CO2-Kühlung mit LEWA-Pumpen

Die Großforschungseinrichtung CERN betreibt den weltweit größten Large Hadron Collider (LHC). Um präzise Messungen zu erzielen, werden Silizium-Detektoren in unmittelbarer Nähe des Interaktionspunkts aller Experimente montiert. Kohlenstoffdioxid-Kühlanlagen kühlen die innersten Schichten der Detektoren auf Temperaturen von bis zu -40 °C. Dazu werden seit 2007 LEWA-Membrandosierpumpen eingesetzt. Diese gewährleisten den gleichmäßigen Volumenstrom und garantieren einen störungsfreien Betrieb. Zwei weitere Systeme regeln seit Anfang 2015 das Temperaturmanagement des IBL-Subdetektors des TALS-Experiments. Für das Upgrade des CMS-Pixel-Detektors wurde ein neues CO2-Kühlsystem mit einer LEWA-Remote-Head-Dosierpumpe gebaut und in Betrieb genommen. Anders als Standardpumpen können diese das stark komprimierte CO2 ohne Wärmeeintrag fördern.

Lösungen

CERN setzt auf Membrandosierpumpen von LEWA, da im Detektorkühlkreislauf kein Öl vorhanden sein darf. Öl härtet unter dem Einfluss von Strahlung möglicherweise aus und verstopft dann die Kühlleitungen. Zumindest für CO2 ist ein Kompressionszyklus nicht möglich, da kein ölfreier Kompressor für CO2 auf dem Markt verfügbar ist.

LEWA-Pumpen liefern einen absolut gleichmäßigen Volumenstrom, der für eine ständige und konstante, zweiphasige Kühlung notwendig ist. Dabei wird der Übergang des CO2 vom flüssigen in den gasförmigen Zustand genutzt, um Wärme abzuführen. Ein wichtiger Vorteil der CO2-Kühlung: Durch die starke Kompression bleibt das Volumen des verdampften CO2 sehr gering, und es können Rohre mit einem sehr geringen Durchmesser von nur zwei Millimetern verwendet werden.

Ein weiteres CO2-Kühlsystem verfügt über eine Gesamt-Verlustleistung von 15 kW. Für diese Anlage sind LEWA-Membrandosierpumpen im Remote-Head-Design mit Kühlmantel im Einsatz. Die Übertragung der Verdrängerbewegung erfolgt durch die in der Verbindungsleitung enthaltene Flüssigkeitssäule. So hält die Remote-Head-Konstruktion kritische Bedingungen vom Verdrängersystem fern. Zudem wird eine Erhitzung des CO2 oder eine Abkühlung des Öls verhindert, was zur Bildung von Gasblasen führen und eine Einstellung der Pumpenaktivität bedeuten würde. Ändern sich die Anforderungen, kann die Durchflussrate über die Remote-Hubverstellung mittels zweier Rückschlagventile reguliert werden.

CO2 Kühlung mit LEWA Pumpen
CO2 Kühlung mit LEWA Pumpen

Hintergrund

Die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN), die 1954 gegründet wurde, widmet sich der physikalischen Grundlagenforschung. Mit rund 2.500 Mitarbeitern aus 22 Mitgliedsstaaten ist das CERN das weltgrößte Forschungszentrum für Teilchenphysik. Derzeit arbeiten über 12.000 Gastwissenschaftler aus mehr als 100 Nationen an den Experimenten in der Großforschungseinrichtung im Schweizer Kanton Genf sowie im französischen Département Ain.

Im Laufe der Jahre baute das CERN mehrere Teilchenbeschleuniger, mit denen verschiedene Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Die Organisation hat ihren ersten Teilchenbeschleuniger, das Synchro-Zyklotron (SC), im Jahr 1957 in Betrieb genommen.

Der derzeit bedeutendste ist der Large Hadron Collider, der 2008 in Betrieb genommen wurde. Anhand der Flugbahnen, der Zerfallsergebnisse und der Wechselwirkungen zwischen den Teilchen kann auf den Aufbau der Materie und die Anfänge des Universums geschlossen werden. Aufgrund des enormen technischen Aufwands für die Herstellung und den Betrieb der Anlagen wird CERN international betrieben und finanziert.

Photos © CERN (2)

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