DE2307287C3 - Vorrichtung zum Nachfüllen von flüssigen Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachfüllen von flüssigen Gasen aus einem Vorratsbehälter in einen Kryostaten mittels eines beide Gefäße verbindenden Hebers.

In der Tieftempäraturtechnik ist es bei der Verwendung von Badkryostaten für Langzeitversuche sowie bei größeren Wärmebelastungen des Cades notwendig, das BadkUhlmittel nachzufüllen. Für Anwendungen in der Technik der Supraleitung kommt als Kühlmittel praktisch nur flüssigem Helium eine Bedeutung zu. Um ein Quenchen, d.h. ein Übergehen der Supraleiter in den normalleitenden Zustand zu verhindern, ist ihre gleichmäßige Kühlung mit dem Kühlmittel notwendig. Man muß deshalb Apparaturen zum automatischen Nachfüllen von Helium in einen die Supraleiter umgebenden Kryostaten einsetzen, die den Flüssigkeitsspiegel des Bades in dem Kryostaten möglichst konstant halten können und die den Druck über dem Bad und somit den Siedepunkt des flüssigen Heliums nur geringfügig beeinflussen.

Aus »Elektrotechnische Zeitschrift«, Ausgabe A, Band 89 (1968), Seiten 308 bis 310 ist eine Nachfüllvorrichtung für flüssiges Helium bekannt, bei der ein Kryostat mit einem Vorratsgefäß durch einen Vakuummantelheber verbunden ist Der für die Förderung des flüssigen Heliums aus dem Vorratsgefäß in den Kryostaten erforderliche Überdruck wird von einem Kohlewiderstandsniveaufühler im Kryostaten geregelt Falls die natürliche Abdampfrate des Vorratsgefäßes zur Aufrechterhaltung der für den Überlauf des flüssigen Heliums erforderlichen Druckdifferenz zwischen Vorratsgefäß und Kryostaten nicht ausreicht, so kann di^e Verdampfung im Voirratsgefäß durch eine dort zusätzlich angebrachte Heizung erhöht werden. Mit einer solchen Anordnung läßt sich eier Flüssigkeitsspiegel konstant halten.

Die ζ\χΐΐ\ Betrieb der AnIs^e erforderliche Abdiünpf-

rate führt zu verhältnismäßig großen Heliumverlusten. Darüber hinaus können von der Anlage einige wichtige Hilfsfunktionen, wie das Verbinden des Vorratsgefäßes mit der Abgasleitung bei einer Störung bzw. das

S Abschalten der Apparatur bei Fehlern sowie bei einem leeren Vorratsgel aß nicht ausgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung zu verbessern, insbesondere die Verdainpfungsverluste zu vermindern.

ίο Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß zwischen dem Kryostaten und dem Vorratsbehälter ein Verdichter vorgesehen ist der im Kryostaten entstehendes Abgas verdichtet und in den Vorratsbehälter fördert, und daß Mittel zur Ermittlung der

is Druckdifferenz zwischen dem Vorratsbehälter und dem Kryostaten vorgesehen sind, die zur Steuerung des Verdichters dienen.

Durch die Verwendung eines steuerbaren Verdichters wird zwischen dem Heliumvorratsbehälter und dem Kryostaten eine einstellbare optimale Druckdifferenz aufrechterhalten und eine Absenkung der Heliumverluste bei den Überhebervorgängen ermöglicht Ein Verdichter bedarf keiner Wartung, und seine Regelung ist einfach, da die Druckerhöhunsgeschwindigkeit

2s proportional zur Drehzahl des Verdichtermotors ist und die Einstellung der Druckdifferenz sich durch die Anschlüsse des Verdichters ergibt

Zur Ermittlung der Druckdifferenz zwischen dem Vorratsbehälter und dem Kryostaten können vorteilhaf te Drucksonden vorgesehen werden, die im Druckraum des Vorratsbehälters bzw. des Kryostaten angeordnet sind.

Ferner kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft ein Maxi maldruckschalter vorgesehen werden, der den Verdich ter abschaltet. Bei einem Nachfüllvorgang sorgt somit der einstellbare Maximaldruckschalter dafür, daß sich bei steigendem Kryostateninnendruck der Absolutdruck durch den Nachfüllvorgang und die vom Verdichter aufrechterhaltene Druckdifferenz zwischen dem Kryostaten und dem Vorratsbehälter nicht aufschaukeln. Ein solcher Vorgang wird auch verursacht durch einen geleerten Vorratsbehälter. Das Gas, welches in diesem Falle durch den Heber in den Kryostaten gelangt, führt zu einer erhöhten Verdampfung und damit zu einem Druckanstieg im Kryostaten. Dadurch reagiert die Vorrichtung indirekt auf einen geleerten Vorratsbehälter durch Abschalten des Verdichters mittels des Maximaldruckschalters.

Darüber hinaus können nach einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung nach der Erfindung in dem Kryostaten vorteilhaft Flüssigkeitsfühler für den maximalen und minimalen Flüssigkeitspegel angeordnet sein, mit denen man eine der Druckdifferenzregelung überlagerte Steuerung erhält Bei einem Flüssigkeitspegel im Kryostaten unterhalb eines einstellbaren Minimalwertes schaltet der eine Flüssigkeitsfühler den Verdichter ein. Nach Erreichen des maximalen Flüssigkeitspegels im Kryostaten am Ende eines Nachfüllvor- ganges wird die Anlage durch den anderen Flüssigkeitsfühler abgeschaltet. Dieser Fühler kann vorteilhaft zugleich ein Magnetventil öffnen, das in einer Verbindungsleitung zwischen dem Vorratsbehälter und einer Abgasleitung angeordnet ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Die Figur zei"! a!s Ausführungsbeisniel soiiernatisch eine Vorrich-

tung, mit der flüssige Gase, vorzugsweise flüssiges Helium, aus einem Vorratsbehälter in einen Kryostaten gefördert werden können.

Ein gasdicht abgeschlossener Vorratsbehälter 2, z.B. eine Kanne, ist Ober einen Heber 3, beispielsweise einen Vakuummantelheber, direkt mit einem geschlossenen Kryostaten 4 verbunden. In dem Kryostaten 4 können in der Figur nicht dargestellte Supraleiter angeordnet sein. Aus dem Kryostaten 4 fuhrt eine Gasanschiußleituig 5 in eine von einer Regelelektronik gesteuerte Schalteinheit 6. Di;r Druck im Kryostaten 4 wird in der Schalteinheit 6 von einer Drucksonde 7, beispielsweise einem Manometer mit einem kontaktlosen elektronischen Schaltelement, insbesondere einem Feldplattenmanometer, gemessen, das mit der kryostatenseitigen Gasanschlußleitung 5 verbunden ist Ein Überdruckventil 8 sorgt als Sicherheitsventil dafür, daß der maximale Druck in dem Kryostaten 4 einen Schwellenwert nicht überschreiten kann. In der Schalteinheit 6 ist die kryostatenseitige Gasanschlußleitung 5 mit einer Zuleitung 9 zu einem Verdichter 10 verbunden. Durch eine strichpunktierte Linie ist in der Figur angedeutet, daß der Verdichter 10 mittels der Regelelektronik der Schalteinheit 6 betätigt wird, dh. ein- und ausgeschaltet und in seiner Verdichtergeschwindigkeit geregelt wird. Der Verdichter 10 ist über eine Rückleitung 11 mit der Schalteinheit 6 verbunden. In der Schalteinheit ist diese Rückleitung 11 an eine weitere Gasanschlußle. tung 12, die in den Vorratsbehälter 2 geführt ist, angeschlossen. An dieser Gasanschlußleitung 12 ist in der Schalteinheit 6 eine Drucksonde 13, beispielsweise ein Manometer mit einem kontaktlosen elektrischen Schaltelement, insbesondere ein Feldplattenmanometer, angebracht, mit der sich der Druck im Vorratsbehälter 2 bestimmen läßt Die Gasanschlußleitung 12 ist darüber hinaus mit einer Abgasleitung 14 verbunden. Die entsprechende Verbindungsleitung 15 enthält ein Magnetventil 16, das von der Schalteinheit 6 betätigt werden kann, wie in der Figur durch eine gestrichelt eingezeichnete Wirkungslinie angegeben ist Ferner ist die Schalteinheit 6 mit zwei Fühlern zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels im Kryostaten 4 verbunden. Diese Verbindung ist in der Figur gestrichelt eingezeichnet In der Figur ist der im Kryostaten 4 angeordnete Fühler für den minimalen Flüssigkeitspegel mit 17, der für den maximalen Flüssigkeitspegel mit 18 bezeichnet Wie in der Figur ferner dargestellt ist, wird der elektrische Teil der Schalteinheit 6 von einer Stromversorgung 19, beispielsweise aus einem 220-V-Netz, gespeist

Mit dem Verdichter 10 kann eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen dem Kryostaten 4 und dem Vorratsbehälter 2 erzeugt und aufrechterhalten werden. Die Stellgröße zur Steuerung ist dabei die Druckdifferenz zwischen den beiden Drucksonden 7 und 13. Diese Solldruckdifferenz wird an der Schalteinheit 6 eingestellt; bei Abweichungen nach kleineren Druckdifferenzwerten wird der Verdichter 10 mittels der Regelelektronik der Schalteinheit 6 so lange eingeschaltet, bis die Solldruckdifferenz erreicht ist Sobald diese vorgegebene Differenz sich eingestellt hat, wird der Verdichter 10 von der Schalteinheit 6 wieder abgeschaltet Diese Verdichtersteuerung erfolgt nur bei einem vorgegebenen Flüssigkeitspegel im Kryostaten 4. Bei einem Pegelstand unterhalb einer vorgegebenen Minimalmarke schaltet der Minimalfühler 17 die Regelelektronik ein, oberhalb einer vorgegebenen Maximalmarke schaltet der Maximalfühler 18 die Regelelektronik wieder aus. Der Verdichter 10 besitzt beispielsweise eine einstellbare konstante Drehzahl seines Motors. Ferner ist es auch möglich, die Motordrehzahl in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zu regeln, beispielsweise mittels eines P-, PI-. PD- oder PID-Reglers. Hierdurch läßt sich eine besonders gute Annäherung an die Solldruckdifferenz ermöglichen. Mit dieser Ausbildung des Verdichters 10 kann leicht ein starker Druckansteig im Kryostaten 4 festgestellt werden, der sich bei leerem Vorratsbehälter 2 einstellt

In der erfindungsgemäßen Überhebervorrichtung sind darüber hinaus Zusatzvorrichtungen für die folgenden zwei Betriebsfälle vorgesehen: Im ersten Fall ist der Kryostat 4 mit Helium gefüllt, dJi. der maximal zulässige Flüssigkeitspegel des Heliums im Kryostaten ist erreicht Steigt der Flüssigkeitspegel über die vorgegebene Maximalmarke an, so schaltet die Regelelektronik der Schalteinheit 6 aufgrund des von dem Maximalfühler 18 ausgehenden Steuerimpulses den Verdichter 10 ab und öffnet das Magnetventil 16, so daß der Vorratsbehälter 2 über die Gasanschlußleitung 12 und die Verbindungsleitung 15 mit der Abgasleitung 14 verbunden ist Fällt hingegen der Flüssigkeitspegel im Kryostaten 4 unter die vorgegebene Minimalmarke, so schaltet die Regelelektronik aufgrund des von dem Minimalfühler 17 ausgehenden Steuerimpulses den Verdichter 10 ein und schließt das Magnetventil 16. Die hierfür erforderlichen Fühler 17 und 18 sind beispielsweise Kohle- oder Halbleiterwiderstände. Sie sind im Kryostaten 4 übereinander angeordnet und können beispielsweise in Brückenschaltung betrieben werden.

im zweiten Betriebsfall liegt ein Aufschaukeln oder Ansteigen des Druckes im Kryostaten 4 über einen Maximalwert vor. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß aus dem Vorratsbehälter 2 keine Flüssigkeit mehr, sondern nur noch Heliumgas in den Kryostaten 4 gefördert wird. Dies führt zu einer starken Heliumverdampfung im Kryostaten und folglich zu dem starken Druckanstieg. Ferner kann bei der normalen Förderung durch einen hohen Strömungswiderstand in der kryostatenseitigen Gasanschlußleitung 5 ein Druckanstieg im Kryostaten 4 erzeugt werden, da ständig nur die Druckdifferenz zwischen dem Vorratsbehälter 2 und dem Kryostaten 4 aufrechterhalten wird, nicht aber der absolute Druckwert Darüber hinaus können sich im Kryostaten 4 plötzliche Verdampfungsstöße ausbilden, die zu einem starken Druckanstieg führen, beispielsweise durch das Kritischwerden eines Supraleiters im Kryostaten.
Bei Eintritt eines dieser Fälle wird der Verdichter 10 durch einen Maximaldruckschalter 20, der von der kryostatenseitigen Drucksonde 7 gesteuert wird und in der Figur durch diese Drucksonde 7 mit dargestellt ist abgeschaltet.

Mit Hilfe der Regelelektronik werden die Schaltfunktionen von der Schalteinheit 6 der Vorrichtung vorgenommen. Diese Elektronik dient einmal zur Ermittlung der Druckdifferenz zwischen der vorratsbehälterseitigen Drucksonde 13 und der kryostatenseitigen Drucksonde 7. Zum anderen mißt sie den absoluten Druckwert an der Drucksonde 7. Mit Hilfe dieser beiden Drucksonden 7 und 13 kann beispielsweise jeweils ein veränderlicher Widerstand proportional zur Druckanzeige eingestellt werden. Diese Widerstände können beispielsweise magnetfeldabhängige Widerstände sein, die mit einer Membran verbunden sind. Mit der Auslenkung der Membran wird der Abstand der Pole eines Magnetkreises und damit das Feld in den magnetfeldabhängigen Widerständen entsprechend ge-

ändert. Diese Widerstandsänderung dient als Signal für die Druckanzeige; oder die Druckanzeige geschieht mittels eines Potentiometers üblicher Bauart, das über eine Membran verstellbar ist. Die Ermittlung der Druckdifferenz erfolgt dann durch einen elektronischen Vergleich der Spannungen an den veränderbaren Widerständen oder der Ströme in den beiden Widerständen. Die Maximaldruckabschaltung wird beispielsweise durch ein Relais vorgenommen, das beim Unterschreiten eines bestimmten Stromes an dem veränderlichen Widerstand der kryostatenseitigen Drucksonde 7 abfällt oder beim Überschreiten einer bestimmten Spannung anspricht.

Die Vorrichtung erlaubt ein verhältnismäßig verlustarrncs Oberhebern von flüssigen Gasmengen aus dem Vorratsbehälter 2 in den Kryostaten 4. Sie arbeitet weitgehend unabhängig von den verwendeten Geräten wie Vorratsbehälter, Kryostaten und Hebern und ist dadurch universell einsetzbar. Ihr Anschluß und ihre Handhabung ist einfach und sicher.

Als Verdichter in der Vorrichtung kann beispielsweise ein Membranverdichter eingesetzt werden, der aufgrund der geringen Verluste bei den Überhebervorgängen nur eine kleine Antriebsleistung zu haben braucht.

Mit der erfindungsgemäßen Überhebervorrichtung kann ein Überhebervorgang, der bei einem Flüssigkeitspegel im Kryostaten 4 unterhalb einer vorgegebenen Minimalmarke ausgelöst wird, folgendermaßen geschehen:

Nach Einschalten des Apparates und Einstellung einer Druckdifferenz, vorzugsweise zwischen 150 und 200 mm WS, eines Maximaldruckes und einer Verdichtergeschwindigkeit wird durch den Verdichter IO der Druck im Vorratsbehälter 2 so lange erhöht, bis die eingestellte Druckdifferenz zwischen dem Kryostaten 4 und dem Vorratsbehälter 2 erreicht ist. Dabei wird gasförmiges Helium aus dem Kryostaten 4 in den Vorratsbehälter 2 gefördert Danach schaltet die Regelelektronik der Schalteinheit den Verdichter 10 ab. Nach Verringerung der eingestellten Druckdifferenz um einen ebenfalls einstellbaren Wert schaltet die Regelelektronik den Verdichter 10 erneut bis zum Erreichen

ίο der eingestellten Druckdifferenz ein. Der Überhebervorgang wird so lange aufrechterhalten, bis durch den Maximalfühler 18 für den maximalen Flüssigkeitspegel die Vollfüllung des Kryostaten 4 gemeldet wird Dadurch wird die Beendigung des Überhebervorganges

!5 ausgelöst. Der Verdichter 10 wird ganz abgeschaltet und das Magnetventil 16 öffnet die Verbindungsleitung 15 zwischen dem Vorratsbehälter 2 und der Abgasleitung 14. Der Überhebervorgang beginnt erst wieder bei einem Flüssigkeitspegel im Kryostaten 4 unterhalb de« entsprechenden Minimalflüssigkeitsfühlers 17.

Beim Überhebervorgang sorgt eine einstellbare Maximaldruckabschaltung dafür, daß bei steigenden· Kryostateninnendruck sich der Absolutdruck nichi durch den Überhebervorgang und die vom Verdichtei aufrechterhaltene Druckdifferenz zwischen dem Kryo staten und dem Vorratsbehälter aufschaukelt. Eir solcher Vorgang wird nämlich auch durch einer geleerten Vorratsbehälter verursacht. Das Gas, welche: in diesem Falle durch den Heber in den Kryostater gelangt, führt dann zu einer erhöhten Verdampfung um damit zu einem Druckanstieg im Kryositaten. Dadurcr reagiert die Apparatur indirekt auf einen geleerter Vorratsbehälter durch Abschalten des Verdichter: mittels des Maximaldruckschalters 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

23 07 237 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Nachfüllen von flüssigen Gasen aus einem Vorratsbehälter in einen Kryostaten mittels eines beide Gefäße verbindenden Hebers, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kryostaten (4) und dem Vorratsbehälter (2) ein Verdichter (10) vorgesehen ist, der im Kryostaten (4) entstehendes Abgas verdichtet und in den Vorratsbehälter (2) fördert, und daß Mittel zur Ermittlung der Druckdifferenz zwischen dem Vorratsbehälter (2) und dem Kryostaten (4) vorgesehen sind, die zur Steuerung des Verdichters (10) dienen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung der Druckdifferenz zwischen dem Vorratsbehälter (2) und dem Kryostaten (4) Drucksonden (7 bzw. 13) sind, die im Druckraum des Vorratsbehälters (2) bzw. des Kryostaten (4) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kryostaten (4) ein Maximaldruckschalter (20) zugeordnet ist

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Kryostaten (4) ein Fluss gkeitsfühler (18) für den maximalen Flüssigkeits tegel und ein Flüssigkeitsfühler (17) für den mini'nalen Flüssigkeitspegel angeordnet sind.