DE1426986A1

DE1426986A1 - Helium-Refrigerator

Info

Publication number: DE1426986A1
Application number: DE19641426986
Authority: DE
Inventors: Klipping Dr Gustav
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1964-08-06
Filing date: 1964-08-06
Publication date: 1969-05-29
Also published as: CH443373A; US3307370A; NL6507927A; GB1061910A; BE668022A

Description

MAX-PLANCK-GESELLb^n/urr zur Förderung der Wissenschaften e.V. Göttingen

Helium-Refrigerator

Die Erfindung betrifft einen Helium-Refrigerator, bei dem das flüssige Helium aus dem Sumpf eines Helium-Verflüssigers einem

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außen liegenden Verbraucher zugeführt und das von diesem/gepumpte Gas wieder in den Verflüssiger eingespeist wird.

In der Kryotechnik wird als Refrigerator eine kontinuierlich arbeitende Kälteanlage zur Erzeugung tiefer Temperaturen im Bereich von 2,5 bis 30° K bezeichnet, die vor allem dadurch gekennzeichnet ist, daß das nach dem Entspannungsventil anfallende Flüssigkeit/Dampf-Gemisch ( Wasserstoff bzw. Helium) vollständig dem Verbraucher zugeführt und das im Verbraucher anfallende Kaltgas entsprechend seiner Temperatur in den Niederdruckteil eines der unteren Gegenströmer im Verflüssiger wieder eingespeist wird.

Der Vorteil dieser Anlagen liegt darin, daß bei gleicher Maschinenleistung wie für einen Verflüssiger durch die Rückführung des Kaltgases eine höhere Kälteleistung der Anlage erreicht wird. Für den Verbraucher wird nicht nur die Verdampfungswärme des

ο flüssigen Kältemittels, sondern auch die Enthalpie des kalten ο

<o Gases von der Temperatur beim Eintritt in den Verbraucher bis oo

^* zur Temperatur beim Austritt aus dem Verbraucher ausgenutzt. _o Der v/eitere Kälteinhalt des Gases wird durch die Kaltgasrückfüh- -j rung nahezu vollständig im Verflüssiger ausgenutzt.

Für den Verbraucher stehen bei höheren Betriebstemperaturen entsprechend höhere Kälteleistungen zur Verfügung, bzw. die für den Verbraucher nutzbare Kälteleistung wird bei Annäherung an den

Neue Unterlagen (Art. 7 § 1 Abs. 2 Nr. 1 Satz 3 des Andemngsg«. v. 4. f. IW?

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Siedepunkt des Kältemittels zwangsläufig kleiner. Dementsprechend werden Refrigeratoren am vorteilhaftesten dort verwendet, wo große Kälteleistungen erforderlich sind und wo ein Dauerbetrieb unerläßlich ist. Es gibt aber andererseits auch schon Refrigeratoren für kleine Kälteleistungen bei höherer Temperatur, beispielsweise 1 W bei 20° K, die zur Kühlung von Verstärker element en verwendet werden,

Bei Betriebstemperaturen oberhalb des Siedepunktes des Kältemittels liegt der Verbraucher im allgemeinen außerhalb des Verflüssigers. Bei Betriebstemperaturen unterhalb des Siedepunktes wird dagegen meist ein Flüssigkeitsbad der gewünschten Temperatur im Verflüssiger selbst erzeugt, d.h. die zu kühlende Probe ist in den Verflüssiger einzuführen.

Ein Nachteil der bekannten Refrigeratoren liegt darin, daß sie hinsichtlich der Betriebsbedingungen (Temperatur, Kälteleistung) nur wenig elastisch sind.

Bei Betriebstemperaturen oberhalb des Siedepunktes des Kältemittels ist die Wiedereintrittsstelle des Kaltgases in den Verflüssiger so zu wählen, daß die Temperatur im Verflüssiger an dieser Stelle der Temperatur des rückströmenden Gases entspricht. Man kann hier eine gewisse Variabilität erreichen, indem man mehrere wahlweise zu verwendende Eintrittsstellen in den Verflüssiger vorsieht. Andererseits sind die Gegenströmer konstruktiv der im Verbraucher anfallenden Kaltgasmenge anzupassen. Das bedeutet, daß ein Refrigerator den im Einzelfall gegebenen Betriebsbedingungen jeweils angepaßt werden muß.

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Bei Betriebstemperaturen unterhalb des Siedepunktes des Kältemittels liegen die Verhältnisse noch ungünstiger. Man senkt hier die Temperatur des im Sumpf dgs Verflüssigers befindlichen .Flüssigkeitsbades durch Druckerniedrigung über der Flüssigkeit unter den Siedepunkt ab. Um beispielsweise das Flüssigkeitsbad auf 2,5° K abzukühlen, muß der Druck über der siedenden Flüssigkeit von 760 Torr auf 77 Torr abgesenkt werden. Dies wird erreicht, indem mittels einer außen liegenden, an den Niederdruckgas-Austritt des Verflüssigers angeschlossenen Vakuumpumpe das anfallende Gas durch die Gegenströmer abgepumpt wird. Es wird also der Druck im gesamten Niederdruckteil des Verflüssigers auf den der einzustellenden Temperatur entsprechenden Druck bzw. einen durch den Strömungswiderstand gegebenen noch geringeren Druck abgesenkt. Um dabei einen hinreichend kleinen Strömungswiderstand der Gegenströmer und andererseits einen ausreichenden Wärmeaustausch in den Gegenströmern zu erzielen, sind diese dem jeweiligen Spezialfall entsprechend zu konstruieren. Zwangsläufig besitzt also ein Refrigerator üblicher Bauart bei Betriebstemperaturen unterhalb des Siedepunktes des Kältemittels kaum noch eine Elastizität hinsichtlich Betriebstemperatur und Kälteleistung.

Um diese Nachteile bei der Erzeugung von tiefen Temperaturen im Refrigeratorbetrieb zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in der vom Sumpf des Verflüssigers zum Verbaucher führenden Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel ein den Kältemittelzufluß regelndes Ventil vorzusehen, welches in Abhängigkeit von der Temperatur an einem ausgewählten Punkt des Verbrauchers gesteuert wird, und an den Gasauslaß des Verbrauchers über ein gleichfalls in Abhängigkeit von der Temperatur an einem ausgewählten Punkt des

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Verbrauchers gesteuertes Regelventil eine Vakuumpumpe anzuschließen/ deren Auslaß mit einem das Gas zum Verflüssiger fördernden Kompressor in Verbindung steht, wobei zwischen dem Auslaß der Vakuumpumpe und' . dem Einlaß des Kompressors ein Gasausgleichsvolumen vorgesehen ist. Weiter wird vorgeschlagen, das in der Zuführungsleitung für das ' flüssige Kältemittel vorgesehene Regelventil an der im Sumpf des Verflüssigers liegenden Einlaßöffnung anzuordnen,'die Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel ganz oder teilweise als Drosselstrecke auszubilden sowie im stationären Betrieb im Niederdruckteil des Verflüssigers einen Überdruck zu halten, wie er für den normalen Verflüssigerbetrieb erforderlich ist und im Verbraucher einen dem Temperatursollwert entsprechenden Druck unterhalb einer Atmosphäre zu halten, wobei der Druckabfall in der als Drosselstrecke ausgebildeten Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel erfolgt.

Bei der vorgeschlagenen Refrigerasorvorrichtung wird das flüssige · Helium aus dem Sumpf des Verflüssigers mittels einer Vakuumpumpe in einen als Verbraucher dienenden Verdampferkryostaten gefördert, wo es verdampft und die gewünschte Abkühlung bewirkt. Die konstante Temperatur im Verdampferkryostaten wird eingeregelt, indem einerseits die Flüssigkeitszufuhr mittels eines in Abhängigkeit von der . Kryostattemperatur thermostatisch gesteuerten Regelventils in der Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel geregelt wird, undindem andererseits der Druck im Verdampferkryostaten über ein ebenfalls in Abhängigkeit von· der Kryostattemperatur thermostatisch gesteuertes Regelventil in der Absaugleitung geregelt wird, Das von der Vakuumpumpe geförderte gasförmige Helium wird druckseitig, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Gasausgleichsvolumens, der Ansaugseite eines Kompressors zugeführt, welcher den Helium-

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verflüssiger mit dem erforderlichen Hochdruckgas versorgt.

Der Vorteil einer solchen Refrigeratorvorrichtung liegt vor allem in ihrer großen Elastizität sowohl hinsichtlich der zu erzeugenden -Temperatur als auch hinsichtlich der für den Verbraucher nutzbaren Kälteleistung. Es können im Verbraucher Temperaturen sowohl unterhalb als auch oberhalb 4,2° K eingestellt werden und die Temperatur kann während des Betriebes variiert werden., ohne daß die Gefahr besteht, daß der Verflüssiger und damit das gesamte System aus dem Gleichgewicht kommt. Der Flüssigkeitsvorrat im Sumpf des Verflüssigers stellt eine Reserve an Kälteleistung dar, d.h. auch die entnommene Kälteleistung kann in weiten Grenzen variieren bzw. während' des Betriebes Schwankungen unterliegen. Bei der Einstellung von Temperaturen unterhalb 4,2° K wird nur der Verbraucher unter vermindertem Druck gehalten* während der Niederdruckteil des Verflüssigers wie auch sonst unter leichtem Überdruck steht. Das bedeutet, daß die konventionellen Heliumverflüssiger ohne besondere konstruktive Änderungen für den Betrieb der vorgeschlagenen Refrigeratorvorrichtung eingesetzt werden können, was ebenfalls als besonders vorteilhaft anzusehen ist. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, daß für den Verbraucher eine beträchtlich höhere Kälteleistung zur Verfügung steht, da der gesamte Kälteinhalt des kalten Heliumgases bis

im Verbraucher
herauf zur Raumtemperatur Nutzbar gemacht werden kann. Dies hat zur Folge, daß das sonst im Refrigeratorbetrieb für den Verbraucher unerläßliche Hilfskältemittel flüssiger Stickstoff wegfallen kann. Der Strahlungsschutz des Verbrauchers xvird mit dem kalten Abgas gekühlt.

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En der Figur ist der Gegenstand ''er Erfindung schematisch dargestellt.

Der Helium-Refrigeratorkreislauf besteht aus einem von einem Compressor 1 mit Hochdruckgas gespeisten Helium-Verflüssiger 2-, ler neben der nicht gezeichneten Maschine mehrere Gegenströmer II, 22, 23 sowie ein Joule-Thomson-Entspannungsventil 24 enthält, üiner Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel 3 mit einem Flüssigkeitsregelventil 4 und einer Drosselstrecke 5* dem Vertaucher 6, der Abgasleitung 7 mit dem Gasregelventil 8, einer ^rakuumpumpe 9 und einem Gaspuffer 10. Der Gaspuffer 10 kann über lie Ventile 11 und 12 wahlweise in den Kreislauf einbezogen rerden oder nicht. Über das Ventil 13 steht der Gaspuffer 10 in ^rerbindung mit dem Gasvorrat 14 (Druckflaschen). Die Regelventile r und 8, von denen das Flüssigkeitsregelventil 4 zur Regulierung ler Flüssigkeitszufuhr zum Verbraucher 6 und das Gasregelventil 8 ;ur Regelung des Druckes bzw. der Temperatur im Verbraucher 6 Lienen₅ stehen über die Leitung 15 mit einem oder mehreren, an iinem ausgewählten Punkt des Verbrauchers 6 angeordneten Temperaurmeßfühlern in Verbindung.

τη Betrieb wird der Refrigerator zunächst kaltgefahren, indem [eliumgas aus den Druckflaschen 14 über den Gaspuffer 10 und .en Kompressor 1 in den Verflüssiger 2 gespeist und dort verflüsigt wird. Wenn der Sumpf des Verflüssigers 2 mit flüssigem Helium efüllt ist, wird bei eingeschalteter Vakuumpumpe 9 das Flüssig- :eitsregelventil 4 geöffnet und flüssiges Helium über die Drosseltrecke 5 in den Verbraucher 6 (Verdampferkryostat) gefördert, wo s unter Normaldruck oder unter vermindertem Druck verdampft und

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die gewünschte Abkühlung auf den Temperatursollwert bewirkt.

Nach Erreichen der Solltemperatur setzt das in Abhängigkeit von der Temperatur des Verbrauchers 6 gesteuerte Spiel der Regelventile 4 und 8 ein, wodurch die Temperatur des Verbrauchers konstant gehalten wird. Die Einstellung beliebiger Solltemperaturen ist während des Betriebes durch entsprechende Einstellung der Regelventile 4 und 8 möglich.

Das Kältemittel, dessen Kälteinhalt im Verbraucher 6 vollständig ausgenutzt werden kann, wird gasförmig von der Vakuumpumpe 9 wieder der Ansaugseite des Kompressors 1 zugeführt.

Während des Betriebes wird im Niederdruckteil des Verflüssigers 2.. der für das Gleichgewicht der Anlage günstigste Druck (im allgemeinen etwa 0,2 atü) aufrechterfra]ten und bei Betriebstemperaturen unterhalb 4,2° K gleichzeitig im Verbraucher 6 ein dem Temperatursollwert entsprechender niedriger Druck eingestellt.

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Claims

■U26986 Patentansprüche

1. Helium-Refrigerator für Temperaturen unterhalb k,2° K, bei . dem das flüssige Helium aus dem Sumpf eines Heliumverflüssigers einem außen liegenden Verbraucher zugeführt und das . von diesem abgepumpte Gas wieder in den Verflüssiger eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der vom Sumpf des Verflüssigers zum Verbraucher führenden Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel ein den Kältemittelzufluß regelndes Ventil vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit von der Temperatur an einem ausgewählten Punkt des Verbrauchers gesteuert wird, und daß an den Gasauslaß des Verbrauchers über ein gleichfalls in Abhängigkeit von der Temperatur an einem ausgewählten Punkt des Verbrauchers gesteuertes Regelventil eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, deren Auslaß mit einem das Gas zum Verflüssiger fördernden Kompressor in Verbindung steht, wobei" zwischen dem Auslaß der Vakuumpumpe und dem Einlaß des Kompressors ein Gasausgleichsvolumen vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, da" durch- gekenn-· zeichnet , daß das in der Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel vorgesehene Regelventil an der im Sumpf des Verflüssigers liegenden Einlaßöffnung angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel ganz oder teilweise als Drosselstrecke ausgebildet ist. 9 09 8 2 2 /0 Γ? /L·. _8(tes Änderung, v. '

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4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, Öaß im stationären Betrieb Im Niederdruckteil des Verflüssigers geringer Überdruck gehalten wird und daß im Verbraucher ein dem Temperatursollwert entsprechender Druck unterhalb einer Atmosphäre gehalten wird* wobei der Druckabfall in der als Drosselstrecke ausgebildeten Zuführungsleitung für das flüssige Kältemittel zwischen Verflüssiger und Verbraucher erfolgt.

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