DE1937821A1

DE1937821A1 - Verbesserungen an Kaeltepumpanlagen von starker Leistung

Info

Publication number: DE1937821A1
Application number: DE19691937821
Authority: DE
Inventors: Michel Rapinat
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1968-07-30
Filing date: 1969-07-25
Publication date: 1970-02-12
Also published as: FR1584067A; CH512675A; GB1216448A; SE353944B; BE736646A; NL6911437A; LU59124A1; NL161573B; US3579997A; NL161573C

Description

Dr. Hans-Heinrich Willrath ,. _QQ7ö01 d 162 Wiesbaden, 9_O7.1969 Dr. Dieter Weber ' ^{9 J} ' ^{B l} '

PATENTANWÄLTE ^

Telegrammadresse: WILLPATENT

Postscheck: Frankfurt Main 67 63 Ι/Ι)θθ

Bank: Dresdner Bank AG. Wiesbaden

Konto Nr. 270807 βθΓίθΙ

L'Air Liquide, Societe Anonyme pour I'Etude et !'Exploitation

des Procedes Georges Claude,75 Quai d' Orsay, Paris ( 7 e )

Verbesserungen an Kältepumpanlagen von starker Leistung

Prioritätι vom 30. Juli 1968

in Frankreich unter der P.VoNOo 161

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Kältepumpanlagen von starker Leistung, insbesondere an solchen Anlagen, die kontinuierlich bis zu mäßig weit getriebenem Vakuum beispielsweise in der Größenordnung von 10 Torr arbeiten können₀

Bei den Kältepumpen, die gestatten, das Vakuum in einer umschlossenen Kammer herzustellen und dann aufrechtzuerhalten, lagert eich das aus dem zu evakuierenden Raum

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stammende Gas in festem Zustand auf Abfangeinrichtungen ab, die beispielsweise aus einer durch die Dämpfe eines verflüssigten Gases gekühlten Kondensations- oder Sublimationsfläche oder aus einer in geschlossenem Kreis arbeitenden Kältemaschine bestehen. Dabei ist es von Zeit zu Zeit notwendig, nach Abstellung und Isolierung der Pumpe der Kammer die Kältepumpe zu regenerieren, indem man die Kondensationsfläche erwärmt, um die feste P Ablagerung zu verflüssigen oder zu sublimieren und die Beseitigung der letzteren durch einfaches Ausfließen oder Abziehen zu gewährleisten. Wenn die Auspumpung einer Kammer kontinuierlich erfolgen soll, dann betreibt man zwei Kältepumpen in Parallelschaltung,von denen die eine sich in Regenerierung befindet, während die andere in Betrieb ist.

Bisher sind die Kältepumpen vorallem im Ultravakuum, d.h. für starke Vakua gebraucht worden, die 10. Torr erreichen können. In diesem Fall ist die Masaenströmungamenge sehr klein und die Dicke des Kondensators bleibt immer gering, selbst wenn die Kondensationsoberfläche relativ bescheiden ist und,obgleich diese Kältepumpenart über lange Zeiträume in Betrieb gehalten werden kann, um ein sehr weitgetriebenes Vakuum aufrechtzuerhalten, bereitet der kontinuierliche Betrieb keine Schwierigkeiten, weil es nicht notwendig ist Regenerierungen vorzunehmen,, Die für Ultravakuum gefertigten Kältepumpen sind also

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tatsächlich durch das Vorhandensein eines Elementes oder eines Modells mit einer einzigen Pumpe und durch Kondensationswände von relativ bescheidener Oberflächengröße gekennzeichnete

Wenn dagegen das Niederdruckniveau viel weniger weit getrieben wird und beispielsweise in der Größenordnung von 10 Torr liegt, dann wird auch die Massenströmungsmenge erheblich ,und das Volumen des in einer gegebenen Zeit abgelagerten Kondensats ist relativ hoch. Wenn die Dicke des Kondensats anwächst, stören sich der Wärmeaustausch zwischen dem zu verfestigendem Gas und der Kondensationsoberfläche,und es ergibt sich daraus eine Verminderung der Pumpgeschwindigkeit, sowie ein Wiederanstieg der Druckgrenze. Um den Einfluß dieses Kondensats bei tiberdicke zu vermindern, ist es dann notwendig, die Fläohengröße der Wärmeaustauschwände zu steigern und die Kältepumpe von Zeit zu Zeit zu regenerieren. Man ist damit gezwungen,zwei zyklisch arbeitende Kältepumpen zu betreiben.

Der erhebliche Wert der Massenströmungsmenge des mit der Kältepumpe zu handhabenden Gases erfordert die Ausführung eines Pumpmodelles, das einmal einen guten Eintrittsleitwert für die'aufzufangenden Gase und eine erhebliche Kondensationsfläche aufweist,und eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kältepumpe vorzusehen, bei der diese beiden Maßnahmen in der Art getroffen sind,

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daß man einen befriedigenden Betrieb der Pumpe bei einer trotzdem relativ beschränkten Sperrigkeit erreioht«

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung sind Hauptauffangmittel vorgesehen, die auf eine kalte Temperatur gebracht, am äußeren Umfang einer auf mäßigkalte Temperatur gebrachten Pralleinrichtung angeordnet sind, die aus einem Aufbau von in Abstand voneinander

P längs einer gemeinsamen, die Achse des Eintrittsventils verlängernden Achse angeordneten Rotationswänden besteht und eine lichte Weite ziemlich nahe derjenigen dieses Eintrittsventils hat. Die Pralleinrichtung ist ein Körper, der aus mehreren Ablenkwänden, beispielsweise von Kegelstumpf form besteht, die im Abstand voneinander längs einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, so daß eine abgestufte Verteilung radial nach außen für das in das Innere des Prallkörpers eindringende Gas möglich wird,

^ wobei sich insgesamt ein Strahlungsschirm bildet, der unmittelbar von der Zone der Umgebungstemperatur, d.h. ia gegebenen Fall im wesentlichen von dem Eintrittsventil ausgeht.

Die Vorteile dieser Anordnung sind folgende! Der Durchgangs querschnitt des Prallkörpers, d«,h. die Summe der Einzelquersehnitte zwischen zwei kegelstumpfförmigen Wänden ist unabhängig vom Durchmesser des Ventils ,und ' sie kann leicht dadurch gesteigert werden, daß man eine größere Anzahl von Prallwänden anordnet, d.h. indem man

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die Kältepumpe axial verlängert. Ea ist also möglich, einen sehr großen Eintrittsleitwert der Gase in Richtung der Hauptkondensationsfläche zu verwirklichen.

Die Oberfläche der Kondensationswand kann sehr groß sein, weil sie den Prallkörper umgibt. Außerdem genügt eine kleine Vergrößerung des AuSendurchmessers zur Erzielung eines sehr erheblichen Anwachsens der Wärmeaustauschflachen. Bei einer kontinuierlich mit zwei Pumpmodellen " arbeitenden Anlage erfolgt die Regenerierung der einen Kältepumpe durch Einführung eines gewissen warmen Gasflusaes in die Kammer. Der aioh abkühlende und verflüssigende Gasfluß bewirkt die Sublimierung oder Verflüssigung der Ablagerung» Dieses Regenerierverfahren ist sehr einfaoh und rasch und gestattet eine gute Rückgewinnung der Kältekalorien.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich ^

außerdem aus der folgenden Beschreibung einer vorteilhaften Ausführungaform der Erfindung anhand der Zeichnung«

Fig. 1 iat eine schematisohe Darstellung der Gesamtheit

einer Kältepumpanlage,
Pig. 2 iat eine Schnittansioht eines Pumpmodelles nach der Erfindung.

Das im nachstehenden beschriebene Ausführungabeiapi®! einer

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Kältepumpe kann mehrere Monate ohne Unterbrechung arbeiten und ist in der Lage, eine erhebliche Maaeenströmungsmenge bei einem Druck von 10 Torr zu pumpen.

Die Anlage nach der Erfidung besteht aus einem Kälteerzeuger 1,- zwei Pumpmodellen 2 und 3 und dem Zubehör für die Gewährleistung eines kontinuierlichen Betriebes. Der Kälteerzeuger 1 liefert eine gewisse Kälteleistung auf zwei Temperaturhöhen, die annähernd 80⁰K bzw. 25⁰K betragen. Die von dem Kälteerzeuger gelieferten Kältekalorien werden vermittels eines Kreislaufes von zwei Heliumgaaströmen unter Druck durch die Zulaufleitung 4 und die Rüekführleitung 5 mit den Absperrventilen 6 und 7 für kaltes Strömungsmittel (25⁰K) und durch Zulaufleitung 8 und Rücklaufleitung 9 für das mäßig kalte Strömungsmittel (80⁰K) zu den beiden Pumpen 2 und 3 befördert, die durch Isolierventile 13 bzw. 14 an eine Kammer 12 angeschlossen sind, in der ein Vakuum aufrechterhalten werden soll.

Jede Pumpe 2 bzw. 3 besteht aus einem dichten, nach außen durch eine Wand 21 von starker Wärme-isolierung umgrenzten Gehäuse, das aus zwei ineinandergreifenden Teilen 21a und 21b gebildet ist. Im Inneren des Gehäuses ist ein Gesamtaufbau von Kondensationsoberflächen angeordnet, die aus von einer Kühlschlange 23 getragenen Platten 22 bestehen» Die Kühlschlange wird durch den Leitungskreis 4, 5 »lit sehr kaltem Strömungsmittel gespeist. Biese Platten 22

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von sehr großer Zahl sind beispielsweise quadratisch mit 5 cm Kantenlänge, einer Dicke von 1 mm und einem Abstand von 3 cm_e Zu beiden Seiten der Platten 22 sind einerseits eine gegen die Innenfläche der Gehäusewand 21a festgelegte Wand 25 und andererseits ein aus mehreren Kegelstumpfringen 26a, 26b, 26c, 26d gebildeter Prallkörper

26 angeordnet. Diese liegen koaxial mit der senkrechten Grehäuseachae in Verlängerung der Achse des Absperrventiles 13 bzw. 14,und sie erweitern sich nach oben. Diese Ringe 26a, 26b, 26c und 26d sind geschwärzt, um eine Reflexion der von den Oberflächen auf Umgebungstemperatur,besonders von den Ventilen 13 und 14 stammenden Strahlung auszuschalten. Hinter dem untersten Ring 26d befindet sich ein kegelförmiger Reflektor 27, dessen Spitze nach oben gerichtet ist, Diese den Prallkörper 26 bildenden Ringe,der Reflektor

27 sowie die Wände 25 werden mit mäßig kaltem Strömungsmittel durch e-ine Kühlschlange gespeist, die an dem Ort des Prallkörpers 26 von mehreren Leitungen in Form offener Ringe 30a, 30b, 30c und 3Od gebildet wird. Das aufstromseitige Ende des einen Ringes ist an das abstromseitige Ende des folgenden durch ein senkrechtes Stück 28a, 28b, 28c bzw. 28d angeschlossen. Letzteres speist einen Ring 31 an der Stelle des Reflektors 27, während die Rückführung durch die Leitung 28e und eine in die Wand 25 einge f lassene Schlange 32 erfolgt. Beide werden von den Leitungen 8 und 9 mit mäßig kaltem Strömungsmittel gespeist.

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Es ist zu bemerken, daß die Wand 25 sich nach unten in einen Auffangsumpf 29 mit Ablauftrichter 35 verlängert und einen domartigen Teil 34 mit ein oder mehreren Löchern 33 aufweist.

Die in Fig. 2 dargestellte Anlage umfasst außer-dem Zubehörteile, die eine Regenerierung der gesättigten Pumpe gestatten und die kontinuierliche Arbeitsweise der Anlage gewährleisten. Hierzu gehören hauptsächlich:

Eine Pumpgruppe 40 für nicht kondensierbare Gase, die über eine Leitung 41 bzw, 42 an den Boden jeder Pumpe 2 bzw. 3 vermittels eines Ventils 43 bzw. 44 angeschlossen ist. Diese Gruppe 40 dient zur Entfernung der Gase, die nur bei einer tieferen Temperatur als die Temperatur der Hauptkondensationswände 22, d.h« tiefer als 25 ⁰K kondensierbar sind) es handelt sich hauptsächlich um Wasserstoff und Helium. Es ist besonders angezeigt, eine Diffusionspumpe zu verwenden, die an eine Primärpumpe angeschlossen ist entsprechend der relativ schwachen Strömungsmenge des Druckniveaus (einige 10 Torr) und der Natur der

Eine Vorentleerungsmpumpe 45, die über Leitungen 46 und 47 an Ventile 48 und 49 außerhalb jeder Pumpe 2 bzw. 3 angeschlossen ist. Nach jeder Regenerierung steigt der Druck in der Pumpe wieder auf einen ziemlich hohen Wert an. Bevor man diese wieder in Betrieb setzen kann, ist

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ea notwendig, den Druok bis auf einige Torr abzusenken. Pur diesen Zweck ist eine Primärpumpe besonders geeignete

Ein zum Auffangen der verflüssigten Gase bestimmter Behälter 50, der über ein Ventil mit der Außenluft kommuniziert und in den ein Rohr 51 mündet, das duroh Leitungen 52 und 53 mit den Ventilen 54 und 55 am Trichter 35 am Boden jeder Pumpe 2 und 3 verbunden ist. Dieser Behälter 50 gestattet während der Regenerierung die verflüssigte Ablagerung aufzufangen. Es ist möglich, die in diesem Behälter gespeicherten Kältekalorien zurückzugewinnen, indem man eine Schlange 56 darin versenkt, die von Helium aus dem mäßig kalten Strömungskreis 8,9 durchstriohen wird.

Die Regenerierung erfolgt in folgender Weiset Eine regenerierte Pumpe 2 bzw. 3 wird parallel mit der in Betrieb befindlichen Pumpe 3 bzw. 2 geschaltet, dann wird diese Pumpe 3 bzw. 2 durch das Ventil 14 bzw. 15 abgeschaltet. Der Heliumkreis von sehr tiefer Temperatur 25⁰K wird dann an der Pumpe 3 im Verlauf der Regenerierung abgeschaltet, indem man das Ventil 7 schließt. Das Ventil 551 welches die Pumpe 3 und den Behälter 50 verbindet,ist dann offen. Es vollzieht sich ein Wiedereintritt trockener Luft, so daß sich die Verflüssigung des Niederschlages vollzieht. Die erhaltene Flüssigkeit wird dann durch Schwerkraft in den selben Behälter 50 abgegeben. Anschließend wird die Pumpe 3 von dem Behälter 50 duroh Schließung

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dea Ventils 55 abgetrennt und darauf durch Öffnung des Ventile 48 mit der Vorentleerungspumpe 45 in Verbindung gesetzt. Der Druck wird so auf einen Wert von einigen Torr zurückgebracht. Während derselben Zeit wird die Pumpe durch Öffnung des Ventils mittels einer achwachen Heliummenge von 25⁰K soweit gekühlt, daß sie für die In-Betriebsetsung vorbereitet wird. Wenn die !Temperatur der Kälteflache unterhalb 30⁰K liegt, ist die Pumpe regeneriert und unmittelbar betriebsbereit.

Die vorstehend beschriebene Anlage bzw. ,jede sonstige Anlage nach der Erfindung gestattet eine kontinuierlich arbeitende Kältepumpe zu verwirklichen, die in der Lage ist, erhebliche Haasenströmungamengen bei Drücken der

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Größenordnung von 10 Torr zu pumpen. Es kann auch

die Verwendung dieser Anlage zum Ersatz von Pumpgruppen vorgesehen werden, die Kapselgebläse (Roots-Gebläse) W oder Dampf injektor en aufweisen. Die Ersetzung von Root abgeblasen ist besonders zweckmäßig, wenn das zu pumpende Gas Staub enthält.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 o^Kältepumpe mit starker Mengenleistung, die ein nach außen isoliertes dichtes Gehäuse aufweist und mit einer zu evakuierenden Kammer durch einen weiten, mit einem Eintrittsventil ausgerüsteten Durchgang in Verbindung gesetzt werden kann, mit Einrichtungen zum Auffangen von Gasen, insbesondere mit gekühlten Kondensations- Sublimationswänden, dadurch gekennr zeichnet, daß die auf eine sehr kalte Temperatur gebrachten Hauptauffangmittel auf der Außenseite um eine auf mäßig kalter Temperatur gehaltene Pralleinrichtung angeordnet sind, die aus einem Aufbau von im Abstand voneinander längs einer gemeinsamen Achse in Verlängerung der Eintrittsventilachse angeordneten Umdrehungswänden besteht und eine lichte Weite in der Nähe derjenigen des Eintrittsventils hat·
2. Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pralleinrichtung mehrere kegelstumpfförmige , stufenweise in axialem Abstand voneinander angeordnete Wände aufweist.
3. Kältepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelstumpfförmigen Wände sich in Richtung zum Eintrittsventil erweitern.

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4. Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptauffangmittel einen Aufbau aus Metallplatten aufweisen, die von einer Schlange getragen sind, welche von einem sehr kalten Strömungsmittel zum Beispiel in der Größenordnung von 25 ⁰K durchströmt wird und sich auf der Außenseite über die ganze Axiallänge der Pralleinrichtung erstreckte
5, Pumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen am dem Eintrittsventil entgegengesetzten Ende der Pralleinrichtung angeordneten Reflektor.
6ο Kältepumpen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pral!einrichtung und der Reflektor durch eine Kühlleitung mit mäßig kaltem Strömungsmittel z.B. in der Größenordnung von 8O⁰K gekühlt sind.
7. Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenwand des Gehäuses durch einen Kälte·»· kreis aus mäßig kaltem Strömungsmittel, z.B. der Größenordnung von 8O⁰K gekühlt ist.
8. Kältepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gehäuses einen im wesentlichen zu einem Trichter abfallenden Boden besitzt und der Trichter an ein Abzugsrohr ansohließbar ist_o
9. Kältepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

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daß der Innenteil des Gehäuaebodens einen Dom bildet, der oberhalb eines Durchlasses quer zum Gehäuseboden aeitlih gelocht ist und an eine äußere Pumpgruppe für - niohtkondenaierbare Gase ansohließbar ist.

1Oo Kältepumpanlage für starke Leistung mit mindestens zwei Kältepumpen naoh einem der Ansprüche 1 bis 9» daduroh gekennzeichnet, daß jede Pumpe an einen einzigen zu evakuierenden Raum über ein weites Eintrittsventil angeschlossen ist, und ein Kälteer~ zeuger mit zwei Heliumströmen von denen der eine sehr kalt und der andere mäßig kalt ist, eine Pumpgruppe für niohtkondenaierbare Gase, eine Vorentleerungspumpe und eine Rüokgewinnungaeinrichtung für Kälteenergie aus den bei der Regenerierung der einen Pumpe entstehenden Flüssigkeiten vorgesehen sind.

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