DE2149452A1

DE2149452A1 - Dewar-Gefaess od.dgl.fuer Lagerung und Transport kryogener Medien

Info

Publication number: DE2149452A1
Application number: DE19712149452
Authority: DE
Inventors: Johnson Glenn B; Petering John L
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1970-12-16
Filing date: 1971-10-04
Publication date: 1972-07-13
Also published as: GB1360060A; NL7113787A; US3698200A

Description

2H9452

PATENTANWÄLTE

dr. W. Schalk · dipl.-ing. P. Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg

DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEI NHOLD · DR. D. G UDEL

6 FRANKFURT AM MAIN

CR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

30. September 1971 Case 318

Air Products and Chemicals, Inc.

1339 Chestnut Street Philadelphia, Pennsylvania 19 107 /USA

Dewar-Gefäß od. dgl. für Lagerung und Transport

kryogener Medien

Die Erfindung "bezieht sich auf Vacuum-ummantelte Dewar-Gefäße zum Lagern "bei Tiefsttemperaturen, die sich zum Lagern von kryogenen Medien, wie z.B. flüssigem Helium, beim Transport von der Einfüllstelle zur Verwendungsstelle eignen.

Beispiele für solche Dewar-Gefäße sind in den US-Patentschriften 3 119 238 und 3 304 729 beschrieben. Bei den bekannten Vorrichtungen ist gewöhnlich ein innerer Tank für die Tiefsttemperatur-Flüssigkeit bzw. das kryogene Medium vorgesehen. Ein schalenartiges Gehäuse umgibt mit Abstand diesen inneren Tank. Innerhalb des Gehäuses ist im allgemeinen eine Anzahl von räumlich getrennten Strahlungs-Schilden angebracht, die verhindern, daß Wärme den inneren Lagertank erreicht. Die Teile des Dewar-Gefäßes innerhalb des Gehäuses, die keine kryogene Flüssigkeit enthalten, werden im allgemeinen evakuiert, um die Isolation des inneren Tanks von der Umgebungs-

209829/0365

2H9452

bzw. Raumtemperatur zu verbessern. Beim Lagern und Transportieren von flüssigem Helium in herkömmlichen Dewar-Gefäßen war es im allgemeinen notwendig, den inneren Tank während des Lagerns und/oder des Transports ständig zu entlüften, um die Bildung von Dampfdruck aufgrund der Verdampfung des Heliums innerhalb des inneren¹Tanks zu vermeiden. Die Verdampfung ist eine Folge der Tatsache, daß kein System das Entstehen von etwas Wärme im inneren Tank verhindern kann.

Bei den bekannten Tanks wurde zur Kühlung der Strahlungsschilde das Entlüftungsgas benutzt, um übermäßiges Eindringen von Wärme in den inneren Tank zu vermeiden, was einen beträchtlichen Verlust an gelagerter kryogener Flüssigkeit, z.B. Helium, zur Folge hätte.

Trotz des Entlüftens von Helium um die Strahlungsschilde herum war es äußerst schwierig, flüssiges Helium über weite Entfernungen ohne großen Verlust an Helium zu transportieren. Wenn z.B. ein Dewar-Gefäß bekannter Art in Kansas mit Helium gefüllt, und dann auf dem Seewege nach Japan oder Großbritannien verschifft wird, so ist damit zu rechnen, daß etwa 20% des flüssigen Heliums verdampfen, ehe das Dewar-Gefäß seinen Bestimmungsort erreicht.

Um diese Verluste und Schwierigkeiten zu überwinden und eine wirksamere Methode und Vorrichtung zum Transportieren kryogener Medien über große Entfernungen zu schaffen, sieht die Erfindung vor, daß der innerste Strahlungsschild des Dewar-Gefäßes von größerer Masse ist als die anderen selbsttragenden Strahlungsschilde und dieser Schild beim Einfüllen des Gefäßes auf die Temperatur des zu lagernden kryogenen Mediums gebracht wird, weil es dann möglich ist, das Dewar-Gefäß dicht zu verschließen und somit den Verdampfungsverlust des Mediums während einer langen Traneportzeit zum Bestimmungsort minimal zu halten. Da die gelagerte Flüssigkeit nicht ständig zu der Atmosphäre entlüftet wird und die

209829/0365

2U9A52

Dampfbildung während des Transports nur langsam vor sich geht, wird tatsächlich die gesamte in den Tank gefüllte Flüssigkeitsmenge in Form von Flüssigkeit plus Dampfbildung zum Bestimmungsort geliefert.

Der massive Schild zwischen dem Lagertrank und den übrigen Strahlungsschilden wirkt sich praktisch als große Wärmefalle aus, die den Wärmeeinfluß in den inneren Tank drastisch verringert.

Durch die Erfindung wird daher ein verbessertes Dewar-Gefäß zum Lagern bei Tiefsttemperaturen geschaffen.

Weiter schafft die Erfindung ein Dewar-Gefäß zum Lagern bei Tiefsttemperaturen, das den Verlust durch Verdampfung der Tiefsttemperatur-Flüseigkeit über ausgedehnte Zeiträume beim Transport des Dewar-Gefäßes auf ein Minimum'reduziert.

Ein weiteres Ergebnis der Erfindung liegt darin, Äin Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbewahren von flüssigem Helium durch niedrig gehaltene Dampfdruckbildung während großer Lagerzeiträume und ohne daß eine Entlüftung des verdampften Heliums erforderlich ist, zu schaffen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt ein erfindungsgemäßeβ Dewar-Gefäß zum Lagern bei Tiefsttemperaturen; und

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1.

Die Zeichnungen, insbesondere Fig. 1, zeigen ein Dewar-Gefäß 10 zum Lagern bei Tiefsttemperaturen mit einem inneren Tank 12 und einem äußeren schalenartigen Gehäuse 14. Der

209829/0365

2H9452

innere Tank 12 enthält hohle zylindrische Stützglieder 16,18. Die Stützglieder 16, 18 sindraLt dem inneren Tank 12 durch Verschweißen an der Oberfläche an - nicht dargestellten umlaufenden Schweißnähten verbunden. Ein Entweichen des Mediums aus dem inneren Tank 12 durch die Stützglieder hindurch wird durch an diesen angebrachte Schließköpfe 20 bzw. 22 wirksam unterbunden. Das äußere Gehäuse 14 weist in bekannter Weise einen die Herstellung erleichternden Endstutzen 24 mit Abschlußdeckel 26 auf. In der unteren Bodenfläche 27 des Gehäuses 14 ist eine Vielzahl von verstifteten radialen, allgemein mit 28 und 30 bezeichneten, Stützstreben angebracht. Die Stützstreben 28 und 30 sind am Boden durch Konsolen 32, 34 sowie Stifte 36 bzw. 39 befestigt. Am oberen Ende der Stützstreben 28, 30 sind ähnliche Stift-Verbindungen 38, 39 vorgesehen, die ihrerseits mit hohlen zylindrischen Stützgliedern 40 bzw. 42 verbunden sind. Die hohlen Stützglieder 40, 42 haben passende Einsätze 44, 46, die an hohle Achszapfen 48, 50 zum Abstützen des inneren Tanks 12 in Abstand von dem Gehäuse 14 angreifen. Die Achszapfen 48, 50 sind im allgemeinen für minimale Wärmeleitung aus nichtmetallischem Material hergestellt, z.B. einem Epoxy-Kunstharz.

Das zylindrische Stützglied 40 ist an dem Deckel 26 mittels einer Strebe 52 angebracht, die an einem Element 25 angestiftet ist, das durch Verschweißen an dem Endstutzen 24 befestigt ist, um in bekannter Weise die Lageeinstellung des inneren Behälters zu sichern. Am entgegengesetzten Ende sind passende Gleitverbindungen zwischen Strahlungsschilden 54 und 56 und dem Achszapfen 50 vorgesehen, die eine normale Expansion und Kontraktion des inneren Tanks ermöglichen.

Zwischen dem inneren Tank 12 und dem äußeren Gehäuse 14 sind die Strahlungsschilde 54 und 56 vorgesehen. Der Strahlungsschild 54 wird von Hülsen 58 und 60 getragen, die mittels Abstandhaltern 62, 64 in Abstand von den hohlen Achszapfen 48, 50 liegen, und so größtmögliche Isolierung des

209829/0365

2H9452

Strahlungsschildes 54 gegenüber den anderen Teilen des Gefäßes schaffen. Zwischen dem Strahlungsschild 54 und dem äußeren Gehäuse 14 ist der Strahlungsschild 56 angeordnet, der von den hohlen zylindrischen Stützgliedern 40, 42 getragen wird.

In Abstand von dem Strahlungsschild 56 am Verschlußende des Gefäßes 10 befindet sich ein zweites komplementäres Glied 66, mit dem zusammen der komplementäre Bereich des Schildes 56 einen Behälter für ein zweites kryogenes Medium schafft. Dieser Behälter besitzt ein Entlüftungsrohr 68, das mit einer Flüssigkeitsfalle 70 und einem Regelventil 72 außerhalb des Gefäßes ausgestattet ist. Weiter ist der Behälter mit einem Einfüllrohr 74 versehen, das ebenfalls mit einer Flüssigkeitsfalle 76 und einem äußeren Ventil 78 ausgestattet ist.

Die Zwischenräume 80, 82 und 84 sind evakuiert. Die Zwischenräume 80, 82 und 84 können auch bekanntes Super-Isolationsmaterial, wie z.B. Schichten/Lagen aus Kunststoff mit dazwischenliegenden Schichten aus Aluminium-Folie, enthalten. Eine angemessene Isolierung ist jedenfalls für den Zwischenraum 80 wünschenswert.

Im inneren Tank 12 ist ein Einfüllrohr 86 angeordnet, dessen unteres Ende in einem Winkel zum Boden des Tanks 12 angeordnet ist. Das Einfüllrohr 86 enthält eine Einfüllleitung 89, die durch die Endkappe 90 des Einfüllrohrs 86 führt. Die Leitung 89 führt durch ein weiteres Rohr 88, das durch den zweiten Kryogenbehälter führt und abgedichtet ist, um einen Verlust an dem zweiten Medium zu vermeiden, jedoch die Leitung 89 aus dem Gefäß durch ein Ventil 92 heraustreten läßt, um den inneren Tank 12 zu füllen. In dem unteren Bereich des Tanks 12 ist eine zweite Leitung 96 verlegt, die in einem Rohr 93 liegt, welches eine Endkappe 94 enthält, um einen Verlust des Mediums aus dem Tank 12 zu vermeiden. Die

209829/0365

2H9452

Leitung 96 führt durch den zweiten Strahlungsschild 54, ist dort wenigstens um einen Hauptteil von dessen Oberfläche herum angebracht und führt dann außerhalb des Tanks durch das Rohr 88 zu einem Regelventil 98. Die Leitung 96 kann durch eine Vielzahl von parallel gewundenen Leitungen, die zur Vergrößerung des Strömungsbereiches für das Medium aus dem Tank 12 dienen, ersetzt werden. Die Rohre 93» 86 und 88 sind derart konstruiert, daß ihre inneren Bereiche zur zusätzlichen Vakuumisolierung der Einfüll- und Entlüftungsrohrleitungen 88 bzw. 96 luftleer gemacht werden.

Der innere Tank 12 kann auch mit einem - nicht gezeichneten Sicherheitsventil für Druckentlastung zur Atmosphäre hin ausgestattet sein, um bestehenden Transportvorschriften zu genügen.

Das anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Gefäß zum Lagern bei Tiefsttemperaturen eignet sich ideal zum Transportieren von flüssigem Helium über große Entfernungen. Z.B. wurde flüssiges Helium von der Einfüllstation im Staate Kansas, USA, zu einem Verbraucher in Japan ohne die Notwendigkeit fortlaufender Entlüftung des inneren Tanks und dem daraus folgenden Verlust des kostbaren Heliums transportiert.

Nachdem daß Gefäß zum Lagern bei Tiefsttemperaturen hergegestellt und getestet ist, um zu sehen, daß keine undichten Stellen vorhanden und die gesamte Vakuumanlage sicher ist, wird das Gefäß zum Einfüllort des flüssigen Heliums geschickt. Am Einfüllort wird der zweite Behälter durch das Ventil 78 und die Leitung 74 mit einem zweiten kryogenen Medium, wie z.B. flüssigem Stickstoff, gefüllt. Wenn dieser zweite Behälter mit flüssigem Stickstoff vollkommen gefüllt ist, wird das Ventil 78 geschlossen und das Regelventil 72 geschlossen.

Der innere Tank 12 wird dann mit Helium durchspült bzw. gereinigt. Nach dem Reinigen wird die Einfüllquelle des

209829/0365

2U9452

Heliums mit der Leitung 89 über das Ventil 92 verbunden. Das Ventil 98 wird geöffnet und dann das Ventil 92, und die Einströmung des flüssigen Heliums in den Tank 12 beginnt. Wenn das flüssige Helium in den Tank 12 eintritt, wird Dampf von dort ausgestoßen und wenn das flüssige Helium das Niveau desjenigen Teils der Leitung 96 erreicht, der mit dem Inneren des Tanks 12 in Verbindung steht, beginnt das Helium in die Leitung 96 einzuströmen und wird durch die gesamte Länge der Leitung 96 und durch das Ventil 98 aus dem Gefäß geführt. Da das kalte Helium in die Leitung 96 einströmt, die in direkter Verbindung mit dem Strahlungsschild 54 steht, dessen Masse größer ist als die des StrahlungsSchildes 56, wird der Schild 54 auf annähernd die Temperatur des flüssigen Heliums gebracht, d.h. 4⁰K. Wenn der innere Tank 12 mit flüssigem Helium gefüllt ist, werden die Ventile 92 und 98 geschlossen.

Das so gefüllte Gefäß kann sicher auf eine paswende Vorrichtung für den Transport zum Bestimmungsort verladen werden. Der Strahlungsschild 54 wirkt, nachdem er auf annähernd die Temperatur des flüssigen Heliums gebracht worden ist, als große Wärmefalle, die eine Wärmeeinwirkung auf den inneren Tank 12 verhindert. Das zweite kryogene Medium (Stickstoff) verhindert eine größere Wärmewirkung auf den Schild 54. Der Gesamtwärmetransport wird auf ein Minimum reduziert aufgrund der verschiedenen Vakuum-Bereiche 80, 82, 84 und der Vielschicht-Isolierung innerhalb der Vakuumräume.

Mit einem Tank wie oben beschrieben, der mit flüssigem Helium gefüllt wurde, hat sich herausgestellt, daß während dee 30-täfcigen Zeitraums des Transportes von der Einfüllstation im Staate Kansas zum Verbraucherort in Japan die Druckbildung in dem Tank 12 nicht mehr als 30 PSIG (6,3 kg/cm²) betrug. Diese Druckbildung entspricht den bestehenden Sicherheitsvorschriften, hilit der Notwendigkeit kontinuierlicher Entlüftung des inneren Tanks 12 ab und reduziert so den Verlust an Helium auf ein Minimum. Der Bestand an flüssigem Helium

209829/0365

2U9452

hat sich verändert, aber der Gesamtbestand an Helium bleibt gleich.

Es wurde gefunden, daß der relative Unterschied in der Masse zwischen"den selbsttragenden Strahlungsschilden bekannter Art und dem dem inneren Tank gemäß der Erfindung am nächsten angeordneten Strahlungsschild etwa 1 : 40, also das mehrfache einer Größenordnung, betragen sollte.

Bei dem Gefäß nach der vorliegenden Erfindung wird das gesamte Helium konserviert, weil der innere Strahlungsschild beim Einfüllen in thermisches Gleichgewicht gebracht wird, und nicht wie früher durch ein kontinuierliches Entlüftungsverfahren. Aus dem Vorstehenden geht hervor, dafi dadurch, obwohl anfänglich während des EinfUliVorgangs eine geringe Menge Helium verloren geht, dieses Helium für späteren Gebrauch rezirkuliert werden kann, während das gemäß dem Stande der Technik kontinuierlich entlüftete Helium endgültig zur Atmosphäre verlorengeht.

209829/0365

Claims

2U9452

- 9 30. September 1971 Air Products and Chemicals,Inc,

Da/is Case 318

Patentansprüche :

Für den Transport kryogener Medien unter minimalem Verlust durch Verdampfung geeignetes Dewar-Gefäß mit einem inneren, das Medium aufnehmenden Tank, Füll- und Entleerungseinrichtungen für diesen Tank, einem äußeren, den Tank mit Abstand und vakuumdicht umgebenden Gehäuse sowie mit Abstützungen geringer Leitfähigkeit zur Halterung des inneren Tanks im Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Strahlungsschild (54) mit Abstand von dem inneren Tank (12) zwischen diesem und dem Gehäuse (14) vorgesehen ist, weiter ein zweiter Strahlungsschild (56) mit Abstand von dem ersten Strahlungsschild zwischen diesem und dem Gehäuse, eine den inneren Tank(12) zur Atmosphäre entlüftende Einrichtung(96, 98),die mindestens mit einem großen Teil der Oberfläche des ersten Strahlungsschildes(54)in Berührung steht, sowie eine Kühleinrichtung (66), durch die ein zweites Volumen kryogenen Mediums in Berührung mit einem Teil der Oberfläche des zweiten Strahlungsschildes (56) lagerbar ist.
2. Gefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strahlungsschild (54) eine wenigstens 40 mal größere Masse aufweist als bekannte selbsttragende Strahlungsschilde .
3. Gefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungseinrichtung eine längere Leitung (96) zwischen dem inneren Tank (12) und der Atmosphäre aufweist, welche in dichter Berührung mit dem ersten Strahlungsschild

(54) um diesen herum geführt ist.

- Anspruch 4 209829/0365

2U9452

- ίο -
4. Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung einen Behälter aufweist, der von einem Teil der Oberfläche des zweiten Strahlungsschildes (56) und einem diesem komplementär zugeordneten Bauelement (66) gebildet und in dem das zweite Volumen kryogenen Mediums aufnehmbar ist.
5. Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Tank (12) durch längliche Hohlzapfen (48, 50) aus einem Material geringer Leitfähigkeit zwischen dem Tank und Stutzgliedern (40, 42) an der Innenfläche des Gehäuses (14) in einer, die Wärmeleitung zum inneren Tank (12) auf ein Minimum bringenden Weise gelagert ist.
6. Gefäß nach einem der vorhergehänden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des inneren Tanks (12) sowie die dem Vakuum im Dewar-Gefäß ausgesetzten Oberflächen des ersten und zweiten Strahlungsschildes (54, 56) mit einem überzug niedrigen Emissionsvermögens versehen sind.
7. Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Gehäuse (14) und dem zweiten Strahlungsschild (56) eine Mehrfachschicht aus Super-Isolation vorgesehen ist.
8. Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine überdruck—Sicherheitsleitung zwischen dem inneren Tank (12) und der Atmosphäre vorgesehen ist.

Patentanwi

fs ^--- ■

209829/0365