DE102020204186B4 - Mobile Verflüssigungsanlage zum Verflüssigen von Helium, zugehöriges System und zugehörige Verwendung des Systems - Google Patents

Mobile Verflüssigungsanlage zum Verflüssigen von Helium, zugehöriges System und zugehörige Verwendung des Systems Download PDF

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Abstract

Mobile Verflüssigungsanlage (7) zum Verflüssigen von Helium, umfassend- eine Verflüssigungseinrichtung (8) für die Verflüssigung von Helium,- einen Zwischenspeicher (9) für verflüssigtes Helium, und- eine Reinigungseinrichtung (29) für Helium, welche nicht-Helium-Bestandteile aus dem Helium durch Ausfrieren und/oder Sorption bei einer kryogenen Temperatur ≤ 100 K entfernt, und welche der Verflüssigungseinrichtung (8) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,dass die mobile Verflüssigungsanlage (7) weiterhin umfasst- eine Zusatz-Sammeleinrichtung (25) zum Auffangen von gasförmigem Helium, welches beim Auffüllen eines Anwendungskryostaten (4) mit flüssigem Helium verdampft, wobei die Zusatz-Sammeleinrichtung (25) einen Behälter (26) mit flexibler Wandung umfasst, in welchem das aufgefangene, gasförmige Helium näherungsweise bei Atmosphärendruck gespeichert werden kann,und wobei der Behälter (26) mit flexibler Wandung ein zur Verfügung stehendes Behältervolumen VOLB von wenigstens 5 m3, bevorzugt wenigstens 7,5 m3, besonders bevorzugt wenigstens 10 m3, ganz besonders bevorzugt wenigstens 15 m3, aufweist,und dass die mobile Verflüssigungsanlage (7) auf einem Transportrahmen angeordnet ist, der zur reversiblen Montage auf einem Lastkraftwagen oder einem für den Straßenverkehr tauglichen Anhänger (7a) für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mobile Verflüssigungsanlage zum Verflüssigen von Helium, umfassend
    • - eine Verflüssigungseinrichtung für die Verflüssigung von Helium,
    • - einen Zwischenspeicher für verflüssigtes Helium, und
    • - eine Reinigungseinrichtung für Helium, welche nicht-Helium-Bestandteile aus dem Helium durch Ausfrieren und/oder Sorption bei einer kryogenen Temperatur ≤ 100 K entfernt, und welche der Verflüssigungseinrichtung vorgeschaltet ist.
  • Eine solche mobile Verflüssigungsanlage ist bekannt geworden aus der InternetVeröffentlichung „Liquid Helium Plants and Helium Recovery Systems“ der Firma Cryomech, Syracruse, New York, US, vgl.
    https://www.cryomech.com/liauid-helium-plants/
    heruntergeladen am 24.03.2020.
  • In vielen Tieftemperaturanwendungen, insbesondere zur Kühlung supraleitender Magnete, wird flüssiges Helium benötigt. Helium wird als Nebenprodukt bei der Erdgasförderung oder aus heliumreichen Gasquellen („Heliumquellen“) gewonnen. Zwar ist Helium auch als Spurenelement in der Atmosphäre vorhanden, kann aber aus der Atmosphäre nicht wirtschaftlich gewonnen werden. Entsprechend ist Helium eine begrenzte Ressource.
  • Die Verfügbarkeit von Helium am Weltmarkt nimmt ab. Es wird erwartet, dass sich dieser Trend in Zukunft verstärken wird, vgl. Halperin, W. The impact of helium shortages on basic research. Nature Phys 10, 467-470 (2014), https://doi.org/10.1038/nphys3018. Die Preise für Helium steigen, was den Betrieb von Geräten, die Helium benötigen, verteuert; Versorgungsengpässe mit Helium können sogar dazu führen, dass Geräte, die Helium benötigen, stillgelegt werden müssen.
  • Bei vielen Anwendungen wird Helium in einem „offenen Kreislauf“ eingesetzt, wobei Helium in flüssiger Form zu einem Verbraucher geliefert wird, dort beispielsweise zur Kühlung eines Magneten verwendet wird, und in die Atmosphäre verdampft. Dieses Vorgehen trägt stark zur Verknappung von Helium bei.
  • Viele Verbraucher haben daher in die Heliumrückgewinnung investiert, wobei das verdampfte Helium aufgefangen wird, beispielsweise in einem Ballon, und mittels eines Kompressors in einen Hochdruckspeicher komprimiert wird. Diese Hochdruckspeicher können dann zu einer Verflüssigungsanlage eines externen Dienstleisters transportiert werden, wo das Helium verflüssigt wird, und das verflüssigte Helium wird zurück zum Verbraucher geliefert. Man beachte, dass während des Transports das flüssige Helium in der Regel kocht, wodurch je nach Entfernung ein erheblicher Anteil des flüssigen Heliums beim Transport verloren geht; zudem ist der Transport größerer Mengen an Helium (sei es flüssig oder in einem Hochdruckspeicher) aufwändig und auch gefährlich. In vielen Regionen der Welt gibt es keinen externen Dienstleister, der für eine solches Vorgehen ausreichend nahe am Verbraucher gelegen ist.
  • Manche Verbraucher kombinieren ihre Anlagen zur Heliumrückgewinnung mit einem stationären, lokalen Heliumverflüssiger. Bei Großverbrauchern (etwa einer Universität) können Verflüssiger nach dem Claude-Verfahren eingesetzt werden, die bei einer großen Verflüssigerleistung (ca.30 l/h und mehr) eine gute thermodynamische Effizienz aufweisen (meist um 1 kW/(l/h) oder noch weniger). Die Anlagen sind jedoch sehr teuer und können wegen ihrer großen Kapazität nur von Heliumgroßverbrauchern wirtschaftlich betrieben werden können. Entsprechende Anlagen werden beispielsweise von AirLiquide unter der Bezeichnung „HELIAL Helium Liquefiers“ angeboten, vgl. https://advancedtech.airliquide.com/helial-helium-liquefiers heruntergeladen am 24.03.2020.
  • Für kleinere Verbraucher kommen Heliumverflüssiger in Betracht, bei denen Helium mit ein Kryokühler (etwa einem Pulsrohrkühler) verflüssigt wird. Die Verflüssigungsleistung beträgt meist um 0,5-3,5 I/h, wobei die thermodynamische Effizienz deutlich weniger gut ist und meist bei 5-15 kW/(l/h) liegt. Die Firma Cryomech bietet entsprechende Verflüssigungsanlagen mit einem Pulsrohrkühler an, vgl. die eingangs erwähnte Internetveröffentlichung „Liquid Helium Plants and Helium Recovery Systems“ der Firma Cryomech. Ähnliche Verflüssigungsanlagen mit einem GM-Kühler sind aus der Internetveröffentlichung „Advanced Technology Liquefiers“ der Firma Quantum Design, Darmstadt, DE, bekannt geworden, vgl.
    https://ad-europe.com/de/de/produkt/krvotechnoloaie/
    heliumverfluessiaer/helium-verfluessiaer-advanced-technoloay-liguefier heruntergeladen am 24.03.2020. Die Verflüssigungsanlagen von Quantum Design werden zudem beschrieben in der Firmendruckschrift „ATL Take Control of your Helium Supply“, vgl.
    https://qd-europe.com/fiteadmin/Mediapool/products/atl/pdf/ATL.pdf
    heruntergeladen am 09.03.2020.
  • Der typische Heliumverbrauch einzelner Anwendungskryostaten, etwa dem Kryostaten eines NMR-Magneten, liegt im Normalbetrieb bei ca. 0,013-0,05 I (flüssig)/h; somit sind selbst die für kleinere Verbraucher konzipierten Heliumverflüssiger deutlich überdimensioniert, was diese Heliumverflüssiger für Kleinverbraucher nur wenig rentabel macht.
  • Beispielsweise aus der oben erwähnten Internetveröffentlichung „Liquid Helium Plants and Helium Recovery Systems“ von Cryomech oder der Internetveröffentlichung „Advanced Technology Liquefiers“ von Quantum Design, vgl. https://qd-europe.com/fiteadmin/Mediapoot/products/att/pdf/ATL_for_NMR.pdf heruntergeladen am 09.03.2020, ist es bekannt geworden, aus einem Anwendungskryostaten verdampfendes Helium mit einer lokalen Sammeleinrichtung aufzufangen, mit einem Kompressor zu komprimieren und in einem Druckgasspeicher zu speichern. Dabei kann ein Ballon-Speicher eingesetzt werden, mit welchem das verdampfte gasförmige Helium im Wesentlichen bei Atmosphärendruck zwischengelagert (gepuffert) wird, und sobald eine gewisse Menge an Heliumgas angefallen ist, wird der Kompressor aktiviert und das Helium in den Druckgasspeicher (meist einen Hochdruck-Druckgasspeicher) komprimiert; hierbei kann auch beim Befüllen des Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium verdampfendes, gasförmiges Helium aufgefangen werden, sofern der Ballonspeicher ausreichend groß ist. Es ist aber auch möglich, das gesammelte, verdampfte Helium mit einem Kompressor im Dauerbetrieb in einen Druckgasspeicher (meist einen Mitteldruck-Speicher) zu fördern; in diesem Fall kann beim Befüllen des Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium verdampfendes, gasförmiges Helium allenfalls zu einem kleinen Teil aufgefangen werden. Das im Druckgasspeicher gespeicherte Helium wird von Zeit zu Zeit mit einem Heliumverflüssiger verflüssigt und wieder in den Anwendungskryostaten eingefüllt; dabei ist eine Reinigungseinrichtung vorgeschaltet. Um das flüssige Helium im Laborgebäude vom Druckgasspeicher zum Anwendungskryostaten zu verbringen, ist der Heliumverflüssiger auf Rollen angeordnet. In der Bauform der Internetveröffentlichung „Liquid Helium Plants and Helium Recovery Systems“ von Cryomech ist auch die Reinigungseinrichtung auf Rollen angeordnet.
  • Ein lokaler, großer Ballon-Speicher ist teuer in der Anschaffung und benötigt zudem viel Platz im Laborgebäude. Wenn kein Ballon-Speicher eingesetzt wird, geht beim Auffüllen von flüssigem Helium viel Helium in die Atmosphäre verloren.
  • Es auch bekannt, einen Kryokühler direkt in einen Anwendungskryostaten zu integrieren, um den Heliumverbrauch zu minimieren. Dies ist jedoch thermodynamisch wenig effizient (bei ca. 30 kW/(l/h) oder noch mehr).
  • Die US 2013/0 291 585 A1 beschreibt eine stationäre Anlage zur Heliumverflüssigung.
  • Aus der GB 1 064 834 A ist eine Auffangeinrichtung für gasförmiges Helium mit einer elastischen Blase, einem Kompressor und Gaszylindern auf einem gemeinsamen, mobilen Rahmen bekannt geworden.
  • Die CN 201338724 Y beschreibt eine Vorrichtung zur mobilen Heliumversorgung, etwa für ein Luftschiff, die auf einem LKW angeordnet werden kann, mit einem Kompressor, einem Trockner und einem Druckspeicher für Helium.
  • Die US 2006/0156742 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines kryogenen Fluids. Das kryogene Fluid wird in flüssigem Zustand transportiert und kann flüssig oder gasförmig zur Verfügung gestellt werden. Die Vorrichtung kann mit einem LKW transportiert werden.
  • Die EP 0 520 937 A1 und die US 2009/0 199 579 A beschreiben Kühlstationen für mobile Heliumtanks.
  • Aus der DE 1 899 429 U1 ist eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Heliumgas bekannt geworden, mit der Heliumgas in einem Gasbehälter aufgefangen wird und mittels eines Kompressors in Hochdruckstahlflaschen komprimiert wird, wobei die Bauelemente der Anlage in einem gemeinsamen fahrbaren Rahmengestell angeordnet sind.
  • In der Internetveröffentlichung „Gassspeicherballone für Industrie, Forschung: Ballonbau Wörner“ vom 07.01.2017,
    https://web.archive.org/web/20170107200851/http://www. ballonbau.de/gasspeicherballone/
    sind Gasspeicherballone mit Volumen zwischen 0,5 m3 und 7500 m3 beschrieben. Ein solcher Gasspeicher kann in einem Rohrrahmen hängend an jedem beliebigen Ort innerhalb eines Gebäudes eingebaut werden.
  • Die DE 10 2004 005 305 A1 betrifft Verfahren zur Rückverflüssigung von Gasen. Insbesondere werden Rückverflüssigungsverfahren erwähnt, bei denen ein Wärmetauscher, ein Verdichter, ein Umgebungsluftkühler sowie eine Entspannungsmaschine eingesetzt werden.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, auf einfache und kostengünstige Weise die Rückgewinnung von Helium aus Anwendungskryostaten zu verbessern.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine mobile Verflüssigungsanlage der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
    dass die mobile Verflüssigungsanlage weiterhin umfasst
    • - eine Zusatz-Sammeleinrichtung zum Auffangen von gasförmigem Helium, welches beim Auffüllen eines Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium verdampft,
    wobei die Zusatz-Sammeleinrichtung einen Behälter mit flexibler Wandung umfasst, in welchem das aufgefangene, gasförmige Helium näherungsweise bei Atmosphärendruck gespeichert werden kann,
    und wobei der Behälter mit flexibler Wandung ein zur Verfügung stehendes Behältervolumen VOLB von wenigstens 5 m3 , bevorzugt wenigstens 7,5 m3, besonders bevorzugt wenigstens 10 m3, ganz besonders bevorzugt wenigstens 15 m3, aufweist,
    und dass die mobile Verflüssigungsanlage auf einem Transportrahmen angeordnet ist, der zur reversiblen Montage auf einem Lastkraftwagen oder einem für den Straßenverkehr tauglichen Anhänger für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
  • Im Rahmen der Erfindung umfasst eine mobile Verflüssigungsanlage sowohl die Verflüssigungseinrichtung für die Verflüssigung von gasförmigem Helium, den Zwischenspeicher (etwa einen Dewar) für verflüssigtes Helium und die Reinigungsvorrichtung für Helium, als auch die Zusatz-Sammeleinrichtung, mit der beim Auffüllen von flüssigem Helium abdampfendes gasförmiges Helium aufgefangen werden kann. Damit vereint die erfindungsgemäße, mobile Verflüssigungsanlage diejenigen Komponenten, die nur kurzzeitig während der Regeneration der lokalen Anwendungsanlage, also bei der Verflüssigung von lokal gespeichertem (im Normalbetrieb aufgefangenem) Helium und beim Wiedereinfüllen des verflüssigten Heliums in den oder die lokalen Anwendungskryostaten, benötigt werden. Entsprechend brauchen dann diese Komponenten nicht lokal am Anwendungsort durch die jeweilige lokale, stationäre Anwendungsanlage bereitgestellt werden. Dadurch wird die lokale Anwendungsanlage einfacher und kostengünstiger, und benötigt weniger Platz. Die lokale Anwendungsanlage muss lediglich dafür eingerichtet sein, das im Normalbetrieb verdampfende gasförmige Helium aufzufangen und zu speichern, was relativ einfach möglich ist, da in der Regel nur geringe Mengen an Helium (meist 0,05 I (flüssig)/h oder weniger je Anwendungskryostat) im Normalbetrieb verdampfen. Die mobile Verflüssigungsanlage kann bei verschiedenen, stationären Anwendungsanlagen nacheinander eingesetzt werden, wodurch die mobile Verflüssigungsanlage gut ausgelastet werden kann. Im Gegensatz dazu würden die zugehörigen Komponenten, wenn sie lokal bei (jeder) Anwendungsanlage angeschafft würden, in der Regel nur in geringem Maße ausgelastet werden können.
  • Die mobile Verflüssigungsanlage ist bevorzugt als Ganzes handhabbar und transportabel; alternativ ist es auch möglich, die mobile Verflüssigungsanlage an einem jeweiligen Anwendungsort aus mehreren einzeln transportablen Komponenten zusammenzusetzen. Sie verfügt über Anschlüsse für einen temporären Anschluss an eine lokale Quelle von gasförmigem oder überkritischem Helium (etwa einen Druckgasspeicher einer lokalen Anwendungsanlage, siehe unten), und weiterhin Anschlüsse für einen temporären Anschluss an einen lokalen Anwendungskryostaten, um diesen mit flüssigem Helium zu befüllen und bei der Befüllung (in größerer Menge) abdampfendes, gasförmiges Helium aufzufangen.
  • Der Zwischenspeicher kann in die Verflüssigungseinrichtung integriert sein, oder (bevorzugt) separat von der Verflüssigungseinrichtung ausgebildet sein. Die mobile Verflüssigungsanlage kann zusätzlich zum Zwischenspeicher über einen Hilfsspeicher für flüssiges Helium verfügen, insbesondere wobei der Hilfsspeicher in die Verflüssigungseinrichtung integriert ist und der Zwischenspeicher separat von der Verflüssigungseinrichtung ausgebildet ist. Der Zwischenspeicher und ggf. der Hilfsspeicher sind typischerweise als vakuumisolierte Behälter (Dewar) ausgeführt.
  • Die mobile Verflüssigungsanlage kann über eine eigene Stromversorgung zum Betrieb der Reinigungseinrichtung und der Verflüssigungseinrichtung verfügen, beispielsweise einen kraftstoffbetriebenen Generator. Unabhängig davon ist die mobile Verflüssigungsanlage bevorzugt auch für einen Betrieb mit einer externen Stromquelle eingerichtet. Insbesondere kann vorgesehen sein, die mobile Anwendungsanlage aus einem Bordnetz eines Lastkraftwagens oder Kraftfahrzeugs, mit dem die mobile Anwendungsanlage transportiert wird, mit elektrischem Strom zu versorgen.
  • Die mobile Verflüssigungsanlage kann eine oder mehrere Messvorrichtungen zur Bestimmung der Reinheit von Helium umfassen, bevorzugt wobei die Messvorrichtung(en) vor der Reinigungseinrichtung und/oder zwischen der Reinigungseinrichtung und der Verflüssigungseinrichtung installiert ist. Mit jeweils einer Messvorrichtung vor und hinter der Reinigungseinrichtung kann deren Funktion überwacht werden.
  • Die mobile Verflüssigungsanlage verfügt grundsätzlich über einen eigenen Verflüssiger-Kompressor, mit dem die Verflüssigungseinrichtung betrieben wird. Der Verflüssiger-Kompressor ist bevorzugt luftgekühlt, kann aber auch wassergekühlt ausgebildet sein. Die Verflüssigereinrichtung kann einen Kryokühler, beispielsweise einen GM-Kühler oder einen Pulsrohrkühler, umfassen, dessen Arbeitsgas mit dem Verflüssiger-Kompressor komprimiert wird. Alternativ kann auch der Verflüssiger-Kompressor dazu ausgebildet sein, das zu verflüssigende Helium zu komprimieren, um dieses an einer Kolbenmaschine oder einer Turbine Arbeit verrichten zu lassen, und nachfolgend an einem Joule-Thomson-Ventil zu expandieren.
  • Der Behälter mit flexibler Wandung („flexibler Behälter“) der mobilen Verflüssigungsanlage kann insbesondere als so genannter Ballon-Speicher ausgebildet sein. Der Druck im flexiblen Behälter beträgt typischerweise maximal 1,2 bar, meist maximal 1,1 bar; in der Regel liegt der Druck im flexiblen Behälter zwischen 0,9 und 1,2 bar. Abdampfendes Helium aus dem Anwendungskryostaten strömt direkt (ohne Zwischenschaltung eines Kompressors) in den Behälter ein, und entfaltet diesen beim Befüllen. Der flexible Behälter bzw. dessen Wandung kann mit einem oder mehreren Gewichten (etwa einem Gitter) beschwert sein, um der Entfaltung des Behälters eine Vorzugsrichtung zu geben; die Beschwerung erhöht den Druck im flexiblen Behälter geringfügig.
  • Die erfindungsgemäße mobile Verflüssigungsanlage ist auf einem Transportrahmen, insbesondere innerhalb eines ISO-Containers, angeordnet, der zur reversiblen Montage auf einem Lastkraftwagen oder einem für den Straßenverkehr tauglichen Anhänger für ein Kraft-fahrzeug ausgebildet ist. Dann kann die mobile Verflüssigungsanlage auf einfache und schnelle Weise am Anwendungsort mittels der Transportrahmens vom LKW oder Anhänger abgeladen werden, und nach Abschluss der Regeneration der lokalen Anwendungsanlage wieder auf einfache und schnelle Weise auf den LKW oder den Anhänger aufgeladen werden. Der LKW oder Anhänger braucht dann während der Regeneration nicht vor Ort zu bleiben, sondern kann an anderen Anwendungsorten eingesetzt werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mobilen Verflüssigungsanlage umfasst die mobile Verflüssigungsanlage weiterhin
    • - eine Temperiereinrichtung zur Erwärmung von aus einem Anwen-dungskryostaten abdampfendem, gasförmigem Helium auf wenigstens 10°C, bevorzugt auf Raumtemperatur,
    wobei die Temperiereinrichtung von der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage separat transportabel ist, und
    • - eine Überführungsleitung zum Überführen von erwärmtem, gasförmigem Helium von der Temperiereinrichtung zur Zusatz-Sammeleinrichtung. Die Temperiereinrichtung wird in unmittelbarer Nähe zum Anwendungskryostaten aufgestellt und mit diesem verbunden. Die Erwärmung des abgedampften Heliums mit der Temperiereinrichtung verhindert eine Kondenswasserbildung oder Eisbildung an der Außenseite der Überführungsleitung, und verhindert so eine unerwünschte (insbesondere unfallträchtige) Pfützenbildung entlang der Überführungsleitung, die oftmals über lange Strecken in Gebäuden am Anwendungsort führt. Die Überführungsleitung kann als Flachschlauch ausgebildet sein. Flachschläuche benötigen nur wenig Platz bei der Lagerung (was für eine mobile Einheit wichtig ist), und können trotz des geringen Lagerplatzbedarfs mit großen Querschnitten ausgeführt werden (was wichtig ist, um den Druckabfall zwischen dem Anwendungskryostaten und dem flexiblen Behälter in der mobilen Verflüssigungsanlage klein zu halten).
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Temperiereinrichtung als ein Wassertank ausgebildet, durch den eine Rohrschlage führt, durch die das zu erwärmende, gasförmige Helium geleitet werden kann. Diese Bauform der Temperiereinrichtung ist kostengünstig und einfach. Die Wärmekapazität des Wassertanks bzw. des enthaltenen Wassers (das typischerweise Raumtemperatur hat) kann die Kälte des abgedampften Heliums problemlos aufnehmen, ohne sich merklich abzukühlen. Der Wassertank hat typischerweise ein Volumen von wenigstens 50 Litern, meist wenigstens 100 Liter.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zusatz-Sammeleinrichtung weiterhin
    • - einen Zusatz-Kompressor zum Komprimieren des mit der Zusatz-Sammeleinrichtung aufgefangenen gasförmigen Heliums, und
    • - einen Zusatz-Druckgasspeicher für komprimiertes Helium. Mit dem Zusatz-Kompressor und dem Zusatz-Druckgasspeicher kann das mit der Zusatz-Sammeleinrichtung aufgefangene Helium schnell und auf platzsparende Weise gespeichert werden. Bei Bedarf kann die Befüllung des Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium kurzzeitig unterbrochen werden, um einen vollen flexiblen Behälter mit dem Zusatz-Kompressor zu leeren und so wieder Volumen für weiteres, verdampftes Helium freizumachen. Dadurch kann das Volumen VOLB des flexiblen Behälters reduziert werden. Der Zusatz-Druckgasspeicher ist typischerweise ein Hochdruckspeicher, ausgebildet für einen Gasdruck von bis zu wenigstens 180 bar, bevorzugt bis zu wenigstens 300 bar.
  • Alternativ ist es auch möglich, mit dem flexiblen Behälter aufgefangenes gasförmiges Helium direkt mit der Verflüssigungseinrichtung wieder zu verflüssigen und das verflüssigte Helium im Zwischenspeicher (oder auch einem Hilfsspeicher) zu speichern. Dies ist jedoch zeitaufwändiger als die Speicherung im Zusatz-Druckgasspeicher, da die Kompression in den Zusatz-Druckgasspeicher typischerweise schneller erfolgt als die Verflüssigung der gleichen Menge Helium.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Zusatz-Kompressor so dimensioniert ist, dass er das vollständig mit gasförmigem Helium gefüllte Behältervolumen VOLB bei Normaldruck innerhalb von 4 Stunden oder weniger, bevorzugt innerhalb von 2 Stunden oder weniger, in den Zusatz-Druckgasspeicher speichern kann. Dadurch ist es möglich, rasch nach Abschluss der Befüllung des (letzten) Anwendungskryostaten an einem Anwendungsort mit dem Abtransport der mobilen Verflüssigungsanlage zu beginnen, wenn der Transport der mobilen Verflüssigungsanlage nicht mit gefülltem flexiblem Behälter erfolgen soll.
  • Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der der Zwischenspeicher von der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage abtrennbar und separat transportierbar ist. Dadurch ist es möglich, den Zwischenspeicher nahe an den Anwendungskryostaten heran zu bringen, wenn letzterer mit dem verflüssigten Helium aus dem Zwischenspeicher befüllt werden soll. Die übrige mobile Verflüssigungsanlage verbleibt meist außerhalb des Gebäudes, in welchem der Anwendungskryostat am Anwendungsort aufgestellt ist.
  • Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die mobile Verflüssigungsanlage auf einem Lastkraftwagen oder einem für den Straßenverkehr tauglichen Anhänger für ein Kraftfahrzeug angeordnet ist. Dadurch ist die mobile Verflüssigungsanlage einfach und schnell transportabel. An ein Gebäude, in welchem die stationäre Anwendungsanlage an einem Anwendungsort untergebracht ist, kann mit einem LKW oder einem Anhänger in der Regel nahe herangefahren werden.
  • Erfindungsgemäße Systeme
  • In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein System zur Rückgewinnung und Verflüssigung von verdampftem Helium, umfassend
    • - eine Vielzahl von Anwendungsanlagen an verschiedenen, räumlich getrennten, festen Anwendungsorten, und
    • - eine mobile Verflüssigungsanlage zum Verflüssigen von Helium, umfassend
      • - eine Verflüssigungseinrichtung für die Verflüssigung von Helium,
      • - einen Zwischenspeicher für verflüssigtes Helium, und
      • - eine Reinigungseinrichtung für Helium, welche nicht-Helium-Bestandteile aus dem Helium durch Ausfrieren und/oder Sorption bei einer kryogenen Temperatur ≤ 100 K entfernt, und welche der Verflüssigungseinrichtung vorgeschaltet ist,
      • - eine Zusatz-Sammeleinrichtung zum Auffangen von gasförmigem Helium, welches beim Auffüllen eines Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium verdampft, wobei die Zusatz-Sammeleinrichtung einen Behälter mit flexibler Wandung umfasst, in welchem das aufgefangene, gasförmige Helium näherungsweise bei Atmosphärendruck gespeichert werden kann, und wobei der Behälter mit flexibler Wandung ein zur Verfügung stehendes Behältervolumen VOLB von wenigstens 5 m3, bevorzugt wenigstens 7,5 m3, besonders bevorzugt wenigstens 10 m3, ganz besonders bevorzugt wenigstens 15 m3, aufweist, insbesondere wobei die mobile Verflüssigungsanlage ausgebildet ist als eine erfindungsgemäße, oben beschriebene mobile Verflüssigungsanlage,
      wobei die Anwendungsanlagen an den festen Anwendungsorten jeweils umfassen
    • - mindestens einen Anwendungskryostaten enthaltend flüssiges Helium, und
    • - eine Sammeleinrichtung zum Auffangen von aus dem mindestens einen Anwendungskryostaten abdampfendem, gasförmigem Helium, wobei die Sammeleinrichtung einen Kompressor zum Komprimieren des mit der Sammeleinrichtung aufgefangenen gasförmigen Heliums und einen Druckgasspeicher für komprimiertes Helium umfasst. Im Rahmen der Erfindung kann mit der mobilen Verflüssigungsanlage eine Regeneration der Anwendungsanlagen an einer Vielzahl von Anwendungsorten auf einfache, an den Anwendungsorten platzsparende und kostengünstige Weise vorgenommen werden. Die verschiedenen Anwendungsorte liegen typischerweise mehrere Kilometer auseinander, z.B. wenigstens 5 km auseinander. Jede Anwendungsanalage bzw. deren Sammeleinrichtung verfügt über einen Kompressor und einen Druckgasspeicher, um abgedampftes Heliumgas in größerer Menge speichern zu können, so dass Regenerationen nur gelegentlich nötig sind.
  • Man beachte, dass die lokale Sammeleinrichtung einen lokalen Sammelbehälter mit flexibler Wandung („flexibler Sammelbehälter“) für die Zwischenspeicherung (Pufferung) von verdampftem Helium aufweisen kann, der dem Kompressor und dem Druckgasspeicher vorgeschaltet ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Kompressor (meist ein Mitteldruckkompressor und meist mit Drehzahlregelung, insbesondere um den Druck am Ausgang des Anwendungskryostaten konstant zu halten) direkt und kontinuierlich verdampftes Helium in den Druckgasspeicher (meist einen Mitteldruck-Druckgasspeicher) komprimiert. Weiter alternativ kann vorgesehen sein, dass ein Vor-Kompressor (meist Mitteldruck-Vor-Kompressor und meist mit Drehzahlregelung, insbesondere um den Druck am Ausgang des Anwendungskryostaten konstant zu halten) der Sammeleinrichtung direkt und kontinuierlich verdampftes Helium in einem Vor-Druckgasspeicher (meist Mitteldruck-Vor-Druckgasspeicher) der Sammeleinrichtung speichert, wobei der Kompressor (meist ein Hochdruck-Kompressor) und der Druckgasspeicher (meist Hochdruck-Druckgasspeicher) dem Vor-Kompressor und Vor-Druckgasspeicher nachgeschaltet sind, und wobei der Kompressor nur gelegentlich aktiviert wird, um den Vor-Druckgasspeicher zu leeren und dessen Helium in den Druckgasspeicher zu komprimieren.
  • Die Anwendungsanlagen bzw. die Sammeleinrichtungen an den Anwendungsorten sind bevorzugt jeweils so ausgebildet, dass an einem Ausgang des Verbrauchers/Anwendungskryostaten ein konstanter Druck eingestellt ist, insbesondere wobei dieser konstante Druck über dem Atmosphärendruck liegt; dies kann über eine Druckregeleinrichtung oder einen Ballon-Speicher (flexiblen Sammelbehälter) als puffernde Gassammeleinrichtung eingerichtet werden. Für den Kompressor oder Vor-Kompressor zum Komprimieren des abgedampften Heliumgases ist bevorzugt eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen, welche sicherstellt, dass der Saugdruck des Kompressors nicht direkt am Anwendungskryostaten anliegt. Insbesondere kann die Sicherheitseinrichtung so ausgebildet sein, dass sie den Kompressor abschaltet, wenn der Ballon-Speicher (flexibler Sammelbehälter) leer ist, oder wenn der Saugdruck unter einen gewissen Schwellwert abfällt. Ebenso kann ein Bypass vom Druckgasspeicher (etwa Hochdruck-Druckgasspeicher) zur Kompressor-Saugseite vorgesehen sein, durch den sichergestellt wird, dass der saugseitige Druck nie zu tief werden kann.
  • Der Anwendungskryostat kann insbesondere Teil eines NMR-Magneten sein.
  • Typischerweise sind die Sammeleinrichtungen des/der Anwendungskryostaten lediglich zum Auffangen des im Normalbetrieb (steady state Betrieb) des/der Anwendungskryostaten verdampfenden Heliums ausgebildet, beispielsweise für einen He-Gasfluss, der dem Äquivalent von 0,2 I (flüssig)/h oder weniger, meist 0,1 I (flüssig)/h oder weniger, entspricht, und insbesondere nicht für das Auffangen des beim Befüllen des Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium verdampfenden, gasförmigen Heliums. Falls die Sammeleinrichtungen einen lokalen, flexiblen Sammelbehälter für gasförmiges Helium mit flexibler Wandung zur Zwischenspeicherung (Pufferung) von gasförmigem Helium näherungsweise unter Atmosphärendruck aufweist, so ist dieser typischerweise mit einem geringen Speichervolumen VOLS von beispielsweise 2000 Liter oder weniger, meist 1000 Liter oder weniger, oder auch 200 Liter oder weniger, ausgestattet. Insbesondere gilt meist VOLB≥5*VOLS, und oft auch VOLB≥10*VOLS.
  • Der Druckgasspeicher ist typischerweise ein Hochdruckspeicher, ausgebildet für einen Gasdruck von bis zu wenigstens 180 bar, bevorzugt bis zu wenigstens 300 bar.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist die Sammeleinrichtung einer jeweiligen Anwendungsanlage so ausgebildet, dass
    1. a) aus dem mindestens einen Anwendungskryostaten abdampfendes, gasförmiges Helium direkt dem Kompressor zugeführt wird, oder
    2. b) aus dem mindestens einen Anwendungskryostaten abdampfendes, gasförmiges Helium direkt einem Vor-Kompressor zugeführt wird, der das gasförmige Helium vorkomprimiert und in einem Vor-Druckgasspeicher speichert, und der Kompressor und der Druckgasspeicher dem Vor-Kompressor und dem Vor-Druckgasspeicher nachgeschaltet sind, oder
    3. c) dass aus dem mindestens einen Anwendungskryostaten abdampfendes, gasförmiges Helium einem lokalen Sammelbehälter mit flexibler Wandung zugeführt wird, in welchem das aufgefangene, gasförmige Helium näherungsweise bei Atmosphärendruck gespeichert werden kann, wobei der lokale Sammelbehälter mit flexibler Wandung ein zur Verfügung stehendes Behältervolumen VOLS von maximal 2 m3, bevorzugt maximal 1 m3, besonders bevorzugt maximal 200 Liter, aufweist. In dieser Ausführungsform weisen die Anwendungsanlagen bzw. die jeweiligen Sammeleinrichtungen einen besonders einfachen und platzsparenden Aufbau auf. Die jeweilige Sammeleinrichtung ist für das Auffangen von abdampfendem Helium aus dem Normalbetrieb (z.B. bis maximal 0,2 I/h in flüssigem Zustand) ausreichend eingerichtet; für große, in kurzer Zeit anfallende Mengen an gasförmigem Helium (wie sie beim Auffüllen des Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium frei werden) ist die Sammeleinrichtung nicht eingerichtet, was sehr kostengünstig ist und Platz spart. Zum Auffangen der großen, in kurzer Zeit freiwerdenden Menge an gasförmigem Helium beim Auffüllen des Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium ist die mobile Verflüssigungsanlage mit ihrer Zusatz-Sammeleinrichtung vorgesehen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist der Druckgasspeicher von der übrigen Anwendungsanlage abtrennbar und separat transportierbar. Dann kann der Druckgasspeicher nahe an die Reinigungseinrichtung und die Verflüssigungseinrichtung der mobilen Verflüssigungsanlage (die meist vor einem Gebäude, in welchem die Anwendungsanlage angeordnet ist, abgestellt wird) herangebracht werden, wenn das Gas aus dem Druckgasspeicher verflüssigt werden soll. Dadurch können lange Gasleitungen in Gebäuden vermieden werden.
  • Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform, bei der die Anwendungsanlagen weiterhin jeweils umfassen
    • - eine fernauslesbare Überwachungseinrichtung zur Überwachung einer aufgelaufenen, mit der Sammeleinrichtung der jeweiligen Anwendungsanlage aufgefangene Heliummenge und/oder zur Überwachung des Füllstands an flüssigem Helium in dem mindestens einen Anwendungskryostaten der Anwendungsanlage.
  • Die aufgelaufene Heliummenge kann zum Beispiel über den Druck im Druckgasspeicher (bei bekanntem Druckgasspeicher-Volumen) gemessen werden. Mit der Überwachungseinrichtung kann ein „Regenerationsbedarf“ (also ein Bedarf nach Rückverflüssigung des aufgelaufenen Heliums und Zurückführung in den Anwendungskryostaten) erkannt werden. Zusätzlich kann beispielsweise bei einem Missverhältnis von Füllstandsänderung im Anwendungskryostaten und auflaufender aufgefangener Heliummenge ein Heliumleck oder eine Lufteinsaugung erkannt werden.
  • Erfindungsgemäße Verwendungen des Systems
  • In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Systems zur Rückgewinnung und Verflüssigung von verdampftem Helium,
    wobei die mobile Verflüssigungsanlage mittels eines Kraftfahrzeugs, ins-besondere mittels eines Lastkraftwagens, zwischen den verschiedenen, räumlich getrennten, festen Anwendungsorten der Vielzahl von Anwendungsanlagen verbracht wird,
    und wobei an einem jeweiligen Anwendungsort mittels der mobilen Verflüssigungsanlage von der Sammeleinrichtung der jeweiligen Anwendungsanlage aufgefangenes gasförmiges Helium
    • - mit der Reinigungseinrichtung von nicht-Helium-Bestandteilen entreichert wird,
    • - mittels der Verflüssigungseinrichtung verflüssigt und im Zwischenspeicher gesammelt wird, und
    • - vom Zwischenspeicher in den mindestens einen Anwendungskryostaten gefüllt wird,
    wobei das beim Befüllen des mindestens einen Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium verdampfende, gasförmige Helium mit der Zusatz-Sammeleinrichtung der mobilen Verflüssigungsanlage aufgefangen wird. Im Rahmen der Erfindung wird mit derselben mobilen Verflüssigungsanlage das über die Zeit angesammelte, abgedampfte Helium an verschiedenen Anwendungsorten nacheinander rückverflüssigt. Dies ist einfach, am jeweiligen Anwendungsort platzsparend und kostengünstig. Das Verbringen der mobilen Verflüssigungsanlage erfolgt typischerweise über das Straßennetz, etwa mit einem Lastkraftwagen oder mit einem straßentauglichen Anhänger eines Kraftfahrzeugs. Typischerweise verbleibt die mobile Verflüssigungsanlage maximal 15 Tage an einem Anwendungsort, meist maximal 8 Tage an einem Anwendungsort, bevor sie den nächsten Anwendungsort aufsucht. Bei besonders leistungsfähigen mobilen Verflüssigungsanlagen oder Anwendungsanlagen mit nur kleinem Heliuminventar verbleibt die mobile Verflüssigungsanlage meist lediglich 1 bis 2 Tage an einem Anwendungsort.
  • Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Verwendung in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage mit einer Temperiereinrichtung und einer Überführungsleitung sieht vor, dass das beim Befüllen des mindestens einen Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium verdampfende, gasförmige Helium zunächst der Temperiereinrichtung zugeführt wird, die separat von der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage zum Anwendungskryostaten verbracht und mit dem Anwendungskryostaten verbunden wurde, und dass das mit der Temperiereinrichtung erwärmte, gasförmige Helium mit der Überführungsleitung zur Zusatz-Sammeleinrichtung geleitet wird. Mit der Temperiereinrichtung wird sichergestellt, dass nur wenig oder kein Kondenswasser oder Eis an der Überführungsleitung gebildet wird, und so die Bildung von unfallträchtigen Wasserpfützen insbesondere in Gebäuden vermieden wird.
  • Bevorzugt ist auch eine Variante, die vorsieht,
    dass zu einem jeweiligen Anwendungsort mit der mobilen Verflüssigungsanlage eine Zusatz-Menge an Helium mitgebracht wird,
    und dass beim Befüllen des mindestens einen Anwendungskryostaten an dem Anwendungsort diese Zusatz-Menge an Helium zusätzlich zu dem aus der Sammeleinrichtung der Anwendungsanlage an dem Anwendungsort erhaltenen Helium in verflüssigter Form in den mindestens einen Anwendungskryostaten gefüllt wird. Dadurch können insbesondere (nicht aufgefangene) Verluste an Helium aus dem laufenden Betrieb der Anwendungsanlage auf einfache Weise ausgeglichen werden.
  • Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Variante wird die beim Befüllen des mindestens einen Anwendungskryostaten an diesem Anwendungsort verdampfende, mit der Zusatz-Sammeleinrichtung aufgefangene Heliummenge mit der mobilen Verflüssigungsanlage von dem Anwendungsort weggebracht,
    wobei die zusätzlich eingefüllte Zusatz-Menge an Helium und die mit der Zusatz-Sammeleinrichtung aufgefangene Heliummenge näherungsweise gleich groß sind. Dadurch wird sichergestellt, dass die Anwendungsanlage näherungsweise die vor der Regeneration bei ihr vorhandene Heliummenge behält, ohne dass nach dem Befüllen des Anwendungskryostaten mit flüssigem Helium (bei der die mobile Verflüssigungsanlage das abdampfende Helium auffängt) eine „Rückgabe“ des aufgefangenen Heliums an die Anwendungsanlage nötig ist. Dadurch kann die Regeneration besonders schnell erfolgen. Typischerweise unterscheiden sich die Zusatz-Menge und die mit der Zusatz-Sammeleinrichtung aufgefangene Heliummenge um maximal 20%, bezogen auf die Zusatz-Menge. Die Zusatz-Menge kann etwas größer sein als die aufgefangene Heliummenge, um verbleibende (nicht rückgewinnbare) Helium-Verluste aus dem Betrieb des Anwendungskryostaten auszugleichen.
  • Bevorzugt ist auch eine Variante in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage mit Zusatz-Kompressor und Zusatz-Druckgasspeicher, bei der das mit der Zusatz-Sammeleinrichtung aufgefangene, gasförmige Helium mit dem Zusatz-Kompressor komprimiert und im Zusatz-Druckgasspeicher gespeichert wird. Dadurch genügt meist ein kleineres Volumen VOLB des flexiblen Behälters, und auch größere Mengen an Helium können vergleichsweise sicher mit der mobilen Verflüssigungsanlage gehandhabt bzw. transportiert werden.
  • Vorteilhaft ist zudem eine Variante in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage mit Zusatz-Kompressor und Zusatz-Druckgasspeicher, die vorsieht, dass während des Verbringens der mobilen Verflüssigungsanlage von einem Anwendungsort zu einem anderen Anwendungsort in der mobilen Verflüssigungsanlage Helium vorgehalten wird, das ausschließlich im Zusatz-Druckgasspeicher vorliegt, nicht aber in flüssiger Form in der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage. Dadurch wird der Transport der mobilen Verflüssigungsanlage sicherer, und Verluste durch abdampfendes Helium während des Transports werden minimiert.
  • Vorteilhaft ist eine Variante in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage mit einem Zusatz-Kompressor und einem Zusatz-Druckgasspeicher, bei der während des Verbringens der mobilen Verflüssigungsanlage von einem Anwendungsort zu einem anderen Anwendungsort Helium aus dem Zusatz-Druckgasspeicher mit der Verflüssigungseinrichtung verflüssigt und im Zwischenspeicher oder einem Hilfsspeicher der mobilen Verflüssigungsanlage gesammelt wird. Dadurch kann die Betriebsbereitschaft der mobilen Verflüssigungsanlage verbessert werden, bzw. die Zeit des Transports genutzt werden. Die mobile Verflüssigungsanlage wird dabei typischerweise aus dem Bordnetz eines Lastkraftwagens oder Kraftfahrzeugs, mit dem die mobile Verflüssigungsanlage transportiert wird, oder mit einer eigenen Energiequelle mit Betriebsstrom versorgt.
  • Bevorzugt ist auch eine Variante der erfindungsgemäßen Verwendung in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage mit abtrennbarem Zwischenspeicher, die vorsieht, dass an einem jeweiligen Anwendungsort nach dem Verflüssigen des von der Sammeleinrichtung der jeweiligen Anwendungsanlage aufgefangenen gasförmigen Heliums mit der Verflüssigungseinrichtung und Sammeln des verflüssigten Heliums im Zwischenspeicher der Zwischenspeicher von der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage abgetrennt wird und an den mindestens einen Anwendungskryostaten heran transportiert und mit dem mindestens einen Anwendungskryostaten verbunden wird. Dadurch können kalte Schlauchleitungen von der mobilen Verflüssigungsanlage zum Anwendungskryostaten vermieden oder minimiert werden. Der Zwischenspeicher kann für seinen separaten Transport mit Rollen ausgestattet sein, oder mit einem Hubwagen transportiert werden.
  • Vorteilhaft ist eine Variante in Verbindung mit einem System mit abtrennbaren Druckgasspeichern der Anwendungsanlagen, bei der an einem jeweiligen Anwendungsort vor dem Beginn der Entreicherung des von der Sammeleinrichtung der jeweiligen Anwendungsanlage aufgefangenen Heliums von nicht-Helium-Bestandteilen der Druckgasspeicher von der übrigen Anwendungsanlage abgetrennt wird und an die mobile Verflüssigungsanlage heran transportiert wird und mit der mobilen Verflüssigungsanlage verbunden wird. Dadurch können lange Gasleitungen von der Sammeleinrichtung zur mobilen Verflüssigungsanlage vermieden oder minimiert werden. Der Druckgasspeicher kann insbesondere mit einem Hubwagen transportiert werden.
  • Bevorzugt ist zudem eine Variante in Verbindung mit einem System mit fernauslesbarer Überwachungseinrichtung an den Anwendungsanlagen, die vorsieht, dass die mobile Verflüssigungsanlage dann zu einer Anwendungsanlage an einem Anwendungsort verbracht wird, wenn mit der dortigen fernauslesbaren Überwachungseinrichtung festgestellt wurde, dass die mit der Sammeleinrichtung der dortigen Anwendungsanlage aufgefangene, aufgelaufene Heliummenge einen ersten Grenzwert übersteigt und/oder der Füllstand an flüssigem Helium in dem mindestens einen Anwendungskryostaten der dortigen Anwendungsanlage einen zweiten Grenzwert unterschreitet. Die mobile Verflüssigungsanlage kann dann zielgerichtet entsprechend dem Regenerationsbedarf der Anwendungsanlagen eingesetzt werden.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt beispielhaft eine schematische Übersicht über ein erfindungsgemäßes System zur Rückgewinnung und Verflüssigung von Helium;
    • 2 zeigt beispielhaft schematisch eine stationäre Anwendungsanlage und eine mobile Verflüssigungsanlage beim Verflüssigen von Helium aus einem ortsfesten Druckgasspeicher der lokalen Sammeleinrichtung, für die Erfindung;
    • 3 zeigt beispielhaft schematisch eine stationäre Anwendungsanlage und eine mobile Verflüssigungsanlage beim Verflüssigen von Helium aus einem abgetrennten Druckgasspeicher der lokalen Sammeleinrichtung, für die Erfindung;
    • 4 zeigt beispielhaft schematisch eine stationäre Anwendungsanlage und eine mobile Verflüssigungsanlage beim Befüllen eines lokalen Anwendungskryostaten der stationären Anwendungsanlage mit flüssigem Helium, mit einem abgetrennten Zwischenspeicher der mobilen Verflüssigungsanlage, für die Erfindung;
    • 5 zeigt beispielhaft schematisch eine stationäre Anwendungsanlage und eine mobile Verflüssigungsanlage beim Befüllen eines lokalen Anwendungskryostaten der stationären Anwendungsanlage mit flüssigem Helium, mit einem abgetrennten Zwischenspeicher der mobilen Verflüssigungsanlage, und mit einer Temperiereinrichtung für mit der Zusatz-Sammeleinrichtung der mobilen Verflüssigungsanlage aufgefangenes gasförmiges Helium, für die Erfindung;
    • 6 zeigt beispielhaft schematisch eine alternative Bauform einer stationären Anwendungsanlage, für die Erfindung.
  • Die 1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein beispielhaftes erfindungsgemäßes System 1 zur Rückgewinnung und Verflüssigung von Helium.
  • Das System 1 umfasst an einer Vielzahl von Anwendungsorten 2a, 2b, 2c jeweils eine stationäre Anwendungsanlage 3a, 3b, 3c, wobei hier beispielhaft drei Anwendungsorte 2a-2c illustriert sind. Jede Anwendungsanlage 3a, 3b, 3c umfasst zumindest einen Anwendungskryostaten 4 und eine Sammeleinrichtung 5 zum Auffangen von aus dem Anwendungskryostaten 4 abdampfendem, gasförmigem Helium. Jede Sammeleinrichtung 5 umfasst zumindest einen Druckgasspeicher 6, in welchem das verdampfte Helium lokal gespeichert wird.
  • Das System 1 umfasst weiterhin eine mobile Verflüssigungsanlage 7. Die mobile Verflüssigungsanlage 7 umfasst zumindest eine Verflüssigungseinrichtung 8 für die Verflüssigung von gasförmigem bzw. überkritischem Helium, eine vorgeschaltete Reinigungseinrichtung für Helium (nicht dargestellt in 1-4, vgl. aber 5 hierzu), einen Zwischenspeicher 9 für verflüssigtes Helium sowie eine Zusatz-Sammeleinrichtung zum Auffangen von gasförmigem Helium einschließlich eines Behälters mit flexibler Wandung (nicht dargestellt in 1-4, vgl. aber 5 hierzu).
  • Mit der mobilen Verflüssigungsanlage 7 werden die verschiedenen Anwendungsorte 2a-2c in zeitlicher Folge abgefahren, beispielsweise zyklisch; hierzu kann die mobile Verflüssigungsanlage 7 auf einem Lastkraftwagen angeordnet werden (nicht näher dargestellt), oder auch wie hier dargestellt auf einem straßentauglichen Anhänger 7a, der mit einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) gezogen wird. Falls die mobile Verflüssigungsanlage 7 am jeweiligen Anwendungsort 2a-2c von Anhänger 7a abgehoben werden soll, kann die mobile Verflüssigungsanlage 7 einen Transportrahmen zur reversiblen Montage auf dem Anhänger 7a ausbilden (nicht näher dargestellt). An einem jeweiligen Anwendungsort 2a-2c verbleibt die mobile Verflüssigungsanlage 7 für eine gewisse Zeit, meist zwischen 1 bis 2 Tage oder auch bis zu 8 Tagen und in manchen Fällen auch bis zu 15 Tagen, um das im lokalen Druckgasspeicher 6 angesammelte Helium zu verflüssigen und wieder in den (oder die) Anwendungskryostaten 4 der stationären Anwendungsanlage 3a-3c zurückzufüllen („Regeneration“). Nach Abschluss einer jeweiligen Regeneration fährt die mobile Verflüssigungsanlage 7 zum nächsten Anwendungsort 2a-2c, um die dortige Anwendungsanlage 3a-3c zu regenerieren.
  • Wenn eine mobile Verflüssigungsanlage 7 an einem Anwendungsort angekommen ist, wird wie in 2 dargestellt, der lokale Druckgasspeicher 6 mit der mobilen Verflüssigungsanlage 7 verbunden, um das im Druckgasspeicher 6 gesammelte Helium zu verflüssigen. Meist bleibt die mobile Verflüssigungsanlage 7 vor einem Gebäude stehen, in welchem die stationäre Anwendungsanlage 3a angeordnet ist, und es wird eine Gasleitung (Schlauchleitung) vom Druckgasspeicher 6 durch das Gebäude zur mobilen Verflüssigungsanlage 7 gelegt. Das vom Druckgasspeicher 6 ankommende Helium durchläuft auf der mobilen Verflüssigungsanlage 7 zunächst die Reinigungseinrichtung (nicht näher dargestellt) und gelangt dann zur Verflüssigungseinrichtung 8, in der das Helium verflüssigt wird. Die mobile Verflüssigungsanlage 7 verfügt über einen eigenen Verflüssiger-Kompressor 8a, mit dem je nach Bauform ein Kryokühler der Verflüssigungseinrichtung 8 betrieben werden kann, oder auch das zu verflüssigende Helium komprimiert werden kann. Bevorzugt ist der Verflüssiger-Kompressor 8a luftgekühlt, er kann aber auch wassergekühlt ausgebildet sein. Das verflüssigte Helium wird im Zwischenspeicher 9 gesammelt, der typischerweise als ein Dewar-Gefäß ausgebildet ist. Man beachte, dass in die Verflüssiger-Einrichtung 8 ein Hilfsspeicher 8b integriert sein kann, in welchem ebenfalls flüssiges Helium angesammelt werden kann (für eine spätere Überführung in den Zwischenspeicher 9, insbesondere wenn der Zwischenspeicher 9 wie hier abtrennbar ausgebildet ist).
  • In 2 ist zudem eine beispielhafte Bauform einer stationären Anwendungsanlage 3a für die Erfindung gezeigt, die hier einen Anwendungskryostaten 4 (hier ein supraleitender NMR-Magnet), eine Sammeleinrichtung 5 für Helium sowie eine fernauslesbare Überwachungseinrichtung 10 umfasst.
  • Die Sammeleinrichtung 5 verfügt hier über einen lokalen Sammelbehälter 11 mit flexibler Wandung, in dem aus dem Anwendungskryostaten 4 abgedampftes Helium unter Atmosphärendruck (ca. 1 bar) gespeichert werden kann. Das maximale Auffangvolumen VOLS des lokalen Sammelbehälters 11 ist relativ klein, meist 200 Liter oder weniger, da es lediglich zum Auffangen von abdampfendem Helium im Normalbetrieb dienen muss. Mit einem Volumensensor 12 wird festgestellt, wenn der Sammelbehälter 11 (nahezu) voll ist, woraufhin ein Kompressor 13 (hier ein Hochdruck-Kompressor) aktiviert wird, der das im Sammelbehälter 11 befindliche Helium in den Druckgasspeicher 6 (hier ein Hochdruck-Druckgasspeicher mit einem Maximaldruck von z.B. 200 bar) komprimiert. Je nach maximalem Auffangvolumen VOLS des Sammelbehälters 11 und der Abdampfrate des oder der Anwendungskryostaten 4 wird der Kompressor 13 meist 1-2 Mal am Tag oder 1-3 Mal die Woche aktiviert.
  • Mit der fernauslesbaren Überwachungseinrichtung 10 wird hier ein Füllstandssensor 14 am Anwendungskryostaten 4 ausgelesen, der den Stand an flüssigem Helium im Anwendungskryostaten 4 misst, und weiterhin ein Drucksensor 15 am Druckgasspeicher 6 ausgelesen. Die Messergebnisse können an den Disponenten der mobilen Verflüssigungsanlage 7 übermittelt werden, der die mobile Verflüssigungsanlage 7 für eine Regeneration der Anwendungsanlage 3a zu dieser schickt, wenn der Füllstand im Anwendungskryostaten 4 zu niedrig wird und/oder der Gasdruck im Druckgasspeicher 6 zu hoch wird.
  • Um den Aufwand bei der Verlegung von Gasleitungen bei der Regeneration zu vermindern, kann wie in 3 dargestellt, vorgesehen sein, den Druckgasspeicher 6 von der Sammeleinrichtung 5 der stationären Anwendungsanlage 3a abtrennbar und transportabel auszubilden. In der gezeigten Variante verfügt der Druckgasspeicher 6 über einen Rolluntersatz 16, mit dem der Druckgasspeicher 6 von der Sammeleinrichtung 5 nahe zur mobilen Verflüssigungsanlage 7 verbracht werden kann, insbesondere durch manuelles Schieben. Dann ist nur eine sehr kurze Gasleitung 17 nötig, um die Verflüssigungseinrichtung 8 mit dem zu verflüssigenden Helium zu beschicken.
  • Nachdem das Helium aus dem Druckgasspeicher 6 mit der mobilen Verflüssigungsanlage 7 gereinigt und verflüssigt wurde, und das flüssige Helium im Zwischenspeicher 9 zwischengespeichert wurde, wird nun das flüssige Helium zurück in den Anwendungskryostaten 4 der stationären Anwendungsanlage 3a gefüllt, wie in 4 illustriert. Um lange kalte Schlauchleitungen für tiefkaltes, flüssiges Helium zu vermeiden, kann dazu der Zwischenspeicher 9 von der mobilen Verflüssigungsanlage 7 abgetrennt werden und nahe an den Anwendungskryostaten 4 verbracht werden. In der gezeigten Variante verfügt der Zwischenspeicher 9 über einen Rolluntersatz 19, auf welchem der Zwischenspeicher 9 leicht manuell geschoben werden kann. Der Zwischenspeicher 9 wird mit einer kurzen, meist vakuumisolierten Transferleitung 18 an den Anwendungskryostaten 4 angeschlossen.
  • Die 5 zeigt den Aufbau an der stationären Anwendungsanlage 3a und an der mobilen Verflüssigungsanlage 7 für das Auffüllen des flüssigen Heliums am Anwendungskryostaten 4 etwas ausführlicher.
  • Während aus dem Zwischenspeicher 9 flüssiges Helium in den Anwendungskryostaten 4 zurückgefüllt wird, führt der Wärmeeintrag ins flüssigen Helium zumindest an der Transferleitung 18 zur Verdampfung von Helium, also zur Bildung einer großen Menge von gasförmigem Helium, welches an einem Ausgang 20 des Anwendungskryostaten 4 anfällt. Da diese Menge an gasförmigem Helium für den stationären, flexiblen Sammelbehälter 11 der Sammeleinrichtung 5 zu groß ist, erfolgt das Auffangen dieses gasförmigen Heliums über die mobile Verflüssigungsanlage 7.
  • Zu diesem Zweck wird das Absperrventil 21 zur Sammeleinrichtung 5 geschlossen, und das Absperrventil 22 geöffnet, an welchem die mobile Verflüssigungsanlage 7 angeschlossen ist. Direkt hinter dem Absperrventil 22 ist eine Temperiereinrichtung 23 angeschlossen, mit der das abdampfende, kalte Heliumgas auf näherungsweise Raumtemperatur erwärmt wird.
  • Die Temperiereinrichtung 23 ist hier mit einem Wassertank 23a ausgebildet, der mit Wasser (in der Regel Leitungswasser) auf Raumtemperatur gefüllt ist. Eine Rohrschlange 23b, in der das Heliumgas geführt ist, führt durch den Wassertank 23a, wodurch das Heliumgas an der Innenwand der Rohrschlange 23b erwärmt wird. Dadurch bleibt die hinter der Temperiereinrichtung 23 angeschlossene Überführungsleitung 24 für das Heliumgas (bevorzugt ein Flachschlauch) näherungsweise auf Raumtemperatur, so dass sich an dieser kein oder nur wenig Kondenswasser und auch kein Eis bildet. Die Temperiereinrichtung 23 und die Überführungsleitung 24 gehören zur mobilen Verflüssigungsanlage 7, wobei die Temperiereinrichtung in nicht näher dargestellter Weise, etwa mittels Rollen, separat transportabel ist.
  • Die Überführungsleitung 24 führt zu einer Zusatz-Sammeleinrichtung 25 für gasförmiges Helium der mobilen Verflüssigungsanlage 7. Diese verfügt über einen Behälter 26 mit flexibler Wandung („flexibler Behälter“), der ein maximales Auffangvolumen VOLB von wenigstens 5 m3, und meist wenigstens 15 m3, aufweist. In diesem kann das beim Auffüllen des flüssigen Heliums am Anwendungskryostaten 4 freigesetzte gasförmige Helium näherungsweise bei Atmosphärendruck gesammelt werden, insbesondere auch in einer größeren Menge. Die Zusatz-Sammeleinrichtung 25 verfügt hier auch über einen Zusatz-Kompressor 27 (hier einen Hochdruck-Zusatzkompressor) und einen Zusatz-Druckgasspeicher 28 (hier Hochdruck-Druckgasspeicher), mit denen aufgefangenes gasförmiges Helium auf der mobilen Verflüssigungsanlage 7 komprimiert und platzsparend gespeichert werden kann. Helium aus dem Zusatz-Druckgasspeicher 28 kann in der Reinigungseinrichtung 29 gereinigt und in der Verflüssigungseinrichtung 8 verflüssigt werden und in einem integrierten Hilfsspeicher 8b oder im Zwischenspeicher 9 gespeichert werden (sobald der Zwischenspeicher 9 wieder an der mobilen Verflüssigungsanlage 7 angeordnet ist, nicht dargestellt in 5, vgl. aber hierzu z.B. 2).
  • Der Zusatz-Druckgasspeicher 28 kann dazu verwendet werden, auf einfache und vergleichsweise ungefährliche und verlustarme Weise eine Zusatz-Menge an Helium zu einer stationären Anwendungsanlage 3a mit der mobilen Verflüssigungsanlage 7 mitzubringen. Die im Zusatz-Druckspeicher 28 enthaltene Zusatz-Menge an Helium kann zusammen mit dem lokal gesammelten Helium aus dem lokalen Druckspeicher 6 in der Verflüssigungseinrichtung 8 verflüssigt werden, und anschließend mit in den Anwendungskryostaten 4 eingefüllt werden. Dadurch können Heliumverluste aus dem laufenden Betrieb ausgeglichen werden (wobei diese aber meist gering sind). Vor allem aber kann mit der mitgebrachten Zusatz-Menge an Helium die mit der Zusatz-Sammeleinrichtung aufgefangene Menge an gasförmigem Helium ausgeglichen werden, die beim Auffüllen des flüssigen Heliums in den Anwendungskryostaten 4 verdampft ist und mit der mobilen Verflüssigungsanlage 7 aufgefangen wurde. Entsprechend ist eine Rückgabe dieses aufgefangenen Heliums an den Betreiber der Anwendungsanlage 3a nicht mehr nötig, so dass die Regeneration insgesamt besonders schnell und bezüglich der Heliummenge gerecht abgewickelt werden kann.
  • In der gezeigten Bauform verfügt die mobile Verflüssigungsanlage 7 auch über eine eigene Stromversorgung 30 (etwa einen kraftstoffbetriebenen Generator), mit dem insbesondere die Reinigungseinrichtung 29, die Verflüssigungseinrichtung 8 einschließlich Verflüssiger-Kompressor 8a, der Zusatz-Kompressor 27 und der Zusatz-Druckgasspeicher 28 autark betrieben werden können, insbesondere auch während eines Transports der mobilen Verflüssigungsanlage 7.
  • Die Reinigungseinrichtung 29 verfügt typischerweise über eine tiefkalte Oberfläche, die auf eine kryogene Temperatur unter 100 K, meist um 30-80 K gekühlt ist („Stickstofffalle“), und die insbesondere mit Aktivkohle vergrößert werden kann. In der Reinigungseinrichtung 29 werden Verunreinigungen sorbiert und/oder ausgefroren, wodurch ein hochreines Helium, meist mit einer Reinheit von 99,99% oder besser, erhalten werden kann. Bevorzugt verfügt die Reinigungseinrichtung 29 über zwei Reinigungseinheiten, die parallel geschaltet sind, so dass jeweils eine Reinigungseinheit ausgeheizt werden kann, wodurch sorbierte und/oder ausgefrorene Verunreinigungen aus der Reinigungseinheit entfernt werden können, ohne den Reinigungsbetrieb unterbrechen zu müssen (nicht näher dargestellt).
  • Die 6 zeigt eine andere Bauform einer stationären Anwendungsanlage 3a für die Erfindung, bei der die Sammeleinrichtung 5 mit einem Vor-Kompressor 31, hier einem Mitteldruck-Vor-Kompressor, und einem Vor-Druckgasspeicher 32, hier einem Mitteldruck-Vor-Druckgasspeicher, ausgebildet ist. Der Vor-Kompressor 31 ist direkt am Ausgang 20 des Anwendungskryostaten 4 angeschlossen. Mit dem Vor-Kompressor 31 kann im Normalbetrieb verdampftes Helium komprimiert und in den Vor-Druckgasspeicher 32 gefördert werden. Um sicherzustellen, dass am Anwendungskryostaten 4 nicht der Saugdruck des Vor-Kompressors 31 anliegt, ist ein Drucksensor 33 in der Gasleitung vom Anwendungskryostaten 4 vorgesehen, und bei Feststellung eines Unterdrucks (Druck kleiner 1 bar) am Drucksensor 33 wird ein nachfolgendes Absperrventil 34 automatisch geschlossen.
  • Der Mitteldruck-Vor-Druckgasspeicher und der Mitteldruck-Vor-Kompressor sind typischerweise für einen Maximaldruck von 25 bar oder weniger, oder auch für einen Maximaldruck von 15 bar oder weniger, und oft für einen Maximaldruck zwischen 8 und 12 bar ausgelegt. Sobald der Maximaldruck (oder ein etwas darunter liegender, vorgesehener Grenzdruck) im Vor-Druckgasspeicher 32 erreicht ist, was mit dem Drucksensor 35 festgestellt werden kann, wird der Kompressor 13 aktiviert und das im Vor-Druckgasspeicher 32 enthaltene Helium mittels des Kompressors 13 (Hochdruck-Kompressor) in den Druckgasspeicher 6 (Hochdruck-Druckgasspeicher) gefördert.
  • Man beachte, dass in einer weiteren Ausführungsform der Ausgang 20 des Anwendungskryostaten 4 auch einstufig auf den Kompressor 13 gelegt sein kann, ohne Vor-Kompressor und Vor-Druckgasspeicher.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    System
    2a-2c
    Anwendungsort
    3a-3c
    stationäre Anwendungsanlage
    4
    Anwendungskryostat
    5
    Sammeleinrichtung
    6
    Druckgasspeicher
    7
    mobile Verflüssigungsanlage
    7a
    Anhänger
    8
    Verflüssigungseinrichtung
    8a
    Verflüssiger-Kompressor
    8b
    Hilfsspeicher
    9
    Zwischenspeicher
    10
    fernauslesbare Überwachungseinrichtung
    11
    lokaler Sammelbehälter mit flexibler Wandung
    12
    Volumensensor
    13
    Kompressor
    14
    Füllstandssensor
    15
    Drucksensor
    16
    Rollwagen
    17
    Gasleitung
    18
    Transferleitung
    19
    Rollwagen
    20
    Ausgang
    21
    Absperrventil
    22
    Absperrventil
    23
    Temperiereinrichtung
    23a
    Wassertank
    23b
    Rohrschlange
    24
    Überführungsleitung
    25
    Zusatz-Sammeleinrichtung
    26
    Behälter mit flexibler Wandung (flexibler Behälter)
    27
    Zusatz-Kompressor
    28
    Zusatz-Druckgasspeicher
    29
    Reinigungseinrichtung
    30
    eigene Stromversorgung (Stromgenerator)
    31
    Vor-Kompressor
    32
    Vor-Druckgasspeicher
    33
    Drucksensor
    34
    Absperrventil
    35
    Drucksensor

Claims (22)

  1. Mobile Verflüssigungsanlage (7) zum Verflüssigen von Helium, umfassend - eine Verflüssigungseinrichtung (8) für die Verflüssigung von Helium, - einen Zwischenspeicher (9) für verflüssigtes Helium, und - eine Reinigungseinrichtung (29) für Helium, welche nicht-Helium-Bestandteile aus dem Helium durch Ausfrieren und/oder Sorption bei einer kryogenen Temperatur ≤ 100 K entfernt, und welche der Verflüssigungseinrichtung (8) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Verflüssigungsanlage (7) weiterhin umfasst - eine Zusatz-Sammeleinrichtung (25) zum Auffangen von gasförmigem Helium, welches beim Auffüllen eines Anwendungskryostaten (4) mit flüssigem Helium verdampft, wobei die Zusatz-Sammeleinrichtung (25) einen Behälter (26) mit flexibler Wandung umfasst, in welchem das aufgefangene, gasförmige Helium näherungsweise bei Atmosphärendruck gespeichert werden kann, und wobei der Behälter (26) mit flexibler Wandung ein zur Verfügung stehendes Behältervolumen VOLB von wenigstens 5 m3, bevorzugt wenigstens 7,5 m3, besonders bevorzugt wenigstens 10 m3, ganz besonders bevorzugt wenigstens 15 m3, aufweist, und dass die mobile Verflüssigungsanlage (7) auf einem Transportrahmen angeordnet ist, der zur reversiblen Montage auf einem Lastkraftwagen oder einem für den Straßenverkehr tauglichen Anhänger (7a) für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
  2. Mobile Verflüssigungsanlage (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Verflüssigungsanlage (7) weiterhin umfasst - eine Temperiereinrichtung (23) zur Erwärmung von aus einem Anwendungskryostaten (4) abdampfendem, gasförmigem Helium auf wenigstens 10°C, bevorzugt auf Raumtemperatur, wobei die Temperiereinrichtung (23) von der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage (7) separat transportabel ist, und - eine Überführungsleitung (24) zum Überführen von erwärmtem, gasförmigem Helium von der Temperiereinrichtung (23) zur Zusatz-Sammeleinrichtung (25).
  3. Mobile Verflüssigungsanlage (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (23) als ein Wassertank (23a) ausgebildet ist, durch den eine Rohrschlage (23b) führt, durch die das zu erwärmende, gasförmige Helium geleitet werden kann.
  4. Mobile Verflüssigungsanlage (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatz-Sammeleinrichtung (25) weiterhin umfasst - einen Zusatz-Kompressor (27) zum Komprimieren des mit der Zusatz-Sammeleinrichtung (25) aufgefangenen gasförmigen Heliums, und - einen Zusatz-Druckgasspeicher (28) für komprimiertes Helium.
  5. Mobile Verflüssigungsanlage (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz-Kompressor (28) so dimensioniert ist, dass er das vollständig mit gasförmigem Helium gefüllte Behältervolumen VOLB bei Normaldruck innerhalb von 4 Stunden oder weniger, bevorzugt innerhalb von 2 Stunden oder weniger, in den Zusatz-Druckgasspeicher (28) speichern kann.
  6. Mobile Verflüssigungsanlage (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (9) von der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage (7) abtrennbar und separat transportierbar ist.
  7. Mobile Verflüssigungsanlage (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Verflüssigungsanlage (7) auf einem Lastkraftwagen oder einem für den Straßenverkehr tauglichen Anhänger (7a) für ein Kraftfahrzeug angeordnet ist.
  8. Mobile Verflüssigungsanlage (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Verflüssigungsanlage (7) auf dem Transportrahmen innerhalb eines ISO-Containers angeordnet ist.
  9. System (1) zur Rückgewinnung und Verflüssigung von verdampftem Helium, umfassend - eine Vielzahl von Anwendungsanlagen (3a-3c) an verschiedenen, räumlich getrennten, festen Anwendungsorten (2a-2c), und - eine mobile Verflüssigungsanlage (7) zum Verflüssigen von Helium, umfassend - eine Verflüssigungseinrichtung (8) für die Verflüssigung von Helium, - einen Zwischenspeicher (9) für verflüssigtes Helium, und - eine Reinigungseinrichtung (29) für Helium, welche nicht-Helium-Bestandteile aus dem Helium durch Ausfrieren und/oder Sorption bei einer kryogenen Temperatur ≤ 100 K entfernt, und welche der Verflüssigungseinrichtung (8) vorgeschaltet ist, - eine Zusatz-Sammeleinrichtung (25) zum Auffangen von gasförmigem Helium, welches beim Auffüllen eines Anwendungskryostaten (4) mit flüssigem Helium verdampft, wobei die Zusatz-Sammeleinrichtung (25) einen Behälter (26) mit flexibler Wandung umfasst, in welchem das aufgefangene, gasförmige Helium näherungsweise bei Atmosphärendruck gespeichert werden kann, und wobei der Behälter (26) mit flexibler Wandung ein zur Verfügung stehendes Behältervolumen VOLB von wenigstens 5 m3 , bevorzugt wenigstens 7,5 m3, besonders bevorzugt wenigstens 10 m3, ganz besonders bevorzugt wenigstens 15 m3, aufweist, wobei die Anwendungsanlagen (3a-3c) an den festen Anwendungsorten (2a-2c) jeweils umfassen - mindestens einen Anwendungskryostaten (4) enthaltend flüssiges Helium, und - eine Sammeleinrichtung (5) zum Auffangen von aus dem mindestens einen Anwendungskryostaten (4) abdampfendem, gasförmigem Helium, wobei die Sammeleinrichtung (5) einen Kompressor (13) zum Komprimieren des mit der Sammeleinrichtung (5) aufgefangenen gasförmigen Heliums und einen Druckgasspeicher (6) für komprimiertes Helium umfasst.
  10. System (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeleinrichtung (5) einer jeweiligen Anwendungsanlage (3a-3c) so ausgebildet ist, dass a) aus dem mindestens einen Anwendungskryostaten (4) abdampfendes, gasförmiges Helium direkt dem Kompressor (13) zugeführt wird, oder b) aus dem mindestens einen Anwendungskryostaten (4) abdampfendes, gasförmiges Helium direkt einem Vor-Kompressor (31) zugeführt wird, der das gasförmige Helium vorkomprimiert und in einem Vor-Druckgasspeicher (32) speichert, und der Kompressor (13) und der Druckgasspeicher (6) dem Vor-Kompressor (31) und dem Vor-Druckgasspeicher (32) nachgeschaltet sind, oder c) dass aus dem mindestens einen Anwendungskryostaten (4) abdampfendes, gasförmiges Helium einem lokalen Sammelbehälter (11) mit flexibler Wandung zugeführt wird, in welchem das aufgefangene, gasförmige Helium näherungsweise bei Atmosphärendruck gespeichert werden kann, wobei der lokale Sammelbehälter (11) mit flexibler Wandung ein zur Verfügung stehendes Behältervolumen VOLS von maximal 2 m3, bevorzugt maximal 1 m3, besonders bevorzugt maximal 200 Liter, aufweist.
  11. System (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasspeicher (6) von der übrigen Anwendungsanlage (3a-3c) abtrennbar und separat transportierbar ist.
  12. System (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendungsanlagen (3a-3c) weiterhin jeweils umfassen - eine fernauslesbare Überwachungseinrichtung (10) zur Überwachung einer aufgelaufenen, mit der Sammeleinrichtung (5) der jeweiligen Anwendungsanlage (3a-3c) aufgefangene Heliummenge und/oder zur Überwachung des Füllstands an flüssigem Helium in dem mindestens einen Anwendungskryostaten (4) der Anwendungsanlage (3a-3c).
  13. Verwendung eines Systems (1) zur Rückgewinnung und Verflüssigung von verdampftem Helium nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die mobile Verflüssigungsanlage (7) mittels eines Kraftfahrzeugs, insbesondere mittels eines Lastkraftwagens, zwischen den verschiedenen, räumlich getrennten, festen Anwendungsorten (2a-2c) der Vielzahl von Anwendungsanlagen (3a-3c) verbracht wird, und wobei an einem jeweiligen Anwendungsort (2a-2c) mittels der mobilen Verflüssigungsanlage (7) von der Sammeleinrichtung (5) der jeweiligen Anwendungsanlage (3a-3c) aufgefangenes gasförmiges Helium - mit der Reinigungseinrichtung (29) von nicht-Helium-Bestandteilen entreichert wird, - mittels der Verflüssigungseinrichtung (8) verflüssigt und im Zwischenspeicher (9) gesammelt wird, und - vom Zwischenspeicher (9) in den mindestens einen Anwendungskryostaten (4) gefüllt wird, wobei das beim Befüllen des mindestens einen Anwendungskryostaten (4) mit flüssigem Helium verdampfende, gasförmige Helium mit der Zusatz-Sammeleinrichtung (25) der mobilen Verflüssigungsanlage (7) aufgefangen wird.
  14. Verwendung nach Anspruch 13 in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage (7) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das beim Befüllen des mindestens einen Anwendungskryostaten (4) mit flüssigem Helium verdampfende, gasförmige Helium zunächst der Temperiereinrichtung (23) zugeführt wird, die separat von der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage (7) zum Anwendungskryostaten (4) verbracht und mit dem Anwendungskryostaten (4) verbunden wurde, und dass das mit der Temperiereinrichtung (23) erwärmte, gasförmige Helium mit der Überführungsleitung (24) zur Zusatz-Sammeleinrichtung (25) geleitet wird.
  15. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem jeweiligen Anwendungsort (2a-2c) mit der mobilen Verflüssigungsanlage (7) eine Zusatz-Menge an Helium mitgebracht wird, und dass beim Befüllen des mindestens einen Anwendungskryostaten (4) an dem Anwendungsort (2a-2c) diese Zusatz-Menge an Helium zusätzlich zu dem aus der Sammeleinrichtung (5) der Anwendungsanlage (3a-3c) an dem Anwendungsort (2a-2c) erhaltenen Helium in verflüssigter Form in den mindestens einen Anwendungskryostaten (4) gefüllt wird.
  16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Befüllen des mindestens einen Anwendungskryostaten (4) an diesem Anwendungsort (2a-2c) verdampfende, mit der Zusatz-Sammeleinrichtung (25) aufgefangene Heliummenge mit der mobilen Verflüssigungsanlage (7) von dem Anwendungsort (2a-2c) weggebracht wird, wobei die zusätzlich eingefüllte Zusatz-Menge an Helium und die mit der Zusatz-Sammeleinrichtung (25) aufgefangene Heliummenge näherungsweise gleich groß sind.
  17. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 16 in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage (7) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Zusatz-Sammeleinrichtung (25) aufgefangene, gasförmige Helium mit dem Zusatz-Kompressor (27) komprimiert und im Zusatz-Druckgasspeicher (28) gespeichert wird.
  18. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 17 in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage (7) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verbringens der mobilen Verflüssigungsanlage (7) von einem Anwendungsort (2a-2c) zu einem anderen Anwendungsort (2a-2c) in der mobilen Verflüssigungsanlage (7) Helium vorgehalten wird, das ausschließlich im Zusatz-Druckgasspeicher (28) vorliegt, nicht aber in flüssiger Form in der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage (7).
  19. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 17 in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage (7) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verbringens der mobilen Verflüssigungsanlage (7) von einem Anwendungsort (2a-2c) zu einem anderen Anwendungsort (2a-2c) Helium aus dem Zusatz-Druckgasspeicher (28) mit der Verflüssigungseinrichtung (8) verflüssigt und im Zwischenspeicher (9) oder einem Hilfsspeicher (8b) der mobilen Verflüssigungsanlage (7) gesammelt wird.
  20. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 19 in Verbindung mit einer mobilen Verflüssigungsanlage (7) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einem jeweiligen Anwendungsort (2a-2c) nach dem Verflüssigen des von der Sammeleinrichtung (5) der jeweiligen Anwendungsanlage (3a-3c) aufgefangenen gasförmigen Heliums mit der Verflüssigungseinrichtung (8) und Sammeln des verflüssigten Heliums im Zwischenspeicher (9) der Zwischenspeicher (9) von der übrigen mobilen Verflüssigungsanlage (7) abgetrennt wird und an den mindestens einen Anwendungskryostaten (4) heran transportiert und mit dem mindestens einen Anwendungskryostaten (4) verbunden wird.
  21. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 20 in Verbindung mit einem System (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an einem jeweiligen Anwendungsort (2a-2c) vor dem Beginn der Entreicherung des von der Sammeleinrichtung (5) der jeweiligen Anwendungsanlage (3a-3c) aufgefangenen Heliums von nicht-Helium-Bestandteilen der Druckgasspeicher (6) von der übrigen Anwendungsanlage (3a-3c) abgetrennt wird und an die mobile Verflüssigungsanlage (7) heran transportiert wird und mit der mobilen Verflüssigungsanlage (7) verbunden wird.
  22. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 21 in Verbindung mit einem System (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Verflüssigungsanlage (7) dann zu einer Anwendungsanlage (3a-3c) an einem Anwendungsort (2a-2c) verbracht wird, wenn mit der dortigen fernauslesbaren Überwachungseinrichtung (10) festgestellt wurde, dass die mit der Sammeleinrichtung (5) der dortigen Anwendungsanlage (3a-3c) aufgefangene, aufgelaufene Heliummenge einen ersten Grenzwert übersteigt und/oder der Füllstand an flüssigem Helium in dem mindestens einen Anwendungskryostaten (4) der dortigen Anwendungsanlage (3a-3c) einen zweiten Grenzwert unterschreitet.
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