Heliumverfl├╝ssigungsanlagen

Motivation:

Da der Ankauf von fl├╝ssigem Helium sehr preisintensiv ist, betreibt das II. Physikalische Institut der RWTH Aachen als zentrale Einrichtung der Fachgruppe Physik eine Heliumverfl├╝ssigungsanlage, mit der das verwendete gasf├Ârmige Helium wieder verfl├╝ssigt werden kann. Die Gasverfl├╝ssigungsanlagen befinden sich in einem separaten Geb├Ąude neben dem Physikzentrum, um eine Schwingungsbelastung der Labore zu minimieren.
In der Forschung wird verfl├╝ssigtes Helium als K├╝hlmittel zum Erreichen tiefer Temperaturen eingesetzt. 4He kondensiert bei 4,2 K. Durch Verdampfungsk├╝hlen lassen sich aber Temperaturen bis etwa 800 mK erreichen.

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Geb├Ąude der Gasverfl├╝ssigungsanlagen

Verfl├╝ssigungsanlage mit Gasreinigungsstufen
Hochleistungskompressoren der Verfl├╝ssigingsanlage
Fl├╝ssighelium-Tank (4200 Liter) mit Abf├╝llstation

Verfl├╝ssigung:

Der Heliumverfl├╝ssiger der Firma Linde hat eine Verfl├╝ssigungsleistung von bis zu 22 Litern Helium pro Stunde, mit Fl├╝ssigstickstoff-Vork├╝hlung sogar bis zu 30 Liter. Vor der Verfl├╝ssigung wird das Gas von Verunreinigungen befreit und mittels adiabatischer Expansion in drei Temperaturstufen auf unter 4,2 K abgek├╝hlt. Das fl├╝ssige Helium wird dann in einem 4200 Liter fassenden Tank gespeichert. Aus diesen Tanks wird das Helium in 100 Liter Transportkannen abgef├╝llt und an die jeweiligen Verbraucher innerhalb der RWTH Aachen geliefert. Neben den physikalischen Instituten werden seit 2006 verschiedene Institute der Chemie, sowie der Halbleitertechnik mit fl├╝ssigem Helium versorgt. Die Jahres-Verfl├╝ssigungsleistung betr├Ągt ├╝ber 85000 Liter Fl├╝ssig-Helium.

Heliumr├╝ckleitungssystem:

Ein weit verzweigtes Rohrleitungsnetz im gesamten Physikzentrum verbindet die Heliumverbraucher (Laborr├Ąume) mit der 2017 neu aufgebauten Heliumr├╝ckgewinnungsanlage. Diese besteht aus einem 30000 Liter fassenden Gasballon, der als Helium-Zwischenspeicher dient, und zwei Hochdruckkompressoren, die das gasf├Ârmige Helium aus der Gasblase auf 200 bar komprimieren und in 29 Gasflaschenb├╝ndeln speichern. Dieser Speicher umfasst insgesamt knapp 3,5 Mio. Liter Heliumgas. Die Gasblase bleibt immer zu einem Drittel mit Gas gef├╝llt, damit in den R├╝ckgasleitungen ein konstanter ├ťberdruck von etwa 5 mbar vorliegt und somit keine Luft oder Fremdgase in das System eindringen k├Ânnen. Die elektronsche F├╝llstands├╝berwachung erfolgt mittels Laser-Messtechnik. Aus den Gasb├╝ndeln bezieht der Heliumverfl├╝ssiger sein ben├Âtigtes Gasvolumen f├╝r den Verfl├╝ssigungsprozess.

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30m┬│ Helium-Auffangblase im gef├╝llten Zustand

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Hochdruckkompressoren mit Gasreiniger und Gasflaschenb├╝ndeln im Hintergrund

Verluste:

Bei der Nutzung des Heliumverfl├╝ssigers kommt es aus unterschiedlichsten Gr├╝nden zu Verlusten (Vork├╝hlen von Cryostaten, Gasreinigung, Diffusion bei der Lagerung in Gasb├╝ndeln, Leckagen etc.). Dieser Anteil wird dann als gasf├Ârmiges Helium am freien Markt nachgekauft. Die Verslustrate liegt bei j├Ąhrlich ca. 5 % Heliumgas.