DE1503677A1 - Kaeltepumpenanordnung - Google Patents
KaeltepumpenanordnungInfo
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- DE1503677A1 DE1503677A1 DE19661503677 DE1503677A DE1503677A1 DE 1503677 A1 DE1503677 A1 DE 1503677A1 DE 19661503677 DE19661503677 DE 19661503677 DE 1503677 A DE1503677 A DE 1503677A DE 1503677 A1 DE1503677 A1 DE 1503677A1
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Description
DR. MÜLLER-BORi: DlPL.-lNG. GRALFS DR. MANlTZ
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
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.
009632/009)
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"
ι - - .■ ■
- 601132/601$
- ίο - ■
( "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
, J09832/Q0SI
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.
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.
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 -
009832/0091
Claims (1)
- Patentansprüches=s s ss a sί 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-• mitstrahlungsabschirmung 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 zur009932/0099Kälteplatte 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.009032/00837· 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 vonKammernzwei/ 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 Ablenkflächenzu . - - ■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 angeordnet10, 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 eine009832/OOitSicht 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 Vandt 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,009132/00·J• 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 verbundenBAD ORDINAL009832/0093sind, 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 diePlatte 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. >009832/0093srL e e r s e i t e
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