Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung kryogener Temperaturen, insbesondere zur Verflüssigung tiefsiedender Fluide bei einer Temperatur von 15 K bis 120 K und zur Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitern auf eine Temperatur von 15 K bis 90 K. Andere Anwendungen sind jedoch möglich.

Stand der Technik

Eine geschlossene Kühlung zur Verflüssigung oder Rückverflüssigung von tiefsiedenden Fluiden bei Temperaturen von 15 K bis 120 K oder zur Kühlung von Hochtemperatur- Supraleitern, insbesondere von Stromzuführungen für Hochtemperatur-Supraleiter- Anwendungen, auf Temperaturen von 15 K bis 90 K ist für viele Anwendungen, insbesondere in der Energietechnik und der Wasserstofftechnologie, von hoher Bedeutung. Wie in T. Kochenburger, Kryogene Gemischkältekreisläufe für Hochtemperatur Supraleiter- Anwendungen, Doktorarbeit, Karlsruher Institut für Technologie, 2019, ISBN 978-3-8439- 3987-4, ausführlicher dargelegt, werden hierfür bevorzugt kryogene Gemischkältekreisläufe verwendet. Insbesondere mit dem Linde-Hampson-Kreisprozess lassen sich kryogene Temperaturen unter 120 K erreichen. Hierbei wird die gewünschte Abkühlung durch den Joule-Thomson-Effekt erreicht, der eine Temperaturänderung bei adiabatischer, isenthalper Expansion eines realen Fluids beschreibt. Damit eine Abkühlung erzielt werden kann, weist der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient wobei der Term ( — ) eine partielle Ableitung der Temperatur T nach dem Druck p bei konstanter Enthalpie H und damit die Expansion bezeichnet, einen positiven Wert auf. Diese Bedingung ist über einen weiten Zustandsbereich vieler Fluide gegeben oder kann durch Vorkühlung von Fluiden erreicht werden. Da auch bei großen Druckdifferenzen eine Verringerung der Temperatur um mehr als 100 K in der Praxis nicht oder nur mit geringer Effizienz erreichbar ist, wird zur Erzielung kryogener Temperaturen unterhalb von 120 K das Fluid mittels eines inneren Gegenstromwärmeübertragers (Rekuperator) vor dem Entspannen vorgekühlt.

Der Linde-Hampson-Kreisprozess beginnt in einem Verdichter, in dem eine Verdichtung eines fluiden Kältemittels auf einen hohen Druck erfolgt, wobei eine hierdurch entstehende Verdichtungswärme in einem Nachkühler an eine Umgebung des Verdichters abgegeben wird. Anschließend wird das Kältemittel in einem Gegenstromwärmeübertrager abgekühlt. In einer Expansionseinrichtung, vorzugsweise ausgewählt aus einem Expansionsventil, einer Drosselkapillare, einer Blende und einem Sinterelement, expandiert das Kältemittel adiabatisch auf ein Niederdruck-Niveau und kühlt sich bei gegebenen positiven Joule- Thomson-Koeffizienten \i _JT mittels des Joule-Thomson-Effekts weiter ab. Anschließend kann in einem Verdampfer ein Wärmestrom von einer zu kühlenden Anwendung, insbesondere dem Hochtemperatur-Supraleiter, aufgenommen werden. Abschließend wird das Kältemittel in dem als Rückkühler wirkenden Gegenstromwärmeübertrager wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt, bevor es zurück zum Verdichter fließt. Wird dieser Kreisprozess zur Kühlung von Stromzuführungen oder zur Verflüssigung tiefsiedender Fluide, wie z.B. Wasserstoff, verwendet, wird ein Wärmestrom von der Stromzuführung oder dem abzukühlenden Fluid auch innerhalb des Gegenstromwärmeübertragers von dem Kältemittel aufgenommen.

Um die Effizienz des Linde-Hampson-Kreisprozesses zu verbessern, kann eine hierdurch erfolgte Entropieerzeugung durch Veränderungen im Kreisprozess, z.B. einem Einsatz von mehrstufigen Verdichtungen, mehreren Wärmeübertragern oder Turbinen zur Expansion, verringert werden. Als Folge hiervon tritt jedoch eine höhere Komplexität des Kreisprozesses auf, welche sich in steigenden Aufwendungen für dessen Ausführung und erschwerter Regelung des Kreisprozesses auswirkt.

Alternativ oder zusätzlich lassen sich thermodynamische Eigenschaften des Kältemittels durch Zugabe mindestens eines weiteren Kältemittels, das eine von dem Kältemittel abweichenden Siedepunkt aufweist, verändern. In einem so genannten „kryogenen Gemischkältekreislauf ‘ wird der Linde-Hampson-Kreisprozess statt mit einem Reinstoff mit einem weitsiedenden Vielkomponentengemisch als Kältemittel betrieben, wobei der Kreisprozess überwiegend in einem Zweiphasengebiet des Gemischs stattfindet. Im Fall, dass der Kreisprozess in Form von mindestens zwei Kühlstufen ausgeführt wird, kann jede Kühlstufe vorzugsweise ein eigenes weitsiedendes Vielkomponentengemisch aufweisen, so dass der Kreisprozess in jeder Kühlstufe überwiegend in einem Zweiphasengebiet des jeweiligen Kältemittelgemischs stattfindet. Dadurch kann das Kältemittelgemisch bereits am warmen Ende seiner Kühlstufe, z.B. in der ersten Kühlstufe in der Nähe der Umgebungs temperatur, seinen Taupunkt erreichen, wobei es anschließend während des Abkühlvorgangs sukzessiv kondensiert und nach dem Passieren des Siedepunkts weiter unterkühlt wird. Die Joule-Thomson-Expansion findet somit teils unterkühlt, teils mit hohen Flüssigkeitsanteilen statt. Durch Wahl der Zusammensetzung des Kältemittelgemisches einer Kühlstufe kann hierbei die effektive Wärmekapazität der Kältemittel ströme der betreffenden Kühl stufe in dem Gegenstromwärmeübertrager derart gesteuert werden, dass sich die Temperatur differenz sowohl zwischen den Kältemittel strömen der Kühlstufe, bevorzugt zu einem Kältemittelgemisch mindestens einer weiteren Kühlstufe oder zu einem zu verflüssigenden oder abzukühlenden Gasstrom, bevorzugt über die gesamte Strömungslänge des Gegenstromwärmeübertragers, auf ein Minimum reduziert. Ein weiterer Aspekt kann der bei einigen Kältemittelgemischen auftretende Zerfall des Fluids in zwei flüssige Phasen sein. Hierbei können sich die beiden flüssigen Phasen durch Polarität, Fluorierungsgrad oder Kettenlänge ihrer Komponenten unterscheiden.

Eine Temperaturspanne von etwa 300 K zwischen dem Rückkühler und 15 K bis 120 K nach einer isenthalpen Expansion zur Verflüssigung der tiefsiedenden Fluide oder 15 K bis 90 K zur Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitem, die hier zu überbrücken ist, kann als sehr groß betrachtet werden. Bis zu einer Temperatur von 80 K bis 90 K nach der isenthalpen Expansion kann der Kreisprozess vorzugsweise in einer Kühlstufe erfolgen. Für Temperaturen im Verdampfer von 15 K bis 90 K kann der Kreisprozess dagegen bevorzugt mehrstufig erfolgen, um ein Ausfrieren von höhersiedenden Komponenten des Kältemittels zu verhindern. In einem mehrstufigen Kreisprozess kann eine insbesondere auch als „Vorkühl stufe“ bezeichnete vorgeschaltete Kühlstufe insbesondere zur Vorkühlung des Kältemittelgemischs der betreffenden Kühlstufe dienen.

Um eine effiziente Kühlung zu erreichen, können die thermodynamischen Eigenschaften des verwendeten Kältemittelgemischs einer Kühl stufe entsprechend eingestellt werden. Ein effizientes Kältemittelgemisch besitzt einen Taupunkt, der auf Hochdruck-Niveau in der Nähe der Rückkühltemperatur der betreffenden Kühlstufe liegt. Während in der ersten Kühlstufe die Rückkühltemperatur üblicherweise im Bereich der Umgebungstemperatur liegt, liegt in mehrstufigen Prozessen die Rückkühltemperatur einer Kühlstufe im Bereich der durch die isenthalpe Expansion der vorgeschalteten Kühlstufe erzeugten Kühl temperatur. Die Temperatur des Taupunktes einer Kühlstufe lässt sich insbesondere durch Wahl und Anteile von höher siedenden Komponenten für die betreffende Kühlstufe beeinflussen. Die Siedetemperatur des Kältemittelgemischs einer Kühlstufe sollte vorzugsweise auf dem Niederdruck-Niveau knapp unterhalb der Kühltemperatur liegen, um die Entropieerzeugung durch einen hohen Flüssigkeitsanteil bei der Expansion in der Expansionseinrichtung möglichst gering zu halten. Auswahl und Anteile an tiefersiedenden Komponenten haben dabei einen erheblichen Einfluss auf die Siedetemperatur. Elm bei den oben angegebenen Temperaturspannen jeweils die gewünschte hohe Effizienz zu erzielen, umfasst das Kältemittelgemisch einer Kühlstufe somit sowohl höhersiedende Komponenten als auch tiefersiedende Komponenten, wodurch das Kältemittelgemisch einer Kühlstufe insgesamt weitsiedend ist. In der Praxis kann das Kältemittelgemisch der ersten Stufe daher bevorzugt etwa vier bis fünf Kältemittel mit höheren Siedepunkten und tieferen Siedepunkten umfassen, bevorzugt ausgewählt aus Kohlenwasserstoffen und fluorierten Kohlenwasserstoffen, die in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt sind, und bevorzugt Anteile tiefsiedender Komponenten, insbesondere ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Das Kältemittelgemisch, das für eine weitere Kühlstufe, die durch eine vorangehende Kühlstufe vorgekühlt wird, eingesetzt wird, kann in der Praxis etwa zwei bis vier Kältemittel mit höheren und tieferen Siedepunkten umfassen, bevorzugt ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium, die in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt sind, wobei jeweils keine Komponenten ausgewählt werden, die bei Temperaturen in der betreffenden Kühlstufe ausfrieren können.

Weiterhin tragen niedrige Gradienten für den Wärmetransport in dem Gegenstrom wärmeübertrager zu einer hohen Effizienz bei. Die niedrigen Gradienten erfordern jedoch gleichzeitig eine große Fläche zur Übertragung einer bestimmten Leistung. In der Praxis lassen sich die Anforderungen hinsichtlich Kompaktheit und Wärmeübertragerfläche durch Mikrostruktur-Wärmeübertrager mit einer Vielzahl von parallelen, mikrostrukturierten Strömungskanälen erreichen. Allerdings kann es hierbei an dem kalten Ende des Wärmeübertragers der jeweiligen Kühlstufe zu einer Fehlverteilung des Kältemittels kommen, insbesondere bei zweiphasigen Zuständen des Kältemittels. In kryogenen Anwendungen tritt eine Fehlverteilung vor allem dann auf, wenn sich parallel zueinander angeordnete Stränge unterschiedlich schnell abkühlen. In einem kälteren Strang führt - bei gleichem Druckabfall wie in einem wärmeren Strang - eine höhere Fluiddichte zu einem größeren Massenstrom, wodurch der Strang noch schneller abkühlt, so dass der wärmere Strang kaum durchströmt wird und somit ein Teil des Wärmeübertragers schließlich kaum an der Wärmeübertragung teilnimmt.

Um dieses Problem zu beheben, wurde zur Abkühlung, beginnend bei einer Umgebungs temperatur von etwa 300 K, zunächst ein Kältemittelgemisch eingesetzt, das ausschließlich höhersiedende Komponenten umfasste, die sich am kalten Ende des Wärmeübertragers verflüssigten. Auf diese Weise konnten alle parallelen Eintrittspassagen des Gegenstrom wärmeübertragers auf der Niederdruckseite mit flüssigem Kältemittel geflutet werden, wodurch sich die Fehlverteilung des Kältemittels am kalten Ende des Wärmeübertragers vermeiden ließ. Mit zunehmender Abkühlung der Apparatur wurden dem Kältemittel gemisch schrittweise tiefersiedende Komponenten hinzugefügt, so dass der Wärmeüber trager im weiteren Verlauf auch bei kryogenen Temperaturen ohne Fehlverteilung des Kältemittels am kalten Ende des Wärmeübertragers optimal betrieben werden konnte. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch das schrittweise manuelle Zumischen von weiteren Komponenten in das Kältemittelgemisch.

Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung kryogener Temperaturen und ihre Verwendung sind aus US 6 595 009 Bl, US 5 063 747 A, US 2006/026968 Al, US 2005/0223714 Al und US 6 666 046 Bl bekannt.

Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung kryogener Temperaturen und ihre Verwendung bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.

Insbesondere soll ein autonomer Betrieb der Vorrichtung und des Verfahrens zur Erzeugung kryogener Temperaturen ermöglicht werden, so dass die Vorrichtung mit einem vordefinierten Kältemittelgemisch befüllt und dauerhaft betrieben werden kann. Hierbei soll vor allem in der Abkühlphase eine Erhöhung der Kälteleistung erreicht und eine Fehlverteilung des Kältemittels unter parallelen Strömungskanälen am kalten Ende eines Gegenstromwärmeübertragers verhindert werden.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung kryogener Temperaturen und ihre Verwendung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.

Im Folgenden werden die Begriffe "haben", "aufweisen", "umfassen" oder "einschließen" oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck "A hat B", "A weist B auf', "A umfasst B" oder "A schließt B ein" sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.

Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.

Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale.

In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen. Die Vorrichtung, die zur Erzeugung kryogener Temperaturen eingerichtet ist, kann auch als „Kälteanlage“ bezeichnet werden. Der Begriff „kryogene Temperatur“ umfasst hierbei eine Temperatur von 10 K, bevorzugt von 15 K, bis 120 K, bevorzugt bis 90 K. Die Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen umfasst hierbei mindestens eine Kühlstufe, die jeweils einen kalten Bereich und einen warmen Bereich aufweist. Hierbei bezeichnet der „warme Bereich“ einen ersten Teilbereich der Vorrichtung, der eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem kalten Bereich aufweist. Im Falle von mindestens zwei Kühlstufen kann die Vorrichtung derart ausgeführt sein, dass zumindest ein Teil des warmen Bereichs der jeweils nachfolgenden Kühlstufe dem kalten Bereich der jeweils vorangehenden Stufe entsprechen kann. Vorzugsweise ist der warme Bereich der ersten auch als „Vorkühl stufe“ bezeichneten Kühlstufe für Umgebungstemperatur eingerichtet und wird üblicherweise mindestens bei Umgebungstemperatur gehalten, wobei insbesondere im Verdichter auch höhere Temperaturen, etwa bis zu 150 °C, auftreten können. Der Begriff der „Umgebungstemperatur“ betrifft hierbei eine Temperatur von 273 K, bevorzugt von 288 K, besonders bevorzugt von 293 K, bis 313 K, bevorzugt bis 303 K, besonders bevorzugt bis 298 K.

Demgegenüber bezeichnet der „kalte Bereich“ einen weiteren Teilbereich der betreffenden Kühlstufe der Vorrichtung, welcher für eine kryogene Temperatur eingerichtet ist und bestimmungsgemäß zur Erzeugung der jeweiligen kryogenen Temperatur dient. Für den Begriff der „kryogenen Temperatur“ wird auf die obige Definition verweisen. Insbesondere um den kalten Bereich auf eine kryogenen Temperatur zu bringen und auf einer kryogenen Temperatur zu halten, ist der kalte Bereich in einen Kryostaten, bevorzugt einen vakuum isolierten Kryostaten, eingebracht. Andere Arten von Kryostaten sind jedoch möglich.

In dem jeweils warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe wird jeweils ein Kältemittel gemisch bereitgestellt, wobei der Begriff des „Kältemittels“ jeweils ein bevorzugt inertes Fluid betrifft, das bei Eintritt in den kalten Bereich der betreffenden Kühlstufe einen positiven Joule-Thomson-Koeffizient \i _JT > 0 aufweist, und das somit zur Verwendung als Mittel zur Erzeugung der kryogenen Temperatur in einer Kühlstufe des Linde-Hampson- Kreisprozesses geeignet ist. Wie bereits eingangs erwähnt, bezeichnet der Begriff des „Kältemittelgemischs“ eine Mischung aus mindestens zwei Komponenten von Kältemitteln, wobei zumindest zwei der Komponenten eine voneinander verschiedene Siedetemperatur aufweisen. Um vor allem bei einer Abkühlung um die oben genannten Temperaturspanne von etwa 300 K auf 15 K bis 90 K, oder auf 15 K bis 120 K, eine hohe Effizienz erzielen zu können, umfasst das Kältemittelgemisch für die jeweilige Kühlstufe jeweils sowohl höhersiedende Komponenten als auch tiefersiedende Komponenten, wodurch das Kältemittelgemisch insgesamt als „weitsiedend“ bezeichnet werden kann. Vorzugsweise umfasst das Kältemittelgemisch für jede Kühlstufe daher mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, bis acht, bevorzugt bis sechs, bevorzugt bis fünf Kältemittel, wobei mindestens eines der Kältemittel eine höhersiedende Komponente und mindestens ein weiteres der Kältemittel eine tiefersiedende Komponente darstellt. Der Begriff „höhersiedend“ betrifft Fluide, deren Siedepunkt eine Temperatur am Eintritt in den kalten Bereich der jeweiligen Kühlstufe aufweist. Für den Begriff des „kalten Bereichs“ wird auf die obige Definition verweisen. Der Begriff „tiefersiedend“ betrifft Fluide, deren Siedepunkt eine Temperatur aufweist, die unterhalb der Temperatur der höhersiedenden Komponente der jeweiligen Kühlstufe liegt. Die am tiefsten siedende Komponente des Kältemittelgemischs der jeweiligen Kühlstufe weist eine Siedetemperatur auf, die unterhalb der Temperatur nach der isenthalpen Expansion der jeweiligen Kühlstufe liegt und somit insbesondere eine kryogene Temperatur sein kann. Für den Begriff der „kryogenen Temperatur“ wird auf die obige Definition verwiesen. Insbesondere für die Vorkühlstufe kann hierbei die mindestens eine höhersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein aus einem Kohlenwasserstoff und einem fluorierten Kohlenwasserstoff, während die mindestens eine tiefersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein kann aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Das Kältemittelgemisch für eine weitere Kühlstufe, die durch eine vorangehende Vorkühlstufe vorgekühlt wird, kann bevorzugt ein Kältemittel umfassen, ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium, die bevorzugt in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt werden, wobei vorzugsweise jeweils solche Komponenten vermieden werden, die bei den Temperaturen in der betreffenden Kühlstufe ausfrieren können.

Erfindungsgemäß umfasst der kalte Bereich mindestens einer Kühlstufe, der für eine kryogene Temperatur eingerichtet ist und bestimmungsgemäß zur Erzeugung der kryogenen Temperatur dient, zumindest die im Folgenden genannten Einrichtungen, die, wie oben erwähnt, bevorzugt in einen Kryostaten, insbesondere in einen vakuumisolierten Kryostaten, eingebracht sind:

- einen ersten Wärmeübertrager, der eine Hochdruckseite zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau aus dem warmen Bereich der Kühlstufe und mindestens eine Niederdruckseite zur Abgabe des Kältemittelgemischs an den warmen Bereich der Kühl stufe aufweist;

- eine erste Expansionseinrichtung, die zur Expansion und Abkühlung des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet ist;

- einen zweiten Wärmeübertrager, der zur Abkühlung und zur Teilkondensation eines sich in einem Puffervolumen befindlichen Anteils des Kältemittelgemischs eingerichtet ist, wobei das Puffervolumen zur Begrenzung des von dem Kältemittel gemisch ausgeübten Drucks eingerichtet ist; und - eine zweite Expansionseinrichtung, die zur Abtrennung des Puffervolumens von oder zu einer Verbindung des Puffervolumens mit dem Niederdruck-Niveau der Kühlstufe eingerichtet ist.

Darüber hinaus kann der kalte Bereich der mindestens einen Kühlstufe vorzugsweise die im Folgenden genannten weiteren Einrichtungen umfassen, die ebenfalls bevorzugt in dem Kryostaten, insbesondere in dem vakuumisolierten Kryostaten, eingebracht sind:

- einen dritten Wärmeübertrager, der zur Kühlung einer Anwendung eingerichtet ist;

- einen Phasentrenner, der zur Trennung eines zweiphasigen Kältemittelgemischs in eine flüssige Phase und in eine dampfförmige Phase sowie zur getrennten Zuführung der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase jeweils an die Niederdruckseite des ersten Wärmeübertragers eingerichtet ist;

- eine dritte Expansionseinrichtung, die zur Druckentlastung der Niederdruckseite der Kühlstufe in das Puffervolumen eingerichtet ist;

- mindestens eine zusätzliche Hochdruckseite und mindestens eine zusätzliche Niederdruckseite in dem ersten Wärmeübertrager zur Vorkühlung und zur Aufwärmung eines zusätzlichen Kältemittelgemischs einer nachgeschalteten Kühl stufe,

- einen zusätzlichen Stoffstrom in dem ersten Wärmeübertrager zur Abkühlung oder zur Verflüssigung eines zu verflüssigenden Gasstroms; und

- Leitungen, die zur Zirkulation des Kältemittelgemischs zwischen den genannten Einrichtungen und weiteren, gegebenenfalls vorhandenen Einrichtungen, eingerichtet sind.

Zunächst umfasst der kalte Bereich der betreffenden Kühlstufe einen ersten Wärmeüber trager, der insbesondere als Gegenstromwärmeübertrager ausgeführt ist. Der Begriff „Wärmeübertrager“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebig ausgestaltete Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Übertragung von thermischer Energie von mindestens einem Hochdruck- Stoffstrom auf mindestens einen Niederdruck- Stoff ström zu bewirken. Der Begriff „thermische Energie“ betrifft hierbei eine Energie des jeweiligen Stoffstroms, welche im Wesentlichen als Funktion der Temperatur des betreffenden Stoffstroms beschrieben werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfassen sowohl der mindestens eine Hochdruck- Stoff ström als auch der mindestens eine Niederdruck- Stoffstrom das hierbei für die jeweilige Kühlstufe verwendete Kältemittelgemisch, wobei sich die Stoffströme in einer Temperatur des Kältemittelgemischs oder der Kältemittelgemische voneinander unterscheiden. Der mindestens eine Niederdruck- Stoffstrom der tiefsten Stufe hat in jedem Abschnitt des Wärmeübertragers jeweils eine tiefste Temperatur, gefolgt von der Temperatur des mindestens einen Niederdruck- Stoffstroms einer optional zur Vorkühlung vorgeschalteten Stufe. Der mindestens eine Hochdruck- Stoff ström hat in jedem Abschnitt des Wärmeübertragers eine Temperatur, die oberhalb des mindestens einen Niederdruck-Stoffstroms liegt. Weiterhin betrifft der Begriff des „Gegenstromwärmeübertragers“ eine besondere Art eines Wärmeübertragers, in welchem der Hochdruck- Stoff ström eine Richtung einnimmt, die der Richtung des Niederdruck-Stoffstroms entgegengerichtet ist. Damit kann in vorteilhafter Weise ein besonders kalter Stoffstrom auf einen besonders warmen Stoffstrom treffen, wodurch sich eine Übertragung an thermischer Energie von dem mindestens einen Hochdruck- Stoff ström an den mindestens einen Niederdruck- Stoff ström möglichst effizient ausgestalten lässt.

Der erfindungsgemäß von dem kalten Bereich der betreffenden Kühlstufe umfasste erste Wärmeübertrager weist demnach einen ersten als „Hochdruckseite“ bezeichneten Teilbereich und einen zweiten als „Niederdruckseite“ bezeichneten Teilbereich auf, wobei die Hochdruckseite zur Aufnahme des Kältemittelgemischs aus dem warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe und die Niederdruckseite zur Abgabe des Kältemittelgemischs an den warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe eingerichtet sind. Somit weist das an der Hochdruckseite aus dem zugehörigen warmen Bereich zugeführte Kältemittelgemisch eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem an der Niederdruckseite zur Abgabe an den zugehörigen warmen Bereich vorgesehene Kältemittelgemisch auf. Folglich trägt das an der Niederdruckseite bereitgestellte Kältemittelgemisch wesentlich zur Kühlung des an der Hochdruckseite aus dem zugehörigen warmen Bereich zugeführte Kältemittelgemisch bei, wobei sich die Übertragung an thermischer Energie durch den vorzugsweise eingesetzten Gegenstromwärmeübertrager effizienter ausgestalten lässt. Zusätzlich zu der thermischen Energie von der Hochdruckseite der betreffenden Stufe kann das Kältemittelgemisch auf der Niederdruckseite der betreffenden Stufe thermische Energie von weiteren Stoffströmen aufnehmen, beispielsweise von der Hochdruckseite einer nachgeschalteten Kühlstufe oder von der Abkühlung oder der Verflüssigung eines abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms.

Das Kältemittelgemisch tritt auf Hochdruck-Niveau an der Hochdruckseite in den ersten Wärmeübertrager ein, während das Kältemittelgemisch an der Niederdruckseite auf Niederdruck-Niveau bereitgestellt wird. Der Begriff „Hochdruck-Niveau“ bezeichnet hierbei ein das dort anliegende Kältemittelgemisch beaufschlagendes Druckniveau, dessen Druck einen Wert aufweist, der den Wert des Druckes, der das an der Niederdruckseite bereitgestellte Kältemittelgemisch beaufschlagt, übertrifft. Insbesondere kann hierbei das Hochdruck-Niveau der Kühlstufe einen Absolutdruck von 1 bar, bevorzugt von 10 bar, besonders bevorzugt von 25 bar, bis 150 bar, bevorzugt bis 25 bar, besonders bevorzugt bis 20 bar, aufweisen, während das Niederdruck-Niveau der Kühlstufe einen Absolutdruck von 100 mbar, bevorzugt von 1 bar, besonders bevorzugt von 2 bar, bis 50 bar, bevorzugt bis 10 bar, besonders bevorzugt bis 5 bar, aufweisen kann. Andere Werte sowohl für das Hochdruck-Niveau als auch für das Niederdruck-Niveau sind jedoch möglich, insbesondere abhängig von dem für die jeweilige Kühlstufe verwendeten Kältemittelgemisch.

Weiterhin umfasst der kalte Bereich der betreffenden Kühlstufe eine erste Expansions einrichtung, die zur Expansion und Abkühlung des Kältemittelgemischs auf das Niederdruck-Niveau eingerichtet ist. Hierbei kann die gewünschte Abkühlung des Kältemittelgemischs bevorzugt durch den Joule-Thomson-Effekt erreicht werden, wobei der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient \i _JT des Kältemittelgemischs einen positiven Wert annimmt. Damit bewirkt die erste Expansionseinrichtung einerseits die Verringerung des das Kältemittelgemisch beaufschlagenden Drucks vom Hochdruck- Niveau auf das Niederdruck-Niveau und andererseits die gewünschte weitere Abkühlung des Kältemittelgemischs. Die Expansionseinrichtung kann hierbei bevorzugt ausgewählt sein aus einem Expansionsventil, einer Drosselkapillare, einer Blende und einem Sinterkörper. Eine Verwendung einer anderen Expansionseinrichtung ist jedoch denkbar.

Erfindungsgemäß umfasst der kalte Bereich mindestens einer Kühlstufe einen zweiten Wärmeübertrager, der zur Abkühlung und Teilkondensation eines Anteils des sich in einem Puffervolumen befindlichen Kältemittelgemischs eingerichtet ist, wobei das Puffervolumen zur Begrenzung des von dem sich in der Kühlstufe befindlichen Kältemittelgemisch auf die Leitungen zur Zirkulation des Kältemittelgemischs ausgeübten Drucks eingerichtet ist. Hierzu kann das Puffervolumen zumindest einen Pufferbehälter umfassen, der

- in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung, sich in dem warmen Bereich befindet und mit einem sich in dem kalten Bereich befindlichen zweiten Volumen, das mit dem zweiten Wärmeübertrager thermisch gekoppelt ist, über eine Leitung verbunden ist, oder,

- in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, gemeinsam mit dem zweiten Wärmeübertrager in dem kalten Bereich angeordnet ist.

Grundsätzlich betreffen die Begriffe „Puffer“, „Pufferbehälter“ oder „Puffervolumen“ ein Reservoir, das zur Bereitstellung eines Volumens einer Substanz insbesondere für einen besonderen Zweck eingerichtet ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst das Puffervolumen ein Volumen, das zur Aufnahme oder zur Abgabe des Kältemittelgemischs eingerichtet ist, wobei die Aufnahme oder die Abgabe des Kältemittelgemischs entsprechend des durch das Kältemittelgemisch erzeugten Drucks erfolgt, wodurch der Druck in der Kälteanlage in einem festgelegten Wertebereich, insbesondere möglichst konstant, gehalten werden kann. Auf diese Weise lässt sich vor allem ein unzulässiger Überdruck in der auch als „Kälteanlage“ bezeichneten Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen vermeiden. Insbesondere bei einem Stillstand der Kälteanlage, bei welchem sowohl ein Druckausgleich als auch ein Temperaturausgleich auftrit, kann sich auf Grund der inneren Volumina ein Großteil des Kältemittelgemischs in einem gasförmigen Zustand in dem Pufferbehälter befinden, während ein restlicher Anteil des Kältemittel gemischs in Rohrleitungen und Wärmeübertragern verteilt ist. In diesem Falle herrscht in allen Teilen der Kälteanlage eine gleiche mittlere Zusammensetzung des Kältemittel gemischs vor, welche der erfolgten Befüllung der Vorrichtung entspricht.

Während der Pufferbehälter in aus dem Stand der Technik bekannten Kälteanlagen in der Regel in dem warmen Bereich insbesondere der Vorkühlstufe angeordnet ist, vor allem um einerseits eine leichte Zugänglichkeit des Pufferbehälters zu ermöglichen und um andererseits eine Kühlung des Volumens des Pufferbehälters und der sich darin befindlichen Substanz zu vermeiden, befindet sich der Pufferbehälter gemäß der vorliegenden Erfindung entweder gemeinsam mit dem sich in dem kalten Bereich befindlichen zweiten Wärmeübertrager in dem kalten Bereich, oder ist im warmen Bereich angeordnet und mit dem sich in dem kalten Bereich befindlichen Volumen und dem zweiten Wärmeübertrager über eine Leitung verbunden. Dadurch wird es in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass der zweite Wärmeübertrager zur Abkühlung und zur Teilkondensation des Anteils des Kältemittelgemischs in dem Puffervolumen eingerichtet ist, um auf diese Weise die Effizienz der Abkühlung durch die vorliegende Vorrichtung weiter zu erhöhen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der sich im warmen Bereich befindliche Pufferbehälter über eine Leitung mit einem sich in dem kalten Bereich befindlichen zweiten Volumen, das mit dem zweiten Wärmeübertrager verbunden ist, verbunden sein und mit diesem ein gemeinsames Puffervolumen bilden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann der zweite Wärmeübertrager in dem sich in dem kalten Bereich befindlichen Pufferbehälter integriert sein, wobei der Begriff „integriert“ anzeigt, dass der zweite Wärmeübertrager derart in den Pufferbehälter eingebracht ist, dass der Pufferbehälter den zweiten Wärmeübertrager vollständig umfasst, wobei das Puffervolumen dem Volumen des Pufferbehälters abzüglich dem Volumen des zweiten Wärmeübertragers entspricht.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zweite Wärmeübertrager zur Teilkondensation mindestens einer der Komponenten des Kältemittel gemischs im Puffervolumen der betreffenden Kühlstufe zu mindestens einer kondensierten Komponente eingerichtet. Der Begriff der „Teilkondensation“ bezeichnet hierbei einen Übergang eines Teils mindestens einer der Komponenten des Kältemittelgemischs im Puffervolumen der betreffenden Kühlstufe von einem gasförmigen Zustand in einen flüssigen Zustand, während der Begriff der „kondensierten Komponente“ den Teil einer in dem flüssigen Zustand vorliegenden Komponente des Kältemittelgemischs im Puffervolumen der betreffenden Kühlstufe beschreibt. In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung kann der zweite Wärmeübertrager somit in Form eines Kondensators eingerichtet sein, wobei die Erzeugung der mindestens einen kondensierten Komponente dadurch erfolgen kann, dass dieser Verdampfüngsenthalpie entzogen wird, die dem zirkulierenden Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau der betreffenden Kühlstufe zugeführt wird. In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das Puffervolumen insbesondere dazu eingerichtet sein, dass das in der ersten Expansionseinrichtung abgekühlte für die jeweilige Kühlstufe bereitgestellte Kältemittelgemisch derart in den zweiten Wärmeübertrager eintritt, dass aus dem Kältemittelgemisch in dem Puffervolumen zunächst, d.h. insbesondere zu Beginn einer Abkühlphase, nur mindestens eine von dem Kältemittelgemisch im Puffervolumen umfasste höhersiedende Komponente kondensiert und somit eine kondensierte Komponente einer in dem Puffervolumen vorhandenen flüssigen Phase ausbildet.

In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen weiterhin eine zweite Expansionseinrichtung, insbesondere ein zweites Expansionsventil, umfassen, wobei die zweite Expansions einrichtung bevorzugt zur schrittweisen oder kontinuierlichen Zuführung der mindestens einen kondensierten Komponente, die zunächst insbesondere die mindestens eine höhersiedende Komponente umfasst, aus dem Puffervolumen in die Leitungen, die zur Zirkulation des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau dienen, eingerichtet sein kann. Hierbei kann die zweite Expansionseinrichtung insbesondere zwischen dem Puffervolumen und der mit dem zirkulierenden Kältemittelgemisch durchströmten Leitung nach dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet sein. Auf diese Weise kann automatisch zunächst, d.h. insbesondere zu Beginn der Abkühlphase, eine Erhöhung der Konzentration an höhersiedenden Komponenten in dem zirkulierenden Kältemittelgemisch erfolgen. Damit kann der Joule-Thomson-Koeffizient \i _JT des betreffenden Kältemittelgemischs erhöht werden, woraus sich eine stärkere Abkühlung des Kältemittelgemischs ergibt, die insgesamt zu einer Erhöhung der Kälteleistung der Kälteanlage führen kann. Auf diese Weise lassen sich der zweite Wärmeübertrager und die in Strömungsrichtung nachfolgend angeordneten Einrichtungen des kalten Bereichs der vorliegenden Vorrichtung sukzessiv mit einer im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kälteanlagen erhöhten Kälteleistung abkühlen. Die erhöhte Kälteleistung zu Beginn des Abkühlvorgangs ist insbesondere in kryogenen Anwendungen von Vorteil, da die Wärmekapazität der abzukühlenden Materialien zu Beginn des Abkühlvorgangs hoch ist und anschließend mit der dritten Potenz der Temperatur in Bezug auf die Debye-Temperatur der verwendeten Materialien sinkt. In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das Puffervolumen in vorteilhafter Weise ferner dazu eingerichtet sein, dass das in der ersten Expansionseinrichtung abgekühlte Kältemittelgemisch weiterhin, d.h. insbesondere während eines weiteren Verlaufs der Abkühlphase, derart in den zweiten Wärmeübertrager eintritt, dass aus dem für die betreffende Kühlstufe im Puffervolumen bereitgestellten Kältemittelgemisch nach und nach weitere Komponenten des Kältemittelgemischs mit zunehmend niedrigerer Siedetemperatur, insbesondere die mindestens eine tiefersiedende Komponente, kondensieren. Somit kann die in dem Puffervolumen vorhandene flüssige Phase bevorzugt die mindestens eine weiterhin kondensierte Komponente aufnehmen und diese nach und nach über die zweite Expansionseinrichtung dem Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau zugeführt werden, wodurch nach und nach die Konzentration an höher siedenden Komponenten in dem Kältemittelgemisch im Puffervolumen sinkt und nach und nach, d.h. insbesondere während des weiteren Verlaufs der Abkühlphase, die Konzentration an tiefersiedenden Komponenten in dem Kältemittelgemisch im Puffervolumen steigt. Das Zuführen der in dem Puffervolumen vorhandenen flüssigen Phase über die zweite Expansionseinrichtung in die Leitungen, die der Zirkulation des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau dienen, kann schrittweise oder kontinuierlich erfolgen. Auf diese Weise kann automatisch zunächst zu Beginn des Abkühlvorgangs die Konzentration an höhersiedenden Komponenten in dem Kältemittelgemisch der betreffenden Kühlstufe, ausgehend von der Ausgleichskonzentration im Stillstand der Kühlstufe, erhöht werden und dann nach und nach, d.h. insbesondere während des weiteren Verlaufs der Abkühlphase, die Konzentration an höhersiedenden Komponenten in dem Kältemittelgemisch der betreffenden Kühlstufe verringert und nach und nach die Konzentration an tiefersiedenden Komponenten in dem betreffenden Kältemittelgemisch erhöht werden, bis die gewünschte Abkühlung erfolgt und die Abkühlphase beendet ist. Ist somit ein Ende der Abkühlphase erreicht, kann die zweite Expansionseinrichtung im stationären Betrieb der vorliegenden Vorrichtung entweder geöffnet bleiben, oder geschlossen werden.

In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das Puffervolumen somit dazu eingerichtet sein, dadurch den gewünschten autonomen Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen zu ermöglichen, dass die Vorrichtung zu jedem Zeitpunkt mit einem vordefinierten, für die jeweilige Kühlstufe eingerichteten Kältemittel gemisch befüllt und dauerhaft betrieben werden kann, wobei das zirkulierende Kältemittelgemisch in der betreffenden Kühlstufe zu Beginn der Abkühlphase die der Befüllung entsprechende Konzentration aufweist und anschließend durch das Zuführen höhersiedender Komponenten aus dem Puffervolumen eine höhere Konzentration an höhersiedenden Komponenten aufweist, die nach und nach, d.h. während des Verlaufs der Abkühlphase, zugunsten der Konzentration an tiefersiedenden Komponenten verringert wird.

In einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der kalte Bereich der betreffenden Kühlstufe der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen ferner eine dritte Expansionseinrichtung aufweisen, die zur Druckentlastung der Niederdruckseite der Kühlstufe in das Puffervolumen eingerichtet ist. Die dritte Expansionseinrichtung kann hierbei insbesondere ausgestaltet sein als Rückflussverhinderer, der eine Eintrittsseite aufweist, die nur dann öffnet, wenn der Druck auf der Niederdruck- Seite größer ist als im Puffervolumen. Hierbei kann die dritte Expansionseinrichtung insbesondere ausgewählt sein aus einem Rückschlagventil, einer Rückschlagklappe, einem Überströmventil und einem Sicherheitsventil. Eine andere Art der Ausgestaltung der dritten Expansionseinrichtung ist jedoch denkbar.

In einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der kalte Bereich der betreffenden Kühlstufe der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen ferner einen dritten Wärmeübertrager umfassen, der zur Kühlung einer Anwendung eingerichtet ist. Der Begriff „Anwendung“ betrifft hierbei grundsätzlich einen Stoff oder ein Bauteil, dessen Temperatur mittels der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen, die auch als „Kälteanlage“ bezeichnet werden kann, auf eine oben definierte kryogene Temperatur verringert werden kann. Hierbei eignet sich die vorliegende Vorrichtung insbesondere zur Verflüssigung tiefsiedender Fluide bei Temperaturen von 15 K bis 120 K oder zur Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitern oder einem Bauteil, das mindestens einen Hochtemperatur-Supraleiter umfasst. Der Begriff „Hochtemperatur-Supraleiter“ betrifft hierbei mindestens ein supraleitendes Material, dessen Supraleitfähigkeit bei einer Temperatur insbesondere oberhalb von 15 K auftritt. Andere Stoffe oder Bauteile können jedoch ebenfalls als Anwendung dienen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der dritte Wärmeübertrager als Verdampfer ausgeführt sein. Der Begriff des „Verdampfers“ bezeichnet hierbei eine Einrichtung, die grundsätzlich dazu eingerichtet ist, eine flüssige Komponente eines Stoffes zumindest teilweise aus einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand zu bringen, wofür eine Verdampfungsenthalpie erforderlich ist, die der Umgebung des Stoffes und/oder der flüssigen Komponente entzogen werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in dem bevorzugt als Verdampfer ausgestalteten dritten Wärmeübertrager mindestens eine Komponente des Kältemittelgemischs verdampft werden, wobei die hierfür erforderliche Verdampfungsenthalpie der zu kühlenden Anwendung, insbesondere dem Hochtemperatur- Supraleiter oder dem zu verflüssigendem Gasstrom, entnommen werden kann. In einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die betreffende Kühlstufe der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen ferner einen Phasentrenner aufweisen, der zur Trennung einer kondensierten flüssigen Phase von einer gasförmigen Phase des jeweiligen Kältemittelgemischs derart eingerichtet ist, dass die beiden Phasen als separate Niederdruck- Ströme durch die Niederdruckseite des ersten Wärmeübertragers strömen können. Der Begriff des „Phasentrenners“ bezeichnet grundsätzlich eine Einrichtung, die dazu eingerichtet ist, mindestens zwei Phasen eines Stoffes, insbesondere eine gasförmige Phase von einer flüssigen Phase voneinander abzutrennen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Phasentrenner insbesondere zur Zuführung mindestens einer flüssigen Komponente aus dem Kältemittelgemisch als flüssigen Niederdruck- Stoff ström direkt in die Niederdruckseite des ersten Wärmeübertragers eingerichtet sein, um dort wesentlich zur Kühlung des an der Hochdruckseite aus dem warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe zugeführten Kältemittelgemischs beizutragen, wobei die mindestens eine gasförmige Komponente als separater gasförmiger Niederdruck-Stoffstrom ebenfalls direkt und parallel zu dem flüssigen Niederdruck- Stoff ström in den ersten Wärmeübertrager eintritt und ebenfalls zur Kühlung des an der Hochdruckseite zugeführten Kältemittelgemischs beiträgt. Auf diese Weise ist die Vorrichtung derart eingerichtet, dass bei zweiphasigen Zuständen des auf Niederdruck-Niveau strömenden Kältemittelgemischs während der Abkühlphase und im stationären Betrieb die kalte flüssige Komponente des Kältemittelgemischs der betreffenden Kühlstufe gleichmäßig in die Niederdruckseite des ersten Wärmeübertragers eintreten kann, wodurch sich die Effizienz der Kühlung des aus dem warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe in den ersten Wärmeübertrager eintretenden warmen Kältemittelgemischs weiter erhöhen lässt.

Im eingangs beschriebenen Fall, in dem der erste Wärmeübertrager in Form eines Mikrostruktur-Wärmeübertragers mit einer Vielzahl von parallelen, mikrostrukturierten Strömungskanälen ausgestaltet ist, kann hierbei an dem kalten Ende des Wärmeübertragers keine Fehlverteilung des Kältemittelgemischs auftreten, da sich parallel zueinander angeordnete Stränge gleichschnell abkühlen können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass während der Abkühlphase, in der ersten Kühlstufe beginnend bei einer Umgebungstemperatur von etwa 300 K, automatisch zunächst ein Kältemittelgemisch erzeugt und bereitgestellt wird, das vorwiegend höhersiedende Komponenten umfasst, die sich am kalten Ende des Wärmeübertragers verflüssigen können. Auf diese Weise können alle parallelen Eintrittspassagen für den flüssigen Niederdruck-Gasstrom des Gegenstrom wärmeübertragers mit flüssigem Kältemittel geflutet werden, wodurch sich die Fehlverteilung des Kältemittels an dem kalten Ende des Wärmeübertragers vermeiden lässt. Mit zunehmender Abkühlung der vorliegenden Vorrichtung werden dem Kältemittel gemisch durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Puffervolumens schrittweise automatisch tiefersiedende Komponenten hinzugefügt, so dass der erste Wärmeübertrager im weiteren Verlauf auch bei kryogenen Temperaturen ohne Fehlverteilung des Kältemittels am kalten Ende des Wärmeübertragers optimal betrieben werden kann. Wird der optionale dritte Wärmeübertrager zur Kühlung einer Anwendung verwendet und tritt in diesem eine Teil Verdampfung auf, so das an dessen Austritt ein zweiphasiger Zustand des Kältemittelgemischs auftritt, wird durch den Phasentrenner und die separaten Niederdruck- Stoffströme im ersten Wärmeübertrager ebenfalls die Fehlverteilung verhindert und die optimale Kühlung der Hochdruck- Seite erreicht. Diese Art der Ausgestaltung kann vorzugsweise in einer der nachfolgenden Kühlstufen der Vorrichtung ebenfalls eingerichtet sein. Besonders vorteilhaft ist, dass hierdurch ein autonomer Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen ermöglicht wird.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung kryogener Temperaturen, das insbesondere unter Verwendung der hierin beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen durchgeführt werden kann. Das vorliegende Verfahren umfasst die Verfahrensschritte a) bis e), die für ein betrachtetes Volumen des Kältemittelgemischs vorzugsweise als Kreisprozess mit der Reihenfolge a), b), c), d) und e) so lange wie gewünscht ausgeführt werden können. Vorzugsweise kann das Verfahren jeweils neu mit einem weiteren Volumen des Kältemittelgemischs für die betreffende Kühlstufe in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, so dass während oder nach Ablauf der Ausführung von Schritt a) für ein zuvor bereitgestelltes Volumen des Kältemittelgemischs das Verfahren parallel hierzu neu mit einem weiteren Volumen des Kältemittelgemischs durchgeführt werden kann.

Die Schritte des vorliegenden Verfahrens zur Erzeugung kryogener Temperaturen sind im Einzelnen: a) Einbringen eines für eine Kühlstufe einer Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen eingerichteten Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau aus einem warmen Bereich der Kühlstufe in eine Hochdruckseite eines ersten Wärmeübertragers, wobei das Kältemittelgemisch mindestens zwei Komponenten mit voneinander verschiedenen Siedetemperaturen aufweist; b) Expandieren und Abkühlen des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau mittels einer ersten Expansionseinrichtung; c) Ab kühlen und Teilkondensieren mindestens einer Komponente eines sich in einem Puffervolumen befindlichen Anteils des Kältemittelgemischs mittels eines zweiten Wärmeübertragers durch Abgabe von thermischer Energie an das Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau, wobei das Puffervolumen zur Begrenzung des von dem Kältemittelgemisch ausgeübten Drucks eingerichtet ist; d) Zuführen einer kondensierten flüssigen Phase aus dem Puffervolumen über die zweite Expansionseinrichtung zum Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau, bis ein gewünschter stationärer Betriebszustand oder ein Druckausgleich zwischen dem Puffervolumen und dem Niederdruck-Niveau erreicht ist; e) Abgeben des Kältemittelgemischs aus einer Niederdruckseite des ersten Wärme übertragers an den warmen Bereich der Kühlstufe;

Darüber hinaus kann das vorliegende Verfahren zur Erzeugung kryogener Temperaturen optional die folgenden Schritte f) und g) umfassen, wobei die Schritte f) und g) bevorzugt zwischen den Schritten c) und e) erfolgen, wobei der Schritt d) vor dem Schritt f), nach dem Schritt f) oder nach dem Schritt g) erfolgen kann: f) Kühlen einer Anwendung mittels eines dritten Wärmeübertragers; g) Trennen eines zweiphasigen Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau in eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase und separates Zuführen der voneinander getrennten flüssigen Phase und der gasförmigen Phase zu der Niederdruckseite des ersten Wärmeübertragers.

Gemäß Schritt a) wird ein Kältemittelgemisch auf Hochdruck-Niveau aus einem warmen Bereich einer Kühlstufe einer Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen, insbesondere der hierin beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen, in eine Hochdruckseite eines ersten Wärmeübertragers, vorzugsweise eines Gegenstromwärmeübertragers eingebracht, wodurch das betreffende Kältemittelgemisch zu einer im Vergleich zu dem warmen Bereich der Kühlstufe geringeren Temperatur abgekühlt wird. Zur Abkühlung dient hierbei ein bereits vorhandenes zuvor eingesetztes Volumen an Kältemittelgemisch, das gemäß Schritt d) in die Niederdruckseite des ersten Wärme übertragers, vorzugsweise des Gegenstromwärmeübertragers, eingebracht wird. Wie oben dargestellt, umfasst das Kältemittelgemisch mindestens zwei Komponenten mit voneinander verschiedenen Siedetemperaturen.

Gemäß Schritt b) erfolgt ein Expandieren und Abkühlen des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau mittels einer ersten Expansionseinrichtung, wodurch das Kältemittelgemisch nunmehr bei Niederdruck und einer im Vergleich zu dem Ausgang des ersten Wärmeübertragers geringeren Temperatur vorliegt.

Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr entsprechend Schritt c) ein Abkühlen und ein Teilkondensieren mindestens einer Komponente eines sich in einem Puffervolumen befindlichen Anteils des Kältemittelgemischs mittels eines zweiten Wärmeübertragers durch Abgabe von thermischer Energie an das den zweiten Wärmeübertrager durchströmende Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau, das den zweiten Wärmeübertrager nach der ersten Expansionseinrichtung durchströmt, wodurch sich insbesondere am Boden des Puffervolumens eine flüssige Phase mit mindestens einer höhersiedenden Komponente bildet.

Erfmdungsgemäß wird weiterhin folgende Schritt d) ausgeführt, bei dem eine kondensierte flüssige Phase aus dem Puffervolumen mittels der zweiten Expansionseinrichtung schrittweise oder kontinuierlich dem Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau zugeführt wird, bis ein gewünschter stationärer Betriebszustand oder ein Druckausgleich zwischen dem Puffervolumen und dem Niederdruck-Niveau erreicht wird. Dadurch kann zu Beginn des Abkühlvorgangs die Konzentration von höhersiedenden Komponenten in dem Kältemittelgemisch der Stufe erhöht und damit eine höhere Kälteleistung erreicht werden, während gegen Ende des Abkühlvorgangs und im stationären Betrieb eine höhere Konzentration von tiefersiedenden Komponenten in dem Kältemittelgemisch der Stufe und damit eine tiefere Temperatur, vorzugsweise eine kryogene Temperatur, erreicht werden kann.

In dieser Ausgestaltung kann das Zuführen der mindestens einen kondensierten Komponente in die Leitungen zur Zirkulation des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eine Änderung einer momentanen Konzentration der Komponenten in dem jeweiligen Kältemittelgemisch bewirken. Bevorzugt kann hierbei die Änderung der momentanen Konzentration der Komponenten in diesem Kältemittelgemisch derart erfolgen, dass zunächst mindestens eine höhersiedende Komponente des Kältemittelgemischs und zunehmend mindestens eine tiefersiedende Komponente des Kältemittelgemischs kondensiert.

Gemäß Schritt e) wird nunmehr das Kältemittelgemisch aus einer Niederdruckseite des ersten Wärmeübertragers an den warmen Bereich der Kühlstufe abgegeben, kann hierbei jedoch dazu verwendet werden, um ein gemäß Schritt a) bereitgestelltes weiteres Volumen an Kältemittelgemisch mittels des ersten Wärmeübertragers, vorzugsweise des Gegenstrom wärmeübertragers, erstmals abzukühlen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann in einem zusätzlichen Schritt f) das Kühlen einer Anwendung mittels eines dritten Wärmeübertragers erfolgen. Wie oben bereits erwähnt, kann die Anwendung insbesondere eine Abkühlung oder Verflüssigung tiefsiedender Fluide bei einer Temperatur bevorzugt von 15 K bis 120 K oder eine Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitern oder eines Bauteils, das über mindestens einen Hochtemperatur-Supraleiter verfügt, auf eine Temperatur bevorzugt von 15 K bis 90 K umfassen.

In einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann, vorzugsweise während des oben beschriebenen Kreisprozesses, zusätzlich Schritt g) ausgeführt werden, wobei die Trennung eines zweiphasigen Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau vorzugsweise mittels eines Phasentrenners in eine flüssige Phase und in eine gasförmige Phase erfolgen kann, die dem ersten Wärmeübertrager als separate Niederdruck- Stoffströme zugeführt werden können und so den ersten Wärmeübertrager auf der Niederdruckseite separat parallel durchströmen können, wodurch sich eine gleichmäßige Durchströmung und Kühlung sowie eine hohe Effizienz des ersten Wärmeübertragers sicherstellen lässt.

Darüber hinaus kann das vorliegende Verfahren zur Erzeugung kryogener Temperaturen optional mindestens einen weiteren Schritt umfassen, insbesondere ausgewählt aus:

- Vorkühlen und Aufwärmen eines zusätzlichen Kältemittelgemischs einer nach geschalteten Kühlstufe in mindestens einer zusätzlichen Hochdruckseite und mindestens einer zusätzlichen Niederdruckseite in dem ersten Wärmeübertrager,

- Abkühlen oder Verflüssigen eines zu verflüssigenden Gasstroms in einem zusätzlichen Stoffstrom in dem ersten Wärmeübertrager.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen. Wie oben bereits erwähnt, kann die Verwendung besonders bevorzugt ausgewählt sein aus einer Verflüssigung tiefsiedender Fluide bei Temperaturen von 15 K bis 120 K und einer Kühlung von Hochtemperatur- Supraleitern auf Temperaturen von 15 K bis 90 K.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verwendung wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.

Kurze Beschreibung der Figuren Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausfiihrungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.

Im Einzelnen zeigen:

Figuren 1 bis 5 jeweils eine schematische Darstellung eines kalten Bereichs eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen;

Figur 6 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung kryogener Temperaturen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Figuren I bis 5 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines kalten Bereichs HO einer Kühl stufe I I I einer Vorrichtung 112 zur Erzeugung kryogener Temperaturen, die auch als „Kälteanlage“ bezeichnet werden kann. Wie oben erwähnt, betrifft der Begriff der „kryogenen Temperatur“ eine Temperatur von 1 O K, bevorzugt von 15 K, bis 120 K, bevorzugt bis 90 K. Bevorzugt ist der kalte Bereich 110 der Kühlstufe 111 in einen vakuumisolierten Kryostaten 114 eingebracht.

Neben dem kalten Bereich 110 umfasst die Kühlstufe 111 der Vorrichtung 112 weiterhin einen warmen Bereich 116, der eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem kalten Bereich 110 aufweist. Die in den Figuren 1 bis 5 jeweils dargestellte Vorrichtung 112 ist einstufig ausgeführt und umfasst damit die genau eine Kühlstufe 111 mit dem kalten Bereich 110 und dem warmen Bereich 116. In den Ausführungen den Figuren 1 bis 5 ist der warme Bereich 116 der Kühlstufe 111 vorzugsweise für Umgebungstemperatur eingerichtet und wird üblicherweise bei Umgebungstemperatur gehalten. Für den Begriff der „Umgebungs temperatur“ wird auf die obige Definition verwiesen. In dem warmen Bereich 116 wird ein Kältemittelgemisch bereitgestellt, das eine für die Kühl stufe 111 eingerichtete Mischung aus mindestens zwei Komponenten von Kältemitteln umfasst, wobei zumindest zwei der Komponenten eine voneinander verschiedene Siedetemperatur aufweisen. Um bei einer Abkühlung des Kältemittelgemischs von der Umgebungstemperatur auf die kryogene Temperatur eine möglichst hohe Effizienz erzielen zu können, wird ein weitsiedendes Kältemittelgemisch eingesetzt, das sowohl mindestens eine höhersiedende Komponente als auch mindestens eine tiefersiedende Komponente umfasst. Wie oben erwähnt, kann die mindestens eine höhersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein aus einem Kohlenwasserstoff und einem fluorierten Kohlenwasserstoff, während die mindestens eine tiefersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein kann aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Andere Substanzen sind jedoch möglich.

Das Einbringen des warmen Kältemittelgemischs aus dem warmen Bereich 116 in den kalten Bereich 110 erfolgt auf Hochdruck-Niveau mittels einer Zuleitung 118, die in eine Hochdruckseite 120 eines ersten Wärmeübertragers 122 mündet, der in der beispielhaften Darstellung gemäß Figur 1 als Gegenstromwärmeübertrager 124 ausgeführt ist. Weiterhin verfügt der erste Wärmeübertrager 122 eine Niederdruckseite 126, die zur Abgabe des kalten Kältemittelgemischs an den warmen Bereich 116 mittels einer Ableitung 128 ausgeführt ist. Somit weist das an der Hochdruckseite 120 aus dem warmen Bereich 116 zugeführte warme Kältemittelgemisch eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem an der Niederdruckseite 126 zur Abgabe an den warmen Bereich 116 vorgesehene Kältemittelgemisch auf. Folglich trägt das an der Niederdruckseite 126 bereitgestellte kalte Kältemittelgemisch wesentlich zur Kühlung des an der Hochdruckseite 120 aus dem warmen Bereich 116 zugeführte warme Kältemittelgemisch bei, wobei sich eine Übertragung an thermischer Energie durch den Gegenstromwärmeübertrager 124 dadurch effizienter ausgestalten lässt, dass das an der Hochdruckseite 120 aus dem warmen Bereich 116 zugeführte warme Kältemittelgemisch in eine Richtung 130 strömt, die einer Richtung 132 des an der Niederdruckseite 126 bereitgestellten kalten Kältemittelgemischs entgegengerichtet ist.

Das auf der Hochdruckseite 120 in dem ersten Wärmeübertrager 122 bereits teilweise abgekühlte, ursprünglich aus dem warmen Bereich 116 zugeführte warme Kältemittel gemisch gelangt hieran anschließend über eine Leitung 134 in eine erste Expansions einrichtung 136, die hier als Expansionsventil ausgeführt ist. Eine alternative Ausführung der ersten Expansionseinrichtung 136 als Drosselkapillare, Blende oder Sinterelement ist jedoch möglich. Die erste Expansionseinrichtung 136 befindet sich ebenfalls im kalten Bereich 110 und ist zur Abkühlung des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet. Hierbei kann das erste Expansionsventil 136 bevorzugt dazu eingerichtet sein, die gewünschte Abkühlung des Kältemittelgemischs mittels des Joule-Thomson-Effekts zu erreichen, da das Kältemittelgemisch für die Kühlstufe 111 derart angepasst wurde, dass der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient \i _JT des Kältemittelgemischs bei der Temperatur der kalten Seite 110 der Kühlstufe 111 einen positiven Wert aufweist. Damit bewirkt das erste Expansionsventil 136 einerseits die Verringerung des das Kältemittelgemisch beaufschlagenden Drucks vom Hochdruck-Niveau auf das Niederdruck- Niveau und andererseits die gewünschte weitere Abkühlung des Kältemittelgemischs.

Das weiter abgekühlte und expandierte Kältemittelgemisch gelangt hieran anschließend über eine weitere Leitung 138 und einen Eintritt 147 in einen zweiten Wärmeübertrager 148 und tritt an einem Austritt 149 aus dem zweiten Wärmeübertrager 148 aus. In den Ausführungen gemäß den Figuren 1 und 3 bis 5 ist der zweite Wärmeübertrager 148 mit einem zweiten Volumen 146 thermisch gekoppelt. Das zweite Volumen 146 ist Teil eines Puffervolumens 140, das zur Begrenzung des von dem Kältemittelgemisch ausgeübten Drucks eingerichtet ist. In den Ausführungen gemäß den Figuren 1 und 3 bis 5 umfasst das Puffervolumen 140 einen Pufferbehälter 142, der in dem warmen Bereich 116 der Vorrichtung 112 angeordnet ist und der über eine Leitung 144 mit dem zweiten Volumen 146 verbunden ist. Demgegenüber ist in der Ausführung gemäß Figur 2 der Pufferbehälter 142 ebenfalls in dem kalten Bereich 110 angeordnet, wobei der zweite Wärmeübertrager 148 in den Pufferbehälter 142 integriert ist und somit derart in den Pufferbehälter 142 eingebracht ist, dass der Pufferbehälter 142 den zweiten Wärmeübertrager 148 vollständig umfasst.

Der zweite Wärmeübertrager 148 ist zur Abkühlung und Teilkondensation des Kältemittel gemischs in dem Puffervolumen 140 eingerichtet, um auf diese Weise die Effizienz der Abkühlung durch die vorliegende Vorrichtung weiter zu erhöhen. In der in den Figuren 1 bis 5 schematisch dargestellten besonders bevorzugten einstufigen Ausführung der Vorrichtung 112 ist der zweite Wärmeübertrager 148 zur Teilkondensation mindestens einer der Komponenten eines Teil des Kältemittelgemischs eingerichtet, welches sich in dem Puffervolumen 140 zu mindestens einer kondensierten Komponente befindet. Hierzu kann der zweite Wärmeübertrager 148 bevorzugt in Form eines Kondensators eingerichtet sein, wobei die Erzeugung der mindestens einen kondensierten Komponente in dem Puffer volumen 140 dadurch erfolgt, dass der kondensierten Komponente Verdampfüngsenthalpie entzogen wird, die dem zirkulierenden Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau zwischen dem Eintritt 147 und dem Austritt 149 des zweiten Wärmeübertragers 148 zugeführt wird. In dieser Ausführung tritt das in dem ersten Expansionsventil 136 abgekühlte Kältemittelgemisch derart den zweiten Wärmeübertrager 148 ein, dass aus dem Teil des Kältemittelgemischs, das sich in dem Puffervolumen 140 befindet, zunächst, d.h. zu Beginn der Abkühlphase, nur mindestens eine höhersiedende Komponente kondensiert, die eine kondensierte Komponente in Form einer flüssigen Phase (nicht dargestellt) ausbildet.

In den Ausführungen gemäß den Figuren 1 bis 5 umfasst der kalte Bereich 110 der Vorrichtung 112 eine zweite Expansionseinrichtung 150, die zur schrittweisen oder kontinuierlichen Zuführung der in dem Puffervolumen 140 gebildeten oder vorhandenen flüssigen Phase in eine weitere Leitung 156 zur Zirkulation des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau dient. Die zweite Expansionseinrichtung 150 ist hier ebenfalls als Expansionsventil ausgeführt; eine alternative Ausführung als Kombination eines Magnetventils und einer Drosselkapillare, Blende oder Sinterelement ist jedoch möglich.

Wie die Figuren 1 bis 5 schematisch zeigen, ist die zweite Expansionseinrichtung 150 insbesondere an einem Ausgang 152 des Puffervolumens 140 in einer Leitung 154 angeordnet. Die Expansionseinrichtung 150 kann zu Beginn des Abkühlvorgangs bis zur Bildung einer flüssigen Phase in dem Puffervolumen 140 geschlossen sein. Durch das Öffnen der Expansionseinrichtung 150 kann die flüssige Phase vollständig oder teilweise aus dem Puffervolumen 140 über die Leitung 154 dem in der Leitung 156 zirkulierenden Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau zugeführt werden. Auf diese Weise kann insbesondere zu Beginn der Abkühlphase, ausgehend von der der Befüllung der Kühlstufe im Stillstand entsprechenden Ausgleichskonzentration, automatisch eine Erhöhung der Konzentration an höhersiedenden Komponenten in dem zirkulierenden Kältemittelgemisch der Stufe erfolgen. Damit kann der Joule-Thomson-Koeffizient \i _JT des Kältemittelgemischs erhöht werden, woraus sich eine stärkere Abkühlung des Kältemittelgemischs ergibt, die insgesamt zu einer Erhöhung der Kälteleistung der Kälteanlage führen kann. Damit lassen sich in Strömungsrichtung nachfolgend angeordnete Einrichtungen des kalten Bereichs 110 der Vorrichtung 112 sukzessiv mit einer im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kälteanlagen erhöhten Kälteleistung abkühlen.

Die Expansionseinrichtung 150 kann in der Folge geschlossen oder so dimensioniert werden, dass sich vor dem Ausgang 152 in dem Puffervolumen 140 erneut eine flüssige Phase bildet oder kontinuierlich eine flüssige Phase vorhanden ist. In der weiteren Abkühlphase kann die in dem Puffervolumen 140 gebildete oder vorhandene flüssige Phase bevorzugt die mindestens eine weiterhin kondensierte Komponente aufnehmen. Die in dem Puffervolumen 140 vorhandene flüssige Phase kann auch weiterhin vollständig oder teilweise über die zweite Expansionseinrichtung 150 schrittweise oder kontinuierlich der Leitung 156 zur Zirkulation des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau zugeführt werden. Während des weiteren Verlaufs der Abkühlphase sinkt dadurch nach und nach die Konzentration an höhersiedenden Komponenten in dem Kältemittelgemisch im Puffervolumen 140 und nach und nach steigt die Konzentration an tiefersiedenden Komponenten in dem Kältemittel gemisch im Puffervolumen 140. Somit kann nach und nach während des weiteren Verlaufs der Abkühlphase die Konzentration an höhersiedenden Komponenten in dem zirkulierenden Kältemittelgemisch automatisch wieder verringert und nach und nach die Konzentration an tiefersiedenden Komponenten in dem Kältemittelgemisch wieder erhöht werden, bis die Abkühlphase beendet ist. Nach Beendigung der Abkühlphase kann die zweite Expansionseinrichtung 150 geschlossen werden oder geöffnet bleiben, um einen stationären Betrieb der Vorrichtung 112 einzustellen.

In den Ausführungen gemäß den Figuren 1 bis 5 kann das Puffervolumen 140 somit dazu eingerichtet sein, dadurch den gewünschten autonomen Betrieb der Vorrichtung 112 zu ermöglichen, dass die Vorrichtung 112 zu jedem Zeitpunkt mit einem vordefinierten Kältemittelgemisch befüllt und dauerhaft betrieben werden kann, wobei das zirkulierende Kältemittelgemisch zu Beginn der Abkühlphase die der Befüllung der Kühlstufe entsprechende Ausgleichskonzentration aufweist, anschließend durch das Zuführen von höhersiedenden Komponenten aus dem Puffervolumen 140 eine höhere Konzentration an höhersiedenden Komponenten aufweist, die nach und nach, d.h. während des Verlaufs der Abkühlphase, zugunsten der Konzentration an tiefersiedenden Komponenten wieder verringert wird.

Wie weiterhin in den Figuren 1 bis 5 schematisch dargestellt, kann die Vorrichtung 112 im kalten Bereich 110 ferner eine dritte Expansionseinrichtung 160 aufweisen, die zur Druck entlastung der Niederdruckseite der Kühlstufe 111 in das Puffervolumen 140 eingerichtet ist. In den Figuren 1 bis 5 ist die Expansionseinrichtung 160 bevorzugt mit der Leitung 138 verbunden; eine Verbindung mit jeder anderen geeigneten Leitung auf der Niederdruckseite der Kühlstufe 111 ist jedoch möglich. Die dritte Expansionseinrichtung 160 kann insbesondere als Rückflussverhinderer ausgestaltet sein, der eine durch einen Punkt gekennzeichnete Eintritts Seite 162 aufweist, die nur dann öffnet, wenn der Druck auf der Niederdruck-Seite größer ist als im Puffervolumen 140. Die dritte Expansionseinrichtung 160 kann insbesondere ausgewählt sein aus einem Rückschlagventil, einer Rückschlagklappe, einem Überströmventil und einem Sicherheitsventil; eine andere Ausführung ist jedoch möglich. Die dritte Expansionseinrichtung 160 kann daher vorzugsweise als Sicherheitseinrichtung für eine Druckabsicherung der Niederdruck-Seite verwendet werden, z.B. bei Auftreten eines Quenchens einer supraleitenden Anwendung oder eines Bruchs des Isolationsvakuums. Das Kältemittelgemisch, das in der in den Figuren 1 bis 5 schematisch dargestellten Leitung 156 zirkuliert, kann schließlich in die Niederdruckseite 126 des ersten Wärmeübertragers 122 eintreten, von der aus es an den warmen Bereich 116 der Kühlstufe 111 abgegeben wird.

Wie weiterhin in den Figuren 3 und 5 schematisch dargestellt ist, kann die Vorrichtung 112 im kalten Bereich 110 ferner einen dritten Wärmeübertrager 164 aufweisen, der in die Leitung 156 zur Zirkulation des Kältemittelgemischs eingebracht ist und der zur Kühlung einer Anwendung 166 eingerichtet ist, wobei die Anwendung 166 einen Stoff oder ein Bauteil umfasst, dessen Temperatur mittels der Vorrichtung 112 auf eine kryogene Temperatur verringert werden kann. Der dritte Wärmeübertrager 164 ist hierbei vorzugs weise als Verdampfer ausgeführt, wobei mindestens eine Komponente des zirkulierenden Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau dadurch teilweise verdampft wird, dass die erforderliche Verdampfungsenthalpie der zu kühlenden Anwendung 166 entnommen wird. Andere Ausführungen des dritten Wärmeübertragers 164 sind jedoch denkbar.

Wie weiterhin in den Figuren 4 und 5 schematisch dargestellt ist, kann die Vorrichtung 112 im kalten Bereich 110 ferner einen Phasentrenner 170 aufweisen, der zur Trennung eines zweiphasigen Kältemittelgemischs, das durch teilweise Verdampfung in dem zweiten Wärmeübertrager 148 und/oder in dem dritten Wärmeübertrager 164 gebildet wird, in eine flüssige Phase und in eine dampfförmige Phase sowie zur getrennten Zuführung der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase jeweils an die Niederdruckseite 126 des ersten Wärmeübertragers 122 eingerichtet ist. Wie die Figuren 4 und 5 schematisch zeigen, werden die flüssigen Phase mittels einer Leitung 172 einem ersten Niederdruckstrom 176 und die dampfförmige Phase mittels einer gesonderten Leitung 174 einem zweiten Niederdruck strom 178 der Niederdruckseite 126 des ersten Wärmeübertragers 122 zugeführt. Hierbei wird der erste Niederdruckstrom 176, welcher die flüssige Phase mit der durch die Verdampfungsenthalpie höheren Kühlleistung aus dem zweiphasigen Kältemittelgemisch aufnimmt, vorzugsweise näher an die Hochdruckseite 120 geführt, die zur Abkühlung des Kältemittelgemischs aus dem warmen Bereich 116 über die Leitung 118 in dem ersten Wärmeübertrager 122 in dem kalten Bereich 110 eingerichtet ist. Damit ist der kalte Bereich 110 der Kühlstufe 111 der Vorrichtung 112 derart eingerichtet, dass auch während der Ab kühl phase vorwiegend die kalte flüssige Komponente des Kältemittelgemischs zur Kühlung des aus dem warmen Bereich 116 in den ersten Wärmeübertrager 122 eintretenden warmen Kältemittelgemischs eingesetzt wird, wodurch sich die Effizienz der Kühlung der Vorrichtung 112 weiter erhöhen lässt. Die kalte gasförmige Komponente des Kältemittelgemischs trägt in geringerem Maß über den zweiten Niederdruckstrom 178 auf der Niederdruckseite 126 des ersten Wärmeübertragers 122 ebenfalls zur Kühlung des aus dem warmen Bereich 116 in den ersten Wärmeübertrager 122 eintretenden warmen Kältemittelgemischs bei.

Dies trifft insbesondere in dem eingangs beschriebenen Fall zu, in dem der erste Wärmeübertrager 122 in Form eines Mikrostruktur-Wärmeübertragers mit einer Vielzahl von parallelen, mikrostrukturierten Strömungskanälen ausgeführt ist, in dem sich parallel zueinander angeordnete Stränge gleichschnell abkühlen lassen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass während der Abkühlphase automatisch zunächst ein Kältemittel gemisch erzeugt und bereitgestellt wird, das überwiegend höhersiedende Komponenten umfasst, die sich am kalten Ende des Wärmeübertragers 122 verflüssigen können. Auf diese Weise können alle parallelen Eintrittspassagen des ersten Niederdruckstroms 176 der Niederdruckseite 126 des Wärmeübertragers 122 mit flüssigem Kältemittel geflutet werden, wodurch sich eine Fehlverteilung des Kältemittels am kalten Ende des Wärmeübertragers 122 vermeiden lässt. Mit zunehmender Abkühlung des kalten Bereichs 110 der Vorrichtung 112 werden dem Kältemittelgemisch durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Puffervolumens 140 schrittweise automatisch tiefersiedende Komponenten hinzugefügt, so dass der erste Wärmeübertrager 122 im weiteren Verlauf auch bei kryogenen Temperaturen ohne Fehlverteilung des Kältemittels am kalten Ende des Wärmeübertragers 122 optimal betrieben werden kann. In besonders vorteilhafter Weise wird hierdurch ein autonomer Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen ermöglicht.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 210 zur Erzeugung kryogener Temperaturen, das insbesondere unter Verwendung der hierin beschriebenen Vorrichtung 112 durchgeführt werden kann.

In einem Bereitstellungsschritt 212 wird ein Kältemittelgemisch gemäß Schritt a) auf Hochdruck-Niveau aus dem warmen Bereich 116 der Kühlstufe 111 der Vorrichtung 112 zur Erzeugung kryogener Temperaturen in die Hochdruckseite 120 des ersten Wärme übertragers 122, vorzugsweise des Gegenstromwärmeübertragers 124 eingebracht und dort auf eine im Vergleich zu dem warmen Bereich 116 geringeren Temperatur abgekühlt.

In einem Expansionsschritt 214 gemäß Schritt b) erfolgt ein Expandieren und Ab kühlen des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau mittels der ersten Expansionseinrichtung 136 wodurch das Kältemittelgemisch nunmehr bei Niederdruck und einer im Vergleich zu dem Hochdruck-Ausgang des ersten Wärmeübertragers 122 geringeren Temperatur vorliegt.

In einem Kondensationsschritt 216 gemäß Schritt c) erfolgt ein Ab kühlen und Teilkondensieren mindestens einer Komponente eines Anteil des sich in dem Puffervolumen 140 befindlichen Kältemittelgemischs mittels des zweiten Wärmeübertragers 148 durch Abgabe von thermischer Energie an das Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau, das den zweiten Wärmeübertrager 148 nach der ersten Expansionseinrichtung 136 durchströmt.

In einem Zuführung s schritt 218 gemäß Schritt d) erfolgt ein schrittweises oder kontinuierliches Zuführen einer kondensierten flüssigen Phase aus dem Puffervolumen 140 über die zweite Expansionseinrichtung 150 zu dem zirkulierenden Kältemittelgemisch auf Niederdruck-Niveau, bis ein stationärer Betriebszustand oder ein Druckausgleich zwischen dem Puffervolumen 140 und dem Niederdruck-Niveau erreicht ist.

In einem optionalen Anwendungsschritt 220 kann gemäß dem zusätzlichen Schritt f) ein, je nach Verwendung der Vorrichtung 112 gewünschtes Kühlen der Anwendung 166 mittels des dritten Wärmeübertragers 164 erfolgen. Wie oben erwähnt, kann die Anwendung 166 hierbei insbesondere eine Verflüssigung tiefsiedender Fluide bei einer Temperatur von 15 K bis 120 K, oder eine Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitern oder eines Bauteils, das über mindestens einen Hochtemperatur-Supraleiter verfügt, auf eine Temperatur von 15 K bis 90 K umfassen.

In einem optionalen, jedoch besonders bevorzugten Trennschritt 222 gemäß dem zusätzlichen Schritt g) kann ein zweiphasiges Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau in eine flüssige Phase und in eine gasförmige Phase getrennt werden, wofür bevorzugt der Phasentrenner 170 dienen kann, wobei weiterhin ein separates Zuführen der voneinander getrennten flüssigen Phase und der gasförmigen Phase in den Leitungen 172, 174 an die Niederdruckströme 176, 178 der Niederdruckseite 126 des ersten Wärmeübertragers 122 erfolgen kann.

In einem Abgabeschritt 224 wird nunmehr gemäß Schritt e) das Kältemittelgemisch aus der Niederdruckseite 126 des ersten Wärmeübertragers 122 an den warmen Bereich 116 abgegeben und kann hierbei, wie oben beschrieben, dazu verwendet werden, ein in dem Bereitstellungsschritt 212 bereitgestelltes weiteres Volumen an Kältemittelgemisch mittels des ersten Wärmeübertragers 122, vorzugsweise des Gegenstromwärmeübertragers 124, erstmals abzukühlen.

Darüber hinaus kann das vorliegende Verfahren 210 zur Erzeugung kryogener Temperaturen optional mindestens einen weiteren Schritt (nicht dargestellt) umfassen, insbesondere ausgewählt aus: - Vorkühlen und Aufwärmen eines zusätzlichen Kältemittelgemischs einer nachgeschalteten Kühlstufe in mindestens einer zusätzlichen Hochdruckseite und mindestens einer zusätzlichen Niederdruckseite in dem ersten Wärmeübertrager 122,

- Abkühlen oder Verflüssigen eines zu verflüssigenden Gasstroms in einem zusätzlichen Stoffstrom in dem ersten Wärmeübertrager 122.

Für weitere Einzelheiten zum vorliegenden Verfahren 210 wird auf die obige Beschreibung der Vorrichtung 112 verwiesen.

Bezugszeichenliste

110 kalter Bereich 149 Austritt

111 Kühl stufe 150 zweite

Expansionseinrichtung

112 V orrichtung zur Erzeugung 152 Ausgang kryogener Temperaturen

114 (vakuumisolierter) Kryostat 154 Leitung

116 warmer Bereich 156 Leitung

118 Zuleitung 160 dritte

Expansionseinrichtung

120 Hochdruckseite 162 Eintrittsseite

122 erster Wärmeübertrager 164 dritter Wärmeübertrager

124 Gegenstromwärmeübertrager 166 Anwendung

126 Niederdruckseite 170 Phasentrenner

128 Ableitung 172 Leitung

130 Richtung 174 Leitung

132 Richtung 176 erster Niederdruckstrom

134 Leitung 178 zweiter Niederdruckstrom

136 erste Expansionseinrichtung 210 Verfahren zur Erzeugung kryogener Temperaturen

138 Leitung 212 Bereitstellungsschritt

140 Puffervolumen 214 Expansionsschritt

142 Pufferbehälter 216 Kondensationsschritt

144 Leitung 218 Zuführungsschritt

146 zweites Volumen 220 Anwendungsschritt

147 Eintritt 222 Trennschritt

148 zweiter Wärmeübertrager 224 Abgabeschritt