DE102021004390B4

DE102021004390B4 - System for a cryogenic cycle system operated with a liquid refrigerant and method for operating such a system

Info

Publication number: DE102021004390B4
Application number: DE102021004390.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schütz; Gerold Bergmann
Original assignee: Korex Verfahrenstechnik GmbH
Current assignee: Korex Verfahrenstechnik GmbH
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2041-08-28
Also published as: DE102021004390A1

Abstract

System für eine mit einem flüssigen Kälteträger betriebene Tiefkältekreislaufanlage zum Abscheiden von Gasen aus dem Kälteträger, welches einen in einen flüssigkeitsseitigen und einen atmosphärenseitigen Raum unterteilten Expansions- und Entgasungsbehälter aufweist, wobei im flüssigkeitsseitigen Raum der Kälteträger und im atmosphärenseitigen Raum Luft unter Atmosphärendruck aufnehmbar und beide Räume mittels einer flüssigkeits- und gasdichten Membran voneinander getrennt sind, welche derart flexibel ist, dass bei gefülltem Zustand der flüssigkeitsseitige Raum den Expansions- und Entgasungsbehälter nahezu ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Expansions- und Entgasungsbehälter eine thermische Vorentgasungseinheit vorgeschaltet ist, welche den Kälteträger vor dessen Eintritt in den flüssigkeitsseitigen Raum des Expansions- und Entgasungsbehälters mittels einer Heizeinrichtung derart vorwärmt, dass eine voreinstellbare Mindesttemperatur des Kälteträgers an seinem Eintritt in den Expansions- und Entgasungsbehälter nicht unterschritten wird.System for a cryogenic cycle system operated with a liquid refrigerant for separating gases from the refrigerant, which has an expansion and degassing container divided into a liquid-side and an atmosphere-side space, the refrigerant being absorbed in the liquid-side space and air under atmospheric pressure being absorbed in the atmosphere-side space and both spaces are separated from each other by means of a liquid-tight and gas-tight membrane, which is so flexible that when filled, the liquid-side space almost fills the expansion and degassing container, characterized in that the expansion and degassing container is preceded by a thermal pre-degassing unit, which supplies the coolant whose entry into the liquid-side space of the expansion and degassing container is preheated by means of a heating device in such a way that a presettable minimum temperature of the coolant at its entry into the expansion and degassing container is not fallen below.

Description

Die Erfindung betrifft ein System für eine mit einem flüssigen Kälteträger betriebene Tiefkältekreisanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems. Kernstück eines derartigen Systems für eine Tiefkältekreislaufanlage ist ein Expansions- und Entgasungsbehälter, mittels welchem Gase aus dem Kälteträger abgeschieden werden.The invention relates to a system for a cryogenic circuit system operated with a liquid refrigerant and to a method for operating such a system. The core of such a system for a cryogenic cycle system is an expansion and degassing tank, by means of which gases are separated from the refrigerant.

Expansions- und Entgasungsbehälter für Heizungsanlagen, welche auch als Ausdehnungs- und Entgasungsvorrichtungen bezeichnet werden, sind bekannt. Diese werden an ein Kreislaufsystem, insbesondere an ein Heizkreislaufsystem, angeschlossen, in welchem eine Umlaufflüssigkeit, in Form beispielsweise einer Heizflüssigkeit, im Kreislauf gefördert wird und dabei Druck- und Volumenveränderungen erfährt.Expansion and degassing tanks for heating systems, which are also referred to as expansion and degassing devices, are known. These are connected to a circulation system, in particular to a heating circuit system, in which a circulating fluid, in the form of a heating fluid, for example, is conveyed in the circuit and thereby experiences pressure and volume changes.

Eine derartige bekannte Ausdehnungs- und Entgasungsvorrichtung weist einen geschlossenen Ausdehnungs- und Entgasungsbehälter auf, welcher über eine Druckhaltepumpe mit einer ersten Stelle und über ein Überströmventil mit einer zweiten Stelle der im Kreislauf geförderten Heizflüssigkeit verbunden ist. Die bekannte Expansions- und Entgasungsvorrichtung weist ein Entlüftungs- und Sicherheitsventil, eine Einrichtung zum Zuführung von Auffüllflüssigkeit sowie eine weitere Einrichtung zum Abbau eines Unterdrucks, falls dieser einen zu niedrigen Wert annehmen sollte, in Form eines Sicherheitsventils in der Art eines Vakuumbrechers auf. Wenn das Sicherheitsventil geöffnet ist, strömt ein Druckmedium in die Ausdehnungs- und Entgasungsvorrichtung ein. Zum Auffüllen von Auffüllflüssigkeit ist eine geschlossene Zuführleitung vorgesehen, an deren Anfang ein Systemtrenner und an deren Endbereich die Zuführleitung druckdicht durch den Behälterdeckel des Behälters hindurchgeführt ist. Sollte in der Zuführleitung eine kritische Druckerhöhung auftreten, öffnet der Systemtrenner einen Förderweg, der sozusagen in einem Bypass an dem Ausdehnungs- und Entgasungsbehälter vorbeiführt. Zusätzlich steht das Sicherheitsventil mit einem Druckbehälter in Verbindung, in welchem sich ein unter Druck stehendes Inertgas befindet. Nachteilig für ein derartiges System ist, dass ein Behälter mit einem Inertgas und das von der Heizflüssigkeit verschiedene Inertgas selbst vorgesehen sein müssen, um ein zuverlässiges Funktionieren zu gewährleisten. Zusätzlich gestaltet sich der Steuerungsaufwand für die zahlreichen Ventile recht kompliziert. Derartige Expansions- und Entgasungsvorrichtungen sind daher für Tiefkältekreisläufe nicht geeignet.Such a known expansion and degassing device has a closed expansion and degassing container, which is connected via a pressure maintaining pump to a first point and via an overflow valve to a second point of the heating fluid conveyed in the circuit. The known expansion and degassing device has a venting and safety valve, a device for supplying filling liquid and a further device for reducing a negative pressure if it should assume a value that is too low, in the form of a safety valve in the manner of a vacuum breaker. When the safety valve is open, a pressure medium flows into the expansion and degassing device. To fill up the filling liquid, a closed supply line is provided, at the beginning of which there is a system separator and at the end of which the supply line is passed through the container lid of the container in a pressure-tight manner. Should a critical increase in pressure occur in the supply line, the system separator opens a conveying path that leads past the expansion and degassing tank in a bypass, so to speak. In addition, the safety valve is connected to a pressure vessel in which there is an inert gas under pressure. The disadvantage of such a system is that a container with an inert gas and the inert gas itself, which is different from the heating liquid, must be provided in order to ensure reliable functioning. In addition, the control effort for the numerous valves is quite complicated. Such expansion and degassing devices are therefore not suitable for cryogenic circuits.

Des Weiteren sind Expansions- und Entgasungsvorrichtungen wiederum im Wesentlichen für Heizungsanlagen bekannt, welche gegenüber den zuvor beschriebenen Expansions- und Entgasungsvorrichtungen den Vorteil aufweisen, dass ein zusätzliches Inertgas und die entsprechenden Einrichtungen für ein derartiges Inertgas nicht mehr erforderlich sind, welche aber dennoch eine sichere Trennung zwischen der Heizflüssigkeit und der Umgebungsluft gewährleisten, und zwar ohne dass bei Vorhandensein eines Unterdruckes eine Implosionsgefahr der Expansions- und Entgasungsvorrichtung und, im Falle eines Überdruckes, eine Explosionsgefahr derselben besteht.Furthermore, expansion and degassing devices are essentially known for heating systems, which have the advantage over the previously described expansion and degassing devices that an additional inert gas and the corresponding devices for such an inert gas are no longer required, but which still provide a secure separation between the heating liquid and the ambient air, without there being a risk of implosion of the expansion and degassing device in the presence of negative pressure and, in the case of excess pressure, a risk of explosion of the same.

Der prinzipielle Aufbau einer solchen Expansions- und Entgasungsvorrichtung, wenn auch vorrangig für eine Heizungsanlage angewendet, besteht nun gegenüber den zuvor beschriebenen bekannten Expansions- und Entgasungsvorrichtungen darin, dass diese in zwei Räume unterteilt ist, wobei einer der Räume ein flüssigkeitsseitiger Raum und der andere ein atmosphärenseitiger Räum ist. Im flüssigkeitsseitigen Raum befindet sich Heizungsflüssigkeit bzw. kann Heizungsflüssigkeit aufgenommen werden, welche aus der Heizungsanlage stammt. Im atmosphärenseitigen Raum wird Luft unter Atmosphärendruck aufgenommen. Beide Räume sind durch eine als flexible Membran ausgebildete Trenneinrichtung voneinander getrennt, wobei die Trenneinrichtung ein gegenüber dem flüssigkeitsseitigen Raum abgeschlossenes Innenvolumen aufweist. Im gefüllten Zustand weist die Trenneinrichtung eine Größe auf, dass der Expansions- und Entgasungsbehälter der Vorrichtung in seinem Inneren mit der Trenneinrichtung nahezu ausgefüllt sein kann und dass die Membran flüssigkeitsdicht und luftdicht ausgebildet ist. Wenn also der Expansions- und Entgasungsbehälter nahezu mit Heizflüssigkeit gefüllt ist, wird sämtliche Luft aus dem Innenraum bzw. Innenvolumen der Trenneinrichtung herausgedrückt, und die Trenneinrichtung im Inneren des Behälters wird durch die Heizflüssigkeit so zusammengedrückt, dass die Membran, welche sozusagen als Lungensack funktioniert, mit ihren Seitenwänden aufeinander gedrückt wird und in einen Zustand gebracht wird, in welchem das Innenvolumen der Trenneinrichtung gegen Null geht. Bei einer Nahezu-Entleerung des Expansions- und Entgasungsbehälters, bei welchem sich allenfalls geringe Mengen an Heizflüssigkeit im Behälter befinden, ist die flexible Membran mit atmosphärischer Luft gefüllt, und zwar derart, dass sich die Wandungen der flexiblen Membran im Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters an dessen Innenwände formkonform anlegen. Dadurch wird der Innenraum des Expansions- und Entgasungsbehälters nahezu komplett mit Luft gefüllt, ohne dass diese Luft mit der auf der Außenseite der Membran zwischen der Innenseite der Außenwand des Behälters und der Außenseite der im Inneren des Behälters befindlichen Membran vorhandenen Flüssigkeit in Kontakt gerät. Die Trenneinrichtung ist also sowohl luftdicht bzw. gasdicht als auch flüssigkeitsdicht ausgebildet und gewährleistet eine zuverlässige physikalische Trennung zwischen dem flüssigkeitsseitigen und dem luftseitigen Raum, und zwar unter allen Betriebsbedingungen und Druckverhältnissen.The basic structure of such an expansion and degassing device, although primarily used for a heating system, compared to the previously described known expansion and degassing devices is that it is divided into two rooms, one of the rooms being a liquid-side room and the other atmospheric space. The liquid-side space contains heating fluid or can accommodate heating fluid that comes from the heating system. In the space on the atmosphere side, air is taken in at atmospheric pressure. Both spaces are separated from one another by a separating device designed as a flexible membrane, the separating device having an internal volume that is closed off from the liquid-side space. When filled, the separating device has a size such that the interior of the expansion and degassing container of the device can be almost filled with the separating device and that the membrane is designed to be liquid-tight and airtight. So when the expansion and degassing container is almost filled with heating fluid, all air is pressed out of the interior or interior volume of the separating device, and the separating device inside the container is compressed by the heating fluid in such a way that the membrane, which functions as a lung bag, so to speak, is pressed together with their side walls and is brought into a state in which the internal volume of the separating device approaches zero. When the expansion and degassing container is almost empty, in which there are at most small amounts of heating fluid in the container, the flexible membrane is filled with atmospheric air in such a way that the walls of the flexible membrane are inside the expansion and degassing container on its inner walls in a conformal manner. As a result, the interior of the expansion and degassing container is almost completely filled with air without this air coming into contact with the liquid present on the outside of the membrane between the inside of the outer wall of the container and the outside of the membrane located inside the container. The separation The device is designed to be both airtight or gas-tight as well as liquid-tight and ensures a reliable physical separation between the liquid-side and the air-side space, under all operating conditions and pressure conditions.

In US 2020/0 025 412 A1 ist eine derartige Druckausgleichs- und Heiz-/Kühleinrichtung beschrieben, bei welcher zwischen zwei Kammern eine Membran vorgesehen ist, welche flüssigkeitsdicht und flexibel ausgebildet ist. Bei Erhöhen des Druckes in einer ersten Kammer kann durch eine Verformung der Membran in Richtung auf die daneben angeordnete Kammer Heizmedium oder Kühlmedium aus dem Behälter dafür über die entsprechenden Ausgänge herausgedrückt werden. Eine Einrichtung zum Vorentgasen des Heiz- oder Kühlmediums, vor allem auch für Temperaturen unter -10° C ist bei diesem Stand der Technik nicht beschrieben.In US 2020/0 025 412 A1 Such a pressure compensation and heating/cooling device is described, in which a membrane is provided between two chambers, which is liquid-tight and flexible. When the pressure in a first chamber is increased, heating medium or cooling medium can be pressed out of the container via the corresponding outlets by deforming the membrane in the direction of the chamber arranged next to it. A device for pre-degassing the heating or cooling medium, especially for temperatures below -10 ° C, is not described in this prior art.

Des Weiteren ist in CN 2 12 227 442 U ein explosionsgeschütztes mehrstufiges System zur Regelung bzw. Steuerung der Kältemittel- und Heizmitteltemperatur beschrieben. Dabei sind zwei Zirkulationssysteme mit demselben Expansionstank verbunden. Diese zwei Kreislaufsysteme sind insbesondere mit demselben Kältemittelsystem und einem weiteren kleinen Kältemittelsystem verbunden. Insbesondere ist ein Regelmechanismus zur Beibehaltung der jeweils gewünschten Temperaturen beschrieben. Dabei sind das Kühlen und das Heizen unabhängig voneinander, um Temperaturstabilität einzuhalten. Auch dieses beschriebene bekannte System weist keine thermische Vorentgasungseinheit auf.Furthermore, in CN 2 12 227 442 U an explosion-proof multi-stage system for regulating or controlling the refrigerant and heating medium temperatures is described. Two circulation systems are connected to the same expansion tank. These two circuit systems are in particular connected to the same refrigerant system and another small refrigerant system. In particular, a control mechanism for maintaining the desired temperatures is described. Cooling and heating are independent of each other in order to maintain temperature stability. This known system described also does not have a thermal pre-degassing unit.

Durch diese Gestaltung mit der flexiblen Membran ist zwischen dem atmosphärenseitigen Raum im Inneren der flexiblen Membran und dem flüssigkeitsseitigen Raum außerhalb der Trenneinrichtung ein entsprechender Druckausgleich gegeben. Es ist bekannt, dass es zum zuverlässigen Betrieb einer Heizungsanlage erforderlich ist, dass Sauerstoff nicht bzw. möglichst nicht in den Heizungskreislauf gelangt. Durch die flexible Membran wird gerade dafür gesorgt, dass diese Verhältnisse geschaffen werden können, weil sich die flexible Membran entsprechend den herrschenden Druckverhältnissen im flüssigkeitsseitigen Raum wie auch im atmosphärenseitigen Raum durch die Flexibilität jederzeit an die jeweiligen Druckverhältnisse anpasst. Ein derartiger Expansions- und Entgasungsbehälter ist für Heizungsanlagen relativ gut funktionsfähig, ist jedoch für Tiefkältekreislaufanlagen mit Temperaturen unter -10 °C nicht geeignet.This design with the flexible membrane creates a corresponding pressure equalization between the atmosphere-side space inside the flexible membrane and the liquid-side space outside the separating device. It is known that in order to operate a heating system reliably, it is necessary that oxygen does not enter the heating circuit, or if possible, not at all. The flexible membrane ensures that these conditions can be created because the flexible membrane adapts to the respective pressure conditions at any time in accordance with the prevailing pressure conditions in the liquid-side space as well as in the atmosphere-side space. Such an expansion and degassing tank works relatively well for heating systems, but is not suitable for cryogenic cycle systems with temperatures below -10 °C.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht gegenüber den im Stand der Technik bekannten Anlagen darin, einen Expansions- und Entgasungsbehälter als wesentliches Teil für ein System mit einem flüssigen Kälteträger für eine Tiefkältekreislaufanlage zu schaffen, welche eine gute Regelbarkeit aufweist und vergleichsweise einfach im Aufbau und in der Funktion ist.The object of the present invention, compared to the systems known in the prior art, is to create an expansion and degassing tank as an essential part for a system with a liquid coolant for a cryogenic cycle system, which has good controllability and is comparatively simple in construction and in the function is.

Diese Aufgabe wird mit einem System mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren zum Betreiben eines Systems einer Tiefkältekreislaufanlage mit den Merkmalen gemäß Anspruch 12 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen für das erfindungsgemäße System sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved with a system with the features according to claim 1 and with a method for operating a system of a cryogenic cycle system with the features according to claim 12. Appropriate developments for the system according to the invention are defined in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße System ist Teil einer Tiefkältekreislaufanlage, welche mit einem flüssigen Kälteträger betrieben wird, und ist so aufgebaut, dass Gase aus dem Kälteträger abgeschieden werden können. Der Grundaufbau des Systems besteht nun darin, dass das System einen Expansions- und Entgasungsbehälter aufweist, welcher in einen flüssigkeitsseitigen und einen atmosphärenseitigen Raum unterteilt ist. Der flüssigkeitsseitige Raum ist für den Kälteträger und der atmosphärenseitige Raum für Atmosphärenluft vorgesehen, wobei der Kälteträger in dem flüssigkeitsseitigen Raum und die unter Atmosphärendruck stehende Luft im atmosphärenseitigen Raum aufgenommen sind. Beide Räume sind mittels einer flüssigkeits- und gasdichten Membran voneinander getrennt, welche flexibel ist und sich im gefüllten Zustand des flüssigkeitsseitigen Raumes an die inneren Wandungen des Expansions- und Entgasungsbehälters, diesen nahezu ausfüllend, formkongruent anschmiegt.The system according to the invention is part of a cryogenic cycle system which is operated with a liquid coolant and is constructed in such a way that gases can be separated from the coolant. The basic structure of the system is that the system has an expansion and degassing container, which is divided into a liquid-side and an atmosphere-side space. The liquid-side space is intended for the refrigerant and the atmosphere-side space for atmospheric air, with the refrigerant being accommodated in the liquid-side space and the air under atmospheric pressure in the atmosphere-side space. Both spaces are separated from each other by means of a liquid- and gas-tight membrane, which is flexible and, when the liquid-side space is filled, hugs the inner walls of the expansion and degassing container, almost filling it, in a congruent shape.

Damit eine gute Regelbarkeit bzw. Steuerbarkeit des Systems für die Tiefkältekreislaufanlage gegeben ist, ist dem Expansions- und Entgasungsbehälter erfindungsgemäß eine thermische Vorentgasungseinheit vorgeschaltet, in welcher der Kälteträger, bevor dieser in den flüssigkeitsseitigen Raum des Expansions- und Entgasungsbehälters eintritt, mittels einer Heizeinrichtung derart vorgewärmt wird, dass eine voreinstellbare bzw. vorgebbare Mindesttemperatur des Kälteträgers am Austritt aus dem Expansions- und Entgasungsbehälter eingehalten, d.h. nicht unterschritten, wird.In order to ensure good controllability of the system for the cryogenic cycle system, according to the invention, the expansion and degassing container is preceded by a thermal pre-degassing unit, in which the coolant is preheated by means of a heating device before it enters the liquid-side space of the expansion and degassing container it is ensured that a presettable or predeterminable minimum temperature of the refrigerant at the outlet from the expansion and degassing tank is maintained, i.e. not fallen below.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der im Tiefkältekreislauf zirkulierende flüssige Kälteträger zuverlässig entgast, dessen Druck gehalten und betriebsbedingt gesteuert nachgespeist werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäßen System Tiefkältekreisläufe bis zu Temperaturen von z.B. -30° C möglich sind, bei denen bisher bekannte, vorwiegend für Heizkreisläufe eingesetzte, dem Grundaufbau ähnliche Systeme jedoch überfordert sind. Durch das Vorschalten einer thermischen Vorentgasungseinheit wird der Kälteträger im Expansions- und Entgasungsbehälter, welcher eine Druckhaltestation darstellt, erwärmt, um die voreingestellte Mindesttemperatur am Abströmanschluss nicht zu unterschreiten. Dazu weist die thermische Vorentgasungseinheit vorzugsweise eingeschraubte und vorzugsweise elektrisch arbeitende Heizeinsätze auf, deren Regelung, Freigabe bzw. Zu- oder Abschaltung und Begrenzung der Heizleistung und damit von abgeschiedenem Gas über eine interne Steuerung erfolgt. In der thermischen Vorentgasungseinheit wird der Kälteträger beispielsweise um mindestens 20 K erwärmt. Durch diesen thermischen Prozess ändert sich das Gaslösungsvermögen des Kälteträgers in dem Sinne, dass bei höherer Temperatur der Kälteträger weniger Gas absorbieren, mithin das im Kälteträger abzutrennende Gas abgeschieden werden kann. Diese überschüssigen Gase werden aus dem Kälteträger abgegeben, indem sie in den Kopf des Behälters der thermischen Vorentgasungseinheit aufsteigen und bei nächster Expansion und/oder bei einem nächsten Entgasungszyklus an den Expansions- und Entgasungsbehälter übergeben werden. Die im Expansions- und Entgasungsbehälter gemäß dessen Funktionsprinzip zuverlässig abgeschiedenen freien Gase und auch die zusätzlich durch die Temperaturerhöhung in der thermischen Vorentgasungseinheit freiwerdenden Gase werden durch Druckreduzierung auf atmosphärischen Druck sicher und zuverlässig abgeschieden.A significant advantage of the invention is that the liquid refrigerant circulating in the cryogenic circuit is reliably degassed, its pressure can be maintained and replenished in a controlled manner depending on the operation. A further advantage is that with the system according to the invention, cryogenic circuits up to temperatures of, for example, -30° C. are possible, at which previously known systems, which are primarily used for heating circuits and are similar to the basic structure, are overwhelmed. By connecting a thermal pre- degassing unit, the refrigerant in the expansion and degassing tank, which represents a pressure maintenance station, is heated in order not to fall below the preset minimum temperature at the outflow connection. For this purpose, the thermal pre-degassing unit preferably has screwed-in and preferably electrically operating heating inserts, the regulation, release or switching on or off and limitation of the heating output and thus of separated gas takes place via an internal control. In the thermal pre-degassing unit, the coolant is heated, for example, by at least 20 K. This thermal process changes the gas dissolving capacity of the coolant in the sense that at higher temperatures the coolant absorbs less gas, meaning that the gas to be separated in the coolant can be separated. These excess gases are released from the coolant by rising into the head of the container of the thermal pre-degassing unit and are transferred to the expansion and degassing container during the next expansion and/or during a next degassing cycle. The free gases reliably separated in the expansion and degassing tank according to its functional principle and also the additional gases released by the temperature increase in the thermal pre-degassing unit are safely and reliably separated by reducing the pressure to atmospheric pressure.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen System dem Expansions- und Entgasungsbehälter ein Nachspeisebehälter zur Bevorratung des Kälteträgers zugeordnet. Dieser zusätzliche, sozusagen beigestellte Behälter beinhaltet Kälteträger, welcher dem System und damit der Tiefkältekreislaufanlage zugeführt werden kann, sofern im System ein Defizit aufgetreten ist oder es Kälteträger wieder aufnehmen muss, sofern Kälteträger aus dem System abgeführt worden ist. Dazu ist der Nachspeisebehälter über eine Verbindungsleitung zur Expansions- und Entgasungseinheit bzw. dem Expansions- und Entgasungsbehälter und eine Verbindungsleitung von der Expansions- und Entgasungseinheit bzw. dem Expansions- und Entgasungsbehälter vorgesehen. Die Verbindungsleitung von der Expansions- und Entgasungseinheit ist dabei über ein Entgasungsventil mit Rückbelüftungssperre im Sinne eines Sicherheitsüberlaufes mit dem Nachspeisebehälter verbunden. Zwischen dem Nachspeisebehälter und der Steuereinheit für die Expansions- und Entgasungseinheit ist anstelle eines Magnetventils, das bei Systemen ohne Kälteträger vorhanden ist, eine Steuerleitung zur Steuerung der Zufuhr von Kälteträger über eine Förderpumpe zu der Expansions- und Entgasungseinheit vorgesehen.In the system according to the invention, a make-up container for storing the refrigerant is preferably assigned to the expansion and degassing container. This additional, so to speak, provided container contains coolant, which can be supplied to the system and thus to the cryogenic cycle system if a deficit has occurred in the system or if it has to absorb coolant again if coolant has been removed from the system. For this purpose, the make-up container is provided via a connecting line to the expansion and degassing unit or the expansion and degassing container and a connecting line from the expansion and degassing unit or the expansion and degassing container. The connecting line from the expansion and degassing unit is connected to the make-up container via a degassing valve with a return ventilation barrier in the sense of a safety overflow. Between the make-up container and the control unit for the expansion and degassing unit, instead of a solenoid valve, which is present in systems without refrigerant, a control line is provided for controlling the supply of refrigerant via a feed pump to the expansion and degassing unit.

Vorzugsweise sind in der thermischen Vorentgasungseinheit abgeschiedene und an den Expansions- und Entgasungsbehälter überführte, aus dem Kälteträger abgeschiedene Gase nach erfolgter Druckreduzierung auf Atmosphärendruck von dem Expansions- und Entgasungsbehälter abblasbar. Vorzugsweise ist daher ein Abblas- bzw. Überdruckventil im Expansions- und Entgasungsbehälter vorgesehen.Preferably, gases separated from the coolant and transferred to the expansion and degassing container in the thermal pre-degassing unit can be blown off from the expansion and degassing container after the pressure has been reduced to atmospheric pressure. A blow-off or pressure relief valve is therefore preferably provided in the expansion and degassing container.

Da in der thermischen Vorentgasungseinheit der Kälteträger erwärmt wird, um die voreingestellte Mindesttemperatur am Eintritt in den Expansions- und Entgasungsbehälter nicht zu unterschreiten, weist die Heizeinrichtung der thermischen Vorentgasungseinheit elektrisch arbeitende Heizeinsätze auf. Diese sind regelbar und können auf Basis einer regelungstechnischen Rückkopplung bezüglich der über sie eingeführten Wärmeenergie die Mindesttemperatur des Kälteträgers am Austritt aus der thermischen Vorentgasungseinheit zuverlässig und in gewünschten engen Grenzen einstellen.Since the coolant is heated in the thermal pre-degassing unit in order not to fall below the preset minimum temperature at the inlet into the expansion and degassing tank, the heating device of the thermal pre-degassing unit has electrically operating heating inserts. These are controllable and can set the minimum temperature of the coolant at the outlet from the thermal pre-degassing unit reliably and within the desired narrow limits based on control feedback with regard to the thermal energy introduced via them.

Vorzugsweise erwärmt die Heizeinrichtung den Kälteträger um zumindest 20 K. Über die Regelung der Wärmezufuhr über die Heizeinsätze ist die Temperaturdifferenz, um welche der Kälteträger erwärmt werden muss, einstellbar.The heating device preferably heats the coolant by at least 20 K. By regulating the heat supply via the heating inserts, the temperature difference by which the coolant has to be heated can be adjusted.

Vorzugsweise sind der Expansions- und Entgasungsbehälter und die thermische Vorentgasungseinheit als wesentliche Teile des erfindungsgemäßen Systems mittels einer Steuereinrichtung regelbar bzw. steuerbar, mittels welcher eine Regelung oder Steuerung von Freigabe und Begrenzung von abgeschiedenem Gas sowie Oberflächentemperatur der Heizeinsätze erfolgt. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung am Oberteil des Expansions- und Entgasungsbehälters angebracht und mittels entsprechender Signalleitungen und mit der in einem separaten Behälter untergebrachten thermischen Vorentgasungseinheit verbunden.Preferably, the expansion and degassing container and the thermal pre-degassing unit, as essential parts of the system according to the invention, can be regulated or controlled by means of a control device, by means of which the release and limitation of separated gas and the surface temperature of the heating inserts are regulated or controlled. The control device is preferably attached to the upper part of the expansion and degassing container and is connected by means of appropriate signal lines and to the thermal pre-degassing unit housed in a separate container.

Die thermische Vorentgasungseinheit ist vorzugsweise als Vorschaltgerät aus einem Edelstahlbehälter ausgebildet und ist daher in Kombination mit einer Expansions- und Entgasungseinheit, einer auch als AIR-SEP-Druckhaltestation bezeichneten Einheit, für Tiefkältekreisläufe verwendbar, welche Rücklauftemperaturen von -10° bis -30° C haben. Eine derartige thermische Vorentgasungseinheit weist vorzugsweise eine thermische Vorentgasung auf und ist mit einer Schlammabscheidung und einer Reinigung bzw. Rückspülung versehen. In dem Edelstahlbehälter, d.h. der thermischen Vorentgasungseinheit, wird ein Kälteträger mittels der elektrisch gesteuerten Heizeinsätze kontrolliert bedarfsgerecht erwärmt. Dadurch werden Gase aus dem Kältemittel frei und steigen in den Behälterkopf auf. Dies erfolgt in der sogenannten Stufe 1, der Vorentgasung. Die sich im Behälterkopf gesammelten, frei gewordenen Gase können bei der nächsten Expansion bzw. beim nächsten Entgasungslauf des Systems über die nachgeschaltete AIR-SEP-Druckhalte- und Entgasungsstation sicher abgeschieden werden. Dazu sind entsprechende Abblasventile vorgesehen. Das Abblasen erfolgt, nachdem die Gase auf atmosphärischen Druck entspannt worden sind. Diesen Teil der Entgasung bezeichnet man als Stufe 2. Durch die zwei Stufen der Entgasung, d.h. der Vorentgasung und der Entgasung durch Entspannung auf atmosphärischen Druck, wird die Entgasungsleistung weiter optimiert und effizienter als bei allen bekannten Systemen.The thermal pre-degassing unit is preferably designed as a ballast made of a stainless steel container and can therefore be used in combination with an expansion and degassing unit, also known as an AIR-SEP pressure maintenance station, for cryogenic circuits which have return temperatures of -10° to -30° C . Such a thermal pre-degassing unit preferably has a thermal pre-degassing and is provided with sludge separation and cleaning or backwashing. In the stainless steel container, ie the thermal pre-degassing unit, a coolant is heated in a controlled manner as required using the electrically controlled heating inserts. This causes gases from the refrigerant to be released and rise into the container head. This takes place in so-called stage 1, pre-degassing. The released gases collected in the container head can be used during the next expansion sion or during the next degassing run of the system via the downstream AIR-SEP pressure maintenance and degassing station. Appropriate blow-off valves are provided for this purpose. Blowdown occurs after the gases have been expanded to atmospheric pressure. This part of the degassing is referred to as stage 2. Through the two stages of degassing, ie pre-degassing and degassing by expansion to atmospheric pressure, the degassing performance is further optimized and more efficient than with all known systems.

Die in das System integrierte Elektronik steuert, regelt und überwacht die Freigabe-, die Begrenzungs- und die Oberflächentemperatur des Heizeinsatzes, und zwar vollautomatisch mittels entsprechender Sensoren. Durch diese geregelte Temperierung des Kälteträgers schützt die thermische Vorentgasungseinheit die nachgeschaltete AIR-SEP-Druckhaltestation und deren Bauteile wie Pumpen, Ventile, etc. vor ansonsten möglichen zu tiefen Temperaturen, die diesen Bauteilen abträglich sind.The electronics integrated into the system controls, regulates and monitors the release, limit and surface temperatures of the heating insert fully automatically using appropriate sensors. Through this controlled temperature control of the refrigerant, the thermal pre-degassing unit protects the downstream AIR-SEP pressure maintenance station and its components such as pumps, valves, etc. from otherwise possible excessively low temperatures that are detrimental to these components.

Wie die AIR-SEP-Druckhaltestation weist auch die thermische Vorentgasungseinheit eine integrierte Schlammabscheidung auf. Dabei strömt der zirkulierende Kälteträger am unteren Anschluss in den Edelstahl-Behälter, wird dort beruhigt und nach oben abgeführt. Transportierte Schlämme und Partikel können sich am Behälterboden sammeln und absetzen. Metallische Partikel können über einen optional vorhandenen Magnetit-Filter, welcher ein Hochleistungs-Dauermagnet ist, dauerhaft fixiert werden. Die thermische Vorentgasungseinheit weist vorzugsweise, ebenso wie die AIR-SEP-Druckhaltestation, d.h. die Expansions- und Entgasungseinheit, eine Reinigung bzw. eine Rückspülung auf, welche über einen Entleerungsanschluss am Boden des Edelstahl-Behälters der thermischen Vorentgasungseinheit erfolgt. Nach Öffnen dieses Entleerungsanschlusses können Schlamm und gegebenenfalls nach entsprechender Demontage des optionalen Magnetit-Filters Magnetit aus dem Behälter beispielsweise durch Spülen entfernt werden.Like the AIR-SEP pressure maintenance station, the thermal pre-degassing unit also has integrated sludge separation. The circulating coolant flows into the stainless steel container at the bottom connection, where it calms down and is carried away upwards. Transported sludge and particles can collect and settle at the bottom of the container. Metallic particles can be permanently fixed using an optional magnetite filter, which is a high-performance permanent magnet. The thermal pre-degassing unit, like the AIR-SEP pressure maintenance station, i.e. the expansion and degassing unit, preferably has cleaning or backwashing, which takes place via an emptying connection on the bottom of the stainless steel container of the thermal pre-degassing unit. After opening this emptying connection, sludge and, if necessary, magnetite after dismantling the optional magnetite filter can be removed from the container, for example by rinsing.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die thermische Vorentgasungseinheit auch eine Steuerungseinheit aufweist, welche mit der Steuerungseinheit der AIR-SEP-Druckhaltestation steuerungsmäßig verbunden ist. Dazu ist ein Elektrokasten an der thermischen Vorentgasungseinheit stirnseitig oder seitlich unter Berücksichtigung der thermischen Entkopplung direkt montiert. In dem Elektrokasten ist die komplette Steuerung samt Schnittstellen und gegebenenfalls eine zusätzliche Regelung für die nachgeschaltete AIR-SEP-Druckhaltestation untergebracht. Das bedeutet, es ist möglich, dass eine zentrale Steuereinheit an der AIR-SEP-Druckhaltestation angebracht ist, welche auch der thermischen Vorentgasungseinheit dient. Es ist allerdings auch möglich, dass die Steuereinheit in zwei separate Einheiten aufgeteilt ist, wobei eine vorrangig die Steuerung der Expansions- und Entgasungseinheit und die andere die Steuerung der thermischen Vorentgasungseinheit realisiert, wobei beide Steuereinrichtungsteile miteinander verbunden bzw. steuerungsmäßig gekoppelt sind. Natürlich ist es auch denkbar, dass eine einzige Steuereinheit nur an der thermischen Vorentgasungseinheit angebracht ist und die Steuerung sowohl der thermischen Vorentgasungseinheit als auch der Expansions- und Entgasungseinheit realisiert.It is preferably provided that the thermal pre-degassing unit also has a control unit which is connected in terms of control to the control unit of the AIR-SEP pressure maintenance station. For this purpose, an electrical box is mounted directly on the front or side of the thermal pre-degassing unit, taking thermal decoupling into account. The electrical box houses the complete control system including interfaces and, if necessary, an additional control for the downstream AIR-SEP pressure maintenance station. This means that it is possible for a central control unit to be attached to the AIR-SEP pressurization station, which also serves as the thermal pre-degassing unit. However, it is also possible for the control unit to be divided into two separate units, one primarily controlling the expansion and degassing unit and the other controlling the thermal pre-degassing unit, with both control device parts being connected to one another or coupled in terms of control. Of course, it is also conceivable that a single control unit is attached only to the thermal pre-degassing unit and controls both the thermal pre-degassing unit and the expansion and degassing unit.

Vorzugsweise ist die Membran in der Expansions- und Entgasungseinheit in der Art eines Luft aufnehmbaren und Luft ausgebbaren Lungensacks ausgebildet. Die Membran weist eine Flexibilität auf, welche es ermöglicht, dass diese, wenn der kälteträgerseitige Raum mit Kälteträger im Wesentlichen vollständig gefüllt ist, auf ein Innenvolumen von nahezu Null komprimierbar ist, wohingegen bei flüssigkeitsleerem Raum, wenn in dessen Inneren ein entsprechender Unterdruck herrscht, sich konform zur Behälterinnenform an die Innenseite des Expansions- und Entgasungsbehälters anschmiegt. Die Membran kann somit für den gesamten Druckbereich angewendet werden und bildet obendrein eine undurchlässige Sperre für Flüssigkeit aus dem flüssigkeitsseitigen Raum in den Luft aufnehmenden Raum und umgekehrt.Preferably, the membrane in the expansion and degassing unit is designed in the manner of a lung bag that can absorb air and release air. The membrane has a flexibility which enables it to be compressible to an internal volume of almost zero when the space on the coolant side is essentially completely filled with coolant, whereas in a liquid-free space, when there is a corresponding negative pressure inside conforms to the inside shape of the container and conforms to the inside of the expansion and degassing container. The membrane can therefore be used for the entire pressure range and, in addition, forms an impermeable barrier for liquid from the liquid-side space into the air-receiving space and vice versa.

Das System weist vorzugsweise ein Entgasungsventil auf, mittels welchem Ausgasungen aus dem Kälteträger im flüssigkeitsseitigen Raum in die Umgebung ermöglicht sind, wobei das Entgasungsventil als mechanisches selbstschließendes Ventil mit Rückbelüftungssperre ausgebildet ist. Damit ist ein zuverlässiges Abblasen von ausgeschiedenem Gas möglich, ohne dass von außen Sauerstoff oder andere Gase in das Innere des Systems eindringen können.The system preferably has a degassing valve, by means of which outgassing from the coolant in the liquid-side space into the environment is possible, the degassing valve being designed as a mechanical self-closing valve with a re-ventilation barrier. This makes it possible to reliably blow off excreted gas without oxygen or other gases being able to penetrate into the interior of the system from outside.

Vorzugsweise weist der Expansions- und Entgasungsbehälter als wesentlichen Teil des Systems ein Überströmventil auf, welches den flüssigkeitsseitigen Raum mit dem Kälteträger für die Tiefkältekreislaufanlage verbindet, wobei das Überströmventil ein mechanisches selbstschließendes Ventil ist, welches mit einer Druckfeder und Einstellschraube ausgebildet ist.The expansion and degassing container preferably has an overflow valve as an essential part of the system, which connects the liquid-side space with the refrigerant for the cryogenic cycle system, the overflow valve being a mechanical self-closing valve which is designed with a compression spring and an adjusting screw.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Systems einer Tiefkältekreislaufanlage gemäß den Ansprüchen 1 bis 12. Das System für die Tiefkältekreislaufanlage weist einen Expansions- und Entgasungsbehälter, welcher auch als AIR-SEP-Druckhaltestation bezeichnet wird, und eine diesem vorgeschaltete thermische Vorentgasungseinheit auf. Mittels einer Steuereinrichtung wird über ein Überströmventil Kälteträger aus der vorgeschalteten thermischen Vorentgasungseinheit dem Expansions- und Entgasungsbehälter zugeführt. In dem Expansions- und Entgasungsbehälter ist eine Membran in der Art eines Lungensacks angeordnet, welche einen flüssigkeitsseitigen Raum, in welchem sich der Kälteträger befindet, von einem atmosphärenseitigen Raum trennt. Der atmosphärenseitige Raum ist über eine Verbindungsleitung mit der Umgebungsluft verbunden. Die Druckverhältnisse in dem gegenüber der Außenluft abgedichteten, flüssigkeitsseitigen Raum und in dem atmosphärenseitigen Raum werden nun so aufeinander abgestimmt, dass eine durch die Steuereinrichtung einerseits gesteuert entnommene, in der thermischen Vorentgasungseinheit erwärmte Menge an Kälteträger eine Druckabsenkung im flüssigkeitsseitigen Raum, d.h. dem Raum mit dem Kälteträger, unter weiterem Entgasen des Kälteträgers und ein entsprechendes Auffüllen des luftseitigen Raumes mit Luft andererseits zur Folge hat und umgekehrt.According to a second aspect of the invention, the invention relates to a method for operating a system of a cryogenic cycle system according to claims 1 to 12. The system for the cryogenic cycle system has an expansion and degassing tank, which is also referred to as an AIR-SEP pressure maintenance station, and a thermal pre-degassing upstream of this solution unit. By means of a control device, coolant is fed from the upstream thermal pre-degassing unit to the expansion and degassing container via an overflow valve. A membrane in the manner of a lung sac is arranged in the expansion and degassing container, which separates a liquid-side space, in which the coolant is located, from an atmosphere-side space. The atmosphere-side space is connected to the ambient air via a connecting line. The pressure conditions in the liquid-side space, which is sealed from the outside air, and in the atmosphere-side space are now coordinated with one another in such a way that an amount of refrigerant removed in a controlled manner by the control device and heated in the thermal pre-degassing unit causes a pressure reduction in the liquid-side space, ie the space with the Refrigerant, with further degassing of the coolant and a corresponding filling of the air-side space with air on the other hand, and vice versa.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt die Möglichkeit, einen Kälteträger in einer zum System der Tiefkältekreislaufanlage ebenfalls gehörenden thermischen Vorentgasungseinheit gezielt zu erwärmen, sodass das System mit dem Expansions- und Entgasungsbehälter für Temperaturbereiche von -10° bis zumindest -30° C zuverlässig betrieben werden kann und der Kälteträger in hintereinander ablaufenden Zyklen regelmäßig entgast wird.The method according to the invention describes the possibility of specifically heating a refrigerant in a thermal pre-degassing unit, which is also part of the system of the cryogenic cycle system, so that the system with the expansion and degassing container can be operated reliably for temperature ranges from -10 ° to at least -30 ° C and the The coolant is regularly degassed in successive cycles.

Weitere Vorteile, Details und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der nachfolgenden Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 das erfindungsgemäße System für eine Tiefkältekreislaufanlage mit einem Expansions- und Entgasungsbehälter (a)), einer diesem vorgeschalteten thermischen Vorentgasungseinheit (b)) und einem mit diesem verbundenen Nachspeisebehälter (c)) zur Bevorratung von flüssigem Kälteträger;
2 eine Vorderansicht der in 1 b) dargestellten thermischen Vorentgasungseinheit mit angedeuteter Isolierung mit Dampfsperre; und
3 eine Trenneinrichtung in Form einer Membran im Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters in Draufsicht (a)), Seitenansicht (b)) und eine Schnittansicht (c)) entlang der Ebene A-A zur Darstellung der Vulkanisierung des Randbereiches der Membran.

Further advantages, details and possible applications of the present invention will now be explained in detail with reference to the following drawing. Show in the drawing:

1 the system according to the invention for a cryogenic cycle system with an expansion and degassing container (a)), a thermal pre-degassing unit (b)) connected upstream thereof and a make-up container (c)) connected to it for storing liquid refrigerant;
2 a front view of the in 1b) shown thermal pre-degassing unit with indicated insulation with vapor barrier; and
3 a separating device in the form of a membrane inside the expansion and degassing container in top view (a)), side view (b)) and a sectional view (c)) along the plane AA to show the vulcanization of the edge area of the membrane.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Systems, bestehend aus Expansions- und Entgasungsbehälter 1, diesem vorgeordneter thermischer Vorentgasungseinheit 27 und einer mit dem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 über eine Verbindungsleitung 21 mit eingebautem Entgasungsventil mit Rückbelüftungssperre im Sinne eines Sicherheitsüberlaufes und einer Verbindungsleitung 20 mit dem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 verbundenen Nachspeisebehälter 17 zur Bevorratung eines flüssigen Kälteträgers. Bei der erfindungsgemäßen Tiefkältekreislaufanlage werden alle medienführenden Baugruppen (innerer Behälter, Boden, Pumpe, Rohrleitungen, Armaturen) dampfsperrsicher isoliert (1a, Bezugsziffer 16). Dieses System ist für eine Tiefkältekreislaufanlage vorgesehen und in eine solche eingebaut. Der Expansions- und Entgasungsbehälter 1 ist in aller Regel als Edelstahlbehälter ausgebildet und weist in seinem Inneren eine Trenneinrichtung 4 auf, welche in der Art eines Lungensacks als Membran ausgebildet ist. Unter Lungensack wird dabei ein flexibler Behälter bzw. eine flexible Membran verstanden, dessen bzw. deren Innenvolumen aufgrund der Flexibilität des Materials der Membran bzw. Trenneinrichtung 4 je nach herrschendem Innendruck bzw. Druck, welcher die Membran außen umgibt, und somit je nach Druckverhältnis unterschiedlich ist. Im Grenzfall kann die Trenneinrichtung 4 ein so großes Innenvolumen aufweisen, dass sie sich formkonform an die Behälterinnenform 5 anschmiegt und somit das Innere des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 nahezu ausfüllt. Der Expansions- und Entgasungsbehälter 1 weist also einen atmosphärenseitigen Raum 3 auf, welcher der im Inneren der Trenneinrichtung 4 gebildete Raum ist, und einen kälteträgerseitigen Raum 2, welcher auf der Außenseite der Trenneinrichtung 4 im Inneren des Behälters 1 ausgebildet ist. Dieser kälteträgerseitige Raum 2 nimmt je nach Füllmenge des flüssigen Kälteträgers im Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 und damit im Zusammenhang mit der Größe des Innenvolumens der Trenneinrichtung 4 ebenfalls unterschiedliche Volumina ein. Die als flexible, lungensackartige elastische Membran ausgebildete Trenneinrichtung 4 ist flüssigkeitsdicht, sodass flüssiges Kältemittel aus dem Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 bzw. aus dem Äußeren der Trenneinrichtung 4 nicht durch die Wandung der Trenneinrichtung 4 hindurchdringt. Die Membran bildet also eine Sperre zwischen der Außenluft bzw. den aus dem Kälteträger entgasten Bestandteilen und dem Kälteträger. Es ist also ebenfalls ausgeschlossen, dass Außenluft, welche sich im atmosphärenseitigen Raum 3, d.h. dem Inneren der Trenneinrichtung 4, befindet, durch die Wandung der Trenneinrichtung 4 in den kälteträgerseitigen Raum 2 gelangt. Das bedeutet also, dass die Trenneinrichtung 4 nicht nur kälteträgerdicht, sondern auch gasdicht bzw. luftdicht ist. 1 shows the basic structure of the system according to the invention, consisting of an expansion and degassing container 1, a thermal pre-degassing unit 27 arranged upstream thereof and one with the expansion and degassing container 1 via a connecting line 21 with a built-in degassing valve with a re-ventilation barrier in the sense of a safety overflow and a connecting line 20 with the expansion - and degassing container 1 connected make-up container 17 for storing a liquid coolant. In the cryogenic cycle system according to the invention, all media-carrying assemblies (inner container, base, pump, pipes, fittings) are insulated with a vapor barrier ( 1a , reference number 16). This system is intended for and installed in a cryogenic cycle system. The expansion and degassing container 1 is usually designed as a stainless steel container and has a separating device 4 in its interior, which is designed as a membrane in the manner of a lung sac. The term lung bag is understood to mean a flexible container or a flexible membrane, the internal volume of which varies due to the flexibility of the material of the membrane or separating device 4 depending on the prevailing internal pressure or pressure that surrounds the membrane on the outside, and thus depending on the pressure ratio is. In a borderline case, the separating device 4 can have such a large internal volume that it conforms to the shape of the inner container shape 5 and thus almost fills the interior of the expansion and degassing container 1. The expansion and degassing container 1 therefore has an atmosphere-side space 3, which is the space formed inside the separating device 4, and a coolant-side space 2, which is formed on the outside of the separating device 4 inside the container 1. This space 2 on the coolant side also occupies different volumes depending on the filling quantity of the liquid coolant inside the expansion and degassing container 1 and thus in connection with the size of the internal volume of the separating device 4. The separating device 4, designed as a flexible, lung bag-like elastic membrane, is liquid-tight, so that liquid refrigerant from the interior of the expansion and degassing container 1 or from the outside of the separating device 4 does not penetrate through the wall of the separating device 4. The membrane therefore forms a barrier between the outside air or the components degassed from the coolant and the coolant. It is therefore also impossible for outside air, which is located in the atmosphere-side space 3, ie the interior of the separating device 4, to pass through the wall of the separating device 4 into the coolant-side space 2. This means that the separating device 4 is not only tight to the refrigerant, but also gas-tight or airtight.

Durch die Aufteilung des Innenraums des Expansions- und Entgasungsbehälters in einen kälteträgerseitigen Raum 2 und einen atmosphärenseitigen Raum 3 durch eine elastisch ausgebildete Trenneinrichtung 4 in Form einer Membran wird gewährleistet, dass zwischen der Innenseite der Trenneinrichtung 4 und dem die Trenneinrichtung 4 außen im Expansions- und Entgasungsbehälter 1 umgebenden kälteträgerseitigen Raum 2 ein entsprechender Druckausgleich erreicht wird. Wenn beispielsweise eine für die Tiefkältekreislaufanlage vorgesehene Einspeisung von Kälteträger aus dem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 erforderlich ist, dann würde bei gegenüber der Umgebung abgeschlossenem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 der Druck in diesem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 sinken. By dividing the interior of the expansion and degassing container into a space 2 on the coolant side and a space 3 on the atmosphere side using an elastic design Separating device 4 in the form of a membrane ensures that a corresponding pressure equalization is achieved between the inside of the separating device 4 and the coolant-side space 2 surrounding the separating device 4 on the outside in the expansion and degassing container 1. If, for example, a supply of refrigerant from the expansion and degassing container 1 intended for the cryogenic cycle system is required, then if the expansion and degassing container 1 is closed from the environment, the pressure in this expansion and degassing container 1 would decrease.

Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen könnte die Druckabsenkung so groß sein, dass der Behälter sogar implodieren könnte. Dem wirkt nun entgegen, dass die in ihrem Inneren einen atmosphärenseitigen Raum 3 ausbildende Trenneinrichtung 4 mit der Außenluft über eine Verbindungsleitung 11 verbunden ist. Sowie sich im Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 ein entsprechender Unterdruck durch Entnahme von flüssigem Kälteträger aus diesem Behälter 1 einstellt, füllt sich die Trenneinrichtung 4 mit Außenluft, sodass der Behälter 1 im Inneren quasi einen Druckausgleich erfährt. Im Grenzfall kann nahezu der gesamte flüssige Kälteträger aus dem Behälter 1 in die Tiefkältekreislaufanlage eingespeist werden, in welchem Fall die Trenneinrichtung 4 ein solches Volumen einnehmen würde, dass auch wegen des elastischen Materials der Membran, aus welchem die Trenneinrichtung 4 besteht, die Trenneinrichtung 4 sich an die Innenseite des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 formkonform anschmiegt und das Innere des Behälters somit auch nahezu ausfüllt.Without appropriate countermeasures, the pressure drop could be so great that the container could even implode. This is now counteracted by the fact that the separating device 4, which forms an atmosphere-side space 3 in its interior, is connected to the outside air via a connecting line 11. As soon as a corresponding negative pressure is established in the interior of the expansion and degassing container 1 by removing liquid coolant from this container 1, the separating device 4 fills with outside air, so that the container 1 experiences pressure equalization inside. In a borderline case, almost all of the liquid refrigerant from the container 1 can be fed into the cryogenic cycle system, in which case the separating device 4 would take up such a volume that the separating device 4 would also be due to the elastic material of the membrane from which the separating device 4 is made conforms to the shape of the inside of the expansion and degassing container 1 and thus almost fills the interior of the container.

Ein weiterer Vorteil dieser klaren Trennung zwischen dem kälteträgerseitigen Raum 2 und dem atmosphärenseitigen Raum 3 besteht darin, dass bei einer Druckabsenkung in Folge von Entnahme im kälteträgerseitigen Raum 2 das Entgasen des Kälteträgers unterstützt bzw. verbessert werden kann. Aus diesem Grunde ist in der oberen Wand, welche den Expansions- und Entgasungsbehälter 1 nach oben abschließt, ein Entgasungsventil 6 mit Rückbelüftungssperre vorgesehen. Dieses Entgasungsventil ist verbunden mit einem Sicherheitsüberlauf. Aus dem Kälteträger entgastes Medium kann über das Entgasungsventil 6 an die Umgebung/Atmosphäre abgelassen werden. Die Rückbelüftungssperre verhindert, dass Luft und damit Luftsauerstoff in das Behälterinnere, d.h. in den kälteträgerseitigen Raum 2, eintreten kann.A further advantage of this clear separation between the space 2 on the coolant side and the space 3 on the atmosphere side is that when the pressure is reduced as a result of removal in the space 2 on the coolant side, the degassing of the coolant can be supported or improved. For this reason, a degassing valve 6 with a return ventilation barrier is provided in the upper wall, which closes off the expansion and degassing container 1 at the top. This degassing valve is connected to a safety overflow. Medium degassed from the coolant can be drained into the environment/atmosphere via the degassing valve 6. The return ventilation barrier prevents air and thus atmospheric oxygen from entering the interior of the container, i.e. into the space 2 on the coolant side.

Um außerdem den Innendruck im kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 überwachen zu können, ist an dessen oberer Wandung eine Unterdruckdose 7 vorgesehen. Vom kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 führt eine Entnahmeleitung 12 über eine Druckhaltepumpe 8 über eine Verbindungsleitung 24 des Systems in die Tiefkältekreislaufanlage. Von der thermischen Vorentgasungseinheit 27 führt eine weitere Verbindungsleitung 25 über ein Überströmventil 13 zurück in den kälteflüssigkeitsseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1. In der weiteren Verbindungsleitung 25 von der thermischen Vorentgasungseinheit 27 zum flüssigkeitsseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 ist ein Drucksensor 22 vorgesehen, welcher der Überwachung der Druckverhältnisse in der Verbindungsleitung 25 des Tiefkältekreislaufes dient.In order to be able to monitor the internal pressure in the coolant-side space 2 of the expansion and degassing container 1, a vacuum box 7 is provided on its upper wall. From the coolant-side space 2 of the expansion and degassing container 1, a removal line 12 leads via a pressure maintenance pump 8 via a connecting line 24 of the system into the cryogenic cycle system. From the thermal pre-degassing unit 27, a further connecting line 25 leads via an overflow valve 13 back into the cold liquid-side space 2 of the expansion and degassing container 1. There is a pressure sensor in the further connecting line 25 from the thermal pre-degassing unit 27 to the liquid-side space 2 of the expansion and degassing container 1 22 is provided, which is used to monitor the pressure conditions in the connecting line 25 of the cryogenic circuit.

In dem auf der Behälteroberseite angeordneten Armaturenkomplex befindet sich des Weiteren eine Steuerungseinrichtung 23, mittels welcher nicht nur die Druckverhältnisse im Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 überwacht werden, sondern auch, sofern eine Drehzahlregelung für die Druckhaltepumpe 8 vorgesehen ist, sichergestellt wird, dass nur eine solche Entnahme von flüssigem Kälteträger aus dem kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 erfolgt, dass der Behälter 1 keinen zu rasch absinkenden Druck aufweist. Diese Steuerungseinrichtung 23 ist an der Vorderseite angebracht, kann aber auch an der Seite der thermischen Vorentgasungseinheit 27 angebracht sein. Es ist auch möglich, dass ein Teil einer Steuereinrichtung im Kopfteil des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 und an der thermischen Vorentgasungseinheit 27 angebracht ist. Andererseits dient die Steuerungseinrichtung 23 auch dazu, die Menge an flüssigem Kälteträger, welche in den kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälter 1 eingeführt wird, entsprechend den sich ergebenden Druckverhältnissen dem Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 zuzuführen. An dem Armaturenkomplex des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 sind noch weitere Anschlüsse und Ventile vorgesehen, um eine optimale gesteuerte und mit Überwachungsmöglichkeit vorgesehene Anbindung des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 an das System der Tiefkältekreislaufanlage zu gewährleisten. In 1 a), oberer Teil rechts, ist eine Verbindungsleitung 20 zur AIR-SEP-Expansions- und Entgasungseinheit 1 vorgesehen, über welche Kälteträger aus einem Nachspeisebehälter 17 mittels einer über eine Steuerleitung 39 angesteuerten Förderpumpe 18 in die Expansions- und Entgasungseinheit gefördert wird, wobei eine weitere Verbindungsleitung 21 von der AIR-SEP-Druckhaltestation über deren Armaturen zum Nachspeisebehälter 17 führt, in welchem flüssiger Kälteträger bevorratet wird. Das Entgasungsventil 6 gibt die Gase an die Umgebung/Atmosphäre ab. Dazu ist ein freier Auslauf vorhanden weil sonst die Gase in den Nachspeisebehälter 17 gedrückt würden.Wenn in die Tiefkältekreislaufanlage über das System Kälteträger eingespeist werden muss, jedoch im kälteträgerseitigem Raum 2 nicht ausreichend Kälteträger vorhanden ist, so wird das aus dem Nachspeisebehälter 17 mittels einer die Förderpumpe 18 ansteuernden Steuerleitung 39 in Verbindung mit einem Schwimmerschalter 19 realisiert.In the fitting complex arranged on the top of the container there is also a control device 23, by means of which not only the pressure conditions inside the expansion and degassing container 1 are monitored, but also, if a speed control is provided for the pressure maintaining pump 8, it is ensured that only liquid refrigerant is removed from the refrigerant-side space 2 of the expansion and degassing container 1 in such a way that the container 1 does not have a pressure that drops too quickly. This control device 23 is attached to the front, but can also be attached to the side of the thermal pre-degassing unit 27. It is also possible for a part of a control device to be mounted in the head part of the expansion and degassing container 1 and on the thermal pre-degassing unit 27. On the other hand, the control device 23 also serves to supply the amount of liquid refrigerant, which is introduced into the refrigerant-side space 2 of the expansion and degassing container 1, to the interior of the expansion and degassing container 1 in accordance with the resulting pressure conditions. Further connections and valves are provided on the fittings complex of the expansion and degassing container 1 in order to ensure an optimally controlled connection of the expansion and degassing container 1 to the system of the cryogenic cycle system, which is provided with monitoring options. In 1a) , upper part on the right, a connecting line 20 to the AIR-SEP expansion and degassing unit 1 is provided, via which coolant is conveyed from a make-up container 17 into the expansion and degassing unit by means of a feed pump 18 controlled via a control line 39, with a further connecting line 21 leads from the AIR-SEP pressure maintenance station via its fittings to the make-up container 17, in which liquid refrigerant is stored. The degassing valve 6 releases the gases into the environment/atmosphere. There is a free outlet for this because otherwise the gases would be pressed into the make-up container 17. If into the cryogenic circuit If refrigerant has to be fed in via the system, but there is not enough refrigerant in the space 2 on the refrigerant side, this is achieved from the make-up container 17 by means of a control line 39 that controls the feed pump 18 in conjunction with a float switch 19.

Aus dem kältemittelseitigen Raum 2 des Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 ist ein Kältemittelstand-Glas 14 herausgeführt, sodass visuell der im Behälter befindliche Stand an Kälteträger erkennbar ist. Im Kältemittelstand-Glas 14 ist ein Niveau-Schalter 15 vorgesehen, insbesondere ein Reed-Kontakt-Niveau-Schalter, sodass ein elektrisches Signal der Steuereinrichtung 23 zugeführt werden kann, welches dann auch visuell am Kälteträgerstand-Glas 14 ersichtlich ist.A refrigerant level glass 14 is led out of the refrigerant-side space 2 of the interior of the expansion and degassing container 1, so that the level of refrigerant in the container can be visually recognized. A level switch 15 is provided in the refrigerant level glass 14, in particular a reed contact level switch, so that an electrical signal can be supplied to the control device 23, which can then also be seen visually on the refrigerant level glass 14.

Der Expansions- und Entgasungsbehälter 1 selbst ist auf Ständern angeordnet und weist im Bereich seiner Bodenplatte, d.h. an seiner tiefsten Stelle, im durch die Aufständerung gebildeten Freiraum über dem Boden des Aufstellortes ein Entleerungsventil 26 auf, welches beispielsweise für Reinigungs- und Wartungszwecke ein komplettes Ablassen des flüssigen Kälteträgers aus dem kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 ermöglicht.The expansion and degassing container 1 itself is arranged on stands and has an emptying valve 26 in the area of its base plate, i.e. at its lowest point, in the free space above the floor of the installation site formed by the elevation, which can be completely drained, for example for cleaning and maintenance purposes of the liquid refrigerant from the refrigerant-side space 2 of the expansion and degassing container 1.

Außerdem ist an der Außenseite der Bodenplatte ein Magnet 9 angeordnet, mittels welchem aus dem System für die Tiefkältekreislaufanlage mit dem flüssigen Kälteträger in den Expansions- und Entgasungsbehälter mitgeführte Metallpartikel abgeschieden werden können. Dadurch wird verhindert, dass diese aus der Tiefkältekreislaufanlage stammenden Metallpartikel bei Einspeisung von kälteträgerseitigem Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 in das System der Tiefkältekreislaufanlage wieder dorthin mit zurück transportiert werden. Aus diesem Grunde weist der Expansions- und Entgasungsbehälter 1 eine mit einem Revisions- bzw. Reinigungsdeckel kälteträgerdicht, d.h. flüssigkeitsdicht, verschließbare Inspektions- und Reinigungsöffnung 10 auf. Wenn der Deckel der Reinigungsöffnung 10 abgenommen ist, besteht die Möglichkeit, im Inneren des Behälters 1 im Bereich des Magneten 9 abgeschiedene Metallpartikel aus dem kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälter 1 zu entfernen und damit den Expansions- und Entgasungsbehälter 1 wieder in einen sauberen Zustand zu versetzen.In addition, a magnet 9 is arranged on the outside of the base plate, by means of which metal particles carried from the system for the cryogenic cycle system with the liquid coolant into the expansion and degassing container can be separated. This prevents these metal particles originating from the cryogenic cycle system from being transported back there when the coolant-side space 2 of the expansion and degassing container 1 is fed into the system of the cryogenic cycle system. For this reason, the expansion and degassing container 1 has an inspection and cleaning opening 10 that can be closed with an inspection or cleaning cover in a coolant-tight, i.e. liquid-tight, manner. If the cover of the cleaning opening 10 is removed, it is possible to remove metal particles deposited inside the container 1 in the area of the magnet 9 from the coolant-side space 2 of the expansion and degassing container 1 and thus return the expansion and degassing container 1 to a clean one state.

Das erfindungsgemäße System mit dem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 weist mit den zuvor beschriebenen Armaturen und seinem grundsätzlichen Aufbau folgende Grundfunktionen auf:

a) Es wird eine Druckhaltung in der Tiefkältekreislaufanlage bzw. in dem System dafür gewährleistet, wodurch ein Mindestdruck im Systemkreis durch Nachfüllen des flüssigen Kälteträgers über die enthaltene Druckhaltepumpe 8 über die Verbindungsleitung 24 zum System aus dem flüssigkeitsseitigen Raum 2 gehalten wird.
b) Es wird außerdem eine Ausdehnung bzw. Expansion durch eine Aufnahme bzw. Zwischenspeicherung von kurzzeitig überschüssigem Kälteträger gewährleistet, welcher später der Druckhaltung im System zur Verfügung gestellt wird.
c) Es erfolgt des Weiteren eine Luftabscheidung bzw. Entgasung aus dem flüssigen Kälteträger, d.h. es wird der physikalische Prozess zur Abscheidung von Gasen aus dem Kälteträger durch Erzielen von Druckverhältnissen im Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 gewährleistet, bei welcher eine Entgasung unterstützt wird.
d) Es erfolgt eine Nachspeisung von flüssigem Kälteträger aus dem einer Bevorratung des flüssigen Kälteträgers dienenden Nachspeisebehälter 17, wenn sich im flüssigkeitsseitigen Raum 2 zu wenig Kälteträger befindet, wobei die Nachspeisung überwacht und vollautomatisch mit dem Kälteträger erfolgt, wodurch die Funktion der Druckhaltung realisiert werden kann.
e) Und schließlich ist mit dem neuartigen System eine Energieeinsparung möglich, da durch ein entgastes Kälteträger-Medium und eine Entschlammung des Systems im Teilstrom sowie durch eine Ausscheidung der Magnetitpartikel eine Leistungssteigerung möglich ist.

The system according to the invention with the expansion and degassing container 1 has the following basic functions with the previously described fittings and its basic structure:

a) Pressure is maintained in the cryogenic circuit system or in the system for it, whereby a minimum pressure in the system circuit is maintained by refilling the liquid refrigerant via the included pressure maintaining pump 8 via the connecting line 24 to the system from the liquid-side space 2.
b) Expansion is also ensured by absorbing or temporarily storing excess coolant for a short time, which is later made available to maintain pressure in the system.
c) Furthermore, air is separated or degassed from the liquid coolant, that is, the physical process for separating gases from the coolant is ensured by achieving pressure conditions inside the expansion and degassing container 1, in which degassing is supported.
d) Liquid refrigerant is replenished from the refill container 17, which serves to store the liquid refrigerant, if there is too little refrigerant in the liquid-side space 2, the refill being monitored and carried out fully automatically with the refrigerant, whereby the function of maintaining pressure can be realized .
e) And finally, energy savings are possible with the new system, as an increase in performance is possible through a degassed coolant medium and desludging of the system in the partial flow as well as through the separation of the magnetite particles.

Nachdem der Expansions- und Entgasungsbehälter 1 an die zum Tiefkältekreislauf sowie zur Kältemittelnachspeiseleitung gehörenden Leitungseinrichtung angeschlossen worden ist, und zwar einschließlich der thermischen Vorentgasungseinheit 27, strömt Kälteträger als flüssiger Kälteträger in den Expansions- und Entgasungsbehälter 1, und zwar in den kälteträgerseitigen Raum 2. Bereits durch die Entspannung von Kälteträgerdruck des Versorgers zum drucklosen Systemdruck im kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 wird der Kälteträger entgast. Der Vorteil, der sich daraus ergibt, liegt nun darin, dass bereits entgaster Kälteträger später dem eigentlichen System für die Tiefkältekreislaufanlage zugeführt werden kann. Mittels des Niveau-Schalters 15 wird erreicht, dass die Einspeisemenge und spätere Nachspeisemenge an Kälteträger begrenzt wird. Dazu ist im Kälteträgerstand-Glas 14 der Niveau-Schalter 15 vorgesehen, welcher nach Erreichen der eingestellten Kälteträgermenge bzw. Menge an flüssigem Kälteträger die Förderpumpe 18 über die Steuerleitung 39 ansteuert und stoppt und dadurch den Kälteträgerzulauf zum Expansions- und Entgasungsbehälter unterbricht.After the expansion and degassing container 1 has been connected to the line device belonging to the cryogenic circuit and to the refrigerant make-up line, including the thermal pre-degassing unit 27, coolant flows as liquid coolant into the expansion and degassing container 1, namely into the coolant-side space 2. Already The coolant is degassed by releasing the coolant pressure from the supplier to the unpressurized system pressure in the coolant-side space 2 of the expansion and degassing tank 1. The advantage that results from this is that refrigerant that has already been degassed can later be fed into the actual system for the cryogenic cycle system. The level switch 15 ensures that the amount of refrigerant fed in and later made up of refrigerant is limited. For this purpose, the level switch 15 is provided in the refrigerant level glass 14, which after reaching the set amount of refrigerant or amount of liquid refrigerant controls and stops the feed pump 18 via the control line 39 and thereby interrupts the inflow of refrigerant to the expansion and degassing tank.

Bei Betrieb der Steuerungseinrichtung 23 wird mittels des Drucksensors 22 der eingestellte Systemdruck überwacht. Wenn der eingestellte Systemdruck unterschritten werden sollte, wird die Druckhaltepumpe 8 angesteuert. Bei Ansteuern der Druckhaltepumpe 8 entnimmt diese aus dem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 flüssigen Kälteträger und führt diesen dem System über die Verbindungsleitung 24 zu. Die Pumpe arbeitet solange eingeschaltet, bis der Drucksensor 22 eine positive Rückmeldung an die Steuerungseinrichtung 23 ausgibt. Auf Basis dieser Rückmeldung vom Drucksensor 22 wird mittels der Steuerungseinrichtung 23 veranlasst, dass die Druckhaltepumpe 8 wieder abgeschaltet wird. Die dadurch sich im Expansions- und Entgasungsbehälter 1, und zwar im kälteträgerseitigen Raum 2, sich ergebende Volumenänderung wird durch die Nachführung von Luft bzw. Gas in den atmosphärenseitigen Raum 3 ausgeglichen. Das bedeutet, dass, je mehr Kälteträger aus dem Behälter 1 entnommen wird und je tiefer dadurch der Druck in dem kälteträgerseitigen Raum 2 wird, umso mehr Luft bzw. Gas strömt über die Verbindungsleitung 11 von der Umgebung in den Innenraum des atmosphärenseitigen Raumes 3, d.h. in das Innere der Trenneinrichtung 4. Sollte der Systemdruck zu hoch werden, öffnet das federbelastete Überströmventil 13, wodurch flüssiger Kälteträger in den kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälter 1 einströmt. Die Volumenänderung im Behälter 1 wird durch Abströmen von Luft bzw. Gas im atmosphärenseitigen Raum 3 ausgeglichen. Sobald der eingestellte Systemdruck wieder erreicht ist, schließt das Überströmventil 13 automatisch wieder. Zusätzlich kann mittels der Steuerungseinrichtung 23 eine Schnell- und Intervallentgasung des flüssigen Kälteträgers im Expansions- und Entgasungsbehälter 1 vorgenommen werden. Dazu wird in der Steuerungseinrichtung 23 über ein eingestelltes Zeitprogramm die Druckhaltepumpe 8 angesteuert, sofern eine Freigabe durch die thermische Vorentgasungseinheit 27 an die Steuereinheit 23 erfolgt ist. Durch den Anstieg des Systemdruckes öffnet das Überströmventil 13, wodurch eine Entspannung des flüssigen Kälteträgers im Expansions- und Entgasungsbehälter 1, d.h. im kälteträgerseitigen Raum 2, auf Atmosphärendruck erfolgt. Dadurch wird die Entgasung des flüssigen Kälteträgers realisiert, da das Gaslösungsvermögen des Kälteträgers neben der Temperatur auch vom Druckverhältnis bestimmt wird. Generell gilt, dass mit absinkendem Druck sowie bei steigender Temperatur das Gaslösungsvermögen sinkt. Bei Kreisläufen mit Temperaturen kleiner +2°C ist noch eine Heizmanschette 13a am Überströmventil 13 verbaut, damit das Überströmventil 13 nicht von außen her einfriert.When the control device 23 is in operation, the set system pressure is monitored by means of the pressure sensor 22. If the set system pressure falls below the set pressure, the pressure maintenance pump 8 is activated. When the pressure maintaining pump 8 is activated, it removes liquid coolant from the expansion and degassing tank 1 and supplies it to the system via the connecting line 24. The pump works switched on until the pressure sensor 22 outputs positive feedback to the control device 23. Based on this feedback from the pressure sensor 22, the control device 23 causes the pressure maintaining pump 8 to be switched off again. The resulting volume change in the expansion and degassing container 1, namely in the space 2 on the coolant side, is compensated for by the supply of air or gas into the space 3 on the atmosphere side. This means that the more refrigerant is removed from the container 1 and the lower the pressure in the refrigerant-side space 2 becomes, the more air or gas flows via the connecting line 11 from the environment into the interior of the atmosphere-side space 3, i.e. into the interior of the separating device 4. If the system pressure becomes too high, the spring-loaded overflow valve 13 opens, whereby liquid coolant flows into the coolant-side space 2 of the expansion and degassing container 1. The change in volume in the container 1 is compensated for by the outflow of air or gas in the space 3 on the atmosphere side. As soon as the set system pressure is reached again, the overflow valve 13 closes automatically again. In addition, rapid and interval degassing of the liquid refrigerant in the expansion and degassing container 1 can be carried out using the control device 23. For this purpose, the pressure maintenance pump 8 is controlled in the control device 23 via a set time program, provided that the thermal pre-degassing unit 27 has released it to the control unit 23. Due to the increase in the system pressure, the overflow valve 13 opens, whereby the liquid coolant in the expansion and degassing container 1, i.e. in the coolant-side space 2, is expanded to atmospheric pressure. This results in the degassing of the liquid refrigerant, since the gas dissolving capacity of the refrigerant is determined not only by the temperature but also by the pressure ratio. In general, the gas dissolving capacity decreases as the pressure decreases and the temperature increases. In circuits with temperatures below +2°C, a heating sleeve 13a is installed on the overflow valve 13 so that the overflow valve 13 does not freeze from the outside.

Die freigewordenen Gase entweichen über das Entgasungsventil 6 mit Rückbelüftungssperre in die Atmosphäre. Durch die fehlenden Gase in dem flüssigen Kälteträger sinkt auch dessen Volumen. Aus diesem Grunde erfolgt in einem solchen Fall die Zuführung von flüssigem Kälteträger aus dem Nachspeisebehälter 17 über die Verbindungsleitung 20. Dabei besteht bei dem erfindungsgemäßen System für die Tiefkältekreislaufanlage der Vorteil, dass der nachgespeiste Kälteträger im kälteträgerseitigen Raum 2 direkt auf Atmosphärendruck entspannt wird und somit gasarmer Kälteträger nachgespeist wird.The released gases escape into the atmosphere via the degassing valve 6 with a return ventilation barrier. Due to the lack of gases in the liquid coolant, its volume also decreases. For this reason, in such a case, liquid refrigerant is supplied from the make-up container 17 via the connecting line 20. The advantage of the system according to the invention for the cryogenic cycle system is that the refrigerant fed in the refrigerant-side space 2 is expanded directly to atmospheric pressure and is therefore less gas-rich Refrigerant is replenished.

Der Expansions- und Entgasungsbehälter 1 des erfindungsgemäßen Systems für die Tiefkältekreislaufanlage dient auch zusätzlich als Beruhigungszone. Der eingespeiste flüssige Kälteträger kommt im Expansions- und Entgasungsbehälter 1, und zwar im kälteträgerseitigen Raum 2, zum Stillstand. Aus dem Kreislauf der Tiefkältekreislaufanlage mitgeführte Partikel setzen sich nach der Beruhigung des Kälteträgers am Boden ab. Daher ist mittels des eingebauten Magneten 9 gewährleistet, dass bereits abgeschiedenes Magnetit, welches sich im Bereich des Magneten 9 angelagert hat, nicht wieder durch die Druckhaltepumpe 8 angesaugt wird.The expansion and degassing container 1 of the system according to the invention for the cryogenic cycle system also serves as a calming zone. The liquid coolant that is fed in comes to a standstill in the expansion and degassing tank 1, specifically in the space 2 on the coolant side. Particles carried out of the circuit of the cryogenic cycle system settle on the floor after the coolant has calmed down. Therefore, the built-in magnet 9 ensures that magnetite that has already been deposited and has accumulated in the area of the magnet 9 is not sucked in again by the pressure maintaining pump 8.

Bei dem erfindungsgemäßen System ist dem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 eine thermische Vorentgasungseinheit 27 vorgeschaltet, von welcher in der thermischen Vorentgasungseinheit 27 auf eine definierte Temperatur vorgewärmter Kälteträger von einem AUS-Anschluss 36 zu einer Verbindungsleitung 25 zur Expansions- und Entgasungseinheit 1 geführt wird. Ein EIN-Anschluss 35 mit einer Verbindungsleitung 40 von der Tiefkältekreislaufanlage ist im unteren Bereich der thermischen Vorentgasungseinheit 27 vorgesehen. In der thermischen Vorentgasungseinheit 27 sind Heizeinsätze 33 in Form von Heizstäben angeordnet. Mittels dieser Heizeinsätze 33 wird der Kälteträger in der thermischen Vorentgasungseinheit 27 sozusagen vor dessen Eintritt in den kälteträgerseitigen Raum 2 des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 derartig vorgewärmt, dass der Kälteträger am Austritt aus dem Expansions- und Entgasungsbehälter 1 über das Überströmventil 13 auf eine voreinstellbare Mindesttemperatur gebracht wird, welche durch die Vorwärmung in der thermischen Vorentgasungseinheit 27 nicht unterschritten wird. Die thermische Vorentgasungseinheit 27 weist im mittleren Bereich ein Handloch 32 auf, über welches die thermische Vorentgasungseinheit 27 geöffnet werden kann, sodass das Innere inspiziert, gereinigt und gegebenenfalls instandgesetzt werden kann. Das Innere der thermischen Vorentgasungseinheit 27 bildet einen kälteträgerseitigen Raum 28, welcher unter Systemdruck steht. An der Außenseite der thermischen Vorentgasungseinheit 27 ist ein Elektrokasten 34 angebracht, welcher der Aufnahme einer Steuerungseinrichtung 23 dient, welche für das gesamte System komplett in dem Elektrokasten angeordnet ist oder welche auf die thermische Vorentgasungseinheit und den Expansions- und Entgasungsbehälter 1 aufgeteilt ist (Steuerung 23). Im unteren Bereich der thermischen Vorentgasungseinheit 27 befindet sich ein Magnetitfilter 30, welcher in Form eines Magnetstabes ausgebildet sein kann und gegebenenfalls mit dem Kälteträger in die thermische Vorentgasungseinheit 27 geführte Metallpartikel aus dem Kälteträger abscheidet. Der Magnetfilter 30 wird über einen Einschub 29 in die thermische Vorentgasungseinheit 27 eingeführt, welche am tiefsten Bereich ihres Bodens eine Entleerungsöffnung 31 zur Abfuhr von gegebenenfalls mit dem Kälteträger in die thermische Vorentgasungseinheit 27 mitgeführtem Schlamm aufweist.In the system according to the invention, the expansion and degassing container 1 is preceded by a thermal pre-degassing unit 27, from which coolant preheated to a defined temperature in the thermal pre-degassing unit 27 is led from an OFF connection 36 to a connecting line 25 to the expansion and degassing unit 1. An ON connection 35 with a connecting line 40 from the cryogenic cycle system is provided in the lower region of the thermal pre-degassing unit 27. Heating inserts 33 in the form of heating rods are arranged in the thermal pre-degassing unit 27. By means of these heating inserts 33, the refrigerant is preheated in the thermal pre-degassing unit 27, so to speak, before it enters the refrigerant-side space 2 of the expansion and degassing container 1 in such a way that the refrigerant exits the expansion and degassing container 1 via the overflow valve 13 to a preset minimum temperature is brought, which is not undercut by the preheating in the thermal pre-degassing unit 27. The thermal pre-degassing unit 27 has a hand hole 32 in the middle area, via which the thermal pre-degassing unit 27 can be opened so that the interior can be inspected, cleaned and, if necessary, repaired. The interior of the thermal pre-degassing unit 27 forms a cold-transparent Room 28 on the right side, which is under system pressure. On the outside of the thermal pre-degassing unit 27, an electrical box 34 is attached, which serves to accommodate a control device 23, which is arranged completely in the electrical box for the entire system or which is divided between the thermal pre-degassing unit and the expansion and degassing container 1 (controller 23 ). In the lower area of the thermal pre-degassing unit 27 there is a magnetite filter 30, which can be designed in the form of a magnetic rod and, if necessary, separates metal particles from the coolant that are guided into the thermal pre-degassing unit 27 together with the coolant. The magnetic filter 30 is inserted via an insert 29 into the thermal pre-degassing unit 27, which has an emptying opening 31 at the lowest area of its base for the removal of any sludge that may have been carried along with the coolant into the thermal pre-degassing unit 27.

Der bereits erwähnte, zum erfindungsgemäßen System gehörende Nachspeisebehälter 17 weist im unteren Bereich, damit auch bei niedrigem Vorratsstand an Kälteträger eine Zufuhr von diesem in den Expansions- und Entgasungsbehälter 1 möglich ist, eine Förderpumpe 18 auf, welche über einen Schwimmschalter 19 eine Sicherheitsabschaltungsmöglichkeit aufweist.The already mentioned make-up container 17, which is part of the system according to the invention, has a feed pump 18 in the lower area, so that it can be fed into the expansion and degassing container 1 even when the supply level of refrigerant is low, which has a safety switch-off option via a float switch 19.

In 2 ist die thermische Vorentgasungseinheit 27 in Vorderansicht dargestellt, d.h. in einer Ansicht von links zur der in 1 b) dargestellten Seitenansicht. Der Grundaufbau entspricht natürlich dem, welcher in Verbindung mit 1 b) beschrieben wurde. Zusätzlich ist in 2 angedeutet, dass die thermische Vorentgasungseinheit 27 eine Isolierung mit Dampfsperre 38 um den gesamten, die thermische Vorentgasungseinheit 27 bildenden Behälter optional vorgesehen hat, um Energieverluste für den Kälteträger zu minimieren und damit die energetische Bilanz des erfindungsgemäßen Systems für die Tiefkältekreislaufanlage zu verbessern. Mit Bezugsziffer 37 ist ein Temperatursensor vorgesehen, mittels welchem die Temperatur des im Inneren der thermischen Vorentgasungseinheit 27 befindlichen flüssigen Kälteträgers ermittelt und angezeigt werden kann. Der Temperatursensor kann vorzugsweise auch mit der Steuereinrichtung 34 bzw. 23 über eine entsprechende Signalleitung verbunden sein.In 2 the thermal pre-degassing unit 27 is shown in a front view, ie in a view from the left to the one in 1b) side view shown. The basic structure naturally corresponds to that in connection with 1b) was described. Additionally is in 2 indicated that the thermal pre-degassing unit 27 has optionally provided insulation with a vapor barrier 38 around the entire container forming the thermal pre-degassing unit 27 in order to minimize energy losses for the refrigerant and thus improve the energy balance of the system according to the invention for the cryogenic cycle system. A temperature sensor is provided with reference number 37, by means of which the temperature of the liquid refrigerant located inside the thermal pre-degassing unit 27 can be determined and displayed. The temperature sensor can preferably also be connected to the control device 34 or 23 via a corresponding signal line.

In 3 ist die Trenneinrichtung 4, welche sich im Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 befindet, in der Art eines Lungensacks gezeigt. Diese Trenneinrichtung 4 besteht aus einem elastischen Material, das bei entsprechend außenliegendem Druck auf ein Innenvolumen von Null reduzierbar ist, wie es in 3 b) in der Seitenansicht gezeigt ist. Sofern im Äußeren der Trenneinrichtung 4 der Druck abfällt, füllt sich aufgrund der Verbindung der Öffnung der Trenneinrichtung 4 über die Verbindungsleitung 11, sozusagen in der Halsöffnung des Luftsackes, mit der Außenluft das Innere der Trenneinrichtung 4, welches sich dann ballonartig aufbläst und bei entsprechender Entleerung des flüssigkeitsseitigen bzw. kälteträgerseitigen Raumes 2 im Expansions- und Entgasungsbehälter 1 sich sogar an die Innenwandungen des Expansions- und Entgasungsbehälters 1 formkonform anschmiegen kann. Das Material der Trenneinrichtung 4 weist nun eine solche Elastizität auf bzw. ist so ausgebildet, dass es weder gasdurchlässig ist, noch kälteträgerdurchlässig. Die Trenneinrichtung 4 schafft also eine physikalische Trennung zwischen dem Kälteträger, welcher sich im kälteträgerseitigen Raum 2 befindet, und dem Inneren der Trenneinrichtung 4, d.h. dem atmosphärenseitigen Raum, in welchem sich Luft befindet, ohne dass ein Zustrom von atmosphärischem Sauerstoff zu dem Kälteträger erfolgen kann. Dies ist beim Betrieb der Tiefkältekreislaufanlage auf jeden Fall zu vermeiden.In 3 the separating device 4, which is located inside the expansion and degassing container 1, is shown in the form of a lung bag. This separating device 4 consists of an elastic material that can be reduced to an internal volume of zero with appropriate external pressure, as in 3 b) shown in side view. If the pressure drops in the outside of the separating device 4, due to the connection of the opening of the separating device 4 via the connecting line 11, so to speak in the neck opening of the air bag, the interior of the separating device 4 fills with the outside air, which then inflates like a balloon and is emptied accordingly of the liquid-side or coolant-side space 2 in the expansion and degassing container 1 can even conform to the shape of the inner walls of the expansion and degassing container 1. The material of the separating device 4 now has such elasticity or is designed in such a way that it is neither gas-permeable nor coolant-permeable. The separating device 4 therefore creates a physical separation between the coolant, which is located in the coolant-side space 2, and the interior of the separating device 4, ie the atmosphere-side space in which air is located, without an inflow of atmospheric oxygen to the coolant . This must be avoided at all costs when operating the cryogenic cycle system.

Damit eine entsprechende Abdichtung zwischen dem kälteträgerseitigen Raum 2 und dem atmosphärenseitigen Raum 3 im Inneren des Expansions- und Entgasungsbehälter 1 gewährleistet ist, ist die Trenneinrichtung 4 an ihrer umlaufenden Kante luft- und kälteträgerdicht zusammenvulkanisiert, was in der Schnittdarstellung A-A gemäß 3 c) ersichtlich ist. Dort ist gezeigt, dass die jeweiligen Enden der beiden Seitenteile der Trenneinrichtung 4 falzartig aufeinandergelegt und in dieser Form zusammenvulkanisiert sind, sodass eine flüssigkeits- und luftdichte Ausbildung der lungensackartig ausgebildeten Trenneinrichtung 4 gewährleistet ist. Wenn sich die Trenneinrichtung 4 aufgrund der Druckverhältnisse ändert und sich ausdehnt, entsteht im kälteträgerseitigen Raum 2 ein Unterdruck. Durch diesen Unterdruck ergibt sich eine bessere Gasaustragung, wodurch der Kälteträger bei seinem späteren Zurückspeisen in den Tiefkältekreislauf von unerwünschten Gasen befreit ist bzw. deren Anteil in dem Kälteträger reduziert ist. Um zu vermeiden, dass es durch zu starken Unterdruck im kälteträgerseitigen Raum 2 zu Schädigungen am Behälter 1 kommt, ist an dessen Oberseite eine Unterdruckdose 7 vorgesehen. Die Unterdruckdose 7 überwacht den zulässigen Unterdruck im kälteträgerseitigen Raum 2. Bei Unterschreiten des zulässigen Unterdruckes wird automatisch ein Signal an die Steuereinrichtung 23 bzw. 34 gesendet, welche die Druckhaltepumpe 8 stoppt und die Förderpumpe 18 ansteuert, sodass flüssiger Kälteträger in den kälteträgerseitigen Raum 2 zuströmt und der bestehende Unterdruck wieder reduziert wird. Bei Erreichen des gewünschten Unterdruckwertes gibt die Unterdruckdose 7 erneut ein Signal an die Steuerungseinrichtung 23 bzw. 34, welche die Förderpumpe 18 dann wieder stoppt.In order to ensure a corresponding seal between the space 2 on the cold carrier side and the space 3 on the atmosphere side inside the expansion and degassing container 1, the separating device 4 is vulcanized together on its circumferential edge so that it is air- and cold carrier-tight, which is shown in the sectional view AA 3c) is visible. It is shown there that the respective ends of the two side parts of the separating device 4 are placed on top of each other like a fold and vulcanized together in this form, so that a liquid and airtight design of the separating device 4, which is designed like a lung bag, is guaranteed. If the separating device 4 changes and expands due to the pressure conditions, a negative pressure is created in the space 2 on the coolant side. This negative pressure results in better gas discharge, as a result of which the refrigerant is freed from unwanted gases when it is later fed back into the cryogenic circuit or their proportion in the refrigerant is reduced. In order to avoid damage to the container 1 due to excessive negative pressure in the space 2 on the cold carrier side, a vacuum box 7 is provided on the top. The vacuum box 7 monitors the permissible negative pressure in the coolant-side space 2. If the permissible negative pressure falls below, a signal is automatically sent to the control device 23 or 34, which stops the pressure maintenance pump 8 and controls the feed pump 18, so that liquid coolant flows into the coolant-side space 2 and the existing negative pressure is reduced again. When the desired vacuum value is reached, the vacuum cell 7 again sends a signal to the control device 23 or 34, which then stops the feed pump 18 again.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: Expansions- und Entgasungsbehälter / AIR-SEP-DruckhaltestationExpansion and degassing tank / AIR-SEP pressure maintenance station
22: flüssigkeitsseitiger Raum (drucklos)liquid-side space (unpressurized)
33: atmosphärenseitiger Raumatmospheric space
44: TrenneinrichtungSeparation device
55: BehälterinnenformContainer inner shape
66: Entgasungsventil mit Rückbelüftungssperre und SicherheitsüberlaufDegassing valve with return ventilation stop and safety overflow
77: Unterdruckdosevacuum can
88th: DruckhaltepumpePressure maintenance pump
99: Magnetmagnet
1010: ReinigungsöffnungCleaning opening
1111: Verbindungsleitungconnecting line
1212: EntnahmeleitungExtraction line
1313: ÜberströmventilOverflow valve
13a13a: HeizmanschetteHeating sleeve
1414: Kälteträgerstand-GlasRefrigerant stand glass
1515: Niveau-SchalterLevel switch
1616: Isolierung mit DampfsperreInsulation with vapor barrier
1717: Nachspeisebehälter zur Bevorratung eines flüssigen KälteträgersMake-up container for storing a liquid coolant
1818: Förderpumpefeed pump
1919: SchwimmschalterFloat switch
2020: Verbindungsleitung zur AIR-SEP-DruckhaltestationConnecting line to the AIR-SEP pressure maintenance station
2121: Verbindungsleitung von der AIR-SEP-Druckhaltestation (via Entgasungsventil 6)Connecting line from the AIR-SEP pressure maintenance station (via degassing valve 6)
2222: DrucksensorPressure sensor
2323: SteuerungseinrichtungControl device
2424: Verbindungsleitung zum SystemConnection line to the system
2525: Verbindungsleitung von thermischer VorentgasungseinheitConnecting line from thermal pre-degassing unit
2626: Entleerungemptying
2727: thermische Vorentgasungseinheit (TVE)thermal pre-degassing unit (TVE)
2828: flüssigkeitsseitiger Raum TVE (unter Druck stehend)liquid-side space TVE (pressurized)
2929: Einschub für MagnetfilterSlot for magnetic filter
3030: Magnetfilter (Magnetstab), optionalMagnetic filter (magnetic rod), optional
3131: EntleerungsöffnungDrain opening
3232: HandlochHandhole
3333: HeizeinsätzeHeating inserts
3434: Elektrokasten zur Aufnahme der Steuerungseinrichtung (TVE und der vor der Expansions- und Entgasungseinheit 1 entnommenen Steuerung 23)Electrical box for accommodating the control device (TVE and the control 23 removed in front of the expansion and degassing unit 1)
3535: EIN-Anschluss (Verbindungsleitung vom System)ON connection (connecting line from the system)
3636: AUS-Anschluss (Verbindungsleitung 25 zur Expansions- und Entgasungseinheit)OFF connection (connecting line 25 to the expansion and degassing unit)
3737: TemperatursensorTemperature sensor
3838: Isolierung mit Dampfsperre,insulation with vapor barrier,
3939: Steuerleitung, elektrischControl line, electrical
4040: Verbindungsleitung vom TiefkältekreislaufConnecting line from the cryogenic circuit

Claims

System for a cryogenic cycle system operated with a liquid refrigerant for separating gases from the refrigerant, which has an expansion and degassing container divided into a liquid-side and an atmosphere-side space, the refrigerant being absorbed in the liquid-side space and air under atmospheric pressure in the atmosphere-side space and both spaces are separated from each other by means of a liquid and gas-tight membrane, which is so flexible that when filled, the liquid-side space almost fills the expansion and degassing container, characterized in that the expansion and degassing container is preceded by a thermal pre-degassing unit, which pre-degasses the coolant whose entry into the liquid-side space of the expansion and degassing container is preheated by means of a heating device in such a way that a presettable minimum temperature of the coolant at its entry into the expansion and degassing container is not fallen below.

System after Claim 1 , characterized in that gases separated in the thermal pre-degassing unit and transferred to the expansion and degassing container can be blown off from the expansion and degassing container after their pressure has been reduced to atmospheric pressure.

System after Claim 1 or 2 , characterized in that the heating device has electrically operating heating inserts.

System according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the heating device heats the coolant by ≥ 20 K.

System after Claim 3 or 4 , characterized in that the expansion and degassing container and the thermal pre-degassing unit can be regulated or controlled by means of a control device, by means of which the release and limitation of separated gas and the surface temperature of the heating inserts are regulated.

System according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that sludge or particles deposited on the bottom of the thermal pre-degassing unit and/or the expansion and degassing container can be discharged from the respective container via a drain connection via a sludge separation in the area of the bottom, with cleaning taking place by means of backwashing.

System after Claim 6 , characterized in that a magnetic filter for separating metallic particles is also provided.

System according to one of the Claims 5 until 7 , characterized in that the control device is attached to the thermal pre-degassing unit.

System according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the membrane is designed in the manner of an air-absorbing and air-emittable lung bag and has a flexibility such that it can be compressed to an internal volume of almost zero when the liquid-side space is essentially completely filled with coolant and has a negative pressure inside when it is empty of liquid Space conforms to the inside shape of the container on the inside of the expansion and degassing container.

System according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that a degassing valve is provided, which releases outgassing from the refrigerant in the liquid-side space into the environment and is designed as a mechanical self-closing valve with a re-ventilation barrier.

System according to one of the Claims 1 until 10 , characterized in that the expansion and degassing container has an overflow valve which connects the liquid-side space with the coolant of the cryogenic cycle system, the overflow valve being designed as a mechanical self-closing valve with a compression spring and adjusting screw.

Method for operating a system of a cryogenic cycle system according to Claims 1 until 11 with an expansion and degassing container, to which refrigerant is supplied from an upstream thermal pre-degassing unit by means of a control device via an overflow valve and in which a membrane in the manner of a lung bag is provided, which is connected to the ambient air via a connecting line, the pressure conditions in one liquid-side space sealed against outside air and in an atmosphere-side space are coordinated with one another in such a way that an amount of refrigerant removed under control by the control device and heated in the thermal pre-degassing unit causes a pressure reduction in the liquid-side space with further degassing of the refrigerant and a corresponding filling of the air-side space with air results and vice versa.