,2 g nickel, blåser med lufttryck inuti block, värmepatroner.
Filter Glasrör med plastkoppl 1/8”. Glasrör med plastkoppl 1/8”.
4.2.1 För- och nackdelar
Ingångar
Båda modellerna använder samma typ av ingångar. Det skulle kunna vara fördelaktigt att använda så kallade snabbkopplingar för alla ingångar för att enklare kunna koppla av och på ingångarna.
Ledningar före ugn
Smalare rör ger mindre intern volym samt tar mindre plats, både rör- och kopplingsmässigt.
Dessutom är 1/16”-rör lättare att forma efter behov. Ledningar före ugnen är av metall för att ickeradioaktiv koldioxid inte ska kunna tränga igenom och blandas med targetgasen
Ledningar efter ugn
Ledningarna efter ugnen är av plast i båda modellerna. Fördelen med plast är att andra typer av kopplingar och ventiler kan användas. Det krävs heller ingen bockning av rören.
Tryckreducering
FX Tracerlab använder, till skillnad från PETtrace MeI Microlab, tryckreducering till ca 2 bar. Det görs för att erhålla ett mer kontrollerat tryck och flöde genom ugnen. PETtrace MeI Microlab saknar tryckreglering, vilket innebär att trycket varierar kraftigt genom ugnen vid tömning av targetgasen.
Flödesreducering
FX Tracerlab använder, till skillnad från PETtrace MeI Microlab, flödesreglering och - mätning av helium och vätgas för att kunna styra och övervaka flödet. Genom att kontrollera flödet kan ett kontrollsystem registrera och reglera flödet genom ugnen. Det görs för att säkerställa att rätt mängd gas har passerat genom ugnen och därmed minska ner tiden för processen.
Tryckmätning
FX Tracerlab använder, till skillnad från PETtrace MeI Microlab, tryckmätare för heliumet och vätgasen. Trycket mäts för att säkerställa att intrycket är inom de förbestämda gränserna.
Radioaktivitetsmätning
FX Tracerlab använder, till skillnad från PETtrace MeI Microlab, radioaktivitetsmätare. Det är viktigt att känna till mängden radioaktivitet i ugnen för att veta att processen fungerar ändamålsenligt.
Ventiler, inmatning
PETtrace MeI Microlab använder välbeprövade 2-vägsventiler som har stor säkerhet och klarar höga tryck. FX Tracerlab använder utöver liknande 2-vägsventiler en skrymmande 3- vägsventil för helium och väte.
Ventiler, utmatning
PETtrace MeI Microlab använder en 3-vägsventil placerad efter reningsfiltret för att sluta tätt i ugnen. FX Tracerlab använder två stycken 2-vägsventiler vilket förenklar inneslutningen av gas i ugnen.
UgnDe båda modellernas ugnar är i grunden lika, men skiljer sig på vissa punkter. Bland annat kylningen, som för PETtrace MeI Microlab sker genom att tryckluft blåses på kylflänsar utifrån. Detta uppfyller inte dagens användarkrav eftersom tryck ej får tillföras i hot-cellen.
FX Tracerlab kyls inuti dess block med tryckluft. FX Tracerlab har en mindre infästning för ugnen. Båda ugnarna är dock skrymmande och bör kunna göras mindre.
Filter
Båda systemen använder liknande filter, som har till uppgift att rena och torka gasen till utgången. FX Tracerlab har ett något mindre filter. Båda filterna har ingångar och utgångar som skruvas dit, med plastgängor. Eftersom dessa har regelbundet underhåll bör det vara fördelaktigt med någon form av snabbkoppling.
4.3 Analys av ugnen 4.3.1 Funktion
Ugnen är den mest centrala delen i modulen. Det är i ugnen reaktionen mellan11CO2och H2
äger rum för att bilda11CH4. I dagsläget tar ugnen upp relativt stor volym och bör kunna göras mindre.
Ugnen innehåller ett pulver, som består av 1/3 nickel och 2/3 molekylärsikt, vars uppgift är att fånga och koncentrera11CO2. Hur mycket11CO2som kan fångas på molekylärsikten beror på kontakttiden, alltså den tid som gasen kommer i kontakt med molekylärsikten. Kontakttiden kommer således att bero av gasens hastighet och molekylärsiktens volym. Nicklet har till uppgift att fungera som katalysator för reaktionen mellan H2och11CO2.
Dagens ugnar har en överdriven kontakttid, och därmed en överdriven volym molekylärsikt.
För ugnens funktion krävs endast en kontakttid på ungefär 25 % av dagens tid, vilket
motsvarar 25 % av dagens volym (och massa). Om molekylärsiktens volym minskar, kommer ugnen att kunna göras mindre.
4.3.2 Ugnens uppgifter
För att fånga och koncentrera11CO2måste ugnen vara kyld till under 35º Celcius. Vid högre temperaturer kommer inte11CO2att fastna på molekylärsikten. Nästa steg är att utföra en reaktion mellan H2och11CO2för att bilda11CH4. Detta sker genom att H2stängs inne i ugnen.
Därefter värms ugnen till över 350º Celcius, varefter reaktionen sker.
Inför nästa körning och batch, måste ugnen återigen vara kyld till under 35º Celcius. Tiden till nästa batch beror av cyklotronens tid att tillverka targetgas. I dagsläget har cyklotronen en cykeltid i praktiken minst 17 minuter. Eftersom modul #1 har ett krav på att utföra
koncentration, reaktion och leverans på under 4 minuter, får kylningen endast ta 13 minuter.
Det vore bra om kylningen kunde ske snabbare för eventuella preparations- och konditionssteg i processen, som måste utföras med jämna mellanrum.
4.3.3 Den befintliga ugnen
Det finns i dagsläget två befintliga ugnar. En i PETtrace MeI Microlab, samt en i FX Tracerlab. Dessa ugnar bygger på samma konstruktion men har något olika utförande.
Produktfunktionsanalys
Produktfunktionsanalysen nedan, se figur 10, åskådligör ugnens huvudfunktion med ett flertal subnivåer, som beskriver vad som krävs för att utföra huvudfunktionen. Den första nivån för A visar råmaterialet för att reaktionen ska kunna utföras, och den första nivån för B visar vad som ytterligare krävs för reaktionen.
Produktfunktionsanalysen gäller båda de befintliga ugnarna. C och D visar vad som skiljer ugnarna åt. De rutor som omges av en prickig linje markerar vilka av ugnens områden detta arbete avser att förbättra.
Utöver att beskriva ugnarnas funktion och utförande är produktfunktionsanalysen till för att underlätta vid konceptgenereringsfasen, då målet är att leta metoder att kyla, värma och placera pulverblandningen.
Figur 10– Produktfunktionsanalys för båda de befintliga ugnarna.
Väsentliga likheter mellan de befintliga ugnarna Siffrorna inom parentes hänvisar till figur 11 nedan.
Behållare för molekylärsikt, i form av ett ytterrör (1)
Löstagbara, fjäderbelastade innerrör med stålfilter (2)
Båda ugnar har samma dimensioner på rören
In- och utgångar med Swagelok-kopplingar (9)
Värmestavar som värmekälla (5)
Väsentliga olikheter mellan de befintliga ugnarna
Kylning sker på två olika sätt. PETtrace MeI Microlab kyls genom tryckluft mot kylflänsar. FX Tracerlab kyls invändigt med tryckluft i ett slutet system och har inga kylflänsar.
Infästningen sker på två olika sätt. Ugnen i PETtrace MeI Microlab fästs i ett block av aluminium. Ugnen i FX Tracerlab fästs med enkla snäppfästen.
Värmeelementen skiljer sig åt. I PETtrace MeI Microlab används ett värmeelement (8) i form av en liten kopparslinga. I FX Tracerlab används ett betydligt större element.
Figur 11- Ugn utan fästelement. PETtrace MeI Microlab.
Figur 12- Ugn från PETtrace MeI Microlab.
För- och nackdelar med de befintliga ugnarna
Båda ugnarna fyller sin funktion och har visat sig fungera under lång tid. Både värmtider och kyltider faller inom kraven för processen. Dock upptar de relativt stor plats i förhållande till volymen molekylärsikt. Det är också önskvärt att korta ner värm- och kyltider så mycket som möjligt för att erhålla en snabbare process.
4.3.4 Förutsättningar för nytt ugnkoncept
Det viktigaste är att den nya ugnen klarar av de ställda kraven, men samtidigt är mindre än de befintliga ugnarna. Med mindre dimensioner, blir massan mindre, vilket borde leda till kortare uppvärmnings- och nedkylningstider.
Möjlighet till förbättring
De befintliga ugnarna skulle kunna förbättras på följande punkter:
Dimensioner, minskad storlek och massa
Kortare uppvärmningstid
Kortare nedkylningstid
Lättare att tillverka
Lättare att serva
5 Val av komponenter
Nedan ges förslag på komponenter som är lämpliga att använda i modulen. En utförligare analys med andra möjliga komponenter finns i bilaga 7 Analys av komponenter.
5.1 Ventil
Val av ventil
2-vägsventil: Parker Series 9, 1/16”
3-vägsventil: Parker Series 4, 1/16”
2-vägs tryckluftsventil: SMC VCZ3000 Series 1/8”
Figur 13 - Parker Series 9, 2-vägsventil. Bild från Parker.com
Motivering
Parkers solenoidventiler är små, klarar höga tryck, tillverkas i rostfritt stål och har kopplingar ner till 1/16”. Undersökning efter att tillgängliga komponenter på marknaden visar att Parker Series 9 och 4 klarar kraven bäst. Eftersom att Parkers ventiler används i de motsvarande befintliga systemen, är de välbeprövade. Därför rekommenderas de starkt.
Skillnaden mellan Series 9 0ch Series 4 är marginell, men Series 9 klarar högre tryck samt är mer beprövade i de befintliga systemen. För 3- vägsventiler i storleken 1/16” finns endast Series 4 att tillgå.
Tryckluftsventilen klarar de höga flöden som krävs för att kyla ugnen.
5.2 Tryckreducering och flödesreglering
Val av tryckreducering Bronkhorst IQ+Flow
Figur 14 - Bronkhorst IQ+flow Bild från Bronkhorst.com
Motivering
Det finns ett antal olika anledningar som ligger till grund för valet av denna komponent. Den klarar alla krav som ställs på tryckreduceringen. I förhållande till andra liknande komponenter är denna relativt liten. IQ+Flow kan styras från ett externt kontrollsystem och skickar
samtidigt information om det rådande tillståndet. Ytterligare en fördel är att IQ+Flow kan väljas som tryck- eller flödesreglering och kan byggas ihop i en manifolder med flera komponenter. Detta skulle passa den tänkta modulen mycket bra då det krävs en tryckregulator till targetgasen, samt två flödesregulatorer för helium respektive vätgas.
5.3 Tryckmätare
Val av tryckmätare
Sensor Technics SSC3000 Series
Figur 15- Sensor Technics SSC3000 Series Bild från Sensortechnics.com
Motivering
Samtliga studerade tryckmätare är snarlika till utförande och funktion. Sensor Technics SSC3000 Series är minst till storlek och klarar kraven väl.
5.4 Kopplingar för in- och utgångar
Val av kopplingar
Swagelok Miniature Quick Connects 1/16” för alla gaser.
1/8” för tryckluft
Figur 16 - Swagelok Miniature Quick Connects Bild från swagelok.com
Motivering
Dessa kopplingar väljs på grund av deras storlek, och enkelhet vid ihop- och frånkoppling.
Det vore intressant att arbeta fram en lösning med Stäubli-kopplingarna, men i detta arbete finns inte resurser till det, eftersom en sådan lösning anses för komplex och tidskrävande.
5.5 Filter
Val av filter
Glasfilter som sitter i befintlig utrustning.
1/8” Luer-kopplingar för snabb ihop- och frånkoppling.
Motivering
På grund av att komponenten ansågs relativt lågprioriterad, väljs det befintliga glasfiltret. Till skillnad från tidigare används snabbkopplingar av typen luer för att möjliggöra snabbare service av filtret. Det vore intressant att undersöka mer noggrannt om det finns andra alternativ.
5.6 Radioaktivitetsmätare
Val av radioaktivitetsmätare PIN Silicon Photodiode Motivering
En befintlig radioaktivitetsmätare väljs. Denna väljs för att den är relativt liten och enkel. Det vore intressant att undersöka utbudet för att se om det finns andra mindre alternativ.
6 Idégenerering
Generering av idéer och koncept behandlar ugnen och modulen var för sig. Kapitlet delas in i lägre subnivåer för olika delfunktioner för att underlätta diskussion ner på detaljnivå. För att kunna referera till en idé numreras samtliga idéer med idé för ugn (IU) och idé för modul (IM).
6.1 Ugnen
6.1.1 Idéer för förvaring av molekylärsikt
Förvaring av molekylärsikt är en betydande del av ugnen och hänsyn måste tas till
materialval, volym, täthet, storlek och möjlighet att anpassas för att fungera med koncept med andra delfunktioner.
Efter brainstorming och diskussioner är det tre idéer som är framstående.
IU001- Inuti rör med hjälp av SS-frits
IU002- Ytterrör med utbytbart innerrör
IU003- Isärtagbart rör
IU001- Ett enkelt och effektivt sätt att förvara molekylärsikten är inuti ett rör med hjälp av SS-frits (stålfilter). Stålfilter pressas in i röret från en sida, röret med rätt mängd molekylärsikt och ett stålfilter kan pressas in från motstående håll vilket håller molekylärsikten på plats. Ett standardiserat rör kan med fördel användas då det finns standardiserade SS-frits till dessa rör.
Figur 17 – IU001
Fördelar:
Låg komplexitet
Kan göras i små dimensioner Nackdelar:
Svårt att byta pulver
Tveksam funktionalitet när två stålfilter pressar mot varandra
IU002- Det finns önskemål från kund att kunna byta molekylärsikt i ugnen p.g.a. att det mekaniskt kan förstöras. Det finns även önskemål att byta molekylärsikt mot endast nickel och då inte koncentrera aktiviteten. Från dessa önskemål finns idén om att använda sig av en utbytbar hylsa som kommer fyllda med molekylärsikt eller bara nickel.
Bilden visar hur hylsan eller innerröret pressas fast i ytterröret. Hylsan har ett stålfilter i båda ändar med önskat pulver i mitten.
Figur 18 – IU002
Fördelar:
Låg komplexitet
Möjligt att byta pulver Nackdelar:
Svårt med tätning mellan inner- och ytterrör
IU003- För att enkelt kunna byta pulver i behållaren uppkom idén om att dela på behållaren och där kunna fylla på pulver. Som bilden visar kan röret skruvas isär och bildar då ett innerrör och ett ytterrör. Pulver fylls i innerröretoch hålls på plats med hjälp av ett filter vardera rör. Tätning sker med en packning av aluminium längst inne i ytterröret. Denna idé gör det möjligt att använda sig av Valco-kopplingar enligt bild.
Figur 19 – IU003
Fördelar:
Enkelt att byta pulver
Kan använda valco-kopplingar Nackdelar:
Hög komplexitet
6.1.2 Kopplingar
Vid diskussion av vilka kopplingar som skulle kunna användas framkommer två möjliga alternativ:
IU004- Swagelok
IU005- Valco
IU004- Swagelok är väl beprövat och används idag till ugnen och andra kopplingar i den befintliga utrustningen. Den fungerar bra vid stora temperaturväxlingar vilket är en
förutsättning vid användning i ugnen. Swagelok-kopplingar är utvecklade för att monteras på ett rör och sedan gängas fast på en standardiserad gänga med invändig kona. Detta utgör ett problem då ugnen ska kopplas från ett rör till ett annat vilket kräver en skarvkoppling som ökar kopplingens dimensioner.
Figur 20 - Swaglok-koppling från Swagelok.com
Fördelar:
Beprövad
Klarar temperaturväxlingar Nackdelar:
Skrymmande
IU005- Vid användning av Valco-kopplingar monteras röret i en koppling med utvändig gänga vilket ger möjlighet till att skruva direkt in i komponenten i fråga. Det finns inga tester som visar att dessa kopplingar klarar upprepade temperaturskiftningar utan att läcka.
Figur 21 – IU005. Valco-koppling från vici.com
Fördelar:
Små dimensioner Nackdelar:
Tveksam funktionalitet vid upprepade temperaturväxlingar
6.1.3 Idéer för uppvärmning av ugn
Vid idégenerering för uppvärmning av ugnen framkom ett antal olika förslag. Efterföljande diskussioner kunde avgränsa förslagen till fyra möjliga ideér.
IU006- Värmestav
IU007- Glödtråd
IU008- Induktion
IU009- Värmetejp
IU006- Värmestav eller heater cartridge är en väl beprövad metod vid uppvärmning och används i dagens utrustning. Den kräver i de flesta fall 230V och har en hög effekt upp till flera hundra watt. Storleken är liten i förhållande till effekten.
Figur 22 - IU006 Heater cartridge från Tempco.com
Fördelar:
Beprövad
Hög effekt Nackdelar:
Kräver 230V
Finns inte mindre i mindre längder än 1 tum
IU007- Glödtråd ingår i många typer av uppvärmning men är då inbyggd och isolerad på något sätt. Att använda glödtråd ger möjligheten att konstruera en mer ändamålsenlig
konstruktion. Vanlig glödtråd kräver isolering mot sig själv och närliggande metall. Det finns dock glödtråd som är isolerad och kan då läggas direkt mot en yta av metall. Glödtråd finns i spänningsintervall från 12V till 230V.
Figur 23 – IU007 Gödtråd från elfa.se
Fördelar:
Anpassningsbar
Små dimensioner Nackdelar:
Komplex konstruktion
Finns inga standardiserade lösningar
IU008- Induktion utgörs av en järnkärna och en spole. Genom att skicka en växlande spänning genom spolen bildas ett växlande magnetfält i järnkärnan vilket genererar värme.
Spolen behöver inte ligga i direkt kontakt med järnkärnan vilket minskar massan som måste värmas och kylas. En induktionsugn kan skapa kraftiga elektromagnetiska störningar som kan störa ut övrig elektrisk utrustning. Den kräver även ett komplex och skrymmande styrsystem.
Fördelar:
Hög effekt
Mindre massa att värma och kyla Nackdelar:
Skrymmande styrsystem
Avger elektromagnetiska störningar
IU009- Värmetejp är till huvudsak en glödtråd som alstrar värme och är isolerad med hjälp av en värmetålig tejp. Dessa tejper kan komma upp i hög temperatur och är enkla att montera. De flesta tejper är utvecklade för att lindas runt ett längre rör och finns därför i förbestämda längder som inte kan kortas.
Fördelar:
Enkel montering Nackdelar:
Svårt att hitta rätt längd
6.1.4 Idéer för kylning av ugn
Ugnen i den tidigaste utrustningen (PETTrace MeI Microlab) använder sig av tryckluft som blåses på ugnens kylflänsar. Detta är en väldigt effektiv metod men uppfyller inte dagens krav då inga tryckförändringar får förekomma i så kallade ”hot-cells”. Med dessa krav måste nya idéer om kylning genereras.
Genom idégenerering och efterföljande diskussion kunde idéerna avgränsas till fyra
IU010- Fläkt
IU011- Invändig kylning med fluid
IU012- Utvändig kylning med fluid
IU013- Peltierelement
IU010- Ett enkelt sätt att kyla ugnen är att använda en extern fläkt. I likhet med att blåsa tryckluft över kylflänsar kan en fläkt användas. Fläkten bidrar inte till att trycket förändras i hot-cellen men kan kyla utifrån mot kylflänsar. Fläktar finns i varierande storlek och effekt.
En fördel gentemot tryckluft är att inga rör eller ventiler för tryckluften krävs. Det är dock tveksamt om fläkten kan ge en motsvarande kylning som tryckluft.
Figur 24 – IU010
Fördelar:
Inga rör eller ventiler krävs
Låg komplexitet Nackdelar:
Tveksam kylningsförmåga
IU0011- En lösning som används i FX Tracerlab är att kyla ugnen invändigt med tryckluft.
Denna metod är inte lika effektiv som att blåsa tryckluft över kylflänsar eftersom ytan inuti röret är betydligt mindre än ytan på kylflänsar. Det finns möjlighet att använda andra fluider såsom vatten eller flytande kväve. Dessa vätskor har till nackdel att de smutsar ner vid eventuellt läckage. För användning av vatten krävs ett system för detta vilket inte finns hos kunden i dagsläget. Flytande kväve finns i dagens utrustning men kräver mycket planerad service genom påfyllning.
Figur 25 - IU0011
Fördelar:
God kylning
Relativt låg komplexitet Nackdelar:
Kräver rör och ventil
IU012- Istället för att kyla invändigt med rör kan ett utvändigt kärl användas enligt figur 26.
Detta kärl kan innesluta hela ugnen eller bara delar av den. Det ska finnas in- och utgångar och det kan med fördel finnas kanaler inuti kärlet för att förlänga kontakttiden mellan fluid och ugn. Olika fluider kan användas såsom luft, vatten eller flytande kväve. Nackdelar med denna idé är tätningen mellan ugn och kärl måste vara tät samt att kärlet blir en relativt komplicerad konstruktion.
Figur 26 – IU012
Fördelar:
God kylning Nackdelar:
Kräver rör och ventil
Komplex konstruktion
Stora dimensioner
IU013- Peltierelement är en elektrisk kylare som förflyttar värme från sin ovansida till undersidan. Detta skapar en kylande effekt och används ofta för kylning av datorer. Ett peltierelement klarar av temperaturer upp till cirka 120 grader Celsius och en
temperaturskillnad mellan sidorna på ca 70 grader Celsius. Det klarar alltså inte att kyla ugnen från 350 grader Celsius men skulle kunna användas tillsammans med någon annan typ av kylning och då kopplas in när temperaturen är under 120 grader Celsius. Detta kan ske med hjälp av en elektromagnet som pressar peltierelementet mot ugnen.
Figur 27 – Peltierelement från Elfa.se
Fördelar:
God kylning under 120 grader Celsius Nackdelar:
Klarar inte ugnens höga temperaturer
Kan endast användas tillsammans med annan kylning
Komplex konstruktion med rörliga delar
6.2 Modulen
6.2.1 Idéer för modulens ställning
En frågeställning i detta examensarbete är om processen i fråga kan delas upp i mindre moduler för att göra utrustningen mer flexibel. En förutsättning för detta är att de olika modulerna kan integreras med varandra genom olika gränssnitt. I detta avsnitt visas ett antal idéer för hur olika moduler kan monteras ihop.
Genom idégenerering och efterföljande diskussion kunde idéerna avgränsas till fyra möjligheter.
IM001- Extern ställning med varierbara fästen
IM002- Svängbara plåtar
IM003- Lådor
IM001- För att montera ihop moduler av olika storlek kan en extern ställning användas. I figur 28 visas ett exempel på hur en extern ställning kan se ut. I detta fall är det en hålad plåt där modulerna kan skruvas fast på baksidan. Kopplingar kan inte monteras på baksidan men på övriga sidor. Figur 28 visar en hel plåt som kan vara opraktisk om inte hela plåten används.
Ett alternativ till detta är att varje modul kommer med en egen plåt som monteras ihop med plåtarna från andra moduler.
Figur 28 – IM001
Fördelar:
Kan montera moduler av olika utseende och storlek Nackdelar:
Bidrar till skrymmande ställningar som inte bidrar till processen
Tar onödig plats om inte hela ställningen används
IM002- En viktig aspekt för ett nytt modultänkande är servicevänlighet som ofta symboliseras av stora fria ytor där allt är lättåtkomligt. Genom att designa modulerna som öppna plåtar kan de monteras på en vägg med gångjärn mot väggen. Detta bidrar till öppna servicevänliga ytor på plåtarna då andra moduler enkelt kan svängas åt sidan. Detta modulkoncept kräver någon typ av flexibla rör av stål vilket kan vara svårt att tillverka.
Figur 29 – IM002
Fördelar:
Servicevänlig
Kan vikas åt sidan vilket sparar utrymme Nackdelar:
Kräver ställning med gångjärn
Kräver flexibla rör av metall
Risk för skada på modulerna om de slår ihop när de svängs
Inget skydd mot EMC
IM003- Denna idé visar hur lådor skulle kunna användas som ställning. Varje modul kommer med sin egen låda vilket betyder att det inte krävs någon mer ställning än den som kommer med varje modul. Denna idé gör det nya modulkonceptet väldigt flexibelt eftersom varje modul blir oberoende av andra moduler. För att förenkla montering bör ett basmått på ställningen väljas och höjden kan därmed varieras för varje modul. Lådorna skruvas ihop enligt figur 30. Utformningen på modulen kan variera så länge den går in i ställningen.
Figur 30 – IM003
Fördelar:
Servicevänlig då modulen kan plockas ut
Modulerna blir oberoende av varandra
Låg komplexitet Nackdelar:
Alla moduler måste ha samma basmått
6.2.2 Idéer för montering av komponenter
Detta avsnitt visar olika sätt som komponenter kan monteras i en modul. Genom idégenerering och efterföljande diskussion kunde idéerna avgränsas till tre möjligheter.
IM004- Låda med inre väggar
IM005- Öppningsbar låda
IM006- På en plåt
IM004- En låda med inre vägg får mer yta att fästa komponenter och är samtidigt
servicevänlig då alla komponenter sitter åtkomligt. Figur 31 visar hur en låda med inre vägg kan se ut. I detta exempel visas även en skyddande plåt som täcker alla komponenter. Denna idé kan med fördel kombineras med någon typ av ställning från avsnitt 6.2.1.
Figur 31 – IM004
Fördelar:
Servicevänlig
Låg komplexitet
Mycket plats till komponenter Nackdelar:
Kan vara svårt att montera stora komponenter då den inre väggen är i vägen
lådan är öppen och kan samtidigt vikas ihop till väldigt små dimensioner. Lådan kan alltså bli väldigt liten då ingen hänsyn behöver tas för lättåtkomlighet i stängt tillstånd. Detta koncept kräver någon typ av böjliga rör av metall, vilka kan vara svåra att tillverka samt kan ta stor plats.
Figur 32 – IM005
Fördelar:
Servicevänlig
Små dimensioner
Mycket plats till komponenter Nackdelar:
Hög komplexitet
Kräver böjliga rör
IM006- Idé IM002 kan användas med moduler, vilka är designade som plåtar med komponenter på båda sidor. Konceptet med plåtar som moduler kan ha andra användningsområden där det inte krävs flexibla rör.
Figur 33 – IM006
Fördelar:
Servicevänlig
Mycket plats till komponenter
Låg komplexitet Nackdelar:
Tar stor plats
Kräver en ställning
