EP0849550A1 - Flüssiggas-Kühlungssystem zur Kühlung eines Verbrauchers auf Tieftemperatur - Google Patents

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EP0849550A1
EP0849550A1 EP97111987A EP97111987A EP0849550A1 EP 0849550 A1 EP0849550 A1 EP 0849550A1 EP 97111987 A EP97111987 A EP 97111987A EP 97111987 A EP97111987 A EP 97111987A EP 0849550 A1 EP0849550 A1 EP 0849550A1
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EP
European Patent Office
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liquid gas
heat exchanger
cooling
liquid
cooling system
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EP97111987A
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EP0849550B1 (de
Inventor
Werner Konrad Diehl
Bernd Gottschlich
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Messer Griesheim GmbH
Original Assignee
Messer Griesheim GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D29/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25D29/001—Arrangement or mounting of control or safety devices for cryogenic fluid systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air

Definitions

  • the invention relates to a liquid gas cooling system for cooling a Consumer at low temperature with a cooling tank for Picking up a first cryogenic liquid gas and one Heat exchanger circuit through the cooling tank and to the Consumer and is also a cryogenic liquid gas flows, and a method of cooling a consumer Low temperature.
  • liquid gas cooling systems of this type for example Cooling of monochrome motors known in which liquid nitrogen Ambient pressure is filled into an insulated cooling container, around the second liquid gas circulating in the heat exchanger circuit, also to cool liquid nitrogen or another suitable gas.
  • the heat exchanger circuit has one Subcooling heat exchanger in the liquid gas bath in the Cooling container is arranged, and on the other hand, a usual Heat exchanger, which is connected to the consumer in a heat-conducting manner, to cool it.
  • the invention solves this problem with a liquid gas cooling system with the features of claim 1 or by a method for Cooling a consumer to low temperature with the characteristics of Claim 12.
  • the liquid gas system according to the invention for cooling a Item or consumer at low temperature includes one Cooling container for receiving a first cryogenic liquid gas, a heat exchanger circuit that passes through the cooling tank and is led to the consumer and in which a second cryogenic Liquefied gas flows, and a vacuum pump for pumping out the Gas phase above the first liquefied petroleum gas from the cooling tank lower the internal pressure in the cooling tank below ambient pressure or hold.
  • the liquid gas in the cooling tank always strives for its Equilibrium state (boiling point) at which pressure and temperature have a fixed relationship.
  • the internal pressure in the cooling container thus arises accordingly lower boiling temperature; for example when using Liquid nitrogen results from lowering the internal pressure to approximately 0.14 to 1 bar a boiling point of the liquid gas bath of about 64 K to 77 K (liquid nitrogen changes to the solid phase at 63 K).
  • a liquid gas cooling system is for continuous use expedient, which cools the liquid gas and constantly pumped in circulation.
  • one Pressure control device provided to the pressure in the Set the heat exchanger circuit above ambient pressure.
  • the liquid gas system according to the invention has a preferred Embodiment a supercooling heat exchanger device, which is arranged in the liquid gas bath to the in Heat exchanger circuit, preferably under positive pressure, circulating second liquid gas to cool below its boiling temperature hold. Furthermore, the heat exchanger circuit has an outside of the Cooling container lying heat exchanger device, which with the object to be cooled or consumer thermally connected is.
  • the cables When cooling one or more HTSL cables as consumers can it should be expedient to put this directly into the second liquid gas to introduce leading pipe system, the cables then from the supercooled liquefied petroleum gas.
  • the Vacuum pump preferably pressure controlled to maintain a constant Set the boiling pressure of the liquid gas in the cooling tank.
  • a automatic level control provided.
  • the heat exchanger circuit preferably contains one Circulation pump, the performance of which is designed to be a uninterrupted flow of the second liquid gas with a Speed generated at which the return temperature of the Liquefied gas despite the heat input by the consumer under the Boiling temperature in the heat exchanger circuit.
  • the invention is relatively simple, without major a low-temperature cooling system created with which, for example, when using Liquid nitrogen as liquid gas temperatures from below 77 K up to 64 K can be achieved by using the liquid gas bath temperature Pumping off the nitrogen gas phase using a vacuum pump is lowered.
  • the liquid gas in the heat exchanger circuit which can also be liquid nitrogen, is preferably with a pumped static pressure that is above ambient pressure to ensure that only pure gas-free liquid nitrogen is in the circuit is pumped, which is always in the supercooled state.
  • This supercooled liquid nitrogen can be used, for example, to cool High temperature superconductor cables are used to the to achieve and maintain superconductive state.
  • a cooling container 10 is shown, which is surrounded by a vacuum insulation jacket 12 and is closed gas-tight with a cover 14.
  • the cooling container 10 contains a liquid gas bath 16.
  • the following description relates to the use of liquid nitrogen (LN 2 ) as the liquid gas both for the liquid gas bath 16 in the cooling container 10 and for the heat exchanger circuit, which is generally designated 18.
  • the cooling principle according to the invention can also be transferred to other cryogenic liquefied gases, for example argon (Ar), neon (Ne), hydrogen (H 2 ), helium (He) or oxygen (O 2 ).
  • These liquid gases can be used in a suitable combination for the liquid gas bath 16 in the cooling container and as heat exchanger gas in the heat exchanger circuit 18.
  • Extraction line 20 for the nitrogen gas phase 22 On the cover 14 of the cooling container 10 is one Extraction line 20 for the nitrogen gas phase 22 attached.
  • a vacuum pump 24 with a vacuum pressure control device 26 provided.
  • the embodiment is in the extraction line 20 in front of the vacuum pump 24 a gas heater 28 is arranged.
  • the heat exchanger circuit 18 comprises a piping system 30 which from a supercooling heat exchanger 32, which in the Liquid gas bath 16 is arranged in the cooling container 10, via a Liquefied gas pump 34 leads to a consumer 36, which via a another heat exchanger 38 is thermally conductive with the liquid gas in the Pipeline 30 is connected. If the consumer is a HTSL cable or the like, this can also directly in a pipe section of the Pipe system 30 introduced and washed around by the liquid gas become, so that then a heat exchanger 38 in the classic sense is not necessary is.
  • the heat exchanger circuit 18 further comprises a circuit pressure control device 40 to one in the piping system 30 static pressure that is above the ambient pressure. Finally, the heat exchanger circuit 18 contains one Filling device 42 for filling and refilling liquid gas in the Piping system 30.
  • a Liquid gas supply device 44 for the cooling container 10 with a level measuring device 46, which the filling level of the Liquid gas bath 16 detected in the cooling container and a signal to controllable valve 48 can output to a feed line 50 for Open or close liquid nitrogen depending on the filling level.
  • the liquid gas cooling system according to the invention works as follows.
  • Cryogenic liquid nitrogen is supplied via line 50, usually at Ambient pressure and 77 K, filled in the cooling container 10 until a predetermined level is reached what the Level detection device 46 recognizes, and the valve 48 is closed.
  • the vacuum pump 24 pumps over the line 20 and the gas heater 28 part of the nitrogen gas phase 22 from the Cooling container 10 from.
  • the vacuum pump 24 is a vacuum pressure regulator 26 assigned to the by the vacuum pump 24 in Cooling container 10 generated negative pressure to a constant value, e.g. B. 0.1462 bar. It is important that the internal pressure in the Cooling container is below atmospheric pressure.
  • the function of the Gas heater 28 is about to prevent the vacuum pump set 24 is damaged by the cryogenic gas masses to be pumped out. When using, for example, a cryogenic fan as Vacuum pump, the gas heater 28 can also be omitted.
  • the vacuum pump 24 By means of the vacuum pump 24 is thus by pumping the Nitrogen gas phase, the boiling pressure of the nitrogen is lowered, so that the nitrogen bath 16 below its ambient pressure Boiling temperature, ie below 77 K, cools down; at a pressure of about 0.14 bar results in a boiling bath temperature of about 64 K.
  • About the Vacuum pressure regulator 26 of the vacuum pump 24 can have the boiling pressure and thus the boiling point of the liquid nitrogen to a desired one Value can be set.
  • the automatic Level control 24 used in order to evaporation and Pumping down liquid nitrogen from a (not shown) to replenish the storage tank.
  • the Subcooling heat exchanger 32 In the liquid gas bath 16 is the Subcooling heat exchanger 32, by means of which Circulation pump 34 is also pumped liquid nitrogen.
  • the Pressure control device 40 generates a static pressure of more than 1 bar in the heat exchanger circuit 18 to ensure da ⁇ is the boiling point of that in the heat exchanger circuit Liquid nitrogen significantly above that of the nitrogen bath 16 in Cooling container 10 is located, so that only pure gas-free in the circuit Liquid nitrogen is pumped around, which is always in the supercooled Condition.
  • the supercooling heat exchanger 32 is like this dimensioned that the nitrogen temperature in the pipeline 30 only is slightly above the nitrogen bath temperature, d. H. that the Liquid nitrogen in the heat exchanger circuit 18 when passing through the Supercooling heat exchanger 33 essentially the temperature of the Nitrogen bath 16 adopts.
  • the delivery rate of the circulation pump 34 is designed so that the return temperature in the pipe 30 despite of the heat input by the consumer 36 under the Boiling temperature of the liquid nitrogen in the circuit 18 is.
  • the consumer 36 can use a heat exchanger 38 be thermally connected to the heat exchanger circuit 18; he can also directly into a section of the piping system 30 be introduced.
  • the vacuum pump is in operation of the invention LPG cooling system not only able to use the nitrogen bath 16 by pumping the gas phase 22 to a temperature below 77 K. cool, but it keeps the liquid gas bath 16 during the total operation of the cooling system on a predetermined Temperature by the pressure in the cooling container 10 on a specified value, under ambient pressure (1 bar). Pumps for this the vacuum pump 24 which due to the heat input by the Supercooling heat exchanger 32 evaporating amount of nitrogen; at the refilling of liquid nitrogen to maintain a constant Vacuum pump 24 pumps levels of the liquid gas bath 16 additionally generated gas masses and relaxes the internal pressure in the cooling container 10 to the predetermined value in order to Cool the liquid gas bath 16 back to the predetermined temperature.
  • the entire liquid gas cooling system can be transported in one Gesture can be integrated to make it manageable and universal to make it usable.
  • the LPG circulation pump 34, the Liquid gas filling device 32 and the circuit pressure control device 40 can be integrated in the supercooling heat exchanger 32 in order to to make the overall system more compact.
  • cooling system according to the invention in automatic operation it is advisable to run pressure monitoring, Level and temperature measuring points with alarm signal outputs and suitable displays at different points in the overall system to provide.

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Abstract

Die Erfindung schlägt ein Flüssiggas-Kühlungssystem zur Kühlung eines Verbrauchers (36) auf Tieftemperatur vor, welches einen Kühlungsbehälter (10) zum Aufnehmen eines ersten tiefkalten Flüssiggases, einen Wärmetauscherkreislauf (18), der durch den Kühlungsbehälter (10) und zu dem Verbraucher (36) geführt ist und in dem ein zweites tiefkaltes Flüssiggas strömt, und eine Vakuumpumpe (24) zum Abpumpen von gasförmigem ersten Flüssiggas aus dem Kühlungsbehälter (10) aufweist, um den Innendruck im Kühlungsbehälter (10) unter Umgebungsdruck zu senken oder zu halten. In dem geschlossenen Wärmetauscherkreislauf (18) wird vorzugsweise unter Druck stehender Flüssigstickstoff umgepumpt und gleichzeitig in dem Flüssiggasbad (16) auf eine Temperatur unter 77 K unterkühlt. Diese Badetemperatur wird durch Abpumpen der Stickstoffgasphase mittels einer Vakuumpumpe (24) erreicht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Flüssiggas-Kühlungssystem zur Kühlung eines Verbrauchers auf Tieftemperatur mit einem Kühlungsbehälter zum Aufnehmen eines ersten tiefkalten Flüssiggases und einem Wärmetauscherkreislauf, der durch den Kühlungsbehälter und zu dem Verbraucher geführt ist und in dem ebenfalls ein tiefkaltes Flüssiggas strömt, und ein Verfahren zum Kühlen eines Verbrauchers auf Tieftemperatur.
Es sind Flüssiggas-Kühlungssysteme dieser Art beispielsweise zur Kühlung von Monochromotoren bekannt, bei denen Flüssigstickstoff bei Umgebungsdruck in einen isolierten Kühlungsbehälter eingefüllt wird, um das in dem Wärmetauscherkreislauf umlaufende zweite Flüssiggas, ebenfalls Flüssigstickstoff oder ein anderes geeignetes Gas, zu kühlen. Der Wärmetauscherkreislauf hat einerseits einen Unterkühlungswärmetauscher, der im Flüssiggasbad in dem Kühlungsbehälter angeordnet ist, und andererseits einen üblichen Wärmetauscher, der mit dem Verbraucher wärmeleitend verbunden ist, um diesen zu kühlen. Bei den bekannten Kühlsystemen dieser Art tritt das Problem auf, daß beispielsweise Flüssigstickstoff bei Umgebungsdruck (1 bar) eine Siedetemperatur von 77 K hat, so daß sich selbst bei Einfüllung von unterkühltem Flüssiggas mit der Zeit im Flüssiggasbad eine Temperatur von 77 K einstellt, und daß das in dem Wärmetauscherkreislauf umlaufende Flüssiggas zur Kühlung des Verbrauchers nicht unter diese Temperatur abgekühlt werden kann.
Bei gewissen Anwendungen (zum Beispiel HTSL-Kabeln) sollte jedoch zum Erreichen und Aufrechterhalten des supraleitenden Zustands auf Temperaturen von weniger als 77 K abgekühlt werden. Auch andere Anwendungen bzw. Verbraucher des Flüssiggas-Kühlungssystems können eine Abkühlung auf Temperaturen unter 77 K bzw. unter die jeweilige Siedetemperatur (bei Umgebungsdruck) des verwendeten Flüssiggases erforderlich machen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein Flüssiggas-Kühlungssystem anzugeben, mit dem tiefere Temperaturen als beim Stand der Technik erzielt werden können, insbesondere Temperaturen unter der dem Umgebungsdruck entsprechenden Siedetemperatur.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Flüssiggas-Kühlungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Kühlung eines Verbrauchers auf Tieftemperatur mit den Merkmalen von Anspruch 12.
Das erfindungsgemäße Flüssiggassystem zur Kühlung eines Gegenstandes oder Verbrauchers auf Tieftemperatur umfaßt einen Kühlungsbehälter zum Aufnehmen eines ersten tiefkalten Flüssiggases, einen Wärmetauscherkreislauf, der durch den Kühlungsbehälter und zu dem Verbraucher geführt ist und in dem ein zweites tiefkaltes Flüssiggas strömt, und eine Vakuumpumpe zum Abpumpen der Gasphase über dem ersten Flüssiggas aus dem Kühlungsbehälter, um den Innendruck im Kühlungsbehälter unter Umgebungsdruck zu senken oder zu halten.
Das Flüssiggas in dem Kühlungsbehälter strebt stets seinem Gleichgewichtszustand (Siedepunkt) zu, bei dem Druck und Temperatur in einem festen Verhältnis stehen. Durch das Absenken des Innendrucks im Kühlungsbehälter stellt sich somit eine entsprechend tiefere Siedetemperatur ein; beispielsweise bei Verwendung von Flüssigstickstoff ergibt sich durch Absenken des Innendrucks auf etwa 0,14 bis 1 bar eine Siedetemperatur des Flüssiggasbades von etwa 64 K bis 77 K (Flüssigstickstoff geht bei 63 K in die feste Phase über).
Durch das Absenken der Temperatur des Flüssiggasbades im Kühlungsbehälter auf unter 77 K kann in dem Wärmetauscherkreislauf ein unterkühlter Flüssiggasstrom, insbesondere Flüssigstickstoffstrom, erzeugt werden, wenn der Druck im Wärmetauscherkreislauf höher ist als im Kühlungsbehälter. Für den Dauereinsatz ist ein Flüssiggas-Kühlsystem zweckmäßig, welches das Flüssiggas unterkühlt und ständig im Kreislauf umpumpt.
Um zu gewährleisten, daR das Flüssiggas im Wärmetauscherkreislauf stets in der Flüssigphase bleibt, wird vorzugsweise eine Druckregeleinrichtung vorgesehen, um den Druck im Wärmetauscherkreislauf über Umgebungsdruck einzustellen. Durch Erhöhung des Drucks ergibt sich eine entsprechende Erhöhung der Siedetemperatur des umlaufenden Flüssiggases.
Das erfindungsgemäße Flüssiggassystem weist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Unterkühlungs-Wärmetauschereinrichtung auf, welche im Flüssiggasbad angeordnet ist, um das im Wärmetauscherkreislauf, vorzugsweise unter Überdruck, umlaufende zweite Flüssiggas unter seine Siedetemperatur abzukühlen bzw. zu halten. Ferner hat der Wärmetauscherkreislauf eine außerhalb des Kühlungsbehälters liegende Wärmetauschereinrichtung, welche mit dem zu kühlenden Gegenstand oder Verbraucher wärmeleitend verbunden ist. Bei Kühlung eines oder mehrerer HTSL-Kabel als Verbraucher kann es zweckmäßig sein, diese unmittelbar in ein das zweite Flüssiggas führendes Rohrsystem einzubringen, wobei die Kabel dann von dem unterkühlten Flüssiggas umspült werden.
Um die Flüssiggastemperatur im Flüssiggasbad abzusenken, wird also bei der vorliegenden Erfindung der Innendruck und somit der Siededruck des Flüssiggases, insbesondere des Flüssigstickstoffs, im Kühlungsbehälter abgesenkt. Dies geschieht durch Abpumpen der Gasphase mittels der Vakuumpumpe. Die Vakuumpumpe ist in der Lage,
  • 1.
    soviel Flüssiggas aus der Gasphase in dem Kühlungsbehälter abzupumpen, daß eine Absenkung des Innendrucks unter Umgebungsdruck zur Abkühlung des Flüssiggasbades und zur Aufrechterhaltung einer Temperatur, welche unter der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck liegt, erreicht wird (für Flüssigstickstoff beispielsweise unter 77 K);
  • 2.
    die aufgrund des Wärmeeintrags durch den Unterkühlungswärmetauscher verdampfende Gasmenge abzupumpen;
  • 3.
    die zusätzliche Gasmasse abzupumpen, welche bei der Nachfüllung von Flüssiggas zur Niveauhaltung des Flüssiggasbades im Kühlungsbehälter entsteht; und
  • 4.
    die zur Niveauhaltung nachgefüllte Flüssiggasmenge auf einen Druck unter Umgebungsdruck zu entspannen, um deren Abkühlung auf eine Temperatur, welche unter der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck (z. B. 77 K) liegt, zu erreichen.
    • Um eine Beschädigung der Vakuumpumpe durch die tiefkalten abzupumpenden Gasmassen zu vermeiden, kann zwischen der Vakuumpumpe und dem Kühlungsbehälter eine Gasanwärmeinrichtung angeordnet sein.
    Zur Sicherstellung einer konstanten Flüssiggasbadtemperatur wird die Vakuumpumpe vorzugsweise druckgeregelt, um einen konstanten Siededruck des Flüssiggases im Kühlungsbehälter einzustellen.
    Zur Niveauregelung des Flüssiggasbades wird vorzugsweise eine automatische Füllstandsregelung vorgesehen.
    Schließlich enthält der Wärmetauscherkreislauf vorzugsweise eine Umwälzpumpe, deren Leistung so ausgelegt ist, daß sie eine ununterbrochene Strömung des zweiten Flüssiggases mit einer Geschwindigkeit erzeugt, bei der die Rücklauftemperatur des Flüssiggases trotz des Wärmeeintrags durch den Verbraucher unter der Siedetemperatur im Wärmetauscherkreislauf liegt.
    Durch die Erfindung wird auf relativ einfache Weise, ohne großen zusätzlichen Energieaufwand ein Tieftemperatur-Kühlsystem geschaffen, mit dem beispielsweise bei Verwendung von Flüssigstickstoff als Flüssiggas Temperaturen von unter 77 K bis zu 64 K erzielt werden können, indem die Flüssiggasbadtemperatur durch Abpumpen der Stickstoff-Gasphase mittels einer Vakuumpumpe abgesenkt wird. Das Flüssiggas im Wärmetauscherkreislauf, welches ebenfalls Flüssigstickstoff sein kann, wird vorzugsweise mit einem statischen Druck umgepumpt, der über Umgebungsdruck liegt, um sicherzustellen, daß im Kreislauf nur reiner gasfreier Flüssigstickstoff umgepumpt wird, der sich stets im unterkühlten Zustand befindet. Dieser unterkühlte Flüssigstickstoff kann beispielsweise zum Kühlen von Hochtemperatursupraleiterkabeln verwendet werden, um den supraleitfähigen Zustand zu erreichen und aufrechtzuerhalten.
    Die Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die einzige Figur näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines Flüssiggas-Kühlungssystems gemäß der Erfindung, welches Flüssigstickstoff (LN2) als erstes und zweites Flüssiggas verwendet. Erforderliche bekannte Sicherheitseinrichtungen des Flüssiggas-Kühlungssystems wurden aus Übersichtsgründen nicht dargestellt.
    In der Figur ist ein Kühlungsbehälter 10 dargestellt, welcher von einem VakuumisoIationsmantel 12 umgeben und mit einer Abdeckung 14 gasdicht verschlossen ist. Der Kühlungsbehälter 10 enthält ein Flüssiggasbad 16. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Verwendung von Flüssigstickstoff (LN2) als Flüssiggas sowohl für das Flüssiggasbad 16 im Kühlungsbehälter 10 als auch für den Wärmetauscherkreislauf, der allgemein mit 18 bezeichnet ist. Das erfindungsgemäße Kühlungsprinzip kann jedoch auch auf andere tiefkalt verflüssigte Gase übertragen werden, z.B. Argon (Ar), Neon (Ne), Wasserstoff (H2), Helium (He) oder Sauerstoff (O2). Diese Flüssiggase können in geeigneter Kombination für das Flüssiggasbad 16 im Kühlungsbehälter und als Wärmetauschergas im Wärmetauscherkreislauf 18 verwendet werden.
    An der Abdeckung 14 des Kühlungsbehälters 10 ist eine Entnahmeleitung 20 für die Stickstoffgasphase 22 angebracht. Für die Entnahme ist eine Vakuumpumpe 24 mit einer Vakuum-Druckregeleinrichtung 26 vorgesehen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist in der Entnahmeleitung 20 vor der Vakuumpumpe 24 ein Gasanwärmer 28 angeordnet.
    Der Wärmetauscherkreislauf 18 umfaßt ein Rohrleitungssystem 30, das von einem Unterkühlungswärmetauscher 32, welcher in dem Flüssiggasbad 16 im Kühlungsbehälter 10 angeordnet ist, über eine Flüssiggaspumpe 34 zu einem Verbraucher 36 führt, der über einen weiteren Wärmetauscher 38 wärmeleitend mit dem Flüssiggas in der Rohrleitung 30 verbunden ist. Wenn der Verbraucher ein HTSL-Kabel oder dergleichen ist, kann dieser auch direkt in ein Rohrstück des Rohrleitungssystems 30 eingebracht und von dem Flüssiggas umspült werden, so daß dann ein Wärmetauscher 38 im klassischen Sinne nicht notwendig ist.
    Der Wärmetauscherkreislauf 18 umfaßt ferner eine Kreislauf-Druckregeleinrichtung 40, um in dem Rohrleitungssystem 30 einen statischen Druck einzustellen, der über dem Umgebungsdruck liegt. Schließlich enthält der Wärmetauscherkreislauf 18 noch eine Fülleinrichtung 42 zum Ein- und Nachfüllen von Flüssiggas in das Rohrleitungssystem 30.
    In der Figur ebenfalls dargestellt ist eine Flüssiggasversorgungseinrichtung 44 für den Kühlungsbehälter 10 mit einer Füllstandsmeßeinrichtung 46, welche das Füllniveau des Flüssiggasbades 16 im Kühlbehälter erfaßt und ein Signal an ein steuerbares Ventil 48 ausgeben kann, um eine Speiseleitung 50 für Flüssigstickstoff abhängig vom Füllniveau zu öffnen oder zu schließen.
    Das erfindungsgemäße Flüssiggas-Kühlungssystem arbeitet wie folgt.
    Tiefkalter Flüssigstickstoff wird über die Leitung 50, in der Regel bei Umgebungsdruck und 77 K, in den Kühlungsbehälter 10 eingefüllt, bis ein vorgegebenes Niveau erreicht ist, was die Füllstandserfassungseinrichtung 46 erkennt, und das Ventil 48 geschlossen wird. Die Vakuumpumpe 24 pumpt über die Leitung 20 und den Gasanwärmer 28 einen Teil der Stickstoffgasphase 22 aus dem Kühlungsbehälter 10 ab. Der Vakuumpumpe 24 ist ein Vakuum-Druckregler 26 zugeordnet, um den von der Vakuumpumpe 24 im Kühlungsbehälter 10 erzeugten Unterdruck auf einen konstanten Wert, z. B. 0,1462 bar, einzustellen. Wichtig ist, daß der Innendruck im Kühlungsbehälter unter Atmosphärendruck liegt. Die Funktion des Gasanwärmers 28 ist dabei, zu verhindern, daß der Vakuumpumpensatz 24 durch die tiefkalten abzupumpenden Gasmassen beschädigt wird. Bei Verwendung beispielsweise eines kryotauglichen Gebläses als Vakuumpumpe kann der Gasanwärmer 28 auch weggelassen werden.
    Mittels der Vakuumpumpe 24 wird also durch Abpumpen der Stickstoffgasphase der Siededruck des Stickstoffs abgesenkt, so daß das Stickstoffbad 16 unter seine dem Umgebungsdruck entsprechende Siedetemperatur, also unter 77 K, abkühlt; bei einem Druck von etwa 0,14 bar ergibt sich eine Siedebadtemperatur von etwa 64 K. Über den Vakuum-Druckregler 26 der Vakuumpumpe 24 kann der Siededruck und somit die Siedetemperatur des Flüssigstickstoffs auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
    Zur Niveauregelung des Stickstoffbades 16 wird die automatische Füllstandsregelung 24 eingesetzt, um in Folge der Verdampfung und Abpumpung verlorengegangenen Flüssigstickstoff aus einem (nicht gezeigten) Vorratstank nachzuspeisen.
    In dem Flüssiggasbad 16 befindet sich der Unterkühlungswärmetauscher 32, durch welchen mittels der Umwälzpumpe 34 ebenfalls flüssiger Stickstoff gepumpt wird. Die Druckregeleinrichtung 40 erzeugt dabei einen statischen Druck von mehr als 1 bar in dem Wärmetauscherkreislauf 18, um sicherzustellen, daµ die Siedetemperatur des im Wärmetauscherkreislauf befindlichen Flüssigstickstoffs deutlich über der des Stickstoffbades 16 im Kühlungsbehälter 10 liegt, so daß im Kreislauf nur reiner gasfreier Flüssigstickstoff umgepumpt wird, der sich stets im unterkühlten Zustand befindet. Der Unterkühlungswärmetauscher 32 ist so dimensioniert, daß die Stickstofftemperatur in die Rohrleitung 30 nur geringfügig über der Stickstoffbadtemperatur liegt, d. h. daß der Flüssigstickstoff im Wärmetauscherkreislauf 18 bei Durchlaufen des Unterkühlungswärmertauschers 33 im wesentlichen die Temperatur des Stickstoffbades 16 annimmt. Die Förderleistung der Umwälzpumpe 34 ist so ausgelegt, daß die Rücklauftemperatur in der Rohrleitung 30 trotz des Wärmeeintrags durch den Verbraucher 36 unter der Siedetemperatur des Flüssigstickstoffs im Kreislauf 18 liegt.
    Der Verbraucher 36 kann, wie gesagt, über einen Wärmetauscher 38 wärmeleitend mit dem Wärmetauscherkreislauf 18 verbunden sein; er kann auch direkt in einen Abschnitt des Rohrleitungssystems 30 eingebracht werden.
    Die Vakuumpumpe ist während des Betriebs des erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlungssystems nicht nur in der Lage, das Stickstoffbad 16 durch Abpumpen der Gasphase 22 auf eine Temperatur unter 77 K abzukühlen, sondern sie hält das Flüssiggasbad 16 während des gesamten Betriebs des Kühlungssystems auf einer vorgegebenen Temperatur, indem sie den Druck im Kühlungsbehälter 10 auf einem vorgegebenen Wert, unter Umgebungsdruck (1 bar), hält. Hierfür pumpt die Vakuumpumpe 24 die aufgrund des Wärmeeintrags durch den Unterkühlungswärmetauscher 32 verdampfende Stickstoffmenge ab; bei der Nachfüllung von Flüssigstickstoff zur Einhaltung eines konstanten Niveaus des Flüssiggasbades 16 pumpt die Vakuumpumpe 24 zusätzlich entstehende Gasmassen ab und entspannt den Innendruck in dem Kühlungsbehälter 10 auf den vorgegebenen Wert, um das Flüssiggasbad 16 wieder auf die vorgegebene Temperatur abzukühlen.
    Das gesamte Flüssiggas-Kühlsystem kann in einem transportablen Geste integriert werden, um es gut handhabbar und universell einsetzbar zu machen. Die Flüssiggas-Umwälzpumpe 34, die Flüssiggas-Fülleinrichtung 32 und die Kreislauf-Druckregeleinrichtung 40 können in dem Unterkühlungswärmetauscher 32 integriert sein, um das Gesamtsystem kompakter zu gestalten.
    Wenn das erfindungsgemäße Kühlsystem im automatischen Betrieb laufen soll, ist es zweckmäßig, zur Prozeßüberwachung Druck-, Füllstands- und Temperaturmeßstellen mit Alarmsignalausgängen und geeigneten Anzeigen an unterschiedlichen Stellen des Gesamtsystems vorzusehen.
    Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

    Claims (14)

    1. Flüssiggas-Kühlungssystem zur Kühlung eines Verbrauchers auf Tieftemperatur, mit
      einem Kühlungsbehälter (10) zum Aufnehmen eines ersten tiefkalten Flüssiggases,
      einem Wärmetauscherkreislauf (18), der durch den Kühlungsbehälter (10) und zu dem Verbraucher (36) geführt ist und in dem ein zweites tiefkaltes Flüssiggas strömt, und
      einer Vakuumpumpe (24) zum Abpumpen von gasförmigem erstem Flüssiggas aus dem Kühlungsbehälter (10), um den Innendruck im Kühlungsbehälter unter Umgebungsdruck zu senken oder zu halten.
    2. Flüssiggas-Kühlungssystem nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß das erste und das zweite Flüssiggas aus der folgenden Gruppe von Gasen ausgewählt sind: Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff, Helium, Sauerstoff.
    3. Flüssiggas-Kühlungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß das erste und das zweite Flüssiggas gleich sind.
    4. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch
      eine Kreislauf-Druckregeleinrichtung (40) für den Wärmetauscherkreislauf (18), um den Druck im Wärmetauscherkreislauf über Umgebungsdruck einzustellen.
    5. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch
      eine Vakuum-Druckregeleinrichtung (26) für die Vakuumpumpe (24).
    6. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Warmetauscherkreislauf (18) eine Unterkühlungs-Wärmetauschereinrichtung (32) aufweist, welche in dem Flüssiggasbad (16) im Kühlungsbehälter (10) angeordnet ist, um das im Wärmetauscherkreislauf (18) umlaufende zweite Flüssiggas unter seine Siedetemperatur abzukühlen.
    7. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Wärmetauscherkreislauf (18) ein das zweite Flüssiggas führendes Rohrleitungssystem (30) aufweist, in welches der Verbraucher einbringbar ist.
    8. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Wärmetauscherkreislauf (18) eine Wärmetauschereinrichtung (38) aufweist, die mit dem Verbraucher (36) wärmeleitend koppelbar ist.
    9. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß zwischen der Vakuumpumpe (24) und dem Kühlungsbehälter (10) eine Anwärmeinrichtung (28) angeordnet ist, um das Gas vor dem Eintritt in die Vakuumpumpe zu erwarmen.
    10. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch
      eine Füllstandsregeleinrichtung (44) für das Flüssiggasbad (16) im Kühlungsbehälter (10).
    11. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Wärmetauscherkreislauf (18) eine Umwälzpumpe (34) aufweist, um eine ununterbrochene Strömung des zweiten Flüssiggases mit einer Geschwindigkeit zu bewirken, die so bemessen ist, daß die Rücklauftemperatur des Flüssiggases zum Kühlungsbehälter (10) unter dessen Siedetemperatur im Wärmetauscherkreislauf liegt.
    12. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß das erste und das zweite Flüssiggas Flüssigstickstoff ist und daß die Vakuumpumpe (24) im Kühlungsbehälter (10) einen Unterdruck zwischen etwa 0,14 und 1 bar erzeugt, um den Flüssigstickstoff auf etwa 64 K bis 77 K abzukühlen.
    13. Verfahren zur Kühlung eines Verbrauchers auf Tieftemperatur, bei dem
      ein erstes tiefkaltes Flüssiggas in einen Kühlungsbehälter (10) gefüllt wird,
      ein zweites tiefkaltes Flüssiggas in einem Wärmetauscherkreislauf (18) umgepumpt und durch den Kühlungsbehälter (10) sowie zu dem Verbraucher (36) geführt wird, und
      der Innendruck in dem Kühlungsbehälter (10) unter Umgebungsdruck gesenkt wird, um die Siedetemperatur des ersten Flüssiggas zu senken.
    14. Verfahren nach Anspruch 13,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß der Druck im Wärmetauscherkreislauf (18) über Umgebungsdruck eingestellt wird.
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