Zuverlässig und ohne Lebensdauerbegrenzung
Anwendungen in der Kryotechnik benötigen Kompressoren zur Zirkulation von Gasen aber auch zum Erzeugen der kryogenen Temperaturen mit dem umgekehrten Brayton-Kreisprozess. Bei diesem Prozess wird auch eine Expansionsturbine benötigt. Die Turbo Kompressor-Technologie von Celeroton bringt mit der dazugehörigen Gaslagerung Vorteile für solche Anwendungen in der Kryotechnik. Die Verschmutzung des kryogenen Gases wird verhindert, da die Gaslagertechnologie das kryogene Gas als Schmiermittel verwendet und somit keine Kontamination durch herkömmliche Schmierstoffe wie bei Kugellagern auftritt. Weiter ist das Gas auch nur mit einer minimalen Oberfläche und Anzahl Materialien in Kontakt. Die Kompressor- und Turboexpander können in Helium-leckdichter Ausführung für den Betrieb in unter 20K betrieben werden. Die Systeme können bei Raumtemperatur gestartet und anschliessendes heruntergekühlt werden. Die hohe Effizienz der Turbo Kompressoren und Turboexpander resultiert in einem minimalen Wärmeeintrag in die kryogene Anwendung. Zur Rezirkulation von Gasen kann der Kompressor bei 20 K in der vakuumisolierten Cold Box installiert werden.
In der Raumfahrt gelten nochmals deutlich strengere Anforderungen als in der Industrie. Besonders kompakte und leichte Bauweisen sind entscheidend, da jedes eingesparte Gramm Gewicht und jeder Kubikzentimeter Volumen zu erheblichen Kostenvorteilen führen. Gleichzeitig ist eine aussergewöhnlich hohe Zuverlässigkeit gefordert, um die Funktionskette komplexer Systeme nicht zu unterbrechen. Dies spiegelt sich in der geforderten langen Lebensdauer aller eingesetzten Bauteile wieder.
Ein Beispiel für die Anwendung von Kryotechnik in der Raumfahrtindustrie ist die Kühlung der Treibstofftanks in Trägerraketen. Diese werden mit unterschiedlichen Flüssigtreibstoffen betrieben, welche bei extrem tiefe Temperaturen gekühlt werden, um nicht zu verdampfen (zero-boil-off). Für die zukünftigen Langzeitmissionen zum Mond oder zum Mars wird zero-boil-off zunehmend wichtiger. In Raketen werden typischerweise Kühlprozesse basierend auf dem Reverse Brayton Cycle eingesetzt um kryogene Temperaturen zu erreichen. Dabei wird ein Gas wie Helium verdichtet, anschliessend in einem Wärmeübertrager vorgekühlt und danach mit einem Expander entspannt, wobei es stark abkühlt. So lassen sich effizient kryogene Temperaturen erzeugen. Der Kryokühlprozess mit solchen Systemen ist eine hochkomplexe Anwendung, die extreme Anforderungen an Technik und Betriebssicherheit stellt.
Die Strömungsmaschinen von Celeroton erfüllen diese Anforderungen optimal: sowohl der Kompressor als auch der Expander arbeiten wartungsfrei, was die Betriebssicherheit deutlich erhöht. Dank der innovativen Gaslagertechnologie werden keine Schmierstoffe benötigt, da das Prozessgas selbst als Schmierstoff dient. Dadurch wird eine Kontamination prinzipbedingt verhindert. Die Expander wurden bei 20 K erfolgreich betrieben. In Kombination mit den passenden Umrichtern von Celeroton wird eine maximale Effizienz und Flexibilität in der Steuerung der komplexen Kryoprozesse erreicht.
Der Reverse Brayton Cycle kann für weitere Anwendungen mit einem zusätzlichen Turbo Kompressor von Celeroton kombiniert werden, um einen separaten kryogenen Kreislauf anzutreiben. Dies erlaubt eine Entkopplung vom Hauptkühlstrom und den Betrieb von kryogenen Prozessen mit hohem Druckverlust. Da die Kompressoren extrem geringe Mikrovibrationen emittieren, kann zudem auf komplizierte mechanische Entkopplung in empfindlichen Prozessen verzichtet werden, wie zum Beispiel das Kühlen von Infrarotspiegeln.
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