Pumpen-Technologie -
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Ölfreie CO2-Kühlung im Large Hadron Collider

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 temperieren 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.

Aufgabe

Das Kühlsystem, das die LEWA Pumpen enthält, kommt im Large Hadron Collider beauty (LHCb)-Experiment zum Einsatz. Dieses Experiment geht der Frage nach, warum das Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Dazu wird unter anderem das B-Meson untersucht, das die Wissenschaftler erhalten, indem sie Protonen auf Beinahe-Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und zur Kollision bringen. Um eine höchstmögliche Präzision zu erreichen, muss sich die LHCb-Detektor-Anlage in einem Vakuum befinden. Um schwere Strahlungsschäden auf den Siliziumsensoren zu vermeiden, kühlen außerdem zwei Kohlenstoffdioxid-Kreisläufe die beiden Hälften des Detektors auf rund -25 °C. Bei Temperaturen deutlich unterhalb von 0 °C werden die schädlichen Strahlungsauswirkungen im Betrieb stark abgemildert. Da Öl unter Einfluss von Strahlung möglicherweise aushärtet, darf im Detektorkreislauf kein Öl vorhanden sein.

Lösung

CERN setzt auf Membrandosierpumpen von LEWA, weil die LEWA-Lösung zur CO2-Kühlung ohne Öl auskommt. Für CO2 ist ein Kompressionszyklus nicht möglich, da kein Öl-freier 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. Durch die starke Kompression bleibt das Volumen des verdampften CO2 sehr gering, es können Rohre mit einem sehr geringen Durchmesser von nur zwei Millimetern verwendet werden. In einem weiteren, 2016 in Betrieb genommenen CO2-Kühlsystem sind LEWA-Membrandosierpumpen im Remote-Head-Design mit Kühlmantel im Einsatz. 

Technik

Hersteller: LEWA GmbH

Pumpe LEWA ecoflow diaphragm metering pump
Medium CO2
Temperatur -50 - +20 °C
Druck ca. 70 bar

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