DE1601061B2

DE1601061B2 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium

Info

Publication number: DE1601061B2
Application number: DE1601061A
Authority: DE
Inventors: Samuel Cornette Belmont Mass. Collins (V.St.A.)
Original assignee: Cryogenic Technology Inc
Current assignee: Cryogenic Technology Inc
Priority date: 1967-01-31
Filing date: 1968-01-29
Publication date: 1980-03-13
Also published as: DE1601061A1; US3415077A; DE1601061C3; GB1217236A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium, dessen Temperatur unter 4,2 Kelvin liegt, mit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Helium hat bei Atmosphärendruck einen Siedepunkt von 4,2 K. Flüssiges Helium mit dieser Temperatur wird auf verschiedenen Gebieten eingesetzt, beispielsweise zur Kühlung verschiedener Materialien zur Bestimmung ihrer physikalischen Eigenschaften, zur Kühlung bestimmter Metalle und intermetallischer Verbindungen, um diese supraleitfähig zu machen usw. Da Helium den tiefsten Kondensationspunkt aller bekannten Gase hat, müssen Systeme vewendet werden, welche die Temperatur des flüssigen Heliums so weit senken können, daß ίο eine Arbeitstemperatur von weniger als 4,2 K erreichbar ist. Ein bekannter Weg zur Lösung dieses Problems ist es, den Dampfdruck über dem flüssigen Helium zu verringern, da flüssiges Helium sich (wenigstens in dieser Beziehung) im wesentlichen wie ^|r> andere Flüssigkeiten verhält, das heißt, bei einer Verringerung des Drucks sinkt auch die Temperatur des flüssigen Heliums, durch eine Reduzierung des Drucks in einem Voratsbehälter für flüssiges Helium ist es also möglich, seine Temperatur zu senken. Verringert man -o beispielsweise den Druck über der Flüssigkeit auf 12,5 mm Hg, so sinkt die Temperatur des flüssigen Heliums auf 1,8 K ab; verringert man den Druck auf 0,0041 mm Hg, so sinkt die Temperatur auf 0,73 K ab. Der zuletzt angegebene Druck ist etwa so niedrig wie ■?"> der Wert, der in der Praxis mit mechanischen Vakuumpumpen erreicht werden kann.

Bei einer Temperatur von etwa 2,2 K durchläuft

Helium einen Übergangspunkt zweiter Ordnung; unterhalb dieses sogenannten Lambda-Punktes wird

i^(| Helium bekanntlich »supraflüssig«. Im supraflüssigen Zustand geht die Viskosität der Flüssigkeitsströmung gegen Null; außerdem hat supraflüssiges Helium bei etwa 1,8 K seine maximale Wärmeleitfähigkeit, so daß Helium in diesem Zustand ein außerordentlich gutes

i^r> Kühlmittel ist; supraflüssiges Helium kann also zur Kühlung von Geräten herangezogen werden, die einen komplizierten Aufbau haben und eine große Zahl von sehr kleinen Kanälen und Zwischenräumen aufweisen, durch die das Kühlmittel strömen muß, um die angestrebte Kühlwirkung zu erreichen.

Es gibt zwei prinzipielle Verfahren, um Helium mit einer Temperatur von weniger als 4,2 K als Kühlmittel zu gewinnen. Die nach dem ersten Verfahren arbeitende Maschine ist für den Chargenbetrieb geeignet. Das flüssige Helium wird in einen isolierten, flüssigkeitsdichten Behälter eingeführt, in dem zwei Vorratsbehälter für flüssiges Helium angeordnet sind, die durch eine kurze dünnwandige Kapillare von geringer Wärmeleitfähigkeit miteinander verbunden sind. Der Verbraucher, der ^r>o gekühlt werden soll, ist an der Außenseite eines dieser Vorratsbehälter für flüssiges Helium befestigt. Nach einer Vorkühlung mit flüssigem Stickstoff werden die Vorratsbehälter für flüssiges Helium von einer äußeren Quelle aus gefüllt, und dann wird der Behälter evakuiert. Dies macht selbstverständlich die periodische Füllung der Vorratsbehälter mit flüssigem Helium erforderlich; es ist deshalb nicht möglich, kontinuierlich einen Verbraucher bei einer Temperatur unterhalb von 4,2 K mit einer derartigen Vorrichtung zu kühlen.
Der zweite Kältemaschinentyp kann die Kühlung eines Verbrauchers unterhalb von 4,2 K durchführen; diese Maschine kann eine Art kontinuierlichen Betrieb durchführen, hat jedoch bezüglich der erforderlichen Kühlung eine außerordentlich geringe Leistung. Diese Maschine weist einen getrennten Tieftemperaturverflüssiger auf, der dazu bestimmt ist, kontinuierlich flüssiges Helium einem Vorratsbehälter zuzuführen, in dem der Verbraucher angeordnet ist und von dem der

Heliumdampf kontinuierlich mittels einer Vakuumpumpe abgepumpt wird. Das Heliumgas mit unteratmosphärischem Druck wird direkt in die Vakuumpumpe eingepumpt; die gesamte Kühlleistung, die von diesem unter unteratmosphärischem Druck stehenden Heliumgas erhalten werden könnte, geht verloren.

Aus der US-PS 29 66 035 ist eine Tieftemperaturkältemaschine bekannt, bei welcher der Hochdruckstrom ohne Abzweigung durch eine Vielzahl von Wärmetauschern und fremdgespeisten Regeneratoren bis zum ι ο Joule-Thomson-Expansionsventil und dem Behälter für flüssiges Helium läuft. Der in den Heliumbehälter mündende Niederdruckstrom wird in den Wärmetauschern, nicht in den Regeneratoren geführt.

Schließlich ist aus der Zeitschrift »Die Kälte«, r> September 1964, Seite 503 bis 506 eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium gemäß der angegebenen Gattung bekannt, bei der das gereinigte Helium zu einem Hochdruckstrom verdichtet wird, der im Wärmeaustausch zu einem Niederdruck- 2« strom geführt ist, der mit dem Behälter für flüssiges' Helium in Verbindung steht. Von dem Hochdruckstrom werden an zwei Stellen Teilströme abgezweigt, die über Expansionsmaschinen dem Niederdruckstrom an entsprechenden Stellen zugeführt werden. Der Hochdruck- 2^r> strom mündet über ein Joule-Thomson-Expansionsventil in den Behälter mit flüssigem Helium. Über den Blasenkammerkreislauf ist der Behälter mit flüssigem Helium an eine Vakuumpumpe angeschlossen, so daß flüssiges Helium mit Temperaturen unter 4,2 K, jedoch )() höchstens von 3 K, erzeugt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der angegebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß sich unter Berücksichtigung des wesentlich niedrigeren Drucks des rückgeführten r> Stroms eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kälte ergibt und damit der Wirkungsgrad erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß die aus dem Behälter für flüssiges Helium austretenden Expandierten Gase im direkten Wärmeaustausch mit dem zuströmenden Hochdruckteilstrom stehen, wodurch das Hochdruckgas von 300 K auf 8 K abgekühlt wird, während das austretende Niederdruckgas von 8 K auf 300 K erwärmt wird. Infolge des durch die Pumpe erzeugten Vakuums im Niederdruckstrom können die auf der Niederdruckseite austretenden expandierten Gase eine Temperatur haben, die näherungsweise der Außentemperatur entspricht; dies bedeutet also, daß praktisch die gesamte Kälte wiedergewonnen wird. Durch diese unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen Massen läßt sich ein optimaler Wärmeaustausch erreichen, so daß die Vorrichtung einen hohen Wirkungsgrad hat und kontinuierlich relativ große Mengen von flüssigem fco Helium pro Zeiteinheit herstellen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema einer Vorrichtung nach der Erfindung, bei der dem zweiten Wärmetauscher .ein Helium-Hochdruckstrom im wesentlichen bei Raumtemperatur zugeführt wird, und

F i g. 2 ein Schema einer Vorrichtung, bei der dem zweiten Wärmetauscher der Helium-Hochdruckstrom mit zwei verschiedenen Temperaturen zugeführt wird.

In F i g. 1 ist ein Schema einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird der Hochdruckstrom einem noch zu erläuternden, zweiten Wärmetauscher mit Raumtemperatur zugeführt.

Der Grundaufbau einer solchen Vorrichtung weist folgende Teile auf: Eine herkömmliche Heliumquelle 10; eine herkömmliche Tieftemperaturkältemaschine 11; ein Zusatzaggregat 12; eine Joule-Thomson-Expansions- und -Verflüssigkeitsstation 13; ein Behältersystem 14 für flüssiges Helium; und eine Pumpstation 15. die einzelnen Bauteile werden im folgenden beschrieben.

In dieser Vorrichtung können die folgenden Strömungen unterschieden werden:

Ein erster Hochdruckstrom 16, im wesentlichen innerhalb der Tieftemperaturkältemaschine 11; ein zweiter Hochdruckstrom 17, der die Hochdruckseite des Zusatzaggregates 12 enthält; und ein dritter Hochdruckstrom 18, der durch die Vereinigung der beiden ersten Hochdruckströme 16 und 17 gebildet wird und das Joule-Thomson-Wärmetauscher-Expansionssystem erhält, die Tieftemperaturkältemaschine 11 enthält einen ersten Niederdruckstrom 19; ein zweiter Niederdruckstrom 20 ist auf der Niederdruckseite des Zusatzaggregates 12 vorgesehen.

Zur Zuführung des Hockdruck-Heliumgases dient eine Heliumquelle 10 mit einem Hochdruck-Heliumbehälter 21, der mit einer Hochdruck-Speiseleitung 22 ausgerüstet ist; ferner ist ein Niederdruck-Heliumbehälter 23 vorgesehen, der über eine Leitung 24 Niederdruck-Helium von der Tieftemperaturkältemaschine 11 und einer Vakuumpumpe 149 erhält. Der Behälter 23 und der Behälter 21 sind über eine Leitung 25 verbunden, in der ein Heliumkompressor 26 und ein Reinigungssystem 27 angeordnet sind. Die Hochdruck-Speiseleitung 22 steht mit dem ersten und dem zweiten Hochdruckstrom 16 und 17 in Verbindung, wobei diese Ströme im Punkt 29 zusammengeführt sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Tieftemperaturkältemaschine 11 hat den üblichen Aufbau und soll dem dritten Hochdruckstrom 18 kaltes Hochdruckhelium zuführen. Dieses Helium soll eine Temperatur von nicht mehr als 30 K haben. Sein Druck kann etwa bei 30 bar liegen.

Die Tieftemperaturkältemaschine 11 weist einen ersten Wärmetauscher 30 und einen weiteren Wärmetauscher 32 auf. Die Hochdruckseite und die Niederdruckseite der Wärmetauscher sind in den Figuren durch Zick-Zack-Linien dargestellt. Der Wärmetauscher 30 hat eine Hochdruckseite 40 und eine Niederdruckseite 41, während der Wärmetauscher 32 eine Hochdruckseite 42 und eine Niederdruckseite 43 aufweist.

Die Kältemaschine enthält einen als Wärmetauscher dienenden Vorkühler 35, der einen Teil des Hochdruckgases vor dessen Expansion und Rückführung durch die Leitung für den Niederdruckstrom 19 der Tieftemperaturkältemaschine vorkühlen soll. Die Heliumhochdruckseite des Vorkühlers 35 ist durch die Zick-Zack-Linie 55 angedeutet, während die Zuführung für den zur Vorkühlung dienenden, flüssigen Stickstoff durch die Zick-Zack-Linie 56 angedeutet ist. Der flüssige Stickstoff wird von einer Quelle 57 über eine Leitung 58 zugeführt und als gasförmiger Stickstoff durch eine

Leitung 59 abgeführt. Hochdruckhelium wird aus dem Hochdruckstrom 17 mittels einer Leitung 65 abgezogen; nach der Vorkühlung in dem Wärmetauscher 35 und nach der Entspannung in der Expansionsmaschine 66, wobei eine weitere Kühlung erfolgt, wird dieses Helium über den Niederdruckstrom 19 auf die Niederdruckseite des Wärmetauschers 30 zurückgeführt, um die Anfangskühlung des ersten Hochdruckstromes 16 durchzuführen.

Bei der Tieftemperatur-Kältemaschine wird anfangs gekühltes Hochdruckheliumgas aus der Hochdruckseite

42 mit zwei verschiedenen Temperaturen im Wärmetauscher 32 abgezogen, unter Durchführung einer zweiten Kühlung expandiert und zur Niederdruckseite

43 zurückgeführt. Dazu dient die Leitung 69, in welche eine Expansionmaschine 70 eingebaut ist. Hier erfolgt das Abziehen bei einer höheren Temperatur (beispielsweise bei etwa 27 K). Ferner wird dies mittels einer Leitung 71 durchgeführt, in welche eine Expansionsmaschine 72 eingebaut ist. Hier erfolgt das Abziehen bei tieferer Temperatur (beispielsweise bei etwa 17 K).

Zur Mengensteuerung des Hochdruckstroms 16 dient ein Ventil 81, damit das kalte Hochdruckhelium den Vereinigungspunkt 29 mit dem gewünschten Druck und der gewünschten Temperatur erreicht.

Zumindest der kältere Teil der Tieftemperaturkältemaschine 11 befindet sich in einem Strahlungsschutzschirm 82, der durch eine Linie angedeutet ist; dieser Schirm kann durch den flüssigen Stickstoff gekühlt werden, der von der Speiseleitung 58 abgezogen, einer Schlange 83 durch eine Leitung 84 zugeführt und durch eine Rückleitung 85 abgeführt wird, Die gesamte Tieftemperaturkältemaschine 11 befindet sich in einem durch die gestrichelte Linie angedeuteten Gehäuse 86, das mit einer schematisch angedeuteten Isolierung 87 versehen ist.

Das Zusatzaggregat 12 soll die Kühlleistung ausnutzen, die in dem unter subatmosphärischem Druck stehenden, kalten Heliumgas vorhanden ist, das durch die Vakuumpumpe aus dem Heliumbehälter abgezogen wird. Die Ausnutzung dieser Kälteleistung erfolgt in einem zweiten Wärmetauscher, wobei die großen Unterschiede in den Volumengeschwindigkeiten der Strömung zwischen dem Hochdruckgas und dem unter subatmosphärischem Druck stehenden Gas berücksichtigt werden. Dieser zweite Wärmetauscher 90 weist eine Hochdruckseite 91 und eine Niederdruckseite 92 auf. Ein Strömungsgasschieber 93 ist in dem Hochdruckstrom 17 angeordnet, der dem zweiten Wärmetauscher 90 Hochdruckhelium zuführt.

Der Hochdruckgasstrom in der Leitung 18 muß weiter gekühlt und entspannt werden, damit eine Verflüssigung stattfindet. Zu diesem Zweck sind mehrere Joule-Thomson-Wärmetauscher 110 und 111 und Expansionsventile 121 und 120 vorgesehen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 werden jeweils diese Aggregate verwendet. Die Volumina der Hochdruckseiten 116 und der Niederdruckseiten 117 dieser Wärmetauscher 110 und 111 sind so eingestellt, daß die Abnahme des Gasvolumens durch die Temperaturabnahme kompensiert wird.

Die hier verwendeten Joule-Thomson-Expansionsventile haben den üblichen Aufbau und führen eine Expansion des Gases mit konstanter Enthalpie im Anschluß an seine Kühlung in dem Joule-Thomson-Wärmetauscher durch. Ein Teil der Verflüssigung erfolgt im Wärmetauscher 111, während die restliche Verflüssigung im Expansionsventil 121 durchgeführt wird.

Als Vorratsbehälter für das flüssige Helium wird ein geschlossener, flüssigkeitsdichter Behälter 125 verwendet, durch dessen Wandungen die Leitungen für den Hochdruckstrom und dem Niederdruckstrom geführt sind. Im Inneren des Behälters 125 befindet sich ein Vorrat an flüssigem Helium, der durch das Bezugszeichen 126 angedeutet ist; oberhalb des flüssigen Heliums ist ein Dampfraum 127 vorhanden. Dieser Dampf wird

ίο abgepumpt und im Kreislauf wieder verflüssigt, um den Flüssigkeitspegel in dem Behälter 125 auf einem konstanten Wert zu halten.

Für den zweiten Wärmetauscher 90, das Joule-Wärmetauscher-Ventilsystem und den Behälter 125 sind ein getrenntes Gehäuse 135 mit einer Isolierung vorgesehen. Ein Strahlungsschutzschirm 137 umgibt wenigstens das kalte Ende des zweiten Wärmetauschers 90 und der übrigen Komponenten und wird durch flüssigen Stickstoff gekühlt, der von dem Behälter 57 über eine Leitung 138 abgezogen wird, in Schlangen 139 umläuft und dann als Gas durch die Leitung 140 in die Leitung 59 zurückgeführt wird.

Der Dampfdruck in dem Raum 127 des Behälters 125 wird auf einen Wert verringert, der für die Erreichung der gewünschten Temperatur erforderlich wird. Zu diesem Zweck ist eine Vakuumpumpe 149 vorgesehen, die direkt über die Niederdruckseite des zweiten Wärmetauschers 90 mit dem Vorratsbehälter, d. h., seiner Dampfphase, verbunden ist. Mittels der Vakuumpumpe 149 wird das unter subatmosphärischem Druck stehende, aus dem Behälter 125 abgezogene, dampfförmige Helium im wesentlichen auf atmosphärischen Druck gebracht, bevor es über die Leitung 150 in die Leitung 24 zurückgeführt wird, um mit dem Niederdruckstrom gemischt zu werden, der die Tieftemperatur-Kältemaschine ebenfalls mit im wesentlichen atmosphärischen Druck verläßt.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung wird das Hochdruckhelium dem zweiten Wärmetauscher 90 mit zwei verschiedenen Temperaturen zugeführt, nämlich bei Raumtemperatur sowie bei einer tieferen Temperatur, beispielsweise einer Temperatur, die sich der Temperatur von flüssigem Stickstoff nähert (etwa 80 K). Dadurch kann die Kälteleistung besser genutzt werden, die durch das unter subatmosphärischem Druck stehende Helium im zweiten Wärmetauscher 90 zur Verfügung gestellt wird. Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 wird flüssiger Stickstoff direkt für die Vorkühlung des ersten Wärmetauschers der Tieftemperaturkältemaschine 11 verwendet. Die in Fig. 1 gezeigte Expansionsmaschine 66 ist nicht erforderlich.

Der erste Wärmetauscher 31 der Tieftemperaturkältemaschine 11 hat eine Hochdruckseite 44, 'eine Niederdruckseite 45 und eine Leitung 46 für den flüssigen Stickstoff. Diese Leitung steht im Wärmekontakt mit den Schlangen, die als Hochdruckseite des Wärmetauschers dienen. Der flüssige Stickstoff wird über eine Leitung 60 zugeführt und über eine Leitung 61 als Gas abgeführt.

Der abgezweigte, weitere Teilstrom 17 ist aufgeteilt; eine Abzweigung 17a enthält die Hochdruckseite 152 eines Vorkühlungs-Wärmetauschers 151. Schieber 93 und 94 steuern das Mengenverhältnis von Hochdruckgas, das in den zweiten Wärmetauscher 90 bei Raumtemperatur und bei einer Temperatur von etwa 80 K eintritt. Der flüssige Stickstoff wird dem Vorkühler über eine Speiseleitung 153 zugeführt Dieser flüssige Stickstoff läuft durch die Schlangen 154 unrund wird

durch die Abzugsleitung 155 abgeführt.

Außerdem ist ein Steuerschieber 118 vorgesehen, um den Druck des fluiden Mediums in dem dritten Hochdruckstrom 18 einstellen zu können,

Außerdem sind bei dieser Ausführungsform ein

weiterer Joule-Thomson-Wärmetauscher 112 und ein Expansionsventil 122 zwischen dem auch bei der Ausführungsform nach F i g. 1 verwendeten Expansionsventil 121 und dem Behältersystem 14 vorgesehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

030 111/2

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium, dessen Temperatur unter 4,2 Kelvin liegt, bestehend aus einem Heliumkompressor zur Erzeugung eines Hochdruckstromes, wenigstens einem ersten Wärmetauscher, der einerseits vom Hochdruckstrom und andererseits von einem Niederdruckstrom beaufschlagt ist, wenigstens einer Expansionsmaschine, in der ein Teil des Hochdruckstromes arbeitsleistend expandiert wird, wobei der expandierte Hochdruckte'tlstrom dem Niederdruckstrom zugeführt wird, wenigstens einem zwischen dem ersten Wärmetauscher und einem Behälter für verflüssigtes Helium angeordneten Expansionsventil, und aus wenigstens einer Vakuumpumpe in einer Leitung vom Behälter für verflüssigtes Helium zum Heliumkompressor, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Wärmetauscher (90) vorgesehen ist, der einerseits von einem vom Hochdruckstrom (22) vor dem ersten Wärmetauscher (30) abgezweigten weiteren Teilstrom (17) beaufschlagt ist und andererseits in die Leitung (20) vom Behälter (125) für verflüssigtes Helium zur Vakuumpumpe (149) eingeschaltet ist, daß der abgezweigte weitere Teilstrom (17) nach dem zweiten Wärmetauscher (90) mit dem von dem ersten Wärmetauscher (30) kommenden Hochdruckstrom (16) vereinigt ist, und daß zwischen der Vereinigung (29) beider Ströme und dem Behälter (125) für verflüssigtes Helium mehrere Wärmetauscher (110, 111) mit jeweils einem hinter jedem Wärmetauscher (UO, 111) vorgesehenen Expansionsventil (120, 121) eingeschaltetsind.

2. Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hochdruckstrom (16) vor der Vereinigung (29) mit dem abgezweigten, weiteren Teilstrom (17) ein Regulierventil (81) angeordnet ist, und daß in dem abgezweigten weiteren Teilstrom (17) vor dem zweiten Wärmetauscher (90) ein weiteres Regulierventil (93) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von dem abgezweigten, weiteren Teilstrom (17) vor dem Regulierventil (93) ein einstellbarer Nebenstrom (t7a) abgezweigt und über einen Kühler (151) einer Zwischenstufe der Hochdruckseite des zweiten Wärmetauschers (90) zugeführt wird.

4. Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein in dem abgezweigten, weiteren Teilstrom (17) nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (90) vor oder hinter der Vereinigung (29) mit dem Hochdruckstrom (16) angeordnetes Regulierventil (118).