Kryogene Anlagen und Prozesse

Im Rahmen des Projekts „Magnetisch rauscharme LHe Kaltkopf-Kryostatierungen (Lowise)“ soll am ILK Dresden intensiv an der Entwicklung nicht-metallischer magnetisch sehr rauscharmer Heliumkryostate für hochempfindliche Messungen geforscht werden.

Für die Kühlung der vorgesehenen kalten SQUID-Gradiometer (engl. Superconducting Quantum Interference Device) werden spezielle Anforderungen am Kryostaten umgesetzt. Ein wichtiger Punkt dabei ist, dass dafür ein magnetisches Rauschen in der Größenordnung von 1 bis 3 ft/√Hz angestrebt wird, was durch einen speziellen Aufbau aus glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) erreicht werden soll. Der Kryostat soll als geschlossener Kühlkreislauf unter Nutzung eines Kryokühlers ausgelegt werden, so dass mit einer einzigen Befüllung eine uneingeschränkte Messzeit ermöglicht werden soll. Weiterhin sollen für diese Kryostaten Möglichkeiten erarbeitet werden, dass diese auch lageunabhängig betrieben werden können.

Mögliche Arbeitsinhalte:

• Erarbeitung von Materialdatensätzen von anisotropen Materialien in Ansys Composite PrepPost (ACP) zur Verwendung in numerischen Analysen.
• Experimentelle Untersuchung des Permeationsverhalten von unterschiedlich beschichteten GFK-Materialien mit Ergebnisauswertung.
• Konstruktive Überarbeitung des inneren Aufbaus eines bestehenden Kryostatsystems auf Basis vorhandener / optimierter Geometrievorschläge.
• Halter-Konstruktion für die einzusetzenden SQUID-Sensoren zur Abdeckung aller drei Raumrichtungen.
• Numerische und / oder analytische Analysen der Designvarianten hinsichtlich ihrem statisch mechanischen, dynamischen und thermischen Verhalten.
• Fertigungsgerechte Konstruktion der Designvorzugsvariante mit 2D-Zeichnungsableitung.
• Experimentelle Untersuchungen an dem aufgebauten Kryostatsystem hinsichtlich Leckage, Verflüssigungsleistung und magnetischer Rauscharmut.

Die Durchführung der Arbeit und die Hauptbetreuung erfolgt am ILK Dresden, Bertolt-Brecht-Allee 20, 01309 Dresden

Das Thema kann als Diplomarbeit, ggf. alternativ als Forschungs- oder Fachpraktikum durchgeführt werden.

Kontakt:

M.Eng. Gregor Trommler, ILK Dresden, Tel.: 0351 / 4081-5132,

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh

Bei CGH2-Tankstellen wird mit Tankdrücken von 350 bar bzw. 700 bar gearbeitet. Um die zulässige Zieltank-Temperatur nicht zu überschreiten, wird der zu transferierende Hochdruck-Wasserstoff tankstellenseitig auf typ. -40 °C vorgekühlt. Die hierfür nötigen Kälteaggregate (auf Basis üblicher Kaltdampf-Drosselprozesse) haben eine schlechte Effizienz, großes Bauvolumen und sind mit immensen Investitionskosten verbunden. Aus dem Bereich der Kryotechnik sind hingegen hocheffiziente Kältekreisläufe auf Basis arbeitsleistender Expansion bekannt.

In der vorliegenden Arbeit sollen Grundlagen ausgearbeitet werden, um solche Expander-Kreisläufe auch für den o.g. Anwendungsfall verfügbar zu machen. Es sind geeignete Anlagenkonzepte zu konzipieren, geeignete Kältemittel zu identifizieren, existierende Expander (Turbo- und Kolbenmaschinen) zu prüfen, geeignete Aggregate auszulegen und ggf. mit potentiellen Herstellern von Expandern mögliche Optionen und noch nötiger Entwicklungsbedarf abzuklären.

Die Arbeit wird in enger Kooperation mit der F&E-Abteilung der Linde Hydrogen FuelTech GmbH durchgeführt. Es ist vorgesehen, dass ein großer Teil der Bearbeitung des Themas bei der Linde Hydrogen FuelTech GmbH in München durchgeführt wird (Unkostenerstattung ist gewährleistet).

Das Thema kann als Diplomarbeit, ggf. alternativ als Forschungs- oder Fachpraktikum durchgeführt werden.

Ansprechpersonen:

Dr. J. Vidic, Linde Hydrogen FuelTech GmbH (Standort Wien);

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh

Die Zerlegung von Luft ist ein wichtiger Prozess mit zahlreichen Anwendungen und für viele Gase das ökonomisch einzig in Frage kommende Verfahren zu deren Reinigung und/​oder Anreicherung. Oftmals fungiert dabei Sauerstoff als Leitprodukt, welches in unterschiedlichen industriellen Prozessen und Einzelanwendungen benötigt wird.

Als Besonderheit ist Sauerstoff – im Gegensatz zu fast allen anderen Gasen – leicht paramagnetisch. Dies erlaubt es, ein auf einem starken magnetischen Gradientenfeld basierendes Anreicherungsverfahren zu realisieren, welches in der vorliegenden Arbeit näher untersucht werden soll. Dabei sind folgende Tätigkeiten durchzuführen: Zusammenstellung der theoretischen Grundlagen, Realisierung von Experimenten, Analyse der Resultate, Identifikation und Erklärung von Parameterzusammenhängen sowie Vorschlag von Optimierungsmöglichkeiten.

Das Thema kann als Diplomarbeit, ggf. alternativ als Forschungs- oder Fachpraktikum durchgeführt werden.

Die Durchführung und Hauptbetreuung erfolgen am ILK Dresden.

Ansprechpersonen:

Dr. Erik Neuber, Hauptbereich Kryotechnik und Tieftemperaturphysik, ILK Dresden

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh

Am IFW Dresden soll ein neuartiges supraleitendes Lager entwickelt werden, umfassend eine supraleitende Statorspule sowie eine supraleitende Rotorspule. Das supraleitende Material muss hierbei auf Temperaturen kleiner als 93 K gehalten werden. Gestaltung und Simulationsmodell sind auszuarbeiten, der Aufbau eines Funktions-Prototyps ist geplant. Dieser ist anschließend hinsichtlich seiner magnetischen und mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren.

Teilarbeiten hierzu – insbesondere zur Realisierung der benötigten kryogenen Kühlung – werden als studentische Arbeiten vergeben. Die Durchführung kann im Rahmen eines Fachpraktikums, eines Forschungspraktikums, einer Diplomarbeit, ggf. auch im Rahmen einer Anstellung als Student. Hilfskraft erfolgen.

Ansprechpartner: Prof. Ch. Haberstroh

Die Kryopumpe ist eine gasbindende Vakuumpumpe. Das Pumpprinzip besteht darin, dass gasförmige Substanzen durch Kryokondensation bzw. durch Kryosorption oder Kryotrapping an Kaltflächen im Inneren der Pumpe gebunden werden. Für die Erzeugung von Hoch- und Ultrahoch-Vakuum müssen die Kaltflächen auf hinreichend tiefe Temperaturen abgekühlt werden. Der hochglanzverspiegelte Strahlungsschild und das Baffle sind derzeit aus ETP-Kupfer hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt, damit die Kälteleistung des Refrigerators optimal in Pumpleistung umgesetzt wird. Mit der ersten Stufe des Kaltkopfes werden Strahlungsschild und Baffle auf ca. 45 - 80 K gekühlt. Mit der zweiten Stufe des Kaltkopfes werden die Pumpflächen auf 10 – 20 K gehalten. Im Rahmen der Diplom-/Studienarbeit ist ein Konzept für eine bestmögliche Tieftemperatur-Wärmeleitverbindung bei gleichzeitig minimalem Kostenaufwand zu erstellen. Hierbei ist ebenso der Gewichtsfaktor in Verbindung mit der mechanische Belastbarkeit und der benötigten Wärmekapazität zu berücksichtigen. Die Bearbeitung soll in Kooperation mit Leybold Dresden, Standort Wetterwarte, erfolgen.

Ansprechpartner: Prof. Ch. Haberstroh

Der Ausblick auf kostengünstige und zuverlässige Kühlung mit einem Minimum an magnetischen und mechanischen Störungen hat die technische Entwicklung des Pulsrohrkühlers stark vorangetrieben. In diesem übernimmt eine kompressible Gassäule die Rolle des mechanischen Expanders. Aus dem Fehlen von kaltseitigen, bewegten Bauteilen, welche verschleißen können, folgt eine deutliche Reduktion von Vibrationen und Störfeldern. Weiterhin erhöht sich die Lebensdauer des Kryokühlers, in Kombination mit einem Flexure-Bearing-Kompressor, auf über 50.000 h.

​ Für die Bereitstellung einer angemessenen Kälteleistung für in der Größe beschränkte Anwendungen, die eine schnelle Abkühlzeit erfordern, wurde ein Miniatur-Pulsrohrkühler mit einer Betriebsfrequenz von 100 Hz entwickelt. Zur messtechnischen Verifizierung erfolgten die Konstruktion eines Prototyps aus den theoretischen Simulationsdaten und eine externe Fertigung der Komponenten.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit ist der genannte Aufbau unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Mit Hilfe einer messtechnischen Charakterisierung des am Standort vorhandenen Prototyps und weiteren Simulationen sind Optimierungspotentiale zu erarbeiten und umzusetzen. Weiterhin sollen spezifische Untersuchungen für den Weltraumeinsatz durchgeführt werden. Hierzu zählen u.a. Vibrationsverhalten und Schockfestigkeit bei 15facher Erdbeschleunigung.

Die vorgesehene Bearbeitung umfasst die folgenden Arbeitspakete:

• Einarbeitung in die theoretischen Grundlagen (Stand der Technik)
• Planung, Durchführung und Auswertung der Versuche
• Verifizierung und Anpassung des Simulationsmodells
• Ausarbeitung von Optimierungspotential
• Durchführung von konstruktiven Änderungen

Die Diplomarbeit wird in Kooperation mit der Firma AIM am Standort Heilbronn durchgeführt.

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh