DE8810215U1

DE8810215U1 - Kompressor zur Versorgung eines Kryo-Refrigerators mit Helium

Info

Publication number: DE8810215U1
Application number: DE8810215U
Authority: DE
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1988-08-11
Publication date: 1990-02-08
Anticipated expiration: 1998-08-12
Also published as: US4967572A; EP0354263B1; EP0354263A1; JPH0282059A; ATE74420T1; DE3869776D1

Description

88.019 LEYBOLD AG Köln-Bayenthal

Kompressor zur Versorgung eines Xryo-Refrigerators mit ei

Die Erfindung bezieht sich auf einen luftgekühlten Kompressor zur Versorgung eines Kryo-Refrigerators mit Helium mit einem vom komprimierten Helium durchströmten ersten Kühler, mit einem vom Betriebsöl des Koiapressors durchströmten weiteren Kühler und mit einem Gebläse.

Kryo-Re*rigeratoren sind Tiefteraperatur-Kältemaschinen, in denen thermodynaiBische Kreisprozesse ablaufen (vgl. z. B. die US-FS 29 06 101). Jin einstufiger Kryo-Refrigerator umfaßt im wesentlichen einen Kompressor, verbindende Leitungen und einen Kaltkopf mit Verdränger und einem Arbeitsraum, im Nachfolgenden Kammer genannt. Im Betrieb wird die Kammer in bestimmter Weise alternierend mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Heliumquelle verbunden, so daß während der Hin- und Herbewegung des Verdrängers der thermodynamische Kreisprozeß (Stirling-Prozeß, Gifford/Mc Mahon-Prozeß usw.) abläuft, wobei das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Die Folge ist, daß einem bestimmten Bereich der Kammer Wärme entzogen wird. Mit einem zweistufigen Refrigerator dieser Art lassen sich z. B. Temperaturen bis unter 10 K erzeugen.

Bin wesentliches Versorgungegerät für einen Refrigerator ist der Kompressor, in dem das im Refrigerator entspannte Helium wieder komprimiert wird, und zwar von ca. 7 bar (Niederdruck) auf ca. bar (Hochdruck). Nahezu die gesamte für diese Kompression benötigte Leistung wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärme wird zu ca.

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25% vom Helium und zu ca. 75% vom Betriebsöl des Kompressors aufgenommen. Es ist bekannt, zur Kühlung des Heliums und des

Betriebsöls Wasser oder Luft einzusetzen. Wasserkühlungen haben relativ hohe Betriebskosten. Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Schaffung eines für die Versorgung von Refrigeratoren besonders geeigneten luftgekühlten Kompressors.

Bekannte Kompressoren mit Luftkühlung haben den Nachteil, daß sie relativ großvolumig sind. Das im Kompressorgehäuse befindliche Gebläse erzeugt Luftbewegungen und damit verbunden Staubwirbel. Bekannte Kompressoren mit Luftkühlung sind deshalb nicht in Gestelle einsetzbar, in denen sich für die Durchführung von Tieftemperatur-Experimenten erforderliche elektronische Versorgungs- und Heßgeräte befinden. Besonders nachteilig ist, daß luftgekühlte Kompressoren nicht in staubfreien "cleanrooms" einsetzbar sind. Die in den Raum abgegebene Wärme ist besonders problematisch, da die Leistung üblicher Kompressoren für Kryo-Refrigeratoren 3 bis 7 KW beträgt. Sie trägt zu einer beträchtlichen Raumauf heizung bei, welche besonders im Sommer störend ist. und zu Problemen an elektronischen Geräten führen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen luftgekühlten Kompressor zur Versorgung eines Kryo-Refrigerators mit Helium zu schaffen, dem die geschilderten wachteile sieht mehr anhaften.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kühler für das Betriebsöl des Kompressors und das Helium sowie das Gebläse in einem vom Kompressor separaten Gehäuse untergebracht sind, daß der Kühler für das Helium dem ölkühler - in Bezug auf den vom Gebläse erzeugten Luftstrom - vorgelagert ist und daß das Kompressorgehäuse und das Kühlergehäuse über Leitungen miteinander verbunden sind. Infolge der Unterbringung der Kühler in einem separaten Gehäuse kann die Größe des Kompreesorgehäuses so klein gewählt werden, daß es in die Gestelle für Elektronik-Komponenten (Rack's) eingebaut werden kann. Die verbindungsleitungen zürn Refrigerator können kurz gehalten werden. Die

Verbindungsleitungen zwischen dem Kompressor und dem kombinierten Kühler können so lang gewählt werden, daß der Kühler außerhalb des Raumes, z. B. eines "cleanrooms" , in dem sich der Refrigerator befindet, angeordnet werden kann. Die Aufstellung des Kühlers im Freien ist dabei besonders vorteilhaft, ha. ein Teil des Wärmeinhaltes der zu kühlenden Medien bereits im Bereich der Verbindungsleitungen abgegeben wird, haben relativ lange Verbindungsleitungen noch den Vorteil, die Wirkung des kombinierten Kühlers zu unterstützen. Dadurch, daß der Kühler für das Helium dem ölkühler vorgelagert ist, wird der gesamte Luftstrom des Gebläses zuerst über den Helium-Kühler geführt, wodurch eine besonders gute Abkühlung des Gases erreicht wird. Die Heliumaustrittstemperatur liegt üblicherweise ca. 5 bis 8° über der Luftansaugtemperatur.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß ausgebildeten luftgekühlten Kompressors,

Figur 2 den kombinierten Öl/Heliumkühler mit Querstromgebläse Figur 3 eine Teilansicht des Kühlers, welche Durchströmungsrichtungen erkennen läßt, und

Figur 4 eine Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten luftgekühlten Kompressors mit separater Anordnung des Kühlers.

In Figur 1 ist der mit Helium zu versorgende Refrigerator mit 1 bezeichnet. Über die Gasverbindungsleitungen 2 und 3 ist er mit dem Kompressor 4 verbunden. Über selbstdichtende Kupplungen 5.6 und 7, 8 sind die Verbindungsleitungen 2, 3 am Refrigerator I und am Kompressorgehäuse 4 angeschlossen.

Innerhalb des Kompressorgehäuses 4 befindet sich der eigentliche Kompressor 11, dessen Eingang über die Leitung 12 mit der Verbindungsleitung 2 zwischen Kompressorgehäuse 4 und Refrigerator I in Verbindung steht. An den Auslaß des Kompressors 11 schließt sich ein Leitungsabschnitt 13 an, der zur selbstdichtenden

Kupplung 14 am Kompressorgehäuse 4 führt. Daran schließt sich eine Leitung 15 an, die zum separaten Kühlergehäuse 16 führt. Innerhalb des Kühlergehäuses 16 befinden sieh der Heliumkühler il, der ölkühler 18 und das Gebläse 19. Die Anordnung ist so getroffen, daß der vom saugenden Gebläse 19 erzeugte Luftstrom (oder - bei Anordnung des Gebläses vor dem Helium-Kühler drückende Luftstrom) zuerst auf den Helium-Kühler 17 und dann erst auf den Öl-Kühler 18 trifft.

Der Helium-Kühler 17 ist über den Leitungsabschnitt 21 mit der selbstdichtenden Kupplung 22 verbunden, an der die Leitung 15 angeschlossen ist, die über die selbstdichtende Kupplung 14 mit dem Kompressor verbunden ist. An den Ausgang des Heliumkühlers schließt sich der innerhalb des Kühlergehäuses 16 liegende Leitungsabschnitt 23 an, der wieder über selbstdichtende Kupplungen 24 und 25 und die Leitung 26 mit dem Kompressorgehäuse 4 verbunden ist. Zwischen den Kupplungen 6 und 24 erstreckt sich innerhalb des Kompressorgehäuses 4 der Leitungsabschnitt 27, der mit bis zu zwei Ölabscheidern 28 und 29 sowie mit einem Adsorptionsfilter 31 ausgerüstet ist.

Das entspannte Helium gelangt über die Leitungen 2 und 12 zum Kompressor 11 und wird auf den erforderlichen Druck komprimiert, über die Leitungsabschnitte 13, 15 und 21 gelangt das komprimierte und erwärmte Helium zum Heliumkühler 17. In diesem Kühler wird es auf die gewünschte Temperatur von maximal 40° C abgekühlt und gelangt durch die Leitungsabschnitte 23, 26, 27 und 3 wieder zum Refrigerator 1. In den Abscheidern 28 und 29 sowie im Adsorber 31 werden ölverunreinigungen des Helium-Gases abgeschieden. Über die Leitungen 32 und 33 wird das abgeschiedene Öl wieder dem Kompressor 11 zugeführt.

Zum Transport des Betriebsöles des Kompressors 11 in einem Ölkreislauf dient die im Kompressorgehäuse 4 befindliche Förderpumpe 34, die im Leitungsabschnitt 35 angeordnet ist. Der ölkreislauf umfaßt diesen Leitungsabschnitt 35, die Leitungen 36

und 37, den ölkühler 18 sowie die Leitungeabschnitte 38, 39 und 40. Die Leitungsabschnitte 35 und 40 sind innerhalb des Kömpressorgehäv.ses 4 untergebracht; die Leitungsabschnitte 37 und 38 befindfn sich im Kühlergehäuse 16. Selbstdichtende Kupplungen 41 bis 44 dienen der Ankopplung der Verbindungeleitungen 36 und 39 am Kompressorgehäuse 4 bzw. am Kühlergehäuse 16. Eine Verschmutzung der geführten Medien Öl und Helium wird damit vermieden.

Es läßt sich nicht vermeiden, daß das Heliumgas während des Durchganges durch den Kompressor 11 mit dem Betriebsöl Kontakt hat. Das den Kompressor 11 verlassende Gas ist deshalb mit öldampf beladen. Innerhalb des Kühlers 17 kondensiert ein großer Teil des Öldampfes und sammelt sich in flüssiger Form an. Um dieses öl in den ölkreislauf befördern zu können, sind die Leitungsabschnitte 23 und 38 innerhalb des Kühlergehäuses 16 entweder über eine Leitung 45 mit einem Ventil 46 oder über eine Kapillare 47 miteinander verbunden. Für den Fall, daß eine Verbindungsleitung 45 mit einem Ventil 46 vorhanden ist, erfolgt zeitweise eine Öffnung des Ventils 46. Infolge des vorhandenen Druckgefälles [Ölleitungen haben Niederdruck (ca. 7 bar), Helium-Leitungen Hechdruck (ca. 22 bar)] strömt Öl, das sich im Leitungsabschnitt 23 angesammelt hat, in den Leitungsabschnitt 38 des Ölkreislaufs. Für den Fall, daß eine Kapillare 47 vorhanden ist, ist ständig für die Rückströmung kondensierten Öls in den Ölkreislauf gesorgt.

Figur 2 zeigt eine Ansicht des Kühlergehäuses 16 mit im Bereich des Gebläses 19 aufgebrochen dargestellten Wandungen. Drei Gehäuseabschnitte 51, 52 und 53 sind vorgesehen. Im - in Bezug auf die strömende Kühlluft (Pfeile 54) - ersten oder vorderen Abschnitt 51 befindet sich der Heliumkühler 17. Im zweiten Abschnitt 52 befindet sich der Ölkühler 18 (nicht sichtbar). Im dritten Abschnitt 53 ist ein Querstromgebläse 19 untergebracht. Die Länge des Rotors 19 (Trommelläufer) entspricht der Höhe des Gehäuses 16. In einem Aufsatz 55 auf dem Gehäuse 16 ist der Antriebsmotor 56 des Gebläses 19 untergebracht. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, einen starken, über die Kühler

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und 18 im wesentlichen gleichmäßig verteilten Luftstrom zu erzeugen.

Figur 3 laßt die Art und Weise erkennen, wie der Heliumkühler (im Gehäuseabschnitt 51) und der ölkühler 18 (im Gehäuseabsehnitt 52) durchströmt sind. An einen unteren, geteilten Ein- und Auslaßkasten 61 bzw. 62 im Fuß der Gehäuseabschnitte 51 und sind jeweils die Zu- bzw. Abführungsleitungen (15, 36 bzw. 26, 39) für Helium und Öl angeschlossen. Die mittleren Bereiche der Gehäuseabschnitte 51, 52 weisen vertikal verlaufende Rohrabechnitte 63 auf, die von unten nach oben bzw. oben nach unten durchströmt sind. In jeweils einem oberen Kasten findet die Umlenkung statt. Senkrecht dazu strömt der vom Gebläse 19 im Gehäuseabschnitt 53 erzeugte Luftstrom. Figur 4 zeigt eine Ansicht des Kompressorgehäuses 4 und des Kühlergehäuses 16, verbunden durch die parallel und mit Abstand geführten Leitungen 15, 26, 36 und 39. Zusätzlich ist eine elektrische Versorgungsleitung 57 vorgesehen. Wie bereits erwähnt, sind die Leitungen 15, 26, 36 und 39 über selbstdichtende Kupplungen mit dem Kompressorgehäuse 4 und dem Kühlergehäuse verbunden. Zweckmäßig sind sie flexibel ausgebildet, so daß die Anordnung des Kühlers 16 in Bezug auf den Kompressor beliebig wählbar ist. Besonders vorteilhaft ist es, Wellschläuche aus Metall (Edelstahl) als Verbindungsleitungen zu verwenden, die mittels Klammern auf Abstand gehalten werden. Ein Teil der vom Helium und vom Öl aufgenommenen Wärme wird dann bereits im Bereich der Verbindungsleitungen an die Umgebung abgegeben.

Claims

88.019 LEYBOLD AG Köln-Bayenthal Kompressor zur Versorgung eines Kryo-Refrigerators mit Helium ANSPRÜCHE

1. Luftgekühlter Kompressor zur Versorgung eines Kryo-Refrigerators (1) mit Helium mit einem vom komprimierten Helium durchströmten ersten Kühler (17), mit einem vom Betriebsöl des Kompressors (11) durchströmten weiteren Kühler (18) und mit einem Gebläse (19), dadurch gekennzeichnet , daß die Kühler (17, 18) für Helium und öl sowie das Gebläse in einem vom Kompressor räumlich getrennten, einem separaten Gehäuse (16) untergebracht sind, daß der Kühler (17) für das Helium dem ölkühler (18) - in Bezug auf den vom Gebläse (19) erzeugten Luftstrom - vorgelagert ist und daß das Kompressorgehäuse (4) und das Kühlergehäuse (16) über Leitungen (15, 26, 36, 39) miteinander verbunden sind.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (15, 26, 36, 39) flexibel auegebildet sind.

3. Kompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (15, 26, 36, 39) von Wellechläuchen aus Metall gebildet werden.

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4. Kompressor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (15, 26, 36 39) über selbstdichtende Kupplungen mit dem Kompressorgehäuse (4) bzw. mit dem Kühlergehäuse (16) verbunden sind.

5. Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (19) als Querstromgebläse ausgebildet ist.

6. Kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, <&& der Trommelläufer des Querstromgebläses den beiden Kühlern (17, 18) nachgeordnet ist und daß die Länge des Trommelläufers der Höhe der Kühler (17, 18) entspricht.

7. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die sich an die Kühler (17 und 18) anschließenden Leitungsabschnitte (23, 38) über eine Leitung (45) mit einem Ventil (46) verbunden sind.

8. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die sich an die Kühler (17, 18) anschließenden Leitungen (23, 38) über eine Kapillare (47) miteinander verbunden sind, welche das Strömen vom im Kühler (17) kondensiertem öl in den Leitungsabschnitt (38) erlaubt.

9. Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlergehäuse (16) drei Abschnitte (51, 52, 53) umfaßt, in denen sich der Heliumkühler (17), der ölkühler (18) und das Gebläse (19) befinden.

10. Kompressor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseabschnitte (51, 52) jeweils einen unteren, geteilten Ein- und Auslaßkasten (61 bzw. 62), vertikal verlaufende, vom zu kühlenden Medium durchströmte Rohrabschnitte (63) und einen oben liegenden Umlenkkasten (64, 65) aufweisen.