DE1913788A1 - Vorrichtung zur Nachfuellung eines Heliumbades bei Temperaturen bis unterhalb des ?-Punktes - Google Patents

Vorrichtung zur Nachfuellung eines Heliumbades bei Temperaturen bis unterhalb des ?-Punktes

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DE1913788A1 DE19691913788 DE1913788A DE1913788A1 DE 1913788 A1 DE1913788 A1 DE 1913788A1 DE 19691913788 DE19691913788 DE 19691913788 DE 1913788 A DE1913788 A DE 1913788A DE 1913788 A1 DE1913788 A1 DE 1913788A1
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Description

MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER WISSENSCHAFTEN E.V.
' Vorrichtung zur Nachfüllung eines Heliumbades bei Temperaturen bis unterhalb des λ-Punktes
Zusatzanmeldung zu P 15 01 291.6
Die Hauptanmeldung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Tiefkühlung von Objekten in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere unterhalb von 2,17°K unter Verwendung eines He-II-Bades, wobei die Temperatureinstellung durch Druckregulierung im Dampfraum oberhalb des Heliurabades erfolgt und eine Nachfüllung aus einem Helium-Vorratsgefäß in Abhängigkeit von der Füllhöhe des Heliumbades über einen Vakuummantelheber intermittierend durchgeführt -wird, wobei der Auslaß des Vakuummantelhebers in einen unter vermindertem Druckstehenden Nachfüllraum mündet, der durch ein Filterelement abgeschlossen ist, welches für gasförmiges Helium, Helium I sowie Helium II mit einer höheren Temperatur als die Temperatur des Helium-II-Bades wenigstens teilweise undurchlässig ist, und wobei der Auslaß dieses Filterelementes in den ebenfalls unter vermindertem Druck stehenden Badraum mit dem zur Kühlung verwendeten Bad mündet.
Eine Vorrichtung nach der Hauptanmeldung ermöglicht es, das zur Kühlung verwendete, durch Druckerniedrigung auf Temperaturen unterhalb des λ-Punktes gehaltene Arbeitsbad unterhalb des Filters unter Konstanthaltung der Badtemperatur nachzufüllen. Damit wird die kontinuierliche Kühlung von Objekten auf Temperaturen unterhalb 2,17°K im Dauerbetrieb möglich. ■
Zur Nachfüllung des Arbeitsbades wird normalsiedendes flüssiges Helium (4-,20K) aus einem Vorratsgefäß über einen abgasgekühlten Heber, der am Ende ein von einem Sinterkörper o. ä. umgebenes Entspannungsventil trägt, unter Entspannung und Abkühlung in den . unter vermindertem Druck stehenden Nachfüllraum oberhalb des Filters eingefüllt. Nach Schließen des Entspannungsventils wird der Druck über dem Nachfüllbad weiter erniedrigt, wobei wieder
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ein Teil der Flüssigkeit unter weiterer Abkühlung verdampft. Wenn das ttachfüllbad die Temperatur des Arbeitsbades erreicht oder unterschritten hat, wird das Filter für die Flüssigkeit durchlässig und diese läuft.nach unten in das Arbeitsbad ab.
Da die Abkühlung des nachgefüllten flüssigen Heliums von der normalen Siedetemperatur 4,20K auf die Arbeitsbadtemperatur unterhalb 2,17°K ausschließlich durch Verdampfungskühlung be» wirkt wird, geht ein verhältnismäßig großer Anteil der nachgefüllten Flüssigkeit für die Auffüllung des Arbeitsbades verloren« In der Hauptanmeldung ist der bspw. bei einer Arbeitsbadtemperatur von 1,70K erreichte Wirkungsgrad (Verhältnis der in das Arbeitsbaö nachgefüllten Flüssigkeitsraenge zu der aus dem Vorratsgefäß entnommenen Flüssigkeitsmenge) zu 52 % gegenüber dem unter diesen Umständen theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad von 65 % (isenthalpe Entspannung) angegeben«,
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung des Wirkungsgrades der den Gegenstand der Hauptanmelehmg bildenden Vorrichtung zu erreichen. Das Kennzeichen der Erfindung ist darin zu sehen, daß der das Nachfüllbad aufnehmende und das Filterelement tragende Bauteil auf einem Teil seiner Länge mit zusätzlichen Wärmetauscherelementen in der Abgasströmung des Arbeitsbades versehen ist. Es kann dabei vorteilhaft sein, daß die Wärmetauscherelemente in Form von Rippen eines Rippenrohrs ausgebildet sind, und daß diese Rippen mit einer Mehrzahl gleichmäßig auf dem Umfang verteilter Bohrungen versehen sind, wobei 'die Bohrungen in benachbarten Rippen zur Abdeckung der optischen Sicht jeweils eine gegeneinander versetzte Lage haben.
Die Erfindung ermöglicht es, den Kälteinhalt des zur Aufrechterhaltung der Solltemperatur (unter 2,17°K) aus dem unteren Arbeitsbad abgepumpten kalten Gases zur Kühlung des Kachfüllbades nutzbar zu machen. Diese Kühlung ist sehr wirksam, da Heliumgas unterhalb 4-,20K mit Ausnahme eines engen Bereiches um den λ -Punkt eine wesentlich größere'spezifische Wärme hat als
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-3- 1913783 ..
flüssiges Helium. Mit dieser Kühlung durch Wärmeaustausch mit dem bisher nicht genutzten kalten Abgas des Arbeitsbades wird der zur Temperaturerniedrigung des Na'chfüllbades erforderliche Anteil an Verdampfungskühlung verringert. Das bedeutet, daß ein größerer Prozentsatz der dem Vorratsgefäß entnommenen Flüssigkeit mit Solltemperatur in das Arbeitsbad gelangt, d. h. der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert wird. Dabei ist zu erwähnen, daß sich auch der theoretische Wirkungsgrad erhöht, da das Nachfüllbad vor der isenthalpen Entspannung unterkühlt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit der Verminderung dör Verdampfungskühlung im Nachfüllraum die Saugleistung der den Nachfüllraum evakuierenden Pumpe vermindert werden kann, was· ebenfalls die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung verbessert. Darüber hinaus schirmt der Wärmetauscher das Arbeitsbad gegen Wärmeeinstrahlung von oben ab.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch das das Arbeitsbad
aufnehmende Innengefäß des Kryostaten mit einer am Kryostatdeckel gehalterten, am unteren Ende als Wärmetauscher ausgebildeten und das Filterelement tragenden Zwischenwand.
Zum Verständnis der Zusatzanmeldung nebensächliche Elemente der Vorrichtung sind im Gegensatz zu den Figuren der Hauptanmeldung schematisch dargestellt.
Figur 1 zeigt, den inneren Heliumbehälter 1 eines Kryostaten, der ein Heliura-II-Arbeitsbad 2 enthält und mit einem Deckel 3 verschlossen ist. Der den Heliumbehälter 1 umgebende, mit flüssigem Stickstoff gekühlte Strahlungsschutz ist hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden.
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Der Deckel 3 des Heliumbehälters 1 'trägt ein als Zwischenwand ausgebildetes Bauteil 4, welches auf einem Teil seiner Länge als Wärmetauscher 5 ausgebildet ist und an seinem unteren Ende ein feinporiges Filterelement 6 trägt.
Der Wärmetauscher 5 ist hier als Rippenrohr ausgebildet, dessen Rippen 7 im Strom des aus dem.Helium-II-Arbeitsbades verdampfenden Kaltgases liegen. Die Rippen 7 sind mit derart gegeneinander versetzten Bohrungen 8 versehen, daß der Wärmetauscher in vertikaler Richtung optisch dicht ist, und daß das Gas die Rippen 7 in einem mehrfach gewundenen Weg von unten nach oben durchströmt. Der Wärmetauscher 5 kann jedoch auch anders ausgebildet sein, bspw. als Rippenrohr mit schraubenlinienförmigen Rippen, als Sintermetallkörper mit kompakter Innenwand o. ä.
Das Bauteil 4- ist an seinem oberen Ende durch einen Deckel 9 einer Wärmeisolationsschicht 10 verschlossen. Im Deckel 9 sind Durchführungen 11, 12, 13 für einen Niveaufühler 14, einen Vakuummantelheber 15 und eine Ventilspindel 17 zur Betätigung eines das Filterelement 6 überbrückenden Kaltfahrventils 18 am Boden des Bauteils 4- vorgesehen. Der Vakuummantelheber 15 mit Entspannungsventil 16 hat einen abgasgekühlten Strahlungsschutz, d. h. über den Vakuummantelheber 15 wird sowohl flüssiges Helium aus einem nicht eingezeichneten Vorratsbehälter in das Nachfüllbad 19 eingefüllt, als auch das aus dem Nachfüllbad 19 verdampfende Gas mittels einer ebenfalls nicht eingezeichneten Pumpe über die hier nur schematisch angedeutete Abgasleitung im Heber abgesaugt.
Das Abgas aus dem Helium-II-Arbeitsbad 2 wird über eine an den Deckel 3 angeschlossene Abgasleitung 20 mit Regelventil 21 mittels einer nicht eingezeichneten zweiten Pumpe abgepumpt. Das Niveau des Arbeitsbades 2 wird mit Hilfe eines hier nur angedeuteten Niveaufühlers 22 konstant gehalten.
Im Betrieb wird der Kryostat zunächst bei geöffnetem Kaltfahrventil 18 abgekühlt und gefüllt. Dann wird das Kaltfahrventil
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18 geschlossen und der Druck über dem Arbeitsbad 2 auf den gewünschten, der Solltemperatur des Arbeitsbades unterhalb 2,170K (λ-Punkt) entsprechenden Wert abgesenkt. Damit ist der stationäre Betriebszustand erreicht.
Die Nachfüllung des Helium-II-Arbeitsbades geschieht nun intermittierend in folgender Weise. Wenn das Niveau des Arbeitsbades 2 unter die Höhe des Niveaufühlers 22 absinkt, wird mit Hilfe des Niveaufühlers 22 das Entspannungsventil 16 am Heber 15 geöffnet. Damit setzt die Nachlieferung von flüssigem Helium aus dem nicht gezeichneten Vorratsgefäß in das Nachfüllbad 19 ein.
Beim Austritt aus dem Entspannungsventil 16 wird das Helium von ursprünglich 4,2°K (normale Siedetemperatur) entspannt, da der Druck über dem Nachfüllbad mit Hilfe der an die Abgasleitung im Heber angeschlossenen Pumpe erniedrigt ist. Wenn das Nachfüllbad 19 den Niveaufühler 14· erreicht, schließt das Entspannungsventil. Das Naohfüllbad 19 steht innerhalb des Wärmetauschers 5 und kühlt sich demzufolge in erster Linie durch Wärmeaustausch mit dem kälteren Abgas des Arbeitsbades. 2 ab. Außerdem wird nach Schließen des Entspannungsventils auch der Druck über dem Nachfüllbad 19 durch die an die Abgasleitung im Heber I5 angeschlossene Pumpe weiter erniedrigt, was durch Verdampfungskühlung ebenfalls zur Abkühlung des Nachfüllbades 19 beiträgt.
Wenn die Solltemperatur des Arbeitsbades 2 auch im Nachfüllbad erreicht oder unterschritten wird, wird das Filterelement 6 durchlässig, so daß das Nachfüllbad durch das Filter 6 nach unten abläuft und das Arbeitsbad auffüllt.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Kälteinhalt des aus dem Arbeitsbad 2 abdampfenden Gases zur Kühlung des Nachfüllbades 19 ausgenutzt wird. Dadurch wird der zur Abkühlung des Nachfüllbades 19 auf die Solltemperatur erforderliche Anteil an Verdampfungskühlung merklich herabgesetzt. Der Wirkungsgrad der Vorrichtung wird damit erhöht.
- 6 009 83 97 1U1

Claims (3)

- 6 - [Belegexemplar | j Darf nicht geändert werden Patentansprüche
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Tiefkühlung von Objekten in · einem Flüssigkeitsbad, insbesondere unterhalb von 2,17°K unter Verwendung eines He-II-Bades, wobei die Temperatureinstellung durch Druckregulierung im Dampfraum oberhalb des Heliumbades erfolgt und eine Nachfüllung aus einem Heliura-Vorratsgefäß in Abhängigkeit von der Füllhöhe des Heliumbades über einen Vakuummantelheber intermittierend durchgeführt wird, wobei der Auslaß des Vakuummantelhebers in einen unter vermindertem Druck stehenden Nachfüllraum mündet, der durch ein Filterelement abgeschlossen ist, welches für gasförmiges Helium, Helium I sowie Helium II mit einer höheren Temperatur als die Temperatur des Helium-II-Bades wenigstens teilweise undurchlässig ist, und wobei der Auslaß dieses Filterelementes in den ebenfalls unter vermindertem Druck stehenden Badraum mit dem zur Kühlung verwendeten Bad mündet, dadurch gekennzeichnet, daß der das Nachfüllbad (19) aufnehmende und das Filterelement (6) tragende Bauteil (4·) auf einem Teil seiner Länge mit zusätzlichen Wärmetauscherelementen (7) in der Abgasströmung des Arbeitsbades (2) versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherelemente (7) in Form von Rippen eines Rippenrohrs ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne t, daß die Rippen (7) mit einer Mehrzahl gleichmäßig auf dem Umfang verteilter Bohrungen ( 8 ) versehen sind, wobei die Bohrungen in benachbarten Rippen zur Abdeckung der optischen Sicht jeweils eine gegeneinander versetzte Lage haben.
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