DE3003024A1

DE3003024A1 - Fluessigheliumpumpe

Info

Publication number: DE3003024A1
Application number: DE19803003024
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr. Curt 7500 Karlsruhe Schmidt
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1980-01-29
Filing date: 1980-01-29
Publication date: 1981-07-30
Also published as: GB2070148A; US4365942A; GB2070148B

Description

Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 28.1.1980

Karlsruhe GmbH PLA 8001 Hä/he

Plus s ighel iumpuinpe

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Beschreibung; f

Die Erfindung betrifft eine Flüssigheliumpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Pumpen werden benötigt zum Umwälzen von flüssigem oder superkritischem Helium in einem geschlossenen Kreislauf oder ganz allgemein zum Fördern von flüssigem Helium.

Insbesondere im Bereich der Fusionstechnologie erweist sich der Bau und Betrieb von eisenlosen Fusionsmagneten als unerläßlich. Dabei sind die Magnetspulen häufig aus supraleitenden Hohlleitern aufgebaut, deren Länge bis zu looo m betragen kann und die mit einphasigem Helium zu kühlen sind.

Der Transport des Heliums erfolgt bei einem Druck oberhalb·von 2,4 bar und einer Temperatur von etwa 4,2 K. Die Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt ist in der Größenordnung von 1 bis 4 bar.

Es ist eine Kolbenpumpe zum Fördern von Flüssighelium bekannt, (CRYOGENICS, Febr. 1878,. Seiten 112 bis 114), deren Antrieb außerhalb des Kryostaten angeordnet ist und deshalb das Durchführen der Kolbenstange durch die Wand des Kryostaten erforderlich macht. Diese Durchführung erfordert eine vakuum- und heliumdichte Ausführung und bedingt einen erheblichen Aufwand. Diese Schwierigkeiten werden vermieden durch eine andere bekannte Flüssigheliumpumpe (Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 11 (1965), Seiten 53o bis 535), bei der ein Pumpenkolben aus einem ferromagnetischen Werkstoff im Faltenbalg in einem Pumpengehäuse und eine Magnetspule zum Antreiben des Kolbens außerhalb des Pumpengehäuses angeordnet ist. Das notwendigerweise aus einem unmagnetischen Werkstoff bestehende Pumpengehäuse vergrößert einerseits den Luftspalt zwischen der Magnetspule und dem Kolben und vermag andererseits unerwünschte Wirkungen von Fremdfeldern nicht auszuschliessen. Ein anderer Nachteil dieser bekannten Einrichtung liegt in der geringen Fördermenge von etwa 6,4 cm /s.

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-S-

Es ist aber auch eine Flüssigheliumpumpe bekannt (Adv. Cryogenic Engineering, Vol. 11 (1965), Seiten 6o7 bis 611) , bei der die supraleitende Antriebsspule als Scheibenspule an der Stirnseite eines supraleitenden Kolbens mit Faltenbalg in dem Pumpengehäuse angeordnet ist. Der Kolben wird von der Antriebsspule durch Abstoßen und Anziehen bewegt, die dabei auf den Kolben ausgeübten Kräfte sind während eines Hubes starken Änderungen unterworfen, weil mit zunehmendem Abstand zwischen Kolben und Antriebsspule die auf den Kolben wirkende Kraft stark abnimmt. Ferner kann auch bei dieser Pumpe der Betrieb durch starke magnetische Fremdfelder erheblich gestört v/erden. Die Fördermenge beträgt auch hier nur etwa 7 cm /s.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigheliumpumpe zu entwickeln, deren supraleitende Antriebseinrichtung frei ist von das Pumpengehäuse durchdringenden Bauelementen, die auch in starken magnetischen Fremdfeldern einer Flußdichte von einigen Tesla störungsfrei zu arbeiten vermag und die gleichzeitig eine hohe Fördermenge, einen großen Differenzdruck zwischen dem Ein- und dem Austritt der Pumpe und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Flüssigheliumpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit einfachen Mitteln eine kompakte Flüssigheliumpumpe hoher Fördermenge zur Verfügung gestellt wird, die auch in starken magnetischen Fremdfeldern betriebssicher arbeitet, und einen Wirkungsgrad nahe loo % aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel einer Flüssigheliumpumpe mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 2 und 4 sowie eine Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

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Fig.l schematische Anordnung der Erregerspulen und der Steuerspule, sowie die geometrischen Abmessungen für ein durchgerechnetes Beispiel,

Fig.2 von den Erregerspulen erzeugte mittlere radiale Feldstärke B am Ort der Steuerspule in Abhängigkeit von deren axialer Auslenkung,

Fig.3 Verlauf der Stromdichte in der Steuerspule als Funktion der Zeit,

Fig.4 vereinfachter Halbschnitt einer Flüssigheliumpumpe, mit scheibenförmigen Spulen,

Fig.5a,b schematische Anordnung von Zylinderspulen, Fig.6 Parallelbetrieb mehrerer Flüssigheliumpumpen.

In Fig. 1 sind eine erste und eine zweite feststehende Erregerspule 1, 2 und eine dritte, in dem Bereich zwischen den Erregerspulen 1, 2 bewegbare Spule, die Steuerspule 3 im Achsschnitt dargestellt.

Die in einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand a gehaltenen Erregerspulen 1/2 und die Steuerspule 3 sind als Scheibenspulen ausgebildet und koaxial zu der Achse 4 angeordnet. Die Erregerspulen 1, 2 führen einen zeitlich konstanten Strom J gleicher Größe aber entgegengesetzter Richtung, der im Prinzip das oberhalb der Achse 4 dargestellte erste Magnetfeld 5 zur Folge hat. Zwischen den Erregerspulen 1, 2 am Ort der Steuersäule 3 verläuft das Magnetfeld 5 mit der Hauptkomponente in radialer Richtung. Die mittlere radiale Feldkomponente am Ort der Steuerspule ist B . B_r ist eine Funktion der Auslenkung χ der Steuerspule 3 und hat ein Minimum in der Mitte zwischen den Erregerspulen 1, 2 (s. Abb. 2).

Die Steuerspule 3 führt einen zeitlich veränderbaren Strom J₃ wechselnder Richtung, der von einem zweiten Magnetfeld 6 begleitet ist. Aus der Überlagerung des ersten Magnetfeldes 5 und des zweiten Magnetfeldes 6 ergibt sich eine in Richtung der Achse 4 auf die Steuerspule 3 wirkende Kraft K, deren Richtung und Stärke von der Richtung und Größe des in der Steuerspule 3 fließenden

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Stromes J₃ bestimmt ist.

Bei einer Stromdichte in jeder der Erregerspulen 1, 2 von

2
j «= 3o kA/cm erzeugen die Erregerspulen 1, 2 eine mittlere radiale Feldstärke B am Ort der Steuerspule 3, deren Abhängigkeit von der Auslenkung χ der Steuerspule 3 in Fig. 2 dargestellt ist. Die Berechnung in Fig. 2 gilt für die als Ausfphrungsbeispiel in Fig. 1 eingezeichneten geometrischen Abmessungen.

Die auf die Steuerspule wirkende Kraft ist K = n.J₃»l'B_r,

wenn η die Windungszahl der Steuerspule 3 und 1 der mit 2 7Γmultiplizierte mittlere Spulenradius ist. Oder

K = J₃ · S-I-B₁.,

wenn J₃ die Stromdichte in kA/cra² und s der Wickelquerschnitt der Steuerspule 3 ist.

Bei einer Stromdichte in der Steuerspule 3 von ebenfalls j- =

2
3okA/cm ergibt sich in der Mittelstellung, also x=O, B =0,6 T eine auf die Steuerspule 3 wirkende Kraft K<«8oo kp.

Die Kraft K steigt mit der Auslenkung χ der Steuerspule 3 aus der Mittellage proportional zu B an. Es ist deshalb zweckmäßig, die Stromdichte j_ in der Steuerspule 3 während eines Hubes nicht konstant zu halten und .am Ende des Hubes schnell umzukehren, sondern der ansteigenden Feldstärke B anzupassen, so daß die an der Steuerspule 3 wirkende Kraft K konstant bleibt.

In Fig. 3 ist die Stromdichte j. der Steuerspule 3 als Funktion der Zeit t bzw. der Auslenkung χ dargestellt, bei der K = const (Kurve lo). Die abrupte Stromdichteumkehr am Ende des Hubes der Steuerspule 3 ist aber zum Reduzieren der Wechselstromverluste und zum Erhöhen der elektrodynamischen Stabilität der supraleitenden Spulen möglichst zu vermeiden.

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Deshalb ist ein geglätteter Stromverlauf, z.B. .eine Kosinusabhängigkeit (Kurve 11), vorteilhafter.

Bei dieser Betriebsart wird die maximale Kraft K etwa während 65 % der Periodendauer erzeugt. Die restliche Zeit der Periode ist die Pumpwirkung Null, wenn die Endstellung des Kolbens erreicht ist, bzw. bei noch nicht erreichter Endstellung des Kolbens ist nur eine verminderte Pumpwirkung vorhanden. Das ist jedoch in den meisten Anwendungsfällen nicht störend. In besonderen Fällen können aber mehrere gleichartige Spulenanordnungen phasenverschoben parallel betrieben werden, so daß die Pumpwirkung der Gesamteinrichtung weitgehend von der Auslenkung der Steuerspulen unabhängig wird.

Eine mögliche Ausführungsform einer Flüssigheliumpumpe in einer geschweißten Version ist in Fig. 4 als vereinfachter Halbschnitt dargestellt. Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der Schweißverbindungen Schraubverbindungen mit entsprechenden Dichtungen zu verwenden, ohne daß der prinzipielle Aufbau der vorgeschlagenen Flüssigheliumpumpe dadurch verändert würde.

Das Pumpengehäuse 2o ist rotationssymmetrisch ausgebildet und besteht aus einer ersten und einer zweiten scheibenförmigen Seitenwand 21, 22 die an ihrer Peripherie durch einen ersten Ring 23 heliumdicht miteinander verbunden sind. Die Seitenwände 21, 22 sind einander vollständig identische Drehteile mit der Achse 4 und einer zentralen Sackbohrung 24 zum Führen einer zentralen Führungsstange 25 eines Pumpenkolbens 26 , der die Form einer Kreisscheibe aufweist und in einer peripheren ersten Ringnut 27 die Steuerspule 3 aufnimmt. Die Ringnut 27 ist durch einen mit dem Pumpenkolben 26 verschweißten zweiten Ring 28 verschlossen, dessen peripheres Ende über einen ersten Faltenbalg 29 an die eine erste Erregerspule 1 aufnehmende erste Seitenwand 21 und über einen zweiten Faltenbalg 3o an die eine zweite Erregerspule 2 aufnehmende zweite Seitenwand 22 angeschlossen ist.

In einer zweiten Ringnut 31 der ersten Seitenwand 21 ist die erste

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A-

Erregerspule 1 und in einer dritten Ringnut 32 die zweite Erregerspule 2 angeordnet. Die zweite Ringnut 31 ist durch einen eingeschweißten dritten Ring 33 und die dritte Ringnut 32 ist durch einen eingeschweißten vierten Ring 34 verschlossen.

Der Pumpenkolben 26 weist im Pereich der ersten Ringnut 27 Bohrungen 35 auf, durch die Flüssighelium unmittelbar an die supraleitende Steuerspule 3 herangeführt wird. Derartige Bohrungen 35 weisen im Bereich der zweiten Ringnut 31 und im Bereich der dritten Ringnut 32 auch die erste und die zweite Seitenwand 21, 22 an der dem Pumpenkolben 26 zugewandten Innenseite auf.

Die erste und die zweite Seitenv/and 21, 22 sind in einem gegenseitigen Abstand a angeordnet und begrenzen einen ringförmigen Raum der durch den Pumpenkolben 26 in eine erste Kolbenkammer 36 und in eine zweite Kolbenkammer 37 geteilt ist.

Ein erster Anschlußblock 38, der in die erste Seitenwand 21 integriert ist, weist ein erstes Einlaßventil 39 und ein erstes Auslaßventil 4o auf. Das erste Auslaßventil 4o ist über einen ersten Auslaßkanal 41 mit der ersten Kolbenkammer 36 verbunden. Das erste Einlaßventil 39 ist über einen ersten Einlaßkanal 45a mit der ersten Kolbenkammer 36 verbunden.

Ein zweiter Anschlußblock 42, der in die zweite Seitenwand 22 integriert ist, weist ein zweites Einlaßventil 43 und ein zweites Auslaßventil 44 auf. Das zweite Auslaßventil 44 ist über einen zweiten Auslaßkanal 45 mit der zweiten Kolbenkammer 37 verbunden. Das zweite Einlaßventil 43 ist über einen zweiten Einlaßkanal 41a mit der zweiten Kolbenkammer 37 verbunden. Wird der Pumpenkolben 26 in Richtung auf die erste Seitenv/and 21 bewegt, strömt das Flüssighelium aus der ersten Kolbenkammer 36 durch den ersten Anschlußkanal 41 über das erste Auslaßventil 4o. Gleichzeitig strömt über das zweite Einlaßventil 43 und den zweiten Einlaßkanal 41a Flüssighelium in die zweite Kolbenkammer 37. Bei Umkehr der Bewegungsrichtung des Pumpenkolbens 26 wird die zweite Kolbenkammer 37 über

w Q —

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das zweite Auslaßventil 44 entleert und gleichzeitig die erste
Kolbenkanuner 36 über das erste Einlaßventil 39 wieder gefüllt.
Die Ein- und Auslaßventile 39, 40, 43, 44 sind als Kugelventile
ausgebildet. Eine andere Ventilart (z.B. Flatterventile) ist jedoch auch möglich.

Der tote Raum, also das in einer Kolbenkanuner 36, 37 verbleibende Flüssigheliumvolumen bei der Endstellung des Kolbens beträgt nur
etwa 50 cm , also 5 % des bei einem Hub gepumpten Volumens.

Der von dem ersten Ring 23 und von den Faltenbälgen 29, 30 eingeschlossene Ringraum 46 ist über eine Druckausgleichsleitung 47 mit einer der Auslaßleitung^ verbunden, so daß sich im Raum 46 der Betriebsdruck einstellt. Damit wird die maximale auf die Bälge wirkende DruckbeJ.astung auf den Differenzdruck zwischen Ein- und Auslaß begrenzt. Die Stromversorgung der Steuerspule 3 erfolgt über zwei SL-Drähte 48, die in ainem flexiblen Rohr 49 heliumdicht z.B.durch die zweite Seitenwand 22 in den Ringraum 46 geführt sind. Das
flexible Rohr 49 ist in dem Ringraum 46 frei beweglich angeordnet und an einer gegen die Stelle der Durchführung durch die zweite
Seitenwand 22 um minde
zweiten Ring 28 iührt.

Seitenwand 22 um mindestens 18o° versetzten Bohrung 49a durch den

Bei einer nach Fig. 4 ausgeführten Flüssigheliumpumpe mit einer

2
Fläche des Pumpenkolbens 26 von A = 2oo cm , einem Hub von

25 mm und einer Frequenz von 1 Hertz ergab sich eine Pumpleistung

2 von 2 Liter/Sek. Dabei war die maximale Druckdifferenz 800 kp/2oo cm = 4 bar.

In Fig. 5 sind die erste Erregerspule 1' und die zweite Erregerspule 2* und die Steuerspule 3¹ als Zylinderspulen ausgebildet,
die koaxial zu der Achse 4 angeordnet sind. Dabei ist es möglich, den Durchmesser d, der Steuerspule 3' kleiner (Fig. 5a) oder größer (Fig. 5b) als den Durchmesser d.. _o der Erregerspulen I¹, 2¹ zu

ι, δ

machen.

- Io -

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In Fig. 6 sind drei gleichartige Flüssigheliumpumpen 5o parallel geschaltet. Der zeitlich nach einer Cosinusfunktion verlaufende Strom ^J->i'^Jo2'^Jn ^^{er steuers}P^u3-^{en 3 der} ersten bis dritten Flussigheliumpumpe 5o wird von einem Phasendreher 51 so eingestellt, daß der Strom J-. die Phasenlage ψ_ο „ der Strom J die Phasenlage ψ und der Strom J,, die Phasenlage ψ^. ^ aufweist, die Phasendrehung zwischen zwei Strömen also jeweils 12o beträgt= Durch diese Maßnahme kann der Differenzdruck zwischen der Flüssigheliumsaugleitung 52 und der Flüssigheliumdruckleitung 53 konstant ge-. halten v/erden.

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Bezugszeichenliste; Fig. 1

1 erste Erregerspule

2 zweite Erregerspule

3 Steuerspule

4 Achse von 1, 2, 3,

5 erstes Magnetfeld von 1 und 2

6 zweites Magnetfeld von a Abstand zwischen 1 und in Richtung der Achse Strom in 1, 2 Strom in 3 Hauptkomponent von

Kraft an 3 Auslenkung von 3 mittlere Windungslänge von 3 Stromdichte in kA/cm Wickelquerschnitt in _cm2 von 3

Fig. 3

11 I

(t)

(t) geglättet

1' erste Erregerspule 2' zweite Erregerspule 3¹ Steuerspule

2o	Pumpengehause
21	erste Seitenwand
	von 2o
22	zweite Seitenwand
	von 2o
23	erster Ring v. 2o
24	zentrale Sackboh
	rung in 21, 22
25	Führungsstange v.26
26	Pumpenkolben
27	erste Ringnut in
	26
28	zweite Ring
29	erster Faltenbalg
3o	zweiter Faltenbalg
31	zweite Ringnut in
	21
32	dritte Ringnut in
	22
33	dritter Ring von 21
34	vierter Ring von 22
35	Bohrungen in 21,
	22, 26
36	erste Kolbenkammer
37	zweite Kolbenkammer
38	erster Anschluß
	block von 21
39	erstes Einlaßven
	til
4o	erstes Auslaßventil
41	erster Auslaßkanal
41 a	zweiter Einlaßkanal
42	zweiter AnschluE-
	block von 22
43	zweites Einlaßventil
44	zweites Auslaßventil
45	zweiter Auslaßkanal
45 a	erster Einlaßkanal
46	Ringraum zwischen
	23, 29 , 3o
47	Druckausgleichs leitung
48	SL-Drähte
49	flexibles Rohr für 48
49a	Bohrung in 28

- 12 -

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/ly

50 Flüssigheliumpurapen

51 Phasendreher für J₃

52 FlüssigheliumsauglSitung

53 Flüssigheliumdruckleitung

J₃₁ Strom in der ersten Steuerspule

J_ Strom in der zv/eiten Steuerspule

J^_ Strom in der dritten Steuerspule

v> Phasenlage des Stromes J-..

'f'lo Phasenlage des Stromes J₃₂

ψ Phasenlage des Stromes J₃₃

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Leerseite

Claims

Patentansprüche:

Flüssigheliumpumpe mit einem supraleitenden elektromagnetischen Antrieb, der eine feststehende, mit dem Pumpengehäuse verbundene supraleitende Erregerspule und ein durch das Feld der Erregerspule bewegbares, mit dem Kolben der Pumpe fest verbundenes supraleitendes Bauelement aufweist,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) der supraleitende elektromagnetische Antrieb besteht im wesentlichen aus einer ersten und einer zweiten Erregerspule (1, 2) eines ersten Durchmessers mit einem ersten Magnetfeld (5) und aus einer im Bereich zwischen den Erregerspulen (1, 2) angeordneten und in Achsrichtung bewegbaren dritten Spule, der Steuerspule (3),mit einem dritten Magnetfeld (6),

b) die erste und die zweite Erregerspule (1, 2) sind koaxial angeordnet und in einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand (a) mit einer ersten und zweiten Seitenwand (21, 22) des Pumpengehäuses (2o) fest verbunden,

c) die Steuerspule (3) ist mit dem koaxial zu den Erregerspulen (1, 2) angeordneten und in Richtung der Achse (4) des Pumpengehäuses (2o) geführten Pumpenkolben (26) fest verbunden,

d) der Pumpenkolben (26) ist über einen ersten Faltenbalg (29)

an die die erste Erregerspule (1) aufnehmende erste Seitenwand (21) des Pumpengehäuses (2o) und über einen zweiten Faltenbalg (3o) an die die zweite Erregerspule (2) aufnehmende zweite Seitenwand (22) des Pumpengehäuses (2o) angeschlossen.
2. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Erregerspule (1, 2) und die Steuerspule (3) als Scheibenspulen mit gleichem Durchmesser ausgebildet sind.

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■ι-
3. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Erregerspule (1, 2) und die Steuerspule (3) als Zylinderspulen ausgebildet sind, und daß die Erregerspulen (1, 2) einen ersten Durchmesser und die Steuerspule (3) einen zweiten Durchmesser aufweisen.
4. Flüssigheliumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse (2o) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, daß die Achse (4) des Pumpengehäuses (2o) und die gemeinsame Achse (4) der ersten und zweiten Erregerspule (1, 2) und der Steuerspule (3) identisch sind, daß parallel zu der ersten Seitenwand (21) des Pumpengehäuses (2o) die zweite Seitenwand (22) angeordnet ist,daß in einem in die erste Seitenwand (21) integrierten ersten Anschlußblock (38) ein erstes Einlaßventil (39) und ein erstes Auslaßventil (4o) und in einem in die zweite Seitenwand (22) integrierten zweiten Anschlußblock (42) ein zweites Einlaßventil (43) und ein zweites Auslaßventil (44) angeordnet sind, daß das erste und das zweite Einlaßventil (39, 43) in einem ersten oder zweiten Einlaßkanal (45a, 41a) das erste und das zweite Auslaßventil (4o, 44) in einem ersten oder zweiten Auslaßkanal (41, 45) angeordnet sind, daß der erste Einlaßkanal (45a) und der erste Auslaßkanal (41) auf einer ersten Seite des Pumpenkolbens (26) in eine durch die erste Erregerspule (1), den Pumpenkolben (26) und den ersten Faltenbalg (29) begrenzte erste Kolbenkammer (36) mündet und der zweite Einlaßkanal (41a) und der zweite Auslaßkanal (45) auf einer zweiten Seite des Pumpenkolbens (26) in eine durch die zweite Erregerspule (2), den Pumpenkolben (26) und den zweiten Faltenbalg (3o) begrenzte zweite Kolbenkammer (37) mündet.
5. Flüssigheliumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige Flüssigheliumpumpen (5o) parallel geschaltet sind, und daß ein Phasendreher (51) vorgesehen ist, der die Steuerspulen (3) mit Strömen (J₃-, ^flJ32'^J33^ versorgt, die eine gegenseitige Phasendrehung von jeweils ψ=. l/n*36o° aufweisen, wobei η die Zahl der parallel geschalteten Flüssigheliumpumpen (5o) ist.

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