DE2605273A1 - Kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

PHN 791'·

A.v._SliJ; H.V.Philips

Akte No, Aomeldung vom! Sv

"Kühlvorrichtung"

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen mMestens eines, im Betrieb ein verflüssigtes Gas enthaltenden und geschlossenen Raums auf niedriger Temperatur, in dem mindestens ein Kühlelement angeordnet ist, das mit seinem Eintritt an eine Zuleitung für einen Strom gekühlten Mediums und mit seinem Aus-

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tritt an eine Mediumableitung anschliesst, welche Leitungen durch mindestens eine Begrenzungswand des Raumes hindurchgeführt sind, wobei in die Zuleitung mindestens eine Drossel sowie an der dem Kühlelement abgewandten Seite der Drossel mindestens ein Wärmeaustauscher aufgenommen sind.

Eine Kühlvorrichtung der angedeuteten Art

f ist aus der offengelegten niederländischen Patentanmeldung 73 Ok 884 bekannt.

Bei der bekannten Kühlvorrichtung ist der Wärmeaustauscher einerseits in die Mediumzuleitung und zum anderen in die Mediumableitung aufgenommen und er bildet mit der Drossel zusammen eine Blοckierungseinrichtung ohne bewegliche Teile, die bei erhöhtem Wärmelecken von der Umgebung zum Behälterraum hin, wobei ein starker Temperaturanstieg im Behälter auftritt, die Zuführung gekühlten Mediums zum Kühlelement wenigstens zum grössten Teil blockiert. Das erhöhte Wärmelecken kann beispielsweise auftreten, wenn der Behälter einen un-

/" dichten Vakuummantel aufweist.

Für die Wirkungsweise dieser Blockierungseinrichtung wird der durch den Temperaturanstieg im Behälter auftretende starke Abfall in der Dichte des umlaufenden flüssigen Mediums (Flüssigkeit-Gas-Uebergang) oder die Kombination von Abfall in der Dichte und An-

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stieg in der Viskosität umlaufenden gasförmigen Külilmediums ausgenutzt.

Mit einer derartigen Kühlvorrichtung bleiben namentlich andere Anlageteile bildende Behälter mit ihren zugehörigen Kühl einen ten, die in dasselbe Leitungssystem als das Kühlelement im undichten Behälter aufgenommen sind, gegen Wärmezuführung geschützt, die infolge des Leckens in den zuletzt genannten. Behälter eingeflössen ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung der angedeuteten Art zu schaffen, bei der
im Betrieb auf vorteilhafte Weise das im Raum befindliche verflüssigte Gas in Verbindung mit dem an beiden Seiten der Drossel herrschenden Druck- und damit Temperaturunterschied ausgenutzt werden kann.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe ist die er-

findungsgemässe Kühlvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeaustauscher in gutem wär-■meaustauschendem Kontakt mit dem Raum in diesem Raum ange ordne t ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform

der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung, bei der der Raum in einen Flüssigkeits- und einen Dampfraum geteilt ist, sind wenigstens zwei serxengeschaltete Wärmeaustauscher vorgesehen, von denen stromabwärts gesehen der erste im

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Flüssigkeitsraum und der zweite im Dampfraum angeordnet ist.

Dies bietet den Vorteil, dass beim Lecken

des Behälters ein rasches Blockieren des Kühlmittelstroms zu diesem Behälter auftritt.

Bei der Verwendung flüssigen Kühlmediums befindet sich darin zufolge der nicht idealen Wärmeisolierung der Mediumzuleitung immer einiges Kühlmedium in der Gasphase. Erfolgt bei normalem Betrieb im Wärmeaustauscher wenigstens zum grössten Teil Kondensation dieses Gases durch die Kühlung mittels des verflüssigten Gases im Behälter, es bildet sich dagegen beim Lecken dieses Behälters eben zusätzliches Gas durch Verdampfung flüssigen Kühlmediums im Wärmeaustauscher.

Zur Förderung der Bewegung der gasförmigen Kühlmediumkomponente in Richtung der Drossel und damit nicht, wegen des niedrigeren Wichte, in der entgegengesetzten Richtung flüssiges Kühlmedium aufsteigen kann, ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Kühlvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des (der) Wärmeaustauscher(s) auf einem niedrigeren Niveau im Raum als der Ausgang angeordnet ist.

Bei Leckage erfolgt somit eine zweckmässigere und raschere Blockierung des Kühlmediumstroms und es besteht keine Gefahr der Anhäufung von Gas im (in

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den) Wärme au. s tau s eher (η) bzw. in der Mediumzuleitung.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand

der in den Zeichnungen dargestellten schematischen und nicht massstabgerechten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in einem Längsschnitt eine Kühlvorrichtung mit einem in einem geschlossenen Leitungssyiem umlaufenden Kühlmedium, das einerseits Kälte aus dem Kältekopf einer Gaskältemaschine aufnimmt und zum anderen an die Dampfräume zweier (Dewar-)Vorratsgefässe für verflüssigtes Gas abgibt,

Fig. 2 bis 6 in Längssclinitten Dewargefässe, in denen verschiedene Abwandlungen zu dem in einem Dewargefäss nach Fig. 1 angeordneten Teil der Kühlvorrichtung dargestellt sind.

In Fig. 1 sind mit der Bezugsziffer 1 zwei Dewargefässe bezeichnet, in denen sich in Flüssigkeitsräurnen 2a ein verflüssigtes Gas, flüssiger Wasserstoff unter atmosphärischem Druck, befindet. In den Dampfräumen 2b dieser Gefässe ist eine Kühlspirale 3 angeordnet, deren Eintritt an eine Zuleitung k für gekühltes Medium und deren Austritt an eine Ableitung 5 angeschlossen ist. Die Zuleitungen k schliessen sich an eine Hauptzuleitung 6 und die Ableitungen 5 an eine Hauptableitung 7 an. Ein Wärmeaustauscher 8 für Wärmeaustausch mit dem

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Kältekopf 9 einer Gaskältemaschine 1<"> schliesst sich einerseits an die Hauptzuleitung 6 und zum anderen an die Hauptableitung 7 an.

Eine Pumpvorrichtung 11, die in die Hauptzuleitung 6 aufgenommen ist, versorgt das Umlaufen eines Kühlmediums, flüssigen Wasserstoffs, der von der Pumpvorrichtung 11 unter einem höheren Druck als dem atmospherischen Druck der Zuleitung h zugeführt wird.

In die in den Dampfräumen 2b befindlichen

Teile der Zuleitungen k sind ein Wärmeaustauscher 12 und eine Drossel 13 aufgenommen. Wie die Kühlspiralen 3 haben auch die Wärmeaustauscher 12 guten Wärmekontakt mit den Dampfräumen 2b.

Der Wärmeaustauscher 12 bildet in Verbindung mit der Drossel 13 in der gleichen Zuleitung h eine im normalen Betrieb passive Blockierungseinrichtung.

Beim normalen Betrieb wird aus dem Wärmeaustauscher 8 herrührender flüssiger Wasserstoff unter einem Druck von z.B. 1,2 ata den Wärmeaustauschern 12 zugeführt. Da der Druck des flüssigen Wasserstoffs im Wärmeaustauscher 12 höher als der atmosphärische Druck des Wasserstoffs im Dewar-Gefäss 1 und infolgedessen die Temperatur des flüssigen Wasserstoffs im Wärmeaustauscher 12 höher ist, wird dieser Wasserstoff durch Wasserstoffdampf im Dampfraum 2b gekühlt.

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Eine gegebenenfalls den Wärmeaustauscher

12 durchfliessende und an anderer Stelle durch Wärmeeinlecken gebildete gasförmige Wasserstoffkomponente wird in diesem Wärmeaustauscher kondensiert, so dass nur oder fast nur flüssiger Wasserstoff in die Drossel

13 eintritt. Wegen der grossen Dichte des flüssigen Wasserstoffs leistet die Drossel 13 verhältnismässig wenig Widerstand gegen, den Durchgang dieses flüssigen Wasserstoffs. Das Passieren der Drossel 13 wird von einem Druckabfall und damit von einem Ternperaturabfall des flüssigen Wasserstoffs begleitet. Der flüssige Wasserstoff sorgt in der Kühlspirale 3 dafür, dass im Dewargefäss 1 durch normales Wärmeeinlecken gebildeter Wasserstoffdampf erneut kondensiert wird.

Bekommt eines der beiden Dewargefässe ein Leck im Vakuummantel, sorgt die grosse Menge hineinfliessender Wärme dafür, dass die Temperatur und der Druck im leckenden Dewargefäss stark ansteigen. Der flüssige Wasserstoff, der den betreffenden Wärmeaustauscher 12 durchfliesst, wird jetzt erwärmt und verdampft. Statt flüssigen Wasserstoffs wird der betreffenden Drossel 13 jetzt gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Da die Dichte gasförmigen Wasserstoffs sehr viel kleiner ist als die des flüssigen Wasserstoffs, bildet die Drossel 13 für das Wasserstoffgas einen der-

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art grossen Widerstand, dass nahezu kein Wasserstoffgas diese Drossel passiert, so dass die Zuführung von Wasserstoff zur betreffenden Kühlspirale 3 nahezu vollständig abgeblockt ist. Der von der Pumpvorrichtung 11 gelieferte Strom flüssigen Wasserstoffs wird jetzt nahezu vollständig der¹ Kühlspirale in dem gut funktionierenden Dewargefäss zugeführt. Das letztgenannte Dewargefäss wird also nicht durch grosses Wärmelecken im anderen Dewargefäss gestört. ■

Wird im geschlossenen Leitungssystem nach

Fig. 1 als Kühlmedium ein Gas,· z.B. Helium unter Druck, verwendet, wird bei Leckage in einem Dewargefäss dieses Gas in dem betreffenden Wärmeaustauscher stark erwärmt. Hierdurch sinkt die Dichte dieses Gases stark ab und steigt seine Viskosität, was bedeutet, dass die betreffende Drossel für das erwärmte .Gas jetzt einen grossen Widerstand bildet und der Gasstrom zum grössten Teil blockiert wird.

In den Fig. 2 bis 6 sind für Fig. 1 entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet.

In Fig. 2 ist der Wärmeaustauscher 12 derart im Dampfraum 2b angeordnet, dass sich der Eingang 12a unten und der Ausgang 12b oben befindet. Bei der Verwendung flüssigen Kühlmediums wird eine hierin befindliche gasförmige Komponente, die aufgrund ihrer ge-

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ringeren Wichte zum Aufsteigen in der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher 12 neigt, jetzt in der gewünschten Richtung zur Drossel hin aufsteigen und nicht in Richtung der Zuleitung h. Es besteht jetzt keine Gefahr der Gasanhäufimg im Wärmeaustauscher 12, was die Wirkung des Blockierungsmechanismus stören würde, während ausserdem bei Leckschaden der Blockierungsmechanismus rascher anspricht. Die Wirkungsweise des Blockierungsmechanismus ist weiter der nach Fig. 1 gleich.

Fig. 3 unterscheidet sich von Fig. 1 darin, dass in dem vorliegenden Fall der Wärmeaustauscher 12 im Bad verflüssigten Gases statt im Dampfraum 2b angeordnet ist.

Fig. h weicht von Fig. 3 in der Anordnung des Wärmeaustauschers 12 ab. In Fig. k ist der Wärmeaustauscher 12 derart schräg angeordnet, dass der Eingang 12a auf einem niedrigeren Niveau als der Ausgang 12b aus dem bei der Beschreibung der Fig. 2 angegebenen Grund liegt.

In Fig. 5 ist in Serie mit dem im Flüssigkeitsraum 2a angeordneten Wärmeaustauscher 12 ein zweiter, im Dampfraum 2b angeordneter Wärmeaustauscher 22 vorgesehen.

Bei Leckage des Dewargefässes T spricht der Blockierungsmechanismus durch die zusätzlich rasche-

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re Erwärmung des Kühlmediums im Wärmeaustauscher 22 schneller an.

Bei Druck- und Temperaturanstieg im Dewargefäss erfolgt beim Wärmeaustauscher 22 eine bessere Wärmeübertragung (Kondensieren von Dampf an dieser Stelle) als beim Wärmeaustauscher 12 (Wärmeübertragung durch Leiten des Flüssigkeitsbades) ..

Fig. 6 unterscheidet sich von Fig. 5 nur

hierin, dass nicht nur der Wärmeaustauscher 22, sondern auch der Wärmeaustauscher 12 mit seinem Eingang unten und seinem Ausgang oben im Dewargefäss 1 angeordnet ist.

In den dargestellten Ausführungsformen sind die Kühlspirale 3 und die Drossel 13 immer im Dampfraum 2b angeordnet. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kühlspirale 3 und/oder die Drossel 13 im Flüssigkeitsraum 2a anzuordnen.

Selbstverständlich beschränkt sich die Anwendung der Kühlvorrichtung nicht auf kryogene Tempera-

türen (Dewargefäss mit flüssigem Helium, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Neon, flüssigem Stickstoff), sie ist jedoch auch bei höheren Temperaturen brauchbar (flüssige Koh-lenwasserstoffe wie Erdgas).

Kühlung des umlaufenden Mediums kann auf viele verschiedene Weisen erfolgen. Neben dem Gebrauch einer Gaskältemaschine kann Kühlung beispielsweise in

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einem Joule-Kelvin-System, in einem Verdampfungskondensationssystem (Verdiclitungskältemas chine ), usw. erfolgen.

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Claims (2)

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   PATENTANSPRÜCHE:

   Π.) Kühlvorrichtung zum Kühlen mindestens eines,

   im Betrieb ein verflüssigtes Gas enthaltenden und geschlossenen Raums auf niedriger Temperatür, in dem mindestens ein Kühlelement angeordnet ist, das mit seinem Eintritt an eine Zuleitung für einen Strom gekühlten Mediums und mit seinem Austritt an eine Mediumableitung anschliesst, welche Leitungen durch mindestens eine Begrenzungswand des Raumes hindurchgeführt sind, wobei in die Zuleitung mindestens eine Drossel sowie an der dem Kühlelement abgewandten Seite der DiOssel mindestens ein Wärmeaustauscher aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeaustauscher in gutem wärmeaustauschendem Kontakt mit dem Raum in diesem Raum angeordnet ist.
2. 2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, bei der

   der Raum in einen Flüssigkeitsraum und in einen Dampfraum geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenig-

   stens zwei in Serie geschaltete Wärmeaustauscher vorgesehen sind, von denen stromabwärts gesehen der erste im Flüssigkeitsraum und der zweite im Dampfraum angeordnet ist.

   3· Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des (der Wärmeaustauscher (s) auf einem niedrigeren Niveau im Raum als der Ausgang angeordnet ist.

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