DE1503677A1

DE1503677A1 - Kaeltepumpenanordnung

Info

Publication number: DE1503677A1
Application number: DE19661503677
Authority: DE
Inventors: Michael Jordan; Blanchard Edward R
Original assignee: Air Reduction Co Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1965-09-20
Filing date: 1966-09-20
Publication date: 1970-08-06
Also published as: GB1131683A; US3360949A

Description

DR. MÜLLER-BORi: DlPL.-lNG. GRALFS DR. MANlTZ

PATENTANWÄLTE

19. September 1966 Bol/ai - A 95?

Air Reduction , Ine orp or at ed Murray Hill, New Jersey, U.S.A.

Kältepumpenanordnung

Die Erfindung "betrifft Kältepumpen, und bezieht sich, insbesondere auf die Erzeugung eines Hochvakuums in einer Kammer, wie z.B. einer (Welt-)Raum-Simulierkammer (space-simulationchamber), oder für sehr lange Beschleuniger.

Ein Vakuum wird erzeugt durch Entfernung gasförmiger Moleküle aus einer Kammer. Jede Vorrichtung, die dieses ■bewerkstelligt, wird als "Pumpe" bezeichnet. Es gibt eine grosse Vielzahl von Pumpen. Das Pumpen kann durchgeführt werden durch Verdrängung, Momentenübertragung, Kondensation oder Absorption, chemische Reaktion, Ionisation und Akzeleration in einer Pläche oder Diffusion "durch eine halbdurchlässige Membran. Viele Pumpen beinhalten Kombinationen dieser Verfahren*

Im Prinzip besteht eines der einfachsten Verfahren zur Ent-

QQSÖ32/ÖQ93

fernung eines Gases aus einem Volumen darin, das Gas an den Wänden des Gefässes durch Verringerung der Temperatur abzulagern oder zu kondensieren. Falls das Gas durch Kondensation auf einer sehr kalten Fläche entfernt wird (so dass sein Dampfdruck vernachlässigbar ist) wird der Ausdruck "cryogenes Pumpen" oder "Kältepumpen" ("cryopumping") verwendet.

Die Entfernungsrate eines Gases hängt ab von dem Kondensationskoeffizienten des Gases bei der Temperatur der Fläche und dem verfügbaren Kaltflächenbereich. Der Kondensationskoeffizient ist der Bruchteil an Molekülen, die an der Fläche haften oder kleben, geteilt durch die Anzahl, die auf die Fläche auftreffen. Eine einfache Rechnung zeigt, dass eine mit flüssigem Stickstoff gekühlte Fläche ohne Leit- oder Ablenkflächen einer Pumpengeschwindigkeit von etwa 11 l/sek./qcm für Luft aufweist. Wenn Wasserstoff oder Helium benutzt wird, verringert sich jedqch wegen der Notwendigkeit, die kalte Fläche (Kälteplatte) gegen Strahlungswärme abzuschirmen, die theoretische maximale Pumpengeschwindigkeit auf weniger als die Hälfte des theoretischen Wertes ohne Abschirmung. Da jedoch die Kältepumpe sich direkt innerhalb des zu evakuierenden Volumens befindet, verringert sich die Pumpengeschwindigkeit nicht weiter, wie es der Fall ist bei anders» Pumpenvorrichtungen, die an das Volumen mittels ötrömungsbeschränkehder Leitungen angeschlossen werden müssen. Kältepumpen zeichnen

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sich weiterhin dadurch aus, dass sie eine konstante Pumpengeschwindigkeit über einen weiten Vakuumbereich beibehalten.

Ein faktor, der den Betrieb von Kältepumpen beeinflusst, ist das Ausmaß,in dem die Strahlungsabschirmung den Durchstrom des Gases zu der Kalteplatte stört oder auf ihn einwirkt. Es ist erforderlich, ein Gleichgewicht oder einen Ausgleich zwischen der effektiven Abschirmung der Kälteplatte gegen Strahlung und dem leichten, freien und ungehinderten Strom des Gases zu der Kälteplatte zu" erreichen. Eine Erhöhung des Koeffizienten der Gasübertragung durch die Strahlungsabschirmung ohne im wesentlichen die Strahlungsbelastung auf die Kälteplatte zu erhöhen, verbessert folglich den Betrieb der Pumpe.

Ein Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zum Kältepumpen. Die Erfindung erhöht den Koeffizienten der Gasübertragung durch die Strahlungsabschirmung, die verwendet wird, um die Wärmestrahlung auf die Kälteplatte zu stoppen, an der das Gas kondensiert. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dieser erhöhte Gas__übertragungskoeffizient erreicht, während eine ausreichende Abschirmung der Kälteplatte gegen Strahlung geschaffen wird, die bei Temperaturen von mehr als 78°K ausgestrahlt wird.

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Die Kälteplatte wird durch flüssiges Helium, kalten Heliumdampf oder flüssigen Wasserstoff gekühlt und gegen Strahlung * abgeschirmt durch ein System von Abdeckungen oder Deckeln und optischen Ablenk- oder Ableitflächen, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Durch die Ablenkflächen wird das Gas vorgekühlt} vorzugsweise sind sie ,jedoch nicht kalt genug, um es zu kondensieren* üblicherweise wird für die Strahlungsabschirmungen eine Temperatur von 77° bis 10O⁰E angewendet, wenn Luft gepumpt werden soll. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kühlt die Strahlungsabschirmung in diesem Bereich. Durch diese Vorkühlung des Gases wird das Verhältnis an Molekülen erhöht, die an der Kälteplatte anhaften, zu der Gesamtanzahl Molekülen, die auf die Kälteplatte auftreffen, d.h. durch die Vorkühlung wird der Kondensationskoeffizient erhöht.

Es besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen der Pumpengeschwindigkeit und dem Grad oder Ausmaß der Strahlungsabschirmung. Die unabgeschirmte Kälteplatte würde sich der theoretischen Pumpengeschwindigkeit annähernd, würde Jedoch einer maximalen Strahlung ausgesetzt sein, während eine total umschlossene Kältepumpe eine Pumpengeschwindigkeit von Null bei vollständiger Strahlungsabschirmung aufweisen würde. Da das gasmolekulare Verhalten in dem Hochvakuumbereich ähnlich dem Strahlungswärmeverhalten ist,

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■besteht eine direkte Beziehung zwischen der Übertragung an Gas und der Übertragung an Strahlung durch eine unvollständige Abschirmung, wie z.B. Ablenk- oder Ableitflächen.

"Weiterhin soll durch die Erfindung eine Kältepumpe mit grosser Vielseitigkeit geschaffen werden, die ein bedeutend verbessertes Strahlungs-Ablenksystem im Hinblick auf die Gasleitfähigkeit aufweist. Es wurde festgestellt, dass dieses erreicht wex'den kann durch Anordnung der Hauptkältepiatte parallel zu dem einströmenden Gasstrom. Eine Sekundärkälteplatte kann hinter einer zweiten Reihe von Ablenkflächen vorgesehen sein, wodurch die Pumpengeschwindigkeit weiter verbessert werden kann, die jedoch bei einigen Anwendungen als Kühleinrichtung für adsorbierende Materialien, wie z.B. Holzkohle, verwendet werden kann, um nicht-koE&nsierbare Gase (wie z.B. Helium und Wasserstoff) zu entfernen, falls die Kälteplatte nur auf 20⁰K gekühlt ist.

Die vorerwähnte Kälteplattenausrichtung ermöglicht es, "Halbwinkel"-Ablenkplatten (einzelne Platten) anstatt stark behindernder "Vollwinkel·"-Ablenkplatten (zwei Platten oder flächen, die in entgegengesetzter Richtung geneigt sind und an dem Scheitelpunkt verbunden sind) zu verwenden.

Der Abstand von der Basis zur äusseren Kante, gemessen recht-

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winkelig zur Ebene der Ablenkplatten und im folgenden als "Höhe" bezeichnet, der Hauptkälteplatte oder Leitfläche wird bestimmt durch den Anhaftekoeffizienten der Kälteplatte, und weist einen optimalen Wert auf. (Falls diese Höhe ^2U kurz ist, wird es dem durchdringenden Gas gestattet, in die Vakuumkammer zurückzuentweichen, falls sie zu lang ist, wird ein Teil der Fläche keine Pumpenwirkung ausüben.)

Im allgemeinen hängt die Pumpleistung einer Kältepumpe. stark vn dem Aufbau oder der Auslegung der Leitflächen ab. Für einen gegebenen Typ der Leitflächengeometrie kann ausserdem cäs Gasübertragung durch die Ablenk- oder Leitflächen verändert werden durch Änderung einer oder mehrerer Dimensionen der Ablenk- oder Leitflächen. Die wirksame oder leistungsfähige Leitflächen- oder Ablenkflächenauslegung basiert auf der Vorkenntnis der Wirkung der Änderung der Dimensionen djer Ablenkflächen auf ihre Gasübertragungsfähigkeit. Diese Kenntnis wird es dem Konstrukteur ermöglichaa, die optimale Geometiiß der Ablenkflächen für eine optimale Gasübertragung zu bestimmen, während die erwünschte optimale Dicht_e beibehalten wird.

Die Pumpleistungsfähigkeit der Kältepumpe wird nicht nur von dem Übertragungskoeffizienten der Ablenkflächen be-

Rippe stimmt, sondern auch von der Höhe der , der

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Grosse des Kältepumpen-"Abteils" und anderen Faktoren, da kein Gas fähig ist _t'"direkt auf die Kältepumpe auf autreff en, nachdem es durch, die Leitflächen oder Ab lenkflächen hindurchgetreten ist.

Durch die Erfindung soll weiterhin eine verbesserte Kombination der Strahlungsabschirmung und Kälteplattenanordnung für Kältepumpen geschaffen werden mit einem wirksamen Ausgleich zwischen Strahlungsabschirmung und Pumpengeschwindigkeit. Die erfindung8gemäsae" Kältepumpe ist anwendbar auf eine groaee Vielzahl von Vakuumkammeranordnungen und Gestaltungen und Wärme-Umweltbedingungen.

Veitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden beispielsweisen Beschreibung anhand der Zeichnung hervor, in der entsprechende Teile mit gleichen Besugszahlen versehen sind; in dieser zeigen:

Fig.1 eine Schema/tische Ansicht, in der das Prinzip der Erfindung dargestellt ist, die

g
und 3 schematische Ansichten ähnlich der Fig.1, in der

weitere !.usführungsformen der Erfindung gezeigt sind, die

Fig.4a

und A"b gebrochene Vorderansichten des in den Fig. 2 und 3 gezeigten Aufbaues,

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Fig.5 eine gebrocJijsn^ schematiSGhe Ansicht einer wei-

teren Ausführungsform der Erfindung, Fig.6 die Vorrichtung nach JFig.5» angeordnet in einer Kammer und angeschlossen an Quellen eines Kühlmittels,

Fig.7 eine gebrochene Ansicht, in der eine weitere Abwandlung der Erfindung dargestellt ist, und Fig.8 eine Kurvendarstellung, in der die Veränderung des Übertragungskoeffizienten der Ablenk- oder Ableitflächen gezeigt ist.

Fig.1 zeigt die einfachste Form der Erfindung. Ein Strahlungsschirm 20 bildet eine Kammer 22. Dieser Strahlungsschirm 20 weist die Wände 23*24,25 und 26 auf. Es ist eine entsprechende Wand gegenüber der Wand 24 vor der Schnittebene vorgesehen. Der Boden der Kammer 22, wie in Fig.1 gezeigt, weist eine öffnung 27 auf, durch die das Gas in die Kammer eintreten kann.

Eine Kälteplatte (cryoplate) 30 ist freistehend in der Kammer 22 aufgehängt und erstreckt sich in einer Richtung" rechtwinkelig zur Bodenwand, die die öfffnung 27 aufweist. Die hintere Wand 26 ist entweder ein hohles Abteil 32 oder ist mit einer Reihe von untereinander verbundenen Röhren ausgerüstet, durch die das Kühlströmungsmittel zirkuliert.

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Bei der dargestellten Ausführungsform tritt das Kühlströmungsmittel in das Abteil 32 durch das Einlassrohr 34 ein und strömt aus dem Abteil durch ein Auslassrohr 35 aus. Die Kälteplatteji 30 wird in gleichartiger Weise mit einem Kühlströmungsmittel durch ein Einlassrohr 37 und ein Auslassrohr 38 versorgt.

Über der öffnung 27 ist eine Strahlungsabschirmung 40 angeordnet, die eine Anzahl Jalousieflächen 42 aufweist. Die Jalousieflächen oder Ablenkflächen sind im gleichen. Abstand voneinander entlang der Mnie der öffnung 27 angeordnet und sind von der Kälteplatte 30 weggeneigt, wenn sie sich nach oben erstrecken. Sie sind mit der Wand 24 und der dieser gegenüberliegenden Wand verbunden und werden somit durch Ab- oder lOrtleitung auf eine !Temperatur nahezu gleich der !Temperatur der Abschirmung abgekühlt« Die gestrichelten Mnien 44 deuten die Grenzen des Sichtfeldes durch die Zwischenräume zwischen den Jalousieflächen 42 an der Seite des leides an, welches näher zu der Kälteplatte liegt. Es ist zu ersehen, dass die Kälteplatte 30 sich nicht in dem ^ichtfeld durch irgendeine der Abstände zwischen den JaIousieilächen oder Ablenkflächen 42 befindet, und dass somit die Ablenkflächen 42 eine "totale optische Dichte" in bezug auf die Kälteplatte 30 erziehen. Es ist weiterhin zu beachten, dass die Ablenkflächen 42 "Halb-Winkelflachen"

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( "half-chevron") sind. Dieses ist vorteilhaft, da der Gasstrom zwischen diesen AbIenkflachen viel weniger behindert wird als bei "Vollwinkel-Ablenkplatten¹¹ ("full-chevron baffles"). ■

Obgleich die Ablenkflächen parallel zueinander eingestellt werden können, hat bei der bevorzugten Ausführungsform jede der Ablenkflächen 42 einen unterschiedlichen Kippungswinkel (Neigung), der .durch numerische Berechnung bestimmt wird, um die leistungsfähigsten Gasübertragungscharakteristiken zu erzielen.

Das wichtige Kriterium, welches die Gasübertragungswirksamkeit bestimmt, ist die Beziehung zwischen AblenJ|klächenhöhe und Ablenkflächenabstand. Es ist klar zu ersehen, dass, falls die Ablenkflächen eng aneinander angeordnet sind, ein langer und schmaler Durchgang zwischen jedem Satz benachbarter Ablenkflächen erzeugt wird. Die Übertragungswirksamkeit wird erhöht, wenn der Abstand oder die Trennung zwischen den Ablenkflächen erhöht wird, bis eine theoretische hundertprozentige Wirksamkeit erreicht ist, wenn der Abstand beträchtlich grosser ist als der mittlere freie Weg des Gases (die Durchschnittsentfernung, die ein Molekül zurücklegt, bevor es mit einem anderen Gasmolekül zusammenstösst)· Falls die Ablenkflächen in bezug auf die Gaseinlassebene geneigt sind (wobei die

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aussere Kante der Ablenkflächl"n*der Vakuumkammer zugekehrt sind), wird die ÜbertragungsWirksamkeit weiter reduziert. Fig.8 zeigt, dass es wichtig ist, die Grosse des Übertragungskoeffizienten für jeden Ablenkflächensatz oder für jede Ablenkflächeneinstellung zu kennen, um einen optimalen Wert für das gesamte Ablenkflächensystem zu erreichen, da es augenscheinlich ist, dass die Veränderung des Übertragungskoeffizienten in bezug auf die Geometrie der Ablenkflächen nicht-linear ist und nicht einfach aus einem einzigen Wert extra poliert werden kann.

Für eine qfcimale Leistung müssen die Ablenkflächen einzeln in verschiedenen Kippimgswinkei^ a-iSiitiert weru.— „ ^r-^ der Winkel der kleinste Winke! ist, der benutzt werden kann

den-
und fitoah eine "gesamtoptisehe Dichte" erreich/bar ist. Es ist jedoch wünschenswert, die Ablenkflächen in einem, konstanten Abstand anzuordnen, wie es bereits erklärt wurde.

Der flüssige Stickstoff wird vorzugsweise durch das Abteil 52 zirkuliert und der flüssige Wasserstoff oder das flüssige oder kalte gasförmige Helium wird durch die Kälteplatte 30 zirkulert. Es könnten andere ßtrömungsmittel verwendet werden, je nach der Art des Gases, welches durch die Kältepumpe entfernt werden soll und den Drücken,mit denen das Pumpen ausgeführt werden soll.

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Fig.2 zeigt eine Abwandlung der Erfindung, bei der zwei Kälteplatten 30 an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Diese Ausführungsform schafft eine grossere Kollisons- oder Auftreffläche, die den Molekülen zur Verfügung steht, auf der die Moleküle anhaften oder kleben können. Auch in diesem Fall bildet der Strahlungsschirm 20 eine Kammer 22. Der Strahlungsschirm 20 weist die Wände 23,24,25 und 26 auf. ν Es ist eine entsprechende Wand gegenüber der Wand 24 vor der Schnittebene vorgesehen. Die Unterseite der Kammer 22 weist', wie in Fig.2 gezeigt, eine öffnung 27 auf, durch die das Gas in die Kammer 22 eintreten kann. Die Strahlungsabschirmung 40 über der öffnung 27 weist meherere Jalousieoder Ablenkflächen 42 auf, die so angeordnet sind, dass eine optische Dichte in bezug auf die beiden Kälteplatten 30 erreicht wird. Der Fluss der Kälteströmungsmittel ist derselbe wie in Fig.1 und ist mit denselben Bezugszahlen versehen.

Fig.3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung. Ein Strahlungsschirm 50 ist langer als der Schirm 20 der Fig.1 und weist eine hohle Rückwand 52 auf, durch die das Eühlströmungsmittel strömt. Das Strömungsmittel wird durch ein Rohr 54 zugeführt und durch ein Rohr 55 abgeführt. Alle Wände des Strahlungsschirmes 50 werden durch Wärmeableitung in das Kühlmittel in der Rückwand 52 gekühlt. Die

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Wände bestehen vorzugsweise aus Metall, welches eine gute Wärmeableitung schafft. Die Jalousie- oder Ablenkflächen 57 und 58 bestehen ebenfalls vorzugsweise aus hochleitfähigem Metall oder einem anderen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und sind an ihren entgegengesetzten Enden an Wänden des Strahlungsschirmes 50 befestigt, so dass diese Ablenkflächen 57 und 58 ebenfalls durch das Kühlströmungsmittel in der hohlen Rückwand 52 gekühlt werden. Es ist zu ersehen, dass die Seitenwände und andere Teile des Aufbaues hohl ausgelegt werden können zur Zirkulation des Kühlströmungsmittels, falls die Kältepumpe eine derartige Größe aufweist, dass die Abstände zu gross sind für eine zufriedenstellende Wärmeabfuhr durch Ableitung.

Der Strahlungsschirm 50 ist mit zwei Öffnungen 61 und 62 in seiner unteren Wand versehen. Die Ablenkflächen 57 schützen die Öffnung 61 in derselben Weise wie die Ablenkflächen 42 der Fig.1. Die anderen Ablenkflächen 58, welche in der anderen Richtung geneigt sind, schützen die Öffnung 62. Der Unterschied in der Richtung der Neigung der Ablenkflächen 57 und 58 ist erforderlich, da die Kammern 64 und 65, die über den jeweiligen Ablenkflächen 57 und 58 angeordnet sind, die Kälteplattenfläche an einem unterschiedliehen Ende der Kammer haben.

Ein Merkmal des in Fig.3 gezeigten Aufbaues besteht darin,

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dass nur eine Kälteplatte 67 für beide Kammern 64 und 65 vorgesehen ist. Diese Kälteplatte 67 bildet eine gemeinsame Wand, die die Kammern 64 und 65 trennt, und die entgegengesetzten Seiten der Kälteplatte 67 bilden die Kältepumpenfläche für die jeweiligen Kammern.

Eine weitere Abwandlung der in Pig.3 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass eine Kälteplatte 69 vorgesehen ist, die sich entlang dem grössten Teil des Bereiches der Wand 52 an.der Oberseite beider Kammern 64 und 65 erstreckt. Bei der bevorzugten Ausführungsform stellt die Kälteplatte 67, welche die Kammern 64 und 65 teilt, lediglich ein Trennwandteil der Kälteplatte 69 dar. Da sich die Kälteplatte 69 in dem Sichtfeld befindet, das beim Durchblick durch die Abstände zwischen den Ablenkflächen 37 und 58 von außerhalb des Strahlungsschirms 50 sichtbar ist, ist es. erforderlich, weitere Ablenkflächen 71 und 72 vor den Teilen der Kälteplatte 69 an den oberen Enden der Kammern 64 bzw. 65 vorzusehen.

Das Vorhandensein der zusätzlichen Kälteplatten 69 verbessert weiterhin die Pumpenleistung der Kältepumpe, indem es einem Teil des Gases, welches nicht auf die Kälteplatte 67 auftreffen würde, gestattet, durch die Ablenkflächen 71 und 72 hindurchzupassieren und an den Kälte-

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platten 69 gefroren zu werden.

Die Ablenkflächen 71 und 72 sind in entgegengesetzter Richtung zu den Ablenkflächen 57 und 58 geneigt und sind in so einem engen Abstand zueinander angeordnet, dass sie mit den Ablenkflächen 57 und 58 zusammenwirken, um eine gesamtoptische Dichte für die Kälteplatte 69 zu schaffen. Die Neigungen der Ablenkflächen 71»72,57 und 58 sollten wiederum unterschiedlich und so erstellt sein, dass sich optimale Gasübertragungsbedingungen ergeben. Der Strom des Kühlmittels zu den Kälteplatten 69 und 67 geschieht durch Rohre, die mit denselben Bezugszeichen wie in Fig.1 baeichnet sind, denen jedoch ein Strich hinzugefügt wurde.

Fig.4a zeigt eine gebrochene Vorderansicht eines Strahlungsschirmes, bei dem die öffnung 27 im wesentlichen rechteckig ist. Fig.4b zeigt eine ähnliche Ansicht, in der die öffnung 61 im wesentlichen kreisförmig ist. Es ist selbstverständlich, dass durch die Erfindung es ermöglicht wird, Kältepumpenvorrichtungen verschiedenster Grosse und Formen herzustellen. Die Ablenkflächen 42 und 57 sind mit den Kammerwänden 22 bzw. 75 verbunden und zwar an den Enden der Ablenkflächen.

Fig.5 zeigt eine Möglichkeit, in der die Kältepumpe von

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einer einzigen Kälteplatte JO, wie es in Fig.1 gezeigt ist, zu einer Einheit mit mehreren Rippen vergrö'ssert werden kann. Diese seitliche Vergrösserung ist wichtig, da die Verlängerung der Hippe in der vertikalen Ebene der Figuren zur Erzeugung einer grösseren Kälteablagefläche nicht die Pumpengeschwindigkeit in einer merkbaren oder bedeutenden Weise erhöht, Ein Strahlungsschirm 80 ist mit langen parallelen

" Wänden 82 und Stirnwänden 84 versehen, um eine längliche Kammer zu bilden. Die Hauptablenkflächen 200, welche den Ablenkflächen 42,57 und- 58 der Fig. 1 und 3 entsprechen, und Sekundärablenkflächen 86, die den Ablenkflächen 71 und 72 der Fig.2 entsprechen, sind an ihren entgegengesetzten Enden mit dem länglichen Wänden 82 verbunden. Diese Wände ■ 82 und 84- sind zusammen mit den verbundenen Ablenkflächeri 200 und 86 und den permanenten Teilen 93» vorzugsweise als Untereinheit oder Unteraufbau, hergestellt und sind alle

! untereinander verbunden, so dass sie eine aus einem Stück bestehende Einheit bilden. Dieser Unteraufbau umfasst die Stütze nicht nur für die Ablenkflächen 200 und 86, die vorzugsweise unabhängig verbunden sind, sondern auch für eine Kälteplatte 90 und eine Kühleinrichtung 92 für die Ablenkflächen, die an dem oberen Ende des Schirmes 80 angebracht ist.

Die Kälteplatte 90 weist ünterteilungsteile (Rippen) 91 &»

91b und 91c auf, die die längliche Kammer des Strahlungsschirmes 80 in getrennte Kammern aufteilt, welche eine gemeinsame Kälteplattenquerwand zwischen ihnen aufweisen, wie es der Fall ist "bei der in Fig.3 gezeigten Ausführungsform. Der längliche Strahlungsschirm 80 der Fig.5 weist jedoch verschiedene Gruppen von Kammern auf. Jede Gruppe von zwei Kammern, die ein Kalteplattentrennwandteil zwischen ihnen aufweist, ist von der nächsten Gruppe durch eine permanente Trennwand 93 getrennt, die vorzugsweise Teil des Strahlungsschirmes 80 ist, wobei die entgegengesetzten Enden der Trennwand 93 mit den länglichen parallelen Wänden 82 verbunden sind.

Die Kälteplatte 90 bildet mit ihren Trennwandteilen 91a und einem Kühlmittelzuführungsrohr 37' und -auslassrohr 38' einen weiteren Unteraufbau oder eine weitere Untereinheit der Vorrichtung. Dieser Unteraufbau ist mit dem Verankerungsstab oder der Stange 88 durch einen" Bügel 96 verbunden und an

Enden

den entgegengesetzten/mit den Stirnwänden 84 durch die Bügel 97 verbunden.

Zur Kühlung der Ablenkflächen 200 und 86 und 'der Wände des länglichen Strahlungsschirmes 80 ist der hohle Flüssigkeitsoder Sbrömungsmittelbehälter 92 als getrennter Unteraufbau ausgelegt. Dieser Heservebehälter 92, der die eine Wand des

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längliolien Strahlungs schirm.es 80 "bildet, ist an den entEnden

gegengesetzten/mit den Endwänden 84 und an den entgegengesetzten Seiten mit den länglichen Seitenwänden 82 verbunden.' Die hohle längliche Wand "bzw. der Reservebehälter 92 trägt ein Kühlmitteleinlassrohr 54·' und ein Kühlmittelauslassrohr 55'·

Der in Fig. 5 gezeigte Kühlpumpenaufbau ist allgemein mit der Bezugsziffer 100 versehen. Fig·6 zeigt diesen Kühlpumpenaufbau 100 angeordnet in einem Behälter 102, der eine Vakuumkammer umschliesst« J¹Xg.6 zeigt weiterhin einen transportablen Flüssigkeits- oder Strömungsmittelbehälter 104, der an dem oberen Ende des Behälters 102 durch ein Verbindungsstück 106 befestigt ist. Dieser transportable Flüssigkeitsbehälter weist "einen Flüssigstickstoffsammelbehälter 1flO und einen Flüssighelium oder -Wasserstoff-Sammelbehälter 112 auf. Der Sammelbehälter 110 ist an die Rohre 54' und 55' angeschlossen und der Sammelbehälter ist an die Rohre 37* und 38' angeschlossen. Die Kältepumpe kann entweder vertikal, horizontal oder in irgendeinem ' anderen Winkel innerhalb der Vakuumkammer eingebaut sein.

Fig.6 zeigt eine typische Installation, in der beide Kälteströmungsmittel von transportablen Sammel- oder Reservebehältern beliefert werden. Der transportable Reservebehäl-

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ter dient hier als Versorgungsgefäss für das flüssige Helium oder den Wasserstoff. Ba* der Verbrauch dieser Strömungsmittel bei kleinen Kältepumpen gering ist, ist dieses das bevorzugte Verfahren, da es AbkühlungsVerluste verringert, die aufgrund des intermittierenden Transportes bzw. der Übertragung der Strömungsmittel von einem entfernt liegenden Behälter durch isolierte Rohre auftreten.

Andererseits ist der Verbrauch des Abschitmungskühlmittels (flüssiger Stickstoff) grosser und muss aus grösseren Dewargefässen ergänzt werden. Der Flüssigstickstoffsammelbehälter 110 wird verwendet, um eine zusätzliche Kühlungsisolation für den Flüssigstickstoff oder -wasserstoffbehälter 112 zu schaffen, wenn der tragbare Strömiitngsmittelbehälter in Betrieb ist. Aus Zweckmässigkeitsgründen wird der Sammelbehälter 110 ausserdem verwendet als Zwischentransport oder -übertragungsgefäss für den flüssigen Stickstoff, der für die Abkühlung der Kältepumpenabschirmung verwendet wird. Auf diese Weise wirkt er als Puffer, wenn die Flüssigstickst offhauptversorgung ergänzt wird. Er wirkt weiterhin als ein Dampf/Flüssigkeits-Separator für den Fall, daß der flüssige Stickstoff durch das Abzugsrohr 55' durchsickert oder entweicht. Bei grossen Anlagen, wo der Verbrauch sowohl der Abschirmungs- wie auch der Kälteplattenkühlmittel sehr hoch wird, können diese Kältemittel direkt

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■von grossen Dewargefassen oder von Kühlmaschinen durch Rohre zugeführt werden.

Per flüssige Helium- oder -Wasserstoffluss wird gesteuert durch ein Solenoidventil 115» welches von einem Temperaturmessgerät, wie z.B. einem Kohlewiderstand oder einem Verdunstungs- oder Dampfdruckthermometer, aktiviert wird, welches in der Kälteplatte eingebaut ist. Die Messgerätaktivierungstemperatur sollte auf zwischen 4- und 15°K eingestellt sein. Bei Verwendung von flüssigem Wasserstoff muss das Abzugsrohr mit einem speziellen Zusatzstück versehen sein und nach aussen ins Freie abgeführt werden, frei von jeder Flamme oder Funkenquelle. Für Wasserstoff ist ein etwas unterschiedliches Temperaturmessgerät erforderlich als für Heliumj der spezielle Aufbau dieser Steuerungen bildet jedoch nicht Teil der Erfindung.

Fig. 7 zeigt eine gebrochene Ansicht, in der eine Ausführungsform ähnlich der in Fig.5 gezeigten dargestellt ist, bei der.jedoch die aufeinanderfolgenden Kammern in einem Kreis· anstatt entlang einer geraden Idnie angeordnet sind. Die Ablenkflächen an den vorderen Wänden der Kammern sind in einem Kreis so angeordnet, dass sie eine jalousieartige zylindrische Fläche bilden. Diese Figur dient dazu, zu

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zeigen, dass die Erfindung in verschiedenen Formen ausgeführt werden kann, je nach dem Behälter, bei dem sie verwendet werden soll. Die Jalousieartige oder mit Ablenkflächen versehene Fläche, welche in die Kammern führt,
die Kälteplatten enthalten, kann sich um den gesamten Umfang eines zylindrischen Behälters erstrecken, wie es in
Fig. 7 iJi einem Quadranten dargestellt ist.

und

In der Beschreibung/der Zeichnung wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben, es können jedoch änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden, und gewisse Merkmale können in anderen Kombinationen verwendet werden, ohne dass der Schutzumfang der Erfindung verlassen wird.

Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

s=s s ss a s

ί 1. jKältepumpe .gekennzeichnet, durch Wände, die eine Kammer umschliessen, welche an einer Seite für den Strom eines Gases in die Kammer offen ist, eine Wärme-

• mit

strahlungsabschirmung in der Öffnung/mehreren Ablenkoder Ableitflächen, die vorbestimmte Neigungen aufweisen und im Abstand voneinander angeordnet sind, und eine Kälteplatte, die in der Kammer angeordnet ist und sich in einer Eichtung in einem Winkel zur offer-· , -Seite der Kammer erstreckt und die so angeordnet ist, dass sie von ausserhalb der Kammer dxr die Zwischenräume zwischen den AbIenk- oder Ableitflächen nicht sichtbar ist.

2. Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,dass die Ablenk- oder Ableitflächen "Halbwinkeljalousieflächen" sind und dass die Kälteplatte sich im wesentlichen rechtwinkelig zu dem Ausmaß der offenen Seite der Kammer erstreckt.

3» Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Ablenk- oder Ableitflächen, die näher zur

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Kälteplatte liegen, in einem anderen Winkel geneigt sind als die übrigen Ablenk- oder Ableitflächen.

4. Kältepumpe nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , dass der Abstand der Ablenk- oder Ableitflächen untereinander entlang einer Linie gleich ist, auch wenn die Ablenk- oder Ableitflächen unterschiedliche Neigungen aufweisen.

5. Kältepumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, um die Ablenk- oder Ableitflächen und die Wände der Kammer auf eine niedrige Temperatur abzukühlen, jedoch nicht auf so eine niedrige Temperatur, dass Gase an den Ablenk- oder Ableitflächen bei dem herrschenden Druck kondensieren, und Mittel, umjdie Kälte-Platte auf eine wesentlich niedrigere Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes von Stickstoff bei demselben Druck abzukühlen.

€.. Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , dass die Pumpe zwei Kammern aufweist, deren offene Seiten an derselben Seite der Pumpe angeordnet sind und dass die Kälteplatte eine gemeinsame Wand der Kammern bildet.

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7· Kältepumpe.nach Anspruch 1, dadurch, g e k e η η ζ e Ic h η e t , dass die Pumpe mehrere aufeinanderfolgende Kammern aufweist, die an übereinstimmenden Seiten offen sind, und dass aufeinanderfolgende Gruppen von

Kammern

zwei/ jeweils eine Kälteplatte aufweisen, die eine gemeinsame Wand zwischen den "beiden Kammern bildet.

8. Kältepumpe nach Anspruch 1, gekennzeichne t durch mehrere Kammern, deren offene Seiten an Übereinstimmenden Seiten liegen und entlang einem Kreis angeordnet sind, um eine mit Jalousie- oder Ablenkflächen

zu . - - ■

versehene zylindrische Wand/bilden.

9· Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteplatte nahe an und im . · allgemeinen parallel zu einer Wand der Kammer angeordnet

10, Kältepumpe, gekennzeichnet durch eine Kammer mit Wänden, eine Gasein^assöffnung durch eine · Seite der Kammer, Ablenk- oder Ableitflachen, die sich quer zu oder Über dem Einlass erstrecken, und awei Kälteplatten in der Kammer, die Jeweils eine an einer anderen Wand der Kammer angeordnet sind und gegen eine

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Sicht von ausserhalb der Kammer durch die Äblenk- oder Ableitflächen blockiert sind,

11» Kältepumpe, ge k e η η ζ e i c h η e t durch eine Kammer mit einer Wand, die eine Kalteflache aufweist, welche sich, über einen "beträchtlichen Bereich der Wand erstreckt, einen Gaseinlass an einer Seite der Kammer gegenüber der Vand_t Ablenk- oder Äbleitflächen, die sich über oder quer au dem Einlass erstrecken und die im Abstand voneinander angeordnet sind, und weitere Ablenk- · oder Ableitflächen» die an der Seite der Kammer gegenüber den ersten Ablenk- oder Ableitflächen und 'unmittelbar vor der Kältefläche angeordnet sind und sich in unterschiedlichen Sichtungen zu den ersten Ablenk- oder Ableitflächen erstrecken und mit diesen 3ä Beziehung stehen, um zu verhindern, dass eine direkte Strahlung von ausserhalb der Kammer die Kältefläche erreicht·

12. Käitepumpe nach Anspruch 11, dadurch, gekennzeichnet., dass die anderen Ablenk- oderAbleitfläcken kurzer sind als die ersten Ablenk- oder AbleiA-flachen und in einem engeren Abstand voneinander angeordnet sind als die ersten Ablenk- oder Ableitflächen.

13, Kältfcpumpe nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine aweite Kältefläche in der Kammer,

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• die sich in einer anderen Richtung als die erste Kältefläche erstreckt und völlig gegen eine Strahlung von ausserhalt der Kammer durfchfüe ersten Ablenk- oder Ableitflächen abgeschirmt ist.

14·. Kältepumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass die ersten Ablenk- oder Ableit- W flächen und die zweiten Ablenk- oder Ableitflächen verschiedene Gruppen umfassen und dass wenigstens einige derjAblerik- oder Ab leitflächen der einen Gruppe in einem unterschiedlichen Winkel von den anderen Ablenk- oder ' Ableitflächen derselben Gruppe ^geordnet sind.

15· KältepumpenvOCTicJitung, gekennzeichnet durch: -■ei,n--i stritt ze, eine Sälteplatte, die von der Stütze getragen wird und mit dieser verbunden ist, eine an der Stütze angeordnete Strahlungsabschirmung und eine Kühleinrichtung für die Strahlungsabschirmung, die mit der Stütze verbunden ist und in einer Lage angeorLnet ist, um Wärme von der Abschirmung durch Ableitung abzuführen.

; 16. Kältepumpenvorrichtung nach Anspruch 15» dadurch ge- / kennzeichnet , dass die Kälteplatte und die Kühleinrichtung für die Strahlungsabschirmung llnter-

! einheiten bilden und jeweils mit der Stütze verbunden

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sind, von der die Strahlungsabschirmung getragen wird.

17. Kältepumpenvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch g e ken η ζ e i c h η e t, dass die Stütze parallele Seitenwände und Stirnwände aufweist zur Bildung einer länglichen Kammer, dass die Kühleinrichtung einen hohlen Reserve- oder Sammelbehälter für verflüssigtes Gas, wie z.B. Stickstoff, aufweist, dass der Sammel- oder Reserve- f behälter mit der Stütze in Kontakt steht, um die Wände und die die Strahlungsabschirmung bildenden Ablenk- oder Ableitflächen durch Ableitung zu kühlen, dass die Platte einen Durchlass aufweist zum Durchfluss eines verflüssigten Gaskühlmittels mit niedrigerer Temperatur als in dem hohlen Sammel- oder Reservebehälter, dass die Platte sich entlang der Länge der parallelen Seitenwände an einer Stelle zwischen den parallelen Seitenwänden erstreckt und eine Seite der länglichen Kammer bildet, dass die

Platte Trennwandteile aufweist, die im Abstand voneinander in Richtung der länglichen Erstreckung der Kammer angeordnet sind und die Kammer in mehrere kürzere Kammern unterteilen» und das« die Trennwandteile der Platte völlig gegen eine Sicht von außerhalb der Kammer durch die Ablenk- oder Ableitflächen abgeschirmt sind, die die Strahlungsabschirmung bilden. >

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L e e r s e i t e