DE1913789A1 - Vorrichtung zur Nachluellung eines Heliumbades bei Temperaturen bis unterhalb des ?-Punktes - Google Patents

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

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DE1913789A1 DE19691913789 DE1913789A DE1913789A1 DE 1913789 A1 DE1913789 A1 DE 1913789A1 DE 19691913789 DE19691913789 DE 19691913789 DE 1913789 A DE1913789 A DE 1913789A DE 1913789 A1 DE1913789 A1 DE 1913789A1
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Description

MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER WISSENSCHAFTEN E.V.
Vorrichtung zur Nachfüllung eines Heliümbades 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 Heliumbades 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 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 FiItereleraentes 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.a. umgebenes Entspannungsventil trägt, unter Entspannung und Abkühlung in den "unter vermindertem Druck stehenden Nachfüllraum oberhalb des
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Filters eingefüllt. Das Filter ist für dieses Nachfüllbad praktisch undurchlässig, solange die Temperatur des Nachfüllbädes höher ist, als die Temperatur des Arbeitsbades unterhalb des Filters, und solange die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten des Filters einen bestimmten, vom Druck unterhalb des Filters (der der Solltemperatur des Arbeitsbades entspricht) abhängigen Höchstwert nicht überschreitet. Wird dieser Höchstwert überschritten, so erfolgt ein Flüssigkeitsdurchbruch durch das Filter. Bei einer Temperatur des Arbeitsbades von 1S5°K (2,i°K), die einem Druck unterhalb des Filters von 5 mb (4-7 1^b) entspricht, tritt der Flüssigkeitsdurchbruch bspw. bei einer Druckdifferenz von 650 mb (50 mb) ein. .
Der Flüssigkeitsdurchbruch setzt zwar mit abnehmender Arbeitsbadtemperatur erst bei zunehmend höheren Druckdifferenzen ein und führt darüber hinaussieht zu einer Störung der Solltempe--.. ratur im unteren Arbeitsbad; er kann sich aber trotzdem störend auf den stationären Betrieb der Vorrichtung auswirken1, da die an den Raum des Arbeitsbades angeschlossene Pumpe einer unerwünscht hohen Belastung ausgesetzt wird.
, Es ist Aufgabe der Erfindung, den Flüssigkeitsdurchbruch "bei
höheren Druckdifferenzen am Filter zu vermeiden« Das Kennzeichen der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Nachfüllraum mindestens ein mit. Abstand oberhalb des Filterelementes angeordnetes ) weiteres Filterelement aufweist, wobei der Zwischenraum zwischen den Filterelementen durch ein in das obere Filterelement" eingesetztes Überlaufrohr mit dem Nachfüllraum in Verbindung steht. a-
Kit einem, erfindungsgemäßen Doppelfilter wird der Flüssigkeiten durchbruch sicher vermieden, da der Druck an beiden Seiten des' oberen, das Nachfüllbad tragenden Filters stets gleich ist.' Andererseits erfolgt der Flüssigkeitsdurchlauf durch das Doppelfilter bei Erreichen bzw. Unterschreiten der Solltemperatur ' ''* (Temperatur des unteren Arbeitsbades) im Nachfüllbad wie bei
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einem einfachen Filter, da jetzt die Sperrwirkung beider Filter gleichseitig aufgehoben wird. Die Flüssigkeit läuft dann durch das obere Filter in den Filterzwischenraum und von dort durch das untere Filter in das Arbeitsbad 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 den Nachfüllraum begrenzenden, ein Doppelfilter tragenden Zwischenwand.
Zum Verständnis der Zusatzanmeldun£ nebensächliche Elemente der Vorrichtung sind im Gegensatz zu den Figuren der Hauptanneldung schematisch dargestellt. -
1 zeigt den inneren Heliumbehälter 1 eines Kryostaten mit einem Helium-II-Arbeitsbad 2. Der den Heliumbehälter 1 umschließende, mit flüssigem Stickstoff gekühlte Strahlungsschutz ist hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden.
Der Heliumbehälter 1 ist mit einen Deckel 3 verschlossen, der ein hier als Zwischenwand ausgebildetes Bauteil 4 träft, welches das Nachfüllbad 5 aufnimmt und an seinem unteren Ende durch ein feinporiges Filterelement 6 abgeschlossen ist. Das Filterelement 6 kann durch ein am Boden des Bauteils 4 angeordnetes Kaltfahrventil 7 überbrückt werden. Oberhalb des Filterelements ist in das Zwischenwandbauteil 4 ein weiteres, ebenso feinporiges Filterelement 8 eingesetzt. Das Filterelement 8 weist eine öffnung auf, in'die ein Überlaufrohr 9 fest eingesetzt ist, so daß der Zwischenraum zwischen den beiden Filtern 6, 8 über das Uberlaufrohr 9 mit dem übrigen Kachfüllraum 22 in Verbindung steht.
ι Das Niveau des I.achfüllbades 5 wird durch einen Niveaufühler 10 ,kontrolliert. Das Zwischenwandbauteil 4 ist oben durch einen
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Deckel 11 mit Wärmeisolationsschicht 12 verschlossen. In dem Deckel 1.1 sind Durchführungen 13, 14-, 15 für den Niveaufühler 10, einen Vakuummantelheber 16 mit abgasgekühltem Strahlungsschutz und Entspannungsventil 17 sowie für eine Spindel 18 zur Betätigung des Kaltfahrventils 7 vorgesehen. Das Abgas des Nachfüllbades 5 wird über die hier nur schematisch angedeutete Abgasleitung im Heber 16 mittels einer nicht eingezeichneten Pumpe abgesaugt. Der Heber 16 steht darüber hinaus mit einem ebenfalls nicht eingezeichneten Vorratsgefäß für flüssiges Helium in Verbindung.
Das Niveau des Arbeitsbades 2 wird durch einen hier nur angefe deuteten Niveaufühler 19 kontrolliert. Das aus dem Arbeitsbad 2 verdampfende Gas wird über die Abgasleitung 20 und ein Regel— ventil 21 mittels^ier ebenfalls nicht eingezeichneten Pumpe abgesaugt.
Im Betrieb wird der Kryostat zunächst bei geöffnetem Kaltfahrventil 7 abgekühlt und mit flüssigem Helium gefüllt. Dann wird das Kaltfahrventil 7 geschlossen und der Druck über dem Arbeitsbad 2 auf den der Solltemperatur des Arbeitsbades unterhalb 2,17°K ( λ -Punkt) entsprechenden niedrigen Druckwert abgesenkt. Damit ist der stationäre Betriebszustand erreicht.
Wenn nun das Niveau des Arbeitsbades durch Niveaufühler 19 absinkt, wird das EntspaminngcvenjI* i7 Heber 16 durch ein Signal des Niveaufühlers 19 geöffnet, ^a,.j■■. setzt der überlauf Von flüssigem Helium aus dem Vorratsgefäß in den Nachfüllraum 22 ein. Das Helium von ursprünglich 4,2°K (normale Siedetemperatur) wird beim Durchtritt durch das Entspannungsventil 17 auf den im Nachfüllraum 22 herrschenden niedrigeren Druck entspannt und damit abgekühlt. Das Helium sammelt sich über dem oberen Filtere zu einem Nachfüllbad 5· Wenn das Nachfüllbad 5 den Niveaufühler 10 erreicht, schließt das Entspannungsventil I7. Anschließend wird der Druck im Nachfüllraum 22 mittels der an die Abgasleitung im Heber 16 angeschlos-
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_ 5 —
senen Pumpe so* weit erniedrigt, bis die Temperatur des Nachfüllbades 5 die Solltemperatur des Arbeitsbades 2 erreicht oder unterschreitet. Wenn diese Temperatur erreicht ist, wird das Filter 8 für das flüssige Helium durchlässig und das Nachfüllbad 5 beginnt,- in den Zwischenraum zwischen den Filtern 6 und 8 abzulaufen. Sobald sich über dem unteren Filter 6 eine Flüssigkeitssäule von wenigen Millimetern angesammelt hat, wird auch das Filter 6 durchlässig und das Nachfüllbad 5 lauft durch beide Filter 6, 8 nach unten in das Arbeitsbad 2 ab und füllt dieses auf.
Hinsichtlich des Durchlaufs von Flüssigkeit aus dem Nachfüllbad in das Arbeitsbad 2 bei Temperatur- bzw. Druckgleichheit an beiden Seiten des die Zwischenwand 4· abschließenden Filters 6 bzw. bei negativer Druckdifferenz am Filter 6 (poben < Punten^ ζβ^Β^ das Doppelfilter 6, 8 dieselbe Wirkung wie ein einfaches Filter: das Nachfüllbad 5 läuft ungehindert ab. Bei positiven Druckdifferenzen am Filter 6 (Poben > Punten^ * bei denen bei Verwendung eines einzigen Filters unter bestimmten Bedingungen ein unerwünschter Flüssigkeitsdurchbruch auftritt, ist das Doppelfilter 6, 8 jedoch vollständig dicht, da am oberen, das Nachfüllbad 5 tragenden Filter 8 keine Druckdifferenz auftritt. Damit ist die Gefahr einer Störung im Arbeitsraum unterhalb des Filters durch ^unerwünschten Flüssigkeitsdurchbruch auf Grund einer positiven Druckdifferenz sicher vermieden. Der Betrieb der Vorrichtung wird damit in vorteilhafter Weise sicherer.
- 6 009839/114 2

Claims (1)

  1. Pat ent anspruch
    orrichtung zur kontinuierlichen Tiefkühlung von Objekten in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere unterhalb von 2,170K unter Verwendung eines He-II-Bades, wobei die Temperatureinstellung durch Druckregulierung im Dampfraura oberhalb des Heliumbades 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 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 den zur Kühlung verwendeten Bad mündet, dadurch gekennzeichnet , daß der Nachfüllraum (22) mindestens ein mit Abstand oberhalb des Filterelementes (6) angeordnetes weiteres Filterelement (8) aufweist, wobei der Zwischenraum zwischen den Filterelementen (6", 8) durch ein in das obere Filterelement (8) eingesetztes Überlaufrohr (9) mit dem Nachfüllraum (22) in Verbindung steht.
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