DE1551331C3

DE1551331C3 - Process and cooling device for generating very low temperatures

Info

Publication number: DE1551331C3
Application number: DE1551331A
Authority: DE
Inventors: Heinz London London
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1966-03-16
Filing date: 1967-03-02
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE1551331A1; NL6703783A; DE1551331B2; US3376712A; GB1117246A; FR1512227A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Kühleinrichtung zur Erzeugung sehr niedriger Temperaturen. The invention relates to a method and a cooling device for generating very low temperatures.

Die GB-PS 9 45 223 (= US-PS 31 95 322) beschreibt eine Helium-Kältemaschine, welche auf der kontinuier liehen Verdünnung eines Volumens von flüssigem Helium-3 mit flüssigem Helium-4 beruht, wobei Wärme von einer Probe absorbiert wird, um so die Mischungswärme zu liefern. Eine derartige Kühleinrichtung (im nachfolgenden »Mischkryostat« genannt) hat sich in der Praxis als sehr zufriedenstellend erwiesen und arbeitet so, daß er die Temperatur der Probe bis unter 0,1° K und unter günstigen Umständen und Bedingungen sogar bis auf 0,065° K reduziert. Es ist bekannt, daß dieser Mischkryostat auf dem Umstand beruht, daß sich Helium-3 und Helium-4 bei diesen Temperaturen in zwei Phasen trennen, wobei jede Phase nur wenige Prozent des anderen Isotops enthält und wobei die Gleichgewichtskonzentration von der Temperatur abhängt. Jedoch hat sich beim Betrieb des Mischkryostaten herausgestellt, daß unterhalb einer Temperatur von etwa 0,06° K die Gleichgewichtskonzentration von Helium-3 in Helium-4 bei etwa 5% im wesentlichen konstant bleibt. Hieraus ergibt sich die thermodynamisehe Konsequenz, daß die Mischungswärme mit abnehmender Temperatur schnell abnimmt und daß unterhalb dieser Temperatur keine weitere Kühlung mehr möglich ist.The GB-PS 9 45 223 (= US-PS 31 95 322) describes a helium refrigerator, which on the continuous borrowed dilution of a volume of liquid helium-3 with liquid helium-4 is based, taking heat is absorbed by a sample so as to provide the heat of mixing. Such a cooling device (in hereinafter referred to as "mixed cryostat") has proven to be very satisfactory in practice and works so that it keeps the temperature of the sample below 0.1 ° K and under favorable circumstances and conditions even reduced to 0.065 ° K. It is known that this mixing cryostat is based on the fact that Helium-3 and helium-4 separate into two phases at these temperatures, with each phase only a few Containing percent of the other isotope and where the equilibrium concentration depends on the temperature depends. However, it has been found when operating the mixing cryostat that below a temperature of about 0.06 ° K, the equilibrium concentration of helium-3 in helium-4 is essentially about 5% remains constant. This results in the thermodynamic consequence that the heat of the mixture with decreasing temperature decreases rapidly and that below this temperature no further cooling more is possible.

Bei der in den Fig. 1 bis 3 der US-PS 3195 322 dargestellten Ausführungsform von Kältemaschine wird die Temperatur im Boiler bei 0,65° K konstantgehalten, und das Helium-3 wird verdampft, so daß somit das verbleibende Helium-4 eine Superflüssigkeit wird und die Kammer 1 kühlt. Daher besteht ein Temperaturgefälle zwischen der Kammer und dem Boiler. Da die Konzentration von Helium-3 in Helium-4 bei zunehmender Temperatur abnimmt, besteht auch ein Konzentrationsgefälle von Helium-3 im Helium-4 in dem Rohr zwischen der Kammer und dem Boiler, wobei sich die größere Konzentration von Helium-3 an dem Ende des Rohres befindet, das mit der Kammer verbunden ist. In der Praxis steuert das Temperaturgefälle effektiv die Menge von Helium-3, die im Boiler zur Verdampfung verfügbar ist. Die abgeänderte Ausführungsform von Kältemaschine nach Fig. 10 der US-PS 3195 322 schlägt vor, die Auswirkungen des Temperaturgefälles entlang dem Rohr auf die Konzentrationspegel des Helium-3 im Helium-4 in dem Rohr zu überwinden, ohne das Temperaturgefälle entlang dem Rohr zu schmälern. Dazu wird Helium-4 entlang dem Rohr in Richtung auf den Boiler zum Fließen gebracht, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die sicherstellt, daß jegliches Helium-3 im Rohr in den Fluß einbezogen und in Richtung zum Boiler getragen wird. Das Helium-4 wird in einer geschlossenen Schleife über Superlecks 18 und 21 und einen Vorratsbehälter 12 für Helium rückgeführt.In the case of FIGS. 1 to 3 of US Pat. No. 3,195,322 The illustrated embodiment of the refrigeration machine, the temperature in the boiler is kept constant at 0.65 ° K, and the helium-3 is vaporized, thus the remaining helium-4 becomes a super liquid and the chamber 1 cools. Therefore there is a temperature gradient between the chamber and the boiler. As the concentration of helium-3 in helium-4 increases with As the temperature decreases, there is also a concentration gradient of helium-3 in the helium-4 in the pipe between the chamber and the boiler, with the greater concentration of helium-3 being at the end of the Tube is located, which is connected to the chamber. In practice, the temperature gradient effectively controls the Amount of helium-3 available for evaporation in the boiler. The modified embodiment of Refrigerator according to Fig. 10 of US-PS 3195 322 suggests the effects of the temperature gradient along the pipe to overcome the concentration level of helium-3 in helium-4 in the pipe, without reducing the temperature gradient along the pipe. To do this, helium-4 is fed along the pipe in In the direction of the boiler, at a rate that ensures that any Helium-3 in the pipe is drawn into the flow and carried towards the boiler. The helium-4 will returned in a closed loop via super leaks 18 and 21 and a reservoir 12 for helium.

Das Ziel der Kältemaschine nach Fig. 10 derThe goal of the refrigerator according to Fig. 10 of the

US-Patentschrift besteht darin, das Temperaturgefälle entlang dem Rohr zu erhöhen, d. h., die Kammer kühler zu machen, während die Temperatur des Boilers bei 0,65° K konstantgehalten wird. Man muß annehmen, daß bei der Ausführungsform von Kältemaschine nach F i g. 10 der US-Patentschrift das osmotische Druckgefälle entlang dem Rohr durch Zufügen von Helium-4 in das Rohr, um die Strömung voranzutreiben, nicht wesentlich geändert wird und keine nennenswerte Kühlung des superflüssigen Helium-4 im Rohr stattfindet. Es wird hierbei zweifellos keinerlei zusätzlicher Kühleffekt infolge der Zugabe von Helium-4 in dasUS patent is to increase the temperature gradient along the pipe, i. i.e., the chamber is cooler while the temperature of the boiler is kept constant at 0.65 ° K. One must assume that in the embodiment of the refrigeration machine according to FIG. 10 of the US patent describes the osmotic pressure gradient not along the pipe by adding helium-4 into the pipe to propel the flow is changed significantly and there is no significant cooling of the super-liquid helium-4 in the pipe. There is undoubtedly no additional cooling effect whatsoever due to the addition of helium-4 to the

f>5 Rohr ausgenutzt.f> 5 pipe used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kältemaschine zu schaffen, welche bei einer Temperatur unterhalb 0,06° K zu arbeiten vermag. Mit anderenThe invention is based on the object of creating a refrigeration machine which at one temperature able to work below 0.06 ° K. With others

Worten: Es sollen ein Verfahren und eine Kältemaschine geschaffen werden, welche eine nutzbringende Kühlung unterhalb der Temperatur erreichen, bei welcher ein Mischkryostat verwendbar ist.In other words, a process and a refrigeration machine are to be created which are beneficial Achieve cooling below the temperature at which a mixing cryostat can be used.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß einer konzentrierten Lösung von Helium-3 in superflüssigem Helium-4 über ein Superleck superflüssiges Helium-4 zugeführt und die Lösung dabei unter Leistung externer Arbeit (Kälteerzeugung) reversibel verdünnt wird. toThe inventive method consists in that a concentrated solution of helium-3 in superfluid Helium-4 is supplied with superfluid helium-4 via a superleak and the solution is under External work (refrigeration) is reversibly diluted. to

Dabei wird die Lösung gekühlt, wobei sich die erreichte Temperatur annähernd wie die Zweidrittel-Potenz der Änderung der Helium-3-Konzentration verändert.The solution is cooled, the temperature reached being approximately two-thirds power changes in the helium-3 concentration.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei den in Frage is kommenden Temperaturen sich ein Gemisch aus Helium-3 und Helium-4 im wesentlichen wie ein Idealgas (praktisch wie ein Fermi-Gas) verhält, bei welchem das Helium-3 als das Gas und das Helium-4 als der aufnehmende Raum angesehen werden können. Der osmotische Druck des Helium-3 stellt den Gasdruck dar. Es besteht kein Zweifel, daß das Helium-3 veranlaßt werden muß, sich reversibel auszudehnen, und dazu muß ein Superleck verwendet werden, um das Helium-4 in die Expansionskammer hinein und aus dieser heraus zu fördern. Es ist bekannt, daß ein Superleck ein Mittel ist, welches gegenüber Helium-3 im wesentlichen undurchlässig ist, aber dem Strom von superflüssigem Helium-4 im wesentlichen keinen Widerstand entgegensetzt; ferner sei darauf hingewiesen, daß das Helium-4 bei den in Frage kommenden Temperaturen superflüssig ist, wohingegen Helium-3 das Phänomen der Superfließbarkeit nicht erkennen läßt Superlecks werden ausführlicher in der voraufgeführten britischen Patentschrift beschrieben.It should be noted that the is coming temperatures a mixture of helium-3 and helium-4 is essentially like a Ideal gas (practically like a Fermi gas) behaves in which the helium-3 as the gas and the helium-4 as the receiving room can be viewed. The osmotic pressure of the helium-3 represents the gas pressure. There is no doubt that the helium-3 must and must be made to expand reversibly a superleak can be used to blow the helium-4 in and out of the expansion chamber support financially. It is known that a superleak is an agent which is essentially impermeable to helium-3 but has essentially no resistance to the flow of superfluid helium-4; It should also be noted that the helium-4 is superfluid at the temperatures in question, whereas helium-3 does not reveal the phenomenon of super-flowability and become super-leaks described in greater detail in the UK patent referenced above.

Das Helium-4 befindet sich normal in einer Belastungskammer, die so benannt ist, weil das Helium-4 als eine mechanische Belastung (Bremse) wirkt, die der Expansion des Helium-3 entgegenwirkt. Somit wird die mechanische Arbeit, welche durch den osmotischen Druck des Helium-3 in der Expansionskammer erzeugt wird, durch das Superleck hindurch nach der Belastungskammer übertragen, in der sie irreversibel aufgebracht wird. Die über das Superleck ausgeübte Kraft kann nach Wunsch eingeregelt werden, indem die Temperatur des Helium-4 in der Belastungskammer entsprechend verändert wird, wobei der Fontänendruck des Helium-4 den osmotischen Druck der Helium-3-Lösung in der Expansionskammer ausgleicht Diese Belastungskammer arbeitet bei einer höheren Temperatür als die Expansionskammer und ist von dieser thermisch isoliert, so daß die Wärme, die aus dem Verbrauch der mechanischen Arbeit herührt, ohne Schwierigkeit absorbiert werden kann.The helium-4 is normally in a load chamber, which is so named because the helium-4 acts as a mechanical load (brake), which counteracts the expansion of the helium-3. Thus the mechanical work generated by the osmotic pressure of helium-3 in the expansion chamber is transmitted through the superleak to the loading chamber, in which it is irreversible is applied. The force exerted through the superleak can be adjusted as desired by using the Temperature of the helium-4 in the loading chamber is changed accordingly, with the fountain pressure of the helium-4 balances the osmotic pressure of the helium-3 solution in the expansion chamber The loading chamber operates at a higher temperature than the expansion chamber and is of this thermally insulated so that the heat that arises from the consumption of mechanical work without Difficulty can be absorbed.

Die erfindungsgemäße Kältemaschine kann wohl am besten in Analogie zu einer Dampfmaschine beschrieben werden. So kann die Helium-3-Lösung, die nach der Expansionskammer gefördert wird, als Hochdruckdampf betrachtet oder gewertet werden, während ihr osmotischer Druck dem Dampfdruck entspricht Die freie Oberfläche der Flüssigkeit in der Expansionskammer stellt den Kolben dar, und das sich verändernde Volumen der in der Kammer enthaltenen Flüssigkeit entspricht dem sich verändernden Raum hinter dem Kolben. Während bei der Dampfmaschine dieser Raum nur vom expandierenden Dampf eingenommen wird, wird er hier durch den Einlaß oder Abzug des Helium-4 verändert, welches das Superleck passiert Wenn auch der Gesamtdruck an der freien Oberfläche gleich Null ist, besteht er doch aus dem positiven Teildruck (osmotischen Druck) des Helium-3 und dem negativen Teildruck des Helium-4. Das Helium-4 im Superleck spielt die Rolle einer Verbindungsstange, welche unter Zugspannung arbeitet, wobei die Wandungen des Superlecks als Stopfbüchse wirken. Es überträgt die Arbeit, die am Kolben verrichtet wird, auf die Belastungskammer, welche als Bremse wirkt. Das Kühlen des Dampfes während der Expansion entspricht dem Kühlen mittels reversibler Verdünnung gemäß der Erfindung. Sogar der Betriebszyklus einer herkömmlichen Dampfmaschine, d. h. (1.) das Einbringen von Dampf bei konstantem Hochdruck (hier He-3-Konzentration) durch ein Einlaßventil hindurch, bis ein Teil des Zylindervolumens gefüllt ist, (2.) die Expansion (hier Verdünnung) auf das gesamte Zylindervolumen bei geschlossenen Ventilen und (3.) das Ablassen des Dampfes bei niedrigem Druck durch ein Auslaßventil hindurch, entspricht dem Prinzip der erfindungsgemäßen Kältemaschine.The refrigerating machine according to the invention can probably best be described by analogy with a steam engine will. The helium-3 solution, which is conveyed after the expansion chamber, can be used as high-pressure steam considered or evaluated while their osmotic pressure corresponds to the vapor pressure free surface of the liquid in the expansion chamber represents the piston, and the changing Volume of the liquid contained in the chamber corresponds to the changing space behind the Pistons. While in the steam engine this space is only occupied by the expanding steam, it is changed here by the inlet or outlet of the helium-4, which happens the superleak though the total pressure on the free surface is zero, as it consists of the positive partial pressure Helium-3 (osmotic pressure) and the negative partial pressure of Helium-4. The helium-4 in the super leak plays the role of a connecting rod, which works under tension, with the walls of the Super leaks act as a stuffing box. It transfers the work done on the piston to the Load chamber, which acts as a brake. The cooling of the steam during the expansion is equivalent cooling by means of reversible dilution according to the invention. Even the duty cycle of a conventional one Steam engine, d. H. (1.) the introduction of steam at constant high pressure (here He-3 concentration) through an inlet valve until part of the cylinder volume is filled, (2.) the expansion (here Dilution) to the entire cylinder volume with the valves closed and (3.) the draining of the Steam at low pressure through an outlet valve, corresponds to the principle of the invention Chiller.

Bei einer Alternativ-Anordnung besteht die Bremse aus einem schmalen Kapillarrohr, welches dem Strömen von superflüssigem Helium-4 einen Widerstand entgegensetzt; solch ein Kapillarrohr würde das Superleck mit einer geeigneten Lieferquelle oder einem Speicher für Helium-4 verbinden, beispielsweise mit der Destillationskammer des Mischkryostaten.In an alternative arrangement, the brake consists of a narrow capillary tube, which allows the flow opposed to a resistance by superfluid helium-4; such a capillary tube would be the superleak with a suitable supply source or a storage facility for helium-4, for example with the distillation chamber of the mixing cryostat.

Es ist natürlich unwesentlich, daß die erfindungsgemäße Kältemaschine in Verbindung mit Mischkryostaten verwendet wird; aber eine solche Anordnung bietet gewisse Vorteile, und zwar hauptsächlich dadurch, daß sie eine sofortige Lieferung kalter Zufuhrlösung gewährleistet und den Umstand mit sich bringt, daß das Helium-3 aus der verdünnten Lösung verfügbar ist. Die kalte Zufuhrlösung wird als konzentrierte Lösung von Helium-3 in superflüssigem Helium-4 bezeichnet, und für einen hohen Wirkungsgrad beim Betrieb sollte die Konzentration so hoch wie möglich sein. Es ist jedoch nicht nötig, im wesentlichen reines Helium-3 zu verwenden. So ist die Einspeisungslösung diejenige, welche in dem genannten britischen Patent als »Helium-4-Phase« bezeichnet wurde. Die Einspeisungslösung wird zweckmäßig dadurch erreicht, daß im wesentlichen reines Helium-3 in Kontakt mit superflüssigem Helium-4 gebracht wird und die so erhaltene gesättigte Lösung von Helium-3 in Helium-4 verwendet wird.It is of course unimportant that the refrigerating machine according to the invention in connection with mixing cryostats is used; but such an arrangement offers certain advantages, mainly in that it ensures immediate delivery of cold feed solution and implies that the Helium-3 is available from the diluted solution. The cold feed solution is available as a concentrated solution of Helium-3 is referred to as super-liquid helium-4, and for high operating efficiency the Concentrate as high as possible. However, it is not necessary to add essentially pure helium-3 use. So the feed solution is that which is described in the said British patent as "Helium-4 phase" was called. The feed solution is expediently achieved in that the essentially pure helium-3 is brought into contact with super-liquid helium-4 and the resultant saturated solution of helium-3 in helium-4 is used.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigtTwo embodiments of the invention are based on the drawing showing them for example described, namely shows

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, währendF i g. 1 shows a schematic representation of a first embodiment according to the invention, while

Fig.2 eine ähnliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform wiedergibt.2 shows a similar representation of a second Embodiment reproduces.

Die in der Zeichnung veranschaulichte Kältemaschine basiert der Einfachheit halber auf Fig.2 der genannten britischen Patentschrift.For the sake of simplicity, the refrigerating machine illustrated in the drawing is based on FIG said British patent.

Nach F i g. 1 weist eine Kühlkammer 1 einen Behälter 2 für einen Gegenstand auf, der tiefgekühlt werden soll, und ist an ihrem unteren Ende über ein U-Rohr 3 mit dem Boden einer Destillationskammer 4 verbunden, die durch eine elektrische Heizung 5 erwärmt wird. Eine Dampfauslaßleitung 6 führt von der Destillationskammer 4 über eine Rohrleitung 7 nach einer äußeren Pumpanlage. Um das Helium-4 in der Destillationskammer 4 entgegen seiner Neigung, die Auslaßleitung 6 hochzukriechen, zurückzuhalten, ist eine Membran 8 inAccording to FIG. 1, a cooling chamber 1 has a container 2 for an object that is to be frozen, and is connected at its lower end via a U-tube 3 to the bottom of a distillation chamber 4, the is heated by an electric heater 5. A steam outlet line 6 leads from the distillation chamber 4 via a pipeline 7 to an external pumping system. To the helium-4 in the distillation chamber 4 against its tendency to crawl up the outlet line 6, hold back a membrane 8 in

der Leitung unmittelbar über der Destillationskammer 4 vorgesehen und weist eine öffnung in der Mindestgröße auf, die erforderlich ist, um den Helium-3-Dampf passieren zu lassen. In der äußeren Pumpanlage wird der Dampf (im wesentlichen Helium-3) von seinem ursprünglichen Druck von etwa 0,002 mm Hg auf etwa 30 mm Hg erneut komprimiert, mit welchem er in einem Kondensator 9 kondensiert werden kann. Die äußere Pumpanlage ist zwar nicht dargestellt, sollte aber eine Kapazität in der Größenordnung von 1800 Litern pro Sekunde bei 0,001 mm Hg aufweisen.the line is provided directly above the distillation chamber 4 and has an opening of the minimum size that is required to allow the helium-3 vapor to pass. In the outer pumping system is the steam (essentially helium-3) from its original pressure of about 0.002 mm Hg to about 30 mm Hg compressed again, with which it can be condensed in a condenser 9. The outer Pumping system is not shown, but should have a capacity of the order of 1800 liters per Second at 0.001 mm Hg.

Um diese Kondensation zu bewirken, wird der Kondensator 9 mit flüssigem Helium-4 gekühlt, welches von einer äußeren Lieferquelle hergeleitet und unter verringertem Druck verdampft wird, um eine Temperatur von etwa 1,3° K zu ergeben. Dieses Helium ist in einer Flasche 10 enthalten, die mit entsprechendem Füllmittel und Dampfextraktionsmitteln (nicht dargestellt) versehen ist.To bring about this condensation, the condenser 9 is cooled with liquid helium-4, which derived from an external supply source and evaporated under reduced pressure to a temperature of about 1.3 ° K. This helium is contained in a bottle 10 with the corresponding Filler and steam extraction means (not shown) is provided.

Das im Kondensator 9 kondensierte Helium-3 kann mittels eines Ventils 11 nach einem Rohr 12 geleitet werden, welches in Wärmeaustausch mit der Destillationskammer 4 und im Gegenstrom-Wärmeaustausch mit dem U-Rohr 3 nach einer Mischkammer 13 verläuft (weiche die gleiche Stellung im Kreislauf wie die Arbeitskammer des genannten britischen Patentes hat). Im Betrieb enthält die Mischkammer 13 die Phasengrenzschicht, durch welche hindurch Helium-3 von der oberen konzentrierten Phase in die untere verdünnte Phase übergeht. Jedoch ist — wie erklärt — die Erfindung bei Temperaturen nutzbringend, bei welchen keine weitere Kühlung nach dem Durchgang von Helium-3 durch diese Grenzschicht hindurch mehr stattfindet, und folglich wird der zu kühlende Gegenstand nicht mehr an der Phasengrenzschicht lokalisiert. Die Mischkammer 13 wirkt nun als Lieferquelle für konzentrierte Lösung von Helium-3 in Helium-4, wobei das Helium-3 in dieser Lösung mittels eines Rohres 14 und eines Einlaßventils 15 nach einem schmalen Rohr 16 gefördert wird, welches nach einer Expansionskammer 17 führt, deren Boden über dem Pegel (bei 4' dargestellt) der Flüssigkeit der Destillationskammer 4 lokalisiert ist. Das schmale Rohr 16 weist ein Seitenrohr 18 auf, welches sich unter dem Flüssigkeitspegel 4' befindet und das nach einem Auslaßventil 19 und von dort über eine Rohrleitung 20 nach der Kühlkammer 1 führt.The helium-3 condensed in the condenser 9 can be conducted to a pipe 12 by means of a valve 11 which are in heat exchange with the distillation chamber 4 and in countercurrent heat exchange runs with the U-tube 3 to a mixing chamber 13 (soft the same position in the circuit as the Chamber of Labor of the said British patent). In operation, the mixing chamber 13 contains the phase boundary layer, through which helium-3 was diluted from the upper concentrated phase to the lower Phase passes. However, as explained, the invention is useful at temperatures at which no further cooling after the passage of helium-3 through this boundary layer takes place, and consequently the object to be cooled is no longer localized at the phase boundary layer. The mixing chamber 13 now acts as a supply source for a concentrated solution of helium-3 in helium-4, whereby the helium-3 in this solution by means of a pipe 14 and an inlet valve 15 after a narrow pipe 16 is promoted, which leads to an expansion chamber 17, the bottom of which is above the level (shown at 4 ') the liquid of the distillation chamber 4 is located. The narrow tube 16 has a side tube 18, which is below the liquid level 4 'and that after an outlet valve 19 and from there via a Pipeline 20 leads to the cooling chamber 1.

Die Expansionskammer 17 ist außerdem über ein' Superleck 21 und eine Rohrleitung 22 mit einer Belastungskammer 23 verbunden, welche eine Heizung 24 aufweist. Die Belastungskammer 23 steht in Wärmekontakt mit der Destillationskammer 4 über einen Wärmeschalter 25, der zwei Verbindungsbauteile 26 und 27 von hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, die über einen supraleitfähigen Bauteil 28 verbunden sind. Dieser Verbindungsbauteil ist von einem Solenoid 29 umgeben (zweckmäßigerweise mit supraleitfähigem Draht eines kritischen Magnetfeldes — über demjenigen des Zwischenbauteils 28 — bewickelt). Wenn das Solenoid 29 erregt ist, welchselt der supraleitfähige Zwischenbauteil 28 in den Normalzustand über, in welchem seine Wärmeleitfähigkeit hoch ist. Somit wird der Schalter »geschlossen«, und die Temperatur der Belastungskammer 23 fällt auf diejenige der Destillationskammer 4 ab. Auf der anderen Seite ist — wenn der Bauteil 28 superleitend ist — seine Wärmeleitfähigkeit gering, der Wärmeschalter ist »offen«, und die Temperatur der Belastungskammer 23 kann durch die Heizung 24 erhöht werden. Es wäre möglich, auf den Wärmeschalter zu verzichten, indem man dem Wärmezwischenbauteil einen entsprechenden Wärmewiderstand gibt und die Temperatur der Belastungskammer 23 nur durch die Heizung 24 regelt.The expansion chamber 17 is also via a 'super leak 21 and a pipe 22 with a Load chamber 23 connected, which has a heater 24. The load chamber 23 is in Thermal contact with the distillation chamber 4 via a thermal switch 25, the two connecting components 26 and 27 of high thermal conductivity, which are connected via a superconductive component 28. This connecting component is surrounded by a solenoid 29 (expediently with a superconducting Wire of a critical magnetic field - over that of the intermediate component 28 - wound). If that Solenoid 29 is energized, the superconductive intermediate member 28 changes over to the normal state, in which its thermal conductivity is high. Thus the switch is "closed" and the temperature of the Load chamber 23 falls on that of the distillation chamber 4. On the other hand is - if the Component 28 is super conductive - its thermal conductivity is low, the heat switch is "open", and the The temperature of the load chamber 23 can be increased by the heater 24. It would be possible on the To dispense with heat switches by giving the intermediate heat component a corresponding heat resistance and the temperature of the load chamber 23 is only regulated by the heater 24.

Die gesamte Einrichtung unterhalb des Kondensators 9 befindet sich in einer Ummantelung 30, die in die Flasche 10 eingetaucht ist und über ein Rohr 31 evakuiert wird, um eine Wärmeisolierung zu schaffen.The entire device below the capacitor 9 is located in a casing 30 which is in the Bottle 10 is submerged and evacuated through a tube 31 to provide thermal insulation.

Beim Betrieb wird ein Gemisch aus Helium-3 undDuring operation, a mixture of helium-3 and

ίο Helium-4 zuerst in den Kondensator 9 hineinkondensiert und durch die Ventile 11,15 und 19 eingelassen, bis es die Kühlkammer 1 im wesentlichen füllt und in die Destillationskammer 4 eintritt. Da der Boden der Expansionskammer 17 über dem Flüssigkeitspegel in der Destillationskammer 4 liegt, bleibt erstere leer. Mit geöffnetem Wärmeschalter 25 und mit einer kleinen Wärmemenge von der Heizung 24 füllt die Belastungskammer 23 sich von selbst mit reinem Helium-4 durch den Fontäneneffekt, der durch das Superleck 21 hindurch wirksam ist. Die mit der Rohrleitung 7 verbundene Pumpe wird eingeschaltet, und Helium-3 wird dem System entzogen und im Kondensator 9 rekondensiert. Als Folge davon nimmt die Konzentra- ₍ tion des Helium-3 in der Destillationskammer 4 ab, da es viel schneller als Helium-4 verdampft, und bei einer bestimmten niedrigen Konzentration von Helium-3 wird die Flüssigkeit in der Destillationskammer 4 superflüssig, und dies verursacht eine Strömung von Helium-3 relativ zu Helium-4 im U-Rohr 3 und bewirkt das Ausbreiten des superflüssigen Bereichs niedriger Helium-3-Konzentration nach der Kühlkammer, dem Ventil 19, Seitenrohr 18, Ventil 15, Rohr 14 und der Mischkammer 13 hin, um sie in dem Prozeß zu kühlen. Wenn das Konzentrationsgefälle in der Mischkammer zunimmt und die Temperatur abnimmt, setzt eine Phasentrennung ein, und eine Phasengrenzschicht wird gebildet Die Mengen von Helium-3 und Helium-4, welche ursprünglich in das System hineinkondensiert wurden, werden so eingeregelt, daß dann, wenn eine Phasentrennung stattfindet, die Belastungskammer mit reinem Helium-4 angefüllt ist, das Rohr 12 und ein kleines Teilstück der Mischkammer 13 mit konzentriertem Helium-3 gefüllt sind, während der Rest des Systems mit einer verdünnten Lösung von Helium-3 inίο Helium-4 is first condensed into the condenser 9 and admitted through the valves 11, 15 and 19 until it essentially fills the cooling chamber 1 and enters the distillation chamber 4. Since the bottom of the expansion chamber 17 lies above the liquid level in the distillation chamber 4, the former remains empty. With the heat switch 25 open and with a small amount of heat from the heater 24, the loading chamber 23 fills itself with pure helium-4 through the fountain effect that is effective through the superleak 21. The pump connected to the pipe 7 is switched on, and helium-3 is withdrawn from the system and recondensed in the condenser 9. As a result, the concentration _(taking tion of the helium-3 in the distillation chamber 4 from, as it evaporates much faster than helium-4, and at a specified low concentration of helium-3, the liquid in the distillation chamber 4 is super liquid, and this causes a flow of helium-3 relative to helium-4 in U-tube 3 and causes the superfluid region of low helium-3 concentration to spread to the cooling chamber, valve 19, side tube 18, valve 15, tube 14 and mixing chamber 13 When the concentration gradient in the mixing chamber increases and the temperature decreases, a phase separation takes place and a phase boundary layer is formed The amounts of helium-3 and helium-4 which were originally condensed into the system , are adjusted so that when a phase separation takes place, the loading chamber is filled with pure helium-4, the pipe 12 and a small section of the mixing chamber 13 m are filled with concentrated helium-3, while the rest of the system is filled with a dilute solution of helium-3 in

Helium-4 gefüllt ist Das Volumen der Mischkammer 13 ( ist so bemessen, daß Veränderungen der Phasengrenzschicht infolge Veränderungen der Helium-3-Konzentration in dieser Kammer stattfinden. Wenn die Temperatur in der Destillationskammer 4 weiter absinkt, wird die Heizung 5 in Betrieb gesetzt, um die Temperatur in der Destillationskammer 4 bei etwa 0,6° K zu halten.Helium-4 is filled. The volume of the mixing chamber 13 (is dimensioned so that changes in the phase boundary layer take place as a result of changes in the helium-3 concentration in this chamber. If the Temperature in the distillation chamber 4 continues to fall, the heater 5 is put into operation to the To keep the temperature in the distillation chamber 4 at about 0.6 ° K.

Schließlich wird ein Beharrungszustand ereicht, bei dem das Helium-3 im Rohr 12 eine Konzentration von annähernd 95% aufweist, während das Helium-4 in dem Raum von der Phasengrenzschicht bis zum Auslaß der Kühlkammer 1 etwa 6% Helium-3 bei einer Temperatur von 0,07° K enthält und die Flüssigkeit in der Destillationskammer 4 etwa 1% Helium-3 enthält, wobei der osmotische Druck in der Kammer 4 und in der Kühlkammer 1 annähernd gleich ist. Soweit arbeitet das System als Mischkryostat; die Temperatur in der Kühlkammer 1 fällt also so weit ab, bis sie den niedrigsten Wert erreicht, der durch Ausnutzung der Verdünriungswärme überhaupt erzielbar ist. In diesem Stadium wir wird das Ventil 19 geschlossen, und die Kältemaschine wird in Betrieb gesetzt.
Um die Kältemaschine in Betrieb zu setzen, wird dieFinally, a steady state is reached in which the helium-3 in the tube 12 has a concentration of approximately 95%, while the helium-4 in the space from the phase boundary layer to the outlet of the cooling chamber 1 has about 6% helium-3 at a temperature of Contains 0.07 ° K and the liquid in the distillation chamber 4 contains about 1% helium-3, the osmotic pressure in the chamber 4 and in the cooling chamber 1 being approximately the same. So far the system works as a mixed cryostat; the temperature in the cooling chamber 1 falls so far until it reaches the lowest value that can be achieved by utilizing the heat of dilution. At this stage, the valve 19 is closed and the refrigerating machine is started.
To put the refrigeration machine into operation, the

Heizung 24 abgeschaltet und der Wärmeschalter 25 durch Erregen des Solenoids 29 geschlossen. Wenn die Temperatur des flüssigen HeIium-4 in der Belastungskammer 23 abfällt, wird der Fontänendruck geringer als der osmotische Druck des Helium-3 im Rohr 16, und das flüssige Helium-4 beginnt, von der Belastungskammer 23 her durch das Superleck 21 hindurch in das Rohr 16 und von dort in die Expansionskammer 17 hineinzuströmen; dies ist deswegen möglich, weil das Ventil 19 geschlossen ist. Gleichzeitig strömt Helium-3 über die Phasengrenzschicht in der Mischkammer, so daß die Konzentration von Helium-3 in Helium-4 in der Expansionskammer 17 nur etwas geringer als diejenige in der Mischkammer 13 ist. Wenn etwa ein Achtel des Volumens der Expansionskammer 17 auf diese Weise gefüllt worden ist, wird das Ventil 15 geschlossen, womit die erste Stufe des Dampfzyklusanalogons beendet ist.The heater 24 is switched off and the heat switch 25 is closed by energizing the solenoid 29. If the The temperature of the liquid helium-4 in the loading chamber 23 drops, the fountain pressure becomes less than the osmotic pressure of the helium-3 in the pipe 16, and the liquid helium-4 begins, from the loading chamber 23 to flow through the superleak 21 into the pipe 16 and from there into the expansion chamber 17; this is possible because the valve 19 is closed. At the same time, helium-3 flows over the Phase boundary layer in the mixing chamber, so that the concentration of helium-3 in helium-4 in the Expansion chamber 17 is only slightly smaller than that in the mixing chamber 13. When about an eighth of the Volume of the expansion chamber 17 has been filled in this way, the valve 15 is closed, whereby the first stage of the steam cycle analog is complete.

Bei der zweiten Stufe des Zyklus strömt Helium-4 weiterhin in die Expansionskammer 17, wodurch die Konzentration des Helium-3 abfällt, weil das Ventil 15 geschlossen ist. Als Folge davon sinken die Temperaturen und der osmotische Druck des Helium-3 in der Expansionskammer 17. Der Fontänendruck auf das Helium-4 in der Belastungskammer 23 läßt dann ebenfalls nach, und daher wird die Strömungsrate von Helium-4 durch die Kühlungsrate der Belastungskammer 23 über den geschlossenen Wärmeschalter 25 gesteuert. Die zweite Stufe des Zyklus wird beendet, wenn die Expansionskammer 17 gefüllt ist. Die Helium-3-Konzentration in der Expansionskammer 17 fällt auf etwa ein Achtel ihres ursprünglichen Wertes (beispielsweise auf etwa 0,75%) ab, und bei Nichtvorhandensein von Wärmelecks ist die Temperatur dann — gemäß dem Zweidrittel-Gesetz — auf etwa ein Viertel ihres ursprünglichen Wertes (beispielsweise auf etwa 0,02° K) abgesunken. Während der Zeit, in der das Ventil 19 geschlossen war, hat jedoch die Destillationskammer 4 weitergewirkt, um die Konzentration von Helium-3 zu reduzieren und folglich die Temperatur der Kühlkammer 1 zu erniedrigen.During the second stage of the cycle, helium-4 continues to flow into the expansion chamber 17, causing the Helium-3 concentration drops because valve 15 is closed. As a result, temperatures drop and the osmotic pressure of the helium-3 in the expansion chamber 17. The fountain pressure on the Helium-4 in the loading chamber 23 then also decreases and therefore the flow rate of Helium-4 by the cooling rate of the loading chamber 23 via the closed thermal switch 25 controlled. The second stage of the cycle ends when the expansion chamber 17 is filled. the Helium-3 concentration in the expansion chamber 17 drops to about one eighth of its original value (for example to about 0.75%), and in the absence of heat leaks the temperature is then - according to the two-thirds law - to about a quarter of its original value (for example to about 0.02 ° K). During the time in which the valve 19 was closed, however, the distillation chamber 4 has continued to work to increase the concentration of To reduce helium-3 and consequently to lower the temperature of the cooling chamber 1.

Die dritte Stufe im Zyklus kann dann beginnen, wenn die Konzentration von Helium-3 in der Kühlkammer 1 unter derjenigen in der Expansionskammer 17 liegt, und während des ersten Betriebszyklus kann die Notwendigkeit bestehen, so lange zu warten, bis dies geschehen ist. Die dritte Stufe wird durch öffnen des Ventils 19 und außerdem durch öffnen des Wärmeschalters 25 und Einschalten der Heizung 24 eingeleitet. Als Folge davon strömt Helium-4 in die Belastungskammer 23 zurück, und Helium-3 strömt (aufgrund des Konzentrationsgefälles) von der Expansionskammer 17 über die Kühlkammer 1 und das U-Rohr 3 zur Destillationskammer 4. Falls diese beiden Strömungsraten nicht genau ausbalanciert sind, neigt Helium-4 dazu, durch das Ventil 19 hindurchzuströmen, um die Helium-3-Konzentration in der Expansionskammer 17 zu stabilisieren. Die dritte Stufe wird beendet, wenn die Expansionskammer 17 leer und die Belastungskammer 23 voll ist; das Ventil 19 wird dann geschlossen.The third stage in the cycle can begin when the concentration of helium-3 in the cooling chamber 1 is below that in the expansion chamber 17, and during the first cycle of operation there may be a need to wait until this has happened. The third stage is by opening the valve 19 and also by opening the heat switch 25 and Switching on the heater 24 initiated. As a result, helium-4 flows back into the loading chamber 23, and helium-3 flows (due to the concentration gradient) from the expansion chamber 17 over the Cooling chamber 1 and the U-tube 3 to the distillation chamber 4. If these two flow rates are not accurate are balanced, helium-4 tends to flow through valve 19 to the helium-3 concentration to stabilize in the expansion chamber 17. The third stage is ended when the expansion chamber 17 empty and load chamber 23 is full; the valve 19 is then closed.

Während der vierten und letzten Stufe des Zyklus wird die Temperatur des Helium-4 in der Belastungskammer 23 so weit erhöht, bis der Fontänendruck so hoch ist, daß die erste Stufe wieder beginnen kann.During the fourth and last stage of the cycle, the temperature of the helium-4 in the loading chamber 23 is increased until the fountain pressure is so is high that the first stage can begin again.

Die folgenden Zyklen sind die gleichen wie die vorstehend beschriebenen, außer daß es nicht mehr erforderlich ist, ein Abfallen der Konzentration von Helium-3 in der Kühlkammer 1 abzuwarten, da diese Bedingung selbsttätig erfüllt wird.The following cycles are the same as those described above, except that it is no longer it is necessary to wait for a drop in the concentration of helium-3 in the cooling chamber 1, as this Condition is automatically fulfilled.

Zusammenfassend sei darauf hingewiesen: das Ventil 15 ist nur im ersten Stadium des Zyklus geöffnet; das Ventil 19 ist nur im dritten Stadium geöffnet, der Wärmeschalter 25 bewirkt Kühlung der Belastungskammer 23 nur in den ersten und zweiten Stadien, während die Heizung 24 eine Erwärmung der Belastungskammer 23 nur während der dritten und vierten Stadien des Zyklus bewirkt. Das Volumen von Helium-4 in der Kammer 23 erreicht ein Minimum am Ende des zweiten Stadiums, während die Kammer 17 während des vierten Stadiums leer ist.In summary, it should be noted: the valve 15 is only open in the first stage of the cycle; the Valve 19 is only open in the third stage, the heat switch 25 causes cooling of the load chamber 23 only in the first and second stages, while the heater 24 is a heating of the load chamber 23 effects only during the third and fourth stages of the cycle. The volume of helium-4 in the Chamber 23 reaches a minimum at the end of the second stage, while chamber 17 during the fourth Stage is empty.

Eine zweite Ausführungsform ist in F i g. 2 wiedergegeben; sie ist in der Bauweise und in der Betätigung einfacher, ist aber möglicherweise nicht so leistungsfähig. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten dadurch, daß die Belastungskammer 23 und der Wärmeschalter 25 durch ein Kapillarrohr 32 ersetzt sind, welches das Superleck 21 mit der Destillationskammer 4 verbindet, wobei es sich in gutem Wärmekontakt mit dem letzteren befindet. Die Einrichtung arbeitet als Mischkryostat in genau der gleichen Weise wie diejenige nach F i g. 1.A second embodiment is shown in FIG. 2 reproduced; it is in the construction and in the operation easier, but may not be as powerful. This second embodiment is different of the first in that the load chamber 23 and the thermal switch 25 are passed through a capillary tube 32 are replaced, which connects the super leak 21 with the distillation chamber 4, and it is in good There is thermal contact with the latter. The device works as a mixing cryostat in exactly that same way as that of FIG. 1.

Während der ersten Stufe des Zyklus ist das Ventil 19, wie vorher, geschlossen, worauf die Konzentration von Helium-3 in der Destillationskammer 4, im U-Rohr 3 und in der Kühlkammer 1 abnimmt, diese Konzentration aber in der Mischkammer 13 und im Rohr 16 konstant bleibt. Folglich ist dann der osmotische Druck des Helium-3 im Rohr 16 höher als derjenige in der Destillationskammer 4, und Helium-4 wird durch das Kapillarrohr 32 und das Superleck 21 hindurch in das Rohr 16 und in die Expansionskammer 17 hineingezogen. Wie vorher ist das Ventil 15 geschlossen, wenn die Expansionskammer 17 etwa zu einem Achtel gefüllt ist.During the first stage of the cycle, the valve 19 is closed, as before, whereupon the concentration of Helium-3 in the distillation chamber 4, in the U-tube 3 and in the cooling chamber 1 decreases this concentration but remains constant in the mixing chamber 13 and in the pipe 16. Consequently, the osmotic pressure is then the Helium-3 in tube 16 is higher than that in distillation chamber 4, and helium-4 is made up by the Capillary tube 32 and superleak 21 drawn through into tube 16 and into expansion chamber 17. As before, the valve 15 is closed when the expansion chamber 17 is about one eighth full.

Während der zweiten Stufe des Zyklus strömt Helium-4 von der Destillationskammer 4 her so lange weiter, wie der osmotische Druck in der Expansionskammer 17 (infolge Verdünnung und Kühlung des Helium-3 im Steigen begriffen) den osmotischen Druck in der Destillationskammer 4 mittels des hydrostatischen Gefälledrucks infolge der Differenz der Flüssigkeitspegel in der Destillationskammer und in der Expansionskammer übersteigt. Dieser Zustand, der bei der Bauweise nach F i g. 1 nicht vorkommt, beschränkt den Grad der Verdünnung, der erreicht werden kann, und das Ende der zweiten Stufe ist erreicht, wenn der Flüssigkeitspegel in der Expansionskammer 17 zu steigen aufhört.During the second stage of the cycle, helium-4 flows from the distillation chamber 4 for that long further, how the osmotic pressure in the expansion chamber 17 (as a result of dilution and cooling of the Helium-3 was rising) the osmotic pressure in the distillation chamber 4 by means of the hydrostatic Head pressure due to the difference in the liquid level in the distillation chamber and in the Expansion chamber exceeds. This state, which in the construction according to F i g. 1 does not occur, limited the degree of dilution that can be achieved and the end of the second stage is reached when the Liquid level in the expansion chamber 17 stops rising.

Während der dritten Stufe ist das Ventil 19 geöffnet, und alles Helium-3 und das meiste Helium-4 strömt in die Destillationskammer 4 durch das Rohr 16, die Rohrleitung 18, Rohrleitung 20, Kühlkammer 1 und das U-Rohr 3 unter dem Einfluß des hydrostatischen Drucks in der Expansionskammer 17. Nur ein kleiner Teil des Helium-4 kehrt über das Superleck 21 direkt zur Destillationskammer zurück, wenn das Kapillarrohr 32 der Strömung von Helium-4 einen hohen Widerstand entgegensetztDuring the third stage, valve 19 is open, and all of the helium-3 and most of the helium-4 flows into the distillation chamber 4 through the pipe 16, the Pipeline 18, pipeline 20, cooling chamber 1 and the U-tube 3 under the influence of the hydrostatic pressure in the expansion chamber 17. Only a small part of the helium-4 returns via the superleak 21 directly to Distillation chamber back when the capillary tube 32 has a high resistance to the flow of helium-4 opposed

Wenn die Kammer 17 leer ist, kann die vierte Stufe beginnen, indem das Ventil 19 geschlossen und das Ventil 15 geöffnet wird. Während dieser vierten Stufe steigt die Konzentration von Helium-3 oberhalb des Ventils 15 schnell auf diejenige in der Mischkammer 13 an. Die vierte Stufe geht in die erste Stufe des nächster Zyklus über, wenn das Helium-4 durch das Superleck 2: hindurchzuströmen beginnt. Allerdings strömt da: Helium-4 infolge der Belastung durch das Kapillarroh' 32 nur langsam.When the chamber 17 is empty, the fourth stage can begin by closing the valve 19 and the Valve 15 is opened. During this fourth stage, the concentration of helium-3 rises above the Valve 15 quickly reacts to that in the mixing chamber 13. The fourth stage goes into the first stage of the next Cycle over when the helium-4 begins to flow through the superleak 2 :. However, there flows: Helium-4 only slowly as a result of the load from the capillary tube 32.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 809 507/ 2 sheets of drawings 809 507 /

Claims

Patent claims:

1. A method for generating very low temperatures, characterized in that that a concentrated solution of helium-3 in superfluid helium-4 via a superleak superfluid Helium-4 supplied and the solution with the performance of external work (cold generation) is reversibly diluted.

2. Refrigerating machine for performing the method according to claim 1, characterized by a Expansion chamber (17), on the one hand via a super leak (21) with a supply source (23; 32, 4) for super-liquid helium-4 is in connection and on the other hand with a supply source (13) for a concentrated solution of helium-3 in superfluid helium-4 is connectable.

3. Refrigerating machine according to claim 2, characterized in that the source of supply for superfluid Helium-4 is a load chamber (23) containing super-liquid helium-4.

4. Refrigerating machine according to claim 3, characterized in that means (24, 25) are provided, by which the temperature of the helium-4 in the loading chamber (23) can be changed.

5. Refrigerating machine according to claim 3 or 4, characterized in that the load chamber (23) of the expansion chamber (17) is thermally insulated.

6. Refrigerating machine according to claims 3, 4 or 5, characterized in that it has a to has cooling chamber (1) receiving the cooling article, which by means of a valve (19) provided line (16, 18, 20) is connected to the expansion chamber (17).

7. Refrigerating machine according to claim 2, characterized in that it is a known per se, a with a heater (5) provided distillation chamber (4), a helium-3 pump system, a helium-3 condenser (9) and a mixing chamber (13) having a helium-3-helium-4 mixing cryostat assigned is, the mixing chamber (13) as a supply source for the concentrated solution of helium-3 in superfluid helium-4 is used.

8. Refrigerating machine according to claim 3 and 7, characterized in that it has a heat switch (25) which couples the loading chamber (23) to the distillation chamber (4) of the mixing cryostat.

9. Refrigerating machine according to claim 8, characterized in that the heat switch (25) has a electrically superconducting component (28) and a solenoid (29) having a magnetic field sufficient Able to produce intensity in order to cancel out the superconductivity of the component (28).

10. Refrigerating machine according to claim 7, characterized in that it has a capillary tube (32) has, which serves as a load and the distillation chamber (4) of the mixing cryostat with the Super leak (21) connects.