DE1279887B

DE1279887B - Verfahren zum Aufrechterhalten des Vakuums eines umschlossenen Raumes

Info

Publication number: DE1279887B
Application number: DEA47328A
Authority: DE
Inventors: Emile Carbonell; Monique Martin
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1963-10-14
Filing date: 1964-10-14
Publication date: 1968-10-10
Also published as: BE654085A; US3362174A; GB1073928A; NL6411947A; FR1388726A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F04b

Deutsche KL: 27 d-6/02

Nummer. 1279 887

Aktenzeichen: P 12 79 887.7-15 (A 47328)

Anmeldetag: 14. Oktober 1964

Auslegetag: 10. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufrechterhalten des Vakuums eines umschlossenen Raumes mittels Kältezufuhr, wie es beispielsweise angewendet wird, um Gasabströmungen mit hohem Durchsatz zwecks aerodynamischer Studien zu gewährleisten. Bei den Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren ist die für die schnelle Strömung vorgesehene Leitung regelmäßig einerseits an eine Quelle des betreffenden Gases und andererseits an einen Vakuumraum angeschlossen, der im allgemeinen mit »Cryopumpe« bezeichnet wird. In diesem Raum herrscht gewöhnlich ein Vakuum von mindestens 0,1 bis 0,01 mbar.

Es ist bekannt, bei Vakuumpumpen, z. B. für die Herstellung von Trockengleichrichtern, kondensierbare Gase oder Dämpfe durch künstlich gekühlte Kondensationsflächen zu entfernen. Des weiteren ist in der Kältetechnik bekannt, daß zum Trocknen der Luft feste Ablagerungen von Wasserdampf durch Wiedererwärmen bis zum Taupunkt des Wassers aus dem Wärmeaustauscher entfernt werden, in dem sich die Ablagerungen bilden.

Die Ablagerung des die Strömung bildenden Gases erfolgt im allgemeinen auf Metallplatten in gutem thermischem Kontakt mit Kanälen, in denen ein verflüssigtes Kältemittel umläuft, das aus einem flüchtigeren Gas als das in festem Zustand niederzuschlagende Gas besteht. Es können ein oder mehrere andere Kältemittel verwendet werden, um eine Vorabkühlung des in den Vakuumraum eindringenden Gases zu erzielen. Wenn man beispielsweise eine Stickstoffströmung hervorrufen will, kann man dieses Gas nach einer ersten Abkühlung durch Wärmeaustausch mit flüssigem Stickstoff durch weiteren Wärmeaustausch mit flüssigem Wasserstoff verfestigen. Wenn man eine Wasserstoffströmung hervorrufen will, kann man den Wasserstoff nach einer ersten Abkühlung durch Wärmeaustausch mit flüssigem Wasserstoff und gegebenenfalls flüssigem Stickstoff durch weiteren Wärmeaustausch mit flüssigem Helium verfestigen.

Der Wärmeübergang von dem zu verflüssigenden Gas zu dem flüchtigeren Kältemittel wird jedoch schlechter, sobald die feste Schicht auf den Wärmeaustauschplatten eine gewisse Dicke erreicht hat und so die Gasansaugleistung der Cryopumpe sinkt.

Ferner ist es zum Zweck des Regenerierens der Wärmeaustauscheinrichtung bekannt, die durch Kondensation niedergeschlagenen, festen Ablagerungen durch periodisches Entfrosten und Abziehen im flüssigen Zustand aus dem Vakuumraum zu entfernen. Die gebildete Flüssigkeit wird dann aus dem Raum abgesaugt und diese von neuem evakuiert, und der Verfahren zum Aufrechterhalten des Vakuums
eines umschlossenen Raumes

Anmelder:

Societe Anonyme L'Air Liquide, Paris

Vertreter:

Dr. H.-H. Willrath, Patentanwalt,
6200 Wiesbaden, Hildastr. 18

Als Erfinder benannt:

Emile Carboneil,

Monique Martin, Sassenage, Isere (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 14. Oktober 1963 (950 527) -

Kreislauf der Kältemittel kann dann erneut in Betrieb gesetzt werden. Soll ein kontinuierlicher Betrieb der Cryopumpe gewährleistet sein, so können zwei Vakuumräume parallel geschaltet werden, von denen jeweils einer in Betrieb ist, während der andere regeneriert wird. In beiden Fällen bringt das periodische Regenerieren der Wärmeaustauschplatten des Raumes einen erheblichen Kälteverlust und mithin einen beträchtlichen Energieverbrauch mit sich, da der Raum nach jedem Regenerieren wieder neu abgekühlt werden muß. Da die Abkühlung von einer höheren Temperatur als die Schmelztemperatur des in festem Zustand niederzuschlagenden Gases bis auf eine solche Temperatur erfolgen muß, daß der Sublimationsdampfdruck des Gases nicht einen bestimmten Wert überschreitet, muß die Temperaturerniedrigung ein Mehrfaches von 10° C betragen bei einem Temperaturniveau (beispielsweise Verflüssigungspunkt von Wasserstoff oder Helium), bei dem irgendeine Kälteerzeugung einen hohen Energieverbrauch erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufrechterhalten des Vakuums in einem an eine Gasquelle angeschlossenen Raum zu schaffen, bei dem der zum ordnungsgemäßen Betrieb der Cryopumpe erforderliche Energieaufwand wesentlich herabgesetzt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einem Verfahren zum Aufrechterhalten des Vakuums in einem Raum, der an eine Gasquelle angeschlossen

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ist, durch Ablagerung des in den Raum eintretenden bildet wird. Der Sumpf ist durch ein Abzugsventil 9 Gases in festem Zustand auf einer Kältezufuhrvor- oder 10 und Leitungen 17,18,19 an den Speicherberichtung durch mittelbaren Wärmeaustausch mit min- halter 20 für flüssigen Stickstoff angeschlossen. Eine destens einem Kältemittel, wobei die festen Ablage- Schlange TA bzw. %A w. dem Sumpf gestattet, das rangen des Gases auf der Kältezufuhrvorrichtung 5 Schmelzen von Stickstoffblöcken sicherzustellen, die periodisch zumindest zum Teil durch Erwärmen der sich von den Platten vor dem vollständigen Schmelzen Vorrichtung verflüssigt, aus dem Raum abgezogen ablösen und die Gefahr bieten, daß sie die Ventile und verdampft werden. Die Lösung besteht dann er- oder Abzugsleitungen verstopfen. Andererseits sind findungsgemäß darin, daß die sich bei dieser Ver- die Sümpfe 7 und 8 durch Ventile 11 und 12 und dampfung ergebende Kälte auf mindestens einen unter io Leitungen 13 und 14 an eine Vakuumpumpe 15 ange-Vakuum zu haltenden Raum übertragen wird. Die schlossen, die das vorher in der Cryopumpe einge-Erfindung gestattet es, einen erheblichen Anteil der- stellte Vakuum im Augenblick des Inbetriebsetzens jenigen Kälte zurückzugewinnen, die bisher für den sicherstellen und fortlaufend die nicht kondensier-Betrieb der Cryopumpe verloren war, weil die durch baren Gase, wie Neon, Wasserstoff und Helium, bedas Schmelzen der festen Niederschläge auf den 15 seitigen soll, die in dem abzupumpenden Stickstoff Wärmeaustauschplatten im Verlauf des Regenerierens enthalten sind. Schließlich kann die Kälteisolierung gebildete Flüssigkeit abgelassen werden muß. Die Er- der Cryopumpen mit Hilfe von nicht dargestellten findung gestattet es außerdem, daß Verflüssigen des Doppelwänden gewährleistet werden, die, mit einer flüchtigsten Kältemittels zu erleichtern, das dazu Schlange gefüllt, flüssigen Stickstoff aufnehmen,
dient, das in die Cryopumpe einzusaugende Gas zu 20 Der Stickstoffkreis, der zum Erzielen der vorher verfestigen. eingestellten Abkühlung des in der Cryopumpe abzu-Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wei- lagernden Stickstoffs bis auf eine Temperatur von sen außerdem die folgenden Merkmale auf: ungefähr 90° K dient, ist in bekannter Art ausgeführt.

a) Das Verdampfen der im Verlauf des Erwärmens Der durch die Leitung 74 zurückgeführte Stickstoff der festen Ablagerungen gebildeten Flüssigkeit ^a5 wird durch den Kompressor 21 auf einen Druck von erfolgt durch Wärmeaustausch mit einer die ungefähr 80 ata gebracht. Die Leitung 22 auf der Wärmeisolierung des Raumes gewährleisteten Förderseite des Kompressors teilt sich in zwei Teile. Umhüllung Der erste Teil wird im Austauscher 24 auf ungefähr

b) Das Verdampfen der im Verlauf der Erwärmung 93° K im Gegenstrom zu dem Stickstoff abgekühlt, der festen Ablagerungen gebildeten Flüssigkeit ³° *%. ™^te* ^Υ^?% (^abs°i„^ter f™* ^f^fahr erfolgt durch Wärmeaustausch mit dem flüchtig- JJO mbar) durch die Pumpe 102 nach Verdampf en un sten Kältemittel Wärmeaustauscher mit dem Kreislaufwasserstoff bei

ν ,^ ,,. , ' _n, ,_r , annähernd 63° K, der Temperatur des Tripelpunktes

c) Das Verdampfen erfolgt unter Vakuum. _{des StickstoffS; ab}g_eZogen wird.

d) Die durch das Erwärmen der verdampften Flüs- ₃₅ D_er zweite Teil des Stickstoffs wird zunächst im sigkeit erzeugte Kälte wird auf ein weniger fluch- Austauscher 23 auf 196° K im Gegenstrom zum tiges Kältemittel übertragen. Kreislaufstickstoff abgekühlt; eine Fraktion wird dann

Andere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung durch die Leitung 25 zur Entspannungsmaschine 26

ergeben sich aus der Beschreibung unter Bezugnahme geschickt, wo sie auf ungefähr 1,3 ata entspannt und

auf die zeichnerische Darstellung einer Kälteanlage 4° auf ungefähr 80° K abgekühlt wird. Dann wird die

für eine Cryopumpe, die den Niederschlag erheblicher Fraktion mit dem gasförmigen Stickstoff, der von der

Stickstoffmengen durch Verfestigen in einem unter in Betrieb befindlichen Cryopumpe kommt, und mit

einem niedrigeren Druck als 0,1 oder 0,01 mbar ge- den Stickstoff dämpf en aus dem Vorratsbehälter mit

haltenen Raum gestattet. Bei dieser Anlage erfolgt die flüssigem Stickstoff vereinigt. Das ganze Gemisch wird

Kälteerzeugung durch zwei Kreise; der erste verwen- 45 daraufhin durch die Leitung 72 im Gegenstrom im

det als Kältemittel Stickstoff und der zweite Wasser- Austauscher 28 geführt, um die Abkühlung des rest-

stoff. liehen Stickstoffanteils, der durch die Leitung 27 ein-

Bei dieser Anlage wird der unter Vakuum zu hai- geleitet wird, unter Druck auf ungefähr 115° K sicher-

tende Raum abwechselnd an die eine oder andere zustellen. Der Stickstoff wird weiter durch die Leitung

Cryopumpe 1 bzw. 2 angeschlossen, von denen die 50 73 in den Austauscher 23 eingeführt, von welchem er

eine, nämlich die Cryopumpe 1, sich während der dar- in die Leitung 74 zurückgeführt wird,

gestellten Betriebsperiode in Betrieb befindet, wäh- Die beiden unter Druck befindlichen Stickstoff-

rend die andere, nämlich die Cryopumpe 2, in der anteile werden dann in der Leitung 29 vereinigt, im

Regenerierung befindlich ist. Ventil 30 auf ungefähr 1,3 ata entspannt und in flüs-

Jede dieser Cryopumpen ist durch eine nicht dar- 55 sigem Zustand über die Leitung 31 in den Behälter 20

gestellte Leitung an den Raum, in welchem man das eingeführt. Die in diesem Behälter infolge des Ent-

Ausströmen von Stickstoff erzielen will, angeschlos- spannens oder infolge des Zutritts von Wärme freige-

sen und mit von Kanälen durchbohrten Metallplatten setzten Stickstoffdämpfe werden durch die Leitungen

versehen, in denen Kältemittel umlaufen. Ein erstes 70 und 71 zum kalten Ende des Austauschers 28 ab-

schematisch bei 5, 6 dargestelltes Plattensystem ist an 60 geführt. Ein Teil des flüssigen Stickstoffs wird aus dem

den Kühlkreis zum Erzeugen von flüssigem Stickstoff Speicherbehälter 20 durch die Leitung 99 abgezogen,

angeschlossen; ein zweites Plattensystem 3, 4 ist an im Ventil 100 auf 120 mbar absolut entspannt, im

den Kühlkreis zum Erzeugen von flüssigem Wasser- Wärmeaustauscher 46 verdampft und dann durch die

stoff angeschlossen. Leitung 101 dem Wärmeaustauscher 24 zugeführt,

Jede Cryopumpe ist in ihrem unteren Teil mit 65 von welchem er bei nahezu Raumtemperatur durch

einem Sumpf 7, 8 versehen, in dem sich der verflüs- die Vakuumpumpe 102 abgesaugt wird,

sigte Stickstoff sammeln muß, der während des Ab- Der Wasserstoffkreis, der es gestattet, eine End-

tauens der Platten 3, 4 mit flüssigem Wasserstoff ge- temperatur von 33° K in der in Betrieb befindlichen

Claims

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Cryopumpe zu erzielen, ist gleichfalls von bekannter Ventil 76, das an die Platten 4 der Cryopumpe 2 an-

Art; die Kälte wird durch zwei Entspannungen unter geschlossen ist, ist geschlossen. Der verdampfte Was-

äußerer Arbeitsleistung bei verschiedenen Tempera- serstoff wird durch die Leitung 79, das offene Ventil

turhöhen erzeugt. 83 und die Leitung 85 zum kalten Ende des Austau-

Der durch die Leitung 98 zurückgeführte Wasser- 5 schers 58 des Verflüssigungskreises für Wasserstoff

stoff wird durch den Kompressor 40 auf einen Druck abgezogen. Das entsprechende Ventil 84 ist geschlos-

von ungefähr 25 ata gebracht. Er wird durch die Lei- sen.

tung 41 in den Austauscher 42 im Gegenstrom zum In der in Regenerierung befindlichen Cryopumpe 2 Niederdruckwasserstoff eingeführt, der von der im erfolgt das Schmelzen des verfestigten Stickstoffs, der Abtauen befindlichen Cryopumpe zurückgeleitet ist, io sich auf den Platten 4 bei dem Abkühlen mittels und dann durch die Leitung 43 in den Austauscher 44 flüssigen Wasserstoffs niedergeschlagen hat, in folgeschickt, in dem er sich in Wärmeaustausch mit dem gender Weise: Der im Wärmeaustauscher 44 auf un-Niederdruckwasserstoff, der von der in Betrieb befind- gefahr 85° K erwärmte Niederdruckwasserstoff wird liehen Cryopumpe und den Entspannungsmaschinen durch die Leitung 91 und das offene Ventil 94 und zurückgeführt wird, auf ungefähr 75° K abkühlt. 15 dann durch die Leitung 96 in die Schlange 8/4 im

Der Druckwasserstoff tritt dann durch Leitung 45 Sumpf der Cryopumpe geschickt. Dabei ist das an den

in den Austauscher 46 ein, in dem er sich durch Ver- entsprechenden Kreis der Cryopumpe 1 angeschlos-

dampfen von flüssigem Stickstoff unter 120 mbar ab- sene Ventil 93 geschlossen. In der Schlange SA be-

solut auf ungefähr 66° K abkühlt. Dann wird eine wirkt der Wasserstoff das Schmelzen der festen Stick-

erste Fraktion durch die Leitung 47 zur Entspan- ao Stoffblöcke, die sich von den Platten 4 vor vollständi-

nungsturbine 48 geschickt und etwa auf Luftdruck gern Schmelzen abgelöst haben können. Er geht dann

entspannt, worauf sie sich durch die Leitung 49 mit in die Kanäle der Platten 4, die er so allmählich auf

dem Kreislaufniederdruckwasserstoff aus der Leitung 80° K wieder erwärmt. Schließlich wird er durch die

87 vereinigt und mit diesem durch die Leitung 88 in Leitung 80, das offene Ventil 82 und die Leitung 97

den Wärmeaustauscher 56 eingeführt wird. Sie wird 25 zum kalten Ende des Austauschers 42 abgezogen, be-

dann durch die Leitung 89 dem Wärmeaustauscher 51 vor er nahezu auf Umgebungstemperatur wieder er-

und daraufhin durch die Leitung 90 dem Wärmeaus- wärmt worden ist, und wird dann zur Saugseite des

tauscher 44 zugeführt. Wasserstoffkompressors zurückgeschickt. Während

Der verbleibende Druckwasserstoff wird durch die dieser Periode ist das dem Ventil 82 entsprechende Leitung 50 in den Austauscher 51 eingeführt und 30 Ventil 81, das an dem Wasserstoffkreis der Cryodurch den Kreislaufniederdruckwasserstoff auf 51° K pumpe 1 in Betrieb angeschlossen ist, geschlossen,
abgekühlt. Dann wird eine neue Fraktion abgezweigt Während des Regenerierens der Cryopumpe 2 ver- und durch die Leitung 52 zur Entspannungsturbine 53 flüssigt sich der größte Teil des auf den Platten 4 geführt und in dieser ungefähr auf Luftdruck ent- niedergeschlagenen festen Stickstoffs und fließt in den spannt und auf 21° K, d. h. nahezu auf den Taupunkt 35 Sumpf 8. Von hier wird er durch das offene Ventil 10 des Wasserstoffs, abgekühlt, worauf sie durch die Lei- und die Leitungen 18 und 19 zum Speicherbehälter 20 tungen 54 und 86 mit dem in der in Betrieb befind- für flüssigen Stickstoff geschickt, worauf er für eine liehen Cryopumpe verdampften Wasserstoff vereinigt Kältezufuhr entweder in den Platten 5 oder 6 der Vor- und mit diesem zum kalten Ende des Austauschers 58 abkühlung der Cryopumpe benutzt wird, oder aber er geschickt wird. 40 geht in den Kältekreisen von Wasserstoff und Stick-

Der Druckwasserstoff wird dann nacheinander stoff in die erwähnten Austauscher 46 und 24. Andedurch die Leitungen 55 und 57 in die Austauscher 56 rerseits sublimiert eine gewisse Menge festen Stick- und 58 geführt, wo er sich auf ungefähr 25° K durch Stoffs und erzeugt eine Erhöhung des Druckes in der Wärmeaustausch mit dem Niederdruckwasserstoff ab- Cryopumpe. Wenn die Ablagerungen an festem Stickkühlt, der von der in Betrieb befindlichen Cryopumpe 45 stoff vollständig beseitigt sind, wird das restliche und den Entspannungsmaschinen stammt. Dann geht Stickstoffgas dadurch entfernt, daß man den Sumpf 8 er durch die Leitung 59 in die in Betrieb befindliche mit der Vakuumpumpe 15 durch Öffnen des Ventils Cryopumpe. 12 in offene Verbindung bringt.

In der in Betrieb befindlichen Cryopumpe wird die In dem Wasserstoffkreislauf braucht auch nur eine Vorabkühlung des angesaugten Stickstoffs auf 90° K 50 einzige Entspannung unter äußerer Arbeitsleistung durch Verdampfen von durch die Leitung 60, das vorgesehen zu sein. Die Kälte des flüssigen Stickstoffs, offene Ventil 61 und die Leitung 63 eingeführten flüs- die während des Wiedererwärmens der Cryopumpe sigen Stickstoff unter Luftdruck in den Kanälen der gewonnen wird, kann auch mittels Durchgang durch Wärmeaustauschplatten 5 gewährleistet. Das Ventil eine Schlange zurückgewonnen werden, die als ther-62, das mit den Platten der in Regenerierung befind- 55 mischer Schirm in einer Umhüllung angeordnet ist, liehen Cryopumpe verbunden ist, ist geschlossen. Der welcher die Kälteisolierung der Cryopumpen sicherverdampfte Stickstoff wird durch die Leitung 65, das stellt.

offene Ventil 67 und die Leitung 69 zu der Leitung 71 Patentansnrüche·

des Kreises des kalten Niederdruckstickstoffes abge- ^p

zogen. Das entsprechende Ventil 68, das an die Cryo- 60 1. Verfahren zum Aufrechterhalten des Vaku-

pumpe 2 angeschlossen ist, ist geschlossen. ums in einem Raum, der an eine Gasquelle ange-

Die endgültige Abkühlung auf 33° K in der Cryo- schlossen ist, durch Ablagerung des in den Raum pumpe 1, welche das Gefrieren des angesaugten eintretenden Gases in festem Zustand auf einer Stickstoffs sicherstellt, erfolgt durch Verdampfen von Kältezufuhrvorrichtung durch mittelbaren Wärmeflüssigem Wasserstoff, der durch die Leitung 59, das 65 austausch mit mindestens einem Kältemittel, wooffene Entspannungsventil 75 und die Leitung 77 ein- bei die festen Ablagerungen des Gases auf der geführt wird, bei 20° K unter Luftdruck in den Kanä- Kältezufuhrvorrichtung periodisch zumindest zum len der Wärmeaustauschplatten 3. Das entsprechende Teil durch Erwärmen der Vorrichtung verflüssigt,

aus dem Raum abgezogen und verdampft werden, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bei dieser Verdampfung ergebende Kälte auf mindestens einen unter Vakuum zu haltenden Raum übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung der im Verlauf des Erwärmens der festen Ablagerungen gebildeten Flüssigkeit durch Wärmeaustausch mit einer die Wärmeisolierung des Raumes gewähr- xo leistenden Umhüllung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung der im Verlauf des Erwärmens der festen Ablagerungen ge-

bildeten Flüssigkeit durch Wärmeaustausch mit dem flüchtigsten Kältemittel erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung unter Vakuum erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Erwärmen der verdampften Flüssigkeit erzeugte Kälte auf ein weniger flüchtiges Kältemittel übertragen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1118 499;
USA.-Patentschrift Nr. 2 939 316.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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