DE4126054C2 - Kältemittel-Verbrauchsmeßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kältemittel-Verbrauchsmeßsystem zur Messung des Verbrauchs eines Kältemittels in einem Niedrigtemperaturgefäß, wobei der Verbrauch und die Kühlwirkung des Kältemittels auf der Verdampfung des Kältemittels beruhen, mit einem Strömungsweg zur Ableitung des verdampften Kältemittelgases aus dem Niedrigtemperaturgefäß in die umgebende Atmosphäre, und mit einem in dem Strömungsweg angebrachten Durchflußströmungsmesser zur Messung des Massen- oder Volumenstroms des verdampften Kältemittelgases.

Ein Kältemittel wird dazu verwendet, um in einem Niedrigtemperaturgefäß die Temperatur sehr niedrig zu halten. Ein Beispiel eines Kältemittels ist flüssiges Helium. Das Gefäß (beispielsweise ein Kryostat für einen supraleitenden Magneten) ist so ausgebildet, um einen Wärmeübergang von außen zu verhindern. Da es aber nicht möglich ist, den Wärmeübergang völlig zu sperren, wird das Kältemittel verdampft, um die Temperatur innerhalb des Gefäßes auf dem gewünschten Wert zu halten. Das verdampfte Kältemittel wird durch einen Weg, beispielsweise ein Rohr, nach außen abgegeben. Es ist erforderlich, die Menge des verbrauchten Kältemittels zu messen, um die Kältemittelverbrauchsdaten zu erfahren.

Ein dem betreffenden Fachmann allgemein bekanntes Kältemittel- Verbrauchsmeßsystem, nach dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 gebildet ist, ist in Fig. 2 dargestellt. Wie gezeigt, wird Kältemittel, beispielsweise flüssiges Helium 2, in einem Niedrigtemperaturbehälter 1 aufgenommen. Das verdampfte Kältemittel wird durch ein Rohr 4 abgegeben. Ein Gasmassenströmungsmesser 5 ist an das Ende des Rohrs angeschlossen, um die Massenströmungsrate des abgegebenen Gases zu messen. Das Meßergebnis, die Strömungsrate, wird durch einen Schreiber, beispielsweise einen Tintenschreiber, aufgezeichnet, der an den Strömungsmesser 5 angeschlossen ist.

Der Auslaß 5b des Gasströmungsmessers 5 ist zur Umgebung hin geöffnet, so daß das durch das Rohr 4 und den Gasströmungsmesser 5 fließende Gas an die Umgebung abgegeben wird.

Eine Schwierigkeit, die bei dem bekannten Kältemittel- Verbrauchsmeßsystem auftritt, liegt darin, daß bei Änderung des atmosphärischen Druckes die Strömung des verdampften Gases beeinflußt wird. Das heißt, die Strömung des verdampften Gases schwankt, selbst wenn der Verbrauch d. h. die Verdampfungsrate des Kältemittels, konstant ist, und die Strömung des verdampf­ ten Gases entspricht nicht genau dem Kältemittelverbrauch.

Aus der Zeitschrift "Cryogenics, January 1976, p. 45" ist ein Absolutdruckregler für Helium-Kryostate bekannt, der in einer Gasströmungsweganordnung zwischen dem Kryostat und der Umgebung angeordnet ist. Der Absolutdruckregler umfaßt eine Kammer mit einem Balg, der bei einem bestimmten Druck gegen die Kraft einer Feder ein Ventil öffnet, so daß eine Gasmenge in eine Kammer abgeführt wird, die über eine Leitung mit der Umgebung verbunden ist. Der Absolutdruckregler dient dazu, den Arbeitsdruck im Kryostat unabhängig vom Druck des umgebenden Mediums auf einem vorgegebenen Niveau zu halten. Der in dieser Druckschrift beschriebene Konstantdruckbehälter ist ausschließlich auf eine Konstanthaltung des Kältemittelgasdrucks im Niedrigtemperaturgefäß gerichtet. Nachteilig ist auch, daß dort die Strömungsrate des aus dem Kältemittel verdampften Gases nicht ermittelt werden kann.

Ein Verfahren zum Steuern des Rückkühlvorganges von supraleitenden Wicklungen, falls die Wicklungen durch einen Störfall normalleitend geworden sind, ist aus der DD-PS 1 44 617 bekannt. Um einen schnellen Rückkühlvorgang mit einem Minimum an Kältemittel zu erreichen, berechnet ein Prozeßrechner die Energieaufnahme aus der Messung der Stromaufnahme und des inneren Widerstands der Wicklung und die Energieabgabe aus der Messung des Drucks, der Temperatur und der Durchsatzmenge des verdampften Kältemittels. Nach einem Vergleich der Energieaufnahme und Energieabgabe wird eine entsprechende Menge an Kältemittel aus einem Vorratsbehälter zugeführt. Es fehlt hier jedoch ein Behälter, der in einer Gasströmungsweganordnung zur Leitung des verdampften Kältemittelgases aus dem Kryostat zur Umgebung angeordnet ist.

Aus der DD 2 39 461 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturregulation in Kryostaten bekannt, wobei ein Vorratsbehälter mit kryogener Flüssigkeit über eine Rohrzuleitung und ein Tieftemperaturmagnetventil mit einer Kältekammer verbunden ist. Eine programmierbare Regeleinrichtung erhält Informationen von einem Temperatursensor und einem Drucksensor und regelt entsprechend das Tieftemperaturmagnetventil, Heizelemente in der Kältekammer und im Vorratsbehälter sowie ein Druckablaßmagnetventil für den Vorratsbehälter. Diese Vorrichtung weist weder eine Gasströmungsweganordnung zwischen einem Kryostat und der Umgebung, in der ein Behälter mit konstant gehaltenem Druck angeordnet ist, noch eine Gasströmungsmeßeinrichtung zwischen Kryostat und einem solchen Behälter auf.

Die DE-PS 15 23 362 offenbart eine Steuervorrichtung zur Druckregelung in Badkryostaten, wobei ein inneres Gefäß mit Flüssighelium von einem äußeren Gefäß mit flüssigem Stickstoff umgeben ist. Das innere Gefäß ist über eine Anschlußleitung mit einem Druckregler verbunden, der über eine Steuerleitung ein Faltenbalg-Regelventil kontrolliert, das in einer Abgasleitung des inneren Gefäßes angeordnet ist. Durch das vom Druckregler betätigte Faltenbalg-Regelventil wird der Druck im Kryostat konstant gehalten. Diese Steuervorrichtung weist weder einen Behälter mit konstant gehaltenem Druck in der Gasströmungsweganordnung noch eine Einrichtung zur Messung der Strömungsrate des verdampften Kältemittelgases auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kältemittel- Verbrauchsmeßsystem mit Auslaß des verdampften Kältemittelgases in die umgebende Atmosphäre zu schaffen, dessen Meßergebnisse durch einen schwankenden Atmosphärendruck nicht verfälscht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß dem Durchflußströmungsmesser ein Konstantdruckbehälter unmittelbar nachgeschaltet ist, in den das verdampfte Kältemittelgas gegen einen konstanten Kältemittelgasdruck einströmt und aus dem es gegen den Druck der umgebenden Atmosphäre durch ein geregeltes Auslaßventil ausströmt, und daß dem Auslaßventil eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, welche von einem den Druck des Kältemittelgases in dem Konstantdruckbehälter registrierenden Drucksensor angesteuert wird und den Druck des Kältemittelgases in dem Konstantdruckbehälter auf einem vorgegebenen Druckwert oberhalb des höchsten zu erwartenden Druckes der umgebenden Atmosphäre unter Normalbedingungen konstant hält.

Aus dem Stand der Technik war es bislang nicht bekannt, daß bei Aufrechterhaltung eines konstanten Druckniveaus eine Strömungsrate erhalten werden kann, die direkt dem Kältemittelverbrauch entspricht. Bislang wurden die Messung der Durchsatzmenge des verdampften Kältemittels und die Aufrechterhaltung eines konstanten Druckniveaus stets unabhängig voneinander betrachtet und ausgeführt. Erst durch die erfindungsgemäße Kombination aus der Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks innerhalb des Behälters und einer Messung der Strömungsrate zwischen dem Niedrigtemperaturgefäß und dem Behälter wird der gewünschte Effekt erzielt. Es ist aus dem Stand der Technik nicht entnehmbar, einen Kältemittel- Strömungsmesser in Verbindung mit einem Konstantdruckbehälter vorzusehen, wie dies bei der Erfindung der Fall ist. Erst mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß bei der Anordnung einer Gasströmungsmeßeinrichtung zwischen dem Kryostat und dem Behälter mit konstantem Druck gemäß Patentanspruch 1 durch eine Messung der Strömungsrate unmittelbar der Kältemittelverbrauch erfaßt wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Auslaßventil als Elektromagnetventil ausgebildet.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kältemittel-Verbrauchsmeßsystems,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines bekannten Kältemittel-Verbrauchsmeßsystems,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Gasströmungsmessers, und

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gasströmungsmessers.

Es wird auf die Einzelbeschreibung bevorzugter Ausführungsformen Bezug genommen. Gemäß Fig. 1 wird ein Kältemittel, beispielsweise flüssiges Helium 2, in einem Niedrigtemperaturgefäß 1 aufgenommen. Das verdampfte Kältemittel wird durch ein Rohr 4 abgegeben. Ein Gasmassenströmungsmesser 5 ist an das Ende des Rohrs 4 ange­ schlossen, um die Massenströmung des abgebenen Gases zu messen. Das Meßergebnis, die Strömungsrate, wird von einem Schreiber, beispielsweise einem Tintenschreiber, aufgezeichnet, der an den Strömungsmesser 5 angeschlossen ist.

Der Auslaß 5b des Gasströmungsmessers ist an einen Konstantdruckbehälter 7 angeschlossen, der einen Auslaß 7a zur Verbindung mit der Umgebung über ein Elektromagnetventil 11 hat, dessen Austrittsöffnung (das Ausmaß in welchem Gas durch das Ventil strömen kann) kontinuierlich entsprechend einem elektrischen Signal regelbar ist, das dem Ventil über die elektrischen Zuleitungen 18 zugeführt wird.

Ein Gasdrucksensor 8 erfaßt den Druck innerhalb des Behälters 7 und sein Ausgangssignal wird durch einen Verstärker 9 verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 9 wird einem Regler 10 für das Elektromagnetventil zugeführt. Der Regler 10 vergleicht den tatsächlichen Druck innerhalb des Behälters, wie er durch das Signal aus dem Verstärker 9 dargestellt wird, mit einem bestimmten vorgegebenen Schwellenwert. Dieser Schwellenwert entspricht vorzugsweise einem Druck von beispielsweise 1040 mbar, der ein wenig höher als der Druckbereich ist, in welchem der atmosphärische Druck sich unter Normalbedingungen ändert. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs erzeugt der Regler 10 ein elektrisches Signal, das die Öffnung des Elektromagnetventils 11 bestimmt. Ist beispielsweise der tatsächliche Druck niedriger als der Bezugswert, so liefert der Regler 10 ein derartiges elektrisches Signal, daß die Öffnung des Elektromagnetventils 11 verringert wird. Ist der tatsächliche Druck höher als der Bezugswert, so liefert der Regler 10 ein derartiges elektrisches Signal, daß die Öffnung des Elektromagnetventils 11 vergrößert wird. Das durch das Ventil 11 strömende Gas wird an die Umgebung abgegeben.

Beim Betrieb wird wegen der in den Behälter 1 von außen abgegebenen Wärme das Kältemittel 2 verdampft und hält die Temperatur innerhalb des Behälters 1 auf dem gewünschten Wert. Das verdampfte Gas, das durch den Gasströmungsmesser 5 hindurchtritt, gelangt in den Behälter 7 und wird dann zur Umgebung über das Elektromagnetventil 11 abgegeben. Die Gasströmung durch das Elektromagnetventil 11 wird jedoch in der vorstehend beschriebenen Weise geregelt, um den Druck innerhalb des Behälters 7 konstant zu halten. Die Gasströmungsrate durch den Gasströmungsmesser 5 wird daher durch die Änderungen im atmosphärischen Druck nicht beeinflußt, und die vom Gasströmungsmesser 5 gemessene Strömungsrate entspricht genau der Kältemittel-Verbrauchsrate innerhalb des Behälters 1. Anders ausgedrückt, es wird eine genaue Messung bezüglich des Kältemittelverbrauchs durchgeführt.

Für die Bestimmung des dem Elektromagnetventil 11 zugeführten elektrischen Signals kann der Regler 11 jeden bekannten Regelvorgang durchführen, um den Druck auf einem konstanten Wert zu halten. Der vom Regler 11 durchgeführte Regelvorgang kann nicht nur einen proportionalen Regelvorgang P einschließen, sondern auch einen integralen Regelvorgang I und/oder eine differenzierende Regelung D, die an sich wohlbekannt sind.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist die Öffnung des Elektromagnetventils kontinuierlich veränderlich. Das Elektromagnetventil kann als Alternative von einer Bauart sein, die entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen ist. In einem solchen Falle erfolgt eine Ein-Aus-Regelung, bei der, wenn der Druck innerhalb des Behälters 7 über einen Schwellenwertpegel ansteigt, das Ventil geöffnet wird, während, wenn der Druck innerhalb des Behälters 7 unterhalb des Schwellenwertpegels liegt, das Ventil geschlossen ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird ein Elektromagnetventil für die Einstellung des Drucks im Behälter verwendet. Andere Einrichtungen, wie beispielsweise ein Schieber, können statt dessen verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel des Strömungsmessers 5 ist in Fig. 3 angegeben. Wie dargestellt, umfaßt es ein Rohr 12 mit einem ersten Ende 12a, das den Einlaß 5a des Gasströmungsmessers 5 bildet und einem zweiten Ende 12b, das den Auslaß 5b des Gasströmungsmessers 5 bildet. Das Rohr 12 besteht aus einem wärmeerzeugenden Widerstandswerkstoff. Ein erstes und zweites Thermoelement 13a und 13b sind vorgesehen, um die Temperatur am ersten Ende 12a und am zweiten Ende 12b des Rohrs 12 zu erfassen. Eine Rechenschaltung 14 ist mit den Thermoelementen 13a und 13b verbunden und bestimmt die Strömungsrate entsprechend der Temperaturdifferenz. Ein von der Rechenschaltung 14 ausgegebenes Signal wird dem Schreiber 6 zugeführt.

Das Rohr 12 wird auf eine Temperatur erhitzt, die über der Temperatur des durch das Rohr strömenden Gases liegt. Die Gasströmungsrate wird durch die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des Rohrs 12 gemessen, die als Folge der Wärmeabsorption aus dem Rohr 12 durch das das Rohr 12 durchströmende Gas auftritt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Gasströmungsmessers ist in Fig. 4 angegeben. Der Gasströmungsmesser dieses Ausführungsbeispiels umfaßt ein Rohr 32 mit einem ersten Ende 32a, das den Einlaß 5a des Gasströmungsmessers 5 bildet, und einem zweiten Ende 32b, das den Auslaß 5b des Gasströmungsmessers 5 bildet. An den beiden Enden des Rohrs 32 sind Wärmeabgabeelemente 35a und 35b vorgesehen, die auf einer Temperatur gehalten werden, die höher als jene des das Rohr 32 durchfließenden Gases ist.

Ein erstes Thermoelement 33a ist vorgesehen, um die Temperatur an einer Stelle zwischen dem Wärmeabgabelement 35a und dem ersten Ende 32a und dem Mittelpunkt des Rohrs 32 zu erfassen. Ein zweites Thermoelement 33b ist vorgesehen, um die Temperatur an einer zweiten Stelle zwischen dem Wärmeabgabeelement 35b an dem zweiten Ende 32b und dem Mittelpunkt des Rohrs 32 zu erfassen. Eine Rechenschaltung 34, die an die Thermoelemente 33a und 33b angeschlossen ist, bestimmt die Strömungsrate entsprechend der Temperaturdifferenz. Ein von der Rechenschaltung 34 abgegebenes Ausgangssignal wird dem Schreiber 6 zugeführt.

Die Gasströmungsrate wird mittels der Temperaturdifferenz zwischen der ersten und zweiten Stelle gemessen, die von den Thermoelementen 33a und 33b aufgrund der Wärmeabsorption aus dem Rohr 32 infolge des das Rohr 32 durchströmenden Gases erfaßt wird.

Anstelle des Gasmassenströmungsmessers 5 kann ein Strömungsmesser verwendet werden, der die Strömungsrate nach Volumen mißt.

Bei der beschriebenen Ausführungsform mißt der Gasströmungsmesser die Strömungsrate und der Schreiber, zeichnet diese zeitabhängig auf. Jedoch kann eine Vorrichtung zur Messung der Gesamtströmungsmenge (angesammelter Wert) abhängig vom Ausgangssignal des Strömungsmessers 5 vorgesehen werden. Der Ausdruck "Strömung", wie er in den anliegenden Ansprüchen verwendet wird, sollte derart ausgelegt werden, daß er sowohl die Strömungsrate als auch die angesammelte Strömungsmenge umfassen kann.

Anstelle eines Schlauchs kann jede andere Leitungsanordnung zur Leitung des verdampften Gases, beispielsweise ein Rohr, verwendet werden.

Claims (2)

1. Kältemittel-Verbrauchsmeßsystem zur Messung des Verbrauchs eines Kältemittels in einem Niedrigtemperaturgefäß, wobei der Verbrauch und die Kühlwirkung des Kältemittels auf der Verdampfung des Kältemittels (2) beruhen,

• - mit einem Strömungsweg (4) zur Ableitung des verdampften Kältemittelgases (3) aus dem Niedrigtemperaturgefäß (1) in die umgebende Atmosphäre, und
• - mit einem in dem Strömungsweg (4) angebrachten Durchflußströmungsmesser (5) zur Messung des Massen- oder Volumenstroms des verdampften Kältemittelgases (3), dadurch gekennzeichnet,
• - daß dem Durchflußströmungsmesser (5) ein Konstantdruckbehälter (7) unmittelbar nachgeschaltet ist, in den das verdampfte Kältemittelgas (3) gegen einen konstanten Kältemittelgasdruck einströmt und aus dem es gegen den Druck der umgebenden Atmosphäre durch ein geregeltes Auslaßventil (11) ausströmt,
• - und daß dem Auslaßventil (11) eine Regeleinrichtung (9, 10) zugeordnet ist, welche von einem den Druck des Kältemittelgases in dem Konstantdruckbehälter (7) registrierenden Drucksensor (8) angesteuert wird
• - und den Druck des Kältemittelgases in dem Konstantdruckbehälter (7) auf einem vorgegebenen Druckwert oberhalb des höchsten zu erwartenden Druckes der umgebenden Atmosphäre unter Normalbedingungen konstant hält.

2. Kältemittel-Verbrauchsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (11) als Elektromagnetventil ausgebildet ist.