DE102009023320B3

DE102009023320B3 - Vorrichtungen und Verfahren zur Zuführung eines verflüssigten Gases in ein Gefäß

Info

Publication number: DE102009023320B3
Application number: DE200910023320
Authority: DE
Inventors: Holger Bau; Uwe Meyer; Jürgen Glasow
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-30
Also published as: WO2010136161A1

Abstract

Es werden Vorrichtungen und ein Verfahren zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß (10) beschrieben, bei dem die Flüssigkeit durch eine Transferleitung (20) in das Gefäß fließt, wobei im Gefäß (10) eine Aufnahmeleitung (30) angeordnet ist, in deren oberes, offenes Ende (31) die Flüssigkeit über die Transferleitung (20) eingeleitet wird und an deren unterem Ende (32) die Flüssigkeit in das Gefäß (10) austritt. Es wird auch eine Aufnahmeleitung (30) beschrieben, die zur Zuführung von verflüssigtem Gas in ein Gefäß (10) eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß. Dies ist insbesondere eine Vorrichtung zur Zuführung der Flüssigkeit in ein Gefäß, das eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit aufweist, wie z. B. die Zuführung von flüssigem Gas in einen Tank oder ein Transportgefäß. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Aufnahmeleitung und ein Gefäß dafür, sowie ein Verfahren zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß. Diese dient insbesondere zur Zuführung von flüssigem Gas in einen Tank oder ein Transportgefäß, und ein mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattetes Gefäß.
Anwendungen der Erfindung sind insbesondere bei der Handhabung von flüssigen Gasen wie z. B. flüssigem Stickstoff oder Helium gegeben.
Die Anwendung flüssiger Gase zur Kühlung technischer Einrichtungen ist allgemein bekannt. Typischerweise werden die Gase, wie flüssiges Helium oder flüssiger Stickstoff, aus einem Vorratstank in ein thermisch isoliertes Gefäß, insbesondere ein Transportgefäß oder ein anderes, zur Kühlung vorgesehenes Gefäß, z. B. eine Kühlkammer umgefüllt. Das Umfüllen von flüssigem Gas erfolgt in der Praxis z. B. über eine vakuumisolierte Transferleitung zwischen dem Vorratstank und dem thermisch isolierten Gefäß. Das starre und nicht isolierte Ende der Transferleitung endet im Gasraum des Gefäßes unterhalb von dessen Deckel. Wenn die Temperatur im Gefäß zunächst noch der Raumtemperatur entspricht oder anderweitig, z. B. durch Einsetzen eines Gegenstandes mit Raumtemperatur erhöht ist und oberhalb der Verdampfungstemperatur des flüssigen Gases liegt, verdampft das flüssige Gas beim Einströmen in das Gefäß, insbesondere beim Auftreffen auf die Behälter Wandung. Dieser Verdampfungsvorgang dauert an, bis das die Verdampfungswärme unterschritten wurde und sich im Gefäß Flüssigkeit sammeln kann.
Die Verdampfung von flüssigem Gas bei der Zuführung in zunächst ungekühlte Gefäße stellt ein Problem in der Praxis dar, da eine erhebliche Gasmenge (Flash-Gas) ungenutzt an die Umgebungsluft abgegeben wird, die einen unerwünschten Verdampfungsverlust und somit einen entsprechenden Kostenfaktor darstellt. Wenn auch die reine Bilanz der stofflichen Zusammensetzung der Luft hierbei als nahezu ausgeglichen betrachtet werden kann, gestaltet sich die Energiebilanz über die Separierung und Verflüssigung von Helium und Stickstoff aus der Luft durch die Verluste noch negativer und führt so zu einer zusätzlichen Umweltbelastung.
Zur Verminderung der beim Umfüllen von flüssigem Gas gebildeten Abgases wird in DE 23 07 287 A vorgeschlagen, das Abgas mit einem Verdichter zu verdichten und in einen Vorratsbehälter zu fördern. Diese Technik hat jedoch Nachteile, die sich aus dem komplexen Aufbau (Verwendung eines geregelten Verdichters) und der Beschränkung auf ortsfeste Anlagen ergeben. Gleichzeitig bedeutet dies einen zusätzlichen Energieraufwand.
Weitere Vorrichtungen zur Handhabung verflüssigter Gase sind in DE 195 46 618 C2 , DE 2 054 054 A , DE 694 01 617 T2 , WO 01/33135 A1 , US 2008/0178610 A1 , US 2007/0214831 A1 , US 4 481 779 A und US 29 64 918 A beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Zuführung von Flüssigkeit, insbesondere von flüssigem Gas oder tiefsiedenden Flüssigkeiten, in ein Gefäß bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Vorrichtungen überwunden werden. Die Erfindung soll insbesondere ermöglichen, dass Verdampfungsverluste bei der Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß minimiert werden. Die Aufgabe der Erfindung ist auch, ein verbessertes Verfahren zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß bereitzustellen, mit dem Nachteile her kömmlicher Umfülltechniken überwunden werden und die insbesondere eine Minimierung von Verdampfungsverlusten bei der Flüssigkeitszuführung ermöglicht Die Aufgabe der Erfindung ist auch, ein verbessertes Gefäß zur Aufnahme einer Flüssigkeit, insbesondere eines flüssigen Gases, bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Gefäße überwunden werden und die insbesondere Aufnahme der Flüssigkeit mit minimalem Materialverlust ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch Vorrichtungen oder das Verfahren mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Verfahrensbezogen basiert die Erfindung insbesondere auf der technischen Lehre, ein Verfahren zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß bereitzustellen, bei dem die Flüssigkeit durch eine Transferleitung in eine im Gefäß angeordnete Aufnahmeleitung fließt. Die Aufnahmeleitung erstreckt sich im Gefäß in vertikaler Richtung zwischen einem oberen, zum umgebenden Gasraum offenen Ende, in das die Flüssigkeit geleitet wird, und einem unteren Ende. Erfindungsgemäß wird Flüssigkeit in ein Gefäß mit einer Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit zugeführt. Die Flüssigkeit (verflüssigtes Gas oder tiefsiedende Flüssigkeit) wird hier als flüssiges Gas bezeichnet.
Vorrichtungsbezogen beruht die Erfindung insbesondere auf der technischen Lehre, eine Aufnahmeleitung bereitzustellen, die zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß eingerichtet ist und einen Rohrkörper mit einem ersten, oberen Ende, das zur Einleitung der Flüssigkeit vorgesehen ist, und einem zweiten, unteren Ende, das zum Austritt der Flüssigkeit in das Gefäß vorgesehen ist, umfasst, wobei der Rohrkörper aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem glasfaserverstärktem Material, und/oder Edelstahl gebildet ist.
Vorrichtungsbezogen basiert die Erfindung gemäß einem dritten Gesichtspunkt auf der allgemeinen technischen Lehre, ein Gefäß zur Aufnahme einer Flüssigkeit bereitzustellen, das mit mindestens einer erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung ausgestattet ist.
Die Aufnahmeleitung ist ein am Ende der Transferleitung vorgesehenes gesondertes Leitungsstück. Die Transferleitung und die Aufnahmeleitung können z. B. getrennte Bauteile oder alternativ miteinander verbundene Bauteile sein, wobei in einem Bereich zwischen der Transferleitung und der Aufnahmeleitung ein Druckausgleich mit dem zur Umgebung offenen Gasraum möglich ist. In diesem Bereich besteht eine offene Abgasableitung. Die Aufnahmeleitung stellt eine offene Leitungsverlängerung der Transferleitung dar. Vorzugsweise ist die Aufnahmeleitung so angeordnet, dass die Flüssigkeit unter der Wirkung der Schwerkraft, d. h. mit einer vertikalen Komponente vom oberen zum unteren Ende der Aufnahmeleitung fließt.
Die erfindungsgemäße Verwendung der Aufnahmeleitung zum Transport der Flüssigkeit und deren Einleitung in das Gefäß hat die folgenden Vorteile. Erstens wird ein direkter Kontakt der zugeführten Flüssigkeit mit der Innenwand des Gefäßes ausgeschlossen. Entsprechend wird ein Verdampfen der Flüssigkeit, insbesondere bei Beginn der Zuführung und/oder während das Gefäß eine Innentemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit aufweist, durch einen Kontakt mit der Innenwand des Gefäßes unterbunden. Im Unterschied zur herkömmlichen Technik, bei der Flüssigkeit vom kalten und starren Ende der Transferleitung direkt in das Gefäß spritzt und an der Innenwand des Gefäßes verdampft, wird mit der Erfindung ein Spritzen der Flüssigkeit gegen dessen Innenwand beschränkt oder komplett unterbunden. Die Verdampfungsrate der Flüssigkeit wird bei der Zuführung in das Gefäß verringert, da die Flüssigkeit nur an der im Vergleich zur Gefäß-Innenwand viel kleineren Mantelfläche der Aufnahmeleitung, insbesondere des schlecht wärmeleitenden Glasfasermaterials, verdampfen kann. Diese vorteilhafte Wirkung wird auch mit einer Aufnahmeleitung aus Edelstahl erzielt, da zwischen der Aufnahmeleitung und der Transferleitung keine direkte Verbindung und somit keine wesentliche Wärmekopplung besteht.
Das oben offene Ende der Aufnahmeleitung ist für einen Druckausgleich zwischen der Transferleitung und dem zur Umgebung offenen Gasraum des Gefäßes eingerichtet. Durch den Druckausgleich am oberen Ende der Aufnahmeleitung werden vorteilhafterweise irreguläre Strömungen, insbesondere Wirbel. oder Turbulenzen, im Gefäß vermieden. Die an den oberen und unteren Enden offene Aufnahmeleitung wirkt als Dämpfer. Die Flüssigkeit fließt turbulenzfrei in das Gefäß, wodurch die Abkühlung der Innenwand des Gefäßes beschleunigt und die Verdampfung z. B. von Spritzern an der Innenwand des Gefäßes minimiert wird. Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Innendurchmesser der Aufnahmeleitung an deren oberen Ende größer als der Außendurchmesser der Transferleitung gewählt. Besonders bevorzugt ragt die Transferleitung in das obere Ende der Aufnahmeleitung, wobei der Druckausgleich durch den Spalt zwischen der Transferleitung und der Innenwand der Aufnahmeleitung erfolgt.
Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Flüssigkeit am unteren Ende der Aufnahmeleitung in das Gefäß zu leiten. Gemäß einer ersten Variante ist mindestens eine axiale Öffnung am unteren Ende der Aufnahmeleitung vorgese hen. Vorteilhafterweise weist der Rohrkörper in diesem Fall einen besonders einfachen Aufbau auf. Die axiale Öffnung wird durch das offene untere Ende der Aufnahmeleitung gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann am unteren Ende der Aufnahmeleitung mindestens eine radiale Öffnung vorgesehen sein. Die radiale Öffnung ist in der Wand des Rohrkörpers in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Längsausdehnung des Rohrkörpers vorgesehen. Die radiale Öffnung bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, dass die Flüssigkeit am unteren Ende der Aufnahmeleitung seitlich in das Gefäß und ein sich in diesem sammelndes Flüssigkeitsbad einströmen kann. Die Aufnahmeleitung kann mit der mindestens einen radialen Öffnung auch auf einem Boden des Gefäßes aufgesetzt werden, ohne dass das Ausströmen der Flüssigkeit in das Gefäß behindert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Aufnahmeleitung im Gefäß so angeordnet sein, dass das untere Ende der Aufnahmeleitung einen Abstand vom Boden des Gefäßes aufweist. Ein schnelles Einströmen der Flüssigkeit in das Gefäß wäre somit die Folge.
Gemäß dem oben genannten dritten Gesichtspunkt stellen das Gefäß und der Rohrkörper der Aufnahmeleitung vorzugsweise einen festen Verbund dar. Das mit dem Rohrkörper ausgestattete Gefäß ermöglicht die erfindungsgemäße Flüssigkeitszuführung mit einer verminderten Verdampfungsrate. Gemäß einer alternativ Ausführungsform der Erfindung kann der Rohrkörper der Aufnahmeleitung lösbar mit dem Gefäß verbunden sein. Vorteilhafterweise wird damit das Innenvolumen eines vorhandenen Gefäßes besser genutzt. Des Weiteren kann die Aufnahmeleitung teilweise in verschiedenen Gefäßen zur Flüssigkeitszuführung verwendet werden. Gemäß einer ersten Variante kann die Aufnahmeleitung in einer Gefäßöffnung lösbar befestigt sein. Vorteilhafterweise vereinfacht dies das Einsetzen und die Entfernung der Aufnahmeleitung am Gefäß und eine Sichtkontrolle der Befestigung der Aufnahmeleitung. Alternativ oder zusätzlich kann die Aufnahmeleitung an einer Innenwand des Gefäßes lösbar befestigt sein. In diesem Fall können sich Vorteile für eine verbesserte Stabilität der Aufnahmeleitung im Gefäß ergeben.
Die lösbare Befestigung der Aufnahmeleitung am Gefäß hat ferner den Vorteil, dass gemäß einer weiteren Variante der Erfindung die Aufnahmeleitung nach der Zuführung der Flüssigkeit in das Gefäß aus diesem entnommen werden kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rohrkörper der Aufnahmeleitung aus einem Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich 0,2 W/mK, insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet. Glasfaserverstärkter Kunststoff bietet Vorteile hinsichtlich einer hohen Stabilität sowohl bei Raumtemperatur als auch bei der Temperatur von flüssigen Gasen unterhalb von z. B. –100°C. Des Weiteren weist glasfaserverstärkter Kunststoff eine eine geringe Wärmeleitung, z. B. rd. 0,2 W/mK, auf, so dass sich die Aufnahmeleitung bei Zuführung der Flüssigkeit schnell abkühlt und somit eine Verdampfung der Flüssigkeit in der Aufnahmeleitung minimiert werden kann.
Das Gefäß, in das die Flüssigkeit zugeführt wird, ist vorzugsweise ein thermisch isolierter Behälter, wie z. B. ein Dewar-Gefäß, ein Kryotank oder eine Kältekammer. Der thermisch isolierte Behälter ist zur Aufnahme einer tief siedenden Flüssigkeit, bei deren Verdampfung ein Druck aufgebaut wird, insbesondere zur Aufnahme von flüssigem Stickstoff oder Sauerstoff oder ein flüssiges Edelgas, insbesondere flüssiges Helium oder Argon, oder eine Zusammensetzung aus diesen vorgesehen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Schnittansicht eines Gefäßes mit einer Aufnahmeleitung;
2: eine schematische Schnittansicht entlang der Linie I-I in 1;
3: eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Gefäßes mit einer Aufnahmeleitung;
4: verschiedene Varianten radialer Öffnungen an erfindungsgemäßen Aufnahmeleitungen;
5: eine schematische Illustration des Umfüllens eines flüssigen Gases von einem Vorratstank in ein Transportgefäß; und
6: eine Kurvendarstellung zur Illustration des mit der Erfindung verbesserten Flüssigkeitsverbrauchs beim Umfüllen von flüssigem Helium.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf das Umfüllen eines flüssigen Gases für Kühlzwecke in ein Transportgefäß oder einen Kryostaten beschrieben. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Kühleinrichtungen beschränkt, sondern bezieht sich allgemein auf den Transport tiefsiedender Flüssigkeiten.
1 illustriert ein Gefäß/Transportgefäß 10 für flüssiges Helium 1 in schematischer Schnittansicht. Eine Transferleitung 20 mit einer Ventileinrichtung 21, z. B. einem manuell betätigbaren Ventil, ragt in den Innenraum des Transportgefäßes 10. Im Transportgefäß 10 ist eine Aufnahmeleitung 30 angeordnet, die zur Zuführung des flüssigen Heliums 1 in das Transportgefäß 10 eingerichtet ist.
Das Transportgefäß 10 weist eine thermisch isolierte Gefäßwand 11 auf, an deren oberen Ende eine Gefäßöffnung 12 und an deren unteren Ende ein Gefäßboden 13 vorgesehen ist. Die Gefäßwand 11 ist z. B. so geformt, dass ein ellipsoidförmiger Innenraum mit einem gekrümmten Gefäßboden 13 gebildet wird. Die Gefäßwand 11 umfasst ein thermisch isolierendes Material. Beispielsweise ist ein doppelwandiger Aufbau der Gefäßwand 11 aus Glas und/oder Stahl mit einem evakuierten Wandinnenraum eingerichtet. Das Transportgefäß 10 ist zur Aufnahme von z. B. 150 l flüssigem Heliums bei einer Temperatur von –268°C vorgesehen. Die Gefäßöffnung 12 hat z. B. einen Durchmesser von 20 bis 30 cm.
Die Transferleitung 20 umfasst z. B. ein flexibles Edelstahlrohr mit einer thermischen Isolation. Beispielsweise kann eine Vakuumisolation oder für die Zuführung von flüssigem Helium in das Transportgefäß 10 eine Kühlung mit flüssigem oder dampfförmigen Stickstoff vorgesehen sein. Die Transferleitung 20 mit einem Durchmesser von z. B. 1 cm bis 2 cm ist z. B. mit einem Speichertank verbunden (siehe 5).
Die erfindungsgemäße Aufnahmeleitung 30 umfasst einen Rohrkörper 35, der vertikal oder mindestens gegenüber der Horizontalen geneigt im Transportgefäß 10 angeordnet ist. Der Rohrkörper 35 weist ein oberes Ende 31 und ein unteres Ende 32 auf, die jeweils entsprechend in der Gefäßöffnung 12 und an den Gefäßboden 13 angrenzend angeordnet sind.
Der Rohrkörper 35 besteht z. B. aus GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff), PTFE, Polyimid oder auch aus Edelstahl. Der Rohrkörper 35 bildet z. B. einen geraden Hohlzylinder mit einer axialen Länge im Bereich von 50 cm bis 100 cm, einem Außendurchmesser im Bereich von 4 cm bis 7 cm und einer Wandstärke geringer als 1 cm. Die Umsetzung der Erfindung in der Praxis ist nicht auf diese Maße beschränkt, sondern kann in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung variiert und insbesondere an die Maße des Transportgefäßes 10 angepasst werden.
Das obere Ende 31 des Rohrkörpers 35 ist mittels einer ersten Fixiereinrichtung 36 mit der Gefäßöffnung 12 verbunden. Die erste Fixiereinrichtung 36 umfasst z. B. eine Vielzahl von Haltestäben 37 zwischen der Außenoberfläche des Rohrkörpers 35 und der Innenseite der Gefäßöffnung 12 (siehe 2). Ein freies Leitungsende 22 der Transferleitung 20 ragt in das obere Ende 31 des Rohrkörpers 35.
Das untere Ende 32 des Rohrkörpers 35 ist mittels einer zweiten Fixiereinrichtung 38 (hier gleichzeitig Tisch zur Aufnahme von Proben) mit dem Gefäßboden 13 verbunden. Die zweite Fixiereinrichtung 38 umfasst einen Trägertisch, der auf dem Gefäßboden 13 fixiert ist und eine Öffnung mit Halteelementen 39 zur formschlüssigen Aufnahme des Rohrkörpers 35 aufweist.
Am unteren Ende 32 des Rohrkörpers 35 sind eine axiale Öffnung 33 und/oder radiale Öffnungen 34 vorgesehen, durch welche das flüssiges Helium von der Aufnahmeleitung 30 in das Transportgefäß 10 austreten kann. Varianten der radialen Öffnungen 34 sind unten unter Bezug von 4 beispielhaft genannt.
3 illustriert in schematischer Schnittansicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Gefäß/Dewar-Gefäß 10 zur Aufnahme des flüssigen Gases vorgesehen ist. Das Dewar-Gefäß 10 weist einen zylinderförmigen Innenraum (entsprechend mit dem rechteckigen Querschnitt gemäß 3) auf. Die Gefäßwand 11 und der Gefäßboden 13 sind z. B. aus Edelstahl und/oder Glas mit einer Vakuumisolation gebildet. Die Gefäßöffnung 12 kann mit einem Deckel 14 (gestrichelt gezeigt) geschlossen werden.
Die Aufnahmeleitung 30 umfasst den Rohrkörper 35 mit dem oberen Ende 31 und dem unteren Ende 32, das radiale (Austritts-)-Öffnungen 34 zum Austritt der Flüssigkeit in den Innenraum des Dewar-Gefäßes 10 aufweist. Der Rohrkörper 35 ist mit der Innenoberfläche der Gefäßwand 11 verbunden. Es kann eine lösbare Verbindung, z. B. unter Verwendung von Manschetten 15 (gestrichelt gezeigt) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Rohrkörper mit der Innenoberfläche der Gefäßwand 11 fest verbunden, z. B. verklebt oder verschraubt sein.
Die axiale Länge des Rohrkörpers 35 ist in Abhängigkeit von der Anwendung der Erfindung gewählt. Vorzugsweise ist sie, wie in 3 dargestellt, geringer als die Höhe des Dewar-Gefäßes.
4 illustriert beispielhaft verschiedene Varianten radialer Austrittsöffnungen 34, die am unteren Ende 32 des Rohrkörpers 35 vorgesehen sein können. In Abhängigkeit von der Anwendung der Erfindung und insbesondere der Anpassung des Rohrkörpers 35 an die Geometrie des Gefäßes, in welches das flüssige Gas eingeleitet werden soll, kann das axiale untere Ende des Rohrkörpers 35 geschlossen (Varianten A, B und C) oder mit einer axialen Öffnung 33 (Variante D) offen sein.
Gemäß Variante A ist eine Vielzahl kreis- oder ellipsenförmiger, radialer Öffnungen 34 vorgesehen, die in Umfangsrichtung verteilt am unteren Ende 32 des Rohrkörpers 35 in die Wand des Rohrkörpers eingebracht sind. Gemäß Variante B ist eine Perforation vorgesehen, die eine Vielzahl punktförmiger radialer Austrittsöffnungen 34 in einer oder mehreren Reihen umfasst. Einen besonders hohen Flüssigkeitsdurchtritt ermöglicht die Variante C, bei der die radialen Öffnungen 34 als rechteckige Fenster mit Zwischenstegen 36 gebildet sind. Schließlich zeigt Variante D die Kombination von schlitzförmigen radialen Öffnungen 34 mit der axialen Öffnung 33 am unteren Ende 32 des Rohrkörpers 35.
5 illustriert schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zuführung eines flüssigen Gases 1 von einem thermisch isolierten Speichertank 40 in ein Transportgefäß 10. Das flüssige Gas 1 (z. B. flüssiger Stickstoff oder Helium) wird in das Transportgefäß 10 umgefüllt („gehebert”). Das Transportgefäß 10 mit der erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung 30 ist bspw. so aufgebaut, wie es oben in 1 gezeigt ist. Der Speichertank 40 umfasst ein Kryostat-Gefäß mit einer vakuumisolierten Gefäßwand.
Das flüssige Gas 1 wird über die Transferleitung 20 (Heber), die eine flexible Rohrverbindung zwischen dem Speichertank 40 und dem Transportgefäß 10 umfasst, geleitet. Der Flüssigkeitstransport erfolgt unter der Wirkung des im Innenraum des Speichertanks 40 über dem flüssigen Gas gebildeten Dampfdrucks. Der Durchsatz durch die Transferleitung 20 ist mit dem Ventil 21 einstellbar.
Bei der Befüllung des zunächst noch auf Raumtemperatur befindlichen Transportgefäßes 10 strömt das flüssige Gas 1 über die Transferleitung 20 in die Aufnahmeleitung 30 und von deren unterem Ende 32 zum Boden des Transportgefäßes 10. Die offenen Enden 31, 32 des Rohrkörpers 35 ermöglichen einen Druckausgleich zwischen dem oberen Gasvolumen und dem Druck auf die bereits existierende Flüssigkeitssäule, so dass Turbulenzen in dem flüssigen Gas 1 minimiert oder vollständig unterdrückt werden.
Experimentelle Ergebnisse, die in 6 illustriert sind, haben mit einem 150 l – Testkryostaten ergeben, das bei Verwendung der erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung mehr als doppelt so viele Test- oder Zyklenszenarien durchgeführt werden können als ohne die Aufnahmeleitung. So zeigt 6 den Helium-Verbrauch V (He_liqu) für mehrere Versuchsreihen 1, 2, 3, ... (Abszisse) ohne (Kurve A) bzw. mit (Kurve B) der erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung. Lediglich bei der Erstabkühlung des Kryostaten wurde in beiden Fällen ein hoher Flüssigkeitsverbrauch gemessen. Bei der Entnahme und einem erneuten Eintauchen zusätzlicher Versuchsproben in dem bereits abgekühlten Behälter wurden zum Wiederabkühlen auf ein stabiles Temperaturniveau von 4,2 K (Temperatur des flüssigen Heliums) nur etwa 30 bis 40 l anstatt der herkömmlich erforderlichen 100 bis 110 l flüssigen Heliums benötigt. Vorteilhafterweise kann somit bei Verwendung der erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung für das Einfüllen von flüssigem Helium in einem Kryostaten mit einer hohen Zyklen- oder Versuchsanzahl eine Vorausreduzierung auf 30% bis 50% erzielt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung und den Zeichnungen erörterten sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können auf der Basis der unabhängigen Patentansprüche einzeln oder in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Vorrichtung zur Zuführung eines verflüssigten Gases in ein Gefäß (10), wobei – das verflüssigte Gas. durch eine Transferleitung (20) in das Gefäß (10) fließt, wobei – im Gefäß (10) eine Aufnahmeleitung (30) angeordnet ist, die ein oberes, offenes Ende (31) zur Einleitung des verflüssigten Gases über die Transferleitung (20) und ein unteres Ende (32) zum Austritt des verflüssigten Gases aufweist, wobei – die Aufnahmeleitung (30) in einer Gefäßöffnung (12) des Gefäßes (10) und/oder an einer Gefäßwand (11) des Gefäßes (10) lösbar derart befestigt ist, dass die Aufnahmeleitung (30) zur Zuführung des verflüssigten Gases verwendbar und danach entnehmbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der – am oberen Ende der Aufnahmeleitung (30) ein Druckausgleich zwischen einem Innenraum der Aufnahmeleitung (30) und einer Umgebung des Gefäßes (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei der – die Aufnahmeleitung (30) einen größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Transferleitung (20) aufweist und vorzugsweise die Transferleitung (20) in die Aufnahmeleitung (30) ragt.
Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei der – am unteren Ende (32) der Aufnahmeleitung (30) mindestens eine axiale Öffnung (33) vorgesehen ist, durch die das verflüssigte Gas in das Gefäß (10) austreten kann.
Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei der – am unterem Ende (32) der Aufnahmeleitung (30) mindestens eine radiale Öffnung (34) ist, durch die das verflüssigte Gas in das Gefäß (10) austreten kann.
Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei der – die Aufnahmeleitung (30) derart befestigt werden kann, dass sie auf dem Gefäßboden (13) aufsitzt oder mit einem Abstand vom Gefäßboden (13) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprüche bei der – die Aufnahmeleitung einen geraden Rohrkörper (35) umfasst, der sich in vertikaler Richtung im Gefäß (10) erstreckt.
Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei der – die Aufnahmeleitung aus einem Kunststoffmaterial oder Edelstahl gebildet ist.
Aufnahmeleitung (30) für die Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, die zur Zuführung von verflüssigtem Gas in ein Gefäß (10) eingerichtet ist, umfassend: – einen Rohrkörper (35) mit einem ersten Ende (31), das zur Einleitung des verflüssigten Gases vorgesehen ist, und einem zweiten Ende (32) das zum Austritt des verflüssigten Gases in das Gefäß (10) vorgesehen ist, wobei – der Rohrkörper (35) aus einem Kunststoffmaterial oder Edelstahl gebildet ist.
Aufnahmeleitung nach Anspruch 9, bei der – der Rohrkörper (35) aus glasfaserverstärktem Kunststoff, PTFE oder Polyimid gebildet ist.
Aufnahmeleitung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, bei der – der Rohrkörper (35) am unterem Ende mindestens eine axiale Öffnung (33) und/oder mindestens eine radiale Öffnung (34) aufweist.
Aufnahmeleitung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der – der Rohrkörper (35) mindestens eine Fixiereinrichtung (36, 37, 38, 39) zur Verbindung mit dem Gefäß (10) aufweist.
Gefäß, das zur Aufnahme eines verflüssigten Gases eingerichtet und mit mindestens einer Aufnahmeleitung (30) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 ausgestattet ist.
Gefäß nach Anspruch 13, bei dem – die Aufnahmeleitung (30) fest oder lösbar mit dem Gefäß verbunden ist.
Verfahren zur Zuführung eines verflüssigten Gases in ein Gefäß (10) mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem – das verflüssigte Gas durch die Aufnahmeleitung (30) in das Gefäß (10) fließt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem – das verflüssigte Gas mindestens eines. von Stickstoff, Edelgas, insbesondere Helium, und Sauerstoff umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, bei dem – nach der Zuführung der Flüssigkeit in den Gasbehälter die Aufnahmeleitung (30) aus dem Gefäß (10) entnommen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem – das Gefäß (10) einen Kryotank umfasst.