DE2352147B2 - Device for supplying a cryostat - Google Patents
Device for supplying a cryostatInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung eines Kryostaten mit einem tiefsiedenden Flüssiggas mittels eines in einem Flüssiggaskreislauf, in den eine Kälteanlage, ein Vorratsbehälter und der Kryostat eingeschaltet sind, erzeugten Förderdruckes.The invention relates to a device for supplying a cryostat with a low-boiling one Liquid gas by means of a liquid gas circuit in which a refrigeration system, a storage tank and the Cryostat are switched on, generated delivery pressure.
Es ist bekannt, einen Kryostaten mit Flüssiggas aus einem Vorratsbehälter, der mit einer Kälteanlage in Verbindung steht, zu versorgen. Hierbei strömt im Normalbetrieb das von der Kälteanlage erzeugte Flüssigkeitsdampfgemisch unter Druck zunächst in den Vorratsbehälter, in dem sich die Flüssigkeit ansammelt, während der Dampf über eine steuerbare Drosselstelle unmittelbar zur Kälteanlage zurückfließt. Aufgrund einer durch Drosselung erzeugten Druckdifferenz gelangt die im Vorratsbehälter angesammelte Flüssigkeit nunmehr über eine Leitung, die mit einem Regulierventil, das den Flüssigkeitsdurchfluß in Abhängigkeit des Flüssigkeitsstandes im Kryostaten regelt versehen ist in den Kryostaten. Das im Kryostaten verdampfte Kältemittel strömt unmittelbar zur Kälteanlage zurück. Der zur Förderung der Flüssigkeit vom Vorratstank zum Kryostaten erforderliche Differenzdruck wird über einen Differenzdruckregler, der steuerbar mit der Drosselstelie in Verbindung steht,It is known to use a cryostat with liquid gas from a storage container, which is connected to a refrigeration system in Connected to supply. In normal operation, that generated by the refrigeration system flows Liquid vapor mixture under pressure first into the storage container, in which the liquid collects, while the steam flows back directly to the refrigeration system via a controllable throttle point. Because of a pressure difference generated by throttling, the liquid that has accumulated in the storage tank arrives now via a line with a regulating valve that controls the flow of liquid as a function the liquid level in the cryostat regulates is provided in the cryostat. That in the cryostat evaporated refrigerant flows directly back to the refrigeration system. The to promote the liquid from Storage tank for the cryostat required differential pressure is controlled by a differential pressure regulator, the is controllably connected to the throttle section,
ίο gergeltίο beaten
Der Nachteil dieses bekannten Versorgungssystems liegt in dem großen Regelaufwand, der bereits im Normalbetrieb erforderlich ist um eine wirksame Kältemittelversorgung des Kryostaten zu gewährleisten und dem damit verbundenen Risiko einer Störung in der Kältemittelversorgung des Kryostaten, die insbesondere dann von großer negativer Bedeutung sein kann, wenn im Kryostaten ein größeres Objekt, beispielsweise ein Supramagnet gekühlt werden sollThe disadvantage of this known supply system lies in the high level of control effort that is already in place in the Normal operation is required to ensure an effective supply of refrigerant to the cryostat and the associated risk of a malfunction in the refrigerant supply of the cryostat, in particular can then be of great negative importance if a larger object, for example a supramagnet is to be cooled
Der Erfindung .Uegt die Aufgabe zugrunde, ein
Versorgungssystem eines Kryostaten mit einer tiefsiedenden Flüssigkeit zu entwickeln, das bei maximaler
Betriebssicherheit einfach zu betreiben ist
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in Fließrichtung des Flüssigkeitskreislaufs der Kryostat unmittelbar
hinter der Kälteanlage liegt und der Vorratsbehälter dem Kryostaten nachgeschaltet ist.The invention is based on the object of developing a supply system for a cryostat with a low-boiling liquid that is easy to operate with maximum operational reliability
This object is achieved in that the cryostat is located directly behind the refrigeration system in the direction of flow of the liquid circuit and the storage container is connected downstream of the cryostat.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auf einfache Weise die Versorgung eines Kryostaten mit einem liefsiedenden Flüssiggas unter maximaler Betriebssicherheit Das kalte, in der Kälteanlage erzeugte Flüssigkeitsdampfgemisch strömt hierbei unter dem Förderdruck unmittelbar zu dem Kryostaten. Hier sammelt sich die Flüssigkeit an, während der Dampf sowie innerhalb des Kryostaten verdampfte Flüssigkeit über eine Leitung, die im oberen Bereich des Kryostaten mündet, unmittelbar zum Vorratsbehälter und erst von diesem zum Eingang der Kälteanlage weiterströmt. Sobald der Flüssigkeitsstand im Kryostaten dieThis device according to the invention enables a cryostat to be supplied in a simple manner a low-boiling liquefied petroleum gas with maximum operational reliability. The cold one generated in the refrigeration system The liquid-vapor mixture flows directly to the cryostat under the delivery pressure. here the liquid accumulates while the vapor and liquid evaporated within the cryostat Via a line that opens in the upper area of the cryostat, directly to the storage container and only from this continues to flow to the entrance of the refrigeration system. As soon as the liquid level in the cryostat reaches the
•to Mündung der Verbindungsleitung zum Vorratsbehälter erreicht hat, fließt nunmehr auch Flüssiggas in den Vorratsbehälter, um sich dort anzusammeln. Überschüssige Flüssigkeit kann gegebenenfalls zur anderen Verwendung aus dem Vorratsbehälter entfernt werden.• to the mouth of the connecting line to the storage tank reached, liquid gas now also flows into the storage container to collect there. Excess If necessary, liquid can be removed from the reservoir for other uses.
■»5 Insgesamt bedarf es somit bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung trotz maximaler Kältemittelversorgung des Kryostaten keinerlei Steuer- bzw. Regelorgane innerhalb des Flüssiggaskreislaufes. Die Kältemittelversorgung innerhalb des Kryostaten regelt sich praktisch von selbst, vorausgesetzt, die Kältemittelproduktion der Kälteanlage ist genauso groß oder größer als der Kältemittelverbrauch des Kryostaten. Diese Bedingung ist jedoch leicht zu realisieren. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise vorteilhaft zur Versorgung eines Supramagneten, der sich innerhalb des Kryostaten befindet, mit flüssigem Helium.■ »5 Overall, it is therefore necessary in the case of the invention Device, despite the maximum supply of refrigerant to the cryostat, does not have any control or regulating elements within the liquid gas circuit. The refrigerant supply within the cryostat is practically regulated by itself, provided that the refrigerant production of the refrigeration system is equal to or greater than that Refrigerant consumption of the cryostat. However, this condition is easy to implement. Thus, the Device according to the invention, for example, advantageous for supplying a supramagnet, which located inside the cryostat, with liquid helium.
Mit Vorteil sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Flüssiggaskreislauf Ventile angeordnet, wobeiValves are advantageously arranged in the liquid gas circuit in the device according to the invention, wherein
so ein erstes vor dem Kryostaten, ein zweites vor dem Vorratsbehälter in der Zuführleitung und ein drittes nach dem Vorratsbehälter in der Abführleitung vorgesehen ist.so a first in front of the cryostat, a second in front of the Storage container in the supply line and a third after the storage container in the discharge line is provided.
erfindungsgemäßen Vorrichtung der Vorratsbehälter über absperrbare Hilfsleitungen sowohl mit dem Kryostaten als auch mit einem Druckgasbehälter verbunden ist, kann aber auch auf einfache Weise einerinventive device of the reservoir via lockable auxiliary lines both with the Cryostat is connected to a pressurized gas container, but can also be a simple way
etwaigen verminderten Kältemittelproduktion der Kälteanlage oder einem vermehrten Kältemittelbedarf des Kryostaten begegnet werden. In einem solchen Fall wird mittels des angeschlossenen Druckgasbehälters im Vorratsbehälter relativ zum Kryostaten eir Oberdruck erzeugt, so daß nunmehr über die zusätzliche Leitung tiefsiedende Flüssigkeit vom Vorratsbehälter zum Kryostaten gefördert werden kann. Mit Vorteil wird hierbei zusätzlich der Vorratsbehälter hinsichtlich der Rückführung des im Kryostaten anfallenden Dampfes und verdampfter Flüssigkeit überbrückt, wobei der Dampf und die verdampfte Flüssigkeit nun unmittelbar vom Kryostaten zur Kälteanlage geleitet werden. Dies letztere wird erfindungsgemäß durch eine mit einem Ventil versehene Leitung erreicht, die die Zuführleitung des Kryostaten zum Vorratsbehälter und die Abführleitung des Vorratsbehälters zur Kälteanlage miteinander verbindetany reduced refrigerant production of the refrigeration system or an increased refrigerant requirement of the Cryostats are encountered. In such a case, by means of the connected pressurized gas container in the Reservoir generated relative to the cryostat eir overpressure, so that now via the additional line low-boiling liquid can be conveyed from the storage container to the cryostat. With advantage will in addition, the storage container with regard to the return of the vapor generated in the cryostat and vaporized liquid bridged, with the vapor and the vaporized liquid now immediately from the cryostat to the refrigeration system. This latter is according to the invention by a with a Reached the valve provided line, which is the supply line of the cryostat to the storage container and the discharge line of the storage tank connects to the refrigeration system
niese zusätzliche Möglichkeit der Kältemittelversorgung des Kryostaten bei verminderter Leistung der Kälteanlage bzw. bei erhöhtem Kältemittelbedarf des Kryostaten läßt sich in weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht automatisieren, indem sowohl das Ventil in der zusätzlichen Leitung zum Vorratsbehälter zum Kryostaten, als auch das Ventil zwischen Vorratsbehälter und Druckgasbehälter, das ein Magnetventil sein kann, steuerbar mit einem im Kryostaten vorgesehenen Flüssigkeitsniveauanzeiger verbunden werden. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß auch das Ventil in der Leitung zwischen Vorratsbehälter und Kryostat dasjenige zwischen Vorratsbehälter und Kälteanlage und dasjenige in der Überbrückungsleitung steuerbar mit dem Flüssigkeitsniveauanzeiger verbunden werden.This additional possibility of refrigerant supply of the cryostat with reduced performance of the refrigeration system or with increased refrigerant demand of the In a further embodiment of the device according to the invention, cryostat can be easily automated, by both the valve in the additional line to the storage container to the cryostat, and the Valve between the storage container and the compressed gas container, which can be a solenoid valve, controllable with an im Cryostat provided liquid level indicator can be connected. In addition, according to the invention also the valve in the line between the storage container and the cryostat the one between Storage tank and refrigeration system and the one in the bridging line controllable with the liquid level indicator get connected.
Weitere Erläuterungen der erfindungsgemäBen An- J5 Ordnung sind der Figur zu entnehmen, in der ein spezielles Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist.Further explanations of the inventive J5 Order can be found in the figure, in which a special embodiment is shown schematically is.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel strömt ein Gemisch aus flüssigem und dampfförmigem Helium von einer Kälteanlage 1 unter Druck über die Leitungen 2 und 3 sowie die geöffneten Ventile 26 und 4 in einen Kryostaten 5, in dem sich beispielsweise ein zu kühlender Supramagnet 5a befindet Innerhalb des Kryostaten 5 scheidet sich die Flüssigkeit ab, während Dampf und verdampfte Flüssigkeit sowie, nach dem Auffüllen des Kryostaten 5, auch Flüssigkeit über die Leitungen 6 und 7 und ein geöffnetes Ventil 8 dem Vorratsbehälter ? zuströmt In dem Vorratsbehälter 9 sammelt sich die Flüssigkeit, während der Dampf über so die Leitungen 10 und 11 sowie die geöffneten Ventile 12 und 25 dem Eingang der Kälteanlage 1 zugeleitet wird. Alle anderen, bisher nicht genannten Ventile, sind in diesem Fall geschlossen.According to this embodiment, a mixture of liquid and vaporous helium flows from a refrigeration system 1 under pressure via the lines 2 and 3 and the opened valves 26 and 4 into a cryostat 5 in which, for example, a supramagnet 5a to be cooled is located inside the cryostat 5 the liquid is removed, while vapor and evaporated liquid and, after the cryostat 5 has been filled, also liquid via the lines 6 and 7 and an open valve 8 to the storage container ? flows in The liquid collects in the reservoir 9, while the vapor is fed to the inlet of the refrigeration system 1 via the lines 10 and 11 and the opened valves 12 and 25. All other valves not mentioned so far are closed in this case.
Die beschriebene Schaltung entspricht dem Normalbetrieb der dargestellten Vorrichtung zur Versorgung eines Kryostaten mit flüssigem Helium. Es zeigt sich, daß keinerlei Regelaufwand betrieben werden muß, um eine ausreichende Kältemittelversorgung des Kryostaten sicherzustellen. Der erreichbare Flüssigkeitsstand innerhalb des Kryostaten hängt ausschließlich von der Lage des Endpunktes der Leitung 6 innerhalb des Kryostaten ab, die praktisch ein Überlaufrohr darstellt. Überflüssiges Kältemittel kann über Leitung 22 und das Ventil 23 aus dem Vorratsbehälter 9 abgezogen werden.The circuit described corresponds to normal operation of the supply device shown a cryostat with liquid helium. It turns out that no control effort has to be made in order to ensure an adequate supply of refrigerant to the cryostat. The achievable liquid level inside the cryostat depends exclusively on the location of the end point of the line 6 within the Cryostat, which is practically an overflow pipe. Superfluous refrigerant can be via line 22 and the Valve 23 can be withdrawn from the storage container 9.
Im Falle einer verminderten Kältemittelproduktion der Kälteanlage 1 oder eines erhöhten Kältemittelverbrauchs des Kryostaten 5 k/jnn durch eine einfache Schaltung der Speichervorrat des Vorratsbehälters 9 zur zusätzlichen Kühlung herangezogen werden. Hierzu werden das Regelventil 14 in der Hilfsleitung 15, das Magnetventil 13 in der Hilfsleitung 16 zwischen dem Vorratsbehälter 9 und einem Druckgasbehälter 17 und das Ventil 18 in der Überbrückungsleitung 19 geöffnet Die Ventile 8 und 12 werden geschlossen. Durch das geöffnete Magnetventil 13 strömt Heliumgas in den Vorratsbehälter 9 und drückt zusätzlich gespeichertes flüssiges Helium über die Hilfsleitung 15 in die Zuführungsleitung 3 des Kryostaten 5. Hierbei wird das Magnetventil 13 über einen Druckschalter 20 so gesteuert daß der zur Förderung des flüssigen Heliums erforderliche Differenzdruck zwischen Vorratsbehälter 9 und Kryostat 5 eingestellt wird. Im Kryostaten 5 verdampftes Kältemittel strömt nun unmittelbar über die Leitungen 6,19 und 11 zur Kälteanlage 1 zurück.In the case of a reduced refrigerant production of the refrigeration system 1 or an increased refrigerant consumption of the cryostat 5 k / jnn by a simple circuit of the storage reservoir of the storage container 9 can be used for additional cooling. For this purpose, the control valve 14 in the auxiliary line 15, the Solenoid valve 13 in the auxiliary line 16 between the storage container 9 and a pressurized gas container 17 and the valve 18 in the bypass line 19 is opened. The valves 8 and 12 are closed. By the When the solenoid valve 13 is open, helium gas flows into the storage container 9 and additionally presses stored items liquid helium via the auxiliary line 15 into the supply line 3 of the cryostat 5. Here, the Solenoid valve 13 is controlled via a pressure switch 20 so that the one to promote the liquid helium required differential pressure between reservoir 9 and cryostat 5 is set. In the cryostat 5 Evaporated refrigerant now flows back to the refrigeration system 1 directly via lines 6, 19 and 11.
Diese für den Fall einer Störung der Kälteanlage 1 oder für den Fall eines erhöhten Kältemittelverbrauchs des Kryostaien 5 vorgesehene Schaltung läßt sich einfach automatisieren, indem ein am Kryostaten 5 vorgesehener Flüssigkeitsniveauanzeiger 21 mit den Schranken 21a, 2lb und 21c steuerbar mit den Ventilen 8, 12 und 18 einerseits und 13 und 14 andererseits verbunden wird Die Steuerung ist mit Vorteil so ausgeführt, daß, sobald der Flüssigkeitsstand innerhalb des Kryostaten 5 die Schranke 21a unterschreitet von Normalbetrieb auf Störungsbetrieb umgeschaltet wird, indem der Flüssigkeitsniveauanzeiger 21 dem Ventil 18 den Befehl gibt, sich zu öffnen, und gleichzeitig den Ventilen 8 und 12 den Befehl gibt, sich zu schließen. Die Ventile 13 und 14 werden durch Befehl der Schranke 21 c geöffnet und durch Befehl der Schranke 21 fc wieder geschlossen. Der Druck innerhalb der Hilfsleitung 15 wird über den Druckschalter 20 gesteuert Sobald der Flüssigkeitsstand innerhalb des Kryostaten 5 die obere Schranke 21a des Flüssigkeitsniveauanzeigers 21 überschreitet, wird automatisch wieder auf Normalbetrieb umgeschaltet.This circuit provided in the event of a fault in the refrigeration system 1 or in the event of increased refrigerant consumption by the cryostat 5 can be easily automated by a liquid level indicator 21 provided on the cryostat 5 with the barriers 21a, 21b and 21c controllable with the valves 8, 12 and 18 on the one hand and 13 and 14 on the other hand open and at the same time commands valves 8 and 12 to close. The valves 13 and 14 are opened by the command of the barrier 21c and closed again by the command of the barrier 21 fc. The pressure within the auxiliary line 15 is controlled via the pressure switch 20. As soon as the liquid level within the cryostat 5 exceeds the upper limit 21a of the liquid level indicator 21, the system automatically switches back to normal operation.
Falls die Kälteanlage 1 zeitweise von der Anlage abgetrennt werden muß, was im Fall einer Reparatur der Kälteanlage 1 notwendig sein könnte, ist auch eine zeitlich begrenzte Versorgung des K^yostaten 5 allein aus dem Vorratsbehälter 9 möglich. Die Ventile 25 und 26 sind in diesem Fall geschlossen. Das flüssige Kältemittel Hießt aus dem Vorratsbehälter 9 bei geöffnetem Ventil 14 über die Zuführungsleitung 3 zum Kryostaten 5. Der zum Überfließen des flüssigen Kältemittels notwendige Differenzdruck zwischen Vorratsbehälter 9 und Kryostat 5 wird in dieser Schaltung einerseits dadurch erzeugt, daß wie bisher der Vorratsbehälter 9 über die Hilfsleitung 16 und das Magnetventil 13 an den Druckgasbehälter 17 angeschlossen wird, andererseits aber der Kryostat 5 dadurch auf konstantem und gegenüber dem Vorratsbehälter 9 niedrigeren Druck gehalten wird, daß das durch die Leitungsstücke 6,19 und U bei geöffnetem Ventil 18 strömende gasförmige Kältemittel durch öffnen eines Ventils 28 über eine Leitung 27 entweder nach außen entweichen oder sich in einem Gasometer 29 ansammeln kann. Außer den Ventilen 25 und 26 sind die Ventile 4,8,12 ebenfalls geschlossen. Die automatische Kontrolle des Flüssigkeitsspiegels im Kryostaten 5 kann völlig analog wie in dem Fall erfolgen, daß der Kälfmittelverbrauch des Kryostaten 5 erhöht oder die Kälteanlage I gestört istIf the refrigeration system 1 has to be temporarily separated from the system, which is the case in the event of a repair the refrigeration system 1 could be necessary, a time-limited supply of the K ^ yostat 5 alone from the reservoir 9 possible. The valves 25 and 26 are closed in this case. The liquid one Refrigerant flows from the reservoir 9 when the valve 14 is open via the supply line 3 to the Cryostats 5. The differential pressure between the storage tank necessary for the liquid refrigerant to overflow 9 and cryostat 5 is generated in this circuit on the one hand that, as before, the Storage container 9 is connected to the compressed gas container 17 via the auxiliary line 16 and the solenoid valve 13 is, on the other hand, however, the cryostat 5 thereby at a constant level and with respect to the storage container 9 lower pressure is maintained that the through the line pieces 6, 19 and U when the valve 18 is open flowing gaseous refrigerant by opening a valve 28 via a line 27 either to the outside escape or collect in a gasometer 29. Except for the valves 25 and 26 are the Valves 4, 8, 12 also closed. The automatic The control of the liquid level in the cryostat 5 can be carried out in a completely analogous manner as in the case that the Kälfmittelconsumption of the cryostat 5 increases or the Refrigeration system I is disturbed
Ein Betrieb der Kälteanlage i in den Vorratsbehälter 9 allein läßt sich ebenfalls durchführen. Eine solcheAn operation of the refrigeration system i in the reservoir 9 alone can also be carried out. Such
Schaltung ist notwendig, falls der Vorratsbehälter 9, z. B. aus Sicherheitsgründen, vor Inbetriebnahme des Kryostaten 5 mit einem Vorrat an flüssigem Kältemittel ausgestattet werden soll. Hierzu wird über die Leitung 2 bei geöffnetem Ventil 26 und über eine Leitung 24 durch öffnen eines Ventils 4a der Vorratsbehälter 9 direkt mit flüssigem Kältemittel aus der Kälteanlage 1 versorgt, während im Vorratsbehälter 9 verdampfendes Kältemittel über die Leitung 10 bei geöffnetem Ventil 12 und die Leitung 11 bei geöffnetem Ventil 25 in die Kälteanlage 1 zurückströmt.Circuit is necessary if the reservoir 9, z. B. for safety reasons, before putting the cryostat into operation 5 is to be equipped with a supply of liquid refrigerant. To do this, line 2 with the valve 26 open and via a line 24 by opening a valve 4a of the storage container 9 directly liquid refrigerant supplied from the refrigeration system 1, while in the reservoir 9 evaporating refrigerant via the line 10 with the valve 12 open and the line 11 with the valve 25 open into the Refrigeration system 1 flows back.
Beim Kaltfahren des Kryostaten S wird dieser wie beim Normalbetrieb direkt mit kaltem Kältemittel aus der Kälteanlage 1 versorgt Das im Kryostaten 5 erwärmte Kältemittel strömt in diesem Fall jedoch direkt zur Kälteanlage ! zurück. Hierzu sind die Yentüe 26,4,18,25 geöffnet, die Ventile 8,12,4« 14, die in denWhen the cryostat S is cold, it is switched off directly with cold refrigerant, as in normal operation The refrigerant heated in the cryostat 5 flows in this case, however directly to the refrigeration system! return. This is what the yentüe are for 26,4,18,25 open, valves 8,12,4 «14, which are in the
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel somit eine vorteilhafte und betriebssichere Versorgung einesOverall, the inventive arrangement according to this embodiment thus enables a advantageous and reliable supply of a
-, Kryostaten mit flüssigem Helium. Die Verhältnisse innerhalb des Kryostaten werden auch durch Störungen der Kälteanlage nicht beeinträchtigt, was gerade dann von großer Bedeutung ist, wenn sich z. B. innerhalb des Kryostaten ein Supramagnet befindet, dessen Betrieb-, cryostats with liquid helium. The ratios inside the cryostat are not affected by malfunctions in the refrigeration system, which is precisely what happens then is of great importance when z. B. a supramagnet is located inside the cryostat, its operation
i(l eine konstante Kühlung voraussetzt.i (l requires constant cooling.
Diese erfindungsgemäße Art der Kältemittelversorgung kann selbstverständlich auch auf mehrere in Reihe geschaltete Kryostaten angewendet werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit anstelle einer Kälteanlge einen Vorratstank zu verwenden und überwiegend flüssiges Kältemitte! unter Zwischenschaltung einer Pumpe zu fördern.This type of refrigerant supply according to the invention can of course also be applied to several in series switched cryostats are used. There is also the option of a instead of a refrigeration system Use storage tank and mainly liquid refrigerant! with the interposition of a pump support financially.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |