DE10234985A1 - Kryovorrichtung mit Thermosyphon-Kühlung - Google Patents

Abstract

Die Kryovorrichtung enthält ein geschlossenes Leitungssystem (2) zur thermischen Ankopplung einer Kälteeinheit (4) an ein zu kühlendes Objekt (5). In dem Leitungssystem (2) zirkuliert ein Kältemittel (K) gemäß einem Thermosyphon-Effekt. Das Leitungsmittel (2) soll mit einer großen Füllmenge an Kältemittel (K) gefüllt sein, so dass ein Betrieb auch unterhalb der Tripelpunkttemperatur (T¶tri¶) des Kältemittels ermöglicht wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Kryovorrichtung mit einer Kälteeinheit und mit Mitteln zu einer thermischen Ankopplung eines zu kühlenden Objektes an die Kälteeinheit, wobei die thermischen Ankopplunqsmittel als ein geschlossenes Leitungssystem für ein darin gemäß einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel mit vorbestimmter Tripelpunktstemperatur ausgebildet sind und wenigstens einen Kondensorraum, der in einem Kondensationsbereich in Wärmeaustauschverbindung mit der Kälteeinheit steht, sowie wenigstens einem Verdampferraum, der in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlobjekt steht, umfassen. Eine Kryovorrichtung mit einer solchen Thermosyphon-Kühlung ist beispielsweise in der DE 41 08 981 C2 offenbart.
• Bei den bekannten Kühlverfahren unter Ausnutzung des sogenannten Thermosyphon-Effektes befindet sich ein bestimmtes Kältemittel in einem druckdicht abgeschlossenen Leitungssystem einer Kryovorrichtung. Dabei wird flüssiges Kältemittel im Bereich eines zu kühlenden Objektes wie z.B. einer supraleitenden Magnet- oder Rotorwicklung, die eine Verlustwärmequelle darstellt, unter Aufnahme der Verlustwärme zumindest teilweise verdampft. Der Kältemitteldampf steigt dann über wenigstens eine Rohrleitung zu einem auf geodätisch höherem Niveau liegenden Kondensor auf, dessen Kondensorraum in wärmeleitender Verbindung mit einer Kälteeinheit wie z.B. dem Kaltkopf eines Kryokühlers steht. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Sie werden insbesondere zur Kühlung von Einrichtungen der Supraleitungstechnik eingesetzt (vgl. z.B. auch „Proc. 16^th Int. Cryog. Engng. Conf. [ICEC 16]", Kitakyushu, JP, 20.–24.05.1996, Verlag El-sevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129). Bei dem bekannten Kühlverfahren (RE) kondensiert dann in dem gekühlten Be reich des Kondensors (= Kondensationsbereich) der Kältemitteldampf unter Abgabe der Verlustwärme an die Kälteeinheit, und das verflüssigte Kältemittel wird über eine Rohrleitung wieder dem Verdampferbereich des Kühlobjektes zugeführt. Dieser Umlauf des Kältemittels wird allein durch die Verlustwärme und den Dichteunterschied von Dampf und Flüssigkeit in Gang gesetzt und gehalten (Schwerkraft- oder Thermosyphon-Prinzip) und ist daher eine einfache, zuverlässige Methode zu einer Wärmeabfuhr, die ohne störanfällige bewegliche Teile wie Pumpen oder Verdichter auskommt. Bei diesem Verfahren stellt sich unabhängig von der Verlustleistung der Verlustwärmequelle eine nahezu konstante Temperatur ein, nämlich die Siedetemperatur des Kältemittels unter dem sich einstellenden Betriebsdruck. Als Kältemittel werden vielfach halogenierte Kohlenwasserstoffe verwendet (vgl. EP 0 231 456 A1 ).
• Üblicherweise kann bei einer solchen Kryovorrichtung ein Thermosypon-Effekt nur in einem Temperaturbereich zwischen der Tripelpunktstemperatur und der kritischen Temperatur (bzw. der Siedetemperatur bei Fülldruck) des Kältemittels aufrechterhalten werden. Deshalb muss bei der Thermosyphon-Kühlung von auf eine kryogene Temperatur zu kühlenden Kühlobjekten bei variabler Wärmelast sichergestellt werden, dass die Temperatur des Kondensors im Kondensationsbereich nicht unterhalb die Tripelpunktstemperatur fällt, um ein vollständiges Ausfrieren des als Arbeitsgas dienenden Kältemittels und eine damit verbundene thermische Abkopplung des zu kühlenden Objektes zu vermeiden.
• Üblicherweise wird für den Fall, dass die Kälteeinheit eine Basistemperatur unterhalb des Tripelpunktes eines Arbeitsgases aufweist, mit einer am Kondensor des Thermosyphon-Leitungssystems angebrachten Heizung in Verbindung mit einem Regelkreis eine Abkühlung des Arbeitsgases auf Temperaturen unterhalb des Tripelpunktes verhindert (vgl. z.B. Beitrag von W.Nick et al. bei „European Conference of Applied Superconductivity" (EUCAS 2001), Kopenhagen (DK), 26. – 30.8.2001).
• Damit kann sichergestellt werden, dass das Arbeitsgas auch im Fall geringer anfallender Wärmelast nicht in fester Form vorliegen kann und die Zirkulation in dem Leitungssystem auf Grund des Thermosyphon-Effektes unter allen Wechseln der Wärmelast aufrecht erhalten wird. Der entsprechende Heizungsaufwand ist jedoch verhältnismäßig hoch.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Kryovorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass auf verhältnismäßig einfache Weise ein stationärer Betrieb unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes auch bei Temperaturen eines Kondensors im Kondensationsbereich ermöglicht wird, die um mindestens einige K unterhalb der Tripelpunktstemperatur des verwendeten Kältemittels liegen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll mittels der Kälteeinheit der Kondensationsbereich auf eine Temperatur unterhalb der Tripelpunktstemperatur zu kühlen sein und soll das Volumen des Leitungssystems mit einer solchen Menge des Kältemittels gefüllt wird, dass bei dieser Temperatur (unterhalb der Tripelpunktstemperatur) zumindest die die Kälteleistung übertragenden Flächen des Kondensationsbereichs im Kondensorraum wenigstens teilweise mit ausgefrorenem Kältemittel bedeckt sind und in dem verbliebenen Volumen des Leitungssystems die Zirkulation des Kältemittels nach dem Thermosyphon-Effekt aufrecht erhalten ist.
• Gemäß der Erfindung wird also das angegebene technische Problem auf einfache Weise durch Befüllung des Thermosyphon-Leitungssystems mit einer deutlich größeren Gasmenge als üblich gelöst. Wenn nämlich die in dem Leitungssystem enthaltene Gasmenge größer ist, als es zu einer zumindest teilweisen Füllung des Kondensationsbereiches mit ausgefrorenem Gas erforderlich ist, kann der Thermosyphon seine Funktion als Wärmeübertrager auch trotz einer erheblich unter dem Tripelpunkt liegenden Kondensortemperatur aufrecht erhalten. Es wurde erkannt, dass sich hierbei in dem Bereich unterhalb eines zugefrorenen Teils oder des komplett zugefrorenen Kondensorraums ein entsprechender Temperaturgradient ausbildet. Für kryogene Kühlobjekte, für die die Kryovorrichtung bevorzugt vorzusehen ist, ergibt sich je nach Wärmeleitfähigkeit des für den Bau des Thermosyphon-Leitungssystems verwendeten Rohrmaterials und der zu übertragenden Wärmeleistung für eine Ausbildung des erforderlichen Temperaturgradienten eine Strecke in der Größenordnung von nur wenigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern. In der Praxis bedeutet dies, dass sich knapp unterhalb des üblicherweise aus gut wärmeleitendem Material wie z.B. Kupfer angefertigten Kondensors ein Bereich ausbildet, in dem die gasförmige Phase des Kältemittels an der dort vorliegenden festen Phase kondensiert wird und dann als flüssige Phase in den geodätisch tiefer liegenden Bereich des Thermosyphon-Leitungssystems fließt. Durch die Verdampfung des Kältemittels am unteren Ende des Leitungssystems und anschließende Rückströmung in Richtung des Kondensorraums bildet sich so ein stabiler, geschlossener Kreislauf aus. Dabei liegt die Temperatur des umlaufenden Kältemittels dann nahe bei der Tripelpunktstemperatur. Mit der erfindungsgemäß hinreichenden Befüllung des Thermosyphon-Leitungssystems kann somit vorteilhaft auf eine Gegenheizung zur Vermeidung eines Zusammenbrechens des Thermosyphon-Kreislaufes verzichtet werden, indem nunmehr ein teilweises Ausfrieren des Kältemittels zugelassen ist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kryovorrichtung nach der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
• So kann vorteilhaft als Kältemittel ein Gemisch aus mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen sein. Dann kann folglich bei einer allmählichen Abkühlung zunächst das Gas mit der höchsten Kondensationstemperatur kondensieren und einen geschlossenen Kreislauf zur Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Objekt an die Kälteeinheit ausbilden. Nach einer Vorkühlung des Kühlobjektes bis zur Tripelpunktstemperatur dieser ersten Gaskomponente wird dieses dann im Bereich des Kondensorraums ausfrieren, worauf die andere Gasgemischkomponente mit der niedrigeren Kondensationstemperatur die weitere Abkühlung auf die angestrebte Betriebstemperatur gewährleistet.
• Wegen der vergleichsweise großen Kältemittelmenge kann vorteilhaft der Kondensationsbereich auf einer Temperatur gehalten werden, die niedriger als die Tripelpunktstemperatur des Kältemittels liegt.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch im Schnitt deren
• 1 den prinzipiellen Aufbau eines Thermosyphon-Leitungssystems mit einer bekannten Füllmenge eines Kältemittels sowie deren
• 2 und 3 dieses Thermosyphon-Leitungssystem nach 1, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Befüllung in zwei verschiedenen Betriebszuständen.
• In den Figuren sind sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Der Aufbau einer Kryovorrichtung mit Thermosyphon-Leitungssystem ist prinzipiell bekannt (vgl. die eingangs genannte DE 41 08 981 C2 oder die DE 100 18 169 A1 ). Von dieser Kryovorrichtung ist in den 1 bis 3 jeweils nur ihr Thermosyphon-Leitungssystem angedeutet. Mit der Vorrichtung ist ein zu kühlendes Objekt wie z.B. eine supraleitende Magnetwicklung eines MRI-Magneten oder eine supraleitende Rotorwicklung einer elektrischen Maschine (vgl. WO 00/13296) auf einer geforderten Betriebstemperatur zu halten. Die Kälteleistung zur Kühlung des Kühlobjektes wird von mindestens einer Kälteeinheit erbracht, die an ihrem kalten Ende, z.B. an einem sogenannten Kaltkopf eines Kryokühlers, eine Kalt fläche aufweist. Diese auf einem vorbestimmten Temperaturniveau zu haltende Kaltfläche ist thermisch mit einem Kondensor verbunden, der in 1 mit 3 bezeichnet ist und als Teil eines Thermosyphon-Leitungssystems 2 auf dessen geodätisch höchstem Niveau liegt. Beispielsweise bildet die Kaltfläche der Kälteeinheit Teile der Wände des Kondensors 3. Die entsprechenden Wandteile sind in der Figur durch verstärkte Linien angedeutet und legen einen Kondensationsbereich 3a des Kondensors fest. In diesem Bereich wird die Kälteleistung der in der Figur nicht näher ausgeführten Kälteeinheit 4 an ein in dem Innenraum 3b des Kondensors 3 befindliches Kältemittel K abgegeben bzw. von diesem eine entsprechende (Verlust-)Wärme Q abgeführt, wobei das Kältemittel dort (re)kondensieren kann. Diese Wärme Q wird von dem nicht näher ausgeführten Kühlobjekt 5 erzeugt, das an einem geodätisch tiefer liegenden Ende des Leitungssystems 2 in Wärmeaustauschverbindung mit wenigstens einem Verdampferraum 6b des Leitungssystems steht. Dabei kann auch das Verbindungsrohr 7 selbst als Verdampfungsbereich vorgesehen werden, ohne dass ein spezieller Verdampfer 6 erforderlich ist. In diesem Raum wird in einem Verdampfungsbereich 6a das Kältemittel unter Aufnahme der Wärme Q verdampft. Der Verdampferraum 6b ist mit dem Kondensorraum 3b über wenigstens ein Verbindungsrohr 7 druckdicht verbunden.
• In 1 sind ferner die sich auf Grund des Thermosyphon-Effektes ergebenden Kältemittelströme veranschaulicht. Bei der gemäß dem Stand der Technik üblichen geringen Füllmenge an Kältemittel K in dem Thermosyphon-Leitungssystem 2 fließt kondensiertes Kältemittel K_fl (in der Figur mit kurzen, durchgezogenen Pfeilen veranschaulicht) aus dem Kondensationsbereich 3a an den Wänden nach unten in den Verdampferraum 6b. Das dort verdampfte, gasförmige Kältemittel K_gf (in der Figur mit längeren, unterbrochenen Pfeilen veranschaulicht) steigt dann in dem Leitungssystem wieder auf bis in den Bereich des Kondensorraums 3b, wo es an dessen Wänden rekondensiert wird.
• Ein derartiger, an Hand von 1 erläuterter Kältemittelkreislauf mit gemäß dem Stand der Technik verhältnismäßig geringer Füllmenge an Kältemittel in dem Thermosyphon-Leitungssystem 2 führt jedoch bei einer Abkühlung des Kondensationsbereiches 3a unterhalb der Tripelpunktstemperatur des verwendeten Kältemittels dazu, dass dieses an den Wänden des Kondensors ausfrieren kann und somit nicht mehr zur Wärmeübertragung zwischen dem Kühlobjekt 5 und der Kälteeinheit 4 zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß wird deshalb das Leitungssystem 2 mit einer derartigen Menge an Kältemittel K befällt, dass die in dem Leitungssystem vorhandene Gasmenge größer ist als zu einer teilweisen oder kompletten Füllung des Kondensorbereichs 3a mit ausgefrorenem Gas bei einer Abkühlung unter die Tripelpunktstemperatur erforderlich wäre. Eine entsprechende Befüllung des Thermosyphon-Leitungssystems mit einem Kältemittel K ist in den 2 und 3 in 1 entsprechender Darstellung veranschaulicht, wobei gemäß 2 eine Kühlung des Kondensorbereichs 3a auf eine Temperatur T1 oberhalb der Tripelpunktstemperatur T_tri (T1 > T_tri) und gemäß 3 eine Kühlung auf eine Temperatur T2 unterhalb der Tripelpunktstemperatur T_ri (T2 < T_tri) angenommen ist.
• Wie aus 2 hervorgeht, sind bei einer erfindungsgemäßen Befüllung des Leitungssystems 2 der gesamte Verdampferraum 6b sowie der untere Teil des Verbindungsrohres 7 zunächst mit flüssigem Kältemittel K_fl ausgefüllt, wobei in der Flüssigkeit Blasen an verdampftem Kältemittel aufsteigen. Die Grenzfläche zwischen dem flüssigen Kältemittel K_fl und dem darüber befindlichen gasförmigen Kältemittel K_gf liegt beispielsweise in einem mittleren Bereich des Verbindungsrohres 7.
• Wird nun gemäß 3 eine Abkühlung auf eine Temperatur T2 < T_tri vorgenommen, dann ist zumindest der größte Teil des Kondensorraums 3b mit ausgefrorenem Kältemittel K_eis ausgefüllt. Dennoch ist genügend Kältemittel für eine Zirkulation gemäß einem Thermosyphon-Effekt vorhanden. An der unteren Grenzfläche des ausgefrorenen Kältemittels, beispielsweise innerhalb des Verbindungsrohres 7, findet dann der Wärmeaustausch zwischen dem wärmeren gasförmigen Kältemittel K_gf und die damit verbundene Kondensation zu dem flüssigen Kältemittel K_fl statt.
• Bei dem an Hand der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass bei der Temperatur T2 der gesamte Bereich des Kondensorraums 3b ausfriert. Dabei muss gewährleistet bleiben, dass zumindest weitgehend über das ausgefrorene Kältemittel K_{ei s} genügend Kälteleistung an das in dem Restvolumen des Leitungssystems 2 noch hinreichend vorhandene Kältemittel abgegeben wird, so dass in diesem Restvolumen eine Zirkulation nach einem Thermosyphon-Effekt aufrecht zu erhalten ist. Selbstverständlich kann bei einer erfindungsgemäßen Befüllung der Kryovorrichtung auch ein Betriebszustand auftreten, bei dem die die Kälteleistung abgebende Flächen des Kondensationsbereichs 3a, die in 2 durch verstärkte Linien angedeutet sind, mit einem Eispanzer von beispielsweise mindestens 1 mm Dicke überzogen sind, wobei dann ein Teil des Kondensorraums 3b nicht von dem Eispanzer ausgefüllt ist. Denn wesentlich für die erfindungsgemäße Befüllung ist nur, dass trotz eines zugelassenen Ausfrierens des Kältemittels immer noch hinreichend Kältemittel vorhanden ist, ohne dass die gewünschte Zirkulation nach dem Thermosyphon-Effekt wegen Kältemittelmangels zusammenbricht. Die hierzu konkret zu wählenden Kältemittelmengen lassen sich auf einfache Weise experimentell einstellen.
• In der Praxis kommen als Kältemittel je nach gewünschter Arbeitstemperatur die Gase H₂, Ne, N₂, Ar sowie verschiedene Kohlenwasserstoffe in Frage. Die Auswahl des jeweiligen Arbeitsmediums erfolgt so, dass bei der vorgesehenen Betriebstemperatur das Kältemittel gleichzeitig gasförmig und flüssig vorliegen kann. Auf diese Weise ist eine Zirkulation unter Ausnützung des Thermosyphon-Effektes zu gewährleisten. Zu einer gezielten Einstellung der Füllmenge bei gleichzeitiger Begrenzung des Systemdrucks können ferner warme und/oder kalte Ausgleichsbehälter an dem Leitungssystem vorgesehen werden.
• Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine erfindungsgemäße Kryovorrichtung auch ein Leitungssystem aufweisen, in dem ein Gemisch aus zwei Kältemitteln mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorhanden ist.
• Selbstverständlich kann eine erfindungsgemäße Kryovorrichtung ein Thermosyphon-Leitungssystem mit mehreren Kondensatoren 3 und/oder mehreren Verdampfungsbereichen 6a aufweisen, die auch über mehrere Verbindungsrohre 7 ein geschlossenes System bilden.

Claims (4)

1. Kryovorrichtung mit einer Kälteeinheit und mit Mitteln zu einer thermischen Ankopplung eines zu kühlenden Objektes an die Kälteeinheit, wobei die thermischen Ankopplungsmittel als ein geschlossenes Leitungssystem für ein darin gemäß einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel mit vorbestimmter Tripelpunktstemperatur ausgebildet sind und wenigstens einen Kondensorraum, der in einem Kondensationsbereich in Wärmeaustauschverbindung mit der Kälteeinheit steht, sowie wenigstens einen Verdampferraum, der in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlobjekt steht, umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kälteeinheit (4) der Kondensationsbereich (3a) auf eine Temperatur (T2) unterhalb der Tripelpunktstemperatur (T_tri) zu kühlen ist und dass das Volumen des Leitungssystems (2) mit einer solchen Menge des Kältemittels (K) gefüllt ist, dass bei dieser Temperatur (T2) zumindest die die Kälteleistung übertragenden Flächen des Kondensationsbereichs (3a) im Kondensorraum (3b) wenigstens teilweise mit ausgefrorenem Kältemittel (K_eis) bedeckt sind und in dem verbliebenen Volumen des Leitungssystems (2) die Zirkulation des Kältemittels (K) nach dem Thermosyphon-Effekt aufrechterhalten ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kondensorraum (3b) und der wenigstens eine Verdampferraum (6b) des Leitungssystems (2) über mindestens ein Verbindungsrohr (7) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsbereich (3a) auf einer Temperatur (T2) zu halten ist, die niedriger als die Tripelpunktstemperatur (T_tri) des Kältemittels (K) liegt.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel (K) ein Gemisch aus mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen ist.