DE10393034B4 - Verhinderung von Ölverschleppung bei Heliumgasverdichtern - Google Patents

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Abstract

Heliumpumpkreislauf, umfassend einen Verdichter mit den nachfolgenden Merkmalen:
a) einem Hochdruckanschluss (16) und einem Niederdruckanschluss (18), die jeweils an eine versorgte Anlage (61, 67) angeschlossen sind, um die versorgte Anlage mit verdichtetem Helium zu versorgen (63) bzw. dieses von der Anlage wieder abzuleiten (65);
b) mit einem Sicherheitsventil (12), das so betrieben werden kann, dass es den Hochdruckanschluss in Reaktion auf ein voreingestelltes Druckdifferential mit dem Niederdruckanschluss verbindet;
c) einem Rückschlagventil (13), das zwischen einer Niederdruckseite des Sicherheitsventils und dem Niederdruckanschluss positioniert ist; und
d) einem Mittel zur Verhinderung von Ölverschleppung vom Verdichter zur versorgten Anlage (61, 67), welches im Kreislauf zwischen dem Niederdruckanschluss (18) und der versorgten Anlage (61, 67) positioniert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel einen druckbetätigten Schalter (51) im Kreislauf zwischen dem Rückschlagventil (13) und der versorgten Anlage (61, 67) umfasst, wobei der Schalter (51) so betreibbar ist, dass der...

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Wenn Heliumgas verdichtet wird, wird eine relativ große Menge Wärme erzeugt. Helium hat einen der höchsten spezifischen Wärmekapazitätsquotienten aller bekannten Gase (γ = Cp/Cv = 1,67 bei Helium). Wenn Helium verdichtet wird, muss ein sehr wirksamer Kühlmechanismus bereitgestellt werden. Andernfalls wäre es nicht möglich, die Verflüssigungstemperatur von Helium zu erreichen, und es wäre somit unmöglich, flüssiges Helium zu produzieren. In Anwendungen wie beispielsweise dem bildgebenden Magnetresonanzverfahren (MRI) kann es erforderlich sein, sehr niedrige Temperaturen zu erreichen, die sich in einer Größenordnung von 4 bis 10 K bewegen. Dies ist derzeit notwendig, um supraleitende Magnete im supraleitenden Zustand zu halten. Helium ist das einzige bekannte Gas, das bei derartigen Temperaturen flüssig bleibt, und dementsprechend müssen die mit der Verflüssigung von Helium zusammenhängenden Probleme toleriert werden.
  • Zwei alternative Verfahren sind bekannt, um die Wärme aus verdichtetem Helium zu entfernen. In einem Verfahren wird Helium schrittweise verdichtet, und das verdichtete Gas wird nach jedem Schritt gekühlt, indem es über gekühlte, wärmeableitende Rippen geleitet wird, z. B. wassergekühlte Rippen aus Metall. Im zweiten Verfahren wird Öl unter Druck unter das Helium gemischt. Die durch das Beaufschlagen des Heliums mit Druck erzeugte Wärme wird durch das Öl absorbiert. Das Öl muss aus dem Helium entfernt werden, bevor das Helium zur Kühlung genutzt wird, da das Öl erstarren und Probleme in kryogenen Anwendungen hervorrufen würde, wenn es einer Temperatur im fraglichen Bereich, d. h. in der Größenordnung von 4 bis 10 K, unterworfen wird.
  • Zum Stand der Technik können hierbei beispielhaft die deutschen Druckschriften DE 30 28 217 A1 , DE 37 50 621 T2 und DE 36 03 546 C2 genannt werden.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf das zweite Verfahren zum Verdichten und Kühlen, bei dem Öl unter das Helium gemischt wird.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines bekannten Heliumverdichters mit dem eingebauten Bypass-Sicherheitsventil 12. In kryogenen Betriebsprozessen, z. B. dem bildgebenden Magnetresonanzverfahren, ist es üblich, das Heliumgas mit Hilfe eines Heliumverdichters mit eingebautem Bypass-Sicherheitsventil zu verdichten. Eine derartige Vorrichtung wird als komplette Baugruppe mit Hochdruck-(HP) und Niederdruckanschluss (LP) 16, 18 hergestellt und geliefert. Das eingebaute Bypass-Sicherheitsventil 12 ist dazu vorgesehen, die Verdichterkapsel 14 vor Schäden zu bewahren, zu denen es andernfalls kommen könnte, wenn der HP-Anschluss 16 beispielsweise blockiert wird. Das eingebaute Bypass-Sicherheitsventil 12 reagiert auf ein Ansteigen des Differentialdrucks zwischen dem HP- und dem LP-Anschluss, indem es den HP-Anschluss 16 effektiv mit dem LP-Anschluss 18 verbindet. Dadurch wird der Gasweg 11 für das unter Druck stehende Helium bereitgestellt und eine Beschädigung der Verdichterkapsel 14 verhindert. Ein Rückschlagventil (NRV) 13 ist ebenfalls typischerweise zwischen dem LP-Anschluss 18 und dem Anschluss 15 des eingebauten Bypass-Sicherheitsventils vorgesehen. Dies soll ein Zurückströmen von Gas verhindern und außerdem verhindern, dass Gase und Verunreinigungen über das Bypass-Sicherheitsventil 12 den LP-Anschluss 18 erreichen. Der Ölseparator 17 ist in der Hockdruck-Ausgangsleitung der Verdichterkapsel 14 dafür vorgesehen, das Öl vom verdichteten Heliumgas zu trennen. Dieser Ölseparator kann das im Heliumgas vorhandene Öl nicht zu 100% zurückhalten; daher ist bekannt, dass ein Ölabsorber 19, z. B. Aktivkohle, entweder stromaufwärts vom HP-Anschluss 16 im Verdichter oder extern stromabwärts vom HP-Anschluss 16 bereitgestellt wird.
  • Ein bekannter Heliumpumpentyp ist unter der Bezeichnung "Spiralverdichter" bekannt. 2A bis 2D zeigen in schematischer Weise das Betriebselement eines Spiralverdichters. Der Spiralverdichter beinhaltet zwei ähnliche, konzentrische Spiralen 21, 23, von denen eine in die andere eingefügt ist. Spirale 23 bleibt feststehend, während Spirale 21 innerhalb der ersten Spirale kreist. Wie in 2A dargestellt, wird Gas in die Kompressionskammern 25, 25' gesaugt, wenn die Außenöffnungen 27, 27' offen sind. Während Spirale 21 kreist, werden – wie in 2B gezeigt – die Außenöffnungen 27, 27' geschlossen und die Kompressionskammern 25, 25' in die Spirale gezogen. Während Spirale 21 weiter auf ihrer Kreisbahn dreht, werden – wie in 2C gezeigt – die Kompressionskammern 25, 25' weiter in die Spirale gezogen und ihr Volumen reduziert, so dass das Gas in den Kammern 25, 25' verdichtet wird. Die Außenöffnungen 27, 27' werden wieder geöffnet, um die zusätzlichen Kompressionskammern 29, 29' dem Umgebungsgas auszusetzen. Die Kammern 25, 25' bewegen sich zum Mittelpunkt der Schnecke und werden zunehmend verdichtet, bis das Gas – wie in 2D gezeigt – in den Kammern den Höchstdruck in der Mitte des Verdichters erreicht. Dort wird das unter Hochdruck stehende Gas über einen Entladeanschluss 22 in die feststehende Schnecke 23 freigegeben. Die verschiedenen Kompressionskammern 25, 25', 29, 29' usw. gelangen nacheinander zum Entladeanschluss 22, während neue Kompressionskammern durch Öffnen und Schließen der Außenöffnung 27 geschaffen werden.
  • Obwohl der Spiralverdichter oben so beschrieben wird, dass er dazu dient, in der vorliegenden Erfindung Gas zu verdichten, wirkt er auf ein Gemisch von Helium und Öl ein, das nachfolgend als "Gas/Öl-Gemisch" bezeichnet wird.
  • Einleitung
  • Eine typische Anwendung für das vom Heliumverdichter in 1 produzierte verdichtete Helium besteht in der Versorgung eines Pulsrohrkühlers 61 für die Kühlung supraleitender MRI-Magnete. Ein Pulsrohrkühler bekannten Typs kann mit Heliumgas versorgt werden, das vom HP-Anschluss 16 kommend mit Hochdruck durch eine HP-Leitung 63 gepumpt wird, während ein Rückfluss von Heliumgas mit relativ niedrigem Druck durch eine LP-Leitung 65 zum LP-Anschluss 18 strömt. In diesem Kontext liefert der HP-Anschluss typischerweise Heliumgas mit einem Druck von ca. 2,4 MPa (24 Bar), während der LP-Anschluss typischerweise Heliumgas mit einem Druck von ca. 0,6 MPa (6 Bar) ableitet. Die vorhandenen Pulsrohrkühler arbeiten typischerweise mit einem Drehschiebermechanismus (RV-Mechanismus) 67. Eine Reihe wechselseitig drehender Scheiben definiert die Ventilöffnungs- und Schließzeitpunkte sowie die Ventildüsenabmessung. Derartige Anordnungen stellen die korrekte und unveränderliche Zeitablauf- und Abmessungsbeziehung zwischen den verschiedenen im Drehschiebermechanismus 67 ausgeformten Ventilen sicher. Im vorliegenden Kontext würden sowohl der LP- als auch der HP-Port an mindestens ein Ventil des Drehschiebermechanismus angeschlossen.
  • Der HP-Anschluss und der LP-Anschluss sind typischerweise über einen relativ langen flexiblen Schlauch 63, 65 an den Pulsrohrkühler angeschlossen. Im Rahmen entwicklungsspezifischer Versuche für den Pulsrohrkühler des Patentanmelders wurde festgestellt, dass einige Kaltköpfe von Pulsrohrkühlern mit Drehschiebern und flexiblen Leitungen im Verlauf der Zeit mit Verdichteröl geflutet wurden. Da dies in vier Systemen geschah, konnte nicht mehr von einem Zufallsereignis ausgegangen werden. Daraufhin wurden Versuche durchgeführt, um den Mechanismus der Ölverschleppung zu verstehen. Die vorliegende Erfindung bietet Mittel und Verfahren, um die Probleme, die bei Verdichter-/Pulsrohrkühler-Baugruppen nach dem bisherigen Stand der Technik auftreten, zu überwinden oder zumindest zu mildern, und die vorliegende Erfindung kann auf jedes System angewendet werden, bei dem der HP-Anschluss und der LP-Anschluss eines Heliumverdichters mit eingebautem Bypass-Sicherheitsventil an einen Ventilmechanismus angeschlossen ist.
  • Vor der bisherigen Erfindung wurde davon ausgegangen, dass die wahrscheinlichste Ursache für das Vorhandensein von Öl in den flexiblen Rohren die Ineffizienz des an den HP-Anschluss 16 angeschlossenen Ölabsorbers 19 sei.
  • Bei einer anfänglichen Untersuchung war – wie in 1 dargestellt – die flexible Leitung 65 zum Pulsrohrkühler (PTR) 20 Meter lang. Der Druck in der HP-Leitung 63 wurde von 2,4 MPa (24 Bar) auf 2,9 MPa (29 Bar) in Schritten von 0,1 MPa (1 Bar) erhöht und während jedes Schritts 4 bis 6 Stunden lang gehalten. Nach jedem Schritt wurde die zwei Meter lange LP-Leitung 65 einer Restgasanalyse (RGA) unterzogen, um nach Ölspuren in der Leitung zu suchen. Die untersuchte flexible Leitung wurde auf ca. 200°C erwärmt. In einer Öl enthaltenden Leitung wurden sehr umfangreiche CO- und CO2-Spuren ermittelt, die auf eine Aufspaltung des Öls innerhalb des untersuchten Rohrs hindeuteten.
  • Der PTR wurde für jeden Versuch in Betrieb genommen und hatte ohne Last eine Temperatur von 10 K in der zweiten Phase. Anschließend wurde der PTR dann Heizlasten von 40 W und 6 Watt in seiner ersten bzw. zweiten Phase unterworfen. Es konnte jedoch unter keiner dieser Bedingungen Öl ermittelt werden. Das Gas konnte immer im Gaskreislauf 63, 67, 65 vom HP-Anschluss 16 zum LP-Anschluss 18 zirkulieren.
  • Es ist bekannt, dass verschiedene Fehlerbedingungen dazu führen können, dass der Drehschieber (RV) 67 stoppt, während der Heliumverdichter weiter arbeitet. Unter diesen Bedingungen steigt der Heliumdruck in der HP-Leitung auf einen relativ hohen Wert, z. B. 2,9 MPa (29 Bar), während der Heliumdruck in der LP-Leitung auf einen – relativ gesehen – sehr niedrigen Wert, z. B. 0,15 MPa (1,5 Bar), fällt.
  • Es wurde eine weitere Untersuchung zu der Frage angestellt, welche Auswirkungen es hat, wenn der Drehschieber 67 stoppt, während der Verdichter noch in Betrieb ist, nachdem der PTR-Kaltkopf gekühlt wurde. Sobald der Drehschieber stoppt, steigt der Heliumdruck in der HP-Leitung 63 und innerhalb der angeschlossenen Verdichterbauteile. Rate und Größenordnung dieses Anstiegs hängen von der Stoppposition des Drehschiebers 67 ab. Wenn der HP-Anschluss 16 am PTR in der Stoppposition angeschlossen ist, steigt der Druck in der HP-Leitung nicht sehr hoch. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass das komplette PTR-Volumen am Verdichter anliegt. Wenn jedoch der LP-Anschluss an den Verdichter angeschlossen ist, während der Drehschieber in Stoppposition ist, steigt der Druck in der HP-Leitung sehr hoch. Wenn der LP-Anschluss an den Verdichter angeschlossen ist, wird der Gasdruck in der gesamten LP-Leitung vom Verdichter auf einen sehr niedrigen Wert reduziert.
  • Während der Untersuchung wurde der Drehschieber 67 in einer Position gestoppt, die den Verdichterdruck und den Druck in der HP-Leitung auf 2,8 bis 2,9 MPa (28 bis 29 Bar) ansteigen ließ, und der Verdichter wurde in diesem Zustand ein bis zwei Tage lang betrieben.
  • Es wurde jedoch beobachtet, dass die HP-Leitung nur nach längerem Erwärmen eine Ölspur in der Leitung aufwies, während die LP-Leitung fast sofort eine Ölspur aufwies, sobald sie erwärmt wurde. Dieses unerwartete und überraschende Ergebnis ließ den Schluss zu, dass das im Pulsrohrkühler (PTR) 61 und den flexiblen Schläuchen 63, 65 ankommende Öl vom Verdichter zur LP-Leitung verschleppt wurde, wobei es zuerst den Widerstand des Rückschlagventils überwand und dann während des Betriebs über den PTR-Kaltkopf zur HP-Leitung gelangte. Diese Schlussfolgerung wurde im Versuch überprüft und führte zur vorliegenden Erfindung, die verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bereitstellt, um zu verhindern, dass Öl das Rückschlagventil passiert und durch den LP-Anschluss gelangt.
  • Eine weitere Untersuchung wurde durchgeführt, um den Mechanismus der Ölverschleppung aufzudecken. Ein Manometer wurde an das ferne Ende der 2 Meter langen flexiblen LP-Leitung 33 angeschlossen, während das andere Ende an den LP-Anschluss 18 des Verdichters angeschlossen wurde. Der HP-Anschluss 16 des Verdichters blieb ohne Anschluss und wurde daher blockiert. Der anfängliche Druck in der LP-Leitung betrug 0,15 MPa (1,5 Bar). Der Verdichter lief zwei oder drei Tage lang mit einem hohen HP-Leitungsdruck von 2,8 bis 2,9 MPa (28 bis 29 Bar). Dadurch arbeitete der Verdichter im Wesentlichen in einer internen Bypass-Situation, wobei der einzige Gasstrom von der HP-Leitung über das eingebaute Bypass-Sicherheitsventil 12 zur LP-Leitung verlief. Es wurde festgestellt, dass der Druck in der LP-Leitung im Verlauf der Zeit auf 0,4 MPa (4 Bar) anstieg, und zwar auf Grund des Gas/Öl-Gemischs, das durch das eingebaute Bypass-Sicherheitsventil 12 strömte, ohne den Ölabsorber 19 zu passieren. Das Gas/Öl-Gemisch gelangt dann in die Verzweigung 15. Am LP-Anschluss 18 herrscht ein relativ niedriger Druck. Wenn der Druck an der Verzweigung 15 auf Grund des Eintritts des unter hohem Druck stehenden Gas/Öl-Gemischs von der HP-Leitung durch das eingebaute Bypass-Sicherheitsventil 12 genügend ansteigt, kann es möglich sein, dass ein wenig von diesem Gas/Öl-Gemisch durch das Rückschlagventil zum und durch den LP-Anschluss 18 in die LP-Leitung 65 gelangt. Die 2 Meter lange Leitung 33 wies Ölspuren auf, wenn sie mittels Restgasanalyse (RGA) untersucht wurde. Dies galt als Bestätigung für die These, dass das Gas/Öl-Gemisch das Rückschlagventil passieren konnte. Im Lauf der Zeit konnte so eine erhebliche Menge Öl zur flexiblen LP-Leitung 65 und dann zum Kaltkopf des PTR 61 gelangen.
  • Um dieses Ergebnis zu bestätigen, wurde der Versuch wiederholt, nachdem die HP- und die LP-Leitung 63, 65 an das PTR 61 angeschlossen worden waren und der Verdichter gestartet worden war. Der Drehschieber 67 wurde dann gestoppt und so eine Fehlerbedingung simuliert. Sobald der Drehschieber 67 stoppte, fiel der Druck in der LP-Leitung auf 0,15 bis 0,2 MPa (1,5 bis 2 Bar), und der Druck im Verdichter und in der HP-Leitung stieg auf 2,8 bis 2,9 MPa (28 bis 29 Bar). Diese Bedingungen ähnelten denen im früheren Versuch, was die Gültigkeit dieses Versuchs bestätigte.
  • Die vorliegende Erfindung besteht teilweise in der Erkenntnis, dass Ölwanderung vom Verdichter zum PTR verhindert oder zumindest wesentlich reduziert werden kann, indem die Ölverschleppung von der LP-Seite des Verdichters verhindert wird, insbesondere während des Stoppens des Drehschiebers 67, während der Verdichter noch läuft. Unter diesen Umständen wandert ein Gas/Öl-Gemisch auf Grund von hohem Druckgefälle zwischen dem Verdichterdruck und dem niedrigen Druck in der LP-Leitung 65 des PTR vom Verdichter über das Rückschlagventil 13 zum PTR 61. Dieser Zustand sollte daher – wenn möglich – vermieden werden. Erfindungsgemäss wird dies nun durch einen Heliumpumpkreislauf vermieden, umfassend einen Verdichter mit den nachfolgenden Merkmalen:
    • a) einem Hochdruckanschluss (16) und einem Niederdruckanschluss (18), die jeweils an eine versorgte Anlage (61, 67) angeschlossen sind, um die versorgte Anlage mit verdichtetem Helium zu versorgen (63) bzw. dieses von der Anlage wieder abzuleiten (65);
    • b) mit einem Sicherheitsventil (12), das so betrieben werden kann, dass es den Hochdruckanschluss in Reaktion auf ein voreingestelltes Druckdifferential mit dem Niederdruckanschluss verbindet;
    • c) einem Rückschlagventil (13), das zwischen einer Niederdruckseite des Sicherheitsventils und dem Niederdruckanschluss positioniert ist; und
    • d) einem Mittel zur Verhinderung von Ölverschleppung vom Verdichter zur versorgten Anlage (61, 67), welches im Kreislauf zwischen dem Niederdruckanschluss (18) und der versorgten Anlage (61, 67) positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel einen druckbetätigten Schalter (51) im Kreislauf zwischen dem Rückschlagventil (13) und der versorgten Anlage (61, 67) umfasst, wobei der Schalter (51) so betreibbar ist, dass der Schalter (51) den Betrieb des Verdichters in Reaktion auf einen Gasdruck am Niederdruckanschluss (18) stoppt, wenn dieser Gasdruck unter einen voreingestellten Wert fällt, wobei der voreingestellte Wert niedriger als der Mindestdruck am Niederdruckanschluss (18) während des Normalbetriebs ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Verfahren und Vorrichtungen bereitgestellt, um den Effekt dieses Zustands zu reduzieren, falls er eintritt.
  • Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen bereit, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen 1 und 6 dargelegt werden.
  • Die oben genannten und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich aus den Überlegungen erkennen, die in der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung enthalten sind, die lediglich in Form nicht erschöpfender Beispiele dargestellt werden, und zwar in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, wobei:
  • 1 einen bekannten Heliumverdichter zeigt, der einen dem Stand der Technik entsprechenden Pulsrohrkühler mit verdichtetem Helium versorgt;
  • 2 die Funktionsweise eines bekannten Spiralverdichters zeigt, der dem Stand der Technik entspricht;
  • 3 das System aus 1 zeigt, das entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angepasst ist;
  • 4 das System aus 1 zeigt, das entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angepasst ist; und
  • 5 das System aus 1 zeigt, das entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angepasst ist.
  • 3 zeigt eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verhinderung von Ölverschleppung vom Heliumverdichter durch die Niederdruckleitung, die einen an sich bekannten Ölabscheider in einer neuartigen und erfinderischen Positionierung in Position 31 innerhalb der LP-Leitung 65 zwischen dem Verdichter und dem Drehschieber beinhaltet.
  • Der Ölabscheider ist an den Verdichter in der LP-Leitung mit Hilfe einer zwei Meter langen flexiblen Leitung 33 auf der einen Seite und einer zwanzig Meter langen flexiblen Leitung 32 auf der anderen Seite angeschlossen. Der Anfangsdruck in den flexiblen Leitungen 32, 33 wurde auf 0,15 MPa (1,5 Bar) gehalten. Dieses Ausführungsbeispiel wurde praktisch geprüft, indem der Verdichter bei einem sehr hohen Druck von 2,8 bis 2,9 MPa (28 bis 29 Bar) im integrierten Bypass-Modus betrieben wurde. Es wurde festgestellt, dass die Druckanzeige des Manometers im Verlauf der Zeit anstieg. Der Verdichter wurde mehrere Tage Lang bei einem hohen Druck von ca. 2,8 MPa (28 Bar) betrieben. Die Restgasanalyse der 2-m-Leitung 33 ergab nach drei Betriebstagen eine Ölverunreinigung, während die 20-m-Leitung 32 jenseits des Ölabscheiders in Position 31 keine Ölspuren aufwies. Dieser Versuch bestätigte also die zufriedenstellende Anwendung des Ölabscheiders – gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung – über den betreffenden Zeitraum zur Verhinderung von Ölverschleppung von der Heliumpumpe.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein zweiter Ölabsorber, der dem Ölabsorber 19 ähnelt, in Position 31 an Stelle des oben behandelten Ölabscheiders positioniert.
  • Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Ölverschleppung vom Verdichter zum PTR reduziert, indem ein Gasbehälter in Position 31 in der LP-Leitung 65 an Stelle des oben behandelten Ölabsorbers oder Ölabscheiders positioniert wird. Dieser Behälter vermindert das Druckgefälle über das Rückschlagventil 13, wenn der Drehschieber stoppt. Die Größenordnung dieser Druckgefälleminderung ist abhängig vom Volumen dieses Gasbehälters.
  • Bestimmte bekannte Heliumverdichter, z. B. SHI- und Cryomech-Verdichter, werden mit einem eingebauten Gasbehälter mit einem Ölabsorber/-filter in der LP-Leitung ausgeliefert. Andere, z. B. die Leybold- und APD-Verdichter, haben dieses Leistungsmerkmal nicht.
  • Gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein kombinierter Gasbehälter und Ölabsorber in Position 31 in der LP-Leitung 65 positioniert. Dies soll dazu dienen, das Ölverschleppungsproblem sowohl zu verhindern als auch zu kontrollieren. Das Leistungsmerkmal "Gasbehälter" dient der Senkung des Druckdifferentials über das Rückschlagventil, so dass die Wahrscheinlichkeit reduziert wird, dass das Gas/Öl-Gemisch durch das Rückschlagventil dringt. Das Leistungsmerkmal "Absorber" verhindert, dass Öl, das ggf. durch das Rückschlagventil dringt, weiter längs der LP-Leitung zum PTR gelangen kann.
  • Gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird – wie in 4 dargestellt – ein Niederdruckschalter 51 in der LP-Leitung hinter dem Rückschlagventil bereitgestellt. Wenn der Drehschieber 67 aus irgendeinem Grund stoppt, fällt der Druck in der LP-Leitung rapide von seinem gewöhnlichen Niveau von 0,5 bis 0,6 MPa (5 bis 6 Bar) ab. Der Schalter 51 reagiert auf den Druckabfall in der LP-Leitung und stoppt den Verdichter, sobald der Druckabfall erfasst wird. Dies verhindert, dass sich ein großes Druckdifferential über das Rückschlagventil 13 aufbaut, und reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass das Gas/Öl-Gemisch durch das Rückschlagventil 13 dringt. Da der Schalter 51 so ausgelegt sein sollte, dass er möglichst rasch reagiert, wird er vorzugsweise so konstruiert, dass er auf einen relativ geringen Druckabfall in der LP-Leitung reagiert. Der Schalter kann beispielsweise aktiviert werden und veranlassen, dass die Verdichterkapsel 14 durch einen LP-Leitungsdruck von 0,5 MPa (5 Bar) gestoppt wird.
  • Beim Schalter 51 kann es sich um jeden Schalter handeln, der bei Temperatur- und Druckwerten arbeiten kann, die wahrscheinlich in einem Heliumverdichter anzutreffen sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druckschalter 51 ein elektrischer Schalter, der bei Betätigung durch einen ungewöhnlich niedrigen Druck in der LP-Leitung veranlasst, dass die Spannungsversorgung der Verdichterkapsel unterbrochen wird, so dass der Verdichterbetrieb gestoppt wird.
  • In einer Versuchen unterzogenen Ausführungsform wurde ein druckbetätigter Schalter 51 (ein Produkt der Firma Barksdale Control Products GmbH, Typ UDS 7) auf der LP-Seite montiert, bevor der LP-Anschluss eines Leybold-Verdichters angeschlossen wurde. LP-Anschluss 16 und HP-Anschluss 18 des Heliumverdichters wurden an einen Pulsrohrkühler 61 angeschlossen, in diesem Fall das Modell 10 K OMT PTR 1030207. Um einen geeigneten Schaltdruck für den druckbetätigten Schalter 51 ermitteln zu können, wurde der Niederdruck-Abschaltwert für das System, der eintritt, wenn der PTR warmgelaufen ist, festgelegt. Es zeigte sich, dass bei einem statischen Ladedruck von 1,4 MPa (14 Bar) auf der Anzeige des Verdichtermanometers ein dynamischer Mindestdruck von 0,51 MPa (5,1 Bar) und ein dynamischer Höchstdruck von 2,4 MPa (24 Bar) erreicht wurden. Die Druckwerte veränderten sich unter dynamischen Bedingungen bei niedrigeren Temperaturen mit Wärmelasten von 50 W in der ersten Phase des PTR und 6 W in der zweiten Phase des PTR in einen Mindestdruck von 0,63 MPa (6,3 Bar) und einen Höchstdruck von 2,2 MPa (22 Bar). Eine Druckschaltereinstellung von 0,51 MPa (5,1 Bar) wurde daher als geeignet angesehen.
  • Sobald die Einstellung des Niederdruckschalters festgelegt worden war, wurden wiederholt Versuche durchgeführt, um die Wiederholbarkeit des Schaltens des Druckschalters 51 zu bestimmen und um eine geeignete Ausschaltverzögerung für die Verdichterkapsel 14 zu erhalten. In jedem Versuchszyklus wurde – nachdem der PTR 61 in Betrieb genommen war – der Drehschieber 67 gestoppt, indem die Spannungsversorgung für den Drehschieberantrieb unterbrochen wurde. Der druckbetätigte Schalter 51 wurde so eingestellt, dass er bei 0,51 MPa (5,1 Bar) aktiviert wurde. Der Druckanstieg in der HP-Leitung und der Druckabfall in der LP-Leitung wurden aufgezeichnet. Die Zeitverzögerung vom Stoppen des Drehschiebers bis zum Stoppen des Verdichters wurde gemessen. Dieser Zyklus wurde fünf Mal wiederholt. In allen Fällen stoppte der Verdichter innerhalb von fünf Sekunden nach dem Stoppen des Drehschiebers. Der Druck in der HP-Leitung stieg auf max. 2,55 MPa (25,5 Bar) an. Dies genügte nicht, um zu veranlassen, dass das eingebaute Bypass-Sicherheitsventil 12 aktiviert wurde und Öl durch das Rückschlagventil 13 gelangte. Nach diesen Versuchen wurde der LP-Anschluss 18 des Verdichters auf Öl untersucht. Bei der Sichtprüfung konnte kein Öl festgestellt werden. Das System zeigte zudem weder Spuren von Öl noch eine Leistungsverschlechterung des PTR. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass der druckbetätigte Schalter 51 den Verdichter fast sofort gestoppt und so jede Möglichkeit verhindert hatte, dass Öl von der LP-Leitung des Verdichters zum PTR-Kaltkopf verschleppt wurde. Der Schalterbetätigungsdruck von 0,51 MPa (5,1 Bar) wurde daher als für die Ausführungsform, die diesen Versuchen unterzogen wurde, geeignet befunden. Damit wurde nachgewiesen, dass der druckbetätigte Schalter 51 zufriedenstellend funktionierte.
  • Der Schalterbetätigungsdruck sollte jedoch sorgfältig ausgewählt werden. Der Lade- oder Fülldruck des PTR sollte korrekt sein, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Druckschalters mit dem ausgewählten Schalterbetätigungsdruck aufrecht zu erhalten. Wenn der statische Fülldruck niedriger als der empfohlene Standardwert oder – genauer ausgedrückt – der Wert ist, der bei der Bestimmung des Druckschalter-Betätigungsdrucks verwendet wird, kann der Verdichter während des Hochfahrens auf Grund der unerwarteten Betätigung des druckbetätigten Schalters 51 stoppen. Und wenn der statische Fülldruck zu hoch ist, könnte die für das Stoppen des Verdichters erforderliche Zeitverzögerung verlängert werden, und der Verdichter kann dann in den Bypass-Modus wechseln, wenn der Drehschieber stoppt. Dies würde wiederum die Betätigung des eingebauten Bypass-Sicherheitsventils 12 sowie die mögliche Verunreinigung der LP-Leitung mit Gas/Öl-Gemisch nach sich ziehen, das durch das Rückschlagventil 13 dringt.
  • Gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird – wie in 5 dargestellt – ein eingebautes Bypass-Sicherheitsventil 12 mit einem eigenen Rückstromkanal 55 zur Verdichterkapsel 14 vorgesehen. Auf diese Weise gelangt ein Gas/Öl-Gemisch auf Grund von übermäßigem Druck in der HP-Leitung 63 – z. B. im Fall eines gestoppten Drehschiebers 67 an einem angeschlossenen Gerät 61 – durch das eingebaute Bypass-Sicherheitsventil 12 direkt zur Verdichterkapsel 14 und kann das Rückschlagventil 13 oder die LP-Leitung 65 nicht erreichen. Gas/Öl-Gemisch, das durch das eingebaute Bypass-Sicherheitsventil 12 gelangt, hat einen relativ hohen Druck, der viel höher ist als der Druck in der LP-Leitung 65. Um das Gas/Öl-Gemisch daran zu hindern, durch die Verdichterkapsel 14 in die LP-Leitung 65 zu strömen, ist der Rückstromkanal 55 an die Verdichterpumpe, z. B. die in 2A bis 2D dargestellte Spiralpumpe, angeschlossen, und zwar an einer Stelle mit relativ hohem Druck, die näher am Zentrum der Spiralen ist als die Öffnungen 27, 27', die das Gas vom LP-Anschluss 18 aufnehmen. Der Rückstromkanal 55 ist vorzugsweise mit einem eigenen Verteiler an den Verdichter angeschlossen, der sich tief im Innern des Verdichters befindet. Da das Heliumgas im Verdichter mit Öl gemischt ist, ist die Tatsache, dass der Rückstromkanal 61 ein Gas/Öl-Gemisch liefert, unproblematisch. Ein Nachteil dieser besonderen Ausführungsform besteht darin, dass an der Verdichterkapsel Modifikationen erforderlich sind.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von besonderen Ausführungsformen beschrieben wurde, sind innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Patentansprüche zahlreiche Änderungen und Abweichungen an der Erfindung möglich. Bestimmte dieser Ausführungsformen lassen sich kombinieren. So kann ein Ölabscheider oder ein Gasbehälter/Abscheider in der LP-Leitung stromaufwärts vom Druckschalter positioniert werden. Die vorliegende Erfindung kann nutzbringend in jeder Situation Anwendung finden, in der ein Heliumverdichter verdichtetes Helium über ein Ventilsystem an eine Anlage liefert. Obwohl die Erfindung so speziell unter Bezugnahme auf Pulsrohrkühler beschrieben wurde, die mit einem Drehschieber betrieben werden, kann sie auch nutzbringend in jeder anderen ventilgesteuerten Anlage Anwendung finden.

Claims (6)

  1. Heliumpumpkreislauf, umfassend einen Verdichter mit den nachfolgenden Merkmalen: a) einem Hochdruckanschluss (16) und einem Niederdruckanschluss (18), die jeweils an eine versorgte Anlage (61, 67) angeschlossen sind, um die versorgte Anlage mit verdichtetem Helium zu versorgen (63) bzw. dieses von der Anlage wieder abzuleiten (65); b) mit einem Sicherheitsventil (12), das so betrieben werden kann, dass es den Hochdruckanschluss in Reaktion auf ein voreingestelltes Druckdifferential mit dem Niederdruckanschluss verbindet; c) einem Rückschlagventil (13), das zwischen einer Niederdruckseite des Sicherheitsventils und dem Niederdruckanschluss positioniert ist; und d) einem Mittel zur Verhinderung von Ölverschleppung vom Verdichter zur versorgten Anlage (61, 67), welches im Kreislauf zwischen dem Niederdruckanschluss (18) und der versorgten Anlage (61, 67) positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel einen druckbetätigten Schalter (51) im Kreislauf zwischen dem Rückschlagventil (13) und der versorgten Anlage (61, 67) umfasst, wobei der Schalter (51) so betreibbar ist, dass der Schalter (51) den Betrieb des Verdichters in Reaktion auf einen Gasdruck am Niederdruckanschluss (18) stoppt, wenn dieser Gasdruck unter einen voreingestellten Wert fällt, wobei der voreingestellte Wert niedriger als der Mindestdruck am Niederdruckanschluss (18) während des Normalbetriebs ist.
  2. Heliumpumpkreislauf nach Anspruch 1, bei dem besagtes Mittel einen Ölabscheider umfasst, der im Kreislauf zwischen dem Niederdruckanschluss und der versorgten Anlage angeordnet ist.
  3. Heliumpumpkreislauf nach Anspruch 1, bei dem besagtes Mittel einen Ölabsorber beinhaltet, der im Kreislauf zwischen dem Niederdruckanschluss und der versorgten Anlage angeordnet ist.
  4. Heliumpumpkreislauf nach Anspruch 1, bei dem besagtes Mittel einen Gasbehälter beinhaltet, der im Kreislauf zwischen dem Niederdruckanschluss und der versorgten Anlage angeordnet ist.
  5. Heliumpumpkreislauf nach Anspruch 1, bei dem besagtes Mittel eine Kombination aus Gasbehälter und Ölabsorber beinhaltet, der im Kreislauf zwischen dem Niederdruckanschluss und der versorgten Anlage angeordnet ist.
  6. Verfahren zur Verhinderung der Ölverschleppung von einem Heliumverdichter zu einer versorgten Anlage (61, 67), umfassend die folgenden Schritte: a) Versorgen (63) der versorgten Anlage mit verdichtetem Helium über einen Hochdruckanschluss (16); b) Rückleiten (65) von verdichtetem Helium durch einen Niederdruckanschluss (18) von der versorgen Anlage; c) Betätigen eines Bypass-Sicherheitsventils (12) in Reaktion auf einen Differentialdruck, der einen voreingestellten Wert überschreitet, so dass erlaubt wird, dass mit Öl verunreinigtes verdichtetes Helium vom Hochdruckanschluss (16) auf der Niederdruckseite zur versorgten Anlage (61, 67) gelangt; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter den Schritt umfasst zu verhindern, dass mit Öl verunreinigtes verdichtetes Helium vom Niederdruckanschluss (18) zur versorgten Anlage (61, 67) gelangt, indem ein druckbetätigter Schalter (51) in einem Kreislauf zwischen dem Niederdruckanschluss (18) und der versorgten Anlage vorgesehen wird, wobei besagter Schalter so funktioniert, dass der Betrieb des Verdichters in Reaktion darauf gestoppt wird, dass der Gasdruck am Niederdruckanschluss unter einen voreingestellten Wert fällt, wobei der voreingestellte Wert niedriger als der Mindestdruck am Niederdruckanschluss während des Normalbetriebs ist.
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