Ziel der Entwicklung
Helium-Kolbenexpander sind hervorragend geeignet, um kleine bis mittlere Verflüssigungsleistungen bereit zu stellen. Sie wurden jedoch in den vergangenen Jahrzehnten nicht nennenswert weiterentwickelt und sind technisch stehen geblieben, was die mechanische Umsetzung betrifft. Als Folge müssen Kolbenexpander häufig revidiert werden und etwa alle zwei Tage abgeschmiert werden. Dies macht den Betrieb zeitaufwändig, wartungs- und damit personalintensiv.
Vorteile und Lösungen
Die einzelnen Funktionsgruppen von Kolbenexpandern wurden analysiert und nach technischen Schwachstellen und nach wartungsintensiven Vorgängen gesucht. Darauf basierend wurden neue technische Lösungen entwickelt. Fettgeschmierte Kreuzköpfe wurden durch Kugelbuchsen ersetzt. Ölfilz-geschmierte und gedichtete Stopfbuchsen wurden durch feststoffgeschmierte Lippendichtungen ersetzt. Die mechanisch „programmierte“ Steuerung der Expanderventile wurde durch eine elektromechanische Betätigung ersetzt, eine selbstoptimierende Steuerungselektronik kann dynamisch die Steuerzeiten der Ventile an den jeweiligen Betriebszustand anpassen. Konventionelle Ventile erzeugen in ihrem Inneren scharfe Umlenkungen des Gasstroms, was zu Wirbelbildung und damit zu Drosselverlusten und Strömungsgeräuschen führt. Die Geometrie der Ventile wurde strömungstechnisch so lange überarbeitet, bis ein wirbelfreies Durchströmen im geöffneten Zustand gewährleistet ist. Damit werden Drosselverluste minimiert und das Arbeitsgas kann im eigentlichen Expander-Zylinder mit mehr Arbeit verrichtend entspannt werden. Das wiederum erhöht die Abkühlung des Gases und steigert so die Leistungsfähigkeit der Kältemaschine. Die gleiche Zielsetzung – Erhöhung der Kälteleistung – trifft auch auf die Einführung von Puffervolumen direkt vor/hinter den Ventilen zu. Sie stellen für den kurzen Moment des Ventils im geöffneten Zustand ausreichend Reserve bereit, so dass das zu verarbeitende Gasvolumen nicht mit – kurzzeitig – hohen Strömungsgeschwindigkeiten, Geschwindigkeiten, Drosselverlusten aus der Rohrleitung herangeführt/abgeführt werden muss, sondern lokal „auf Vorrat“ bereits zur Verfügung steht.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der primäre Zielmarkt liegt im Bereich der Kälteerzeugung unter 77 K sowie im Bereich der Heliumverflüssigung mit einer mittleren Verflüssigungsleistung. Damit verbundene Wirtschaftszweige sind unter anderem Forschungseinrichtungen und Universitäten, welche derartige Systeme benötigen. Dabei ist die Umrüstung und Erweiterung bestehender Systeme zur Kühlung beziehungsweise Verflüssigung von Helium relevant. Im Ergebnis des FuE-Projektes steht dem ILK Dresden ein Funktionsmuster eines Heliumkolbenexpanders zur Verfügung. Der daraus resultierende Vorteil zusätzlicher Kälte- und Verflüssigerleistung kann danach zur Erfüllung anspruchsvoller zukünftiger freifinanzierter Forschungsaufträge verwendet werden. Weitere Verwertungsmöglichkeiten betreffen verschiedenartige kryogene Kolbenexpander, welche mit unterschiedlichen zu kühlenden oder zu verflüssigenden Medien betrieben werden können, darunter Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Methan, Argon, Kohlenmonoxid. Potentielle Einsatzbereiche sind rekuperative Kühlsysteme und Verflüssigungsanlagen mit mittlerer Verflüssigungsleistung. Auch ein modifizierter Einsatz für Gasreinigungssysteme, welche auf einer Tieftemperaturadsorption unerwünschter Gase in Aktivkohle basieren, ist denkbar. Geeignete Zielmärkte sind wiederum Unternehmen und Einrichtungen, welche auf diesen Bereich angewiesen sind, beispielsweise Forschungseinrichtungen und Universitäten, medizinische Einrichtungen sowie zum Beispiel Unternehmen im Bereich der Kryobiologie, der Halbleitertechnik und der Elektronik.
