DE2547999A1

DE2547999A1 - Cryogenic apparatus flow control element - has cone valve carrying gas filled bellows sensor installed in flow path of medium

Info

Publication number: DE2547999A1
Application number: DE19752547999
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Berger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-10-27
Filing date: 1975-10-27
Publication date: 1977-04-28

Abstract

A cryogenic system has the apparatus to be cooled housed inside a vacuum chamber and in thermal contact with a supply line carrying the cryogenic medium such as nitrogen with a control valve (10) inserted in the supply line (4), housed in a sleeve (52) made of heat conducting material and fitted with good thermal contact in the supply line. The valve assembly consists of a bellows-type sensor (42) fitted in a gas tight manner to the hollow socket (44) with a flanged end with holes (48) permitting the flow of cryogenic medium towards the tail end of the line. The other end of the bellows carries a tapped extension (40) fitted with the spindle (36) of a cone valve (34) operating on a seat (32) at the end of the sleeve (52). Temperature variations on the apparatus to be cooled are sensed by the argon-filled bellows and its contracting or expanding movements control the supply of fresh medium through the cone valve.

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 75 P 7570 BRDSIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Our symbol Berlin and Munich VPA 75 P 7570 BRD

Steuereinheit für die Strömung eines kryogenen MediumsControl unit for the flow of a cryogenic medium

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinheit für die Strömung eines kryogenen Mediums, insbesondere flüssigen Stickstoff für eine zu kühlende Einrichtung, mit einem gasgefüllten Federbalgventil.The invention relates to a control unit for the flow of a cryogenic medium, in particular a liquid one Nitrogen for a device to be cooled, with a gas-filled one Bellows valve.

In der Kryotechnik werden Einrichtungen, die auf tiefer Temperatur gehalten werden müssen, bekanntlich mit kryogenen Medien, beispielsweise flüssigem Stickstoff oder auch flüssigem Helium, gekühlt. Zu diesem Zweck wird das kryogene Medium einem entsprechend gestalteten Behälter entnommen und über eine wärmeisolierte Leitung dem zu kühlenden Objekt, beispielsweise einer größeren Anzahl von Strahlungsdetektoren mit einem strahlungsempfindlichen Halbleiterkörper aus Reinstgermanium, zugeführt. Zur Einstellung der zum Kühlen benötigten Menge des kryogenen Mediums wird eine besondere Steuereinheit verwendet.In cryogenics, facilities are used that operate at low temperatures must be kept, as is well known, with cryogenic media, for example liquid nitrogen or liquid helium, chilled. For this purpose, the cryogenic medium is taken from an appropriately designed container and placed over a heat-insulated one Line the object to be cooled, for example a larger number of radiation detectors with a radiation-sensitive one Semiconductor body made of pure germanium, supplied. To set the amount of cryogenic required for cooling A special control unit is used for the medium.

In einer elektrischen Nachfüllvorrichtung für flüssigen Stickstoff ist im Kühlgefäß ein elektrischer Meßfühler vorgesehen, dessen Widerstand sich beim Eintauchen in das Kältemittel ändert, Diese Widerstandsänderung steuert über die im Eingang eines Netzgerätes angeordnete Brückenschaltung ein Magnetventil, das am Kannendeckel des Behälters für den Stickstoff angeordnet ist und das Vorratsgefäß verschließt bzw. entlüftet. Bei verhältnismäßig langen Förderleitungen wird das Ventil direkt in der Stickstof förderleitung angeordnet. Dann muß der Überdruck im Vorratsbehälter auf einem konstanten Wert gehalten werden. Für die Ventilsteuerung ist eine Elektronik erforderlich (Leybold-Heraeus, Kryotechnik 12.1.1. HV 200, S. 12.28).In an electric refill device for liquid nitrogen an electrical sensor is provided in the cooling vessel, the resistance of which changes when it is immersed in the refrigerant, This change in resistance controls a solenoid valve via the bridge circuit arranged in the input of a power supply unit is arranged on the can lid of the container for the nitrogen and the storage vessel closes or vented. With proportionately long delivery lines, the valve is placed directly in the nitrogen delivery line. Then the overpressure in the storage tank must be kept at a constant value. Electronics are required for the valve control (Leybold-Heraeus, Cryogenics 12.1.1. HV 200, p. 12.28).

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In einer mechanischen Vorrichtung zum Nachfüllen des Kältemittels aus einem Vorratsgefäß über einen Vakuummantelheber in ein Kühlgefäß wird ein dampfdruckgesteuertes Federbalgventil verwendet, das in der Entlüftungsleitung des Vorratsgefäßes angeordnet ist. Der Federbalg ist mit einem Meßfühlerrohr verbunden, das in das Kühlgefäß hineinragt. Federbalg und Meßfühler sind mit Methan gefüllt. Solange der Meßfühler nicht in das kryogene Medium eintaucht, verschließt ein Ventilteller die Entlüftungsleitung, so daß sich im Vorratsgefäß der zum Überhebern erforderliche Überdruck aufbauen kann. Taucht der Meßfühler ein, so kondensiert das Methan und sein Druck sinkt entsprechend. Der Federbalg zieht sich zusammen und öffnet die Entlüftungsleitung. Über entsprechende Öffnungen kann der Überdruck im Vorratsgefäß abgebaut werden und der Nachfüllvorgang wird unterbrochen. Für die Rückkopplung der Steuereinheit ist somit eine besondere Druckleistung zwischen dem Vorratsgefäß und dem Kühlgefäß erforderlich (Leybold-Heraeus, Kryotechnik 12.1.1. HV 200, S. 12.27).In a mechanical device for refilling the refrigerant from a storage vessel via a vacuum jacketed lifter into a cooling vessel a steam pressure controlled bellows valve is used, which is arranged in the vent line of the storage vessel. The bellows is connected to a sensor tube which protrudes into the cooling vessel. The bellows and the probe are methane filled. As long as the sensor is not immersed in the cryogenic medium, a valve plate closes the vent line, see above that the overpressure required for the siphon can build up in the storage vessel. If the probe is immersed, it condenses the methane and its pressure drops accordingly. The bellows contracts and opens the vent line. About appropriate The overpressure in the storage vessel can be reduced through openings and the refilling process is interrupted. A special pressure output is therefore required for the feedback of the control unit required between the storage vessel and the cooling vessel (Leybold-Heraeus, Kryotechnik 12.1.1. HV 200, p. 12.27).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Dosiervorrichtungen für kryogene Medien, die von einem Vorratsgefäß einem Kühlgefäß zugeführt werden, zu vereinfachen. The invention is now based on the object of simplifying the known metering devices for cryogenic media which are fed from a storage vessel to a cooling vessel.

Diese Aufgabe wird in einer Steuereinheit der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Federbalg mit einem Kegelventil kraftschlüssig verbunden ist, das in der Strömung des kryogenen Mediums angeordnet ist. Dieses thermostatische Dosierventil wird an der Austrittsstelle des kryogenen Mediums am zu kühlenden Gerät eingesetzt. Das Kegelventil befindet sich in der Strömung und steuert den Ausfluß des Kühlmediums und damit zugleich die Zuführung des Mediums zum zu kühlenden Objekt.This object is achieved in a control unit of the type mentioned according to the invention in that the bellows with a Cone valve is positively connected, which is arranged in the flow of the cryogenic medium. This thermostatic metering valve is used at the exit point of the cryogenic medium on the device to be cooled. The cone valve is located in the Flow and controls the outflow of the cooling medium and thus at the same time the supply of the medium to the object to be cooled.

Mit diesem Dosierventil in der Ausgangsleitung kann das kryogene Medium, beispielsweise der flüssige Stickstoff, so dosiert werden, daß die zu kühlende Einrichtung, beispielsweise die Vakuumkammer eines Strahlungsdetektors, optimal gekühlt wird. Zugleich wird die Zuführung des Mediums so reguliert, daß sein Verbrauch wirtschaftlich ist. Ein nicht ausgenutzter Teil desWith this metering valve in the outlet line, the cryogenic medium, for example the liquid nitrogen, can be metered in this way that the device to be cooled, for example the vacuum chamber of a radiation detector, is optimally cooled. At the same time, the supply of the medium is regulated so that its consumption is economical. An unused part of the

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noch flüssigen Mediums kann mit Dampfwölkenbildung austreten.Medium that is still liquid can escape with the formation of clouds of vapor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 die Anordnung der Steuereinheit und in deren Fig. 2 die Steuereinheit selbst im Querschnitt schematisch dargestellt sind.To further explain the invention, reference is made to the drawing Reference is made to the arrangement of the control unit in FIG. 1 and the control unit itself in cross section in FIG. 2 are shown schematically.

Nach Fig. 1 befindet sich eine zu kühlende Einrichtung 2, beispielsweise eine Vakuumkammer für Strahlungsdetektoren aus Reinstgermanium, im thermischen Kontakt mit einem flüssigen kryogenen Medium, beispielsweise Stickstoff, das durch eine Transferleitung 4 strömt. Das zu kühlende Objekt 2 ist in einer Vakuumkammer 6; angeordnet, deren Kammerwand mit 8 bezeichnet ist. Am Ende der Übertragungsleitung 4 ist ein Dosierventil 10 für das kryogene Medium, beispielsweise den flüssigen Stickstoff, vorgesehen. Die Übertragungsleitung 4 ist von einem Vakuummantel 12 umgeben und ragt in einen Vorratsbehälter 14, der mit dem kryogenen Medium 16 gefüllt ist. Innerhalb des Vorratsbehälters 14 ist die Übertragungsleitung 4 mit einem Zeolitmantel 18 versehen. Der Vorratsbehälter 14 ist mit einem Überdruckventil 20 versehen und außerdem über eine Zuführungsleitung 22, die ein Reduzierventil 24 enthält, mit einer Flasche 26 für ein gasförmiges Medium verbunden, mit dem der Druck im Vorratsbehälter 14 eingestellt werden kann. Aus der Flasche 26 wird das gasförmige Medium, beispielsweise Stickstoff, über das Reduzierventil 24 und die Zuführungsleitung 22 dem Vorratsbehälter 14 zugeführt. Aus dem Behälter 14 gelangt der flüssige Stickstoff über die Übertragungsleitung 4 zur zu kühlenden Einrichtung 2. Die zugeführte Menge des flüssigen Stickstoffs wird mit dem Ventil 10 gesteuert.According to FIG. 1, there is a device 2 to be cooled, for example a vacuum chamber for radiation detectors made of pure germanium, in thermal contact with a liquid cryogenic Medium, for example nitrogen, which flows through a transfer line 4. The object 2 to be cooled is in a vacuum chamber 6; arranged, the chamber wall of which is denoted by 8. At the end of the transmission line 4 is a metering valve 10 for the cryogenic medium, such as liquid nitrogen, provided. The transmission line 4 is covered by a vacuum jacket 12 surrounded and protrudes into a storage container 14 with the cryogenic Medium 16 is filled. Within the storage container 14, the transmission line 4 is provided with a zeolite jacket 18. The storage container 14 is provided with a pressure relief valve 20 and also via a supply line 22, which is a reducing valve 24 contains, connected to a bottle 26 for a gaseous medium with which the pressure in the storage container 14 is set can be. From the bottle 26, the gaseous medium, for example nitrogen, via the reducing valve 24 and the Feed line 22 is fed to the storage container 14. The liquid nitrogen passes from the container 14 via the transmission line 4 to the device 2 to be cooled. The amount supplied of the liquid nitrogen is controlled with the valve 10.

Nach Fig. 2 ist das Ventil 10 in der Übertragungsleitung 4 angeordnet und wird von dem kryogenen Medium durchströmt, solange die Öffnung 32 von einem Kegel 34 freigegeben ist, der auf einem Gewindebolzen 36 mittels einer Mutter 38 befestigt ist. Der Gewindebolzen 36 ist in die Gewindebohrung eines Zwischenstückes 40 eingesetzt, das formschlüssig mit einem Federbald 42 verbunden ist, der mit einem Gas, beispielsweise Argon, gefüllt ist,According to FIG. 2, the valve 10 is arranged in the transmission line 4 and is traversed by the cryogenic medium as long as the opening 32 is cleared by a cone 34 on a Threaded bolt 36 is fastened by means of a nut 38. The threaded bolt 36 is in the threaded hole of an intermediate piece 40 used, which is positively connected to a spring collar 42 which is filled with a gas, for example argon,

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das unter einem Überdruck von beispielsweise etwa 2 bar gehalten wird. Der Federbalg 42 ist an einem hohlen Stutzen 44 aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise Kupfer, befestigt, dessen öffnung mit einem Quetschverschluß 46 vakuumdicht verschlossen ist und zusätzlich verlötet oder verschweißt sein kann. Der scheibenförmige Teil des Stutzens 44 ist mit Bohrungen 48 versehen, durch die das kryogene Medium hindurchtreten kann, dessen Strömungsweg in der Figur durch Pfeile 50 angedeutet ist und das aus dem Ventil 10 im allgemeinen dampfförmig austreten wird. Das Ventil 10 ist in die Übertragungsleitung 4 mittels eines hohlzylindrischen Einsatzkörpers 52 eingesetzt, der ebenfalls aus gut wärmeleitendem Material besteht und über die Übertragungsleitung 4 mit der zu kühlenden Einrichtung 2 wärmeleitend verbunden ist. Die Befestigung des Einsatzkörpers 52 innerhalb der Leitung 4 ist in der Figur nicht näher dargestellt. Wegen der gut wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Federbalg 42 und der zu kühlenden Einrichtung 2 wird mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung die Gasfüllung des Federbalges 42 praktisch immer die Temperatur der zu kühlenden Einrichtung 2 annehmen.which is kept under an overpressure of, for example, about 2 bar. The bellows 42 is on a hollow connecting piece 44 from good Heat-conducting material, for example copper, attached, the opening of which is closed with a pinch seal 46 in a vacuum-tight manner is and can also be soldered or welded. The disk-shaped part of the connecting piece 44 is provided with bores 48 provided through which the cryogenic medium can pass, the flow path of which is indicated in the figure by arrows 50 and which will exit valve 10 generally in vapor form. The valve 10 is in the transmission line 4 by means a hollow cylindrical insert body 52 is used, which is also made of a highly thermally conductive material and via the transmission line 4 is connected to the device 2 to be cooled in a thermally conductive manner. The attachment of the insert body 52 within the line 4 is not shown in detail in the figure. Because of the good heat-conducting connection between the bellows 42 and the device 2 to be cooled, the gas filling of the bellows 42 becomes practical with a predetermined time delay always assume the temperature of the device 2 to be cooled.

Der Gasinhalt des Federbalges 42 ist in sich hermetisch abgeschlossen. Der Siedepunkt des Argons liegt mit -186°C um ca. 10⁰C über dem Siedepunkt des als kryogenes Medium verwendeten Stickstoffs. Solange der Kegel 34 geöffnet ist und der flüssige Stickstoff den Federbalg 42 umspült, ist das Argongas flüssig. Der Federbalg 42 zieht sich zusammen und schließt die Öffnung 32 des Kegelventils 34. Der Durchfluß des flüssigen Stickstoffs wird dadurch unterbrochen. Durch die zu kühlende Einrichtung 2 verdampft der flüssige Stickstoff vor dem Ventil 10 und der entstehende Dampfdruck befördert den noch flüssigen Stickstoff durch die Übertragungsleitung 4 in den Vorratsbehälter 14 zurück. Dadurch steigt nach einiger Zeit die Temperatur des Argons innerhalb des Federbalgs 42 an, es verdampft wieder und sein Druck steigt entsprechend. Der Federbalg 42 dehnt sich aus und öffnet das Kegelventil 34. Die Strömung des flüssigen Stickstoffs setzt wieder ein und die Einrichtung 2 wird weiter gekühlt.The gas content of the bellows 42 is hermetically sealed. The boiling point of argon is at -186 ° C to about 10 ⁰ C above the boiling point of nitrogen used as the cryogenic medium. As long as the cone 34 is open and the liquid nitrogen flows around the bellows 42, the argon gas is liquid. The bellows 42 contracts and closes the opening 32 of the cone valve 34. The flow of liquid nitrogen is thereby interrupted. As a result of the device 2 to be cooled, the liquid nitrogen evaporates in front of the valve 10 and the resulting vapor pressure conveys the still liquid nitrogen through the transmission line 4 back into the storage container 14. As a result, after some time, the temperature of the argon within the bellows 42 rises, it evaporates again and its pressure rises accordingly. The bellows 42 expands and opens the cone valve 34. The flow of liquid nitrogen begins again and the device 2 is cooled further.

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Vor jeder Inbetriebnahme der Steuereinheit wird zweckmäßig der gesamte Kühlmittelweg einschließlich des Dosieryentils 10 mit trockenem Stickstoff gespült.Before each start-up of the control unit, the entire coolant path including the metering valve 10 is expediently included purged with dry nitrogen.

1 Patentanspruch1 claim

2 Figuren2 figures

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Claims

Claim

Control unit for the flow of a cryogenic medium for a device to be cooled with a gas-filled bellows valve, characterized in that the bellows (42), the gas filling thereof, is in thermal contact with the device to be cooled (2) is connected to a cone valve (34) in a non-positive manner, which is arranged in the flow of the cryogenic medium.

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ORJQiNAL INSPSCTEB