PBHe - Physik Bereich Helium

Heliumkreislauf
Heliumkreislauf mit den Teilbereichen Verflüssigung und Rückgewinnung

Für naturwissenschaftliche Experimente bei tiefen bzw. tiefsten Temperaturen besteht seit 1976 an der Universität Konstanz eine Versorgung mit flüssigem Helium (4 K = -269 °C). Grundsätzlich ist die gesamte Heliumanlage in zwei ineinander greifende Bereiche aufgeteilt:

  • Heliumverflüssigungsanlage mit kryogenen Speichern zur Herstellung und Lagerung von flüssigem Helium;
  • Heliumrückgewinnungsanlage zur Sammlung und Speicherung (= Rückgewinnung) von gasförmigem Helium.

Als großer Kreislauf angelegt, bildet das wissenschaftliche Experiment (Verbraucher) das Bindeglied zwischen der Produktion (Verflüssigung) von tiefkaltem flüssigen Helium und der Rückge­winnung (Sammlung) des warmen gasförmigen Heliums.

Das tiefkalte flüssige Helium nimmt die Wärme des Experiments auf und geht damit in den gasförmigen Zustand über; dieses Gas wird gesammelt und nach erneuter Zuführung zur Verflüssi­gungsanlage ist der Nutzungskreislauf geschlossen. Im Normalbetrieb durchläuft jeder Liter Helium mindestens 20-mal diesen Kreislauf, ehe er durch Lecks und andere Undichtigkeiten dem System verloren geht.

farbige Kabel

Heliumverflüssigungsanlage

Zentraler Bestandteil der Heliumverflüssigung ist die Turbinenexpansionsmaschine TCF-20 von Sulzer. Angetrieben von einem 85 kW Schraubenkompressor von Kaeser erreicht die Maschine einen Level-rise von 20 L/h flüssiges Helium, welches in einem Lagerbehälter von maximal 2500 Litern gespeichert wird. Hieraus werden die 25 Transportbehälter (AL RH-100) befüllt, welche dann die über 40 Tieftemperaturapparaturen mit flüssigem Helium versorgen.

Heliumrückgewinnungsanlage

Das von den Tieftemperaturapparaturen abgegebene warme (und damit gasförmige) Helium wird über ein Rohrleitungssystem dem zentralen Niederdruckpuffer (Gasballon mit 25000 Litern Volumen) drucklos zugeführt. Von dort wird das Heliumgas von Hochdruckkompressoren (2x Bauer G22 mit je 48 Nm³/H, 1x Sulzer-Burckhardt mit 120 Nm³/h) abgesaugt, verdichtet, getrocknet und anschließend in Hochdruckbehälter (4 x 1000 L @ 200bar, 1 x 2800 L @ 200bar) gelagert. Von hier aus wird das Helium als Speisegas wieder der Verflüssigungsanlage zugeführt.