DE1913788C - Vorrichtung zur Nachfullung eines Heliumbades bei Temperaturen bis unter halb des lambda Punktes - Google Patents

Description

Die Erfindung botrillt eine Vorrichtung zur kon- penrohrs ausgebildet sind und daß diese Rippen mit

tinulerliehen Tiefkühlung von Objekten in einem einer Mehrzahl gleichmäßig auf dem Umfang ver-

Flllssigkeitsbacl, insbesondere unterhalb von 2,17° K teilter Bohrungen versehen sind, wobei die Bohrun-

unter Verwendung eines He-II-Bades, wobei die gen in benachbarten Rippen zur Abdeckung der

Temporalureinstellung durch Druckregulierung im S optischen Sicht jeweils eine gegeneinander versetzte

Dampfraum oberhalb des Heliumbades erfolgt und Lage haben.

eine Nachfüllung aus einem Helium-Vorratsgefiiß in Die Erfindung ermöglicht es, den KUIteinhnlt des Abhängigkeit von der Füllhöhe des Heliunibades zur Aufrechterhaltung der Solltemperatur (unter über einen Vakuummanlelheber intermittierend durch- 2,17° K) aus dem unteren Arbeitsbad abgepumpten geführt wird, wobei der Auslaß des Vakuummantel- to kalten Oases zur Kühlung des Nachfllllbades nutzbar hebers in einen unter vermindertem Druck stehemlin zu machen. Diese Kühlung ist sehr wirksam, da Nuchfllllruum mündet, der durch ein Filter abge- Heliumgas unterhalb 4,2" K mit Ausnahme eines schlossen ist, welches für gasförmiges Helium, engen Bereiches um den Λ-Punkt eine wesentlich Helium 1 sowie Helium Il mit einer höheren Tempe- größere spezifische Wlirmc hat als flüssiges Helium, raüir als die Temperatur des Helüm-Il-Bades we- 15 Mit dieser Kühlung durch WUrmeaustausch mit dem nigstens teilweise undurchlässig ist, und wobei der bisher nicht genutzten kalten Abgas des Arbeitsbades Auslaß dieses Filters in den ebenfalls unter vermin- wird der zur Temperaturerniedrigung des Nachfülldcrtcm Druck stehenden Badraum mit dem zur Küh- bades erforderliche Anteil an Verdampfungskühlung lung verwendeten Flüssigkeitsbad mündet, nach verringert. Das bedeutet, daß ein größerer Prozent-Patent 1 501 291. ao satz der dem Vorratsgefüß entnommenen Flüssigkeit

Eine Vorrichtung nach dem Hauptpatent ennög- mit Solltemperatur in das Arbeitsbad gelangt, d. h. licht es, das zur Kühlung verwendete, durch Druck- der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert wird, eriiiudrigiing auf Temperaturen unterhalb des Α-Punk- Dabei ist zu erwähnen, daß sich auch der theoretics gehauene Arbeitsbad unterhalb des Filters unter sehe Wirkungsgrad erhöht, da das Nachfüllbad vor Konstanthaltung der Badtemperatur nachzufüllen. »5 der isenthalpen Entspannung unterkühlt wird. Ein Damit wird die kontinuierliche Kühlung von Objek- weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit ten auf Temperaturen unterhalb 2,17" K im Dauer- der Verminderung der Verdampfungskühlung im betrieb möglich. Nachfüllraum die Saugleistung der den Nachfüllraum

Zur Nachfüllung des Arbeitsbudes wird normal- evakuierenden Pumpe vermindert werden kann, was

siedendes flüssiges Helium (4,2 K) aus einem Vor- 30 ebenfalls die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung ver-

rabuefäß über einen abgasgekühlten Heber, der am bessert. Darüber hinaus schirmt der Wärmetauscher

Ende ein von einem Sinterkörper od. ä. umgebenes das Arbeitsbad gegen Wärmeeinstrahlung von

Enlspanmingsvcntil trägt, unter Entspannung und oben ab.

Abkühlung in ilen unter vermindertem Druck stehen- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der

den Nachfiillraum oberhalb des Filters eingefüllt. 33 Erfindung dargestellt.

Nach Schließen des Entspannungsventils wird der Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch das das Arbeils-

Druck über dem Nachfüllbad weiter erniedrigt, wo- bad aufnehmende Innengefäß des Kryostaten mit

bei wieder ein Teil der Flüssigkeit unter weiterer einer am Kryostatdeckel gehalterten, am unteren

Abkühlung verdampft. Wenn das Nachfüllbad die Ende als Wärmetauscher ausgebildeten und das FiI-

Temperatur des Arbeitsbades erreicht oder unter- 40 terelement tragenden Zwischenwand,

schritten hat, wird das Filter für die Flüssigkeit Zum Verständnis der Zusatzerfindung nebensäch-

durchlässig, und diese läuft nach unten in das Ar- liehe Elemente der Vorrichtung sind im Gegensatz

beitsbad ab. zu den Figuren des Hauptpatents schematisch dar-

Da die Abkühlung des nachgefüllten flüssigen gestellt.

Heliums von der normalen Siedetemperatur 4,2° K 45 Fig. 1 zeigt den inneren Heliumbehälter 1 eines auf die Arbeitsbadtemperatur unterhalb 2,17 ' K aus- Kryostaten, der ein Helium-II-Arbeitsbad 2 enthält schließlich durch Verdampfungskühlung bewirkt wird, und mit einem Deckel 3 verschlossen ist. Der den geht ein verhältnismäßig großer Anteil der nachge- Heliumbehälter 1 umgebende, mit flüssigem Stickfüllten Flüssigkeit für die Auffüllung des Arbeits- stoff gekühlte Strahlungsschutz ist hier der Überbades verloren. In dem Hauptpatent ist der beispiels- 50 sichtlichkeit halber weggelassen worden,
weise bei einer Arbeitsbadtemperatur von 1,7⁰K Der Deckel 3 des Heliumbehälters 1 trägt ein als erreichte Wirkungsgrad (Verhältnis der in das Ar- Zwischenwand ausgebildetes Bauteil 4, welches auf beitsbad nachgefüllten Flüssigkeitsmenge zu der aus einem Teil seiner Länge als Wärmetauscher 5 ausgedem Vorratsgefäß entnommenen Flüssigkeitsmenge) bildet ist und an seinem unteren Ende ein feinzu 52" 0 gegenüber dem unter diesen Umständen 55 poriges Filter 6 trägt.

theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad von 63°/o Der Wärmetauscher 5 ist hier als Rippenrohr aus-

(isenthalpe Entspannung) angegeben. gebildet, dessen Rippen, welche zusätzliche Wärme-

F.s ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine tauscherelemente 7 darstellen, im Strom des aus dem

Verbesserung des Wirkungsgrades der den Gegen- Helium-II-Arbeitsbades verdampfenden Kaltgases

stand des Hauptpatents bildenden Vorrichtung zu 60 liegen. Die Rippen sind mit derart gegeneinander

erreichen. versetzten Bohrungen 8 versehen, daß der Wärme-

Das Kennzeichen der Erfindung ist darin zu sehen, tauscher in vertikaler Richtung optisch dicht ist und

daß das das Nachfüllbad aufnehmende und das daß das Gas die Rippen in einem mehrfach gewun-

Filter tragende Bauteil auf einem Teil seiner Länge denen Weg von unten nach oben durchströmt. Der

mit zusätzlichen Wärmetauscherelementen in der Ab- 65 Wärmetauscher 5 kann jedoch auch anders aus-

gasströmung des Arbeitsbades versehen ist. gebildet sein, beispielsweise als Rippenrohr mit

Es kann dabei vorteilhaft sein, daß die Wärme- schraubenlinienförmigen Rippen, als Sintermetall-

tauscherelernente in Form von Rippen eines Rip- körper mit kompakter Innenwand od. ä.

Dns Bauteil 4 ist an seinem oberen Ende durch einen Deckel 9 mit einer WUrmolsolaiionsschlcht 10 verschlossen. Im Deckel 9 sind Durchführungen U, 12, 13 für einen Niveaufühler 14, einen Vakuummantelheber 15 und eine Ventilspindel 17 zur Betätigung eines das Filter 6 Uborbriickend3n Knllfnhrventils 18 am Boden des Bauteils 4 vorgesehen, Der Vaki'iimmantelheber IS mit Enispanniingsventil 16 hat einen abgusgekllhltenStrahlungsschutz, d.h. über den Vakuuinnumtelheber 15 wird sowohl flüssiges Helium aus einem nicht eingezeichneten Vorratsbehälter in das NachfUllbad 19 eingefüllt als auch das aus dem NachfUllbad 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 18 geschlossen und der Druck über dem Arbeitsbad 2 auf den gewünschten, derSollleniperalur des Arbeitsbades unterhalb 2,17 ' K (Α-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 Niveaufühler 22 das Entspannuiigsventil 16 am Heber 15 geölfnet. Damit setzt die Nachlieferung von llüssigem Helium aus dem nicht gezeichneten Vorratsgefäß in das NachfUllbad 19 ein.

Ueim Austritt aus dem Entspannuiigsventil 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 1!) den Niveaufühler 14 erreicht, schließt das Entspannungsventil. Das NachfUllbad 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 fntspannungsventils auch der Druck über dem Nachfüllbad 19 durch die an die Abgasleitung im Heber 15 angeschlossene Pumpe weiter erniedrigt, was durch Verdampfungskühlung ebenlalls zur Abkühlung des Nachfüllbades 19 beiträgt.

Wenn die Solltemperatur des Arbeitsbades 2 auch

im NachfUllbad 19 erreicht oder unterschritten wird,

wird das Filter 6 durchlässig, so daß das NachfliUbuü

durch das Filter 6 nach unten abläuft und das

S Arboitsbad auffüllt.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, tlaü der Kliltcinhalt des aus dom Arbeitsbad 2 abdampfenden Gases zur Kühlung des Nachfüllbades 19 ausgenutzt wird. Dadurch wird der zur Abkühlung des Nachfüllbadcs 19 auf die Solltemperatur erforderliche An teil an Verdampfungskühlung merklich herabgesetzt. Der Wirkungsgrad dor Vorrichtung wird damit crhüht.

Claims (3)

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 Tcmpcruiur-

einstellung durch Druckregulierung im Dampf raum oberhalb des Heliumbades erfolgt und eine NachfUllung aus einem Helium-Vorratsgefäß in Abhängigkeit von der Füllhöhe den Heliumhades über einen Vakuummuntclheber intermittierend

as durchgeführt wird, wobei der Auslaß des Vakuummantelhebers in einen unter vermindertem Druck stellenden NachfUllraum mündet, der durch ein Filter abgeschlossen ist, welches für gasförmiges Helium, Helium I sowie Helium II

mit einer höheren Temperatur als die Temperatur des Helium-II-Hades wenigstens teilweise undurchlässig ist, und wobei der Auslaß dieses Filters in den ebenfalls unter vermindertem Druck stehenden Badraum mit dem zur Kühlung verwendeten Flüssigkeitsbad mündet, nach Patent 1 501 2⁽) 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c Ii η e t, daß das das Nachfüllbad (19) aufnehmende und das Filter (6) tragende Bauteil (4) auf einem Teil seiner Länge mit zusätzlichen Wärmctauscherelemen-

ten (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 aiisgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Rippen ausgebildeten Wärmetauscherelemente (7) mit einer Mehrzahl gleichmäßig auf dem Umfang verteilter Bohrun-

gen (8) versehen sind, wobei die Bohrungen in benachbarten Rippen zur Abdeckung der optischen Sicht jeweils eine gegeneinander versetzte Lage haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen