[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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).
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] Um eine Beschädigung der Vakuumpumpe durch die tiefkalten abzupumpenden Gasmassen
zu vermeiden, kann zwischen der Vakuumpumpe und dem Kühlungsbehälter eine Gasanwärmeinrichtung
angeordnet sein.
[0013] Zur Sicherstellung einer konstanten Flüssiggasbadtemperatur wird die Vakuumpumpe
vorzugsweise druckgeregelt, um einen konstanten Siededruck des Flüssiggases im Kühlungsbehälter
einzustellen.
[0014] Zur Niveauregelung des Flüssiggasbades wird vorzugsweise eine automatische Füllstandsregelung
vorgesehen.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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 (LN
2) als erstes und zweites Flüssiggas verwendet. Erforderliche bekannte Sicherheitseinrichtungen
des Flüssiggas-Kühlungssystems wurden aus Übersichtsgründen nicht dargestellt.
[0018] 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 (LN
2) 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 (H
2), Helium (He) oder Sauerstoff (O
2). Diese Flüssiggase können in geeigneter Kombination für das Flüssiggasbad 16 im
Kühlungsbehälter und als Wärmetauschergas im Wärmetauscherkreislauf 18 verwendet werden.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] Das erfindungsgemäße Flüssiggas-Kühlungssystem arbeitet wie folgt.
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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.
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] 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.
[0032] 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.
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.