DE1245998B - Einrichtung zum Verflüssigen von Gasen wie Helium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F 25 j

Deutsche Kl.: 17 g-1·

Nummer: 1245 998

Aktenzeichen: L 487371 a/17 g

Anmeldetag: 7. September 1964

Auslegetag: 3. August 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Verflüssigen von Gasen wie Helium, bei der Hochdruckgas in einem innerhalb eines Isolierbehälters angeordneten Joule-Thomson-Wärmeaustauscher mittels unter niedrigerem Druck stehenden Gas abgekühlt und zum Entspannen in einem Sammelbehälter und mindestens teilweiser Verflüssigung einem Joule-Thomson-Expansionsventil zugeführt wird.

Es sind bereits Einrichtungen dieser Art, sogenannte Cryostaten, bekannt, die innerhalb eines Isolierbehälters einen Hauptwärmeaustauscher, eine oder mehrere Expansionsmaschinen, einen Joule-Thomson-Wärmeaustauscher sowie ein in einen Sammelbehälter mündendes Joule-Thomson-Expansionsventil umfassen. In dem Joule-Thomson-Wärmeaustauscher wird dabei vorgekühltes Hochdruckgas durch berührungsfreien Wärmeaustausch mit unter niedrigerem Druck stehenden Gas, das bei der Entspannung des Hochdruckgases im Sammelbehälter gasförmig geblieben ist, weiter abgekühlt. Durch das Expansionsventil wird dann dieses weiterhin abgekühlte Hochdruckgas entspannt und mindestens teilweise verflüssigt. Das Flüssiggas wird dann innerhalb des im Isolierbehälter untergebrachten Sammelbehälters gesammelt. Cryostaten dieser Bauart werden in großem Umfang sowohl bei Versuchsarbeiten als auch zur Herstellung größerer Mengen verflüssigten Heliums verwendet.

Wenn größere Mengen von verflüssigtem Helium bereitgestellt werden sollen, ist es bei diesen bekannten Einrichtungen erforderlich, das sich im Sammelbehälter innerhalb des Isolierbehälters ansammelnde flüssige Helium wiederholt abzuziehen und in einen bereitgestellten größeren Sammelbehälter überzuführen, da das Fassungsvermögen des innerhalb des Isolierbehälters angeordneten Sammelbehälters begrenzt ist und normalerweise etwa nur 15 Liter beträgt. Dies bedeutet, daß die Einrichtung und der Umfüllvorgang ständig überwacht werden müssen. Ferner muß die zum Abziehen des flüssigen Heliums dienende Leitung periodisch jeweils wieder gekühlt werden, was stets zu Verlusten durch Verdampfen eines Teils des verflüssigten Heliums führt. Dieses bekannte Umfüllverfahren zum Erzeugen und Speichern von größeren Mengen Heliums, beispielsweise in Sammelbehältern von 200 1 Inhalt oder mehr, ist deshalb nicht nur sehr umständlich und zeitraubend, sondern auch wegen der auftretenden thermodynamischen Verluste sehr kostspielig.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung dieser Art so zu verbessern und abzuwandeln, daß die Gase kontinuierlich unmittelbar innerEinrichtung zum Verflüssigen
von Gasen wie Helium

Anmelder:

Arthur D. Little, Inc.,

Cambridge, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls
und Dipl.-Chem. Dr. E. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:
Arthur Holder Post jun., Belmont, Mass.;
Milton Harold Streeter, Sudbury, Mass.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. September 1963
(307 073)

halb des beliebig groß gewählten Sammelbehälters verflüssigt werden können, so daß das verflüssigte Gas nicht mehr periodisch aus den eigentlichen Cryostaten abgezogen und in den Sammelbehälter überführt zu werden braucht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgehend von einer bekannten Einrichtung der oben bezeichneten Art dadurch gelöst, daß der Endabschnitt des Joule-Thomson-Wärmeaustauschers als außerhalb des Isolierbehälters verlaufende wärmeisolierte Verbindungsleitung ausgebildet ist, an deren Abgabeende das in einem gesonderten Sammelbehälter einbringbare Expansionsventil angebracht ist, und welche einen mit der Hochdruckseite des Joule-Thomson-Wärmeaustauschers verbundenen Innenkanal sowie einen mit diesem Innenkanal in berührungsfreiem Wärmeaustausch stehenden und das Sammelbehälterinnere mit dem Isolierbehälterinneren verbindenden äußeren Ringkanal umfaßt. Vorzugsweise ist dabei die Verbindungsleitung durch einen evakuiertenRingraum sowie eine Strahlungsabschirmung wärmeisoliert. Zusätzlich kann die Verbindungsleitung auch noch mindestens teilweise durch eine am Leitungsaußenmantel angebrachte Kühleinrichtung gekühlt werden. Um

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eine einfache Einstellung des Expansionsventils zu ermöglichen, hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, das Abgabeende der Verbindungsleitung von einer durch den Kolben des Expansionsventils abgeschlossenen Hülse zu umschließen, durch deren Drehung das Expansionsventil einstellbar ist. Um dabei stehende Wellen zu unterbinden, kann die Hülse auch noch mit Einschnürungen versehen sein. Schließlich kann dem Expansionsventil noch ein Diffusor zugeordnet werden, um-die Trennung zwischen dem Flüssiggas und den weiterhin gasförmigen Bestandteilen zu erleichtern.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann die Verflüssigung eines Gases unmittelbar innerhalb eines beliebig groß gewählten Sammelbehälters erfolgen, in dem das flüssige Gas gelagert werden soll. Es kann dabei auf eine ununterbrochene Überwachung durch eine Bedienungsperson verzichtet werden, und die Verflüssigung von Gasen wie Helium kann damit in großem Maßstab einfach und billig durchgeführt werden. Auch die thermodynamischen Verluste sind bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kleiner als bei den bekannten Einrichtungen, bei denen das verflüssigte Gas periodisch aus der Verflüssigungseinrichtung in einen gesonderten größeren Sammelbehälter überführt werden muß. _:

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1. zeigt in einer Seitenansicht in teilweise weggebrochener Darstellung einen erfindungsgemäßen Cryostaten in Verbindung mit einem gesonderten Dewarschen Sammelbehälter;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch einen Teil des Inneren eines Cryostaten und zeigt die Verbindung zwischen dem Joule-Thomson-Wärmeaustauscher und dem flexiblen Teil der Entnahmeleitung, innerhalb des Cryostaten;

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt Einzelheiten der Kupplung, mittels deren die flexible Entnahmeleitung innerhalb des Cryostaten mit einem ersten starren innenliegenden Abschnitt verbunden ist;

F i g. 4 ist ein vergrößerter Querschnitt längs der Linie'4-4 in Fig. 3; ·

Fig. 5 zeigt im Längsschnitt eine Abwandlung der Ausbildungsform nach Fig. 2 einschließlich eines innenliegenden Joule-Thomson-Ventils und eines diesem Ventil zugeordneten Diffusors;

Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch den außenliegenden Teil der Entnahmeleitung und zeigt die Verbindung zwischen dieser Leitung und dem innenliegenden ersten starren Abschnitt;

F i g. 7 ist ein vergrößerter Querschnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6;

Fig. 8 ist eine Seitenansicht eines Druckreglers und zeigt die Kupplungsvorrichtungen zum Verbinden des außenliegenden Abschnitts mit dem innenliegenden zweiten starren Abschnitt;

Fig. 9 zeigt im Längsschnitt und in größerem Maßstab einen Teil der Anordnung nach Fig. 8;

Fig. 10 ist ein Längsschnitt durch das Ende des zweiten starren innenliegenden Abschnitts und läßt das Joule-Thomson-Ventil erkennen;

Fig. 11 zeigt im Längsschnitt eine abgeänderte Ausbildungsform eines Teils der Anordnung nach Fig. 10.

In Fig. 1 erkennt man die Beziehung zwischen dem Cryostaten zum Abkühlen eines unter hohem Druck stehenden Gases, z. B. von Helium, der Entnahmeleitung und dem Sammelbehälter, in dem das abgekühlte, unter hohem Druck stehende Gas mindestens teilweise verflüssigt wird. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird die Entnahmeleitung nach der Erfindung in vier Abschnitte unterteilt; hierbei handelt es sich um den innenliegenden flexiblen Abschnitt 23, der in dem Verflüssigungsbehälter 28 des Cryostaten 20 angeordnet ist, einen ersten innenliegenden starren Abschnitt 24, der während des Betriebs im wesentlichen vollständig von dem Cryostaten umschlossen ist, ferner den außenliegenden starren Abschnitt 25 sowie den zweiten innenliegenden starren Abschnitt 26, an dessen Ende ein Joule-Thomson-Ventil angeschlossen ist, und der sich während des Betriebs im wesentlichen vollständig innerhalb des Sammelbehälters 22 befindet, in dem die Verflüssigung des Gases erfolgt. Den erwähnten Lei^ tungsabschnitten sind geeignete Kupplungs-, Regel- und Isoliermittel zugeordnet, die im folgenden beschrieben werden. Der flexible Abschnitt 23 ermöglicht es, die übrigen Abschnitte der Entnahmeleitung zu heben und zu senken; in Fig. 1 ist die höchste Stellung der Leitung mit gestrichelten Linien angedeutet, während die untere bzw, die Verflüssigungsstellung mit Volumen wiedergegeben ist. Die Flexibilität des Leitungsabschnitts 23 ermöglicht es somit, die Entnahmeleitung so zu heben und zu senken, daß man sie aus einem Sammelbehälter herausziehen oder sie in den Behälter einführen kann, ohne daß der Sammelbehälter gehoben zu werden braucht. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Abmessungen des Sammelbehälters so groß sind, daß es Schwierigkeiten machen würde, den Behälter anzuheben. Ferner ermöglicht es der innenliegende flexible Leitungsabschnitt, die gesamte Entnahmeleitung um 180° zu schwenken, so daß man den Sammelbehälter 22 gegenüber dem Cryostaten 20 an verschiedenen Punkten anordnen kann.

In der folgenden Beschreibung ist angenommen, daß Helium verflüssigt werden soll. Es sei jedoch bemerkt, daß die erfindungsgemäße Einrichtung ebensogut zur Verflüssigung anderer zur Kälteerzeugung dienender Gase wie Wasserstoff usw. geeignet ist.

Fig. 2 bis 4 zeigen, auf welche Weise der innenhegende flexible Abschnitt der erfindungsgemäßen Entnahmeleitung mit dem Wärmeaustauschsystem innerhalb des Cryostaten sowie mit dem ersten starren innenliegenden Abschnitt 24 verbunden ist. Innerhalb des Behälters 28, der im unteren Teil des Cryostaten angeordnet und gut isoliert ist, ist ein insgesamt mit 30 bezeichneter Joule-Thomson-Wärmeaustauscher vorgesehen, der von Unterstützungen 32 und 33 getragen wird. Da die übrigen Teile des Wärmeaustauschsystems, nämlich die Expansionsmaschinen, die Holzkohlefallen und weitere zugehörige Mittel nicht einen Bestandteil der Erfindung bilden, sind diese Teile hier nicht dargestellt.

Der Joule-Thomson-Wärmeaustauscher 30 umfaßt eine Rohrschlange 35, deren Windungen in den erforderlichen Abständen voneinander gehalten werden und zu diesem Zweck mit Abstandsmitteln 36 versehen sind. Bei dem Material der Rohrschlange handelt es sich um Wärmeaustauschermaterial bekannter Art,d.h.,derRingkanal38 dient dazu, ein kaltes, unter hohem Druck stehendes Gas einer Expansionseinrichtung zuzuführen, während durch den zentralen Kanal 37 ein unter niedrigem Druck stehendes kaltes

Gas geleitet wird,, das sich im Gegenstrom zu dem unter hohem Druck stehenden Gas bewegt, so daß ein berührungsfreier Wärmeaustausch erfolgt und das unter hohem Druck stehende Gas weiter abgekühlt wird. Das unter hohem Druck stehende Gas, das dem unteren Ende des hier nicht gezeigten Hauptwärnieaustauscher entnommen und dem Joule-Thomson-Wärmeaustauscher 30 zugeführt wird, wurde bereits vorher abgekühlt.

Gemäß F i g. 2 sind zwei Glaswollefilter 40 und 41 vorgesehen, die dazu dienen, alle restlichen HoIzkohleteilchen zurückzuhalten, die oberhalb der in F i g. 2 gezeigten Einrichtung aus den Holzkohlefallen in den Gasstrom, gelangt sein könnten. Nach dem Durchströmen des Glaswollefilters 41 wird das unter hohem Druck stehende kalte Gas durch eine Leitung 42 dem innenliegenden flexiblen Leitungsabschnitt 23 zugeführt, der in dem Behälter 28 angeordnet ist. Dieser Teil der Entnahmeleitung ist mit Hilfe eines Rohrabschnitts 44 mit einem gewellten Rohr 46 aus 2c nichtrostendem Stahl verbunden, das seinerseits von einer Hülle 47 aus geklöppeltem Draht umschlossen ist, um die Festigkeit dieses Leitungeabschnitts zu erhöhen und den Abschnitt zu schützen. Das gewellte Rohr 46 ist genügend flexibel, so daß es innerhalb des Behälters 28 bewegt werden kann und es möglich ist, die Entnahmeleitung gemäß F i g. 1 in ihre mit gestrichelten Linien angedeutete obere Stellung zu bringen. Bei den ia Frage kommenden Temperaturen zeigt nichtrostender Stahl keine Sprödigkeit und ist daher als Material für diesen flexiblen Leitungsabschnitt geeignet. An seinem anderen Ende ist der flexible Abschnitt 23 mit dem ersten starren innenliegenden Abschnitt 24 der Leitung durch eine geeignete Kupplung 48 verbunden, deren Einzelheiten aus F i g. 3 ersichtlich sind. Es ist eine Schutzhülle oder Führung 50 vorgesehen, die sich nach oben durch den Cryostaten erstreckt, so daß der Rohrabschnitt 24 durch das Packungsmaterial hindurch bewegt werden kann, das sich im wesentlichen durch den ganzen Cryostaten erstreckt.

Die Kupplung, die den flexiblen Abschnitt 23 mit dem ersten innenliegenden Abschnitt 24, der innerhalb des Cryostaten nach oben und unten bewegbar ist, verbindet, ist in F i g. 3 dargestellt. Es ist nicht nur erforderlich, lediglich eine Verbindung zwischen diesen beiden Leitungsabschnitten vorzusehen, sondern diese Verbindung muß so ausgebildet werden, daß eine ausreichende Abstützung der dünnen Hochdruckleitung gegeben ist, deren Durchmesser z. B. etwa 3,2 mm beträgt, und außerdem muß man Mittel vorsehen, um das kalte, unter niedrigem Druck stehende zurückströmende Gas in das Cryostatsystem einzuleiten; weiterhin muß ein noch zu beschreibender Vakuumraum vorgesehen sein, der einen Bestandteil des Isoliersystems für die gesamte Entnahmeleitung bildet.

Die Entnahmeleitung muß es ermöglichen, das kalte, unter hohem Druck stehende Gas dem Joule-Thomson-Ventil am Ende der Leitung zuzuführen und denjenigen Teil des kalten, unter niedrigem Druck stehenden Gases zu dem Cryostaten zurückzuleiten, der nicht verflüssigt worden ist. Das zurückströmende, unter niedrigem Druck stehende Gas dient dazu, das unter hohem Druck stehende Gas vor dessen Entspannung weiter abzukühlen. Dies bedeutet, daß die Entnahmeleitung die Funktion eines berührungsfreien Wärmeaustauschers übernehmen-können muß. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, ein wirksames Isoliersystem vorzusehen.

Der Abschnitt 45 des flexiblen Leitungsteils, der mit dem ersten innenliegenden Leitungsabschnitt verbunden ist, begrenzt einen Kanal 52, der gemäß Fig. 3 das unter hohem Druck stehende Gas einem Kanal 53 zuführt, der sich über die ganze Länge der Entnahmeleitung erstreckt. Der Kanal S3 wird durch eine Rohrleitung 54 abgegrenzt, die in einem Abstand von einer zweiten damit konzentrischen Rohrleitung 56 umgeben ist. Zwischen den Rohren 56 und 54 ist gemäß Fig. 4 ein Ringraum 57 vorhanden, über den das unter niedrigem Druck stehende Gas zu dem Cryostaten zurückgeleitet wird, wie es in den Zeichnungen durch Pfeile angedeutet ist. Die Rohre 54 und 56 sind von einem zweiten damit konzentrischen Rohr 60 umschlossen, das die Außenwand des ersten innenliegenden Abschnitts 24 der Entnahmeleitung bildet. Die Rohre 56 und 60 begrenzen einen Ringraum 61, der evakuiert ist, um als Isolierung zu wirken. Das Verfahren zum Evakuieren des Ringraums 61 wird weiter unten an Hand yon F i g. 6 beschrieben. Der Rohrabschnitt 24 und der Abschnitt 45 des flexiblen Teils 23 sind durch ein Organ 63 miteinander verbunden, das an seinem unteren Ende einen rohrförmigen Fortsatz 64 trägt, der in das obere Ende des Rohrabschnitts 45 paßt und diesem gegenüber abgedichtet ist. Am anderen Ende ist das Verbindungsstück 63 mit einer Schulter 65 versehen., und dieses Ende paßt in ein Bauteil 66, das bei 67.mit dem unteren Ende der äußeren rohrförmigen Wand 60 verschweißt ist, um eine Verbindung zu dem Rohrabschnitt 24 herzustellen.

Das Verbindungsstück 63 weist mehrere Öffnungen 69 auf, die es dem durch den Ringraum 57 zurückströmenden, unter niedrigem Druck stehenden Gas ermöglichen, aus dem Raum 70 zu dem Heliumbehälter 28 zu strömen. Aus dem Behälter 28 wird das zurückströmende, unter niedrigem Druck stehende Gas zu einem RücHaufanschlüß 71 geleitet, um so erneut den Joule-Thomson-Wärmeaustauscher zu passieren, damit ein Wärmeaustausch mit dem zugeführten, zu verflüssigenden,: unter hohem Druck stehenden Gas stattfindet. . .

Wenn man die erfindungsgemäße Entnahmeleitung benutzt, um Gase direkt im Sammelbehälter zu verflüssigen, zeigt es sich, daß_; sich in dem Sammelbehälter ein geringer Druck aufbaut, und daß dann, wenn dieser Druck im Gleichgewicht gehalten wird, ein gewisser Teil des Flüssigkeitsvolumens verlorengeht. Dieser Aufbau eines Drucks ist offenbar auf einen geringen Druckabfall in dem unter niedrigem Druck stehenden Rückleitungsteil der Entnahmeleitung sowie auf eine Erhöhung des Druckabfalls in dem Joule-Thomson-Wärmeaustauscher zurückzuführen, denn das unter niedrigem Druck stehende Gas tritt in diesen Wärmeaustauscher mit einer Temperatur ein, die etwas höher ist, als es normalerweise der Fall sein würde, wenn die Verflüssigung im Cryostaten selbst erfolgte. Beispielsweise sinkt die Temperatur des verflüssigten Heliums im Verlauf des Druckausgleichs in dem Dewarschen Sammelbehälter von etwa 4,6 auf etwa 4,2° K, so daß sich die Dichte des gesammelten flüssigen Heliums erhöht und sich sein Volumen vermindert. Hieraus ergibt sich eine gewisse Verringerung des Flüssigkeitsvolumens. Der verbleibende Verlust ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß bei dem erforderlichen Druckausgleich

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in dem Sammelbehälter von etwa 0,56 ata auf etwa Weise verschlossen, so daß sich ein weiteres Evaku-

0,28 ata ein Teil der Flüssigkeit absiedet, während ieren erübrigt, solange das Vakuum in dem System

eine Abkühlung von 4,6 auf 4,2° K erfolgt. erhalten bleibt. Kurz oberhalb des Punktes, an dem

In der industriellen Praxis, wo es erwünscht sein die Hülle 80 mit dem Leitungsabschnitt 24 verbunkann, einen Dewarschen Sammelbehälter möglichst 5 den ist, ist gemäß F i g. 7 ein Abstandsorgan vorgevollständig zu füllen, kann es zweckmäßig oder rat- sehen, um die Hochdruckleitung 54 und die Niedersam sein, dafür zu sorgen, daß es möglich ist, Helium druckleitung 56 in ihrer Lage zu halten. Natürlich ist im Cryostaten selbst zu verflüssigen und eine letzte es zweckmäßig, ein Abstandsorgan zu verwenden, Teilmenge des flüssigen Heliums aus dem Cryostaten das die äußere Hülle oder Wand 80 nur an möglichst in den Sammelbehälter zu überführen, so daß jeder χ₀ wenigen Punkten berührt; zu diesem Zweck ist das Verlust ausgeglichen werden kann, der bei der Ver- Abstandsorgan 90 dreieckig ausgebildet, so daß es flüssigung in dem Sammelbehälter aufgetreten ist. kaum mit der Wand 80 in Berührung kommt.
Dies kann zweckmäßig in der Weise geschehen, daß Das von der Hülle 80 umschlossene Rohr ist geman innerhalb des Cryostaten ein normales Joule- maß F i g. 6 mit einem geeigneten Strahlungsabschir-Thomson-Expansionsventil zusammen mit einem ge- i₅ mungsmaterial 92 umwickelt. Diese Abschirmung eigneten Diffusor vorsieht, wie es bei einem Cryo- kann von beliebiger geeigneter Konstruktion sein; es staten üblich ist. F i g. 5 zeigt eine solche Anordnung, handelt sich z.B. hierbei um durch Abstände gebei der ein zweites innenliegendes Joule-Thomson- trennte Aluminiumfolien, die so um das Rohr herum-Expansionsventil vorgesehen ist, das betätigt werden gelegt sind, daß sie nicht in Flächenberührung mitkann, nachdem das Joule-Thomson-Ventil innerhalb 20 einander stehen.

des Dewarschen Gefäßes geschlossen worden ist. Es Als zusätzliche Maßnahme, die dazu dient, das

sei bemerkt, daß es nicht möglich ist, beide Joule- Eindringen von Wärme aus der Atmosphäre mög-

Thomsen-Ventile gleichzeitig zu betätigen, und daß liehst auszuschalten, kann es zweckmäßig sein, die

das innenliegende Joule-Thomson-Ventil erst dann Außenseite der Hüne 80 mit einer Rohrschlange 93

betätigt werden darf, wenn das außenliegende Joule- 25 zu versehen, deren Windungen an der Hülle anliegen,

Thomson-Ventil in dem Dewarschen Gefäß die ge- wobei flüssiger Stickstoff durch diese Rohrschlange

samte Menge an flüssigem Helium abgegeben hat, die geleitet werden kann. Die mit dem flüssigen Stickstoff

dem Dewarschen Gefäß zugeführt werden kann, und gespeiste Rohrschlange ermöglicht es dann, die Zu-

wenn das Dewarsche Gefäß in den Gleichgewichts- fuhr von Wärme zu den Gasen weiter zu verringern,

zustand gebracht worden ist, in dem es bereit ist, eine 30 die durch die Entnahmeleitung geleitet werden.

Ergänzungsmenge an flüssigem Helium aufzunehmen. Ferner ist es erforderlich, geeignete Kupplungsmit-

Gemäß Fig. 5 führt das Hochdruckrohr 72 zu tel zwischen dem außenliegenden Leitungsabschnitt

einem innenhegenden Joule-Thomson-Ventil 73, das 25 und dem zweiten innenliegenden Leitungsabschnitt

durch eine Stange 76 betätigt werden kann, und von 26 vorzusehen, der in das Dewarsche Gefäß einge-

dem Ventil 73 aus zu dem Diffusor 74, der seiner- 35 führt werden soll und an seinem Ende mit dem schon

seits das verflüssigte Gas von dem kalten, unter nied- erwähnten Joule-Thomson-Expansionsventil versehen

rigem Druck stehenden Gas trennt und das unter ist. Diese Verbindung wird mit Hilfe der in F i g. 8

niedrigem Druck stehende Gas über die Leitung 75 und 9 gezeigten Anordnung hergestellt. F i g. 8 ist

zu dem Joule-Thomson-Wärmeaustauscher 30 zu- eine Seitenansicht der Kupplung und zeigt die Druck-

rückleitet, wie es auch bei der Anordnung nach 40 regeleinrichtung und die Mittel zum Betätigen des

Fig. 2 geschieht. Bei der Anordnung nach Fig. 5 Joule-Thomson-Ventils. Der Leitungsabschnitt 25 ist

wird der Diffusor 74 von der gesamten Menge des mit Hilfe eines Basisteils 97 an einem Lauf befestigt,

unter niedrigem Druck stehenden Gases durchströmt. der mit weiteren Einzelheiten in Fig. 9 dargestellt

Der außenliegende Abschnitt 25 der Entnahmelei- ist. Der Lauf bzw. das Gehäuse stellt seinerseits die

tung, der dem Einfluß der Atmosphäre ausgesetzt ist, 45 Verbindung zwischen den Leitungsabschnitten

muß natürlich gut isoliert sein und gegen Wärme- 25 und 26 her; der Abschnitt 26 ist mit

zufuhr geschützt werden. Der außenliegende Ab- Hilfe einer Gummidichtung 99 mit einem dem

schnitt 25 der Leitung ist ebenso wie die Verbindung Wärmeaustauscher zugeordneten T-Stück 100 ver-

zwischen dieser Leitung und dem innenliegenden bunden und wird durch eine Schlauchklemme

ersten Abschnitt 24, der sich in dem Cryostaten nach 50 101 in seiner Lage gehalten. Eine zweite Gummidich-

oben und unten bewegen kann, in F i g. 6 dargestellt, tung 102 und Schlauchklammern 103 und 104 die-

wo die betreffenden Teile wiederum mit gleichen Be- nen dazu, die Entnahmeleitung anzubringen und eine

zugszahlen bezeichnet sind. Dieser · außenliegende Abdichtung gegenüber dem bei 105 teilweise ange-

Abschnitt der Entnahmeleitung umfaßt eine äußere deuteten Hals des Dewarschen Behälters zu bewir-

Hülle 80 und ein Zwischenstück 81 zum Verbinden 55 ken. An das erwähnte T-Stück sind ferner ein Druck-

der Hülle 80 mit dem innenliegenden ersten Lei- messer 108 und ein Überdruckventil 109 angeschlos-

tungsabschnitt 24. Um diese Verbindung herzustel- sen. Auf der anderen Seite, des T-Stücks ist ein mit

len, werden die Rohre bei 82 und 83 mit dem Zwi- der Hand zu betätigendes Absperrventil 112 ange-

schenstück 81 verschweißt. Innerhalb der Hülle 80 ordnet, das zu einer Leitung 113 führt, mittels deren

ist ein ringförmiger evakuierter Kanal 86 vorgesehen, 60 ein unter niedrigem Druck stehendes kaltes Gas

der sich gemäß F i g. 3 an den evakuierten Kanal 61 einem Helium-Rückgewinnungssystem oder einem

des innenliegenden ersten Leitungsabschnitts an- Verdichter zugeführt werden kann,

schließt. Die Hülle 80 ist mit einer Gewindebohrung Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung hat es sich

88 versehen, damit ein Vakuumventil und eine Va- als besonders wichtig erwiesen, dafür zu sorgen, daß

kuumleitung angeschlossen werden können, wobei 65 es möglich ist, vor dem Beginn der Verflüssigung

die Vakuumleitung zu einer hier nicht gezeigten Ab- einen Teil des kalten, unter niedrigem Druck stehen-

saugpumpe führt. Nach dem Evakuieren des Ring- den Gases einem Helium-Rückgewinnungssystem

raums 86 wird die Gewihdebohrung 88 auf geeignete oder einem Verdichter zuzuführen. Wenn das kalte,

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unter hohem Druck stehende Helium anfänglich verlötet ist, so daß sich die Hülle zusammen mit dem einem Dewarschen Gefäß zugeführt wird, befindet Stopfenteil hin- und herbewegen muß. Wie an Hand sich das Gefäß auch dann, wenn es bereits mit von Fig. 10 nachstehend erläutert, dient diese Beflüssigem Stickstof! abgekühlt ist, nicht auf einer wegung dazu, den Betrieb des Joule-Thomson-Ven-Temperatur, die tiefer liegt als die Inversionstempe- 5 tils zu regem.

ratur des Heliums; somit wird das Helium bei Tem- Ferner sind Dichtungsringe 127 vorgesehen, um

peraturen oberhalb etwa 30° K nicht durch eine Ex- denRaum zwischen der Hülle 126 und demVakuumpansion abgekühlt und verflüssigt, d. h. in dem De- raum 134 abzudichten, der eine Verlängerung des warschen Gefäß befindet sich am Beginn eines Ar- Vakuumraums 86 in dem Leitungsabschnitt 25 bildet, beitsspiels eine gewisse Menge von relativ warmem ίο Die Dichtungsringe 127 ermöglichen es dem Stop-Heliumgas, dessen Temperatur über 20° K liegt; fenteil 120, sich gegenüber dem Vakuumgehäuse wenn dieses Helium zu dem System zurückgeleitet axial zu bewegen. In dem Gehäuse 119 ist ferner würde, könnte keine ausreichende Abkühlung des eine Scheibe 128 aus Nylon angeordnet, die dazu eintreffenden, unter hohem Druck stehenden Gases dient, die Reibung zu verringern; weiterhin enthält erfolgen, um danach eine Expansion und Verflüssi- 15 das Gehäuse einen großen Dichtungsring 129 zum gung zu bewirken. Somit ist es am Beginn des AbpufEern der Bewegungen der Nadel des Joule₇ Arbeitsspiels erforderlich, dafür zu sorgen, daß es Thomson-Ventils, eine Scheibe 130 als Abstützung möglich ist, das kalte, unter niedrigem Druck ste- für denDichtungsring 129 sowie einen Sprengring 131. hende Gas einem Punkte außerhalb des' Cryostaten Um den evakuierten Raum 134 innerhalb der Leizuzuführen, d. h. dem Rückgewinnungssystem oder 20 tang 126 abzuschließen, ist es erforderlich, eine zueinem Verdichter, bis die Temperatur des eintreffen- sätzliche rohrförmige Wand 133 vorzusehen, die die den, unter hohem Druck stehenden Gases bis unter an Hand von Fig. 3 beschriebenen Kanäle konetwa 20° K zurückgegangen ist. Wenn das Gas diese zentrisch umschließt, welche von dem Niederdruck-Temperatur erreicht hat, wird das mit der Hand zu Strömungsmittel bzw. dem Hochdruck-Strömungsbetätigende Absperrventil 112 geschlossen, und das 25 mittel durchströmt werden.

unter hohem Druck stehende Helium kann sich ent- Die Leitung 26, die in das Dewarsche Gefäß einspannen, so daß es verflüssigt wird. Dann ist es geführt wird, ist an ihrem Ende mit einem Joulenicht mehr notwendig, kaltes, unter niedrigem Druck Thomson-Ventil versehen, das in F i g. 10 im Längsstehendes Gas einem Punkt außerhalb des Systems schnitt dargestellt ist; die in Fig. 10 verwendeten zuzuführen, das durch den Cryostaten und den Sam- 30 Bezugszahlen entsprechen den Bezugszahlen in den melbehälter gebildet wird. schon behandelten Figuren. Um den Vakuumraum

Am äußeren Ende des Leitungsabschnitts 26 sind abzuschließen, der die Kanäle für das Hochdruck-Öffnungen 115 vorgesehen, die dazu dienen, das Strömungsmittel und das Niederdruck-Strömungsentspannte kalte Heliumgas und das verflüssigte mittel umschließt, nachdem diese Kanäle aus dem Helium an das Dewarsche Gefäß abzugeben; ferner 35 flexiblen Leitungsabschnitt nach Fig. 2 ausgetreten sind Öffnungen 116 vorgesehen, mittels deren das sind, ist es erforderlich, einen Stopfen 140 vorzukalte, unter niedrigem Druck stehende Gas über die sehen. Das Rohr 56, das den Niederdruck-Ringkanal Leitung 26 zu dem Cryostaten zurückgeführt werden auf der Außenseite des Hochdruckkanals 54 abkann. Der nach Joule-Thomson ausgebildete End- grenzt, trägt an seinem freien Ende ein Stopfenteil abschnitt des Leitungsteils 26 ist mit weiteren Einzel- 40 144. Der Hochdruckkanal 54 erstreckt sich in das heiten in FI g. 10 dargestellt und wird nachstehend Stopfenteil 144, das mit einem Sitz 146 für das Joulebeschrieben. . Thomson-Ventil versehen ist. Zum Verschließen des Das Gehäuse 98 ist mit weiteren Einzelheiten in Endes der Hülle 126 dient ein Joule-Thomson-Ven-F i g. 9 dargestellt. Hierbei handelt es sich um die- tilorgan 148. In F i g. 10 ist das Ventilorgan 148 in jenige Einrichtung, die es ermöglicht, den Betrieb 45 einem Abstand von dem Ventilsitz 146 dargestellt, des Joule-Thomson-Ventils an dem Ende des Lei- der größer ist, als er normalerweise jemals sein tungsabschnitts 26 zu regem, der sich in dem Dewar- würde. Zwischen dem Stopfenteil 144 und der Innenschen Behälter befindet. Um die Kanäle innerhalb wand der Hülle 126 ist ein sehr enger Kanal 150 des Leitungsabschnitts, die von dem unter niedrigem vorhanden, der es ermöglicht, daß ein Teil des kalten Druck stehenden bzw. dem unter hohem Druck ste- 50 entspannten, unter niedrigem Druck stehenden Ga-" henden Strömungsmittel durchströmt werden, in der ses über die Öffnungen 156 zu dem Niederdruckrichtigen Lage zu halten, ist innerhalb der evaku- kanal 57 zurückströmt. Der größere Teil des entiertenZone 86 nahe demEnde des Leitungsabschnitts spannten kalten Gases fließt zusammen mit dem 25 ein Abstandsorgan 118 vorgesehen, das dem an teilweise verflüssigten Gas zu dem Raum 152, um Hand von F i g. 7 beschriebenen Abstandsorgan 90 55 über die Öffnungen 115 zu entweichen. Die Flüssigähnelt. An seinem Ende ist der Leitungsabschnitt 25 keit gelangt unter der Wirkung der Schwerkraft in mit einem Basisteil97 verbunden, das mit Außen- das in Fig. 10 bei. 154 angedeutete Innere des gewinde versehen ist, um in den Körper 119 des Ge- Dewarschen Gefäßes, während das kalte entspannte, häuses 98 eingeschraubt werden zu können. In dem unter niedrigem Druck stehende Gas üben die Öff-Gehäuse ist nahe dessen anderem Ende ein Stopfen- 60 nungen 116 und 156 zu dem Niederdruckkanal 57 teil 120 angeordnet. Gemäß F i g. 9 kann man das zurückströmt.

Gehäuse drehen, um es gegenüber dem Basisteil97 Aus Fig. 9 und 10 ist zu erkennen, daß sich der

zu verstellen. Hierbei führt auch das Stopfenteil 120 Ringkanal 135 von dem Joule-Thomson-Ventilorgan eine Bewegung aus, doch kann sich das Stopfenteil aus bis zum Inneren des Gehäuses 98 erstreckt. Dienicht drehen, da ein Stift 122 vorgesehen ist, der in 65 ser Kanal ist für das kalte entspannte Strönmngseine Bohrung 123 des Stopfenteils 120 eingreift. Das mittel zugänglich und enthält daher gasförmiges äußerste Rohr, der Entnahmeleitung 26 wird durch Helium. Da in diesem Kanal ein Temperaturgradient •eine Hülle 126 gebildet, die mit dem Stopfenteil 120 herrscht, bildet sich eine hin- und hergehende

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Heliumströmung in dem Kanal 135 aus, wobei wegen der natürlichen Elastizität des Heliums eine stehende Welle in der Gassäule auftritt. Diese Erscheinung führt zu unerwünschten Verlusten an flüssigem Helium, die auf ein übermäßiges Absieden zurückzuführen sind; die Ursache hierfür besteht darin, daß Kälteverluste durch das Vorhandensein einer stehenden Welle aufrechterhalten werden. Um das Entstehen einer solchen stehenden Welle zu verhindern, ist die Hülse 126 dort, wo sie das Stopfenteil 140 umschließt, mit Eindrückungen oder Wellungen 157 versehen, so daß zwischen der Hülle 126 und der Rohrwand 133 sehr enge Kanäle 158 vorhanden sind, die das Strömen kalten Gases aus dem Raum 152 nach hinten längs des Kanals 135 einschränken.

Fig. 11 zeigt.eine abgeänderte Ausbildungsform des in das Dewarsche Gefäß einzuführenden Endes der Entnahmeleitung. Bei dieser Konstruktion ist ein Diffusor vorgesehen, der dazu dient, eine bessere so Trennung des verflüssigten Gases von dem kalten, unter niedrigem Druck stehenden Gas zu bewirken, das entsteht, nachdem das unter hohem Druck stehende Gas das Joule-Thomson-Expansionsventil passiert hat In Fig. 11 ist der Diffusor mit 160 bezeichnet; er ist am freien Ende der Hülse 126 mit Hilfe eines Stopfenteils 161 befestigt.Gemäß Fig. 11 ist das Stopfenteil 161 oberhalb der öffnungen 115, jedoch unterhalb der öffnungen 116 angeordnet. Das untere Ende der Leitung ist durch eine Stirnplatte 162 abgeschlossen, und innerhalb des Leitungsendes ist ein Ring 163 vorgesehen, der eine weitere Expansion bewirkt. Nachdem das teilweise entspannte kalte Gas den Raum 152 nach Fig. 10 über die Öffnungen 115 verlassen hat, tritt es in den Diffusor nach F i g. 11 ein und passiert den engen Kanal, der durch das Ende der Hülle 126 und den Ring 163 abgegrenzt wird. Jk diesem Kanal findet eine weitere Expansion und Trennungstatt. Der Diffusor ist mit nichtrostender Stahlwolle 164 gefülltundam Umfang seines unterenEndes mit mehreren Öffnungen 165 versehen; auch die Abschlußplatte 162 weist mehrere Öffnungen 166 auf. Das flüssige Helium strömt über diese Öffnungen aus dem Diffusor aus, um in dem Behälter gesammelt zu werden. Gleichzeitig strömt das kalte entspannte Gas nach oben und tritt in das System erneut über die Öffnungen 116 ein, um mit Hilfe der Entnahmeleitung wieder der Niederdruckseite bzw. der kalten Seite des Joule-Thomson-Wärmeaustauschers zugeführt zu werden, der gemäß Fig. 2 in dem Cryostaten angeordnet ist.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung wird unter hohem Druck stehendes kaltes Heliumgas über die Hochdruckleitung 37 dem Joule-Thomson-Wärmeaustauscher und gemäß Fig. 2 über die Glaswdllefäter der flexiblen Leitung 23 zugeführt. Wenn das Gas den flexiblen Leitengsabschnitt 23 verläßt, gelangt es zu dem Hochdruckkanal 53, der sich durch die Leitungsabschnitte 24, 25 und 26 erstreckt, so daß das Gas schließlich zu dem Joule-Thomson-Expansionsventil gelangt. Während des Strömens durch diesen Kanal bzw. die Entaafcneleitung wird das Gas natürlich weiter gekühlt, und zwar durch einen berührungsfreien Wärmeaustausch mit dem kalten, unter niedrigem Druck stehenden Gas, das von dem Dewarschen Behälter aus mit Hufe der Entnahmeleitung zurückgeführt wird. Bei diesem kalten, unter niedrigem Druck stehenden Gas handelt es sich natürlich um dasjenige Gas, welches beim Passieren des Joule-Thomson-Ventils nicht verflüssigt worden ist. Ferner enthält diese Gasmenge das kalte, unter niedrigem Druck stehende Gas, das durch Absieden aus dem verflüssigten Gas in dem Dewarschen Behälter entstanden ist. Das kalte, unter niedrigem Druck stehende Gas strömt über den Kanal 57 zurück und gelangt über die Öffnungen 69 in den Heliumbehälter 28 innerhalb des Cryostaten. Von dort aus wird dieses Gas erneut durch den Joule-Thomson-Wärmeaustauscher 30 geleitet, und zwar über den gesonderten Rückleitungsanschluß 71 nach Fig,2 oder über den in Fig.5 gezeigten Diffusor 74.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Einrichtung zweckmäßige Mittel bildet, um Gase außerhalb eines Cryostaten dort zu verflüssigen, wo das flüssige Gas gesammelt bzw. gespeichert werden soll. Somit werden die eingangs genannten Ziele der Erfindung erreicht. Ferner sind Mittel vorgesehen, um ein neues Dewarsches Gefäß abzukühlen, damit das anfänglich zugeführte, relativ warme, unter niedrigem Druck stehende Gas nicht in den Cryostaten zurückgeleitet wird. Weiterhin ermöglicht es die abgeänderte Ausbildungsform nach Fi g. 5; die in dem Sammelbehälter vorhandene Menge des flüssigen Heliums durch eine zusätzliche Menge flüssigen Heliums zu ergänzen, wobei diese Heliummenge in dem Cryostaten selbst verflüssigt wird.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Verflüssigen von Gasen wie Helium, bei welcher Hochdruckgas in einem innerhalb eines Isolierbehälters angeordneten Joule-Thomson-Wärmeaustauscher mittels unter niedrigerem Druck stehenden Gas abgekühlt und zum Entspannen in einem Sammelbehälter und mindestens teilweiser Verflüssigung einem Joule-Thomson^Expansionsventil zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt des Joule-Thomson-Wärmeaustauschers (30) als außerhalb des Iosierbehälters .(20, 28) verlaufende wärmeisolierte Verbindungsleitung(24, 25, 26) ausgebildet ist, an deren Abgabeende das in einem gesonderten Sammelbehälter (22,154) einbringbare Expansionsventil (144, 148) angebracht ist, tmd welche einen mit der Hochdruckseite (38) des Jojile-Thomson-Wärmeaustauschers (30) verbundenen Innenkanal (53) sowie einen mit diesem lanenkanal (53) ia berührungsfreiem Wärmeaustausch stehenden und das .Sammelbehälterinnere (22,154) mit dem isoh'erbehälterinneren (20, 28) verbindenden äußeren Ringkanal (57) umfaßt.

2, Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung durch einen evakuierten Ringraum (86) sowie eine StraMungsabsehiramfflg(92) wärmeisoliert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung mindestens !teilweise durch eine am Leitungsaußenmsntel angebrachte Kühleinrichtung (93) gekühlt ist

4, Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgabeende der Verbindungsleitung von einer durch den Kolben (148) des Expansionsventils abgeschlossenen

Hülse (126) umschlossen ist, durch deren Drehung das Expansionsventil emstellbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Unterbinden von stehenden Wellen die Hülse (126) mit Einschnürungen (157) versehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Expansionsventil ein Diffusor (160) zugeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2458894, 2932173.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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