DE2303663A1 - Verfahren und vorrichtung zum kuehlen eines kuehlobjektes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kuehlen eines kuehlobjektes

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Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
[Η b9^) H 7V06
[Η 094) La/wi
23.I.1973
Verfahren und Vorrichtung zum KUhlen eines Kühlobjektes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines KUhlobjektes innerhalb eines Kryostaten mit einem verflüssigten tiefkalten Kältemittel, bei dem das Kältemittel einem ersten Speicherbehälter unter Förderdruck entnommen, dem Kühlerobjekt zugeführt und anschließend in einen zweiten Speicherbehälter geleitet wird.
Es ist bereits ein Verfahren zur KUhlung eines supraleitenden Magneten mit flüssigem Helium bekanntgeworden, bei dem flüssi ges Helium einem ersten Speicherbehälter entnommen, dem Magneten
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zugeführt und anschließend einem zweiten Speicherbehälter zugeleitet wird. Zur Erzielung eines geeigneten Förderdruckes dient eine Druckaufbauvprrichtung, die eine Druckdifferenz zwischen den beiden Speicherbehältern erzeugt. Sobald bei diesem Verfahren der erste Speicherbehälter entleert ist, wird eine entgegengesetzte Druckdifferenz erzeugt und somit der Kryostat mit flüssigem Helium aus dem zweiten Behälter versorgt, während der erste Behälter nunmehr Überschüssiges Helium aus dem Kryostaten aufnimmt. Der Nachteil des bekannten Verfahrens liegt darin, daß der supraleitende Magnet nicht über längere Zeiten hinweg kontinuierlich mit flüssigem Helium aus einem Speicherbehälter versorgt werden kann.
j Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das die kontinuierliche Versorgung und wirksame Kühlung eines Kühlobjektes, insbesondere eines supraleitenden Systems, mit flüssigem Kältemittel aus einem Speicherbehälter über läng rt Zeiten hinweg ermöglicht.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Kältemittel nach Kühlung
j des Kühlobjektes entspannt und in dem zweiten Speieherbehälte r
einer Phasentrennung unterzogen wird, wobei der bei der Phas ·η-trennung anfallende flüssige Anteil über einen dritten Speicherbehälter wieder dem ersten zugeführt wird.
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3 - r-
Das erfindungsgemäße Verfahren löst in einfacher Weise die gestellte Aufgabe, d.h. es ermöglicht auch Über längere Zeiten hinweg die Kühlung eines Kühlobjektes, z.B. eines supraleitenden Systems, mit einem Kältemittel, z.B. mit flüssigem Helium. Flüssiges Kältemittel wird unter einem geeigneten Förderdruck, der über eine Druckaufbau- und eine Druckregelvorrichtung innerhalb des ersten Speicherbehälters erzeugt und konstant beibehalten wird, entnommen und dem innerhalb eines Kryostaten befindlichen KUhlobjekt zugeführt, um dieses auf die erforderliche Temperatur zu kühlen. Anschließend wird das Kältemittel entspannt und einem zweiten Speicherbehälter zugeleitet, in dem es einer Phasentrennung unterzogen wird. Der hierbei flüssig anfallende Anteil des Kältemittels strömt aus dem zweiten Speicherbehälter unmittelbar In einen dritten Speicherbehälter und wird dort vorübergehend gespeichert.
Während dieser Betriebsperiode stehen der zweite und dritte Speicherbehälter im Druckausgleich, wobei der Druck innerhalb des zweiten und dritten Speicherbehälters niedriger ist als der Innerhalb des ersten Behälters.
Sobald der dritte Speicherbehälter mit vom KUhlobjekt zurückfließenden Kältemittel bis zu einem gewünschten Grad aufgefüllt ist, wird die Verbindung zwischen dem zweiten und dritten Speicherbehälter durch Schließen eines zweiten Ventile unter-
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brochen. Daraufhin wird im dritten Speicherbehälter über eine Druckregelvorrichtung ein· etwas größerer Druck als im ersten erzeugt, so daß nach öffnen eines ersten Ventils In der Verbindung zwischen dem dritten und ersten Speicherbehälter aufgrund der nunmehr bestehenden Druckdifferenz Flüssigkeit vom dritten in den ersten Speicherbehälter überströmt. Sobald der Inhalt des dritten Speicherbehälters vollständig oder teilweise in den ersten Behälter abgeflossen ist, wird das erste Ventil geschlossen und gleichzeitig das zweite Ventil wieder geöffnet, so daß jetzt erneut, nachdem der Druck des dritten Behälters auf den des zweiten Behälters abgebaut worden ist, flüssiges Kältemittel aus dem zweiten in den dritten Behälter überströmen kann.
Während dieser beiden Schaltphasen, also Auffüllen und Entleeren des dritten Speicherbehälters, wird die Förderung des Kältemittels aus dem ersten Speicherbehälter zu dem KUhlobjekt weder beeinträchtigt noch vollständig unterbrochen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher ein KUhlobjekt kontinuierlich auch über längere Zeiten hinweg mit einer konstanten Menge eines Kältemittels aus einem Speicherbehälter versorgt werden.
Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren aber besonders vorteilhaft zur Kühlung supraleitender Systeme, wie supraleitende Magnete, supraleitende Kabel usw.
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So können das erste, zwischen dem dritten und ersten Speicherbehälter und das zweite, zwischen dem zweiten und dritten Speicherbehälter angeordnete Ventil durch einen innerhalb des dritten Speicherbehälters angeordneten Flüssigkeitsniveauanzeiger mit einem oberen und einem unteren Grenzwertmelder gesteuert werden. Sobald der Flüssigkeitsstand Innerhalb des dritten Speicherbehälters den oberen Grenzwert erreicht hat, veranlaßt der Flüsigkeitsniveauanzeiger über einen ersten Impuls das Schließen des zweiten Ventils sowie das öffnen des ersten Ventils und der diesem Behälter zugeordneten Druckregelvorrlchtung, so daß jetzt Kältemittel durch die erzeugte Druckdifferenz vom dritten in den ersten Speicherbehälter gedrückt wird. Umgekehrt erzeugt der Flüssigkeitsniveauanzeiger, sobald der Flüssigkeitsstand Im dritten Behälter den unteren Grenzwert erreicht hat, einen zweiten Impuls,, der nunmehr das Schließen des ersten Ventils und der Druckregelvorriehtung sowie das öffnen des zweiten Ventils veranlaßt. Kältemittel strömt jetzt, nachdem der Druck im dritten Speicherbehälter abgebaut worden ist, erneut vom zweiten in den dritten Speicherbehälter.
Insbesondere, wenn das zu kühlende KUhlobjekt ein supraleitendes System 1st, ist es nach einem weiteren Merkmal vorteilhaft, das dem Kühlobjekt zufließende flüssige Kältemittel Im Wärmeaustausch mit zurückströmendem entspannten Kältemittel zu unter-
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kühlen, so daß das Kältemittel während des Durehströmens des Kühlobjektes vollständig im flüssigen Phasenzustand verbleibt.
Weiterhin kann das das Kühlobjekt verlassende Kältemittel nach seiner Entspannung zusätzlich in weiteren separaten KUhlzonen zur Abschirmung von Wrirmeeinfällen innerhalb des das flüssige Kältemittel vom ersten Speicherbehälter zum Kryostaten führenden Leitungssystems sowie innerhalb des Kryostaten selbst herangezogen werden.
Schließlich kann nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens die Kühluns von Strahlenschildern innerhalb des Leitungssystems und des Kryostaten mit kaltem dampfförmigen Kältemittel aus dem zweiten Speicherbehälter durchgeführt werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht erfir dungsgemäß aus drei Speicherbehältern, wobei der dritte Speicherbehälter mit dem ersten über eine Leitung und ein erstes Ventil verbunden 1st, und wobei der zweite Speicherbehälter über dem dritten liegt und mit diesem über eine Leitung und ein zweites Ventil verbunden ist sowie aus einem, eines oder mehrere KUhlobjekte enthaltenden Kryostaten, wobei der Einging des Kühlobjektes über Leitungen mit dem ersten Speicherbehälter
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und der Ausgang des KUhlobjektes über weitere Leitungen, von denen die innerhalb des Kryostaten verlaufende ein lintspannungsventil enthält, mit dem zweiten Speicherbehälter verbunden ist.
Weiterhin ist gemäß einem weiteren Merkmal der dritte Speicherbehälter mit einem FlUssigkeitsniveauanzeiger, mit einem oberen und einem unteren Grenzwertmelder versehen. Sowohl das erste als auch das zweite Ventil sowie eine dem dritten Speicherbehälter zugeordnete Druckregelvorrichtung können hierbei zur Automatisierung des Betriebsablaufes steuerbar mit dem FlUssigkeitsniveauanzeiger verbunden sein.
Zur Vermeidung von Kälteverlusten sind schließlich nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung alle Verblndungsleitungen zwischen dem Speicherbehälter und dem Kryostaten bzw. dem KUhlobjekt zu einem koaxialen Rohrleitungssystem mit einem Zentralkanal und vier Ringkanälen zusammengefaßt, wobei der Zentralkanal zur Führung von flüssigem Kältemittel zum KUhlobjekt, der erste Ringkanal zur Führung von entspanntem Kältemittel vom Kiihlobjekt und der dritte Ringkanal, der ein Strahlenschild ist, zur FUhrung von dampfförmigem Kältemittel aus dem zweiten Speicherbehälter zu einem weiteren Strahlenschild inner halb des Kryostaten dient. Die beiden anderen Ringkanäle, der zweite und der vierte sind evakuiert.
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Innerhalb des Kryostaten befindet sich noch eine unmittelbar das KUhlobjekt umgebende' KUhlzone, die mit entspanntem Kältemittel aus dem KUhlobjekt gekühlt 1st. Schließlich kann zur Unterkühlung des dem KUhlobjekt zuströmenden Kältemittels in den Verbindungsleitungen von ersten Speicherbehälter zum KUhlobjekt bzw. vom KUhlobjekt zum zweiten Speicherbehälter noch ein V/ärmeaustauscher mit einem Querschnitt für flüssiges Kältemittel aus dem ersten Speicherbehälter und einem Querschnitt für entspanntes Kältemittel vom KUhlobjekt vorgesehen sein.
Obwohl der Erfindungsgegenstand sich im wesentlichen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung eines einzigen KUhlobjektes bezieht, eignet er sich selbstverständlich auch genauso vorteilhaft zur Kühlung mehrerer Kühlobjekte, wobei diese parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet sein können.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient das in der Figur schematisch dargestellte AusfUhrungsbeispiel.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel strömt flüssiges Helium unter einem Druck von etwa 1,8 ata und einer Temperatur von etwa 4,9 K aus dem ersten Speicherbehälter 1 über die Leitung 2,
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den Wärmeaustauscher 15, den Zentralkanal 3 eines mit einem Zentralkanal 3 und vier Ringkanälen versehenen koaxialen Rohrleitunßssystems 12 sowie über die Leitung 4 in das KUhlobjekt 5, das in diesem Ausfuhrungsbeispiel ein supraleitender Magnet
Im Wärmeaustauscher 15 wird das flüssige Helium auf eine Temperatur von ca. 4,5K unterkühlt. Flüssiges unterkühltes Helium wird aus dem KUhlobjekt 5 über leitung 7 abgezogen, im Drosselventil 8 auf etwa 1,2 ata entspannt und einer weiteren KUhlzone
9 zugeführt, die das KUhlobjekt 5 räumlich umschließt. Innerhalb dieser KUhlzone 9 strömt das Helium-PlUssigkeite-Oaagemisch bei einer Temperatur von etwa 4,5K im Gegenstrom zum flüssigen unterkühlten Helium, so daß es zur Stabilisierung der Temperatur innerhalb des KUhlobjektes 5 beitragt, über Leitung
10 wird das Zweiphasengemisch aus der KUhlzone 9 abgezogen und über den ersten Ringkanal 11 des Leitungssystems 12, den Wärmeaustauscher 15 sowie Über die Leitung 13 dem zweiten Speicherbehälter l4, in dem es einer Phasentrennung unterzogen wird, zugeführt. Diese Anordnung des Zentralkanals und des ersten Ringkanals ermöglicht ebenfalls eine Stabilisierung der Temperatur des zur Kühlung des KUhlobJektes dienenden unterkühlten Heliums. Insgesamt findet also eine Kühlung des KUhlobjektes 5 mit überkritischem Helium unter einem Druck von ca. 1,8 ata
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- W-IO
und einer Temperatur von ca. 4,5K statt.
Aus dem zweiten Speicherbehälter, in dem - wie bereits erwähnt eine Phasentrennung des vom Kryostaten zurückfließenden Zweiphasengemisches stattfindet, strömt flüssiges Helium Über die Leitung Io und das geöffnete zweite Ventil 16 in den während dieses Betriebszustandes im Druckausgleich mit dem zweiten Speicherbehälter l4 stehenden dritten Speicherbehälter 17·
Zur Aufrechterhaltung des Förderdruckes von etwa 1,8 ata ist der erste Speicherbehälter 1 über Leitung 18, die mit einem Druckregelventil 19 versehen ist, an eine Druckgasquelle 6 angeschlossen. Während des bisher geschilderten Betriebszustandes wird also der erste Speicherbehälter kontinuierlich unter einem Druck von etwa 1,8 ata entleert und der dritte Speicherbehälter 17 kontinuierlich mit flüssigem Helium unter einem Druck von etwa 1,2 ata aufgefüllt.
Sobald der Flüssigkeitsstand im dritten Behälter 17 eine vorgegebene obere Grenze, die erfindungsgemäß durch den oberen Grenzwertmelder 21a eines FlUssigkeitsniveauanzeigers 21 registriert wird, erreicht hat, wird nunmehr das zweite Ventil 16 geschlossen und gleichzeitig über die Leitung 22 und das zu öffnende Regelventil 23 eine Verbindung zwischen dem dritten Speicherbehälter 17 und der Druckgasquelle 6 hergestellt. Daran anschließend
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Ai - vr -
wird das erste Ventil 24, das sich in der Verbindungsleitung 25 zwischen dem dritten und dem ersten Speicherbehälter befindet, geöffnet, so daß nunmehr flüssiges Helium aus dem dritten Speicherbehälter in den ersten überströmt. Sobald der dritte Speicherbehälter entleert ist oder sein Flüssigkeitsstand eine vorgegebene und durch den unteren Grenzwertmelder 21 des Flüssigkeitsniveauanzeigers 21 registrierte HLihe erreicht hat, werden die Ventile 24 und 23 geschlossen und das Ventil l6 wieder geöffnet.
Diese geschilderte Schaltung läßt sich leicht automatisieren, indem von den Grenzwertmeldern 21a und 21b des Flüssigkeitsniveauanzeigers 21 erzeugte Impulse zur Steuerung der Ventile It, 23 und 24 herangezogen werden. Sobald der Flüssigkeitsstand im dritten Speicherbehälter den oberen Grenzwert erreicht hat, erzeugt der Grenzwertmelder 21a einen ersten Impuls, der das Schließen des Ventils l6 und das öffnen der Ventile 23 und 24 veranlaßt. Andererseits erzeugt der untere Grenzwertmelder 21b einen zweiten Impuls, der das Schließen der Ventile 23 und 24 und das öffnen des Ventils 16 veranlaßt, sobald der Flüssigkeitsstand im dritten Behälter YJ eine vorgegebene untere Grenze erreicht hat.
Insgesamt zeigt dieses Beispiel somit, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung und Verknüpfung der Speicherbehälter eine
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einfache und darüber hinaus konstant gleichmäßige KUhlung eines supraleitenden Magneten mit flüssigem Helium aus einem Speicherbehälter erreicht wird.
Zur Wärmeabschirmung 1st erfindungsgemäß noch ein weiterer Kühlkreis vorgesehen, der mit dem aus dem zweiten Speicherbehälter anfallenden Heliumdampf arbeitet. Dieser Heliumdampf wird aus dem ersten Speicherbehälter Über Leitung 29 abgezogen und zunächst dem dritten Ringkanal 30 des koaxialen Rohrleitungssystems 12, der ein Strahlenschild ist, zugeführt. Nach Durchströmen dieses Ringkanals fließt das kalte Heliumgas über Leitung 31 zu einem weiteren, innerhalb des Kryostaten angeordneten Strahlenschild 32. Von dort wird es über die Leitung J>h abgezogen und einem nicht gezeigten Gasspeicher zugeführt. Die beiden anderen Ringkanäle des koaxialen Rohrleitungssystems 12, also der zweite 37 und der vierte 38, sind ebenso wie der Innenraum des Kryostaten 20 und der Innenraum 28 des die Speicherbehälter 14, 17 und 1 umgebenden Behälters J>6 evakuiert.
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Claims (12)

  1. LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    [H 693) H 73/06
    ί 6^) La/wi
    2}.1.
    Patentansprüche
    !^Verfahren zum Kühlen eines oder mehrerer Kühlobjekte innerhalb eines Kryostaten mit einem verflüssigten tiefkalten Kältemittel, bei dem das Kältemittel einem ersten Speicherbehälter (l) unter Förderdruck entnommen, dem KUhlobjekt (5) zugeführt und anschließend in einen zweiten Speicherbehälter geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel nach Kühlung des KUhlobjektes entspannt und in dem zweiten Speicherbehälter (14) einer Phasentrennung unterzogen wird, wobei der bei der Phasentrennung anfallende flüssige Anteil über einen dritten Speicherbehälter (17) wieder dem ersten Speicherbehälter (l) zugeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstand im dritten Speicherbehälter (17) über zwei Ventile (l6, 24), von denen das erste (24) in der Verbindungsleitung (25) zwischen dem dritten (17) und dem ersten (l) Speicherbehälter und das zweite (l6) in der Verbindungsleitung (15) zwischen dem zweiten (l4) und dem dritten (17) Speicherbehälter angeordnet ist, gesteuert wird.
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  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Speicherbehälter an eine Druckgasquelle (6) angeschlossen werden und daß die Druckgaszufuhr zu dem dritten Behälter (17) dm^h den Flüssigkeitsstand in diesem Behälter gesteuert wird.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das den ersten Speicherbehälter (l) verlassende komprimierte Kältemittel im Wärmeaustausch (15) mit entspanntem, dem zweiten Speicherbehälter (l4) zuströmenden Kältemittel unterkühlt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Verbindungsleitung (12) zwischen dem ersten Speicherbehälter (l) und dem Kryostaten (20) sowie innerhalb des Kryostaten KUhI-zonen (11, 9) vorgesehen werden, welche durch entspanntes Kältemittel gekühlt werden.
  6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Verbindungslei tung (12) zwischen dem ersten Speicherbehälter (l) und dem Kryostaten (20) sowie innerhalb des Kryostaten (20) Strahlenschilder (30, 32) vorgesehen werden, welche durch
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    gasförmiges Kältemittel aus dem zweiten Speicherbehälter (l4) gekühlt werden.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch drei über Leitungen (25> 15) und ein erstes (24) sowie ein zweites (16) Ventil miteinander verbundene Speicherbehälter, von denen der zweite Speicherbehälter (14) über dem dritten (17) angeordnet ist und durch mindestens einen, eines oder mehrere KUhlobjekte (5) enthaltenden Kryostaten (20), wobei der Eingang des KUhlobjektes (5) über Leitungen (2, 3j 4) mit dem ersten Speicherbehälter und der Ausgang des KUhlobjektes Über weitere Leitungen (7, 10, 11, 13). von denen die innerhalb des Kryostaten verlaufende (7) ein Entspannungsventil (8) enthält, mit dem zweiten Speicherbehälter (14) verbunden ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des dritten Speicherbehälters (17) ein FlUssigkeitsniveauanzeiger (21) mit einem oberen (21a) und einem unteren (21b) Grenzwertmelder angeordnet ist und daß dieser PlUssigkeitsniveauanzeiger (21) sowohl mit dem ersten (24) als auch mit dem zweiten (l6) Ventil steuerbar in Verbindung steht.
    ■ ·
  9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekenn-
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    zeichnet, daß sowohl der dritte (17) als auch der erste (l) Speicherbehälter über je eine Druckregelvorrichtung (23, 19) mit einer Druckgasquelle (6) verbunden sind.
  10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9t dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsniveauanzeiger (21) des dritten Speicherbehälters (17) mit dessen Druckregelvorrichtung (23) steuerbar in Verbindung steht.
  11. 11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis
    10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen zwischen den Speicherbehältern (l4, 17, l) und dem Kryostaten (20) zu einem einzigen, einen Zentralkanal (3) und mehrere Ringkanäle (11, 30, 37, 38) enthaltenden koaxialen Rohrleitungssystem (12) zusammengefaßt sind.
  12. 12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis
    11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeaustauscher (15) mit einem Querschnitt für flüssiges Kältemittel vom ersten Speicherbehälter (1) und einem Querschnitt für entspanntes Kältemittel vom KUhlobjekt (5) vorgesehen ist.
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