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Kompressoren in der Tiefsttemperaturtechnik

Leichtes Gas, schwerer Job: Der richtige Kompresssor für tiefkaltes Helium

| Autor / Redakteur: Stefan Klare* / Dominik Stephan

Für die Universität Gießen entwickelte Vorbuchner eine Anlage zur Verflüssigung von Helium, bei der ein abgewandelter Boge Schraubenkompressor SLF 101-3 eingesetzt wird.
Für die Universität Gießen entwickelte Vorbuchner eine Anlage zur Verflüssigung von Helium, bei der ein abgewandelter Boge Schraubenkompressor SLF 101-3 eingesetzt wird. (Bildquelle: ©katarinagondova, ©concept w - stock.adobe.com; Boge; [M]-Grimm)

Ein Edelgas als Kältemittel für Tiefsttemperaturen: Zwar wird man Helium nur in sehr speziellen Anwendungen finden, doch ist das leichte Gas als Kältemittel in der Forschung begehrt. Für das verwendete Prozessequipment bedeutet die geringe Dichte des Mediums jedoch nichts Gutes. Besonders das sichere Abdichten wird zur Herausforderung – auch und gerade für die benötigten Verdichter.

Viele Universitäten und Institute nutzen flüssiges Helium als Kältemittel für ihre Forschung. Der Bedarf an Anlagen zur Verflüssigung ist hoch – und ein leckagefreier Prozess ein absolutes Muss. Das ist eines der Spezialgebiete von Vorbuchner, einem Tieftemperaturtechnik-Spezialisten aus Kirchweidach. Für die Universität Gießen entwickelte die Firma eine Anlage, die flüssiges Helium mit einer Temperatur von 4,5 K (-268,65 °C) bereitstellt.

Dazu benötigte der Kryo-Spezialist einen Kompressor, der das Gas effizient verdichtet und einen hohen Leckageschutz aufweist: „Die große Herausforderung bestand darin, Bauteile der Maschine derart abzudichten, dass kein Helium entweichen und keine Luft eintreten kann. Das würde zu Verunreinigungen führen“, berichtet Geschäftsführer Wilhelm Vorbuchner. Fündig wurden die Kälte-Experten bei Boge, einem Druckluftspezialisten aus Bielefeld. Dieser konnte dabei allerdings nur bedingt auf Standardprodukte zurückgreifen und entwickelte für Vorbuchner den Schraubenkompressor SLF 101-3 ein Stück weit neu.

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Die Anlage umfasst neben dem SLF 101-3 zwei Expansionsturbinen und einen Reiniger zur Aufbereitung von verunreinigtem Helium sowie einen Schmutzgastrockner, ein Ölentfernungssystem und einen Puffertank. Der Kompressor stellt 3,69 bis 10,69 m³/min Helium mit 1,05 auf 13 bar zu Verfügung.

In einer sogenannten Coldbox findet anschließend die Kälteerzeugung statt. In zwei nacheinander angeordneten Turbinen erfolgt eine Expansion des Heliumgases. Durch Wärmetauscher wird das Gas im Gegenstromprinzip gekühlt und durch ein Joule-Thomson-Ventil in einen Heliumtank geleitet. Das führt zu einer weiteren Expansion des kalten Gases, welches noch stärker abkühlt und schließlich flüssig wird. Dazu muss in dieser Coldbox eine Temperatur von 4,5 K (-268,65 °C) herrschen.

So bleibt der Kompressor dicht - Trotz geringer Dichte

Doch Helium ist ein sehr leichtes Gas. Das machte die maximale Dichtheit des Kompressors zur echten Herausforderung: Der verwendete Verdichter sieht zwar aus wie ein herkömmlicher SLF 101-3, viele seiner Bauteile wurden aber komplett verändert. So wurde der Antriebsmotor mit einer Kupplungsglocke umgeben, in der sich im Falle eines Austritts das Gas sammelt und abgeleitet werden kann. Der vertikal platzierte Ölabscheider gewährleistet eine optimierte Ölentfernung. Rohrleitungen und Wärmetauscher wurden zusätzlich abgedichtet.

„Jede kleinste Lecka­gequelle musste während der Entwicklungsphase ausfindig gemacht werden“, erklärt Sebastian Krake, Projektmanager des Kompressorherstellers. Der Helium-­Verlust ist so nahezu ausgeschlossen, ebenso wie die Verunreinigung durch eintretende Luft.

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„Wir standen über die gesamte Entwicklungszeit in engem Kontakt zu Boge“, sagt Wilhelm Vorbuchner. So entstand aus einem Prototyp ein betriebssicheres System zur Heliumverdichtung. Dies veranlasste Vorbuchner dazu, den Bielefeldern einen weiteren Auftrag für eine baugleiche Anlage in Polen zu erteilen. Und damit ist das Potenzial des flüssigen Edelgases noch lange nicht erschöpft, sind sich die Partner sicher.

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* * Der Autor ist Leiter Anlagenbau Innendienst bei Boge, Bielefeld.

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