DE4126054C2 - Kältemittel-Verbrauchsmeßsystem - Google Patents
Kältemittel-VerbrauchsmeßsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kältemittel-Verbrauchsmeßsystem zur
Messung des Verbrauchs eines Kältemittels in einem
Niedrigtemperaturgefäß, wobei der Verbrauch und die Kühlwirkung
des Kältemittels auf der Verdampfung des Kältemittels beruhen,
mit einem Strömungsweg zur Ableitung des verdampften
Kältemittelgases aus dem Niedrigtemperaturgefäß in die
umgebende Atmosphäre, und mit einem in dem Strömungsweg
angebrachten Durchflußströmungsmesser zur Messung des Massen-
oder Volumenstroms des verdampften Kältemittelgases.
Ein Kältemittel wird dazu verwendet, um in einem
Niedrigtemperaturgefäß die Temperatur sehr niedrig zu halten.
Ein Beispiel eines Kältemittels ist flüssiges Helium. Das Gefäß
(beispielsweise ein Kryostat für einen supraleitenden Magneten)
ist so ausgebildet, um einen Wärmeübergang von außen zu
verhindern. Da es aber nicht möglich ist, den Wärmeübergang
völlig zu sperren, wird das Kältemittel verdampft, um die
Temperatur innerhalb des Gefäßes auf dem gewünschten Wert zu
halten. Das verdampfte Kältemittel wird durch einen Weg,
beispielsweise ein Rohr, nach außen abgegeben. Es ist
erforderlich, die Menge des verbrauchten Kältemittels zu
messen, um die Kältemittelverbrauchsdaten zu erfahren.
Ein dem betreffenden Fachmann allgemein bekanntes Kältemittel-
Verbrauchsmeßsystem, nach dem der Oberbegriff des Anspruchs 1
gebildet ist, ist in Fig. 2 dargestellt. Wie gezeigt, wird
Kältemittel, beispielsweise flüssiges Helium 2, in einem
Niedrigtemperaturbehälter 1 aufgenommen. Das verdampfte
Kältemittel wird durch ein Rohr 4 abgegeben. Ein
Gasmassenströmungsmesser 5 ist an das Ende des Rohrs
angeschlossen, um die Massenströmungsrate des abgegebenen Gases
zu messen. Das Meßergebnis, die Strömungsrate, wird durch einen
Schreiber, beispielsweise einen Tintenschreiber, aufgezeichnet,
der an den Strömungsmesser 5 angeschlossen ist.
Der Auslaß 5b des Gasströmungsmessers 5 ist zur Umgebung hin
geöffnet, so daß das durch das Rohr 4 und den
Gasströmungsmesser 5 fließende Gas an die Umgebung abgegeben
wird.
Eine Schwierigkeit, die bei dem bekannten Kältemittel-
Verbrauchsmeßsystem auftritt, liegt darin, daß bei Änderung des
atmosphärischen Druckes die Strömung des verdampften Gases
beeinflußt wird. Das heißt, die Strömung des verdampften Gases
schwankt, selbst wenn der Verbrauch d. h. die Verdampfungsrate
des Kältemittels, konstant ist, und die Strömung des verdampf
ten Gases entspricht nicht genau dem Kältemittelverbrauch.
Aus der Zeitschrift "Cryogenics, January 1976, p. 45" ist ein
Absolutdruckregler für Helium-Kryostate bekannt, der in einer
Gasströmungsweganordnung zwischen dem Kryostat und der Umgebung
angeordnet ist. Der Absolutdruckregler umfaßt eine Kammer mit
einem Balg, der bei einem bestimmten Druck gegen die Kraft
einer Feder ein Ventil öffnet, so daß eine Gasmenge in eine
Kammer abgeführt wird, die über eine Leitung mit der Umgebung
verbunden ist. Der Absolutdruckregler dient dazu, den
Arbeitsdruck im Kryostat unabhängig vom Druck des umgebenden
Mediums auf einem vorgegebenen Niveau zu halten. Der in dieser
Druckschrift beschriebene Konstantdruckbehälter ist
ausschließlich auf eine Konstanthaltung des
Kältemittelgasdrucks im Niedrigtemperaturgefäß gerichtet.
Nachteilig ist auch, daß dort die Strömungsrate des aus dem
Kältemittel verdampften Gases nicht ermittelt werden kann.
Ein Verfahren zum Steuern des Rückkühlvorganges von
supraleitenden Wicklungen, falls die Wicklungen durch einen
Störfall normalleitend geworden sind, ist aus der DD-PS 1 44 617
bekannt. Um einen schnellen Rückkühlvorgang mit einem Minimum
an Kältemittel zu erreichen, berechnet ein Prozeßrechner die
Energieaufnahme aus der Messung der Stromaufnahme und des
inneren Widerstands der Wicklung und die Energieabgabe aus der
Messung des Drucks, der Temperatur und der Durchsatzmenge des
verdampften Kältemittels. Nach einem Vergleich der
Energieaufnahme und Energieabgabe wird eine entsprechende Menge
an Kältemittel aus einem Vorratsbehälter zugeführt. Es fehlt
hier jedoch ein Behälter, der in einer Gasströmungsweganordnung
zur Leitung des verdampften Kältemittelgases aus dem Kryostat
zur Umgebung angeordnet ist.
Aus der DD 2 39 461 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Temperaturregulation in Kryostaten bekannt, wobei ein
Vorratsbehälter mit kryogener Flüssigkeit über eine
Rohrzuleitung und ein Tieftemperaturmagnetventil mit einer
Kältekammer verbunden ist. Eine programmierbare
Regeleinrichtung erhält Informationen von einem
Temperatursensor und einem Drucksensor und regelt entsprechend
das Tieftemperaturmagnetventil, Heizelemente in der Kältekammer
und im Vorratsbehälter sowie ein Druckablaßmagnetventil für den
Vorratsbehälter. Diese Vorrichtung weist weder eine
Gasströmungsweganordnung zwischen einem Kryostat und der
Umgebung, in der ein Behälter mit konstant gehaltenem Druck
angeordnet ist, noch eine Gasströmungsmeßeinrichtung zwischen
Kryostat und einem solchen Behälter auf.
Die DE-PS 15 23 362 offenbart eine Steuervorrichtung zur
Druckregelung in Badkryostaten, wobei ein inneres Gefäß mit
Flüssighelium von einem äußeren Gefäß mit flüssigem Stickstoff
umgeben ist. Das innere Gefäß ist über eine Anschlußleitung mit
einem Druckregler verbunden, der über eine Steuerleitung ein
Faltenbalg-Regelventil kontrolliert, das in einer Abgasleitung
des inneren Gefäßes angeordnet ist. Durch das vom Druckregler
betätigte Faltenbalg-Regelventil wird der Druck im Kryostat
konstant gehalten. Diese Steuervorrichtung weist weder einen
Behälter mit konstant gehaltenem Druck in der
Gasströmungsweganordnung noch eine Einrichtung zur Messung der
Strömungsrate des verdampften Kältemittelgases auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kältemittel-
Verbrauchsmeßsystem mit Auslaß des verdampften Kältemittelgases
in die umgebende Atmosphäre zu schaffen, dessen Meßergebnisse
durch einen schwankenden Atmosphärendruck nicht verfälscht
werden.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß dem
Durchflußströmungsmesser ein Konstantdruckbehälter unmittelbar
nachgeschaltet ist, in den das verdampfte Kältemittelgas gegen
einen konstanten Kältemittelgasdruck einströmt und aus dem es
gegen den Druck der umgebenden Atmosphäre durch ein geregeltes
Auslaßventil ausströmt, und daß dem Auslaßventil eine
Regeleinrichtung zugeordnet ist, welche von einem den Druck des
Kältemittelgases in dem Konstantdruckbehälter registrierenden
Drucksensor angesteuert wird und den Druck des Kältemittelgases
in dem Konstantdruckbehälter auf einem vorgegebenen Druckwert
oberhalb des höchsten zu erwartenden Druckes der umgebenden
Atmosphäre unter Normalbedingungen konstant hält.
Aus dem Stand der Technik war es bislang nicht bekannt, daß bei
Aufrechterhaltung eines konstanten Druckniveaus eine
Strömungsrate erhalten werden kann, die direkt dem
Kältemittelverbrauch entspricht. Bislang wurden die Messung der
Durchsatzmenge des verdampften Kältemittels und die
Aufrechterhaltung eines konstanten Druckniveaus stets
unabhängig voneinander betrachtet und ausgeführt. Erst durch
die erfindungsgemäße Kombination aus der Aufrechterhaltung
eines konstanten Drucks innerhalb des Behälters und einer
Messung der Strömungsrate zwischen dem Niedrigtemperaturgefäß
und dem Behälter wird der gewünschte Effekt erzielt. Es ist aus
dem Stand der Technik nicht entnehmbar, einen Kältemittel-
Strömungsmesser in Verbindung mit einem Konstantdruckbehälter
vorzusehen, wie dies bei der Erfindung der Fall ist. Erst mit
der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß bei der Anordnung
einer Gasströmungsmeßeinrichtung zwischen dem Kryostat und dem
Behälter mit konstantem Druck gemäß Patentanspruch 1 durch eine
Messung der Strömungsrate unmittelbar der Kältemittelverbrauch
erfaßt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Auslaßventil als
Elektromagnetventil ausgebildet.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Kältemittel-Verbrauchsmeßsystems,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines bekannten
Kältemittel-Verbrauchsmeßsystems,
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
eines Gasströmungsmessers, und
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Gasströmungsmessers.
Es wird auf die Einzelbeschreibung bevorzugter
Ausführungsformen Bezug genommen. Gemäß Fig. 1 wird ein
Kältemittel, beispielsweise flüssiges Helium 2, in einem
Niedrigtemperaturgefäß 1 aufgenommen. Das verdampfte
Kältemittel wird durch ein Rohr 4 abgegeben. Ein
Gasmassenströmungsmesser 5 ist an das Ende des Rohrs 4 ange
schlossen, um die Massenströmung des abgebenen Gases zu messen. Das
Meßergebnis, die Strömungsrate, wird von einem Schreiber,
beispielsweise einem Tintenschreiber, aufgezeichnet, der an den
Strömungsmesser 5 angeschlossen ist.
Der Auslaß 5b des Gasströmungsmessers ist an einen
Konstantdruckbehälter 7 angeschlossen, der einen Auslaß 7a zur
Verbindung mit der Umgebung über ein Elektromagnetventil 11
hat, dessen Austrittsöffnung (das Ausmaß in welchem Gas durch
das Ventil strömen kann) kontinuierlich entsprechend einem
elektrischen Signal regelbar ist, das dem Ventil über die
elektrischen Zuleitungen 18 zugeführt wird.
Ein Gasdrucksensor 8 erfaßt den Druck innerhalb des Behälters 7
und sein Ausgangssignal wird durch einen Verstärker 9
verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 9 wird einem
Regler 10 für das Elektromagnetventil zugeführt. Der Regler 10
vergleicht den tatsächlichen Druck innerhalb des Behälters, wie
er durch das Signal aus dem Verstärker 9 dargestellt wird, mit
einem bestimmten vorgegebenen Schwellenwert. Dieser
Schwellenwert entspricht vorzugsweise einem Druck von
beispielsweise 1040 mbar, der ein wenig höher als der
Druckbereich ist, in welchem der atmosphärische Druck sich
unter Normalbedingungen ändert. Abhängig vom Ergebnis des
Vergleichs erzeugt der Regler 10 ein elektrisches Signal, das
die Öffnung des Elektromagnetventils 11 bestimmt. Ist
beispielsweise der tatsächliche Druck niedriger als der
Bezugswert, so liefert der Regler 10 ein derartiges
elektrisches Signal, daß die Öffnung des Elektromagnetventils
11 verringert wird. Ist der tatsächliche Druck höher als der
Bezugswert, so liefert der Regler 10 ein derartiges
elektrisches Signal, daß die Öffnung des Elektromagnetventils
11 vergrößert wird. Das durch das Ventil 11 strömende Gas wird
an die Umgebung abgegeben.
Beim Betrieb wird wegen der in den Behälter 1 von außen
abgegebenen Wärme das Kältemittel 2 verdampft und hält die
Temperatur innerhalb des Behälters 1 auf dem gewünschten Wert.
Das verdampfte Gas, das durch den Gasströmungsmesser 5
hindurchtritt, gelangt in den Behälter 7 und wird dann zur
Umgebung über das Elektromagnetventil 11 abgegeben. Die
Gasströmung durch das Elektromagnetventil 11 wird jedoch in der
vorstehend beschriebenen Weise geregelt, um den Druck innerhalb
des Behälters 7 konstant zu halten. Die Gasströmungsrate durch
den Gasströmungsmesser 5 wird daher durch die Änderungen im
atmosphärischen Druck nicht beeinflußt, und die vom
Gasströmungsmesser 5 gemessene Strömungsrate entspricht genau
der Kältemittel-Verbrauchsrate innerhalb des Behälters 1.
Anders ausgedrückt, es wird eine genaue Messung bezüglich des
Kältemittelverbrauchs durchgeführt.
Für die Bestimmung des dem Elektromagnetventil 11 zugeführten
elektrischen Signals kann der Regler 11 jeden bekannten
Regelvorgang durchführen, um den Druck auf einem konstanten
Wert zu halten. Der vom Regler 11 durchgeführte Regelvorgang
kann nicht nur einen proportionalen Regelvorgang P
einschließen, sondern auch einen integralen Regelvorgang I
und/oder eine differenzierende Regelung D, die an sich
wohlbekannt sind.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist die Öffnung des
Elektromagnetventils kontinuierlich veränderlich. Das
Elektromagnetventil kann als Alternative von einer Bauart sein,
die entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen
ist. In einem solchen Falle erfolgt eine Ein-Aus-Regelung, bei
der, wenn der Druck innerhalb des Behälters 7 über einen
Schwellenwertpegel ansteigt, das Ventil geöffnet wird, während,
wenn der Druck innerhalb des Behälters 7 unterhalb des
Schwellenwertpegels liegt, das Ventil geschlossen ist.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird ein
Elektromagnetventil für die Einstellung des Drucks im Behälter
verwendet. Andere Einrichtungen, wie beispielsweise ein
Schieber, können statt dessen verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Strömungsmessers 5 ist in Fig. 3
angegeben. Wie dargestellt, umfaßt es ein Rohr 12 mit einem
ersten Ende 12a, das den Einlaß 5a des Gasströmungsmessers 5
bildet und einem zweiten Ende 12b, das den Auslaß 5b des
Gasströmungsmessers 5 bildet. Das Rohr 12 besteht aus einem
wärmeerzeugenden Widerstandswerkstoff. Ein erstes und zweites
Thermoelement 13a und 13b sind vorgesehen, um die Temperatur am
ersten Ende 12a und am zweiten Ende 12b des Rohrs 12 zu
erfassen. Eine Rechenschaltung 14 ist mit den Thermoelementen
13a und 13b verbunden und bestimmt die Strömungsrate
entsprechend der Temperaturdifferenz. Ein von der
Rechenschaltung 14 ausgegebenes Signal wird dem Schreiber 6
zugeführt.
Das Rohr 12 wird auf eine Temperatur erhitzt, die über der
Temperatur des durch das Rohr strömenden Gases liegt. Die
Gasströmungsrate wird durch die Temperaturdifferenz zwischen
den beiden Enden des Rohrs 12 gemessen, die als Folge der
Wärmeabsorption aus dem Rohr 12 durch das das Rohr 12
durchströmende Gas auftritt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Gasströmungsmessers ist in
Fig. 4 angegeben. Der Gasströmungsmesser dieses
Ausführungsbeispiels umfaßt ein Rohr 32 mit einem ersten Ende
32a, das den Einlaß 5a des Gasströmungsmessers 5 bildet, und
einem zweiten Ende 32b, das den Auslaß 5b des
Gasströmungsmessers 5 bildet. An den beiden Enden des Rohrs 32
sind Wärmeabgabeelemente 35a und 35b vorgesehen, die auf einer
Temperatur gehalten werden, die höher als jene des das Rohr 32
durchfließenden Gases ist.
Ein erstes Thermoelement 33a ist vorgesehen, um die Temperatur
an einer Stelle zwischen dem Wärmeabgabelement 35a und dem ersten
Ende 32a und dem Mittelpunkt des Rohrs 32 zu erfassen. Ein
zweites Thermoelement 33b ist vorgesehen, um die Temperatur an
einer zweiten Stelle zwischen dem Wärmeabgabeelement 35b an dem
zweiten Ende 32b und dem Mittelpunkt des Rohrs 32 zu erfassen.
Eine Rechenschaltung 34, die an die Thermoelemente 33a und 33b
angeschlossen ist, bestimmt die Strömungsrate entsprechend der
Temperaturdifferenz. Ein von der Rechenschaltung 34 abgegebenes
Ausgangssignal wird dem Schreiber 6 zugeführt.
Die Gasströmungsrate wird mittels der Temperaturdifferenz
zwischen der ersten und zweiten Stelle gemessen, die von den
Thermoelementen 33a und 33b aufgrund der Wärmeabsorption aus
dem Rohr 32 infolge des das Rohr 32 durchströmenden Gases
erfaßt wird.
Anstelle des Gasmassenströmungsmessers 5 kann ein
Strömungsmesser verwendet werden, der die Strömungsrate nach
Volumen mißt.
Bei der beschriebenen Ausführungsform mißt der
Gasströmungsmesser die Strömungsrate und der Schreiber,
zeichnet diese zeitabhängig auf. Jedoch kann eine Vorrichtung
zur Messung der Gesamtströmungsmenge (angesammelter Wert)
abhängig vom Ausgangssignal des Strömungsmessers 5 vorgesehen
werden. Der Ausdruck "Strömung", wie er in den anliegenden
Ansprüchen verwendet wird, sollte derart ausgelegt werden, daß
er sowohl die Strömungsrate als auch die angesammelte
Strömungsmenge umfassen kann.
Anstelle eines Schlauchs kann jede andere Leitungsanordnung zur
Leitung des verdampften Gases, beispielsweise ein Rohr,
verwendet werden.
Claims (2)
1. Kältemittel-Verbrauchsmeßsystem zur Messung des Verbrauchs
eines Kältemittels in einem Niedrigtemperaturgefäß,
wobei der Verbrauch und die Kühlwirkung des Kältemittels auf
der Verdampfung des Kältemittels (2) beruhen,
- - mit einem Strömungsweg (4) zur Ableitung des verdampften Kältemittelgases (3) aus dem Niedrigtemperaturgefäß (1) in die umgebende Atmosphäre, und
- - mit einem in dem Strömungsweg (4) angebrachten Durchflußströmungsmesser (5) zur Messung des Massen- oder Volumenstroms des verdampften Kältemittelgases (3), dadurch gekennzeichnet,
- - daß dem Durchflußströmungsmesser (5) ein Konstantdruckbehälter (7) unmittelbar nachgeschaltet ist, in den das verdampfte Kältemittelgas (3) gegen einen konstanten Kältemittelgasdruck einströmt und aus dem es gegen den Druck der umgebenden Atmosphäre durch ein geregeltes Auslaßventil (11) ausströmt,
- - und daß dem Auslaßventil (11) eine Regeleinrichtung (9, 10) zugeordnet ist, welche von einem den Druck des Kältemittelgases in dem Konstantdruckbehälter (7) registrierenden Drucksensor (8) angesteuert wird
- - und den Druck des Kältemittelgases in dem Konstantdruckbehälter (7) auf einem vorgegebenen Druckwert oberhalb des höchsten zu erwartenden Druckes der umgebenden Atmosphäre unter Normalbedingungen konstant hält.
2. Kältemittel-Verbrauchsmeßsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Auslaßventil (11) als Elektromagnetventil ausgebildet
ist.
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