Motivation:

Technisch wird verflüssigtes Helium als Kühlmittel zum Erreichen tiefer Temperaturen eingesetzt. ⁴He kondensiert bei 4,2 K. Durch Verdampfungskühlen lassen sich aber Temperaturen bis etwa 1 K erreichen. Da der Ankauf von Helium sehr preisintensiv ist, betreibt das II. Physikalische Institut der RWTH Aachen als zentrale Einrichtung der Fachgruppe Physik eine Heliumverflüssigungsanlage, mit der das verwendete gasförmige Helium wieder verflüssigt werden kann.

Heliumrückleitungssystem:

Ein weit verzweigtes Rohrleitungsnetz im Physikzentrum verbindet die Heliumverbraucher mit der Heliumrückgewinnungsanlage. Das verdampfte Helium wird an den Experimenten aufgefangen und durch das Rohrleitungssystem zu einem 20m³ fassenden Gasballon zurückgeleitet. Hier wird das gasförmige Helium mittels Hochdruckkompressoren aus der Gasblase entnommen und auf 200 bar verdichtet, bevor es in 8-10 Gasbündel zwischengespeichert wird. Die Gasblase bleibt immer zu einem Drittel mit Gas gefüllt, damit in den Rückgasleitungen ein konstanter Überdruck von etwa 40-50 mbar vorliegt und somit keine Luft oder Fremdgase in das System eindringen können. Aus den Gasbündeln bezieht der Heliumverflüssiger sein benötigtes Gasvolumen für den Verflüssigungsprozess.

Verflüssigung:

Der Heliumverflüssiger der Firma Linde hat eine Verflüssigungsleistung von bis zu 22 Litern Helium pro Stunde. Vor der Verflüssigung wird das Gas von Verunreinigungen befreit und mittels adiabatischer Expansion in zwei Stufen auf unter 4,2 K abgekühlt. Das flüssige Helium wird dann in einem 2000 Liter Tank gespeichert. Aus diesem Tank wird das Helium in 100 Liter Transportkannen abgefüllt und an die jeweiligen Verbraucher innerhalb der RWTH Aachen geliefert. Neben den physikalischen Instituten werden seit 2006 verschiedene Institute der Chemie sowie der Halbleitertechnik mit flüssigem Helium versorgt.

Verluste:

Bei der Nutzung des Heliumverflüssigers kommt es aus unterschiedlichsten Gründen zu Verlusten (Vorkühlen von Cryostaten, Gasreinigung, Diffusion bei der Lagerung in Gasbündeln, Leckagen etc.). Dieser Anteil wird dann als gasförmiges Helium am freien Markt nachgekauft.