Techniklexikon

kryogene Gase

zur Erzeugung tiefer Temperaturen benutzte Gase, die unter Normaldruck bei einer kritischen Temperatur unterhalb der Raumtemperatur verflüssigen. Kryogene Gase können sicher gehandhabt werden, wenn man alle Sicherheitsaspekte der Kältetechnik in Betracht zieht.

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass mit flüssigen Kältemitteln nicht alle Temperaturbereiche eingestellt werden können. Zwischen der kritischen Temperatur des Heliums (5,2 K) und dem Tripelpunkt des Wasserstoffs (13,96 K) sowie zwischen dem Siedepunkt des Wasserstoffs (20,4 K) und dem Tripelpunkt des Stickstoffs (63,2 K) bestehen Temperaturlücken. In diesen Bereichen muss man auf Kaltgas-Kühlung zurückgreifen. Im Falle von Helium und Wasserstoff übersteigt die Enthalpie des Kaltgases bei höheren Arbeitstemperaturen die Verdampfungsenthalpie um ein Vielfaches. Darum muss bei dem Entwurf von Kühlsystemen (Kryotechnik) auch die Enthalpie des Kaltgases weitestgehend genutzt werden.

Flüssiger Wasserstoff wird heute meistens durch Helium als Kältemittel ersetzt. Seine hohe Explosionsfähigkeit ist allgemein bekannt, sie ist jedoch keineswegs höher als etwa die von Benzin oder Äther.

Flüssiges Helium weist einige besondere Eigenschaften auf. So hat es einen sehr nahe am Siedepunkt liegenden kritischen Punkt und darüber hinaus keinen Tripelpunkt. Bei Abkühlung unter 2,17 K wird Helium zudem suprafluid. Mit diesem Übergang sind sprunghafte Änderungen z.B. der Wärmeleitfähigkeit und der Viskosität verbunden, die in der Kryotechnik zum Auftreten von Lecks führen können.

Luft spielt als Kältemittel keine Rolle. Ihre Hauptbestandteile N₂, O₂, Ar, CO₂, H₂O gehen bei unterschiedlichen Temperaturen in die feste Phase über (273-54 K). Damit können sie in Kühlsystemen zu Verunreinigungen werden und die Leitungen oder Ventile verstopfen.

Die Verflüssigung kryogener Gase wird mit verschiedenen Verfahren wie dem Linde-Verfahren, dem Heylandt-Verfahren oder dem Kapiza-Verfahren durchgeführt.

kryogene Gase: Beispiele (T_k: kritische Temperatur, P_k: kritischer Punkt, T_S: Siedepunkt, T_G: Gefrierpunkt, T_TP: Temperatur am Tripelpunkt, P_TP: Tripelpunkt, T_inv: Inversionstemperatur).

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4He	5,2	2,3	4,2	2 (25atm)	2,17+	0,05+	40
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3H	43,7	20,8	25,0	-	20,6	0,21	-
Ne	-	-	27,1	-	-	-	250
N2	126	33,5	77,3	63,1	63,1	0,127	622
Luft	133	37,2	78,8	-	-	-	603
O2	155	50,1	90,2	54,4	54,4	0,0015	761
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* = Sublimationspunkt ⁺= l-Punkt