DE2800742C2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte oder zum Verflüssigen von Gasen - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte oder zum Verflüssigen von Gasen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte oder zum Verflüssigen von Gasen in einem Kältekreislauf mit einem Kompressor mit Nachkühler zum Komprimieren des Gases und Kältemitteln zum mindestens teilweise Verflüssigen des Gases, weiterhin mit zwei in Serie verbundenen Behältern für das verflüssigte Gas, wobei der Gasraum des ersten den Kältemitteln folgenden Behälters mit der Saugseite des Kompressors und der Gasraum des zweiten Behälters mit der Saugseite eines Ejektors in Verbindung steht, dessen Förderseite mit der Saugseite des Kompressors verbunden ist.
Der Erfindung liegt gegenüber der bekannten Vorrichtung (DE-OS 15 01101; Fig.2) die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs definierten Art zu schaffen, mit der eine größere Menge an Kältemittel verarbeitet werden und der Enddruck vveiter abgesenkt werden kann, ohne dadurch denjenigen Teil der Kälteanlage, der sich auf tieferer Temperatur befindet, zu vergrößern. Weiterhin soll mindestens ein bei einer Temperatur oberhalb der Inversionstemperatur vom Verbraucher kommender Teilstrom komprimiert werden können.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Treibstrahleingang des Ejektors mit der mindestens auf Umgebungstemperatur befindlichen Förderseite des Kompressors verbunden ist.
Falls der mit dem Ejektor erzeugbare Druck im Gasraum des zweiten Behälters nicht niedrig genug ist, um die gewünschte tiefe Temperatur des Kältemittels in diesem Behälter zu erreichen, so kann dem Ejektor ein weiterer Ejektor in Serie vorgeschaltet sein, dessen Treibstrahleingang mit der mindestens auf Umgebungstemperatur befindlichen Förderseite des Kompressors und dessen Saugseite mit dem Gasraum des zweiten Behälters und dessen Förderseile mit der Saugseite des ersten Ejektors verbunden ist.
ίο Da die Abmessungen eines Ejektors verhältnismäßig klein sind und er keine bewegten Teile enthält, kann er sich in einem Vakuumbehälter befinden, in welchem der Druck niedriger ist als der Saugdruck des Ejektors, so daß keine Fremdgase in den Kältekreislauf geraten können.
Der Treibstrahleingang des Ejektors kann vor dem Nachkühler mit der Förderseite des Kompressors verbunden sein.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen-Standes werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte gemäß der Erfindung;
F i g. 2 und 3 abgewandelte Ausführungsformen.
2" Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist als Kühlmittel eine Vorkühlstufe I und eine zweite Kühlstufe II auf. In der Vorkühlstufe I wird von einem Kompressor 1 komprimiertes Gas, z. B. gasförmiges Helium, nach Kühlunc in einem Nachkühler 2 zwecks Abführung der Kompressionswärme, durch Wärmeaustausch und arbeitsleistende Entspannung auf eine unterhalb seiner Inversionstemperatur liegende Vorkühltemperatur gekühlt. In der der Vorkühlstufe I folgenden zweiten Kühlstufe II wird das vorgekühlte Helium durch Wärmeaustausch weiter abgekühlt und danach in einem Entspannungsventil 3 von Hochdruck auf Verflüssigungsdruck entspannt und hierbei teilweise verflüssigt. Das flüssige Helium 4 wird in einem Behälter 5 gesammelt; es hat dort die dem Druck im Gasraum 6 des Behälters entsprechende Temperatur. Der Gasraum 6 des Behälters 5 steht über eine Leitung 7, die zweite Kühlstufe II und die Vorkühlstufe I in Verbindung mit einer Saugseite 8 des Kompressors 1, der das aus dem Gasraum 6 angesaugte Niederdruckgas verdichtet und dem beschriebenen Kreislauf erneut zuführt.
Dem Behälter 5 folgt ein weiterer Behälter 10, in den ein Teil des flüssigen Heliums vom Behälter 5 über eine Leitung 11 übertritt. Die Leitung 11 enthält ein Entspannungsventil 12, so daß das in den Behälter 10 strömende flüssige Helium 13 eine niedrigere Temperatur aufweist als das im Behälter 5 befindliche Helium. Die Temperatur des Heliums 13 entspricht dem Druck des Gases im Gasraum 14 des Behälters 10. Der Gasraum 14 des Behälters 10 steht über eine Leitung 15 und die beiden Kühlstufen II und 1 in Verbindung mit einer Saugseite 20 eines Ejektors 21. Das Treibmittel für den Ejektor 21 ist von der Hochdruckleitung 24 des Kompressors 1 abgezweigtes Hochdruck-Heliumgas, das über eine Zweigleitung 25 mit einem Ventil 26 den Treibstrahleingang 27 des Ejektors 21 erreicht. Der Diffusorausgang 28 des Ejektors ist mit der Saugseite 8 des Kompressors 1 verbunden. In einem der Behälter 5 oder 10 oder auch in beiden kann sich ein Kälteverbraucher befinden, z. B. eine Wicklung 17 eines supraleitenden Magneten, oder das flüssige Helium eines oder beider Behälter kann einem anderen Verwendungszweck zugeführt werden. Wenn es erwünscht ist, die Temperatur des flüssigen Heliums 13 im Behälters 10 zu
verringern, so wird durch weiteres öffnen des Ventils 26 der Treibstrahl im Ejektor 21 verstärkt, so daß der Druck im Gasraum 14 des Behälters 10 sinkt und das flüssige Helium 13 die gewünschte, niedrigen; Temperatur annimmt
Die Zweigleitung 25 für den Treibstrahl des Ejektors 21 ist nach dem Nachkühler 2 abgezweigt. Dies hat den Vorteil, daß nach dem Ejektor 21 kein Kühler für das Helium nötig ist Die Zweigleitung 25 kann jedoch stattdessen vor dem Nachkühler 2, das heißi zwischen Kompressor 1 und Nachkühler 2, abgezweigt sein, was den Vorteil aufweist, daß der Massenstrom des Treibstrahles für den Ejektor 21 kleiner ist. Es ist in diesem Falle jedoch von Vorteil, einen Kühler zwischen Ejektor und Kompressor vorzusehen.
Falls der Druck im Gasraum 14 so niedrig oder der Druckabfall in der Leitung 15 so groß ist, daß der Druck auf der Saugseite 20 des Ejektors unterhalb des äußeren Atmosphärendruckes liegt, so kann der Ejektor 21 in einem Vakuumgehäuse 29 untergebracht sein, was den Vorteil bietet, daß keine Fremdgase eindringen und in den Kältekreislauf eingeführt werden können. Hier liegt der Grund für einen weiteren Vorteil der Verwendung eines Ejektors statt der bekannten Kompressoren mit bewegten Teilen, da diese zu große Abmessungen aufweisen, um wirtschaftlicherweise in ein Vakuumgehäuse untergebracht werden zu können. Das Vakuumgehäuse 29 bildet vorteilhafterweise einen Teil des Vakuumgehäuses (»Coldbox«), in welchem bei Heliumkälteanlagen auch die Vorkühlstufen I und II untergebracht sind.
Statt des Drosselventils 3 kann als Entspannungsvorrichtung ein Ejektor 30 vorgesehen sein, in dessen Treibdüse die Entspannung und teilweise Verflüssigung des Hochdruckgases stattfindet. Es ist in diesem Fall vorteilhaft, die Saugseite des Ejektors 30 über eine Leitung 31 mit dem Dampfraum 14 des Behälters 10 zu verbinden, weil er dann den Ejektor 21 entlastet, so daß dieser eventuell kleinere Abmessungen haben kann und weniger Treibgas benötigt.
Das hier als Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte mit Helium als Kältemittel vorgeführte Ausführungsbeispiel kann auch zur Erzeugung von Kälte mit anderen Kältemitteln und zum Verflüssigen von Helium oder von anderen Gasen Verwendung finden. Verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten gibt es auch für die Kühlstufen 1 und II. Die Kühlstufe I kann z. B. bei Helium als Kältemittel im Hauptkreis als separater Stickstoff- und/oder Wasserstoff-Kältekreislauf ausgeführt sein. Bei anderen Kältemitteln, wie z. B. Ammoniak, kann z. B. die Kühlstufe I ganz entfallen, während die Kühlstufe II aus einem wassergekühlten Kondensator besteht. Weiterhin braucht die Saugleiiung 15 nicht durch die Kühlstufe I und II zu verlaufen, sondern kann stattdessen getrennt davon verlaufen.
Falls der mit dem Ejektor 21 erzeugbare Unterdruck im Gasraum 14 des Behälters 10 nicht niedrig genug ist, um die gewünschte tiefe Temperatur des flüssigen Heliums zu erreichen, kann, wie das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 zeigt, ein zweiter Ejektor 35 mit dem Ejektor 21 in Serie verbunden sein. Der Treibstrahleingang 36 dieses Ejektors ist über eine Leitung 37 mit Ventil 38 von der Hochdruckleitung 24 abgezweigt. Die Saugseite 39 des Ejektors 35 ist mit der Leitung 15 verbunden, die zum Gasraum 14 des Behälters 10 führt. Weiterhin ist der Diffusorausgang 40 des Ejektors 35 mit der Saugsei'e 20 des Ejektors 21 verbunden. Mit Hilfe des Ventils 38 wird der Treibstrahl für den Ejektor 35 so eingestellt, daß die Gesamtleistung beider Ejektoren die erforderliche Höhe erreicht.
Die Vorrichtung kann mehr als zwei Behälter für flüssiges Helium aufweisen. F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung mit drei Behältern. Ein Behälter 41 folgt über eine Leitung 42 mit Entsparinungsventil 43 dem Behälter 10. Der Dampfraum 44 des Behälters 41 ist über eine Saugleitung 45 mit einer Saugseite 46 eines Ejektors 47 verbunden. Ein Treibstrahleingang 48 des Ejektors 47 steht über eine Leitung 49 mit einem Ventil 50 mit der Zweigleitung 25 des Kompressors 1 in Verbindung. In der Treibstrahlleitung 51 des Ejektors 21 ist ein Ventil 52 angebracht, zwecks Einstellung des Treibstrahldruckes. Der Diffusorausgang 53 des Ejektors 47 steht über eine Leitung 54 und die Leitung 7 mit der Saugseite 8 des Kompressors 1 in Verbindung. Mit Hilfe des Ventils 50 wird die Stärke des Treibstrahles des Ejektors 47 so eingestellt, daß dessen Diffusordruck übereinstimmt mit dem Saugdruck in der Saugleitung 7 des Kompressors 1. Das flüssige Helium im Behälter 41 hat die zu dem Druck in der Saugleitung 45 gehörende Temperatur.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

28 OO 742 Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte oder zum Verflüssigen von Gasen in einem Kältekreislauf mit einem Kompressor (1) mit Nachkühler (2) zum Komprimieren des Gases und Kältemitteln (I, 11) zum mindestens teilweise Verflüssigen des Gases, weiterhin mit zwei in Serie verbundenen Behältern (5, 10) für das verflüssigte Gas (4, 13), wobei der Gasraum (6) des ersten den Kältemitteln folgenden Behälters (5) mit der Saugseite (8) des Kompressors und der Gasraum (14) des zweiten Behälters (10) mit der Saugseite (20) eines Ejektors (21) in Verbindung steht, dessen Förderseite (28) mit der Saugseite des Kompressors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahleinga>.ig (27) des Ejektors (21) mit der mindestens auf Umgebungstemperatur befindlichen Förderseite (25) des Kompressors (1) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ejektor (21) ein weiterer Ejektor (35) in Serie vorgeschaltet ist, dessen Treibstrahleingang (36) mit der mindestens auf Umgebungstemperatur befindlichen Förderseite des Kompressors (1) und dessen Saugseite (39) mit dem Gasraum (14) des zweiten Behälters (10) und dessen Förderseite (40) mit der Saugseite (20) des ersten Ejektors (21) verbunden ist (F i g. 2).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ejektor (21) in einem Vakuumbehälter (29) befindet (F i g. 1).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahleingang (27,36) vor dem Nachkühler (2) mit der Förderseite des Kompressors (1) verbunden ist.
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