DE2822994A1 - Vorrichtung zur speisung von kryostaten - Google Patents

Vorrichtung zur speisung von kryostaten

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DE2822994A1
DE2822994A1 DE19782822994 DE2822994A DE2822994A1 DE 2822994 A1 DE2822994 A1 DE 2822994A1 DE 19782822994 DE19782822994 DE 19782822994 DE 2822994 A DE2822994 A DE 2822994A DE 2822994 A1 DE2822994 A1 DE 2822994A1
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Andre Ponthus
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Description

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SOCIETE D1ETUDES D'AUTOMATISATION, DE REGULATION ET D'APPAREILS DE HESURES, 101-103, Rue de Seze, Lyon (Rhone),
Frankreich
Vorrichtung zur Speisung von Kryostaten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speisen von Kryostaten.
Es ist bekannt, einen geschlossenen Raum in Art eines Kryostaten durch einen Kreislauf von verflüssigtem Gas zu kühlen, wobei der Kreislauf des verflüssigten Gases beispielsweise dadurch gewährleistet wird, daß die Beschickung von einem Speicher für das verflüssigte Gas, sei es durch Schwerkraft, sei es durch Unterdrucksetzung mittels Einschaltung eines Gasmotors, sei es durch Unterdrucksetzung mittels einer elektrischen Heizeinrichtung in der flüssigen Phase, geschieht, welche dann in dem Speicher einen Überdruck hervorruft.
Die Fig. 1 zeigt in einem schematisierten Schnitt eine solche bekannte Vorrichtung zum Speisen von Kryostaten. Das verflüssigte Gas 1 befindet sich in einem doppelwandigen Behälter 2. Dieser speist den zu kühlenden umschlossenen Raum (nicht dargestellt) mittels eines mit einer Wärmeisolierung 4 versehenen Rohres 3, das einen Isolierstopfen 5 des Behälters 2 durchquert und unterhalb des
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Flüssigkeitsniveaus 6 mündet. Ein elektrischer Heizwiderstand 7, der ebenfalls in die Flüssigkeit eingetaucht ist, ist mit einer elektrischen Stromquelle über einen Leitungsdraht 8 verbunden, der den Stopfen 5 durchquert, wobei ein entsprechender Betätigungsschalter vorgesehen ist.
Das Strömen des elektrischen Stromes bewirkt eine örtliche Überhitzung, was eine Verdampfung des verflüssigten Gases 1 hervorruft. Es bildet sich damit im oberen Bereich des Behälters 2, der durch den Stopfen 5 verschlossen ist, ein Überdruck aus, der darauf gerichtet ist, das verflüssigte Gas 1 durch das Rohr 3 zu dem zu kühlenden umschlossenen Raum zu treiben. Alle Rohre und Leitungen, die von dem verflüssigten Gas durchlaufen werden, müssen sorgfältig wärmeisoliert werden, um eine äußere Vereisung der Leitungen zu verhindern.
Im Fall von Anlagen geringer Leistung arbeiten die vorbekannten Vorrichtungen nicht mit der Funktionsgleichmäßgkeit, wie sie zu wünschen wäre, und zwar im Hinblick auf die Volumen- und Wärmekapazität des Systems, welche Kapazität dazu tendiert, unregelmäßige Abgaben des verflüssigten Gases sowie störende örtliche Verdampfungen hervorzurufen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die im Fall von Anlagen geringer Leistung zufriedenstellender arbeitet und insbesondere mit hoher Präzision arbeitet. Ausgehend von einer Vorrichtung zum Speisen von Kryostaten mit einem Behälter, in dem sich das verflüssigte Gas befindet,sowie einem wärmeisolierten Rohr, das vom Inneren des Behälters zum Kryostaten führt, besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß das wärmeisolierte Rohr in seinem im Inneren des Behälters befindlichen BeisLch U-förmig derart umgebogen ist, daß der Bogenbereich des U im verflüssigten Gas liegt, während die Mündungsöffnung
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des Rohres sich oberhalb des Flüssigkeitsniveaus befindet, wobei ein weiteres Rohr für die Rückführung des verdampften Gases zum Behälter vorgesehen ist, wobei dieses Rohr mit dem Gas durch eine Pumpe beschickt wird, deren Ansaugseite über eine Leitung mit dem Kryostaten verbunden ist.
Die Erfindung charakterisiert sich damit durch einen kryogenen Transfer, der vermittels der gasförmigen verdampften Phase geschieht, die ausschließlich vom verflüssigten Gas kommt, wobei das Hindurchtreiben durch den geschlossenen Kreislauf mittels einer Pumpe geschieht.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes liegt das Mündungsende des zweiten inneren Rohres im Behälter in der Nähe des Behälterbodens, so daß die Abkühlung des transportierten Gases praktisch durch ein Tauchbad im verflüssigten Gas erreicht ist. In Ergänzung dazu kann ein Wärmetauscher im Bereich der Umbiegung des ersten Rohres vorgesehen sein, und zwar in dem verflüssigten Gas nahe dem Behälterboden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform des Erfindungsgegen-Standes schließt sich das Ende des zweiten Rohres im Inneren des Behälters an die Umbiegung des ersten Rohres nahe dem Behälterboden an, wobei ein Wärmetauscher im verflüssigten Gas im Bereich der Anschließung der beiden Rohre vorgesehen ist. Die Abkühlung des transportierten Gases geschieht dann ausschließlich durch den Wärmetauscher.
Die Abkühlung des antransportierten Gases kann also entweder durch ein Tauchbad durch das flüssige Gas hindurch und/oder durch die Zirkulation in einem Wärmetauscher, der in die Flüssigphase eingetaucht ist, erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist das außerhalb des Behälters liegende Ende des wärraeisolierten Rohres an ein anderes, wärmeisolier-
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tes Rohr, das im Kryostaten mündet, mittels einer Dichtung angeschlossen, die einen ringförmigen Raum um den Anschlußbereich der beiden Rohre definiert, wobei die Enden der beiden Rohre aneinander angenähert sind, ohne miteinander in Berührung zu treten. Auf diese Weise füllt das geförderte Gas den ringförmigen Raum und bildet eine isolierende Umhüllung. Es ist somit das Gas selbst, das die Wärmeisolierung der Verbindung gewährleistet, wobei die Dichtigkeit durch die üblichen Dichtungsmittel, die der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, gebildet wird. Diese spezielle Ausgestaltung hat ihren unmittelbaren Zusammenhang mit dem Erfindungsgegenstand dadurch, daß eine speziell für den Gastransport ausgelegte Dichtung vorgesehen ist. Würde man nämlich, wie bei den bisherigen Vorrichtungen, Flüssigkeit in den Leitungen zirkulieren lassen, würde die Flüssigkeit die Dichtung ausfüllen und es gäbe eine äußere Vereisung im Bereich der Dichtung sowie starke thermische Verluste.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist diejenige Leitung, die den Kryostaten mit der Saugseite der Pumpe verbindet, einen Anstich auf, der mit einem umschlossenen Raum verbunden ist, der durch zwei der mehrfachen und dichten Wände des Kryostaten begrenzt ist und der in leitender Verbindung mit der Atmosphäre durch einen Lüfterauslaß steht. Nach Zirkulation des verdampften Gases im Kryostaten umspült ein Teil dieses Gases somit einen der äußeren umschlossenen Räume des Kryostaten, bevor es in die Atmosphäre entweicht, was den Wirkungsgrad der Anlage erhöht.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Es zeigen
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SOCIETE D'ETUDES D'AUTOMATISATION.,
-Q-
Fig. 1 das Schema einer bislang bekannten Vorrichtung zum Speisen von Kryostaten,
Fig. 2 den schematisierten Schnitt durch eine erste Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine Teilschnittdarstellung in vergrößertem
Maßstab durch die Verbindungsdichtung der Vorrichtung nach Fig. 2,
Fig. 4 einen schematisierten Schnitt durch eine weitere Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die bekannten Teile, die denjenigen der bekannten Vorrichtung nach Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern versehen. So ist verflüssigtes Gas 1 in einen doppelwandigen Behälter 2 eingefüllt, der durch einen isolierenden Stopfen 5 verschlossen ist, durch den ein Rohr 3 hindurchtritt, das außerhalb des Stopfens mit einer Wärmeisolierung 4 versehen ist.
Nunmehr ist jedoch das im Inneren des Behälters 2 befindliche Ende des Rohres 3 hier U-förmig nach oben umgebogen, derart, daß die Mündungsöffnung 9 oberhalb des Flüssigkeitsniveaus 6 liegt. Ein Wärmetauscher 10 ist auf der unteren Umbiegung des Rohres 3, in der Nähe des Behälterbodens, angeordnet.
Ein weiteres, ebenfalls wärmeisoliertes Rohr 11 durchtritt den Stopfen 5. Das im Inneren des Behälters 2 befindliche Ende des Rohres 11 liegt mit der Mündungsöffnung 13 benachbart dem Boden des Behälters 2.
Das erste Rohr 3, das von dem Behälter 2 fortführt, ist über eine Dichtung 14 an ein anderes mit einer Wärme-
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isolierung 16 versehenes Rohr 15 angeschlossen, das im Inneren des Kryostaten 17 mündet, der von einem umschlossenen Raum aus mehrfachen, jeweils dichten Wänden 18, 19 und 20 gebildet ist.
Der Kryostat 17 ist seinerseits über eine Rohrleitung 21, die leicht wärmeisoliert ist, mit der Saugseite einer Gaspumpe 22 verbunden, die das angesaugte Gas in das Rohr 11 treibt, das nahe dem Behälterboden mündet. Die Rohrleitung 21 ist mit einem einstellbaren Ventil 23 bestückt und zwisehen dem Ventil und dem Kryostaten 17 weist die Rohrleitung 21 einen Anstich 24 auf, der mit dem umschlossenen Raum 25 in leitender Verbindung steht, der von den beiden Wänden 18 und 19 des Kryostaten 17 gebildet wird und der seinerseits einen Lüfterauslaß 26 hat.
Eine besondere Ausgestaltung der Dichtung 14 ist in Pig. 3 gezeigt. Die Rohre 3 und 15 sind jeweils mit Hülsen 27 und 28 verschweißt, die fest mit Befestigungsflanschen 29 und 30 verbunden sind. Die Hülsen 27 und 28 haben beträchtliche Länge, derart, daß sie die thermische Wegstrecke zwischen den ringförmigen dichten Schweißnähten 31 und 32 und den Flanschen 29 und 30 beträchtlich verlängern. Darüber hinaus sind die Wandungen der Hülsen 27 und 28 aus einem dünnen und schlecht wärmeleitenden Material gebildet. Die Flansche 29 und 30 werden in der üblichen Weise beispielsweise mittels Zugankern u.dgl. verbunden und komprimieren zwischen sich einen Dichtring 33.
Die Wärmeisolierung, die von den Wärmeisolierungen 4 und 16 der Rohre 3 und 15 gebildet wird, ist über entsprechende Isolierstücke 34 und 35 im Inneren der Hülsen 27 und 28 bis zu den Enden 36 und 37 der Rohre 3 und 15 verlängert. Diese Enden sind plan abgeschnitten und aneinander angenähert, ohne daß sie dabei miteinander in Berührung kommen. Dabei ist ein Ringraum 38 um den Anschlußbereich der Rohre herum gebildet. Der Raum zwischen den bei-
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den Rohrenden und der Ringraum 38 füllen sich mit einer isolierenden Umhüllung aus Gas, welches Gas sich nicht erneuert und in diesem Bereich die Wärmeisolierung definiert.
Die Funktionsv/eise der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Vorrichtung wird nachfolgend im Zusammenhang beschrieben:
Sobald die Gaspumpe 22 in Betrieb gesetzt wird, sprüht die Mündungsöffnung 13 des Rohres 11 einen Gasblasenstrom aus, wobei die Gasblasen im verflüssigten Gas hochsteigen, sich dabei abkühlen und den Druck im Inneren des Behälters 2 vergrößern. Das Gas tritt durch die Mündungsöffnung 9 des Rohres 3 ein und nimmt, auch dank des zusätzlichen Wärmetauschers 10, die Temperatur der Flüssigkeit 1 an. Dann tritt das Gas, das unter Flüssigkeitstemperatur steht, aus dem Behälter 2 durch das Rohr 3 aus und umspült den Kryostaten 17, wobei es diesen abkühlt. Schließlich wird das Gas durch die Rohrleitung 21 abgesogen, und zwar durch die Ansaugung seitens der Gaspumpe 22.
Ein Druckgleichgewichtszustand etabliert sich in Abhängigkeit der verschiedenen auftretenden Verluste im Kreislauf, insbesondere durch die Abgabeleistung der Pumpe 22, die Einstellung des Ventils 23, die Menge des verflüssigten Gases, die durch den Anstich 24 verdampft und durch den Lüfterauslaß 26 austritt. Das durch den Anstich 24 abgeführte Gas kühlt den umschlossenen Raum 25 und verbessert den Wirkungsgrad der Anlage, bevor es dann durch den Lüfterauslaß 26 nach außen in die Atmosphäre entweicht.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das im Inneren des Behälters 2 liegende Ende des Rohres 11 an die untere Umbiegung des Rohres 3 angeschlossen, das, wie im vorhergehenden Beispiel, in der Nähe des Behälterbodens U-förmig umgebogen ist und das mit seiner Mündungsöffnung 91 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 6
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mündet. Das von der Pumpe (nicht dargestellt) kommende
Gas strömt durch das Rohr 11, durchläuft den im verflüssigten Gas 1 befindlichen Wärmetauscher 10· und strömt
dann durch das Rohr 3 aus. Der Zweig des Rohres 3, der
mit der Mündungsöffnung 9' oberhalb des Flüssigkeitsspiegels mündet, bildet einen Anstich im Kreislauf, der das
Druckgleichgewicht der Gasphase herstellt und ein Austreten von verdampftem Gas ermöglicht.
Es versteht sich, daß sich die Erfindung nicht auf die
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispieie beschränkt. Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen des Erfindungsprinzips möglich. So kann beispielsweise der Wärmetauscher 10 in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform fakultativ sein, also auch fortgelassen werden, so daß die Kühlung des transportierten Gases dann ausschließlich durch das Tauchbad durch das
verflüssigte Gas hindurch geschieht. Die Rohre 11 und 12 müssen nicht zwangsnotwendig wärmeisoliert sein, und es ist möglich, einen Anstich auf dem einen oder anderen
der Flansche 29 und 30 vorzusehen, um einen hier abzweigenden Kreislauf zu speisen oder um eventuell eine Rückströmung wieder erhitzten Gases aufzunehmen.
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Claims (8)

  1. SOCIETE D;ETUDES D'AUTOMATISATION.. Patentanwälte
    Dr. O. Loesenbeck ο ω ο ο α α /
    DipUng. Stack· IVIIWk
    Dipl.-ing. Loesonbeck
    Bielefeld, Herforder Sirsfje 17
    Patentansprüche
    Vorrichtung zum Speisen von Kryostaten, mit einem Behälter, in den verflüssigtes Gas gefüllt ist, sowie einem wärmeisolierten Rohr, das vom Inneren des Behälters zum Kryostaten führt, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierte Rohr (3) an seinem im Inneren des Behälters (2) befindlichen Ende U-förmig derart umgebogen ist, daß der Rohrbogen eingetaucht in das verflüssigte Gas (1) liegt, während die Mündungsöffnung (9,9') des Rohres (3) oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (6) liegt, und daß zur Rückführung des verdampften Gases zum Behälter (2) ein weiteres Rohr (11) vorgesehen, wobei das Gas in dieses Rohr (11) mittels einer Pumpe (22) getrieben wird, deren Saugseite über eine Rohrleitung (21) mit dem Kryostaten (17) verbunden ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des weiteren Rohres (11) im Inneren des Behälters (2) mit seiner Mündungsöffnung (13) benachbart dem Boden des Behälters liegt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (10) im Bogenbereich des Rohres (3) im verflüssigten Gas (1) in der Nähe des Bodens des Behälters (2) angeordnet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des weiteren Rohres (11) im Inneren des Behälters (2) an den Bogen des ersten Rohres (3) nahe dem Behälterboden angeschlossen ist, wobei ein Wärmetauscher (10) im verflüssigten Gas (1) im Bereich des Anschlusses der beiden Rohre (3,11) angeordnet ist.
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    D1ETUDES D · AUTOMATIZATION.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das außerhalb des Behälters (2) liegende Ende des wärmeisolierten Rohres (3) an ein anderes, im Kryostaten (17) mündendes wärmeisoliertes Rohr (15) mittels einer Dichtung (14) angeschlossen ist, die einen Ringraum (38) um den Anschlußbereich der beiden Rohre (3,15) herum definiert, v/obei die Enden dieser Rohre aneinander angenähert liegen, ohne miteinander in Kontakt zu stehen, derart, daß das transportierte Gas unter Füllung des Ringraumes (38) eine isolierende Hülle bildet.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der beiden wärmeisolierten Rohre (3,15) zwei Hülsen (27,28) aufweist, die fest mit Anschlußflanschen (29,30) verbunden sind, die miteinander unter Zusammendrückung einer ringförmigen Dichtung (33) verbunden sind, wobei die beiden Hülsen (27 und 28) lang im Sinne eines thermischen Weges sind und aus einem dünnen, schlecht wärmeleitenden Material gebildet sind, wobei die Hülsen an das jeweilige Rohr mittels einer dichten, ringförmigen Schweißung (31,32) angeschlossenjsind und die Wärmeisolierungen (4,16) der Rohre (3,15) im Inneren der Hülsen verlängert sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kryostaten (17) mit der Saugseite der Pumpe (22) verbindende Rohrleitung (21) einen Anstich (24) aufweist, der mit einem umschlossenen Raum (25) in Verbindung steht, der durch zwei der mehrfachen und dichten Wände (18, 19 und 20) des Kryostaten gebildet ist und der seinerseits über einen Lüfterauslaß (26) in leitender Verbindung zur Atmosphäre steht.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rohrleitung (21) ein einstellbares Ventil (23) an-
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    SOClETE D;E-TUDES D 'AUTOMATI SATION. .
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    geordnet ist, wobei der Anstich (24) zwischen diesem Ventil und dem Kryostaten (17) liegt.
    B09851/0699
DE19782822994 1977-06-09 1978-05-26 Vorrichtung zur speisung von kryostaten Withdrawn DE2822994A1 (de)

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