During the past three decades, the success of the Toyota Production System has spurred research in the area of manufacturing systems engineering. Two research fields, productivity and quality, have been extensively studied and reported separately both in the manufacturing systems research literature and the practitioner, but there is a lack of research in the intersection of these areas. In addition to that, most studies on the relationship among manufacturing system design, quality and productivity are based on anecdotal evidence or qualitative reasoning that lack sound scientific quantitative foundations. This study tries to establish a scientific foundation to investigate how production system design and operation influence productivity and product quality by developing conceptual and computational models and performing experiments. By doing so, this study will show an important part of the way to produce high quality products with minimum cost. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

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Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.

Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Stand der Wissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Gegenstand und Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Helium als Kälteträger 6 2.1 Grundlegende Stoffeigenschaften von Helium . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung von Helium . . . . . . . . . . . 7 2.3 Bereitstellung von Flüssighelium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Aufbau einer flexiblen Transferleitung für Flüssighelium . . . . . . . . . . . 12 3 Berechnungsgrundlagen 14 3.1 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.1 Gesamtdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.2 Reibungsdruckverlust im Glattrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Reibungsdruckverlust im Rohr mit parallelen Wellen . . . . . . . . 15 3.1.4 Zweiphasenmultiplikator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.5 Druckverlust durch Höhenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.6 Beschleunigungsdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.7 Druckverlust durch Einzelwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Gesamtwärmeeintrag der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Lokaler Wärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.1 Strahlungswärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.2 Wärmetransport durch die MLI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.3 Wärmetransport durch die Rohrwand . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.4 Wärmetransport entlang der Konstruktionselemente . . . . . . . . 25 3.3.5 Konvektiver Wärmeübergang bei einphasiger Strömung . . . . . . . 25 3.3.6 Wärmeübergang beim Sieden einer erzwungenen Strömung . . . . 26 3.4 Thermoakustische Oszillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4.1 Definition und Entstehung einer thermoakustischen Oszillation . . . 28 3.4.2 Abschätzung von Amplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . . . 31 4 Messaufbau und Versuchsdurchführung 34 4.1 Charakterisierung der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.3 Untersuchte Transferleitungskonfigurationen . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Druckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.3 Untersuchte Wellrohrgeometrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Messmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.2 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.3 Volumenstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.4 Wägeeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.5 Supraleitende Füllstandssonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.6 Datenaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Thermohydraulisches Berechnungsmodell 44 5.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3.3 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6 Ergebnisse der messtechnischen Untersuchung 59 6.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.3 Austrittsdampfgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.4 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.5 Einkühl- und Aufwärmverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.6 Schwingungsneigung der Transferleitung im Stillstand . . . . . . . . . .72 6.6.1 Auftreten thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . . 72 6.6.2 Ermittlung des Temperaturprofils . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.6.3 Berechnung von Druckamplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . 76 6.6.4 Resultierender Wärmeeintrag in den Heliumspeicher . . . . . . . . 79 6.6.5 Dämpfung thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . 79 6.7 Reibungsdruckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . 81 7 Design- und Anwendungsempfehlungen 87 8 Zusammenfassung 91 Literatur 94 Anhang 100 A Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 1 . . 100 B Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 2 . . 101 C Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 3 . . 103 D Messwerte des Kannendrucks für alle untersuchten Transferleitungen . . . 105 E Reibungsbeiwerte der Wellrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 F Berechnung des Wärmeeintrags durch thermoakustische Oszillationen . . . 107

Im Rahmen eines grossangelegten Modernisierungsprogramms des CERN Beschleunigerkomplexes zur Steigerung der Intensität der Protonenstrahlen wird in einer ersten Phase der Protonenbeschleuniger Linac2 durch einen H− Ionen Beschleuniger Linac4 ersetzt. Um den Ionenstrahl an die einzelnen Beschleunigerelemente des Linac4 anzupassen sind drei Strahltransportsektionen notwendig. Diese sind aufgrund ihrer strahldynamischen Eigenschaften sensitive Stellen für ungewolltes Emittanzwachstum und Teilchenverluste und sind im Schwerpunkt dieser Thesis. Die erste Strahltransportsektion, „Low Energy Beam Transport”(LEBT), befindet sich zwischen der Teilchenquelle und dem ersten Beschleunigerelement, den Radiofrequency Quadrupole (RFQ). Im Rahmen dieser Thesis wurde das LEBT in Betrieb genommen, dessen Strahldynamik rekonstruiert und die Leistungslimitierungen experimentell bestimmt. Der zweite Teil der Thesis ist auf die Auslegung und Strahldynamik der Transfer Linie zwischen Linac4 und dem Proton Synchrotron Booster(PS-Booster) konzentriert. Die Strahldynamik der Transferlinie wurde optimiert und teilweise komplett überarbeitet. Die neue Transferlinie zeichnet sich durch eine verbesserte Emittanzerhaltung, höhere Stabilität der Strahldynamik gegenüber Aufstellungsfehlern und Feldjittern der Magnete und durch eine optimale Anpassung der Strahlparameter an die verschiedenen Injektionsschemata des PS-Boosters aus. Für eine abschließenden „Start-To-End” Simulationen wurden die Strahlcharakteristiken, die bei der Inbetriebnahme des LEBTs bestimmt worden sind, als Anfangsbedingungen für die strahldynamische Simulation von Linac4 einschließlich Transferlinie genutzt. Mit Hilfe dieser „Start-To-End” Simulationen werden kritische Positionen der Strahldynamik identifiziert, die durch Teilchenverluste oder Emittanzwachstum gekennzeichnet sind. Eine besonders kritische Sektion stellt das „Medium Energy Beam Transport” da, dessen Optik auf die neuen Strahlparameter angepasst werden musste. / In the first phase of the upgrade program of the CERN accelerator complex the proton injector Linac2 will be replaced by a new, normal-conducting H− ion Linac, Linac4, allowing a significant increase of the proton flux intensity along the downstream accelerator complex. In the design of Linac4 three beam transport sections are implemented to match the beam between the different accelerator elements and to model the longitudinal pulse structure. These three beam transport sections, which are the most critical locations in terms of beam quality preservation, are in the focus of this thesis. During the work of this thesis the Low Energy Beam Transport (LEBT), which is required to match the source beam to the radiofrequency quadrupole (RFQ), has been commissioned and its beam dynamics re-constructed. The measurement campaign used to reconstruct the LEBT beam dynamics was performed with the aim to prepare the RFQ commissioning and to maximise the LEBT performance. Downstream of the Linac4 accelerator the beam is transported along a 180m long transfer line to the Proton Synchrotron Booster (PS-Booster). The transfer line optics was studied, optimised and sections were completely re-designed. The new transfer line optics is characterised by an improved preservation of the beam emittance, higher stability of the optical solution with respect to alignment errors and field jitters of the transfer line magnets and it is matched to each of the PS-Booster injection schemes. In a concluding ”Start-To-End” simulation based on the measured beam characteristics at the LEBT exit the beam dynamics of the downstream Linac, including the transfer line, was calculated. To minimise particle losses within acceptable emittance preservation the beam optics of the Medium Energy Beam Transport (MEBT) was adapted to the measured beam parameters. This ”Start-To-End” simulation was performed to identify critical sections of the Linac4 beam dynamics and to adjust the commissioning strategies.

Une vue d'ensemble des problèmes et des méthodes pour la conception des lignesd'assemblage et d'usinage est donnée. Un nouveau problème d'affectation de la main-d’œuvrepour une ligne d'assemblage multi-produit cadencée avec un objectif de minimiser lenombre d'opérateurs est étudié. Diverses relations de priorité entre les opérations et lesdifférentes fonctions définissant les temps d'opérations, en fonction du nombre d'opérateurssont considérés. Un nouveau problème d'optimisation multiobjectif pour une ligne d'usinagemono-produit est formulé. Plusieurs méthodes exactes et heuristiques et leursimplémentations informatiques pour les deux problèmes sont développées par l'auteur. Unmodule logiciel d'aide à la décision pour résoudre ces problèmes est développé et implémentédans un environnement d'un nouveau PLM d'IBM dans le cadre du projet européen amePLM.Ce module est testé sur un exemple réel de conception d'une ligne de montage des moteurschez Mercedes Benz en Allemagne. / An overview of existing problems and methods for the design of assembly and transfer lines is given. A new workforce assignment problem for a paced multi-product assembly line with a goal of minimizing the number of workers is studied. Various precedence relations between operations and functions of operation processing times dependent on the number of workers areconsidered. A new problem of multi-objective optimization for a single product transfer line is solved. Several exact and heuristic methods and their computer implementations for both problems are developed by the author. An application of developed approaches to solving a real production problem relevant to the European project amePLM is demonstrated.