DE3148426A1 - Liquid/gas phase separator - Google Patents

Liquid/gas phase separator

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Abstract

The liquid/gas phase separator, by means of which cold gas for a refrigeration system can be taken via a line from an insulated container filled with a cryogenic fluid, has a sound pressure generator (1.2), in particular an ultrasonic transducer, whose vibrating surface or surfaces (1.21, 1.22, 1.23) points or point towards the fluid (LH2) flowing in. <IMAGE>

Description

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Flüssigkeits-Gas-Phasentrenner Liquid-gas phase separator

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeits-Gas-Phasentrenner mit welchem aus einem mit einer kryogenen Flüssigkeit gefüllten Isolierbehälter Kaltgas für ein Kühlsystem über eine Leitung entnehmbar ist.The invention relates to a liquid-gas phase separator with which cold gas for a cooling system via a line from an insulating container filled with a cryogenic liquid is removable.

Zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff, Helium, Stickstoff, etc= im schwerelosen Raum über eine längere Zeit ist es bekannt, die im wesentlichen aufgrund von Kapillarkräften im Isolierbehälter verteilte kryogene Flüssigkeit mittels eines auf Kapillarkräften beruhenden Sammelsystems in flüssiger Form abzuziehen und über ein Drosselventil sowie einen Wärmetauscher su verdampfen (Cryogenic Engineering Conference, 10.-14.8.81, San Diego). Derartige Phasentrenner,, die die relative geringe Oberflächenspannung von kryogenen Flüssigkeiten zur Unterscheidung von Flüssigkeit und Gas ausnutzen,, sind vergleichsweise aufwendig, wobei die eigentliche Phasentrennung lediglich in einem Bereich mit extrem geringen Abmessungen (wenige μπι) stattfindet.For storing liquid hydrogen, helium, nitrogen, etc = in weightless space over a long period of time, it is known that essentially due to capillary forces in the insulating container distributed cryogenic liquid by means of a capillary action based collection system in liquid form and evaporate via a throttle valve and a heat exchanger su (Cryogenic Engineering Conference, August 10-14, 1981, San Diego). Such phase separators, which have the relatively low surface tension of cryogenic liquids to differentiate between liquid and gas, are comparatively expensive, the actual phase separation taking place only in an area with extremely small dimensions (a few μπι).

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Flüssigkeits-Gas-Phasentrenner au schaffen, mit welchem aus einem mit einer kryogenen Flüssigkeit gefüllten Isolierbehälter ausschließlich Kaltgas auch im schwerelosen Raum oder bei heftig bewegtem Isolierbehälter entnehmbar ist. Diese Aufgabe wird durch einen nach den Patentansprüchen ausgebildeten Phasentrenner gelöst.It is the object of the invention to provide a liquid-gas phase separator au create with which from one with a cryogenic liquid Only cold gas can be removed from the filled insulated container, even in a weightless room or when the insulated container is vigorously moved is. This object is achieved by a phase separator designed according to the claims.

Der erfindungsgemäße Phasentrenner liefert bereits am Schalldruckgenerator ausschließlich Gas bzw. Sattdampf, der dann nachfolgend nur noch durch konventionelle Drosselregelung weiterbehandelt werden kann.The phase separator according to the invention already supplies the sound pressure generator exclusively gas or saturated steam, which is then only further treated by conventional throttle control can be.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger in den Figuren teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. The invention is described below with the aid of some exemplary embodiments that are partially shown schematically in the figures.

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Es zeigenShow it

Fig. 1 einen Phasentrenner für ein im Weltall zur Anwendung kommendes Kühlsystem,1 shows a phase separator for a cooling system used in space,

Fig. 2 einen Phasentrenner mit hohlkegelförmiger Schallerzeugungsflache, 2 shows a phase separator with a hollow conical sound generating surface,

Fig. 3 einen Phasentrenner gemäß Fig. 2 mit Gasfluß durch den Schalldruckgenerator,3 shows a phase separator according to FIG. 2 with gas flow through the sound pressure generator,

Fig. 4 einen Phasentrenner mit kegelförmiger Schallerzeugungsfläche und Gasfluß durch den Schalldruckgenerator. 4 shows a phase separator with a conical sound generating surface and gas flow through the sound pressure generator.

Der in Fig. 1 dargestellte Phasentrenner dient beispielsweise innerhalb eines kryogenen Kühlsystems mit flüssigem Wasserstoff für die Anwendung im Weltraum dazu, daß am Austritt des Phasentrenners 1 nur noch reines Gas anfällt, das über ein nachgeschaltetes Abgasrohrsystem 2 zur Kühlung von beispielsweise Strahlungsschilden, Infrarotsystemen u. dgl. verwendet wird, bevor es in den Weltraum abströmt. Da die eigentliche Phasentrennung bereits am Ausgang des Phasentrenners 1 abgeschlossen ist und an dem nachgeschalteten Drossel-Regelventil 3 nur noch Gas ankommt, findet die zur Selbstkühlung der kryogenen Flüssigkeit über den Wärmetauscher 4 erforderliche Temperatursenkung nur noch in der Gasphase statt. Durch diese Temperatursenkung und den Wärmetausch des abströmenden Gases mit der flüssigen Phase innerhalb des Isolierbehälters 5 wird erreicht, daß die auch bei guter Isolierung verbleibende restliche Wärmebelastung durch Strahlung u. dgl. nicht zur Erwärmung der kryogenen Flüssigkeit im Tank führt.The phase separator shown in FIG. 1 is used, for example, within a cryogenic cooling system with liquid hydrogen for use in space to the fact that at the exit of the phase separator 1 only pure gas is obtained that has a downstream exhaust pipe system 2 for cooling, for example, radiation shields, infrared systems and the like before it escapes into space. Since the actual phase separation has already been completed at the output of phase separator 1 and only gas arrives at the downstream throttle control valve 3, takes place for self-cooling of the cryogenic Liquid through the heat exchanger 4 required temperature reduction only takes place in the gas phase. Through this temperature reduction and the heat exchange of the outflowing gas with the liquid phase within the insulating container 5 is achieved that the remaining even with good insulation Exposure to heat due to radiation and the like does not lead to heating of the cryogenic liquid in the tank.

* 4* 4

3Η84.263Η84.26

* » β α φ — 5 —* »Β α φ - 5 -

Der innerhalb des Isolierbehälters angeordnete Phasentrenner besteht aus einem Gehäuse 1.1, in dessen Mitte ein Schalldruckgenerator 1.2, vorzugsweise ein Ultraschallgeber, z.B. auf der Basis eines Schwingquarzes, so angeordnet ist, daß die über ein Rohrstück 1.3 zuströmende Flüssigkeit, z.B. flüssiger Wasserstoff LH2 in Richtung auf die schallerzeugende Fläche 1.21 strömt. Die Frequenz des Schalldruckgeneräors und die Abmessungen des Rohres 1.3 sind so bemessen, daß innerhalb des Rohres eine stehende Welle erzeugt wird, die einen Schalldruck besitzt, der groß genug ist, um ein vollständiges Eindringen des Wasserstoffs im flüssigen Zustand in das Rohr 1.3 zu verhindern ο Der Strömungsdruckverlust innerhalb des Rohres und im Gehäuse sowie in der Leitung 6 bis zum Drossel-Regelventil 3 wird so bemessen, daß er stets erheblich kleiner 1st als der Druckabfall in dem Ventil 3 selbst.The disposed inside of the insulated phase separator consists of a housing 1.1 in the middle of a sound pressure generator 1.2, an ultrasonic transducer, for example, preferably on the basis of a quartz crystal, is arranged so that the flowing through a pipe piece 1.3 liquid, for example liquid hydrogen LH 2 in the direction flows onto the sound-generating surface 1.21. The frequency of the sound pressure generator and the dimensions of the pipe 1.3 are such that a standing wave is generated within the pipe which has a sound pressure high enough to prevent complete penetration of the hydrogen in the liquid state into the pipe 1.3 ο The flow pressure loss within the pipe and in the housing as well as in the line 6 up to the throttle control valve 3 is dimensioned so that it is always considerably smaller than the pressure drop in the valve 3 itself.

Der in Fig. 2 dargestellte Phasentrenner ist ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten aufgebaut, weist jedoch eine hohlkegelförmige Schallerzeugungsfläche 1.22 auf. Der Vorteil einer derartigen Schallerzeugungsfläche besteht darin, daß eine Schallkonzentration (Fokussierung) erzeugt wird und daß die Schall emittierende Fläche bei gleicher Stirnfläche größer ist.The phase separator shown in Fig. 2 is constructed similarly to that shown in Fig. 1, but has a hollow cone-shaped Sound generating area 1.22. The advantage of such a sound generating surface is that a sound concentration (Focusing) is generated and that the sound-emitting surface is larger for the same frontal area.

Die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Phasentrenner unterscheiden sich von den vorherigen dadurch, daß bei diesen das Resonatorrohr entfallen kann. Das entweder von einer hohlkegelförmigen Schallerzeugungsfläche 1.22 (Fig. 3) bzw. kegelförmigen Schallerzeugungsfläche 1.23 (Fig. 4) erzeugte Schallfeld 7 wird direkt in die kryogene Flüssigkeit, z.B. flüssiger Wasserstoff LH2 abgestrahlt» Die Flüssigkeit selbst wird dadurch an einem Vordringen in den Bereich vor der Schallerzeugungsflache gehindert. Durch eine jeweils in der Kegelachse angeordnete Bohrung 1.4 innerhalb des Schalldruckgenerators strömt daher ausschließlich gasförmiger Wasserstoff (GH2) ab. Der Ausgang des Kanals 1.4 ist dazu von einem Gehäuse 1.1 um-The phase separators shown in FIGS. 3 and 4 differ from the previous ones in that the resonator tube can be omitted in these. The sound field 7 generated either by a hollow conical sound generating surface 1.22 (Fig. 3) or a conical sound generating surface 1.23 (Fig. 4) is radiated directly into the cryogenic liquid, e.g. liquid hydrogen LH 2. The liquid itself is thereby penetrating into the area prevented in front of the sound generating surface. Therefore, exclusively gaseous hydrogen (GH 2 ) flows out through a bore 1.4 arranged in the cone axis within the sound pressure generator. For this purpose, the outlet of the channel 1.4 is surrounded by a housing 1.1.

Γ*=:":. 1 ■">:>: 1 3H8426Γ * =: ":. 1 ■">:>: 1 3H8426

geben und somit gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Der gasförmige Wasserstoff wird dann über eine Leitung 6, ähnlich wie in Fig. 1, einem nicht mehr dargestellten Drossel-Regelvetifcil zugeführt.give and thus closed off from the environment. The gaseous one Hydrogen is then via a line 6, similar to that in FIG. 1, to a throttle control valve, which is no longer shown fed.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS Flüssigkeits-Gas-Phasentrenner, mit welchem aus einem mit einer kryogenen Flüssigkeit gefüllten Isolierbehälter Kaltgas für ein Kühlsystem über eine Leitung entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Phasentrenner (1) einen Schalldruckgenerator (1.2), insbesondere einen ültraschallgeber, aufweist, dessen schwingende Fläche bzw. Flächen (1.21, 1.22, 1.23) gegen die zuströmende Flüssigkeit (LH2) gerichtet ist bzw. sind,Liquid-gas phase separator, with which cold gas for a cooling system can be removed via a line from an insulating container filled with a cryogenic liquid, characterized in that the phase separator (1) has a sound pressure generator (1.2), in particular an ultrasonic generator, the oscillating surface of which or surfaces (1.21, 1.22, 1.23) are directed against the inflowing liquid (LH 2 ), Phasentrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schalldruckgenerator (1.2) in einem Gehäuse (1.1) angeordnet ist, von dessen Stirnseite her die kryogene Flüssigkeit über eine mittig angeordnete Zuleitung (1.3) auf die schwingende(n) Fläche(n) (1.21, 1.22, 1.23) zuströmt, darin vollständig verdampft und an dessen Rückseite als Kaltgas abgeführt wird.Phase separator according to Claim 1, characterized in that the sound pressure generator (1.2) is in a housing (1.1) is arranged, from the end of which the cryogenic liquid via a centrally arranged Feed line (1.3) to the vibrating surface (s) (1.21, 1.22, 1.23) flows in, is completely evaporated in it and discharged as cold gas on the rear side. /2/ 2 : ::":· Ί V ■ ':': *:- "3U8426: :: ": · Ί V ■ ':': * : - " 3U8426 3. Phasentrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet , daß der Schalldruckgenerator (1.2) in der schwingenden Fläche (1.22, 1.23) eine zentrale öffnung (1.4) aufweist, durch welche die3. Phase separator according to claim 1 or 2, characterized
characterized in that the sound pressure generator (1.2) in the oscillating surface (1.22, 1.23) has a central opening (1.4) through which the vor der Fläche verdampfende Flüssigkeit abgeführt wird.in front of the surface evaporating liquid is discharged. 4. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die schwingende(n)
Fläche(n) (1.21, 1.22, 1.23 ) des Schalldruckgenerators
(1.2) eben, kegel- oder hohlkegelförmig ist bzw. sind.4. Phase separator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the oscillating (s)
Area (s) (1.21, 1.22, 1.23) of the sound pressure generator
(1.2) is or are flat, conical or hollow conical. 5. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß dem Schalldruckgenerator (1.2) ein Regelventil (3) sowie ein mit dem Inneren des Isolierbehälters (5) in thermischem Kontakt stehender Wärmetauscher (5) nachgeschaltet ist.5. Phase separator according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the sound pressure generator (1.2) has a control valve (3) and one with the interior the insulating container (5) in thermal contact standing heat exchanger (5) is connected downstream. 6. Phasentrenner nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η - ' zeichnet , daß der Schalldruckgenerator (1.2)
und/oder das Regelventil (3) und/oder der Wärmetauscher (4) innerhalb des Isolierbehälters (5) angeordnet sind.6. phase separator according to claim 5, characterized in that the sound pressure generator (1.2)
and / or the control valve (3) and / or the heat exchanger (4) are arranged within the insulating container (5).
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