EP0254759A1 - Verfahren zum Austauschen des Verdrängers eines Refrigerators und Refrigerator zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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EP0254759A1
EP0254759A1 EP86110463A EP86110463A EP0254759A1 EP 0254759 A1 EP0254759 A1 EP 0254759A1 EP 86110463 A EP86110463 A EP 86110463A EP 86110463 A EP86110463 A EP 86110463A EP 0254759 A1 EP0254759 A1 EP 0254759A1
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EP
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displacer
refrigerator
housing
pressure
protective gas
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Withdrawn
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EP86110463A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Dr. Kiese
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Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
Leybold AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle

Definitions

  • the invention relates to a method for replacing the displacer of a refrigerator with a divided housing, the parts of which can be separated from one another in such a way that the displacer is accessible.
  • the invention also relates to a refrigerator which is suitably designed for carrying out the method.
  • Refrigerators are low-temperature chillers in which thermodynamic cycle processes take place.
  • a single-stage refrigerator essentially comprises a work space with a displacer.
  • the working space is alternately connected to a high-pressure and a low-pressure gas source, so that the thermodynamic cycle takes place during the forced reciprocating movement of the displacer.
  • the working gas is conducted in a closed cycle. The result is that heat is extracted from a certain area of the working chamber.
  • two-stage refrigerators of this type and helium as the working gas temperatures below 10 K can be generated.
  • the displacer In order to avoid long interruptions in operation, it is known to change the displacer using a glovebox.
  • the use of the glovebox makes it possible to change the displacer under a protective gas atmosphere. This can prevent, for example, condensable gases from entering the working or cylinder space of the displacer and condensing on areas that are still cold.
  • the use of the glovebox therefore has the advantage of being able to change the displacer at still low temperatures, that is, heating up the not to have to wait for cold areas of the refrigerator and the connected device or instrument.
  • the relatively expensive glovebox can only be used where there is sufficient space.
  • the duration of the replacement work is still quite long (at least 2 hours).
  • the reason for this is on the one hand the necessity of several purging processes associated with a relatively high shielding gas consumption in order to generate a sufficiently pure shielding gas atmosphere within the glove box.
  • Another reason is the more difficult handling of the tools with the gloves of the glovebox.
  • the displacer to be replaced, after being pulled out will touch the walls or gloves of the glovebox with its cold side. This results in destruction of the parts usually made of plastic films and thus contamination of the protective gas atmosphere.
  • the temperature increases occurring during the replacement work are not negligible, so that start-up times are still added to the times of the direct replacement work.
  • the costs associated with the high shielding gas consumption are not insignificant if helium has to be used.
  • the present invention is based on the object of proposing a method of the type mentioned at the outset which enables a further, considerable reduction in the outlay associated with the replacement work.
  • Displacer should also be understood to mean the displacer system of a two- or three-stage refrigerator, which consists of two or three displacer stages coupled to one another.
  • the refrigerator 1 shown in the figure has a housing which consists of the two parts 2 and 3.
  • the housing part 2 In the housing part 2, the cylindrical working spaces 4 and 5 for the two displacement stages 6 and 7 are accommodated.
  • the upper displacement stage 6 is equipped with a drive piston 8, the associated cylinder 9 of which is accommodated in a guide bush 10 which closes off the working space 4 from the housing part 3.
  • the guide bush 10 is equipped with the holes 11, 12 and 13.
  • the holes 11 open into the working space 4 and serve to supply this space with working gas.
  • the bore 13 opens into a transverse bore 14 which is connected to an annular groove 15 in the outer wall of the guide bush 10.
  • Two further bores 12 are indicated by dash-dotted lines and serve to pneumatically drive the system consisting of the displacers 6 and 7.
  • the different bores are in different planes from the plane of the drawing, so that they do not cross each other, which is indicated by the dashed or dash-dotted lines.
  • control motor 16 is housed, which actuates the control valve 18 via the shaft 17.
  • This control valve 18 is used in a manner known per se to supply the various bores with working gas under high pressure and under low pressure.
  • the connections for the high pressure and the low pressure working gas are designated 19 and 20.
  • the parting plane 21 between the housing parts 2 and 3 lies at the level of the control valve 18. It is chosen so that after the removal of the upper housing part 3 with the motor 16 and valve 18, a flat pot-shaped space 22 is present above the guide bush 10. At the level of this space 22 there is a bore 23 which penetrates the wall of the housing part 2 and connects the space 22 to the high-pressure connection 19.
  • the low pressure connection 20 is connected to the bore 24 in the housing part 3, which opens into the annular groove 15 of the guide bush 10.
  • the high-pressure working gas flows via the connection 19 into the chamber 22 With the help of the control valve 18 supplied the various holes. After its expansion in the refrigerator stages, the working gas reaches the bores 13, 14 and flows out via the annular groove 15 and the low-pressure connection 20.
  • the pressure of the working gas at the high pressure connection 19 is usually 22 bar, while the working gas pressure at the low pressure connection 20 is approx. 7 bar.
  • the replacement of the displacement system consisting of the displacers 6 and 7, takes place as follows:
  • the compressor connections 19, 20 are detached from the refrigerator. They are designed in such a way that the interior of the refrigerator remains separated from the atmosphere after the connections have been released.
  • a protective gas source usually a He gas bottle, is connected to the low pressure connection 20 and the high pressure connection 19 is opened. This results in a flushing flow through the bores 24, 14, 13, through the chamber 22 and through the bore 23.
  • the protective gas is supplied with a slight excess pressure, for example about 1.2 bar.
  • the housing part 3 is then removed and the guide bush 10 is pulled out of the housing part 2. After the removal of these two parts, the protective gas flowing in through the bore 24 flows upward over the edge of the housing part 2.
  • the housing part 3 After inserting the new displacement system, which had previously been expediently flushed with helium, and the guide bushing 10, the housing part 3 is mounted while the inert gas flow is maintained. The refrigerator is then ready for use.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Austauschen des Verdrängers eines Refrigerators (1) mit einem geteilten Gehäuse (2, 3), dessen Teile derart voneinander trennbar sind, daß der Verdränger (6, 7) zugänglich ist. Um den Verdränger (6, 7) im kalten Zustand ohne die Gefahr störender Kondensationen im Verdrängerraum (4, 5) auswechseln zu können, wird vorgeschlagen, während des Öffnens des Gehäuses, während des Austauschens des Verdrängers und während des Schließens des Gehäuses einen Schutzgasstrom derart aufrechtzuerhalten, daß unerwünschte Gase nicht in den Verdrängerarbeitsraum (4, 5) eindringen können.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austauschen des Verdrängers eines Refrigerators mit einem geteilten Gehäuse, dessen Teile derart voneinander trennbar sind, daß der Verdränger zugänglich ist. Außerdem betrifft die Erfindung einen für die Durchführung des Verfahrens geeignet gestalteten Refrigerator.
  • Refrigeratoren sind Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen thermodynamische Kreisprozesse ablaufen. Ein einstufiger Refrigerator umfaßt im wesentlichen einen Arbeitsraum mit einem Verdränger. Der Arbeitsraum wird in bestimmter Weise alternierend mit einer Hochdruck-­und einer Niederdruckgasquelle verbunden, so daß während der erzwungenen Hin- und Herbewegung des Verdrängers der thermodynamische Kreisprozeß abläuft. Dabei wird das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Die Folge ist, daß einem bestimmten Bereich der Arbeits­kammer Wärme entzogen wird. Mit zweistufigen Refrigera­toren dieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich Temperaturen bis unter 10 K erzeugen.
  • Bei Reparatur- und Wartungsarbeiten ergibt sich häufig die Notwendigkeit, den Verdränger auszutauschen. Dies kann in der Weise geschehen, daß der Refrigerator abgeschaltet und eine Erwärmung der kalten Bereiche des Refrigerators auf Zimmertemperatur abgewartet wird. Ohne Erwärmung würden kondensierbare Gase an den kalten Flächen niederschlagen und die Wiederinbetriebnahme des Refrige­rators gefährden. Da die Temperaturen an den kalten Stellen eines mit Helium betriebenen Refrigerators nur wenige Grad K betragen, sind nahezu alle in der Atmosphäre vorkommenden Gase unerwünscht. Nach einer ausreichenden Erwärmung wird das Gehäuse geöffnet und der Verdränger ausgetauscht. Nach dem Schließen und nach einer gründlichen Spülung des Gehäuses mit dem Arbeitsgas erfolgt die Wiederinbetrieb­setzung des Refrigerators.
  • Ein in dieser Weise durchgeführter Verdrängerwechsel dauert sehr lange, da die Aufwärmzeiten und die Wieder­inbetriebnahmezeiten zu den eigentlichen Arbeitszeiten hinzutreten. Außerdem ist der Betrieb des Gerätes oder Instrumentes, welches vom Refrigerator mit Kälte versorgt wird, während dieser Zeiten unterbrochen. Bei Instrumenten mit einem hohen Füllgrad an flüssigem Helium (100 l und mehr) verbietet sich die Erwärmung des Refrigerators allein des Verdrängerwechsels wegen bereits aus wirtschaft­lichen Gründen. Sie setzt eine Entfernung des flüssigen Heliums voraus.
  • Um lange Betriebsunterbrechungen zu vermeiden, ist es bekannt, den Verdrängerwechsel mit Hilfe einer Glovebox vorzunehmen. Die Verwendung der Glovebox ermöglicht es, den Verdrängerwechsel unter einer Schutzgasatmosphäre vorzuneh­men. Dadurch kann verhindert werden, daß zum Beispiel kondensierbare Gase in den Arbeits- oder Zylinderraum des Verdrängers eindringen und an noch kalten Bereichen kondensieren. Die Verwendung der Glovebox hat deshalb den Vorteil, den Verdrängerwechsel bei noch tiefen Tempera­turen vornehmen zu können, das heißt, eine Aufwärmung der kalten Bereiche des Refrigerators und des angeschlossenen Gerätes oder Instrumentes nicht abwarten zu müssen.
  • Der Einsatz der relativ kostspieligen Glovebox ist aller­dings nur dort möglich, wo ausreichend Platz vorhanden ist. Außerdem ist die Dauer der Auswechselarbeiten immer noch recht groß (mindestens 2 h). Grund dafür ist zum einen die Notwendigkeit mehrerer, mit relativ hohem Schutzgas­verbrauch verbundenen Spülvorgänge, um eine ausreichend reine Schutzgasatmosphäre innerhalb der Glovebox zu erzeugen. Ein anderer Grund liegt in der schwierigeren Handhabung der Werkzeuge mit den Handschuhen der Glovebox. Weiterhin besteht die Gefahr, daß der auszuwechselnde Verdränger nach dem Herausziehen mit seiner kalten Seite die Wandungen oder Handschuhe der Glovebox berührt. Dies hat eine Zerstörung der üblicherweise aus Kunststoffolien bestehenden Teile und damit eine Verseuchung der Schutzgas­atmosphäre zur Folge. Die während der Auswechselarbeiten eintretenden Temperaturerhöhungen sind nicht vernach­lässigbar, so daß immer noch zu den Zeiten der direkten Auswechselarbeiten Inbetriebnahmezeiten hinzutreten. Schließlich sind die Kosten, die mit dem hohen Schutzgas­verbrauch verbunden sind, nicht unerheblich, wenn Helium verwendet werden muß.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das eine weitere, erhebliche Reduzierung des mit den Auswechselarbeiten verbundenen Aufwandes ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß während des Öffnens des Gehäuses, während des Aus­tauschens des Verdrängers und während des Schließens des Gehäuses ein Schutzgasstrom derart aufrechterhalten wird, daß unerwünschte Gase nicht in den Zylinderraum des Ver­drängers eindringen können. Unter Verdränger soll auch das Verdrängersystem eines zwei- oder dreistufigen Refrigerators verstanden sein, welches aus zwei oder drei miteinander gekoppelten Verdrängerstufen besteht.
  • Bei einem Arbeitsverfahren dieser Art wird ein gezielter Schutzgasstrom aufrechterhalten, wodurch ein Eindringen von kondensierbaren Gasen in den Verdrängerraum wirksam vermieden wird. Die Verwendung einer Glovebox kann entfallen Auswechselzeiten von 15 min und weniger können eingehalten werden. Auch bei Refrigeratoren, die schwer zugänglich eingebaut sind, kann ein Verdrängerwechsel in kaltem Zustand vorgenommen werden. Die während der sehr kurzen Auswechselzeiten eintretenden Temperaturveränderungen sind unerheblich, so daß nach dem Verdrängerwechsel längere Inbetriebnahmezeiten nicht mehr erforderlich sind.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur dargestellten zweistufigen Refrigerators erläutert werden.
  • Der in der Figur dargestellte Refrigerator 1 hat ein Gehäuse, welches aus den beiden Teilen 2 und 3 besteht. Im Gehäuseteil 2 sind die zylindrischen Arbeitsräume 4 und 5 für die beiden Verdrängerstufen 6 und 7 untergebracht.
  • Die obere Verdrängerstufe 6 ist mit einem Antriebskolben 8 ausgerüstet, dessen zugehöriger Zylinder 9 in einer Führungsbuchse 10 untergebracht ist, die den Arbeitsraum 4 zum Gehäuseteil 3 hin abschließt. Die Führungsbuchse 10 ist mit den Bohrungen 11, 12 und 13 ausgerüstet. Die Bohrungen 11 münden in den Arbeitsraum 4 und dienen der Versorgung dieses Raumes mit Arbeitsgas. Die Bohrung 13 mündet in einer Querbohrung 14, die mit einer Ringnut 15 in der Außenwandung der Führungsbuchse 10 verbunden ist. Zwei weitere Bohrungen 12 sind durch strichpunktierte Linien angedeutet und dienen dem pneumatischen Antrieb des aus den Verdrängern 6 und 7 bestehenden Systems. Die verschie­denen Bohrungen liegen in von der Zeichenebene unterschied­lichen Ebenen, so daß sie einander nicht kreuzen, was durch die Strichelung beziehungsweise Strichpunktierung angedeutet ist.
  • Im Gehäuseteil 3 ist der Steuermotor 16 untergebracht, der über die Welle 17 das Steuerventil 18 betätigt. Dieses Steuerventil 18 dient in an sich bekannter Weise der Ver­sorung der verschiedenen Bohrungen mit unter Hochdruck und unter Niederdruck stehendem Arbeitsgas.
  • Die Anschlüsse für das Hochdruck- und das Niederdruck­arbeitsgas sind mit 19 und 20 bezeichnet. Die Trenn­ebene 21 zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 liegt in Höhe des Steuerventils 18. Sie ist so gewählt, daß nach der Entfernung des oberen Gehäuseteils 3 mit Motor 16 und Ventil 18 oberhalb der Führungsbuchse 10 ein flacher topfförmiger Raum 22 vorhanden ist. In Höhe dieses Raumes 22 ist eine die Wandung des Gehäuse­teils 2 durchsetzende Bohrung 23 vorgesehen, die den Raum 22 mit dem Hochdruckanschluß 19 verbindet. Der Niederdruckanschluß 20 ist an die Bohrung 24 im Gehäuse­teil 3 angeschlossen, welche in die Ringnut 15 der Führungsbuchse 10 mündet.
  • Während des Betriebs des dargestellten Refrigerators strömt das unter Hochdruck stehende Arbeitsgas über den Anschluß 19 in die Kammer 22. Von dort aus werden mit Hilfe des Steuerventils 18 die verschiedenen Bohrungen versorgt. Das Arbeitsgas gelangt nach seiner Entspannung in den Refrigeratorstufen in die Bohrungen 13, 14 und strömt über die Ringnut 15 und den Niederdruckanschluß 20 ab. Der am Hochdruckanschluß 19 anstehende Druck des Arbeitsgases beträgt üblicherweise 22 bar, während der am Niederdruckanschluß 20 anstehende Arbeitsgasdruck ca. 7 bar beträgt.
  • Das erfindungsgemäße Austauschen des Verdrängersystems, bestehend aus den Verdrängern 6 und 7, geschieht folgender­maßen: Die Kompressoranschlüsse 19, 20 werden vom Refrigerator gelöst. Sie sind derart gestaltet, daß das Innere des Refrigerators nach dem Lösen der Anschlüsse von der Atmosphäre getrennt bleibt. Danach wird eine Schutzgas­quelle, in der Regel eine He-Gasflasche, an den Nieder­druckanschluß 20 angeschlossen und der Hochdruck­anschluß 19 geöffnet. Dadurch stellt sich eine Spülströmung durch die Bohrungen 24, 14, 13, durch die Kammer 22 und durch die Bohrung 23 ein. Das Schutzgas wird mit leichtem Überdruck, zum Beispiel etwa 1,2 bar, zugeführt. Danach werden das Gehäuseteil 3 entfernt und die Führungsbuchse 10 aus dem Gehäuseteil 2 herausgezogen. Das durch die Bohrung 24 einströmende Schutzgas strömt nach der Entfernung dieser beiden Teile nach oben über den Rand des Gehäuse­teils 2 ab. Diese ständig bestehende Strömung ist der Einströmrichtung von kondensierenden Gasen entgegengerichtet, so daß auch nach der Entfernung des auszutauschenden Verdrängersystems 6, 7 das Einströmen unerwünschter Gase in den Verdrängerraum wirksam vermieden ist. Die möglichst tiefe Lage des Ortes der Schutzgaseinströmung (Bohrung 24) ist dabei von Bedeutung.
  • Nach dem Einsetzen des neuen Verdrängersystems, das vorher zweckmäßigerweise mit Helium durchgespült wurde, sowie der Führungsbuchse 10 wird - unter ständiger Aufrechterhaltung der Schutzgasströmung - das Gehäuseteil 3 montiert. Danach steht der Refrigerator betriebsfertig zur Verfügung.

Claims (6)

1. Verfahren zum Austauschen des Verdrängers eines Refrigerators (1) mit einem geteilten Gehäuse (2, 3), dessen Teile derart voneinander trennbar sind, daß der Verdränger (6, 7) zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß während des Öffnens des Gehäuses, während des Austauschens des Verdrängers und während des Schließens des Gehäuses ein Schutzgasstrom derart aufrechterhalten wird, daß unerwünschte Gase nicht in den Verdrängerarbeitsraum (4,5) eindringen können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mit Helium als Arbeitsgas betriebenen Refrigerator (1) das Arbeitsgas als Schutzgasströmung dient und der Nieder­druckanschluß (20) des Arbeitsgases für die Zufuhr der Schutzgasströmung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bereits vor dem Öffnen des Gehäuses (2, 3) eine Schutzgasströmung vom Niederdruckanschluß (20) in Richtung des nicht unter dem Arbeitsgasdruck stehenden Hochdruckanschlusses (19) aufrechterhalten wird.
4. Für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 geeigneter Refrigerator mit geteiltem Gehäuse (2, 3) und im Gehäuseteil (2) befindlichem Verdrängerarbeitsraum (4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckgas­anschluß (20) an diesem Gehäuseteil (2) vorgesehen ist und in der Betriebsstellung des Refrigerators tiefer liegt als der Hochdruckgasanschluß (19).
5. Refrigerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger­arbeitsraum (4, 5) im Gehäuseteil (2) durch eine Führungsbuchse (10) angeschlossen ist und daß das Gehäuseteil (2) mit der Oberseite der Führungs­buchse (10) einen flachen, topfförmigen Raum bildet, der mit dem Hochdruckanschluß (19) in Verbindung steht.
6. Refrigerator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruck­anschluß (20) an eine Schutzgasquelle anschließbar ist.
EP86110463A 1986-07-29 1986-07-29 Verfahren zum Austauschen des Verdrängers eines Refrigerators und Refrigerator zur Durchführung des Verfahrens Withdrawn EP0254759A1 (de)

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