DE1551279A1

DE1551279A1 - Kaelteerzeugendes Kuehlsystem

Info

Publication number: DE1551279A1
Application number: DE19671551279
Authority: DE
Inventors: Currie Robert Bailor; Villaume Henry Frederick; Sellinger Martin S
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1966-06-03
Filing date: 1967-06-02
Publication date: 1970-03-19
Also published as: GB1153374A; US3422632A

Description

PATENTANWÄLTE

dr. w. Schalk ■ dipl-ing. peter Wirth

DIPL-ING. G.E. M. DANNENBERG · DR. V. SCHMIED-K.OWAR2IK

6 FRANKFURTAM MAIN

O*. IKhIl(HIlMEl 1TR. i9 1551279

Da/Pa BA 13 183.

Air Products and Chemicals, Inc, Philadelphia, Pennsyl, / USA

Kälteerzeugendes Kühlsystem

Die Erfindung bezieht aich auf kaiteerzeugende Kühlsysteme, im allgemeinen Cryostate genannt, die dazu dienen, in kurzer Zeit ein Abkühlen auf extrem niedrige Temperaturen zu erreichen, insbesondere auf kälteerzeugende Kühlsysteme, bei denen der bekannte Joule-Thomson-Effekt angewendet wird.

Die Erfindung findet ein weites Anwendungsgebiet .bei Luft und .RaumfahrtSystemen, bei denen Sewioht, Raumbedarf und Wirkungsgrad von erstrangiger Bedeutung eindj, sowie bei Systemen auf Bodenstationen und in Laboratorien, bei denen geringer Raumbedarf, einfaoha Arbeitsweise und schnelle Binatellbarkait von besonderer Bedeutung

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sind, wobei eine schnelle Einstellbarkeit besondere dort wichtig ist, wo vielfache Versuche vorgesehen sind und daher ein rasches Umschalten wünschenswert ist.

Spezielle Anwendungsgebiete, für die das System gut geeignet,"auf die es jedoch keineswegs beschränkt ist, sind verschiedene Arten der Spektroskopie, das Kühlen infraroter Detektoren, Feldionenmikroskopie, Temperaturfühler-Eichung sowie die Erforschung magnetischer Eigenschaften.

Systeme der Art» auf die sich die Erfindung bezieht, sind allgemein in Gebrauch, haben jedoch auf den Anwendungsgebieten noch nicht das Optimum an Wirkungsgrad und Zweckmäßigkeit erreicht, wo es erforderlich oder wünschenawert ist, Material auf extrem niedrige Temperaturen abzukühlen, beispielsweise bis unter -270° Ct oder wiederholte Kühlvorgänge durchzuführen, wie es bei Reihenversuchen erforderlich ist; oder ein Minimum an Kühlmaterial zu verwenden, wenn dieses relativ teuer oder nicht leicht erhältlich ist. ,

Bisher wurde ein Abkühlen auf extrem niedrige Temperaturen im allgemeinen durch Verwendung von

flüssigen Helium zusammen mit anderen Klüilmaterialien, 0098 1 2/0484 ^;

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wi· Wasserstoff und Stickstoff, erreicht. Flüssiges Helium ist wegen seines relativ hohen Preises nur verwendbar, wenn es unbedingt notwendig ist, d.h. selten· In vielen Laboratorien ist es daher nicht im Lagerbestarid vorrätig. Außerdem macht ee der für Versuchsreihen erforderliche häufige Y/echsel notwendig, daß die Temperatur bei federn Wechsel über einen weiten Temperaturbereich schnell absinkt und ansteigt· Dieser Temperaturbereich kann von der Raumtemperatur bis zur niedrigsten für die gewünschte Abkühlung erforderlichen Temperatur, beispielsweise bis unter -270° C reichen, wobei gro3e Mengen an Kühlmaterial benötigt werden.

Da flüssiger Stickstoff bei den verschiedensten LaboratoriuHsvorgängen benötigt wird und daher im allgemeinen eher auf Lager gehalten wird, strebt die Erfindung an, wo es möglich ist, flüssigen Stickstoff anstelle von flüssigem Helium zu verwenden, ferner Verluste an Kühlmittel durch Verdampfung möglichst gering su halten und schließlich gewisse Lagerungeprobleme zwischen Verwendungszaiträumen IU Vermeiden, um insgesamt die Betriebskosten hinsichtlich der Kühlmittel auf ein Minimum su bringen·

Joule-Thomson Ktthlsveteme sind weitverbreitet, sowohl

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für gewrbliche als auch für Laboratoriumezwecke. Der Joule-Thomson-Jffekt ist daher eo bekannt, daß er hier nicht näher beschrieben werden muß. Die

Kühl/ Anwendung des Joule-Thomson-Effektes bei gedrängt angeordneten,leichten Kühlanlagen wie CrjHBtaten, die entweder im offenen oder geochlossenen Kreislauf arbeiten, um extrem niedrige Temperaturen zu erreichen, ist ebenfalls auf dem Gebiet der Kälteerzeugung gut bekannt. ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gedrängt angeordnete, leichte und wirtschaftliche Kühlanlage zu schaffen, die bis zu 5?00 mW Kühlleistung bei so niedrigen Temperaturen wie - 27O⁰C durch praktische und wirtschi ftli ehe Verwendung von Y/asaeretoff und/oder Helium, die bei Kaumteiaperatur aus handelsüblichen Druckbehältern, zugeführt v.erden, und von flüssigem Stickstoff ala flüssiges Kühlmaterial, erzeugen kann.

/i'eiterhin bewweckt die Erfindung, das gewählte Kühlgas bzw. -gase unu flüssigen otickstoff möglichst wirksam einzusetzen, um eine schnelle kaskadeartige ' Temperatursenkunf; zu erreichen, bei der die Temperatur stufenweise gesenkt wird, wobei die Anzahl der Stufen veränderbar und Je nach der gewünschten niedrigsten Temperatur wählbar ist.

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In einer bevorzugten Ausführung3form gemäß der Zeichnung weist eine Kühlanlage nach der Erfindung eine schmale,konzentrische Gruppe von G-efäßen (die abgebrochen dargestellt sind) auf, wobei Teile in vergrößertem Maßstab gezeigt sind, um Einzelheiten des Aufbaus zu verdeutlichen.

Im Ausführungsbeispiel der Zeichnung zeigen:

Fig· 1 schema tisch und teilweise im Jchnibi; eine Ansicht des verbreiterten oberen Endes einer Kühlanlage nach der Erfindung mit außen angeordneten Elementen, die einen I'eil der Anlage bilden, wie a.B. eine ü-askühlmittel-V3rsorgung und eine reinigungseinrichtung;

Fig. 2 eine vergrößerte Teila«eicht dea oberen Endea des langen relativ en^en Johachtteils der Anlage, daa von dem in B¹Ig. 1 gezeigten Teil aus abwärts gerichtet ist} und

B¹Ig. 3 abgebrochen! eine Fortsetzung des Hchachtteila der Fig. 2, wobei das untere finde der Kühlanlage gezeigt ist.

In iigt 2 und 5 aüul die Mi t tola bücke lan;i;;ea ^rac Tülle v/eg/.iilaoijen, um dio /jeichniuig zu verkürzen, ohne daß EiriZölhuifcen deo iiufbauj ,veggelaüüen a bid

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Nach der Erfindung erfolgt das Kühlen in der offenbarten kälteerzeugenden Kühlanlage für Temperaturaenkungen bis unter -270⁰C stufenweise duroh aufeinanderfolgende Anwendung normalerweise gasförmiger kälteerzeugender Kühlmittel, deren Siedepunkt der Reihenfolge nach immer niedriger liegt, wobei

das erste Kühlmittel in flüssigem Zustand in die Anlage eingeführt wird, während die übrigen Kühlmittel in gasförmigem Zustand aus Druckquellen bei Haumteinperatur eingeführt werden. Eine bevorzugte Kühlini tfcelgruppe in der Reihenfolge der Anwendung bei Temperaturaenkungen in einer Dreistufenanlage sind ^Stickstoff, Wasserstoff,und Helium. Gegebenenfalls kann zu Beginn mittels äußerer Adsorptionseinrichtungen den gasförmigen Kühlmitteln Jasser entzogen werden. iDina weitere Reinigung der gasförmigen Kühlmittel, bei der verychraubzende Feststoffe entfernt werden, erfolgt innerhalb der Anlage mittels kalter Adsorptionseinrichtungen. Die Anlage weiab eine Dewarfcflasche baw. -gefäß auf, die einen Behälter für das flüssige Kühlmittel darstellt, sowie einen langgestreckten, abv/ärts gerichteten Wärmeaustausch-Schaft, di;r von innen nach außen von einem Strahlungsschutz und einer Ummantelung umgeben .ist. Bin durchgehender, isolierender luftleerer Raum umgibt die DewurSflasche und ersbreckt sich zu beiden Seiten des Strahlungsschutzes über die gesamte Länge des «/äriueauatausch-Sohaftes. Getrennte und allmähliche 009812/0484'

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Verflüssigung der gasförmigen Kühlmittel erfolgt mittels des Joule-Thomson Kühleffektes an voneinander abliegenden Stellen auf dem Weg durch den Wärmeaustausch-Schaft, wobei die verflüssigten Kühlmittel einzeln als Flüssigkeitslachen gehalten werden und wobei die Verflüssigung und Speicherung des Kühlmittels mit dea niedrigsten Siedepunkt im untersten Teil der Anlage, d.h. in der Kühlzone, die die zu kühlende Probe enthält, erfolgt. Beim Durchlaufen der Anlage wird eine bestmögliche Nutzung des indirekten Wärmeaustausches zwischen abwärts und aufwärts fließenden Strömen von Kühlmitteln in dem anfänglichen gasförmigen Zustand erzielt, in dem durch den Joule-Thomsön-Effekt erreichten verflüssigten Zustand und dem nachfolgenden gasförmigen Zustand, der durch Verdampfen angesammelter Flüssigkeit erreicht wird. Die größte Nutzung des flüssigen Kühlmittels wird, dadurch erreicht, daß das Kühlmittel nacheinander als Kühlflüs3igkeit für die eintretenden gas'förmigen

en Kühlmittel, die kalten Adsorptionsvorrichtung, den

Strahlungsschutz und die zu kühlende Probe dient. Pur die letztgenannte Funktion wird ein Flüssigkeitssyphon verwendet, mittel* deseen das flüssige Kühlmittel durch den geeamten .räraaaustaiiach-Schaft von der DewarJfflasche bis zu der Kühlzone geführt wird, wo es durch indirekten 'tfärmeaustausch dazu dient, den Probenhalter in Seiten schnellen Wechsels diar Umstellung bei Reihenversuchen kalt zu halten. 009812/0484

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In der gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist eine relativ kleine Kühlanlage dargestellt, die fähig ist, etwa 5oo mW Kühlleistung bei der Temperatur flüssigen Heliums, d.h. im Bereich unter etwa -27o°C, zu erzeugen, und die eine Kapazität von etwa 1 1 flüssigem Stickstoff besitzt· Die Dewarflasehe kann beispielsweise einen Durchmesser von etwa 15 »24- cm (6") haben, und die Anlage einschließlich der Ummantelung kann etwa 66,o4 cm (26") hoch sein·

Zu der Kühlanlage gehören eine obere zylindrische Dewarflasehe 5 und ein langgestreckter, rohrförmiger Wärmeaustausch-Schaft 6, der von der Dewarflasehe abwärtegerichtet ist, wie in Fig.i gezeigt. Fig.2 und 3 zeigen in Abwärtsrichtung fortlaufende, vergrößerte Teilabschnitte des Schaftes 6.

Außer dem flüssigen Stickstoff werden der Kühlanlage gasförmiger Wasserstoff und gasförmiges Helium aus Druckquellen, etwa handelsüblichen Zylindern mit unter Druck stehendem Gas von Kaumtemperatur, zugeführt. Die Zylinder sind schematisch dargestellt und mit Bezugszeichen 7 bzw. 8 versehen. Um die Anlage gegebenenfalls ganz oder

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teilweise als geschissenes System zu betreiben, kann rückgeführter Wasserstoff und/oder Helium durch leitungen 9 und 11 zugeführt werden. In jedem Falle ist ein minimaler Bedarf an gasförmigem Kühlmittel, insbesondere Helium, vorgesehen.

Der Wasserstoff und das Helium werden durch getrennte, warme Adsorptionseinrichtungen geführt, die schematisch dargestellt und mit den Bezugseeichen 12 bzw. 13 versehen sind, um die Gase in erster Linie in bezug auf Wasserentzug zu reinigen. Von den Adsorptionseinrichtungen 12 und 13 werden der trockene Wasserstoff und das trockene Helium durch Zuführleitungen 14 und 15 zum Kopfteil der Dewarflasche befördert, wo sie durch (nicht gezeigte) Einlasse in den luftleeim Raum der Dewarflaeche eingeführt werden. Die Einführstellen sind im Abstand an der Peripherie des Gefäßes auf bekannte Weise angeordnet, so daß eine genauere Beschreibung nicht erforderlich ist.

Die Dwarflasche 5 weist einen senkrecht verlaufenden, zylindrischen Außenmantel bzw. Gehäuse 16 auf, der bzw. das ein trichterförmiges unteres Teil 17 aufweist, das

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an einer AnschluQarmatur 18 für die abnehmbare Ummantelung 19 (Fig.2 und 3) endet, die den Schaft 6 völlig umgibt. Sie Ummantelung 19 wird mittels zusammendrüokbarer O-Ringe 21 im Reibkontakt auf einem abgesetzten Endstück der Armatur 18 gehalten·

Oben ist der Mantel 16 der Bewarflasche mittels eines Kopfteils 22 abgeschlossen, das mit Öffnungen für Einlaß- und Auslaßleitungen für Wasserstoff- und Heliumgas versehen ist. Die Anordnung dieser Öffnungen ist unwesentlich für die Erfindung, so daß sie nur schematisch dargestellt sind, um unnötige Einzelheiten aus der Zeichnung fortzulassen.

Konzentrisch innerhalb dee Mantels 16 ist ein kleineres und kürzeres Gefäß 23 angeordnet, das einen Behälter zur Aufnahme von flüssigem Stickstoff 24 bildet«, Das Gefäß weist einen zylindrischen Körper 25, ein Kopfteil 26 und einen Bodenverschluß 27 auf. Der Bodenverschluß 27 weist in der Mitte eine mit mehreren öffnungen versehene Armatur 28 auf, die als zweckmäßig mit dem Verschluß fest verbunden dargestellt ist, obwohl die Armatur auch ge- , trennt und abnehmbar an dem Verschluß btfestigt sein kann.

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Ein kurzes Rohretuck 29 geht mit seinen Enden durch den Mantelkopf 22 und den Gefäßkopf 26 und bildet den Einlaß für den flüssigen Stickstoff in das Gefäß 23. Das Rohr 29 stellt auch einen Abzug in die Atmosphäre dar.

Der eingeschlossene Ringraum 31 zwischen den vertikal verlaufenden Wänden des Mantels 16 und des Gefäßes 23 und der Raum über und unter dem Gefäß als Portsetzung des Ringraumes stellen einen isolierenden, luftleeren Raum dar.

In dt« luftleeren Ringraum 31 ist eine schraubenförmige, au· Tier Rohren bestehende Schlange, die als Ganzee mit 32 bezeichnet'ist, angeordnet, die aus zwei kleinen Rohren 33 und 34, die zum Führen des einströmenden Wasserstoff- bzw* Heliumgaseβ dienen, einem etwas größe- « ren Rohr 35» das sum Führen des ausströmenden Wasserstoffgaees dient, und einem relativ großen Rohr 36, das zum Führen des ausströmenden Heliumgases dient, besteht«

Di· vier parallellaufenden Rohre stehen an ihren Seiten-

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flächen in guter thermischer Verbindung miteinander, so daß ein wirksamer indirekter Wärmeaustausch zwischen den einströmenden Gasen und den kälteren, ausströmenden Gasen besteht, die in entgegengesetzter Richtung strömen.

Am unteren Ende der Schlage 32 trennen eich die zusammenlaufenden Rohre, wofcei die zwei kleinen Rohre 33 und 34 einige Windungen aufweisen und in guter thermischer Verbindung an das untere Ende des Gefäßes 23 angrenzen und dann durch Öffnungen in"dem Bodenverschluß 27 gehen. Die Enden der größeren Rohre 35 und 36 sind an die Armatur mit mehreren öffnungen angeschlossen, durch die sie mit ' den Durchlässen für das ausströmende Wasserstoff- und Heliumgas innerhalb des Schachtes 6 in Verbindung stehen.

In dem Gefäß 23 sind völlig in den flüssigen Stickstoff 24 eingetaucht zwei konzentrisch angeordnete kalte Adeorptionsschlangen 37 und 38 angeordnet, mit denen die eingeführten Wasserstoff- bzw. Heliumrohre 33 bzw. 34 verbunden sind, wobei die Schlange 37 innerhalb der Schlange 38 angeordnet ist.

Der Strahlungsschutz 42 ist ein Rohr, dessen oberes Ende 0.0 98 12/0484

an einem abgesetzten Teil der Armatur 28 befestigt ist und sich abwärts bis zu einem Punkt in der Mhe des unteren Endes der rohrförmigen Ummantelung 19 erstreckt. Am unteren Ende.des Schutzes 42 ist ein abnehmbarer, in Reibsitz angeordneter Becher 43 vorgesehen, dessen unterer Teil Öffnungen 44 aufweist. Auf diese Weise ist sowohl innerhalb als auch außerhalb des Schutzes ein durchgehender Bereich für Vakuumisolierung vorhanden, wie noch nachstehend erläutert ist_o Wenn die Ummantelung 19 und der Becher 43 abgenommen werden, ist der Zugang zu dem Probenhalter unmittelbar frei, so daß das Auswechseln der Proben leicht durchführbar ist.

Innerhalb des Strahlungsschutzes 42 ist im Abstand ein Mantel 45 angeordnet, dessen oberes Ende in einer Mittelöffnung in dem abgesetzten unteren Teil der Armatur 28 eingesetzt ist und der sich abwärts bis in die Mhe des Endes des Schutzes 42 erstreckt« Der Mantel 45 ist an seinem unteren Ende durch ein Teil 46 abgeschlossen, dessen Boden vorgesehen ist, die zu kühlenden Proben zu halten.

D©r Mittelteil einer Hohrlänge ist in mehreren Windungen

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um das untere Ende des Mantels 45 gelegt und mit diesem in guter thermischer Verbindung, so daß er eine Wärmeaustauschschlange 47 für flüssigen Stickstoff bildet. Das eine Ende 48 des Rohres verläuft aufwärts entlang der Außenseite des Mantels 451 geht durch eine öffnung in der Armatur 28 und endet im unteren Teil innerhalb des von dem Gefäß 23 gebildeten Behälters. Es ist ständig in den flüssigen Stickstoff 24 eingetaucht. Das andere Ende 49 verläuft gleichfalls aufwärts entlang der Außenseite des Mantels 45» zweckmäßigerweise auf der gegenüberliegenden Seite des Mantelrohres, geht dann durch die Armatur 28 und endet im oberen Teil des Gefäßes 23 oberhalb des flüssigen Stickstoffs 24. Dadurch wird ein U-förmiges thermisches Syphon gebildet, durch das ein schnelles Abkühlen der Spitze der Kühlanlage ermöglicht wird.

Innerhalb des Mantels 45 ist ein dreiteiliger Hohlzylinder angeordnet, der Rohrabschnitte 51» 52 und 53 aufweist, deren Enden durch Stöpsel 54 und 55 verbunden sind. Der oberste Rohrabschnitt 51 ist an seinem oberen Ende mittels eines Stöpsels 56 abgeschlossen. Der Stöpsel 56 hat eine Mittelöffnung, in der das untere Ende einer leitung 57 aufgenommen 1st, die sich aufwärts in die Armatur 28 erstreckt, wo sie durch eine seitliche Öffnung mit dem

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Rohr 35 für ausströmenden Wasserstoff in dem luftleeren Raum der Dewarflasche in Verbindung steht. Der Stöpsel 56 let weiter mit einer von der Mitte abliegenden öffnung versehen, durch die ein Wärmeaustausohrohr 58 geht, das an seinem oberen Ende durch die Armatur 28 mit der Adsorptionsschlange 37 in dem Gefäß 23 in Verbindung steht. Der unterste Rohrabschnitt 53 ist an seinem unteren Ende mit einem festen Stöpsel 59 versehen.

Der mittlere Stöpsel 54, der die Rohrabschnitte 51 und 52 des Hohlzylinders verbindet, ist an beiden Enden aus-' gebohrt, wodurch am oberen Ende ein tiefer Behälter 61 für flüssigen Wasserstoff und am unteren Ende über eine seitliche Öffnung ein Zugang zum unteren Ende einer Wärmeaustausch-Rohrschlange 62 entsteht. Die Rohrschlange 62 ist um den Rohrabschnitt 51 gewunden und steht an ihrem oberen Ende durch die Armatur 28 mit der Adsorptionsschlange 36 in dem Gefäß 23 in Verbindung. Der Mittelteil * der Schlange 62 let gerippt, während das obere und untere Ende glatt ist. Das untere Endstück der Schlange 62 ist um den Stöpsel 54 gewunden und steht in guter thermischer Verbindung mit diesem.

Innerhalb des obersten Rohrabschnitts 51 let ein gesonder-0 0 9 8 1 2 / 0 A 8 A

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ter, kürzerer innerer Hohldorn 63 vorgesehen Ein Stöpsel 64 verschließt dessen oberes Ende, und ein Stöpsel

65 mit einer axialen, abwärtsgerichteten Verlängerung

66 verschließt sein unteres Ende. Die Spitze der Verlängerung 66 ruht auf dem Boden der Bohrung, die den Behälter 61 bildet. Eine Rohrschlange 58 ist um den Hohldorn 63 gewunden und erstreckt sich in den Behälterraum 61, wo sie in einem Joule-Thomson-Auslaß 67 endet. Der Mittelteil der Schlange 58 ist gerippt, während die' oberen und unteren Windungen, die den Dorn 63 umgeben, glatt sind.

Der mittlere Stöpsel 55» der die Abschnitte 52 und 53 des Hohlzylinders verbindet, ist an seinem oberen Ende ausgebohrt und auch an der Seite ausgebohrt, wo er das obere Ende einer Wärmeaustausch-Rohrschlange 68 aufnimmt. Die Rohrschlange 68 ist um den Rohrabschnitt 53 gewunden und erstreckt sich in einen am Boden dee Mantels 45 vorgesehenen Behälterraum 69» wo sie in einem Joule-Thomson-Auslaß 71 endet. Wie bei der Rohrschlange 58 sind auch bei der Schlange 68 Anfang und Ende glatt und . der dazwischenliegende Teil gerippt.

Der mittlere Hohlzylinderabschnitt 52 ist mit adsorbieren-. · 0098 12/0484 ^ßAD

dem Material 72, etwa aktiviertem Kohlenstoff, gefüllt. Poröse IPilterscheiben 73 sind an jedem Ende des Rohrabschnitt tea 52 vorgesehen, die in versenkte Teile der Endbohrungen in den Stöpseln 54 und 55 eingesetzt sind.

Daher ist ein durchgehender Strömungsweg für den gegenläufigen Aufwärtsstrom des Kühlgases innerhalb des Ringraums zwischen der Innenwand des Mantels 45 und den Außenflächen des dreigeteilten Hohlzylinders vorhanden, d.h. des Raums, der von den Wärmeaustauschschlangen 62 und 68 eingenommen wird. Außerdem ist ein Strömungsweg für den aufwärtsführenden Gegenstrom von Kühlgas innerhalb des Ringraums zwischen der Innenwand des RohrabSchnitts 51 und der Außenwand des darin enthaltenen Hohldorns 63, d.h. des von der Rohrschlange 58 eingenommenen Raums, vorhandene Arn oberen Ende des Mantels. 45 ist in der mit mehreren Öffnungen versehenen Armatur 28 eine öffnung vorgesehen, durch die das aus dem Mantel 45 ausströmende Gas in das größte Rohr 36 der aus vier Rohren bestehenden Schlange 32 in dem luftleeren Raum der Dewarflasche geleitet wird.

Bei Betrieb der Vorrichtung, wenn Y/aaserstoff und Helium

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als gasförmige Kühlmittel verwendet werden, strömt gasförmiger Wasserstoff abwärts durch die Rohrschlange und wird durch Expansion an dem Auslaß 67 verflüssigt· Der flüssige Wasserstoff sammelt sich in einer Lache am Boden des Behälters 61. Der verdampfte gasförmige Wasterstoff strömt von der Flüssigkeitslaohe im Gegenstrom aufwärts durch den die Rohrschlange 58 enthaltenden Ringraum, so daß ein indirekter Wärmeaustausch zwischen den einströmenden und ausströmenden gasförmigen Wasserstoffströmen stattfindet. Gasförmiges Helium strömt laufend abwärts durch die Rohrschlange 62, durch den Adsorptionsabschnitt, der das adsorbierende Material 72 enthält, sowie durch die Rohrschlange 68, und wird durch Expansion am Auslaß 71 verflüssigt. Das flüssige Helium sammelt sich in einer Lache am Boden des Behälters 69· Das verdampfte, gasförmige Helium strömt von der Flüssigkeitslache im Gegenstrom aufwärts durch den die Rohrschlange 62 enthaltenden Ringraum, den Ringraum um den Rohrabschnitt 52, der keine Rohrschlange enthält und den die Rohrschlange 68 enthaltenden Ringraum, wodurch ein indirekter Wärmeaustausch zwischen den einströmenden und ausströmenden Heliumgasströmen stattfinden kann· Ein gewisser indi-

i rekter Wärmeaustausch findet auch zwischen dem auf den gegenüberliegenden Seiten des oberen Rohrabschnitts 51 strömenden Wasserstoff und Helium statt.

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Um zunächst das Vakuum herzustellen mnd es nach einem Wechsel wiederherzustellen, ist eine Armatur 74 in dem Kopfteil 22 zum Anschluß "an eine (nicht gezeigte) Vakuumpumpe vorgesehen.

In bezug auf das Kopfteil 22 dee Außenmantels 16 in der Dewarflasche 5 und den Bodenverschluß 27 und die zugehörige! mit mehreren öffnungen versehene Armatur 28 des Gefäßes 23» das den Behälter für den flüssigen Stickstoff bildetι stellt die besondere Ausbildung hinsichtlich der Einlaßr und Auslaßöffnungen für strömende Medien, die in die Kühlanlage eintreten bzw. sie verlassen und für solche Medien, die zwischen der Dewarflasche und dem Schaftteil durchgehen, keinen Teil der Erfindung dar und ist daher im einzelnen nicht gezeichnet· Sa die öffnungen zweckmäßig um die Achse der zylindrischen Anlage im Abstand Angeordnet sind, wären weitere Draufsichten und Schnitte notwendig, um ihre Anordnung vollständig darzustellen, was IUB Verständnis der Erfindung nicht notwendig erscheint.

Bei Betrieb der Vorrichtung wird flüssiger Stickstoff bei einer Temperatur von etwa -196⁰C in das Gefäß 23

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der Dewarflasche gegossen, das atmosphärischen Druck aufweist und durch das Einlaßrohr 29 belüftet wird. Der flüssige Stickstoff kann aus einer Dewarflasche für unter Druck stehenden flüssigen Stickstoff zugeführt werden, und es können herkömmliche Einrichtungen zum Regeln des Flüssigkeitsspiegels vorgesehen sein, um den Stickstoffspiegel konstant zu halten (wobei jedoch weder die Dewarflasche noch die Regeleinrichtung gezeigt ist).

Wasserstoff und Helium werden in Gasform aus herkömmlichen Druckbehältern der Kühlanlage zugeführt, wobei üblicherweise Einrichtungen, wie Hochdruckregulatoren, Strömung» messer, Regelventile, Druckmesser usw. je nach Bedarf dazwischen angeordnet sind.

Wasserstoffgas wird mit etwa 85o psig (60 atü) bei Zimmertemperatur und einer Geschwindigkeit von etwa 26 L/min und Heliumgae mit etwa 5oo psig (35 atü) bei Zimmertemperatur und einer Geschwindigkeit von etwa 37 L/min in die Anlage eingeführt. Die Druckbehälter für Wasserstoff und Sauerstoff weisen zunächst einen Druck von etwa 22oo psig (154 atü) bzw. 245o psig (172 atü) auf.

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Die Wasserstoff- und Heliumgasströme werden zunächst durch die sogenannten warmen Adsorptionseinriohtungen geleitet, in erster Linie um etwa darin enthaltenes Wasser zu entziehen, und von dort aus in die Dewarflasohe der Anlage bei Drücken von' etwa 85o bzw. 5oo psig und bei einer Temperatur von etwa 24⁰O eingeführt« Indem sie durch die Rohrschlangen in dem luftleeren Raum gehen, werden die einströmenden Wasserstoff- und Heliumgasströme durch indirekten Wärmeaustausch mit den ausströmenden Wasserstoff- und Heliumgasströmen abgekühlt, die mit einem Druck von etwa 2 psig (o,14 atü) und bei einer Temperatur von etwa To⁰C ausgestoßen werden.

Innerhalb der kalten Adsorptionsschlangen, die in den flüssigen Stickstoff eingetaucht sind, werden die Wasserstoff- und Heliumgasströme weiter auf eine -196⁰C angenäherte Temperatur abgekühlt, die die ungefähre Temperatur des flüssigen Stickstoffs ist.

In der ersten Stufe der Wärmeaustausch-Schafteinheit wird der Wasserstoff durch den Joule-Thomson-Effekt verflüssigt, woraus eine Temperatursenkung bis etwa -25o°0 resultiert. Beim Durchlaufen des ersten Wärmeaustauschabschnitts steht

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der Wasserstoff auch in indirektem Wärmeaustausch mit dem umgebenden Heliumgaskreislauf· Das einströmende Heliumgas, das durch indirekten Wärmeaustausch zunächst mit dem ausströmenden Heliumgas, dann mit dem flüssigen Stickstoff, dann wieder mit dem ausströmenden Heliumgas bei Tempera-

türen bis zur ungefähren Temperatur des flüssigen Wasserstoffs und schließlich durch indirekten Wärmeaustausch mit dem flüssigen Wasserstoff in dem Behälter 61 abgekühlt ist, tritt in den Adsorptionsteil der Einheit bei etwa -25o°C ein.

In der letzten Kühlstufe der Wärmeaustausch-Schafteinheit wird der abgekühlte Heliumgasstrom weiter durch indirekten Wärmeaustausch mit dem ausströmenden Heliumgas bei Temperaturen bis hinunter zur ungefähren Temperatur des flüssigen Heliums abgekühlt. Die letete Abkühlung des Heliumgases erfolgt durch das Verflüssigen durch den Joule-Thomson-Effekt, womit eine Temperatursenkung bis etwa -27o°C erreicht wird. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden verschiedene Vorteile erzielt, hauptsächlich der, daß das Abkühlen auf Temperaturen des flüssigen Heliums erreicht wird, ohne dal flüssiges Helium als eines der zugeführten Kühlmittel verwendet wird. Im Unterschied zu flüssigem Helium können gasförmiges Helium und

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gasförmigerWasserstoff, die in der Kühlanlage verwendet werden, unbegrenzt gelagert werden. Der flüssige Stickstoff ist leicht erhältlich, im allgemeinen in Laboratorien auf Lager, leichter als flüssiges Helium zu behandeln und billiger.

Zum günstigen Arbeiten der Anlage trägt wesentlich die Tatsaohe bei, daß der gesamte Strahlungsschutz, der die WärmeaustauBch-Sohafteinheit umgibt und sich ganz im luftleeren Raum der Ummantelung* befindet, durch die Kühlwirkung des. flüssigen Stickstoffe ständig im wesentlichen auf der Temperatur flüssigen Stickstoffs gehalten wird.

Während die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere im Zusammenhang mit ihrer Verwendung zum Abkühlen auf extrem niedrige Temperaturen beschrieben ist, kann die Anlage für , den ]?all einer Abkühlung auf weniger tiefe Temperaturen selbstverständlich mit einem einzigen Kühlgas außer dem flüssigen Stickstoff betrieben werden.

Obwohl die erfindungegemäße Vorrichtung im Zusammenhang mit der Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlflüssigkeit in dem Gefäß und von Wasserstoff als Kühlmittel der

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ersten und Helium als Kühlmittel der zweiten Stufe beschrieben ist, können auch ein anderes flüssiges und ein oder mehrere andere gasförmige Kühlmittel verwendet werden. In jedem Falle muß die Kühlflüssigkeit den höchsten Siedepunkt haben, und der Siedepunkt des Kühlmittels der ersten Stufe muß höher sein als der Siedepunkt des Kühlmittels der zweiten Stufe, wenn das Abkühlen in zwei Stufen erfolgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt ein eigenartiges und sehr vorteilhaftes Kühlverfahren, indem die Kühlflüssigkeit eine Kühlung in verschiedenen Stufen über die ganze Länge der Anlage bewirkt.

Zuerst werden dabei die einströmenden Kühlgasströme vor-' gekühlt, während des Durchgangs durch den luftleeren Raum der Dewarflasche; zweitens wird die zweite Adsorptionseinrichtung,die in dem Gefäß enthalten ist, gekühlt, wenn eine solche Einrichtung verwendet wird; drittens wird der Strahlungsschutz durch Wärmeleitung gekühlt, da dae obere Bnde des Schutzes physisch an der Bodenwand des Gefäßes befestigt iet; und viertens wird der Probenhalter gekühlt, der mit dem Bodenverschluß des den Wärmeaustauechechaft umgebenden Mantels verbunden ist.

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Claims

is

PATENTANSPRÜCHE :

-1." Kälteerzeugende Kühlanlage, gekennzeichnet durch einen ersten Behälter (23) für eine Kühlflüssigkeit (Ni), einen ersten Kanal (32), durch den ein unter Hochdruck stehendes gasförmiges Kühlmittel (H, He) im Wärmeaustausch mit dem ersten Behälter führbar ist, damit das gasförmige Kühlmittel abgekühlt wird, einen zweiten Kanal (68), der einen mit dem ersten Kanal (32) verbundenen Einlaß (62) sowie einen Joule-Thomson-Auslaß (71) aufweist, der von dem ersten Behälter abliegt, und nicht im Wärmeaustausch mit diesem steht, ferner durch einen zweiten Behälter (69)» der in der Nähe des Auslasses (71) angeordnet ist, um direkt durch den Joule-Thomson-Effekt verflüssigtes Kühlmittel aufzunehmen und anzusammeln, ferner durch einen Träger (46) für einen zu kühlenden Gegenstand, der im Wärmeaustausch mit dem angesammelten verflüssigten Kühlmittel steht, durch einen dritten Kanel, der Kühlmittel aus dem zweiten Behälter (69) im Gegenstrom zu und im Wärmeaustausch mit dem zweiten Kanal (68) führt, einen wärmeleitfähigen Strahlungsschutz (42), der den zweiten Kanal, den zweiten Behälter und den zu kühlenden Gegenstand

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umgibt, wobei ein !Teil des Strahlung β schutz es wärmeleitend mit dem ersten Behälter verbunden ist, sowie durch ein thermisches Syphon (47)» das ein Einlaßende (48) aufweist, das die Kühlflüssigkeit direkt aus dem ersten Behälter (23) aufnimmt, das weiter ein im Wärmeaustausch mit dem zweiten Behälter (69) stehendes mittleres !Teil sowie ein offenes Auslaßende (49) aufweist, durch das das Medium abziehen kann.

Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (32) getrennte Leitungen (33, 34) für zwei unter Hochdruck stehende gasförmige Kühlmittel (H, He) mit verschiedenem Siedepunkt aufweist, die im Wärmeaustausch mit dem ersten Behälter (23) geführt sind, daß ein vierter Kanal (58) innerhalb dee Strahlungsschutzes (42) vorgesehen ist, der einen mit dem ersten Kanal (32) verbundenen Einlaß aufweist, der das gasförmige Kühlmittel (H) mit dem höheren Siedepunkt aufnimmt, sowie einen Joule-Thomson-Auslaß (67), der von dem ersten Behälter abliegt und nicht im Wärmeaustausch mit diesem steht, daß ferner ein dritter Behälter (61) in der Nähe dieses Auslasses (67) vorgesehen ist, der das durch den Joule-, Thomson-Kühleffekt verflüssigte Kühlmittel mit dem höheren Siedepunkt direkt aufnimmt und ansammelt, wobei dieser vierte Kanal (58) und der dritte Behälter (61) «wischen

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dem ersten und dem zweiten Kanal angeordnet sind und wobei das ausströmende Kühlmittel (He) aus dem zweiten Behälter'(69) im Gegenstrom zu und im Wärmeaustausch mit dem zweiten Kanal (68) und dem vierten Kanal (58) aus dem zweiten Behälter (69) und das aus dem dritten Behälter (61) ausströmende Kühlmittel (H) im Gegenatrom und im Wärmeaustausch mit dem vierten Kanal (58) führbar ist.

3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Behälter (23) ein Dewargefäß ist, daß der erste Kanal (32) ein erster Wärmetauscher ist, der innerhalb des luftleeren, isolierenden Raums um den ersten Behälter angeordnet ist und mehrfache Rohrschlangen zum G-egenstrom und indirekten Wärmeaustausch zwischen darin geführten Strömen des einströmenden gasförmigen Kühlmittels und des ausströmenden gasförmigen Kühlmittels aufweist» wobei das untere % stromabwärts befindliche Ende (37, 38) der Rohrschlange für das ein- strömende gasförmige Kühlmittel so angeordnet und vorgesehen ist, daß es in indirektem Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit in dem ersten Behälter steht.

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4· Kühlanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine abnehmbare, langgestreckte, rohrförmige Ummantelung (19) vorgesehen ist, die von der äußeren Bodenwand (17) des Dewargefäßes (23) abwärts gerichtet ist, daß der Strahlungsschutz (42) rohrförmig ist und in guten) thermischen Kontakt mit der Inneren Bodenwand (27) des Dewargefäßes Bteht und konzentrisch innerhalb der Ummantelung abwärts gerichtet ist, wobei».der Strahlungsschutz ein abnehmbares, mit Öffnungen versehenes unteres Teil

(44) aufweist, daß ferner ein rohrförmiger Mantel

(45) von der inneren Bodenwand (27) des Dewargefäßes in den Strahlungsschutz hineinragt und einen Bodenverschluß (46) aufweist, auf dem eine zu kühlende Probe lagerbar ist, wobei die Ummantelung (19) , der Strahlungsschutz (42) und der Mantel (45) mit radialem Abstand derart angeordnet sind, daß ein durchgehender luftleerer Raum innerhalb des Dewargefäßes und zu beiden Seiten des Strahlungeschutzes innerhalb der Ummantelung besteht.

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5. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daduroh gekennzeichnet, daß der dritte Kanal durch den ringförmigen Durchgang zwischen dem Mantel (45) und einem Dorn (51,52, 53) innerhalb des Mantels, sowie durch eine Leitung gebildet ist, die das obere Ende dieses Mantels mit der Rohrschlange (36) für das ausströmende gasförmige Kühlmittel in dem ersten Wärmetauscher (32) verbindet, und daß der zweite Kanal ein zweiter Wärmetauscher (68) ist, der in dem ringförmigen Durchgang angeordnet ist und eine Rohrschlange aufweist, deren unteres Ende in den Raum des zweiten. Behälters (69) am Boden des Mantels (45) führt, während das obere Ende (62) der zweiten Wärmetauschersohlange mit der Schlange (38) für dasi.einströmende gasförmige Kühlmittel in dem ersten • Wärmetauscher verbunden ist und das untere Ende

(68) der zweiten Wärmetauscherschlange den Joule-Thomson-Auslass (71) aufweist, wobei das verflüssigte Kühlmittel in dem zweiten Behälter

(69) auffangbar und das aufströmende gasförmige ■ Kühlmittel aufwärts durch den ringförmigen Durchgang, im G-egenstrom zudem einströmenden gasförmigen Kühlmittel führbar ist, das duroh die zweite Wärmetausohersohlange (68) strömt.

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6. Kühlanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmetauscher einzelne einführende und ausführende Rohrschlangen (33, 34, 35,36) für jedes von zwei gasförmigen Kühlmitteln mit verschiedenem Siedepunkt aufweist, die alle in guter Wärmeleitverbindung miteinander stehen, wobei die stromabwärts liegenden Enden der Schlangen für die einströmenden Kühlmittel in indirektem Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit in dem Behälter (23) stehen, daß ein erster Dorn (53) innerhalb des Mantels (45) mit Abstand von diesem angeordnet ist und einen ersten ringförmigen Durchgang bildet, der in dem zweiten Behälter (69) am Endteil des Mantels (45) endet, wobei das obere Ende des Doms hohl ist, daß ferner ein zweiter Dorn (63) innerhalb des hohlen oberen Endes des ersten Dorns (53) angeordnet ist, der einen zweiten ringförmigen Durchgang bildet, der in einem Behälter (61) am Boden des hohlen Dornendes endet, daß weiter ein dritter Wärmetauscher (62) vorgesehen ist, dessen Rohrschlange in dem das hohle obere Ende des ersten Dorns umgebenden Teil des ersten ringförmigen Durchgangs angeordnet ist, während das untere Ende der zweiten Wärmetaueeherschlange in guter Wärmeverbindung

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mit der Y/and dea Behälters (61) steht, daß der zweite Wärmetauscher (68) mit seiner Schlange in dem das untere Ende des ersten Dorns umgebenden Teil des ersten ringförmigen Durchgange angeordnet ist, wobei das untere Ende der zweiten Wärmetauscherschlange in guter thermischer Verbindung mit der Wand des zweiten Behälters steht, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch die das gasförmige Kühlmittel (He) mit dem niedrigeren Siedepunkt aus der betreffenden Schlange (38) in dem ersten «Värmetauacher in die dritte Wärmetauscherschlan^e .(62) und von der dritten Wärmet'auscherschlange in die zweite Wärmetauecherschlange (68) geleitet wird, wobei der erste ringförmige Durchgang einen Weg für den Gegenstrom des ausströmenden gasförmigen Kühlmittels mit dem niedrigeren Siedepunkt aus der Ansammlung in dem zweiten Behälter (69) um die zweite und dritte Wärmetauscherschlange zum oberen Ende des Mantels (4-5) bildet, daß ferner eine Einrichtung (28) vorgesehen ist, um das ausströmende gasförmige Kühlmittel mit dem niedrigeren Siedepunkt vom oberen Ende des Hauteis bu der entsprechenden Schlange (36) in dem ersten Wärmetauscher zu leiten, daß weiter ein vierter Wärmetauscher (58) vorgesehen ist, der innerhalb des zweiten ringförmigen

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Durchgangs eine Rohrschlange aufweist, sowie einen zweiten Joule-Thomson-Auslass (.67) an ihrem unteren Ende, in dem das gasförmige Kühlmittel (H) mit dem höheren Siedepunkt, das daraus ausströmt, verflüssigt wird, wobei das verflüssigte Kühlmittel sich in dem Behälter (61) sammelt, wobei der zweite ringförmige Durchgang einen Weg für das aus dem Behälter im Gegenstrom um die vierte Wärme tauscherschlange (58) zum oberen Ende des hohlen Dornstücks bildet, und daß eine Leitung vorgesehen ist, die das

gasförmige Kühlmittel mit dem höheren Siedepunkt von seiner Schlange (37) in dem ersten Wärmetauscher in die vierte Y/armetauscherschlange leitet und das ausströmende gasförmige Kühlmittel mit dem höheren Siedepunkt vom oberen Ende des Dorns in die entsprechende Schlange (35) in dem ersten i/ärme tauscher.

7. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (bei 74, Pig. 1) zum Herstellen bzw. jeweiligen Y/iederherstellen des Vakuums in dem Dewargehäuse (16) vorgesehen ist.

8. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische

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Syphon im wesentlichen die Form eines U-Rohres hat, dessen unterer Teil (47) in guter thermischer Verbindung mit dem unteren Ende des Mantels (45) steht und dessen seitliche Schenkel (48, 49) • siqh aufwärts entlang der Außenseite des Mantels erstrecken und oberhalb bzw. unterhalb der Oberfläche der Kühlflüssigkeit (Fi) in dem Dewargefäß (23) enden, wobei das untere Ende des Mantels in ständigem indirekten Wärmeaustausch mit der von dem Dewargefäß kommenden Kühlflüssigkeit gehalten ist.

9. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Adsorptionseinrichtung (12, 13, 37, 38, 72) zum Beseitigen von Verunreinigungen aus dem einströmenden gasförmigen Kühlmittel vorgesehen ist,

10. Kühlanlage nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionseinrichtung eine außen angeordnete^ Adsopptionseinrichtung (12,13) aufweist, die im wesentlichen bei Raumtemperatur arbeitet und hauptsächliche wässrige Verunreinigungen · aus dem gasförmigen Kühlmittel entfernt.

11. Kühlanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionseinrichtung eine innerhalb der Anlage angeordnete Adsorptions-

einriohtung (37,38) aufweist, die in indirektem 009812/04 8.4

Wärmeaustausch mils d er Kühlflüssigkeit in dem ersten Behälter (23) steht.

12. Kühlanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die innen angeordnete Adsorptionseinrichtung eine Schlange (37,38) aufweist, die mit festem adsorbierendem Material gepackt und so angeordnet ist, daß sie völlig in der Kühlflüssigkeit des ersten Behälters liegt.

13. Kühlanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei gasförmigen Kühlmitteln jedem eine adsorbierendes Material enthaltende Schlange (37,38) in der Kühlflüssigkeit zugeordnet ist.

14. Kühlanlage nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite innen angeordnete Adsorptionseinrichtung (72) stromaufwärts von der zweiten Y/ärmetauscherschlange (68) angeordnet und mit dem Einlaß der zweiten Wärmetauscherschlange derart verbunden ist, daß das einströmende gasförmige Kühlmittel unmittelbar, bevor es durch die zweite Wärmetauscherschlange strömt, / durch diese Adsorptionseinrichtung strömt.

15. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite innen ange-

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ordnete Adsorptionseinrichtung (72) in der Einrichtung enthalten ist, die das gasförmige Kühlmittel von dem dritten Y/ärmetauscher (62) zu dem zweiten Wärmetauscher (68) leitet«

16· Kühlanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite innen angeordnete Adsorptionseinrichtung (72) eine adsorbierendes Material enthaltende Kammer im Mittelteil des ersten Dorne (53) ist.

17· Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführung (9,11) für das gasförmige Kühlmittel (H, He) vorgesehen ist·

Patentanwalt:

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