DE10130171B4

DE10130171B4 - Method and apparatus for cryogenic cooling

Info

Publication number: DE10130171B4
Application number: DE2001130171
Authority: DE
Inventors: Andrea Raccanelli; Lothar A. Dr. Reichertz; Ernst Kreysa
Original assignee: Kreysa Ernst Dr
Current assignee: Kreysa Ernst Dr 53913 Swisttal De; Raccanelli Andrea Dr 53111 Bonn De; REICHERTZ, LOTHAR A., DR., 54570 MOERLENBACH, DE
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-06-23
Also published as: DE10130171A1; WO2003001128A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Helium-Verdampfungskühlers (10), bei dem aus einer Kühlkammer (11) supraflüssiges ⁴He abgepumpt und zu der Kühlkammer (11) normalflüssiges ⁴He zugeführt wird, das in supraflüssiges ⁴He umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwandlung von normalflüssigem in supraflüssiges Helium mindestens ein Wärmeaustauscher (17) verwendet wird, in dem das normalflüssige Helium in mittelbarem thermischen Kontakt mit dem supraflüssigen Helium steht und vom supraflüssigen Helium der Kühlkammer stofflich getrennt ist.Method for operating a helium evaporation cooler (10), in which from a cooling chamber (11) superfluid ⁴ He pumped and to the cooling chamber (11) normally liquid ⁴ He is converted in superfluid ⁴ He is supplied, characterized in that for the conversion of from normal liquid to superfluid helium, at least one heat exchanger (17) is used in which the normally liquid helium is in indirect thermal contact with the superfluid helium and is materially separated from the superfluid helium of the cooling chamber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturkühlung, insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Helium-Verdampfungskühlers (⁴He-Verdampfungskühler) mit kontinuierlicher Heliumzufuhr (sog. 1 K-Pot). Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Tieftemperaturkühlung, bei der normalflüssiges ⁴He zunächst in supraflüssiges ⁴He umgewandelt wird, bevor es mit dem supraflüssigen ⁴He der Kühlkammer vermischt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung eines Verfahrens oder eines Verdampfungskühlers für Gravitationsantennen, Bolometer zur Detektion von Fern-Infrarotstrahlung oder hochauflösende Teilchendetektoren.The invention relates to a method for cryogenic cooling, in particular a method for operating a helium evaporative cooler ( ⁴ He evaporative cooler) with continuous helium supply (so-called 1 K pot). Furthermore, the invention relates to an apparatus for the cryogenic cooling, is initially converted into superfluid ⁴ He in the normal liquid ⁴ He, before it is mixed with the superfluid ⁴ He, the cooling chamber. The invention also relates to a use of a method or an evaporative cooler for gravitational antennas, bolometers for the detection of far-infrared radiation or high-resolution particle detectors.

In verschiedenen Gebieten der tieftemperaturphysikalischen Grundlagenforschung und der Messtechnik besteht ein Interesse an Kühleinrichtungen, mit denen Temperaturen unterhalb von 4 K bis in den mK-Bereich erzielbar sind. Eine Anwendung einer Kühleinrichtung z. B. in einem Strahlungsdetektor 100' ist schematisch in 6 illustriert. Der Strahlungsdetektor 100' umfasst die Kühleinrichtung 110 und den Strahlungsempfänger 120'. Zur Erzeugung von mK-Temperaturen umfasst die Kühleinrichtung 110' einen Stickstoff-Behälter 111' zur Aufnahme von flüssigem Stickstoff, einen Helium-Behälter 112' zur Aufnahme von flüssigem Helium, einen ⁴He-Verdampfungskühler 113' und eine ³He-⁴He-Ent-mischungskühler-Einheit 130'. Die Kühleinrichtung 110' wird auch als ³He-⁴He-Entmischungskühler oder „Dilution Refrigerator" bezeichnet. Der Strahlungsempfänger 120' enthält insbesondere als Detektor ein Feld von Bolometern 121' sowie Horn-Antennen 122' und Filtereinrichtungen 123'. Die Bolometer sind für radioastronomische Anwendungen zur Detektion von Wellen bspw. im mm- oder Submillimeter-Bereich eingerichtet. Für diese Messung werden die Bolometer mit dem ³He-⁴He-Entmischungskühler 110' gekühlt. Der ⁴He- Verdampfungskühler dient in diesem Beispiel als essentielle Vorkühlstufe für die ³He-⁴He-Entmischungskühler-Einheit.In various fields of fundamental low temperature physical science and metrology, there is an interest in cooling devices that can achieve temperatures below 4K down to the mK range. An application of a cooling device z. B. in a radiation detector 100 ' is schematic in 6 illustrated. The radiation detector 100 ' includes the cooling device 110 and the radiation receiver 120 ' , To generate mK temperatures, the cooling device comprises 110 ' a nitrogen container 111 ' for receiving liquid nitrogen, a helium container 112 ' for receiving liquid helium, a ⁴ He evaporative cooler 113 ' and a ³ He ⁴ He demixing cooler unit 130 ' , The cooling device 110 ' It is also referred to as a ³ He ⁴ He demixing cooler or "dilution refrigerator." The radiation receiver 120 ' contains in particular as a detector a field of bolometers 121 ' as well as horn antennas 122 ' and filter devices 123 ' , The bolometers are set up for radio astronomical applications for the detection of waves, for example in the mm or submillimeter range. For this measurement, the bolometers are equipped with the ³ He ⁴ He demixing cooler 110 ' cooled. The ⁴ He evaporative cooler in this example serves as an essential pre-cooling stage for the ³ He ⁴ He demixing cooler unit.

Der Stand der Technik eines ³He-⁴He-Entmischungskühlers (Dilution-Refrigerator) ist in Druckschrift US 62 02 439 B1 beschrieben. In dieser Beschreibung, wie auch in den früheren Patentschriften ( US 31 95 322 , US 39 22 881 , US 41 36 531 , US 42 97 856 , US 44 99 737 , US 46 72 823 ), ist jeweils ein herkömmlicher ⁴He-Verdampfungskühler als Vorkühlstufe enthalten, wie er im folgenden näher erläutert wird.The prior art of a ³ He- ⁴ He demixing refrigerator (dilution refrigerator) is in the literature US 62 02 439 B1 described. In this description, as well as in the earlier patents ( US 31 95 322 . US 39 22 881 . US 41 36 531 . US 42 97 856 . US 44 99 737 . US 46 72 823 ), a conventional ⁴ He evaporative cooler is included as a pre-cooling stage, as will be explained in more detail below.

Der Aufbau eines herkömmlichen ⁴He-Verdampfungskühlers ist schematisch in 7 illustriert. Der Verdampfungskühler 113' umfasst eine Verdampfungskammer 114', die mit einer ⁴He-Zufuhreinrichtung 115' und einer ⁴He-Abpumpleitung 116' ausgestattet ist.The structure of a conventional ⁴ He evaporative cooler is schematically shown in FIG 7 illustrated. The evaporative cooler 113 ' includes an evaporation chamber 114 ' that with a ⁴ He feeder 115 ' and a ⁴ He pumping line 116 ' Is provided.

Mit der Zufuhreinrichtung 115' wird von einem Heliumbad 117' über eine Impedanzeinrichtung 118' und eine Zufuhrleitung 119' (normal-) flüssiges Helium in das Innere der Verdampfungskammer 114' geleitet. In der Verdampfungskammer 114' befindet sich supraflüssiges ⁴He, das laufend über die Abfuhreinrichtung 116' abgepumpt wird. Beim kontinuierlichen Betrieb des Verdampfungskühlers unterhalb einer Temperatur von 2.2 K erfolgt laufend eine Phasenumwandlung des zugeführten flüssigen ⁴He in supraflüssiges ⁴He. Der Kühleffekt ergibt sich aus der Verdampfung des Heliums in der Verdampfungskammer. Verdampfungskühler gemäß 7 werden nicht nur bei Strahlungsdetektoren gemäß 6, sondern auch bei vielen anderen Tieftemperaturanwendungen verwendet, wobei anwendungsabhängig die verschiedensten Größen und Bauformen realisiert werden. Die herkömmlichen ⁴He-Verdampfungskühler besitzen jedoch einen gravierenden Nachteil, der im Folgenden unter Bezug auf 8 erläutert wird.With the feeder 115 ' is from a helium bath 117 ' via an impedance device 118 ' and a supply line 119 ' (normal) liquid helium in the interior of the evaporation chamber 114 ' directed. In the evaporation chamber 114 ' is superfluous ⁴ He, the ongoing on the discharge device 116 ' is pumped out. During continuous operation of the evaporative cooler below a temperature of 2.2 K, there is a continuous phase transformation of the supplied liquid ⁴ He into superfluid ⁴ He. The cooling effect results from the evaporation of helium in the evaporation chamber. Evaporative cooler according to 7 not only in radiation detectors according to 6 but also used in many other low-temperature applications, which are realized depending on the application of a variety of sizes and designs. However, the conventional ⁴ He evaporative coolers have a serious drawback described below with reference to FIG 8th is explained.

Bei herkömmlich betriebenen Verdampfungskühlern (oder 1 K-Pot's) treten bei der ⁴He-Zufuhr unerwünschte Schwingungen auf, die insbesondere bei messtechnischen Anwendungen wegen der Einführung eines Rauschens in das Detektorsignal problematisch sind. 8 zeigt ein Schwingungsspektrum eines im Strahlungsdetektor gemäß 6 betriebenen herkömmlichen Verdampfungskühlers (gestrichelte Kurve). Es zeigen sich Schwingungsmaxima im Bereich von 700 bis 900 Hz mit einem ausgeprägtem Peak bei 880 Hz. Es handelt sich hierbei um Eigenresonanzen der hier verwendeten Kammern, die angeregt werden. Die Ursache der Erregung dieser Schwingungen im Frequenzbereich des Schalls war bisher unbekannt. Es wurden zwar Versuche zur Reduzierung der Schwingungen durchgeführt (siehe G. Lawes et al. in „Review of Scientific Instruments", Band 69, 1998, Seite 4176). Es wurde versucht, Betriebsparameter des Verdampfungskühlers zur Schwingungsreduzierung insbesondere durch Einstellung des Flüssigkeitspegels in der Verdampfungskammer, der Flüssigkeitstemperatur und des Strömungszuflusses zu optimieren. Diese Versuche lieferten jedoch nur eine teilweise Schwingungsreduzierung. Außerdem sind die von G. Lawes et al. beschriebenen Erfahrungen für praktische Anwendungen nicht geeignet, da bspw. die Einführung eines Pegelmessgerätes oder eines Durchflussreglers in einen Verdampfungskühler technisch sehr aufwendig ist. Außerdem würden diese Maßnahmen zusätzliche Wärmesenken einführen, die die Funktion der Kühleinrichtung beschränken.In conventionally operated evaporative coolers (or 1 K-Pot's) occur in the ⁴ He supply undesirable vibrations that are problematic especially in metrological applications because of the introduction of noise in the detector signal. 8th shows a vibration spectrum of a radiant detector according to 6 operated conventional evaporative cooler (dashed curve). It shows oscillation maxima in the range of 700 to 900 Hz with a pronounced peak at 880 Hz. These are natural resonances of the chambers used here, which are excited. The cause of the excitement of these vibrations in the frequency range of sound was previously unknown. Although attempts have been made to reduce the vibrations (see G. Lawes et al., "Review of Scientific Instruments", Volume 69, 1998, page 4176), it has been attempted to reduce the operating parameters of the evaporative cooler for vibration reduction, in particular by adjusting the liquid level in the However, these experiments provided only partial vibration reduction, and the experiences described by G. Lawes et al are not suitable for practical applications, such as the introduction of a level gauge or a flow regulator into an evaporative cooler In addition, these measures would introduce additional heat sinks that limit the function of the cooling device.

Ein anderer Ansatz zur Lösung des Schwingungsproblems besteht in der mechanischen Entkopplung des schwingenden Verdampfungskühlers vom Detektor (siehe S. Pirro et al. in „Nuclear Instruments and Methods in Physics Research", Band A44, 2000, Seite 331). Dies führt aber auch zu einem unannehmbar hohen technischen Aufwand oder zu Beschränkungen beim Betrieb der gekühlten Messeinrichtung. Zur mechanischen Entkopplung kann bspw. ein diskontinuierlicher Betrieb vorgesehen sein, bei dem während der Heliumzufuhr keine Messungen erfolgen. Bei der Gravitationsantenne „Auriga" (INFN – Lignaro National Laboratories, Italien) dauert die Heliumzufuhr bspw. drei Stunden pro Tag. Derart lange Messunterbrechungen sind insbesondere mit Blick auf die Komplexität und Kosten der jeweiligen Messeinrichtung unerwünscht.Another approach to solving the vibration problem is mechanical decoupling of the oscillating evaporative cooler from the detector (see S. Pirro et al., "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research", Vol. A44, 2000, page 331), but this also results in unacceptably high engineering effort or limitations in the operation of the cooled measuring device For example, in the case of the helical supply "Auriga" (INFN - Lignaro National Laboratories, Italy), the helium supply lasts three hours per day, for example. Such long measurement interruptions are undesirable, especially with regard to the complexity and costs of the respective measuring device.

Die Schwingungen des Verdampfungskühlers stellen auch ein generelles Problem mit Blick auf den Heliumverbrauch der Kühleinrichtung dar. Durch die Schwingungen wird in die Kühleinrichtung Wärme eingetragen. Diese zusätzliche Wärme muss durch zusätzlich aufgebrachte Verdampfungswärme im Verdampfungskühler wieder abgeführt werden. Dadurch steigt der Heliumverbrauch.The Vibrations of the evaporative cooler also pose a general problem with regard to helium consumption the cooling device The vibrations introduce heat into the cooling device. This additional Heat must by additionally applied heat of vaporization in the evaporative cooler discharged again become. This increases helium consumption.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines Helium-Verdampfungskühlers bereitzustellen, mit dem die genannten Nachteile überwunden und insbesondere die genannten Schwingungen während der Zufuhr von normalflüssigem Helium unterbunden werden. Das Verfahren soll insbesondere mit herkömmlichen Kühleinrichtungen ohne größere technische Umbau maßnahmen umsetzbar sein und Beschränkungen beim Betrieb der jeweiligen Kühleinrichtung vermeiden. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen verbesserten Helium-Verdampfungskühler anzugeben, der eine Reduzierung oder Vermeidung der beschriebenen Schwingungen ermöglicht.The The object of the invention is to provide a novel method of operation a helium evaporative cooler to provide, with which overcome the disadvantages mentioned and in particular the said vibrations during the supply of normal liquid helium be prevented. The method is intended in particular with conventional cooling equipment without major technical Remodeling measures be implementable and restrictions during operation of the respective cooling device avoid. The object of the invention is also to provide an improved Helium evaporative cooler indicate a reduction or avoidance of the described Allows vibrations.

Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren und einem Verdampfungskühler mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These Tasks come with a process and an evaporative cooler the features according to claims 1 and 4 solved. Advantageous embodiments and applications of the invention will be apparent from the dependent claims.

Die Grundidee der Erfindung ist es, eine ⁴He-Zufuhreinrichtung eines Verdampfungskühlers mit einem Wärmeaustauscher auszustatten, durch den normalflüssiges Helium geleitet und in mittelbaren thermischen Kontakt mit dem supraflüssigem Helium in einer Kühlkammer eines Verdampfungskühlers gebracht wird. Im Wärmeaustauscher erfolgt der Phasenübergang von normalflüssigem zu supraflüssigem Helium, das vom Ausgang des Wärmeaustauschers in die Kühlkammer geleitet wird. Ein direkter stofflicher Kontakt des zugeführten Heliums mit dem supraflüssigem Helium in der Kühlkammer wird erst nach der genannten Phasenumwandlung ermöglicht. Diese Maßnahme, mit der erstmalig die beim Betrieb eines Verdampfungskühlers auftretenden Schwingungen beseitigt werden konnten, beruhen auf den folgenden Überlegungen der Erfinder.The basic idea of the invention is to provide a ⁴ He feeder of an evaporative cooler with a heat exchanger through which normally liquid helium is passed and brought into indirect thermal contact with the superfluid helium in a cooling chamber of an evaporative cooler. In the heat exchanger, the phase transition is from normal liquid to superfluid helium, which is conducted from the outlet of the heat exchanger into the cooling chamber. A direct material contact of the supplied helium with the superfluid helium in the cooling chamber is made possible only after the said phase transformation. This measure, with which for the first time the vibrations occurring during operation of an evaporative cooler could be eliminated, is based on the following considerations of the inventors.

Die Erfinder haben als Ursache der störenden Schwingungen das Auftreten von Turbulenzen bei der Zufuhr von normalflüssigem in supraflüssiges Helium in herkömmlichen Verdampfungskammern erkannt. Beim herkömmlichen Verfahren bilden die zugeführten, normalflüssigen Heliumtropfen eng begrenzte Wärmequellen mit großer Leistungsdichte im supraflüssigen Helium. Dadurch kommt es zu den störenden Turbulenzen. Durch den erfindungsgemäß verwendeten Wärmeaustauscher hingegen wird die Wärme durch die Führung des normalflüssigen Heliums durch enge Leitungen (Kompartimente, Poren, Kanäle oder dgl.) auf eine große Oberfläche verteilt. Auf der Außenseite des Wärmeaustauschers, die in Kontakt mit dem supraflüssigen Helium steht, treten deshalb keine Turbulenzen auf, da das Helium im supraflüssigem Zustand bleibt und somit eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Beim Durchlauf des Heliums durch den Wärmeaustauscher wird der Phasenübergang abgeschlossen, so dass auch beim Austritt des dann supraflüssigen Heliums keine Turbulenzen im Verdampfungskühler entstehen.The Inventors have the cause as the cause of the disturbing vibrations turbulence in the supply of normal liquid in superfluid helium in conventional Evaporative chambers detected. In the conventional method, the supplied, normal liquid helium drops form limited heat sources with big ones Power density in the superfluid Helium. This leads to the disturbing turbulence. By the used according to the invention heat exchangers on the other hand, the heat becomes through the leadership of the normal liquid Helium through narrow lines (compartments, pores, channels or Like.) On a large surface distributed. On the outside the heat exchanger, in contact with the superfluous Helium, therefore, no turbulence occurs because the helium in superfluid Condition remains and thus has an extremely high thermal conductivity. While running of helium through the heat exchanger becomes the phase transition completed, so that even at the exit of the then superfluid helium no turbulence in the evaporative cooler arise.

Die Leitungen im erfindungsgemäß verwendeten Wärmeaustauscher besitzen zur Realisierung eines turbulenzfreien Phasenübergangs freie Innenquerschnitte, die in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des konkreten Anwendungsfalls gewählt werden. Die Durchflussgeschwindigkeit, Innenquerschnitte und Durchflusslängen im Wärmeaustauscher werden so gewählt, dass der Phasenübergang im Wärmeaustauscher erfolgt und störende Turbulenzen in der Verdampfungskammer ausgeschlossen sind.The Lines used in the invention heat exchangers have to realize a turbulence-free phase transition free inner sections, depending on the operating parameters of the specific application. The flow rate, Internal cross sections and flow lengths in the heat exchanger are selected so that the phase transition in the heat exchanger takes place and disturbing turbulence are excluded in the evaporation chamber.

Ein Gegenstand der Erfindung ist auch ein Helium-Verdampfungskühler mit einer Kammer zur Aufnahme des supraflüssigen Heliums, mindestens einer ⁴He-Zufuhreinrichtung und mindestens einer ⁴He-Abfuhreinrichtung, bei dem die ⁴He-Zufuhreinrichtung mit einem Wärmeaustauscher ausgestattet ist, durch den das zugeführte flüssige Helium in mittelbarem thermischen Kontakt mit dem Inneren der Kammer steht, bis es den Phasenübergang zu supraflüssigem Helium durchlaufen hat.A subject of the invention is also a helium evaporative cooler with a chamber for holding the superfluid helium, at least one ⁴ He feed device and at least one ⁴ He discharge device, in which the ⁴ He feed device is equipped with a heat exchanger through which the supplied liquid helium is in indirect thermal contact with the interior of the chamber until it has passed through the phase transition to superfluid helium.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Wärmeaustauscher durch eine in die Kühlkammer geführte Kapillare gebildet, die direkt in das supraflüssige Helium getaucht ist. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil eines besonders effektiven Wärmeaustausches und damit einer schnellen Phasenumwandlung des zugeführten Heliums. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung ist der Wärmeaustauscher als Kapillare oder Sinterkörper in oder auf einer Wand der Kühlkammer vorgesehen.According to a preferred embodiment of the invention, the heat exchanger is formed by a guided into the cooling chamber capillary, which is immersed directly in the superfluid helium. This embodiment has the advantage of a particularly effective heat exchange and thus a rapid phase transformation of the supplied helium. In alternative embodiments of the invention, the heat exchanger is a capillary or sintered body in or on a wall of the cooling chamber intended.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Wärmeaustauschers wird das Problem der Kühlerschwingungen erstmalig konsequent gelöst. Die Erfindung ist problemlos in laufenden Anwendungen von Tieftemperatureinrichtungen implementierbar. Abgesehen von der Bereitstellung des Wärmeaustauschers, der allerdings in jede bekannte Bauform von Verdampfungskühlern integrierbar ist, sind keine zusätzlichen technischen Veränderungen erforderlich. Einschränkungen in Bezug auf den Betrieb der Kühleinrichtungen werden vermieden. Der Heliumverbrauch durch den zusätzlichen Schwingungseintrag wird vermieden.The Invention has the following advantages. By the use according to the invention of the heat exchanger becomes the problem of radiator vibrations for the first time consistently solved. The invention is easily implemented in current applications of cryogenic equipment implementable. Apart from the provision of the heat exchanger, however, can be integrated into any known design of evaporative coolers is, are not additional technical changes required. restrictions with regard to the operation of the cooling devices are avoided. The helium consumption by the additional Vibration entry is avoided.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Further Advantages and details of the invention are described below Reference to the attached Drawings described. Show it:

1 bis 5 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verdampfungskühler, 1 to 5 various embodiments of evaporative coolers according to the invention,

6 eine schematische Illustration eines Strahlungsdetektors, der mit einem herkömmlichen ³He-4He-Entmischungskühler ausgestattet ist, der als Zwischenkühlstufe einen herkömmlichen Verdampfungskühler enthält, 6 a schematic illustration of a radiation detector, which is equipped with a conventional ³ He-4He demixing cooler, which contains a conventional evaporative cooler as an intermediate cooling stage,

7 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Verdampfungskühlers, und 7 a schematic representation of a conventional evaporative cooler, and

8 Kurvendarstellungen zur Illustration der erfindungsgemäßen Schwingungsunterdrückung. 8th Graphs illustrating the vibration suppression according to the invention.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf einen 1 K-Pot beschrieben, der bspw. als Verdampfungskühler in einem Strahlungsdetektor gemäß 6 vorgesehen ist. Die Erfindung ist jedoch auf diese Anwendung und Bauform nicht be schränkt. Vielmehr kann die Erfindung auch bei beliebigen anderen Anwendungen von Verdampfungskühlern vorgesehen sein. Beiqspielsweise ist es möglich, an Stelle von einer Helium-Zufuhreinrichtung mehrere Zufuhreinrichtungen entsprechend mit mehreren Wärmeaustauschern vorzusehen. Die Erfindung kann mit beliebig großen Verdampfungskühlern realisiert werden, die je nach Kühlleistung bspw. ein Volumen von bis zu 10 l besitzen.The invention will be described below by way of example with reference to a 1 K pot, for example, as evaporative cooler in a radiation detector according to 6 is provided. However, the invention is not limited to this application and design. Rather, the invention may also be provided in any other applications of evaporative coolers. For example, it is possible to provide a plurality of supply means corresponding to a plurality of heat exchangers instead of a helium supply device. The invention can be realized with arbitrarily large evaporative coolers which, depending on the cooling capacity, for example, have a volume of up to 10 l.

In 1 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung illustriert, bei der der Wärmeaustauscher durch eine Kapillare im Inneren der Kühlkammer eines Verdampfungskühlers gebildet wird. Der Verdampfungskühler 10 umfasst die Kühlkammer 11, eine ⁴He-Zufuhreinrichtung 12 und eine ⁴He-Abfuhreinrichtung 13. Die ⁴He-Zufuhreinrichtung 12 ist zur Zuführung von normalflüssigem Helium aus dem Heliumbad 14 über die Impedanzeinrichtung 15 zur Druckanpassung in die Kühlkammer 11 vorgesehen und umfasst insbesondere die Zufuhrleitung 16. Die Impedanzeinrichtung 15, die auch durch ein Nadelventil gebildet werden kann, und die kapillarförmige Zufuhrleitung 16 dienen der Druckminderung im flüssigen Helium vor Zufuhr in den Verdampfungskühler.In 1 a particularly preferred embodiment of the invention is illustrated in which the heat exchanger is formed by a capillary inside the cooling chamber of an evaporative cooler. The evaporative cooler 10 includes the cooling chamber 11 , a ⁴ He feeder 12 and a ^{4 he} -discharge facility 13 , The ⁴ He feeder 12 is to supply normal helium from the helium bath 14 via the impedance device 15 for pressure adjustment in the cooling chamber 11 provided and in particular comprises the supply line 16 , The impedance device 15 , which can also be formed by a needle valve, and the capillary supply line 16 serve to reduce the pressure in the liquid helium before feeding into the evaporative cooler.

Erfindungsgemäß geht die Zufuhrleitung 16 in den kapillarförmigen Wärmeaustauscher 17 über. Der Wärmeaustauscher 17 kann einstückig als Verlängerung der Zufuhrleitung 16 gebildet sein, falls diese einen geeigneten Innendurchmesser besitzt und genügend biegsam ist. Alternativ ist der Wärmeaustauscher 17 am Ende der Zufuhrleitung 16 (bspw. bei 18) angelötet. Der Wärmeaustauscher 17 besitzt einen Innendurchmesser, der so dimensioniert ist, dass bei einer gegebenen Durchflussrate bei der Abkühlung durch den mittelbaren thermischen Kontakt mit dem supraflüssigem Helium im Wärmeaustauscher keine Turbulenzen entstehen. Bei größeren erforderlichen Durchflussraten können größere Innendurchmesser verwendet werden, jedoch muss dann durch geeignete Maßnahmen auch die Kontaktfläche vergrößert werden. Eventuell ist die Verlegung mehrerer paralleler Kapillaren notwendig. Typische Durchflussraten betragen 50 ml/h bis einige l/h. Konkrete Werte können auf der Grundlage der an sich bekannten Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung ermittelt werden. In der Praxis wird der Innendurchmesser vorzugsweise so gewählt, dass Turbulenzen mit Sicherheit vermieden werden. Er beträgt daher z. B. 50 μm bis 500 μm. Für die Länge des kapillarförmigen Wärmeaustauschers gelten die Überlegungen entsprechend. Die Länge ist so gewählt, dass bei einem gegebenen Innendurchmesser und einer gegebenen Durchflussrate der Phasenübergang vom normalflüssigen in den supraflüssigen Zustand bis zum Ende 19 des Wärmeaustauschers vollzogen ist. Die Länge beträgt bei einem Verdampfungskühler mit einem Volumen von 100 ml bspw. 70 cm. Dementsprechend bildet der Wärmeaustauscher 17 in der Kühlkammer 11 eine oder mehrere Schleifen, die sich im Volumen der Kühlkammer 11 und/oder auf deren Boden erstrecken.According to the invention, the supply line 16 in the capillary heat exchanger 17 above. The heat exchanger 17 Can be made in one piece as an extension of the supply line 16 be formed, if this has a suitable inner diameter and is sufficiently flexible. Alternatively, the heat exchanger 17 at the end of the supply line 16 (eg at 18 ) soldered. The heat exchanger 17 has an inside diameter dimensioned so that turbulence does not occur in the heat exchanger at a given flow rate during cooling by the indirect thermal contact with the superfluid helium. Larger internal diameters can be used for larger required flow rates, but then the contact area must be increased by appropriate measures. It may be necessary to lay several parallel capillaries. Typical flow rates are 50 ml / h to several l / h. Concrete values can be determined on the basis of the known laws of heat conduction. In practice, the inner diameter is preferably chosen so that turbulence can be avoided with certainty. He is therefore z. B. 50 microns to 500 microns. For the length of the capillary heat exchanger, the considerations apply accordingly. The length is chosen so that, for a given inside diameter and flow rate, the phase transition from the normal liquid to the superfluid state to the end 19 the heat exchanger is completed. The length is in an evaporative cooler with a volume of 100 ml, for example, 70 cm. Accordingly, the heat exchanger forms 17 in the cooling chamber 11 one or more loops that are in the volume of the cooling chamber 11 and / or extend to the bottom thereof.

Die Kühlkammer 11 besteht vorzugsweise aus Kupfer, um eine gute Wärmeleitfähigkeit mit dem zu kühlenden System zu gewährleisten. Gemäß einer vorteilhaften Gestaltung können Teile des Verdampfungskühlers aus Edelstahl bestehen. Insbesondere sollten die Teile, die Verbindungen zu anderen Komponenten verschiedener Temperatur darstellen (z. B. die Abfuhreinrichtung 13), vorzugsweise aus Edelstahl oder einer anderen, schlecht wärmeleitenden Legierung bestehen. Der kapillarförmige Wärmeaustauscher 17 besteht vorzugsweise aus einer Kupfer-Nickel-Legierung. Er besitzt einen Außendurchmesser von z. B. 0.3 mm.The cooling chamber 11 is preferably made of copper to ensure good thermal conductivity with the system to be cooled. According to an advantageous embodiment, parts of the evaporative cooler may be made of stainless steel. In particular, the parts that represent connections to other components of different temperature (eg, the discharge device 13 ), preferably made of stainless steel or another, poor thermal conductivity alloy. The capillary heat exchanger 17 is preferably made of a copper-nickel alloy. He has an outer diameter of z. B. 0.3 mm.

Der Verdampfungskühler 10 kann zum kontinuierlichen Betrieb (laufendes Abpumpen von Helium und Zufuhr von normalflüssigem Helium) oder zum diskontinuierlichen Betrieb (Zufuhr und ggf. Abfuhr mit Unterbrechungen) eingerichtet sein.The evaporative cooler 10 can be set up for continuous operation (continuous pumping off of helium and supply of normal-flow helium) or for discontinuous operation (supply and possibly discharge with interruptions).

Weitere Ausführungsformen der Erfindung mit kapillarförmigen Wärmeaustauschern sind in den 2 und 3 illustriert. Die Verdampfungskühler 10 besitzen jeweils die gleiche Bauform wie in 1. Der kapillarförmige Wärmeaustauscher 17 ist jeweils in die seitliche Wand der Kühlungskammer 11 integriert (2) oder auf der Außenseite der Kühlungskammer 11 in gutem thermischen Kontakt (z. B. durch Anlöten) befestigt (3).Other embodiments of the invention with capillary heat exchangers are in the 2 and 3 illustrated. The evaporative coolers 10 each have the same design as in 1 , The capillary heat exchanger 17 is in each case in the lateral wall of the cooling chamber 11 integrated ( 2 ) or on the outside of the cooling chamber 11 in good thermal contact (eg by soldering) attached ( 3 ).

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher besitzt zur Unterdrückung der Turbulenzen bei Ausbildung des thermischen Kontaktes des normalflüssigen Heliums mit dem supraflüssigen Helium ein möglichst geringes Innenvolumen und eine möglichst große Oberfläche. Diese Bedingungen können auch durch einen Wärmeaustauscher 17 bereitgestellt werden, der einen porenhaltigen Sinterkörper enthält. Diese Ausführungsform der Erfindung ist in den 4 und 5 illustriert. Der porenhaltige Sinterkörper besteht bspw. aus Silber oder Kupfer. Die im Sinterkörper gebildeten Poren werden vom normalflüssigen Helium durchlaufen. Dabei tritt das Helium in thermischen Kontakt mit dem umgebenden supraflüssigem Helium. Die Phasenumwandlung erfolgt im Wärmeaustauscher 17. Am jeweiligen Ende 19 des Wärmeaustauschers tritt supraflüssiges Helium in das Innere der Kühlungskammer 11. Wärmeaustauscher 17 mit einem Sinterkörper können bspw. plattenförmig im Inneren der Kühlkammer 11 (4) oder zylinderförmig auf deren Außenseite (5) vorgesehen sein.The heat exchanger according to the invention has to suppress the turbulence in forming the thermal contact of the normal liquid helium with the superfluid helium the smallest possible internal volume and the largest possible surface. These conditions can also be achieved by a heat exchanger 17 be provided, which contains a porous sintered body. This embodiment of the invention is in the 4 and 5 illustrated. The porous sintered body consists, for example, of silver or copper. The pores formed in the sintered body are passed through by the normal liquid helium. In this case, the helium enters into thermal contact with the surrounding superfluid helium. The phase transformation takes place in the heat exchanger 17 , At the respective end 19 In the heat exchanger, superfluid helium enters the interior of the cooling chamber 11 , heat exchangers 17 With a sintered body can, for example. Plate-shaped in the interior of the cooling chamber 11 ( 4 ) or cylindrical on its outside ( 5 ) be provided.

Allgemein kann ein erfindungsgemäßer Verdampfungskühler mit mehreren Wärmeaustauschern und/oder einen Wärmeaustauscher mit mehreren Leitungen für das normalflüssige Helium ausgestattet sein. Im Wärmeaustauscher können beispielsweise mehrere Kapillaren entsprechend einer Vielzahl von porenförmigen Leitungswegen vorgesehen sein. Dadurch wird die Effektivität des Wärmeaustauschers erhöht.Generally can an inventive evaporative cooler with several heat exchangers and / or a heat exchanger with multiple lines for the normal liquid Helium be equipped. In the heat exchanger can for example, a plurality of capillaries corresponding to a plurality of pore-shaped conduction paths be provided. This increases the effectiveness of the heat exchanger.

In 8 sind die hervorragenden Messergebnisse des Schwingungsverhaltens erfindungsgemäßer Verdampfungskühler illustriert. Die durchgezogene Kurve zeigt, dass die bei herkömmlichen Verdampfungskühlern (gestrichelt gezeichnet) auftretenden Schwingungen praktisch völlig unterdrückt werden. Der noch auftretende Peak bei 770 Hz wird auf Fremdschwingungen aus dem Messsystem zurückgeführt.In 8th the excellent measurement results of the vibration behavior of inventive evaporative coolers are illustrated. The solid curve shows that the vibrations occurring in conventional evaporative coolers (dashed lines) are virtually completely suppressed. The remaining peak at 770 Hz is attributed to external vibrations from the measuring system.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The in the foregoing description, claims and drawings Features of the invention can both individually and in any combination for the realization the invention in its various embodiments of importance be.

Claims

Method for operating a helium evaporative cooler ( 10 ), in which from a cooling chamber ( 11 ) superfluid ⁴ He and pumped to the cooling chamber ( 11 ) Normal liquid ⁴ He is fed which is converted in superfluid ⁴ He, characterized in that for the conversion of normal liquid in supra liquid helium at least one heat exchanger ( 17 ), in which the normally liquid helium is in indirect thermal contact with the superfluid helium and is materially separated from the superfluid helium of the cooling chamber.

Process according to Claim 1, in which as a heat exchanger ( 17 ) at least one capillary is used, in which the phase transformation of the normal liquid ⁴ He takes place.

Process according to Claim 1, in which as a heat exchanger ( 17 ), a porous sintered body is used in which the phase transformation of the normal liquid ⁴ He takes place.

Helium evaporative coolers ( 10 ) with a cooling chamber ( 11 ), at least one ⁴ He feeder ( 12 ) and at least one ⁴ He discharge device ( 13 ), characterized in that the supply device ( 12 ) at the end of a supply line ( 16 ) a heat exchanger ( 17 ) in thermal contact with ⁴ He inside the cooling chamber ( 11 ) and dimensioned so that passing ⁴ He in the heat exchanger ( 17 ) is converted into superfluid helium.

Evaporative cooler according to claim 4, wherein as heat exchanger at least one capillary ( 17 ) inside the cooling chamber ( 11 ) is provided.

Evaporative cooler according to claim 4, wherein as heat exchanger at least one capillary ( 17 ) in or on the outside of the wall of the cooling chamber ( 11 ) is provided.

Evaporative cooler according to claim 4, wherein a heat exchanger is a porous sintered body ( 17 ) in or on the outside of the cooling chamber ( 11 ) is provided.

Evaporative cooler according to one the claims 4 to 7, in which several heat exchangers are provided.

Use of a method or an evaporative cooler according to a of the preceding claims as a cooling device in gravitational antennas, bolometers for the detection of far-infrared radiation or high-resolution Particle detectors.