EP3452749A1 - Transportbehälter - Google Patents

Transportbehälter

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EP3452749A1
EP3452749A1 EP17721051.5A EP17721051A EP3452749A1 EP 3452749 A1 EP3452749 A1 EP 3452749A1 EP 17721051 A EP17721051 A EP 17721051A EP 3452749 A1 EP3452749 A1 EP 3452749A1
Authority
EP
European Patent Office
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thermal shield
inner container
container
transport container
helium
Prior art date
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Granted
Application number
EP17721051.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3452749B1 (de
Inventor
Heinz Posselt
Marko PARKKONEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Publication of EP3452749A1 publication Critical patent/EP3452749A1/de
Application granted granted Critical
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    • F17C2223/033—Small pressure, e.g. for liquefied gas
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    • F17C2227/0369—Localisation of heat exchange in or on a vessel
    • F17C2227/0376—Localisation of heat exchange in or on a vessel in wall contact
    • F17C2227/0381—Localisation of heat exchange in or on a vessel in wall contact integrated in the wall
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    • F17C2260/00—Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/03—Dealing with losses
    • F17C2260/031—Dealing with losses due to heat transfer
    • F17C2260/033—Dealing with losses due to heat transfer by enhancing insulation
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage

Definitions

  • the invention relates to a transport container for helium.
  • Helium is extracted together with natural gas.
  • transport of large quantities of helium is meaningful only in liquid or supercritical form, that is, at a temperature of about 4.2 to 6 K and under a pressure of 1 to 6 bar.
  • To transport the liquid or supercritical helium transport containers are used, which are to avoid too rapid pressure increase of helium, consuming thermal insulation.
  • Such transport containers can be cooled, for example, with the aid of liquid nitrogen.
  • a cooled with the liquid nitrogen thermal shield is provided.
  • the thermal shield shields an inner container of the transport container.
  • the liquid or cryogenic helium is added.
  • the holding time for the liquid or cryogenic helium is in such transport containers 35 to 40 days, that is, after this time, the pressure in the inner container on the
  • the thermal insulation of the transport container consists of a high vacuum multilayer insulation.
  • EP 1 673 745 B1 describes such a transport container for liquid helium.
  • the transport container comprises an inner container in which the liquid helium is accommodated, a thermal shield which partially covers the inner container, a coolant container in which a cryogenic liquid for cooling the thermal shield is accommodated, and an outer container in which the
  • Inner container, the thermal shield and the coolant tank are arranged.
  • the object of the present invention is to provide an improved transport container available.
  • Transport container includes an inner container for receiving the helium, an insulating member which is provided on the outside of the inner container, a Coolant container for receiving a cryogenic liquid, an outer container in which the inner container and the coolant container are accommodated, and a thermal shield which is actively cooled by means of the cryogenic liquid and in which the inner container is accommodated, wherein between the insulating element and the thermal shield a circumferential gap is provided, and wherein the
  • Insulation element has a thermal shield facing copper layer.
  • the inner container may also be referred to as a helium container or inner tank.
  • the transport container may also be referred to as a helium transport container.
  • the helium can be referred to as liquid or cryogenic helium.
  • the helium is in particular also a cryogenic liquid.
  • the transport container is particularly adapted to the helium in cryogenic or liquid
  • the critical point is a thermodynamic state of a substance characterized by equalizing the densities of the liquid and gaseous phases. The differences between the two states of aggregation cease to exist at this point.
  • the point represents the upper end of the vapor pressure curve.
  • the helium is filled into the inner container in liquid or cryogenic form. In the inner container then form a liquid zone with liquid helium and a gas zone with gaseous helium. After filling into the inner container, the helium therefore has two phases with different states of aggregation, namely liquid and gaseous. That is, in the inner container there is a phase boundary between the liquid helium and the gaseous helium. After a certain time, that is, when the pressure in the inner container increases, the helium in the inner container becomes single-phase. The phase boundary then no longer exists and the helium is supercritical.
  • the cryogenic liquid or cryogen is preferably liquid nitrogen.
  • the cryogenic liquid may alternatively be, for example, liquid hydrogen or liquid oxygen.
  • the thermal shield is actively coolable or actively cooled, it is to be understood that the cryogenic liquid at least partially flows through or flows around the thermal shield in order to cool it.
  • the thermal shield is only in an operating state, that is, when the inner container is filled with helium, actively cooled.
  • the thermal shield may also be uncooled. In the active Cooling the thermal shield can boil the cryogenic liquid and
  • the thermal shield thus has a temperature which corresponds approximately or exactly to the boiling point of the cryogenic liquid.
  • the boiling point of the cryogenic liquid is preferably higher than the boiling point of the liquid helium.
  • the thermal shield is particularly within the
  • Outer container arranged.
  • the inner container and in particular the insulation element on the outside has a temperature which corresponds approximately or exactly to the temperature of the helium.
  • the thermal shield may comprise a tubular base portion and a lid portion terminating the base portion at the front end and disposed between the inner container and the coolant reservoir.
  • the lid portion of the base portion thereby completes the front side completely.
  • the base portion of the thermal shield may have a circular or approximately circular cross-section.
  • Coolant tank and the thermal shield can be constructed rotationally symmetrical to a common symmetry or center axis.
  • the inner container and the outer container are preferably made of stainless steel.
  • the inner container preferably has a tubular base portion, which is closed on both sides with curved lid portions.
  • the inner container is fluid-tight.
  • the outer container preferably also has a tubular base portion, which is closed on both sides of the lid portions on the front side.
  • Inner container and / or the base portion of the outer container may have a circular or an approximately circular cross-section.
  • the insulation element has no mechanical contact with the thermal shield.
  • heat can be transferred from the surfaces of the inner container only by radiation and residual gas line to the thermal shield.
  • the fact that the thermal shield is provided it is further ensured that the inner container is surrounded only by surfaces having a boiling point of the cryogenic liquid (boiling point nitrogen at 1, 3 bara: 79.5 K) corresponding temperature.
  • the thermal shield (79.5 K) and the inner container compared to the environment of the outer container only a small Temperature difference.
  • the holding time for the liquid helium can be significantly extended compared to known transport containers.
  • the transport container has a helium hold time of at least 45 days, and the supply of the cryogenic liquid is sufficient for at least 40 days.
  • An intermediate space between the inner container and the outer container is preferably evacuated.
  • the inner container is surrounded with the insulating element, which reduces the heat input even in the non-vacuum case.
  • Insulation element the function of an emergency insulation in case of a
  • the copper layer may be a copper foil or a vapor-deposited aluminum foil.
  • the copper layer has a metallically bright surface. That is, the copper layer is not surface-coated or oxidized. Since the emissivity of the copper layer decreases with decreasing temperature, the heat transfer by radiation also decreases, so that the total heat incident on the inner container can be pressed below 6 W over the entire helium holding time.
  • the copper layer preferably has a thickness of at least 5 microns, more preferably at least 10 microns, preferably less than 20 microns, most preferably in the range of 10 to 20 microns.
  • the copper layer preferably has a mass fraction of copper of at least 95% copper, more preferably 99% copper, and even more preferably at least 99.9% copper.
  • the copper layer preferably has one of
  • Impurities such as fats or oils, free surface.
  • the circumferential gap has a gap width of 5 to 15 millimeters, preferably 10 millimeters.
  • the gap is circumferential, it should be understood that the gap is completely guided around the inner container. In particular, the gap is also at the
  • the circumferential gap is evacuated.
  • the insulation element has a multilayer insulation layer arranged between the inner container and the copper layer.
  • the insulation layer may be a so-called MLI (multilayer-insulation).
  • the copper layer is preferably an additional layer of smooth copper foil of high purity bare copper, which is drawn tightly and without wrinkles on the LMI.
  • the multilayer insulation layer has a plurality of alternating layers of aluminum foil and glass paper.
  • the layers of aluminum foil serve as a reflector and as a mechanical fixation for the layers of glass paper, which ensure the thermal insulation in the event of vacuum collapse.
  • the aluminum foil can be perforated and embossed.
  • the layers of aluminum foil and glass paper are applied gap-free on the inner container. Under gap-free is to be understood that the layers of aluminum foil surface on the inner container.
  • An isothermal state change is a thermodynamic state change in which the temperature remains unchanged.
  • the copper layer is a copper foil.
  • the copper layer is a film of high purity bare copper, which is drawn tight and without wrinkles on the multilayer insulation layer.
  • the transport container further comprises a multilayer insulation layer arranged between the thermal shield and the outer container.
  • the insulating layer is preferably also an MLI.
  • the insulating layer preferably completely fills a space provided between the thermal shield and the outer container such that the insulating layer contacts both the thermal shield and the outer container.
  • the multilayer insulation layer has a plurality of alternating layers of aluminum foil and glass silk,
  • Glass mesh or glass paper The layers of glass paper, glass fiber or glass mesh serve as
  • the aluminum foil is preferably perforated and embossed.
  • the insulation layer arranged between the thermal shield and the outer container can be evacuated without interference.
  • an undesirable mechanical-thermal contact between the aluminum foil layers is reduced. This contact could change the temperature gradient of the radiation exchange
  • the layers of aluminum foil and glass fiber, glass mesh or glass paper are applied cleaved on the thermal shield.
  • evacuable spaces are provided between the layers of aluminum foil and the layers of glass fiber, glass mesh or glass paper.
  • the layers of aluminum foil and glass silk, glass lattice fabric or glass paper of the insulating layer deviating from the insulating element of the inner container fluffy in the space provided between the thermal shield and the outer container space are introduced.
  • Fluffy means that the layers of aluminum foil and glass paper are not are pressed, so that the insulating layer and thus the gap can be evacuated trouble-free by the embossing and perforation of the aluminum foil.
  • the outer container is evacuated.
  • the thermal shield encloses the
  • the thermal shield is made of an aluminum material.
  • the thermal shield is made of a high purity aluminum material. This results in particularly good heat transfer and
  • the thermal shield has a
  • Base section and two lid sections which complete the base section on both sides of the front side.
  • the two lid portions are curved.
  • the lid portions are provided on the base portion so as to be separated from the base portion
  • One of the lid portions is preferably arranged between the coolant container and the inner container. In this way, even with a sinking liquid level in the coolant container, it is ensured that the inner container is surrounded only by surfaces which have a temperature corresponding to the boiling point of the cryogenic liquid.
  • the thermal shield is fluid-permeable.
  • the thermal shield is liquid and gas permeable.
  • the thermal shield for example, breakthroughs, perforations or holes have. Due to the fluid permeability, the space provided between the inner container and the thermal shield can be evacuated.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a
  • FIG. 2 shows the detailed view II according to FIG. 1.
  • the same or functionally identical elements are the same
  • Fig. 1 shows a highly simplified schematic sectional view of a
  • FIG. 2 shows the detailed view II according to FIG. 1. In the following, reference is made to FIGS. 1 and 2 at the same time.
  • the transport container 1 can also be referred to as a helium transport container.
  • the transport container 1 can also be used for other cryogenic liquids.
  • the transport container 1 comprises an outer container 2.
  • the outer container 2 is made of stainless steel, for example.
  • the outer container 2 may have a length ⁇ 2 of, for example, 10 m.
  • the outer container 2 comprises a tubular or cylindrical base portion 3 which is closed on both sides in each case by means of a cover section 4, 5, in particular by means of a first cover section 4 and a second cover section 5.
  • the base portion 3 may have a circular or approximately circular geometry in cross section.
  • the lid sections 4, 5 are curved.
  • the cover sections 4, 5 are arched in opposite directions, so that both cover sections 4, 5 are curved outwardly with respect to the base section 3.
  • the outer container 2 is fluid-tight, in particular gas-tight.
  • the outer container 2 has a symmetry or central axis Mi, to which the
  • Outer container 2 is constructed rotationally symmetrical.
  • the transport container 1 further comprises an inner container 6 for receiving the liquid helium He.
  • the inner container 6 is also made of stainless steel, for example. In the inner container 6, as long as the helium He in the
  • Two-phase region is to be provided, a gas zone 7 with vaporized helium He and a liquid zone 8 with liquid helium He.
  • the inner container 6 is fluid-tight, in particular gas-tight, and may be a blow-off valve for controlled
  • the inner container 6, like the outer container 2 comprises a tubular or cylindrical base portion 9, the front side of both sides
  • Cover portions 10, 1 in particular a first lid portion 10 and a second lid portion 1 1, is closed.
  • the base portion 9 can in
  • Cross section have a circular or approximately circular geometry.
  • the inner container 6 is, like the outer container 2, rotationally symmetrical to the central axis Mi formed. A between the inner container 6 and the
  • the transport container 1 further comprises a cooling system 13 with a coolant tank 14.
  • a cryogenic liquid such as liquid nitrogen N 2
  • the coolant reservoir 14 comprises a tubular or cylindrical base section 15, which can be constructed rotationally symmetrical to the central axis Mi.
  • the base portion 15 may have a circular or approximately circular geometry in cross section.
  • the base portion 15 is frontally closed by a cover portion 16, 17.
  • the lid sections 16, 17 can be curved. In particular, the lid portions 1 6, 17 are curved in the same direction.
  • the coolant reservoir 14 may also have a different structure.
  • a gas zone 18 with vaporized nitrogen N 2 and a liquid zone 19 may be provided with liquid nitrogen N 2 .
  • a gas zone 18 with vaporized nitrogen N 2 and a liquid zone 19 may be provided with liquid nitrogen N 2 .
  • Axial direction A of the inner container 6 is the coolant tank 14 adjacent to the
  • Inner container 6 is arranged. Between the inner container 6, in particular the lid portion 1 1 of the inner container, and the coolant container 14, in particular the lid portion 16 of the coolant container 14, a gap 20 is provided, which may be part of the space 1 2. That is, the gap 20 is also evacuated.
  • the transport container 1 furthermore comprises a thermal shield 21 assigned to the cooling system 13.
  • the thermal shield 21 is in between the
  • the thermal shield 21 is actively cooled or actively cooled by means of the liquid nitrogen N 2 .
  • Active cooling in the present case is to be understood as meaning that the liquid nitrogen N 2 for the purpose of cooling the thermal shield 21 is passed through it or passed along it.
  • the thermal shield 21 is hereby cooled to a temperature which corresponds approximately to the boiling point of the nitrogen N 2 .
  • the thermal shield 21 comprises a cylindrical or tubular base section 22, which is closed on both sides by a cover section 23, 24 which terminates this end face. Both the base portion 22 and the lid portions 23, 24 are actively cooled by means of the nitrogen N 2 .
  • the base portion 22 may in
  • the thermal shield 21 is preferably also rotationally symmetrical to the
  • a first lid portion 23 of the thermal shield 21 is between the
  • a second cover portion 24 of the thermal shield 21 is the Coolant tank 14 facing away.
  • the thermal shield 21 is self-supporting. That is, the thermal shield 21 is supported neither on the inner container 6 still on the outer container 2.
  • a support ring may be provided on the thermal shield 21, which has support rods, in particular tension rods, on the
  • Outer container 2 is suspended. Furthermore, the inner container 6 can be suspended by means of further support rods on the support ring. The heat input through the mechanical support rods is partially realized by the support ring.
  • the support ring has pockets that have the greatest possible thermal length of
  • the coolant tank 14 has passages for the mechanical support rods.
  • the thermal shield 21 is fluid-permeable. That is, a gap 25 between the inner container 6 and the thermal shield 21 is in fluid communication with the gap 12. In this way, the gaps 12, 25 can be evacuated simultaneously. In the thermal shield 21 holes, openings or the like may be provided to allow evacuation of the spaces 12, 25.
  • the thermal shield 21 is preferably of a high purity
  • the first lid portion 23 of the thermal shield 21 shields the
  • Coolant tank 14 completely against the inner container 6 from. That is, as seen from the inner container 6 to the coolant tank 14 is the
  • Coolant tank 14 is completely covered by the first lid portion 23 of the thermal shield 21.
  • the thermal shield 21 encloses the
  • Inner container 6 completely. That is, the inner container 6 is completely disposed within the thermal shield 21, the thermal shield 21, as previously mentioned, is not fluid-tight.
  • the thermal shield 21 comprises at least one, but preferably a plurality of cooling lines for the active cooling thereof.
  • the thermal shield 21 may have six cooling lines.
  • the cooling line or lines are in fluid communication with the coolant reservoir 14 so that the liquid nitrogen N 2 can flow from the coolant reservoir 14 into the cooling line or into the cooling lines.
  • the cooling system 13 may further comprise a phase separator, not shown in FIG. 1, which is adapted to gaseous nitrogen N 2 of liquid nitrogen N 2 to separate. The gaseous nitrogen N 2 can be blown out of the cooling system 13 via the phase separator.
  • the cooling pipe or the cooling pipes are provided both on the base portion 22 and on the lid portions 23, 24 of the thermal shield 21.
  • Cooling line or the cooling lines have a slope relative to a horizontal H, which is arranged perpendicular to a direction of gravity g, a slope.
  • the cooling line closes or close the cooling lines with the horizontal H an angle greater than 3 °.
  • the inner container 6 furthermore comprises an insulating element 26 which is shown in detail in FIG. 2.
  • the insulating element 26 completely encloses the inner container 6. That is, the insulating member 26 is provided both on the base portion 9 and on the lid portions 10, 1 1 of the inner container 6.
  • Isolation element 26 is provided between the inner container 6 and the thermal shield 21. That is, the insulating member 26 is disposed in the gap 25.
  • the insulating element 26 has on the outside, that is, facing the thermal shield 21, a highly reflective copper layer 27.
  • the copper layer 27 is metallic bright. That is, the copper layer 27 has none
  • the copper layer 27 can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be used to make any surface coating or oxide layer on.
  • the copper layer 27 can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can be any material that can
  • a copper foil for example, be a copper foil or a copper-coated aluminum foil.
  • the actual thermal insulation of the inner container 6 to the temperature level of the liquid nitrogen N 2 of the thermal shield 21 is performed by the copper layer 27.
  • the copper layer 27 is a smooth sheet of high-purity bare copper, the tight and without wrinkles around one between the copper layer 27 and the Inner container 6 arranged multi-layer insulation layer 28 is mounted.
  • the insulating layer 28 comprises a plurality of alternately arranged layers or layers of perforated and embossed aluminum foil 29 as a reflector and glass paper 30 as a spacer and as an insulation during vacuum breakdown between the aluminum foils 29.
  • the insulating layer 28 may be 10-ply.
  • the layers of aluminum foil 29 and glass paper 30 are gap-free on the inner container. 6
  • the insulating layer 28 may be a so-called MLI.
  • the inner container 6 and the insulating member 26 have on the outside about a boiling point of helium He corresponding temperature. During installation the insulation layer 28 is taken to ensure that the layers of aluminum foil 29 and glass paper 30 have the greatest possible mechanical pressure in order to achieve that all layers of the insulating layer 28 are as isothermal as possible.
  • the inner container 6 completely circumferential gap 31 is provided. The gap 31 is also between the insulating member 26 and the lid portions 23, 24 of the
  • the gap 31 has a gap width b 3 i.
  • the gap width b 3 i is preferably 5 to 15 mm, but preferably 10 mm.
  • the gap 31 is evacuated. In particular, the gap 31 is part of the intermediate space 25.
  • the gap 25 is filled up to the gap 31 by the insulating element 26.
  • a further multi-layer insulation layer 32 in particular also a MLI, be arranged, which completely fills the gap 12 and thus contacts the thermal shield 21 on the outside and the outer container 2 on the inside.
  • the insulating layer 32 is both between the respective base portions 3, 22 and between the
  • the insulating layer 32 also comprises alternately arranged layers or layers of aluminum foil 33 and
  • Glass fiber, or glass mesh fabric glass paper 34 which, however, deviating from the above-described insulation element 26 of the inner container 6 are fluffily introduced into the intermediate space 12. Fluffy means here that the layers of aluminum foil 33 and glass paper 34 are not pressed, so that the embossing and perforation of the aluminum foil 33, the insulating layer 32 and thus the
  • Interspace 12 can be evacuated without control.
  • the thermal shield 21 is arranged circumferentially spaced from the copper layer 27 of the insulating member 26 of the inner container 6 and does not touch them. The incidence of heat by radiation is thereby reduced to the physically possible minimum. Heat from the surfaces of the
  • Inner container 6 to the thermal shield 21 is only by radiation and
  • the thermal shield 21 Before filling the inner container 6 with the liquid helium He, the thermal shield 21 is first at least approximately or completely up to the boiling point (1, 3 bara, 79.5 K) of the liquid by means of cryogenic initially gaseous and later liquid nitrogen N 2 Nitrogen N 2 cooled. The inner container 6 is not actively cooled. Upon cooling of the thermal shield 21, the still remaining in the gap 12 vacuum residual gas is frozen on the thermal shield 21. In this way, when filling the inner container 6 with the liquid helium He, it is possible to prevent the residual vacuum gas from being frozen on the outside of the inner container 6, thus contaminating the metallically bright surface of the copper layer 27 of the insulating element 26 of the inner container 6. As soon as the thermal shield 21 and the storage container 14 are completely cooled and the coolant container 14 is filled up again, the inner container 6 is filled with the liquid helium He.
  • the transport container 1 can now be transported on a transport vehicle, such as a truck or a ship, for transporting the liquid helium He.
  • the thermal shield 21 is continuously cooled by means of the liquid nitrogen N 2 .
  • the liquid nitrogen N 2 is consumed and boils in the cooling lines of the cooling system 13. Resulting gas bubbles are supplied by the in the cooling system 13 with respect to the direction of gravity g highest arranged phase separator. With the aid of the phase separator, the gaseous nitrogen N 2 present in the cooling system 13 can be blown off, as a result of which the liquid nitrogen N 2 can flow out of the coolant tank 14.
  • the copper layer 27 Because of the gap 31, the copper layer 27 has no mechanical contact with the thermal shield 21, heat can only be transmitted from the surfaces of the inner vessel 6 to the thermal shield 21 by radiation and residual gas conduction. Since the copper layer is tightly mounted on the insulating layer 28, this has a good mechanical contact with the insulating layer 28 and the
  • Copper layer 27 also has a temperature that is close to the temperature of helium He. Since the emissivity or the emissivity of the copper layer 27 decreases with decreasing temperature, the heat transfer by radiation also decreases so that the total heat incident on the inner container 6 over the holding time of helium He can be suppressed to less than 6 W.
  • the emissivity of a body indicates how much radiation it emits in comparison to an ideal heat radiator, a black body.
  • Transport containers are significantly extended.
  • the transport container 1 has a helium hold time of at least 45 days, and the supply of liquid nitrogen N 2 is sufficient for at least 40 days.
  • the insulating member 26 has the function of an emergency insulation for the inner container 6 in the case of

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Abstract

Ein Transportbehälter (1) für Helium (He), mit einem Innenbehälter (6) zum Aufnehmen des flüssigen (He), einem Isolationselement (26), das außenseitig an dem Innenbehälter (6) vorgesehen ist, einem Kühlmittelbehälter (14) zum Aufnehmen einer kryogenen Flüssigkeit (N2), einem Außenbehälter (2), in dem der Innenbehälter (6) und der Kühlmittelbehälter (14) aufgenommen sind, und einem thermischen Schild (21), der mit Hilfe der kryogenen Flüssigkeit (N2) aktiv kühlbar ist und in dem der Innenbehälter (6) aufgenommen ist, wobei zwischen dem Isolationselement (26) und dem thermischen Schild (21) ein umlaufender Spalt (31) vorgesehen ist, und wobei das Isolationselement (26) eine dem thermischen Schild (21) zugewandte Kupferschicht (27) aufweist.

Description

Beschreibung
Transportbehälter
Die Erfindung betrifft einen Transportbehälter für Helium. Helium wird zusammen mit Erdgas gefördert. Ein Transport großer Mengen Helium ist aus ökonomischen Gründen nur in flüssiger beziehungsweise überkritischer Form, das heißt, bei einer Temperatur von etwa 4,2 bis 6 K und unter einem Druck von 1 bis 6 bar sinnvoll. Zum Transport des flüssigen beziehungsweise überkritischen Heliums werden Transportbehälter eingesetzt, die, um einen zu schnellen Druckanstieg des Heliums zu vermeiden, aufwendig thermisch isoliert werden. Derartige Transportbehälter können beispielsweise mit Hilfe von flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Hierbei wird ein mit dem flüssigen Stickstoff gekühlter thermischer Schild vorgesehen. Der thermische Schild schirmt einen Innenbehälter des Transportbehälters ab. In dem Innenbehälter ist das flüssige beziehungsweise tiefkalte Helium aufgenommen. Die Haltezeit für das flüssige beziehungsweise tiefkalte Helium beträgt bei derartigen Transportbehältern 35 bis 40 Tage, das heißt, nach dieser Zeit ist der Druck im Innenbehälter auf den
Maximalwert von 6 bar gestiegen. Der Vorrat an flüssigem Stickstoff reicht für etwa 35 Tage aus. Die thermische Dämmung des Transportbehälters besteht aus einer Hoch- Vakuum-Vielschichtisolierung.
Die EP 1 673 745 B1 beschreibt einen derartigen Transportbehälter für flüssiges Helium. Der Transportbehälter umfasst einen Innenbehälter, in dem das flüssige Helium aufgenommen ist, einen thermischen Schild, der den Innenbehälter teilweise abdeckt, einen Kühlmittelbehälter, in dem eine kryogene Flüssigkeit zum Kühlen des thermischen Schilds aufgenommen ist, und einen Außenbehälter, in dem der
Innenbehälter, der thermische Schild und der Kühlmittelbehälter angeordnet sind.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Transportbehälter zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird ein Transportbehälter für Helium vorgeschlagen. Der
Transportbehälter umfasst einen Innenbehälter zum Aufnehmen des Heliums, ein Isolationselement, das außenseitig an dem Innenbehälter vorgesehen ist, einen Kühlmittelbehälter zum Aufnehmen einer kryogenen Flüssigkeit, einen Außenbehälter, in dem der Innenbehälter und der Kühlmittelbehälter aufgenommen sind, und einen thermischen Schild, der mit Hilfe der kryogenen Flüssigkeit aktiv kühlbar ist und in dem der Innenbehälter aufgenommen ist, wobei zwischen dem Isolationselement und dem thermischen Schild ein umlaufender Spalt vorgesehen ist, und wobei das
Isolationselement eine dem thermischen Schild zugewandte Kupferschicht aufweist.
Der Innenbehälter kann auch als Heliumbehälter oder Innentank bezeichnet werden. Der Transportbehälter kann auch als Helium-Transportbehälter bezeichnet werden. Das Helium kann als flüssiges oder tiefkaltes Helium bezeichnet werden. Das Helium ist insbesondere ebenfalls eine kryogene Flüssigkeit. Der Transportbehälter ist insbesondere dazu eingerichtet, das Helium in tiefkalter oder flüssiger
beziehungsweise in überkritischer Form zu transportieren. In der Thermodynamik ist der kritische Punkt ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes, der sich durch Angleichen der Dichten von flüssiger und Gasphase kennzeichnet. Die Unterschiede zwischen beiden Aggregatzuständen hören an diesem Punkt auf zu existieren. In einem Phasendiagramm stellt der Punkt das obere Ende der Dampfdruckkurve dar. Das Helium wird in flüssiger beziehungsweise tiefkalter Form in den Innenbehälter eingefüllt. In dem Innenbehälter bilden sich dann eine Flüssigkeitszone mit flüssigem Helium und eine Gaszone mit gasförmigem Helium. Das Helium weist also nach dem Einfüllen in den Innenbehälter zwei Phasen mit unterschiedlichen Aggregatzuständen, nämlich flüssig und gasförmig, auf. Das heißt, in dem Innenbehälter befindet sich eine Phasengrenze zwischen dem flüssigen Helium und dem gasförmigen Helium. Nach einer gewissen Zeit, das heißt, wenn der Druck in dem Innenbehälter steigt, wird das sich in dem Innenbehälter befindende Helium einphasig. Die Phasengrenze existiert dann nicht mehr und das Helium ist überkritisch.
Die kryogene Flüssigkeit oder das Kryogen ist vorzugsweise flüssiger Stickstoff. Die kryogene Flüssigkeit kann alternativ beispielsweise auch flüssiger Wasserstoff oder flüssiger Sauerstoff sein. Darunter, dass der thermische Schild aktiv kühlbar oder aktiv gekühlt ist, ist zu verstehen, dass der thermische Schild von der kryogenen Flüssigkeit zumindest partiell durchströmt oder umströmt wird, um diesen zu kühlen. Insbesondere ist der thermische Schild nur in einem Betriebszustand, das heißt, dann wenn der Innenbehälter mit Helium gefüllt ist, aktiv gekühlt. Wenn die kryogene Flüssigkeit verbraucht ist, kann der thermische Schild auch ungekühlt sein. Bei dem aktiven Kühlen des thermischen Schilds kann die kryogene Flüssigkeit sieden und
verdampfen. Der thermische Schild weist hierdurch eine Temperatur auf, die annähernd oder genau dem Siedepunkt der kryogenen Flüssigkeit entspricht. Der Siedepunkt der kryogenen Flüssigkeit ist vorzugsweise höher als der Siedepunkt des flüssigen Heliums. Der thermische Schild ist insbesondere innerhalb des
Außenbehälters angeordnet.
Vorzugsweise weist der Innenbehälter und insbesondere das Isolationselement außenseitig eine Temperatur auf, die annähernd oder genau der Temperatur des Heliums entspricht. Der thermische Schild kann einen rohrförmigen Basisabschnitt und einen den Basisabschnitt stirnseitig abschließenden Deckelabschnitt aufweisen, der zwischen dem Innenbehälter und dem Kühlmittelbehälter angeordnet ist. Vorzugsweise schließt der Deckelabschnitt den Basisabschnitt dabei stirnseitig vollständig ab. Der Basisabschnitt des thermischen Schilds kann einen kreisrunden oder einen annähernd kreisrunden Querschnitt aufweisen. Der Außenbehälter, der Innenbehälter, der
Kühlmittelbehälter und der thermische Schild können rotationssymmetrisch zu einer gemeinsamen Symmetrie- oder Mittelachse aufgebaut sein. Der Innenbehälter und der Außenbehälter sind vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt. Der Innenbehälter weist vorzugsweise einen rohrförmigen Basisabschnitt auf, der beidseitig mit gewölbten Deckelabschnitten verschlossen ist. Der Innenbehälter ist fluiddicht. Der Außenbehälter weist vorzugsweise ebenfalls einen rohrförmigen Basisabschnitt auf, der stirnseitig beidseits von Deckelabschnitten verschlossen ist. Der Basisabschnitt des
Innenbehälters und/oder der Basisabschnitt des Außenbehälters können einen einen kreisrunden oder einen annähernd kreisrunden Querschnitt aufweisen.
Dadurch, dass zwischen dem Isolationselement und dem thermischen Schild der umlaufende Spalt vorgesehen ist, weist das Isolationselement keinen mechanischen Kontakt zu dem thermischen Schild auf. Hierdurch kann Wärme von den Oberflächen des Innenbehälters nur durch Strahlung und Restgasleitung auf den thermischen Schild übertragen werden. Dadurch, dass der thermische Schild vorgesehen ist, ist ferner gewährleistet, dass der Innenbehälter nur von Flächen umgeben ist, die eine dem Siedepunkt der kryogenen Flüssigkeit (Siedepunkt Stickstoff bei 1 ,3 bara: 79,5 K) entsprechende Temperatur aufweisen. Hierdurch besteht zwischen dem thermischen Schild (79,5 K) und dem Innenbehälter (Temperatur des Heliums bei 1 bara bis 6 bara: 4,2 bis 6 K) im Vergleich zur Umgebung des Außenbehälters nur eine geringe Temperaturdifferenz. Hierdurch kann die Haltezeit für das flüssige Helium im Vergleich zu bekannten Transportbehältern deutlich verlängert werden.
Der Transportbehälter weist insbesondere eine Helium-Haltezeit von mindestens 45 Tagen auf, und der Vorrat der kryogenen Flüssigkeit reicht für mindestens 40 Tage aus. Ein Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter ist bevorzugt evakuiert. Um im Falle eines Zusammenbruchs des Vakuums das in dem Innenbehälter enthaltene Helium über an diesem vorgesehene Sicherheitsventile ablassen zu können, ist der Innenbehälter mit dem Isolationselement umgeben, das auch im Nicht- Vakuum-Fall den Wärmeinfall reduziert. Hierdurch weist das
Isolationselement die Funktion einer Notisolierung für den Fall eines
Vakuumzusammenbruchs auf.
Die Kupferschicht kann eine Kupferfolie oder eine bedampfte Aluminiumfolie sein. Die Kupferschicht weist eine metallisch blanke Oberfläche auf. Das heißt, die Kupferschicht ist nicht oberflächenbeschichtet oder oxidiert. Da die Emissivität der Kupferschicht mit abnehmender Temperatur abnimmt, nimmt auch der Wärmeübergang durch Strahlung ab, so dass der Gesamtwärmeeinfall auf den Innenbehälter auf unter 6 W über die gesamte Helium-Haltezeit gedrückt werden kann.
Die Kupferschicht weist vorzugsweise eine Dicke von zumindest 5 Mikrometer, besonders bevorzugt von mindestens 10 Mikrometer, bevorzugt von weniger als 20 Mikrometer, besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 Mikrometer auf. Die Kupferschicht weist vorzugweise einen Massenanteil von Kupfer von zumindest 95% Kupfer, besonders bevorzugt von 99% Kupfer und weiter besonders bevorzugt von mindestens 99,9% Kupfer auf. Die Kupferschicht weist vorzugweise eine von
Verunreinigungen, wie beispielsweise Fetten oder Ölen, freie Oberfläche auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist der umlaufende Spalt eine Spaltbreite von 5 bis 15 Millimeter, bevorzugt von 10 Millimeter, auf.
Darunter, dass der Spalt umlaufend ist, ist zu verstehen, dass der Spalt vollständig um den Innenbehälter herumgeführt ist. Insbesondere ist der Spalt auch an den
Deckelabschnitten des Innenbehälters vorgesehen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der umlaufende Spalt evakuiert.
Hierdurch ist gewährleistet, dass Wärme von dem Innenbehälter nur durch Strahlung und Restgasleitung auf den thermischen Schild übertragen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Isolationselement eine zwischen dem Innenbehälter und der Kupferschicht angeordnete mehrlagige Isolationsschicht auf. Die Isolationsschicht kann eine sogenannte MLI (engl.: multilayer-insulation) sein. Die Kupferschicht ist vorzugsweise eine zusätzliche Lage einer glatten Kupferfolie aus hochreinem blankem Kupfer, die stramm und ohne Falten auf die LMI aufgezogen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die mehrlagige Isolationsschicht mehrere abwechselnd angeordnete Lagen aus Aluminiumfolie und Glaspapier auf.
Die Lagen aus Aluminiumfolie dienen dabei als Reflektor und als mechanische Fixierung für die Lagen aus Glaspapier, die die thermische Dämmung für den Fall des Vakuumzusammenbruchs gewährleisten. Die Aluminiumfolie kann perforiert und geprägt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Lagen aus Aluminiumfolie und Glaspapier spaltfrei auf dem Innenbehälter aufgebracht. Unter spaltfrei ist zu verstehen, dass die Lagen aus Aluminiumfolie flächig an den
Lagen aus Glaspapier anliegen. Bei dem Aufbringen der mehrlagigen Isolationsschicht auf den Innenbehälter wird dabei auf eine möglichst hohe mechanische Pressung der Lagen aus Aluminiumfolie und Glaspapier geachtet, um zu erreichen, dass alle Lagen möglichst isotherm sind. Eine isotherme Zustandsänderung ist eine thermodynamische Zustandsänderung, bei der die Temperatur unverändert bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kupferschicht eine Kupferfolie.
Insbesondere ist die Kupferschicht eine Folie aus hochreinem blankem Kupfer, die stramm und ohne Falten auf die mehrlagige Isolationsschicht aufgezogen ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Transportbehälter ferner eine zwischen dem thermischen Schild und dem Außenbehälter angeordnete mehrlagige Isolationsschicht.
Die Isolationsschicht ist vorzugsweise ebenfalls eine MLI. Die Isolationsschicht füllt vorzugsweise einen zwischen dem thermischen Schild und dem Außenbehälter vorgesehenen Zwischenraum vollständig aus, so dass die Isolationsschicht sowohl den thermischen Schild als auch den Außenbehälter kontaktiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die mehrlagige Isolationsschicht mehrere abwechselnd angeordnete Lagen aus Aluminiumfolie und Glasseide,
Glasgittergewebe oder Glaspapier auf. Die Lagen aus Glaspapier, Glasseide oder Glasgittergewebe dienen dabei als
Abstandshalter zwischen den Lagen aus Aluminiumfolie, die als Reflektor dienen. Die Aluminiumfolie ist vorzugsweise perforiert und geprägt. Hierdurch kann die zwischen dem thermischen Schild und dem Außenbehälter angeordnete Isolationsschicht störungsfrei evakuiert werden. Auch wird ein unerwünschter mechanisch-thermischer Kontakt zwischen den Aluminiumfolienlagen reduziert. Dieser Kontakt könnte den sich durch Strahlungsaustausch einstellenden Temperaturgradient der
Aluminiumfolienlagen stören.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Lagen aus Aluminiumfolie und Glasseide, Glasgittergewebe oder Glaspapier spaltbehaftet auf dem thermischen Schild aufgebracht.
Unter spaltbehaftet ist zu verstehen, dass zwischen den Lagen aus Aluminiumfolie und den Lagen aus Glasseide, Glasgittergewebe oder Glaspapier jeweils evakuierbare Zwischenräume vorgesehen sind. Vorzugsweise sind die Lagen aus Aluminiumfolie und Glasseide, Glasgittergewebe oder Glaspapier der Isolationsschicht abweichend von dem Isolationselement des Innenbehälters flauschig in den zwischen den thermischen Schild und dem Außenbehälter vorgesehenen Zwischenraum eingebracht. Flauschig heißt hierbei, dass die Lagen aus Aluminiumfolie und Glaspapier nicht gepresst sind, so dass durch die Prägung und Perforierung der Aluminiumfolie die Isolationsschicht und damit der Zwischenraum störungsfrei evakuiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Außenbehälter evakuiert.
Hierdurch ist eine sehr gute Wärmeisolierung gewährleistet, da ein Wärmeübertrag nur durch Strahlung und Restgasleitung möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umschließt der thermische Schild den
Innenbehälter vollständig.
Vorzugsweise ist der thermische Schild aus einem Aluminiumwerkstoff gefertigt.
Insbesondere ist der thermische Schild aus einem hochreinen Aluminiumwerkstoff gefertigt. Hierdurch ergeben sich besonders gute Wärmetransport- und
Wärmereflexionseigenschaften. Dadurch, dass der thermische Schild den
Innenbehälter vollständig umschließt, ist gewährleistet, dass der Innenbehälter vollständig von Flächen umgeben ist, die eine der Siedetemperatur der kryogenen Flüssigkeit entsprechende Temperatur aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der thermische Schild einen
Basisabschnitt und zwei Deckelabschnitte auf, die den Basisabschnitt beidseitig stirnseitig abschließen.
Vorzugsweise sind die beiden Deckelabschnitte gewölbt. Insbesondere sind die Deckelabschnitte so an dem Basisabschnitt vorgesehen, dass diese von dem
Basisabschnitt weg gewölbt sind. Einer der Deckelabschnitte ist vorzugsweise zwischen dem Kühlmittelbehälter und dem Innenbehälter angeordnet. Hierdurch ist auch bei einem sinkenden Flüssigkeitsstand in dem Kühlmittelbehälter gewährleistet, dass der Innenbehälter nur von Flächen umgeben ist, die eine dem Siedepunkt der kryogenen Flüssigkeit entsprechende Temperatur aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der thermische Schild fluiddurchlässig.
Das heißt, der thermische Schild ist flüssigkeits- und gasdurchlässig. Hierzu kann der thermische Schild beispielsweise Durchbrüche, Lochungen oder Bohrungen aufweisen. Aufgrund der Fluiddurchlässigkeit kann der zwischen dem Innenbehälter und dem thermischen Schild vorgesehene Zwischenraum evakuiert werden.
Weitere mögliche Implementierungen des Transportbehälters umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der
Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch einzelne Aspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Transportbehälters hinzufügen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Transportbehälters sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Transportbehälters. Im Weiteren wird der Transportbehälter anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines
Transportbehälters; und
Fig. 2 zeigt die Detailansicht II gemäß Fig. 1 . In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben
Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte schematische Schnittansicht einer
Ausführungsform eines Transportbehälters 1 für flüssiges Helium He. Die Fig. 2 zeigt die Detailansicht II gemäß der Fig. 1 . Im Folgenden wird auf die Fig. 1 und 2 gleichzeitig Bezug genommen.
Der Transportbehälter 1 kann auch als Helium-Transportbehälter bezeichnet werden. Der Transportbehälter 1 kann auch für andere kryogene Flüssigkeiten eingesetzt werden. Beispiele für kryogene Flüssigkeiten, oder kurz Kryogene, sind das zuvor erwähnte flüssige Helium He (Siedepunkt 1 bara: 4,222 K = -268,928 °C), flüssiger Wasserstoff H2 (Siedepunkt 1 bara: 20,268 K = -252,882 °C), flüssiger Stickstoff N2 (Siedepunkt 1 bara: 77,35 K = -195,80 °C) oder flüssiger Sauerstoff 02 (Siedepunkt 1 bara: 90,18 K = -182,97 °C). Der Transportbehälter 1 umfasst einen Außenbehälter 2. Der Außenbehälter 2 ist beispielsweise aus Edelstahl gefertigt. Der Außenbehälter 2 kann eine Länge \2 von beispielsweise 10 m aufweisen. Der Außenbehälter 2 umfasst einen rohr- oder zylinderförmigen Basisabschnitt 3, der stirnseitig beidseits jeweils mit Hilfe eines Deckelabschnitts 4, 5, insbesondere mit Hilfe eines ersten Deckelabschnitts 4 und eines zweiten Deckelabschnitts 5, verschlossen ist. Der Basisabschnitt 3 kann im Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen. Die Deckelabschnitte 4, 5 sind gewölbt. Die Deckelabschnitte 4, 5 sind gegensinnig gewölbt, so dass beide Deckelabschnitte 4, 5 bezüglich des Basisabschnitts 3 nach außen gewölbt sind. Der Außenbehälter 2 ist fluiddicht, insbesondere gasdicht. Der Außenbehälter 2 weist eine Symmetrie- oder Mittelachse Mi auf, zu der der
Außenbehälter 2 rotationssymmetrisch aufgebaut ist.
Der Transportbehälter 1 umfasst weiterhin einen Innenbehälter 6 zum Aufnehmen des flüssigen Heliums He. Der Innenbehälter 6 ist beispielsweise ebenfalls aus Edelstahl gefertigt. In dem Innenbehälter 6 können, solange sich das Helium He im
Zweiphasengebiet befindet, eine Gaszone 7 mit verdampftem Helium He und eine Flüssigkeitszone 8 mit flüssigem Helium He vorgesehen sein. Der Innenbehälter 6 ist fluiddicht, insbesondere gasdicht, und kann ein Abblasventil zum gesteuerten
Druckabbau umfassen. Der Innenbehälter 6 umfasst wie der Außenbehälter 2 einen rohr- oder zylinderförmigen Basisabschnitt 9, der beidseitig stirnseitig von
Deckelabschnitten 10, 1 1 , insbesondere einem ersten Deckelabschnitt 10 und einem zweiten Deckelabschnitt 1 1 , verschlossen ist. Der Basisabschnitt 9 kann im
Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen.
Der Innenbehälter 6 ist, wie der Außenbehälter 2, rotationssymmetrisch zu der Mittelachse Mi ausgebildet. Ein zwischen dem Innenbehälter 6 und dem
Außenbehälter 2 vorgesehener Zwischenraum 12 ist evakuiert. Der Transportbehälter 1 umfasst weiterhin ein Kühlsystem 13 mit einem Kühlmittelbehälter 14. In dem Kühlmittelbehälter 14 ist eine kryogene Flüssigkeit, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff N2, aufgenommen. Der Kühlmittelbehälter 14 umfasst einen rohr- oder zylinderförmigen Basisabschnitt 15, der rotationssymmetrisch zu der Mittelachse Mi aufgebaut sein kann. Der Basisabschnitt 15 kann im Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen. Der Basisabschnitt 15 ist stirnseitig jeweils durch einen Deckelabschnitt 16, 17 verschlossen. Die Deckelabschnitte 16, 17 können gewölbt sein. Insbesondere sind die Deckelabschnitte 1 6, 17 in die gleiche Richtung gewölbt. Der Kühlmittelbehälter 14 kann auch einen abweichenden Aufbau haben. In dem Kühlmittelbehälter 14 kann eine Gaszone 18 mit verdampftem Stickstoff N2 und eine Flüssigkeitszone 19 mit flüssigem Stickstoff N2 vorgesehen sein. In einer
Axialrichtung A des Innenbehälters 6 ist der Kühlmittelbehälter 14 neben dem
Innenbehälter 6 angeordnet. Zwischen dem Innenbehälter 6, insbesondere dem Deckelabschnitt 1 1 des Innenbehälters, und dem Kühlmittelbehälter 14, insbesondere dem Deckelabschnitt 16 des Kühlmittelbehälters 14, ist ein Zwischenraum 20 vorgesehen, der Teil des Zwischenraums 1 2 sein kann. Das heißt, der Zwischenraum 20 ist ebenfalls evakuiert.
Der Transportbehälter 1 umfasst weiterhin einen dem Kühlsystem 13 zugeordneten thermischen Schild 21 . Der thermische Schild 21 ist in dem zwischen dem
Innenbehälter 6 und dem Außenbehälter 2 vorgesehenen evakuierten Zwischenraum 12 angeordnet. Der thermische Schild 21 ist mit Hilfe des flüssigen Stickstoffs N2 aktiv kühlbar oder aktiv gekühlt. Unter einer aktiven Kühlung ist vorliegend zu verstehen, dass der flüssige Stickstoff N2 zur Kühlung des thermischen Schilds 21 durch diesen hindurchgeleitet oder an diesem entlang geleitet wird. Der thermische Schild 21 wird hierbei auf eine Temperatur abgekühlt, die etwa dem Siedepunkt des Stickstoffs N2 entspricht.
Der thermische Schild 21 umfasst einen zylinder- oder rohrförmigen Basisabschnitt 22, der beidseitig von einem diesen stirnseitig abschließenden Deckelabschnitt 23, 24 abgeschlossen ist. Sowohl der Basisabschnitt 22 als auch die Deckelabschnitte 23, 24 sind mit Hilfe des Stickstoffs N2 aktiv gekühlt. Der Basisabschnitt 22 kann im
Querschnitt eine kreisrunde oder annähernd kreisrunde Geometrie aufweisen. Der thermische Schild 21 ist vorzugsweise ebenfalls rotationssymmetrisch zu der
Mittelachse Mi aufgebaut.
Ein erster Deckelabschnitt 23 des thermischen Schilds 21 ist zwischen dem
Innenbehälter 6, insbesondere dem Deckelabschnitt 1 1 des Innenbehälters 6, und dem Kühlmittelbehälter 14, insbesondere dem Deckelabschnitt 16 des Kühlmittelbehälters 14, angeordnet. Ein zweiter Deckelabschnitt 24 des thermischen Schilds 21 ist dem Kühlmittelbehälter 14 abgewandt. Der thermische Schild 21 ist dabei selbsttragend. Das heißt, der thermische Schild 21 stützt sich weder auf dem Innenbehälter 6 noch auf dem Außenbehälter 2 ab. Hierzu kann an dem thermischen Schild 21 ein Tragring vorgesehen sein, der über Abstützungsstäbe, insbesondere Zugstäbe, an dem
Außenbehälter 2 abgehängt ist. Weiterhin kann der Innenbehälter 6 über weitere Abstützungsstäbe an dem Tragring abgehängt sein. Der Wärmeeinfall durch die mechanischen Abstützungsstäbe wird teilweise durch den Tragring realisiert. Der Tragring besitzt Taschen, die eine größtmögliche thermische Länge der
Abstützungsstäbe ermöglichen. Der Kühlmittelbehälter 14 besitzt Durchführungen für die mechanischen Abstützungsstäbe.
Der thermische Schild 21 ist fluiddurchlässig. Das heißt, ein Zwischenraum 25 zwischen dem Innenbehälter 6 und dem thermischen Schild 21 ist in Fluidverbindung mit dem Zwischenraum 12. Hierdurch können die Zwischenräume 12, 25 gleichzeitig evakuiert werden. In dem thermischen Schild 21 können Bohrungen, Durchbrüche oder dergleichen vorgesehen sein, um ein Evakuieren der Zwischenräume 12, 25 zu ermöglichen. Der thermische Schild 21 ist vorzugsweise aus einem hochreinen
Aluminiumwerkstoff gefertigt. Der erste Deckelabschnitt 23 des thermischen Schilds 21 schirmt den
Kühlmittelbehälter 14 vollständig gegenüber dem Innenbehälter 6 ab. Das heißt, mit Blickrichtung von dem Innenbehälter 6 auf den Kühlmittelbehälter 14 ist der
Kühlmittelbehälter 14 vollständig von dem ersten Deckelabschnitt 23 des thermischen Schilds 21 abgedeckt. Insbesondere umschließt der thermische Schild 21 den
Innenbehälter 6 vollständig. Das heißt, der Innenbehälter 6 ist vollständig innerhalb des thermischen Schilds 21 angeordnet, wobei der thermische Schild 21 , wie zuvor schon erwähnt, nicht fluiddicht ist.
Der thermische Schild 21 umfasst zum aktiven Kühlen desselben zumindest eine, bevorzugt jedoch mehrere Kühlleitungen. Beispielsweise kann der thermische Schild 21 sechs Kühlleitungen aufweisen. Die Kühlleitung oder die Kühlleitungen sind in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelbehälter 14, so dass der flüssige Stickstoff N2 von dem Kühlmittelbehälter 14 in die Kühlleitung oder in die Kühlleitungen strömen kann. Das Kühlsystem 13 kann weiterhin einen in der Fig. 1 nicht gezeigten Phasenseparator umfassen, der dazu eingerichtet ist, gasförmigen Stickstoff N2 von flüssigem Stickstoff N2 zu trennen. Über den Phasenseparator kann der gasförmige Stickstoff N2 aus dem Kühlsystem 13 abgeblasen werden.
Die Kühlleitung oder die Kühlleitungen sind sowohl an dem Basisabschnitt 22 als auch an den Deckelabschnitten 23, 24 des thermischen Schilds 21 vorgesehen. Die
Kühlleitung oder die Kühlleitungen weisen gegenüber einer Horizontalen H, die senkrecht zu einer Schwerkraftrichtung g angeordnet ist, eine Steigung auf.
Insbesondere schließt die Kühlleitung oder schließen die Kühlleitungen mit der Horizontalen H einen Winkel von größer als 3° ein.
Der Innenbehälter 6 umfasst weiterhin ein in der Fig. 2 ausschnittsweise gezeigtes Isolationselement 26. Das Isolationselement 26 umschließt den Innenbehälter 6 vollständig. Das heißt, das Isolationselement 26 ist sowohl an dem Basisabschnitt 9 als auch an den Deckelabschnitten 10, 1 1 des Innenbehälters 6 vorgesehen. Das
Isolationselement 26 ist zwischen dem Innenbehälter 6 und dem thermischen Schild 21 vorgesehen. Das heißt, das Isolationselement 26 ist in dem Zwischenraum 25 angeordnet. Das Isolationselement 26 weist außenseitig, das heißt, dem thermischen Schild 21 zugewandt, eine hochreflektierende Kupferschicht 27 auf. Die Kupferschicht 27 ist metallisch blank. Das heißt, die Kupferschicht 27 weist keine
Oberflächenbeschichtung oder Oxidschicht auf. Die Kupferschicht 27 kann
beispielsweise eine Kupferfolie oder eine mit Kupfer bedampfte Aluminiumfolie sein.
Die eigentliche thermische Dämmung des Innenbehälters 6 zum Temperaturniveau des flüssigen Stickstoffs N2 des thermischen Schilds 21 erfolgt durch die Kupferschicht 27. Vorzugsweise ist die Kupferschicht 27 eine glatte Folie aus hochreinem blanken Kupfer, die stramm und ohne Falten um eine zwischen der Kupferschicht 27 und dem Innenbehälter 6 angeordnete mehrlagige Isolationsschicht 28 aufgezogen ist. Die Isolationsschicht 28 umfasst mehrere abwechselnd angeordnete Schichten oder Lagen aus perforierter und geprägter Aluminiumfolie 29 als Reflektor und Glaspapier 30 als Abstandshalter und als Dämmung beim Vakuumzusammenbruch zwischen den Aluminiumfolien 29. Die Isolationsschicht 28 kann 10-lagig sein. Die Lagen aus Aluminiumfolie 29 und Glaspapier 30 sind spaltfrei auf dem Innenbehälter 6
aufgebracht, das heißt, gepresst. Die Isolationsschicht 28 kann eine sogenannte MLI sein. Der Innenbehälter 6 und auch das Isolationselement 26 weisen außenseitig etwa eine dem Siedepunkt des Heliums He entsprechende Temperatur auf. Bei der Montage der Isolationsschicht 28 wird darauf geachtet, dass die Lagen aus Aluminiumfolie 29 und Glaspapier 30 eine möglichst große mechanische Pressung haben, um zu erreichen, dass alle Lagen der Isolationsschicht 28 möglichst isotherm sind. Zwischen dem Isolationselement 26 und dem thermischen Schild 21 ist ein den Innenbehälter 6 vollständig umlaufender Spalt 31 vorgesehen. Der Spalt 31 ist auch zwischen dem Isolationselement 26 und den Deckelabschnitten 23, 24 des
thermischen Schilds 21 vorgesehen. Der Spalt 31 weist eine Spaltbreite b3i auf. Die Spaltbreite b3i beträgt vorzugsweise 5 bis 15 mm, bevorzugt jedoch 10 mm. Der Spalt 31 ist evakuiert. Insbesondere ist der Spalt 31 Teil des Zwischenraums 25. Der Zwischenraum 25 ist dabei bis auf den Spalt 31 von dem Isolationselement 26 aufgefüllt.
Zwischen dem thermischen Schild 21 und dem Außenbehälter 2 kann eine weitere mehrlagige Isolationsschicht 32, insbesondere ebenfalls eine MLI, angeordnet sein, die den Zwischenraum 12 völlig ausfüllt und somit den thermischen Schild 21 außenseitig und den Außenbehälter 2 innenseitig kontaktiert. Die Isolationsschicht 32 ist sowohl zwischen den jeweiligen Basisabschnitten 3, 22 als auch zwischen dem
Deckelabschnitt 24 des thermischen Schilds 21 und dem Deckelabschnitt 4 des Außenbehälters 2 sowie zwischen dem Deckelabschnitt 23 des thermischen Schilds 21 und dem Kühlmittelbehälter 14 vorgesehen. Die Isolationsschicht 32 umfasst ebenfalls abwechselnd angeordnete Schichten oder Lagen aus Aluminiumfolie 33 und
Glasseide, oder Glasgittergewebe Glaspapier 34, die allerdings hierbei abweichend von dem zuvor beschriebenen Isolationselement 26 des Innenbehälters 6 flauschig in den Zwischenraum 12 eingebracht sind. Flauschig heißt hierbei, dass die Lagen aus Aluminiumfolie 33 und Glaspapier 34 nicht gepresst sind, so dass durch die Prägung und Perforierung der Aluminiumfolie 33 die Isolationsschicht 32 und damit der
Zwischenraum 12 steuerungsfrei evakuiert werden kann. Mit Hilfe des Spalts 31 ist der thermische Schild 21 umlaufend beabstandet von der Kupferschicht 27 des Isolationselements 26 des Innenbehälters 6 angeordnet und berührt diese nicht. Der Wärmeeinfall durch Strahlung wird dadurch auf das physikalisch mögliche Minimum reduziert. Wärme von den Oberflächen des
Innenbehälters 6 zu dem thermischen Schild 21 wird nur durch Strahlung und
Restgasleitung übertragen. Die Funktionsweise des Transportbehälters 1 wird im Folgenden erläutert. Vor dem Befüllen des Innenbehälters 6 mit dem flüssigen Helium He wird zunächst der thermische Schild 21 mit Hilfe von tiefkaltem anfangs gasförmigen und später flüssigen Stickstoffs N2 zumindest annähernd oder ganz bis auf den Siedepunkt (1 ,3 bara, 79,5 K) des flüssigen Stickstoffs N2 abgekühlt. Der Innenbehälter 6 wird dabei noch nicht aktiv gekühlt. Bei dem Abkühlen des thermischen Schilds 21 wird das sich noch in dem Zwischenraum 12 befindliche Vakuum-Restgas an dem thermischen Schild 21 ausgefroren. Hierdurch kann bei einem Befüllen des Innenbehälters 6 mit dem flüssigen Helium He verhindert werden, dass das Vakuum-Restgas außenseitig auf dem Innenbehälter 6 ausgefroren wird und somit die metallisch blanke Oberfläche der Kupferschicht 27 des Isolationselements 26 des Innenbehälters 6 verunreinigt. Sobald der thermische Schild 21 und der Speicherbehälter 14 vollständig abgekühlt sind und der Kühlmittelbehälter 14 wieder aufgefüllt ist, wird der Innenbehälter 6 mit dem flüssigen Helium He befüllt.
Der Transportbehälter 1 kann zum Transportieren des flüssigen Heliums He nun auf ein Transportfahrzeug, wie beispielsweise einen Lastkraftwagen oder ein Schiff, verbracht werden. Hierbei wird der thermische Schild 21 kontinuierlich mit Hilfe des flüssigen Stickstoffs N2 gekühlt. Der flüssige Stickstoff N2 wird dabei verbraucht und siedet in den Kühlleitungen des Kühlsystems 13. Dabei entstehende Gasblasen werden durch den in dem Kühlsystem 13 bezüglich der Schwerkraftrichtung g am höchsten angeordneten Phasenseparator zugeführt. Mit Hilfe des Phasenseparators kann der sich in dem Kühlsystem 13 befindliche gasförmige Stickstoff N2 abgeblasen werden, wodurch der flüssige Stickstoff N2 aus dem Kühlmittelbehälter 14 nachströmen kann.
Da wegen des Spalts 31 die Kupferschicht 27 keinen mechanischen Kontakt zu dem thermischen Schild 21 hat, kann Wärme nur durch Strahlung und Restgasleitung von den Oberflächen des Innenbehälters 6 auf den thermischen Schild 21 übertragen werden. Da die Kupferschicht stramm auf die Isolationsschicht 28 aufgezogen ist, hat diese einen guten mechanischen Kontakt mit der Isolationsschicht 28 und die
Kupferschicht 27 hat ebenfalls eine Temperatur, die nahe der Temperatur des Heliums He liegt. Da der Emissionsgrad oder die Emissivität der Kupferschicht 27 mit abnehmender Temperatur abnimmt, nimmt auch der Wärmeübergang durch Strahlung ab, so dass der Gesamtwärmeeinfall auf den Innenbehälter 6 über die Haltezeit des Heliums He auf unter 6 W gedrückt werden kann. Der Emissionsgrad eines Körpers gibt an, wie viel Strahlung er im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, einem schwarzen Körper, abgibt.
Dadurch, dass der Innenbehälter 6 von dem thermischen Schild 21 vollständig umgeben ist, ist gewährleistet, dass der Innenbehälter 6 nur von Flächen umgeben ist, die eine dem Siedepunkt (1 ,3 bara, 78,5 K) von Stickstoff N2 entsprechende
Temperatur aufweisen. Hierdurch besteht zwischen dem thermischen Schild 21 (78,5 K) und dem Innenbehälter (4,2 - 6 K) nur eine geringe Temperaturdifferenz. Hierdurch kann die Haltezeit für das flüssige Helium He im Vergleich zu bekannten
Transportbehältern deutlich verlängert werden. Der Transportbehälter 1 weist insbesondere eine Helium-Haltezeit von mindestens 45 Tagen auf, und der Vorrat an flüssigem Stickstoff N2 reicht für mindestens 40 Tage aus. Das Isolationselement 26 hat die Funktion einer Notisolierung für den Innenbehälter 6 für den Fall eines
Vakuumzusammenbruchs.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
Verwendete Bezuqszeichen
1 Transportbehälter
2 Außenbehälter
3 Basisabschnitt
4 Deckelabschnitt
5 Deckelabschnitt
6 Innenbehälter
7 Gaszone
8 Flüssigkeitszone
9 Basisabschnitt
10 Deckelabschnitt
1 1 Deckelabschnitt
12 Zwischenraum
13 Kühlsystem
14 Kühlmittelbehälter
15 Basisabschnitt
16 Deckelabschnitt
17 Deckelabschnitt
18 Gaszone
19 Flüssigkeitszone
20 Zwischenraum
21 Schild
22 Basisabschnitt
23 Deckelabschnitt
24 Deckelabschnitt
25 Zwischenraum
26 Isolationselement
27 Kupferschicht
28 Isolationsschicht
29 Aluminiumfolie
30 Glaspapier
31 Spalt
32 Isolationsschicht
33 Aluminiumfolie 34 Glaspapier
A Axialrichtung b3i Spaltbreite g Schwerkraftrichtung
H Horizontale
He Helium
H2 Wasserstoff l2 Länge
Mi Mittelachse
N2 Stickstoff
02 Sauerstoff

Claims

Patentansprüche
1 . Transportbehälter (1 ) für Helium (He), mit einem Innenbehälter (6) zum
Aufnehmen des Heliums (He), einem Isolationselement (26), das außenseitig an dem Innenbehälter (6) vorgesehen ist, einem Kühlmittelbehälter (14) zum
Aufnehmen einer kryogenen Flüssigkeit (N2), einem Außenbehälter (2), in dem der
Innenbehälter (6) und der Kühlmittelbehälter (14) aufgenommen sind, und einem thermischen Schild (21 ), der mit Hilfe der kryogenen Flüssigkeit (N2) aktiv kühlbar ist und in dem der Innenbehälter (6) aufgenommen ist, wobei zwischen dem Isolationselement (26) und dem thermischen Schild (21 ) ein umlaufender Spalt (31 ) vorgesehen ist, und wobei das Isolationselement (26) eine dem thermischen
Schild (21 ) zugewandte Kupferschicht (27) aufweist.
2. Transportbehälter nach Anspruch 1 , wobei der umlaufende Spalt (31 ) eine
Spaltbreite (b3i) von 5 bis 15 Millimeter, bevorzugt von 10 Millimeter, aufweist.
3. Transportbehälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der umlaufende Spalt (31 )
evakuiert ist.
4. Transportbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei das Isolationselement (26) eine zwischen dem Innenbehälter (6) und der Kupferschicht (27) angeordnete mehrlagige Isolationsschicht (28) aufweist.
5. Transportbehälter nach Anspruch 4, wobei die mehrlagige Isolationsschicht (28) mehrere abwechselnd angeordnete Lagen aus Aluminiumfolie (29) und Glaspapier (30) aufweist.
6. Transportbehälter nach Anspruch 5, wobei die Lagen aus Aluminiumfolie (29) und Glaspapier (30) spaltfrei auf dem Innenbehälter (6) aufgebracht sind.
7. Transportbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei die Kupferschicht (27) eine Kupferfolie ist.
8. Transportbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 7, ferner umfassend eine zwischen dem thermischen Schild (21 ) und dem Außenbehälter (2) angeordnete mehrlagige Isolationsschicht (32).
9. Transportbehälter nach Anspruch 8, wobei die mehrlagige Isolationsschicht (32) mehrere abwechselnd angeordnete Lagen aus Aluminiumfolie (33) und Glasseide, Glasgittergewebe oder Glaspapier (34) aufweist.
10. Transportbehälter nach Anspruch 9, wobei die Lagen aus Aluminiumfolie (33) und Glasseide, Glasgittergewebe oder Glaspapier (34) spaltbehaftet auf dem thermischen Schild (21 ) aufgebracht sind.
1 1 . Transportbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 10, wobei der Außenbehälter (2) evakuiert ist.
12. Transportbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 1 1 , wobei der thermische Schild (21 ) den Innenbehälter (6) vollständig umschließt.
13. Transportbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 12, wobei der thermische Schild (21 ) einen Basisabschnitt (22) und zwei Deckelabschnitte (23, 24) aufweist, die den Basisabschnitt (22) beidseitig stirnseitig abschließen.
14. Transportbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 13, wobei der thermische Schild (21 ) fluiddurchlässig ist.
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