DE2605273C2 - Kühlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eins Kühlvorrichtung zum Kühlen mindestens 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 Austritt an eine Mediumableitung anschließt, welche Leitungen durch mindestens eine Begrenzungswand des zu kühlenden Raumes hindurchgeführl sind, wobei in die Zuleitung mindestens eine Drossel sowie an der dem Kühlelcment abgewandten Seile der Drossel mindestens ein Wärmeaustauscher aufgenommen sind.

Eine Kühlvorrichtung der angedeuteten Art ist aus der NL-OS 73 04 884 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 Blockierungseinrichtung ohne bewegliche Teile, die bei erhöhtem Wärinclecken von der Umgebung zum Behälterraum hin, wobei ein starker Temperaturanstieg im Behälter auftritt, die Zuführung gekühlten Mediums zum Kühlelcment wenigstens /um profilen Teil blockiert. Das erhoh'e Wärmcleckcn kann beispielsweise auftreten. w,enn der Behälter einen undichten Viikuummantcl aufweist.

in die Wirkungsweise dieser lilockierungscinrichtiirijur wird der durch den Temperaturanstieg im Behälter auftretende starke Abfall in der Dichte des umlaufenden flüssigen Mediums (flUssigkeit-Cias-l ibergang) oder die Kombination von Abfall in der Dichte und Anstieg in der Viskosität umlaufenden gasförmigen Kühlmediums ausgenutzt.

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

in Behälter eingeflossen 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

η Seiten der Drossel herrschenden Druck- und damit Temperaturunterschied ausgenutzt werden kann.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemä-Be Kühlvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher innerhalb des zu kühlenden Raumes und in gutem wärmeaustauschendem Kontakt mit dem in diesem Raum befindlichen Gas angeordnet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, bei der der Raum in einen Flüssigkeits- und einen Dampfraum geteilt ist, sind wenigstens zwei seriengeschaltete Wärmeaustauscher vorgesehen, von denen stromabwärts gesehen der erste im Flüssigkeitsraum und der zweite im Dampfraum angeordnet ist.

Dies bietet den Vorteil, daß beim Lecken des

V) 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

i'i 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 Verdamp-

4" fung flüssigen Kühlmediums im Wärmeaustauscher.

Zur Förderung der Bewegung der gasförmigen Kühlmediumkomponente in Richtung der Drossel und damit nicht, wegen der 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 zu kühlenden 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 den) Wärmeaustauscher(n) bzw. in der Mediumzuleitung.

'<'■■ Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten schematischen und nicht maßstabgerechten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Ks zeigt

Fig. I in einem Längsschnitt eine Kühlvorrichtung

"i mit einem in einem geschlossenen Leitungssystem umlaufenden Kühlmedium, das einerseits Kälte aus dem Kaltekopf einer Gaskältemaschine aufnimmt und /um anderen an die Kampfräume zweier (Dewar)Vornits gefäße für verflüssigtes Gas abgibt.

'" I' i g. 2 bis h in Längsschnitten Dewargcfällc. in denen verschiedene Abwandlungen /u dem in einem Dewargefäß nach I ι g. I angeordneten Teil der Kühlvorrichtung dargestellt sind.

In Fig. 1 sind mit der Bezugsziffer 1 zwei Dewargefäße bezeichnet, in denen sich in Flüssigkeitsräumen 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 4 für gekühltes Medium und deren Austritt an eine Ableitung 5 angeschlossen ist. Die Zuleitungen 4 schließen sich an eine Hauptzuleltung 6 und die Ableitungen 5 an eine Hauptableitung 7 an. Ein Wärmeaustauscher 8 für Wärmeaustausch mit dem Kältekopf 9 einer Gaskältemaschine 10 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 Kühlme- is diums, flüssigen Wasserstoffs, der von der Pumpvorrichtung 11 unter einem höheren Druck als dem atmosphärischen Druck der Zuleitung 4 zugeführt wird.

In die in den Dampfräumen 2b befindlichen Teile der Zuleitungen 4 sind ein Wärmeaustauscher 12 und eine Drossel 13 aufgenommen. Wie die Kühispiraien 3 haben auch die Wärmeaustauscher 12 guten Wärniekontakt mit den Dampfräumen 2b.

Der Wärmeaustauscher 12 bildet in Verbindung mit der Drossel 13 in der gleichen Zuleitung 4 eine im normalen Betrieb passive Blockierungseinrichtung.

Beim normalen Betrieb wird aus dem Wärmeaustauscher 8 herrührender flüssiger Wasserstoff unter einem Druck von z.B. 1,2bar den Wärmeaustauschern 12 zugeführt. Da der Druck des flüssigen Wasserstoffs im to 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 J5 gekühlt.

Eine gegebenfalls 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 Temperaturabfall des flüssigen Wasserstoffs begleitet. Der flüssige Wasserstoff sorgt in der Kühispirale 3 dafür. da& im Dewargefäß 1 durch normales Wärmeeinlecken gebildeter Wasserstoffdampf erneut kondensiert wird. «

Bekommt eines der beiden Dewargefäße ein Leck im Vakuummantel, sorgt die große Menge aus der Umgebung hineinfließender Wärme dafür, daß die Temperatur und der Druck im leckenden Dewargefäß slark ansteigen. Der flüssige Wasserstoff, der den ^r>^r> betreffenden Wärmeaustauscher 12 durchfließt, wird jetzt erwärmt und verdampft. Statt flüssigen Wasserstoffs wird der betreffenden Drossel 13 j>;tzt gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Da die Dichte gasförmigen Wasserstoffs sehr viel kleiner ist als die des flüssigen mi Wasserstoffs, bildet die Drossel Il für das Wassrrstoffgas einen derart großen Widerstand, daß nahezu kein Wasserstoffgas diese Drossel passiert, so daß die Zuführung von Wasserstoff zur betreffenden Kiihlspira-Ie 3 nahe/u vollständig abgeblockt ist Der von der '■■ Pumpvorrichtung Il ge'icfcrte Strom flüssigen Wasserstoffs wird jet/.t nahezu vollständig der Kühlspirale in dem gut funktionierenden anderen Dewargefäß zugeführt. Das letztgenannte Dewargefäß wird also nicht durch großes Wärmelecken im anderen Dewargefäß gestört.

Wird im geschlossenen Leitungssystem nach Fig. I 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 F i g. 2 bis 6 sind für F i g. 1 entsprechende Teil 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 12£> oben befindet. Bei der Verwendung flüssigen Kühlmediums wird eine hierin befindliche gasförmige Komponente, die aufgrund ihrer geringeren Wichte zum Aufsteigen i^r, Jer Flüssigkeit im Wärmeaustauscher 12 neigt, jetzt in der gewünschten Richtung zur Drossel hin aufsteigen und nicht in Richtung der Zuleitung 4. Es besteht jetzt keine Gefahr der Gasanhäufung 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 F i g. 1 gleich.

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

Fig. 4 weicht von Fig. 3 in der Anordnung des Wärmeaustauschers 12 ab. In Fig.4 ist der Wärmeaustauscher 12 derart schräg angeordnet, daß der Eingang 12a auf einem niedrigerem Niveau als der Ausgang \2b aus dem bei der Beschreibung der F i g. 2 angegebenen Grund liegt.

In F i g. 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 1 spricht der Blockierungsmechanismus durch die zusätzlich raschere 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 Leiter des Flüssigkeitsbades).

Fi.";. 6 unterscheidet sich von Fig. 5 nur hierin, daß nicht nur der Wärmeaustauscher 22, sondern auch der Wärmeaustausche! 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 11 im Flüssigkcitsrauin 2a anzuordnen.

Selbstverständlich beschränkt sich die Anwendung der Kühlvorrichtung nicht auf kryogene Temperaturen (Dewargefäß mit flüssigem Helium, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Neon, flüssigem Stickstoff), sie ist jedoch auch bei höheren Temperaturen brauchbar (flüssige Kohlenwasserstoffe wie Krdgas).

Kühlung des umlaufenden Mediums kann auf viele

verschiedene Weisen erfolgen. Neben dem Gebrauch einer Gaskältemaschine kann Kühlung beispielsweise in einem Joule-Kelvin-Systcm, in einem Verdampfungskondensat ionssy stem (Verdien tungskä I tcniasch inc), usw. erfolgen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung zum Kühlen mindestens 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 Austritt an eine Mediumableitung anschließt, welche Leitungen durch mindestens eine Begrenzungswand des zu kühlenden Raumes hindurchgeführt sind, wobei in die Zuleitung mindestens eine Drossel sowie an der dem Kühlelement abgewandten Seite der Drossel mindestens ein Wärmeaustauscher aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (12) innerhalb des zu kühlenden Raumes und in gutem wärmeaustauschendem Kontakt mit dem in diesem Raum befindlichen Gas angeordnet ist

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Raum in einen Flüssigkeitsraum und in einen Dampfraum geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei in Serie geschaltete Wärmeaustauscher (12, 22) vorgesehen sind, von denen stromabwärts gesehen der erste (12) im ί lüssigkeitsraum (2a) und der zweite (22) im Dampfraum (2b) angeordnet ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (\2a) des (der) Wärmeaustauschers) (12) auf einem niedrigeren Niveau im zu kühlenden R:-.«im als der Ausgang (\2b)angeordnet ist.