DE2206841A1

DE2206841A1 - Flüssigkeitsbehälter

Info

Publication number: DE2206841A1
Application number: DE19722206841
Authority: DE
Inventors: John Baxter Reigate Surrey Gardner (Großbritannien) F28f 11 00
Original assignee: The British Oxygen Co Ltd, Lon don
Priority date: 1971-02-15
Filing date: 1972-02-14
Publication date: 1972-09-21
Also published as: AU3895372A

Description

»AT B »TA I» WALT

DiPI* ing. E. HOLZEB

R9 AÜO8BÜHG

K.400
Augsburg, den 11. Februar 1972

The British Oxygen Company Limited, Hammersmith House, London, W.6 9DX, England

Flüssigkeitsbehälter

Die Erfindung betrifft Flüssigkeitsbehälter.

Darunter sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung vorzugsweise Behälter zur Aufnahme von kryogenen Flüssigkeiten zu verstehen, d.h. von Kühlflüssigkeiten, welche zur

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Kühlung von supraleitenden Elektromagneten verwendet werden. Die Spule eines supraleitenden Elektromagneten besteht aus einem supraleitenden Material, d.h. einem Material, dessen elektrischer Widerstand bei Abkühlung unter eine kritische Temperatur, welche für das betreffende Material kennzeichnend ist, gleich Null ist. Um den Elektromagneten unter seiner kritischen Temperatur zu halten, wird dieser gewöhnlich in flüssiges Helium eingetaucht.

Wenn der elektrische Widerstand der Spule gleich Null ist, führt die Spule bei Erregung einen sehr starken elektrischen Strom. Unter bestimmten Umständen kann die Spule mit der Supraleitung aufhören und normalleitend werden, d.h. in einen Zustand übergehen, in welchem sie einen endlichen elektrischen Widerstand aufweist» Für eine sehr kurze Zeitspanne unmittelbar nach dem Normalleitendwerden führt die Spule noch den sehr starken Strom, welcher eine sehr schnelle Erwärmung der Spule hervorruft. Im allgemeinen wird die Spule nur an einer Stelle normalleitend und erzeugt dadurch eine örtliche überhitzung. In einem typischen Fall kann eine örtliche Temperatur von 200 ⁰K innerhalb einer Sekunde des Normalleitendwerdens erreicht werden. Die örtlich erzeugte Wärme wird nach und nach auf den übrigen Teil des Elektromagneten übertragen, so daß die Temperatur des Elektromagneten nach 10 s. auf 50 K angestiegen sein

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kann. Diese erzeugte Wärme verursacht ein schnelles Verdampfen einer beträchtlichen Menge desjenigen heliums, in welches der Elektromagnet eingetaucht ist. Um zu verhindern, daß der Heliumdruck einen zu großen Wert erreicht, ist es erforderlich, das gasförmige Helium aus der näheren Umgebung des Elektromagneten abzuführen.

Wenn der Heliumdampf in die Atmosphäre abgelassen wird, kann er nicht zurückgewonnen werden. Wenn der Heliumdampf hingegen in ein Vorratsgefäß hinein abgelassen wird, geht die fühlbare Kühlung in dem gasförmigen Helium bei etwa 4 ⁰K verloren. Mit "fühlbarer Kühlung" ist der Unterschied zwischen den Wärmemengen gemeint, die das abgelassene gasförmige Helium bei etwa ¹J ⁰K und bei Raumtemperatur besitzt. Wenn das Helium in ein Vorratsgefäß hinein abgelassen wird, so besteht der Nachteil, daß letzteres entsprechend groß sein muß. Es ist zwar möglich, das gasförmige Helium in einen gekühlten Raum hinein abzulassen, so daß die fühlbare Kühlung zurückgewonnen wird, es ergeben sich jedoch Schwierigkeiten bei der Auslegung eines Kühlgerätes, welches die beim Normalleitendwerden der Elektromagnetspule sehr schnell gebildeten Gasmengen aufnehmen kann. Die Gasbildungsgeschwindigkeit ist unmittelbar nach dem Normalleitendwerden besonders groß, wenn der normalleitend gewordene Teil der Spule mit dem flüssigen Helium in Berührung ist.

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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Flüssigkeitsbehälter zu schaffen, in welchem die Qasbildungsgeschwindigkeit im Falle eines Aufheizens der betreffenden Flüssigkeit auf einem zulässigen Wert gehalten werden kann·

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung einen Flüssigkeitsbehälter, welcher gekennzeichnet ist durch ein geschlossenes äußeres Gefäß, welches mit der betreffenden Flüssigkeit bis zu einem bestimmten Niveau füllbar ist, so daß ein Lerrraum übrigbleibt, und welches mit einem Flüssigkeitseinlaß und oberhalb des Flüssigkeitsniveaus mit einem Auslaß für verdampfte Flüssigkeit versehen ist, ferner durch ein in dem äußeren Gefäß mit bestimmtem Abstand von demselben angeordnetes geschlossenes inneres Qefäß zur Aufnahme eines unterhalb des Flüssigkeitsniveaus mit der Flüssigkeit in Wärmeaustausch tretenden Gegenstandes, weiter durch ein den Innenraum des inneren Gefäßes mi't dem Leerraum verbindendes Rohr, und schließlich durch eine oder mehrere in dem inneren Gefäß gebildete öffnungen für den Eintritt und Austritt der betreffenden Flüssigkeit·

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll der Ausdruck "eine oder mehrere in dem inneren Gefäß gebildete öffnungen" auch eine oder mehrere öffnungen beinhalten, die durch das äußere Gefäß und einen Teil des inneren Gefäßes, insbesondere aber durch das äußere Gefäß und ein offenes Ende de.s inneren Gefäßes gebildet sind.

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Der Ausdruck "geschlossenes inneres Gefäß" soll folglich auch ein inneres Gefäß mit einem offenen Ende beinhalten, welch letzteres so nahe bei dem äußeren Gefäß liegt, daß es mit diesem gemeinsam die "eine oder mehreren öffnungen in dem inneren Gefäß" bildet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. I teilweise im Schnitt einen

Aufriß einer mit einem Flüssigkeitsbehälter nach der Erfindung ausgerüsteten Kühlanlage, und

Fig, 2 einen Axialschnitt durch den

in Fig. 1 dargestellten Flüssigkeitsbehälter.

In den Zeichnungen ist ein supraleitender Elektromagnet 2 dargestellt, dessen vier Pole an einem Rohr k angebracht sind. Ein inneres Gefäß 6 und ein äußeres Gefäß 8, welche mit dem Rohr 4 verschweißt sind, umschließen den Elektromagnet 2. Das innere Gefäß 6 ist innerhalb des äußeren Gefäßes 8 in bestimmtem Abstand von demselben angeordnet. Das Gefäß 8 wird bis zu einem bestimmten Niveau oberhalb des inneren Gefäßes 6 mit flüssigem Helium gefüllt, so daß ein Leerraum 10 übrigbleibt. Der Elektromagnet 2, das Rohr 4 und die Gefäße β und 8 bilden gemeinsam

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eine supraleitende Elektromagnetanordnung.

Im unteren Teil des inneren Gefäßes 6 sind zwei öffnungen 12 angeordnet, damit flüssiges Helium in dieses Gefäß hinein- bzw. aus diesem Gefäß herausströmen kann. Ein auf dem inneren Gefäß angebrachtes Rohr 14 verbindet den Innenraum dieses Gefäßes mit dem Leerraum 10. Dieses Rohr l4 dient zum Druckausgleich zwischen dem Innenraum und dem Außenraum des inneren Gefäßes 6.

Das äußere Gefäß 8 ist mit einem Auslaß 16 und mit einem Einlaß 18 oberhalb und unterhalb des genannten Flüssigkeitsniveaus versehen. Eine Auslaßleitung 20 für gasförmiges Helium verbindet den Auslaß 16 mit dem Einlaß eines Kühlgerätes 22. Eine Einlaßleitung 2k für flüssiges Helium verbindet den Auslaß des Kühlgerätes mit dem Einlaß 18. Ein Rückschlagventil 26 ist in der Auslaßleitung 20 angeordnet. Das äußere Gefäß 8 ist mit einem überdruckventil 28, welches bei einem Druck von 4 Atmosphären öffnet, und mit einer Sollbruchscheibe versehen, welche bei einem Druck von 6 Atmosphären bricht.

Bei der Vorbereitung der Kühlanlage für den Betrieb wird flüssiges Helium mittels nicht dargestellter Einrich-

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tungen bis zu dem in den Zeichnungen dargestellten Niveau in die Gefäße 6 und 8 eingeleitet. Das flüssige Helium tritt in das innere Gefäß 6 über die öffnunen 12 ein, so daß dieses innere Gefäß vollständig in flüssigem Helium untergetaucht ist. Das in dem inneren Gefäß 6 enthaltene flüssige Helium kühlt dabei den Magnet 2 und das Rohr k, so daß der Innenraum des Rohres k einen Tieftemperaturexperimentierbereich 29 bildet, welcher dem Feld des Elektromagneten 2 ausgesetzt werden kann.

Wenn die Spulen des Elektromagneten 2 normalleitend werden, heizen sie sich auf und verdampfen schnell mindestens einen Teil des innerhalb des inneren Gefäßes 6 unmittelbar den Elektromagneten umgebenden flüssigen Heliums. Das entstehende gasförmige Helium treibt flüssiges Helium über die unteren öffnungen 12 aus, so daß sich der Innenraum des inneren Gefäßes 6 mit gasförmigem Helium füllt. Ein Teil dieses gasförmigen Heliums wird über das Rohr I¹I abgelassen, um das Aufbauen eines Hochdruckes innerhalb des inneren Gefäßes zu verhindern. Die durch den Elektromagneten 2 erzeugte Wärme verdampft außerdem einen Teil des flüssigen Heliums außerhalb des inneren Gefäßes 6. Das in dem äußeren Gefäß 8 auftretende gasförmige Helium wird über eine Auslaßleitung 20 und über das Rückschlag-

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ventil 26 dem Kühlgerät 22 zugeleitet, in welchem dieses gasförmige Helium rückverflüssigt wird. Dieses flüssige Helium wird über die Einlaßleitung 2k in das äußere Gefäß zurückgeleitet.

Gasförmiges Helium hat eine viel niedrigere thermische Leitfähigkeit als flüssiges Helium. Demzufolge verlangsamt die den Elektromagneten 2 innerhalb des inneren Gefäßes umgebende Gasschicht die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zwischen dem Elektromagnet 2 und dem flüssigen Helium außerhalb des inneren Gefäßes 6. Diese Verminderung des Wärmeaustausches zwischen dem Elektromagneten und dem flüssigen Helium sinkt bis auf die Geschwindigkeit ab, mit welcher gasförmiges Helium dem Kühlgerät 22 zugeleitet wird. Der Vorteil besteht darin, daß das Kühlgerät 22 dann mindestens den größeren Teil des verdampften Heliums verflüssigen und das verflüssigte Helium in das äußere Gefäß 8 zurückleiten kann. Die Kühlanlage ist derart ausgelegt, daß während der Zeit, während welcher das gasförmige Helium verflüssigt und in das Gefäß 8 zurückgeleitet wird, der Elektromgnet 2 nach dem Normalleitendwerden wieder abzukühlen beginnt. Demzufolge wird das flüssige Helium in einem Zeitpunkt zurückgeleitet, in welchem es das erneute Abkühlen des Elektromagneten 2 unterstützt.

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Der Elektromagnet 2 kann bei der dargestellten Anordnung beispielsweise eine Minute oder mehr benötigen, um das gesamte gasförmige Helium aus dem äußeren Gefäß 8 auszutreiben. Das Kühlgerät 22 ist derart ausgelegt, daß es diesen Gaszustrom aufnimmt und das verflüssigte Helium in das Gefäß 8 zurückleitet. Im Gegensatz dazu würde in einer herkömmlichen supraleitenden Elektromagnetanordnung wahrscheinlich das gesamte Helium in etwa 10 s ausgetrieben werden, während der Elektromagnet noch am Beginn seines Aufheizens ist. Es ergeben sich Schwierigkeiten bei der Konstruktion eines Kühlgerätes, welches diese große Zustrommenge von gasförmigem Helium aufnehmen kann. Außerdem würde das verflüssigte Helium in das Gefäß zurückgeleitet werden, während der Elektromagnet noch aufgeheizt wird. Das hätte zur Folge, daß das zurückgeleitete verflüssigte Helium sofort erneut verdampft und in den Kreislauf eingeleitet würde. Aus diesem Grund wäre eine zusätzliche Kühlung erforderlich. Bei der beschriebenen Kühlanlage, welche mit dem Flüssigkeitsbehälter nach der Erfindung ausgerüstet ist, kann der Elektromagnet normalleitend werden, ohne daß dadurch die fühlbare Kühlung des gasförmigen Heliums verlorengeht und ohne daß in dem Gefäß 8 durch das gasförmige Helium ein zu großer Druck aufgebaut wird.

Anzahl und Größe der öffnungen 12 sowie der Querschnitt

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des Rohres l4 sind derart gewählt, daß Helium aus dem inneren Gefäß 6 ausreichend schnell austritt, um einen Druckaufbau innerhalb des inneren Gefäßes zu verhindern. Gewöhnlich hat das Rohr 14 einen kleineren Querschnitt als der Gesamtquerschnitt der Öffnungen 12. Praktisch werden zwei oder mehr als zwei Öffnungen 12 verwendet. Eine einzelne langgestreckte Öffnung kann jedoch ebenfalls verwendet werden.

Im allgemeinen ist die Kühlanlage derart konstruiert, daß gasförmiges Helium während einer Zeitspanne von etwa einer Minute aus dem äußeren Gefäß ausgetrieben wird. Dadurch wird ein zu starker Druckaufbau innerhalb der Gefäße 6 und 8 verhindert und ein herkömmliches Kühlgerät 22 ist in der Lage, ohne große Schwierigkeiten das Helium zu verflüssigen und in das Gefäß 8 zurückzuleiten.

Der dargestellte Elektromagnet 2 ist zwar ein vierpoliger Elektromagnet, es kann jedoch jede beliebige Bauart eines supraleitenden Elektromagneten bzw. eines supraleitenden Solenoids innerhalb der mit dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsbehälter versehenen Kühlanlage verwendet werden.

Das Rohr k und die Gefäße 6 und 8 können aus jedem

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geeigneten Material hergestellt werden, welches den Betriebstemperaturen der Kühlanlage standhält. Rostfreier Stahl ist ein bevorzugtes Material, weil es leicht zu bearbeiten ist und ansprechend aussieht.

Das innere Gefäß und das äußere Gefäß bestehen jeweils aus einem zylindrischen Teil, welcher mit zwei ringförmigen Endplatten verschweißt ist.

Die Anordnung wird derart hergestellt, daß zuerst die Pole des Elektromagneten 2 an dem Rohr H angebracht werden. Die Endplatten des inneren Gefäßes 6 werden sodann an das Rohr H angeschweißt. Anschließend wird der zylindrische Teil mit den Endplatten verschweißt. Die Endplatten des äußeren Gefäßes 8 werden danach mit dem Rohr 4 verschweißt und schließlich wird der zylindrische Teil des äußeren Gefäßes mit diesen Endplatten verschweißt. Die Rohre 20 und 2k werden sodann mit dem äußeren Gefäß 8 verschweißt, damit die Anordnung mit dem Kühlgerät verbunden werden kann.

Das innere Gefäß 6 kann entweder aus einem magnetischen oder aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt werden« Bei Verwendung eines magnetischen Materials kann dieses zur Beeinflussung des Feldes des Elektromagneten 2 verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche:

IJ Flüssigkeitsbehälter, gekennzeichnet durch ein geschlossenes äußeres Gefäß (8), welches mit der betreffenden Flüssigkeit (9) bis zu einem bestimmten Niveau füllbar ist, so daß ein Leerraum (10) übrigbleibt, und welches mit einem Flüssigkeitseinlaß (18) und oberhalb des Flüssigkeit sniveaus mit einem Auslaß (16) für verdampfte Flüssigkeit versehen ist, ferner durch ein in dem äußeren Gefäß mit bestimmtem Abstand von demselben angeordnetes geschlossenes inneres Gefäß (6) zur Aufnahme eines unterhalb des Flüssigkeitsniveaus mit der Flüssigkeit in Wärmeaustausch tretenden Gegenstandes (2), weiter durch ein den Innenraum des inneren Gefäßes mit dem Leerraum verbindendes Rohr (I¹I), und schließlich durch eine oder mehrere in dem inneren Gefäß gebildete öffnungen (12) für den Eintritt und Austritt der betreffenden Flüssigkeit,
2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßquerschnitt des Rohres (I¹I) kleiner ist als die Gesamtquerschnittsfläche der öffnungen (12).
3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Gefäß mit zwei oder mehr als

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zwei öffnungen (12) für den Flüssigkeitsaustausch versehen ist.
4. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Gefäß (6) mit einer einzigen öffnung (12) für den Flüssigkeitsaustausch versehen ist.
5· Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Kühlgerät (22), welches mit dem äußeren Gefäß (8) zu einem geschlossenen Kreislauf für die betreffende Flüssigkeit (9) und deren Dampf verbunden ist.
6. Behälter nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch ein Rückschlagventil (26), welches in einer Leitung zwischen dem Auslaß (16) des äußeren Gefäßes (8) und dem Kühlgerät (22) angeordnet ist.
7. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Gefäß (6) aus einem magentischen Material hergestellt ist.
8. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der betreffenden Flüssigkeit (9) in Wärmeaustausch tretende Gegenstand (2) ein Elektromagnet ist,

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9· Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gefäß (8) mit ei.nem Überdruckventil (28) versehen ist, welches bei einem bestimmten Druck in dem äußeren Gefäß öffnet.
10. Behälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gefäß (8) mit einer Sollbruchscheibe versehen ist, welche bei einem höheren Druck als dem einen bestimmten Druck bricht.

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