DE1925140B2

DE1925140B2 - Vorrichtung zum transportieren von waerme von einem niedrigeren zu einem hoeheren temperaturniveau

Info

Publication number: DE1925140B2
Application number: DE19691925140
Authority: DE
Inventors: Adrianus Petrus; Staas Frans Adrianus; Eindhoven Severijns (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-06-05
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1976-04-29
Also published as: SE354348B; GB1266427A; FR2010178A1; AT289042B; DE1925140A1; NO124080B; CH515452A; BE734084A; US3589138A; FR2010178B1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung /um •ansportiercn von Wärme von einem niedrigeren zu nein höherenTemperatuinivcau.

Bei einer bereits vorgeschlagenen Vorrichtung der rt. auf die sich die Erfindung bezieht, liegen die beiden imperaturniveaus unter der Temperatur des λ-Piinks von Helium und die Vorrichtung enthält einen entspricht, in der:

Ap = die Druckdifferenz über dem Kanal,
η = die Dichte des Heliums,
S = die Entropie des Heliums und
AT = die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seitendes Kanals ist.

Weitere diesbezügliche Daten lassen sich finden in »Fluid Mechanics«, L.D.Landau und E. M. Li fshilz, Pergamon Press, 1959 und in »Quantum Fluids«, D. F. Brewer, Proceedings of the Sussex University Symposium, 16. bis 20. August 1965.

Weiter ist nach Anderson Δμ = Ιιη, wobei h die Konstante von Planck und η die Anzahl quantiziertci Wirbelringe im Suprafluidum ist, die an der Kanalwanc entstehen.

Beim Starten der vorgeschlagenen Vorrichtung wire nun durch die Pumpwirkung eine Treibkraft /1μ auf da! Medium im Umlaufkanal ausgeübt. In dem Augcnblid ist die Temperatur in der Vorrichtung noch liberal gleich, also AT=O. Das bedeutet, daß die genannte A\ nach der obenstehenden Foriucl in eine Druckdifferen. Ap über den Teil des Umlaufkanals, der sich an dii Saugseitc der Pumpe anschließt, (da im Supralcck keim Wirbel auftreten können, wird Δμ am Supraleck NuI sein) umgewandelt wird. Infolge dieser Druckdilfercn: wird normales Helium durch diesen Kanalteil zu Pumpe fließen. Mit diesem Strom normalen Helium wird zugleich ein Wärnicstrom von der einen Seile de Supralecks zur Pump; und zum Kühler crhalter

Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz AT am Supraleck, was zur Folge hat, daß die Druckdifferenz Ap an dem sich an die Saugseite der Pumpe anschließenden Ka.nalteil kleiner wird. Am Supraleok wird nun eine Druckdifferenz herrschen, wobei, weil im Supraleck keine Wirbel auftreten, Ap=ρ SA 7"ist.

Auf diese Weise ist eine einfache Vorrichtung erhalten um, ausgehend von einer Temperatur, die unter dem Λ-Punki des Heliums liegt, bei einer niedrigeren Temperatur Kälte zu erzeugen. Bei dieser Vorrichtung ist zur Erzeugung der Triebkraft Δμ eine Pumpe erforderlich. Diese Pumpe kann beispielsweise eine Zentrifugalpumpe oder eine Kolbenpumpe sein, an der Pumpe gibt es keine Temperaturdifferenz, also AT=O. und somit ist

1 ^Ap

Δμ=

Eine Schwierigkeit dabei ist, daß diese Pumpe bei Temperaturen in der Nähe von Γ Κ arbeitet, was selbstverständlich konstruktive Probleme mit sich bringt, und weiter muß eine derartige Pumpe mit einer Antriebsvorrichtung, die bei Zimmertemperatur arbeitet, gekuppelt sein. Durch die Kupplung wird Wärme zur Pumpe fließen, weiche Wärme dadurch dissipien wird, daß eine Menge flüssigen Heliums aus dem die Pumpe umgebenden Heliumbad verdunstet. Das bedeutet also einen Verlust.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zu schaffen mit einer besseren Wirkung und einer einfacheren Konstruktion als die der vorgeschlagenen Vorrichtung, wobei die Pumpvorrichtung nach dem bekannten Prinzip des Brunneneffektes arbeitet (vgl. »Handbuch der Kältetechnik« von Rudolf PI a η k, Bd. 8,1957, S. 357 und 358).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der beide Temperaturniveaus unter der Temperatur des λ-Punktes von Helium liegen und die thermisch isoliert ist und einen Durchströmungskanal enthält, der im Betrieb der Vorrichtung mit ⁴He gefüllt iüt, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmungskanal ein erstes Supraleck enthält, das sich mit seiner einen Seite an eine Zuführungsleitung von ⁴He bei einer Temperatur, die unter dem λ-Punkt liegt, anschließt und sich mit seiner anderen Seite an einen ersten Raum anschließt, wo dem Helium Wärme zugeführt werden kann, welcher Raum über eine erste Leitung und einen Kühler, in dem dem Helium bei einer Temperatur, die unter dem λ-Punkt liegt, Wärme entnommen werden kann, an ein zweites Supraleck anschließt, das an seiner anderen Seite durch einen zweiten Raum begrenzt ist, in dem dem Helium Wärme zugeführt werden kann, und an welchen Raum sich eine zweite Leitung anschließt, wobei im ersten und/oder zweiten Raum eine Heizvorrichtung angeordnet ist, mit der dem Helium Wärme zugeführt weiden kann bei einer höheren Temperatur als die, welche im Betrieb im Kühler herrscht, und die erste und zweite Leitung derart bemessen sind, daß im Betrieb das Medium darin seine kritische Geschwindigkeit überschreitet und Wirbel auftreten.

Auf diese Weise ist eine Vorrichtung erhalten, bei der durch Zuführung von Wärme an das ⁴He im ersten oder zweiten Raum bei einer höheren Temperatur als die. welche im Kühler herrscht, ein Brunnenpumpeffekt am ersten bzw. zweiten Supraleck auftritt, wodurch eine Triebkraft Δμ auf das Helium im Durchströmungskanal erhalten wird. d. h.. wie obenstehend bereits erläutert ist.

daß dann am anderen Supraleck eine Druckdifferenz und eine Temperaturdifferenz entsteht. Wird beispielsweise im zweiten Raum Wärme zugeführt bei der höheren Temperatur, dann tritt die Brunnenpumpwirkung am zweiten Supraleck auf, während eine Druckdifferenz und eine Temperaturdifferenz am ersten Supraleck entsteht, mit der Folge, daß im ersten Raum eine niedrigere Temperatur herrscht. Bei dieser niedrigeren Temperatur kann ein Gegenstand gekühlt werden, der dann also bei dieser niedrigeren Temperatur dem Helium Wärme abgibt. Dadurch, daß infolge der Druckdifferenz an der ersten Leitung sowohl Supralfluidum als auch normales Helium hindurchfließen. wird die dem ersten Raum zugeführten Wärme mit diesem normalen Helium mit zum Kühler abgeführt werden. Andererseits ist es auch möglich, im ersten Raum bei höherer Temperatur Wärme zuzuführen, wobei dann am ersten Supraieck eine Brunnenpumpwirkung auftritt, und am zweiten Supraleck eine Druckdifferenz und Temperaturdifferenz entsteht, was zu einer Kälteerzeugung bei niedrigerer Temperatur im zweiten Raum führt.

Auf diese Weise ist eine Vorrichtung erhalten mit einer oder zwei Pumpvorrichtungen ohne bewegende Teile, die mit einem Motor auf Zimmertemperatur verbunden sind. Die Heizvorrichtungen können beispielsweise eine kleine elektrische Heizspirale enthalten, die je über zwei dünne Drähte mit der Umgebung verbunden sind, so daß Hineinlecken von Wärme durch die Leitung gering sein wird. Auch ist es möglich, die Heizvorrichtungen als Platte oder Stab gut leitenden Materials auszubilden, die bzw. der über Wärmeleiter mit der Umgebung in Verbindung gebracht werden kann.

Auf diese Weise ist eine Kühlvorrichtung erhalten, bei der durch Zuführung von Wärme an nur eine Heizvorrichtung an einer anderen Stelle Kälte bei einer niedrigeren Temperatur erzeugt wird, wobei beliebig geheizt werden kann im ersten oder im zweiten Raum und somit die Kälte auch beliebig im /weiten oder im ersten Raum erhallen werden kann.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsforni der erfmdungsgemäßen Vorrichtung ist diese in einem Vakuumraum angeordnet, wobei die eine Seite des ersten Supralecks und die zweite Leitung außerhalb des Vakuumraums münden, wobei der Vakuumraum mit der darin angeordneten Vorrichtung in ein Bad mit flüssigem ⁴He mit einer Temperatur, die unter dem λ-Punkt liegt, untergetaucht werden kann, wobei der Kühler mit dem flüssigen ⁴He Bad in wärmeleitender Verbindung steht.

Eine weitere günstige Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung weist das Kennzeichen auf, daß die vom zweiten Raum abgewandte Seite der zweiten Leitung über einen weiteren Kühler, in dem dem Helium Wärme entnommen werden kann bei einer Temperatur, die unter dem Λ-Punkt liegt, sich an die eine ^eite des ersten Supralecks anschließt. Dabei ist die Vorrichtung also durch einen geschlossenen Umlaufkanal mit zwei Supralecks, zwei Räumen und zwei Kühlern gebildet. Dieses Ganze läßt sich nach einer weiteren Ausführungsform in einem Vakuumraum anordnen, der in ein Bad mit flüssigem Helium mit einer Temperatur unter dem λ-Punkt untergebracht werden kann, wobei dann die beiden Kühler mit dem Heliumbad in thermischem Kontakt stehen.

An Hand der Zeichnung, in der als Beispiel schematisch und nicht maßgerecht in Fig. I und 2 zwei

Ausführungsformen von Vorrichtungen zum Transportieren von Wärme zwischen zwei unter dem Λ-Punkt von Helium liegenden Temperaturniveaus dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 enthält einen Kanal 1, in dem ein erstes Supraleck 2 aufgenommen ist. Der Kanal 1 steht mit seiner oberen Seite mit einem flüssigen Heliumbad 3, in einem Dewargefäß 4, in offener Verbindung. Durch Absaugung des Dampfes über dem Heliumbad 3 mit Hilfe einer nicht dargestellten Vakuumpumpe wird die Temperatur des Heliumbades 3 niedriger gehalten als die Temperatur des λ-Punktes. Die Temperatur des Heliumbades 3 kann beispielsweise 1,3" K betragen. Der Kanal 1 mündet an seiner anderen Seite in einen Raum 5, in dem ein zu kühlender Gegenstand 6 fest angeordnet werden kann. An den ersten Raum 5 schließt sich eine erste Leitung 7 an, die sich mit ihrer anderen Seite über einen Kühler 8 an ein zweites Supraleck 9 anschließt. Das Supraleck 9 ist an seiner einen Seite durch einen zweiten Raum 10 begrenzt. Der Raum 10 schließt sich an eine zweite Leitung 12 an, die im Heliumbad 3 mündet. Im Raum 10 ist eine elektrische Heizvorrichtung 11 angeordnet, die über Stromzuführungsdrähte 13 mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden ist. Das Supraleck 2, der Raum 5, der Kanal 7, der Kühler 8, das Supraleck 9, der Raum 10 und die Leitung 12 sind in einem Vakuumraum 14 angeordnet, der sich über den Kanal 15 an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe anschließt, die das Vakuum aufrechterhält. Weiter kann im Raum 5 ebenfalls eine Heizvorrichtung 11' angeordnet sein, während im Raum 10 auch ein zu kühlender Gegenstand 6' vorhanden sein kann.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Durch Stromzufuhr an die Heizvorrichtung 11 wird die Temperatur im Raum 10 etwas höher werden als an der Unterseite des Supralecks 9 im Kühler 8, wo die Temperatur (1,3°K) des Heliumbades 3 herrscht. In der Annahme, daß im Kühler 8 eine Temperatur T₀ und ein Druck Pq herrscht, und im Raum 10 eine Temperatur 7ö + /17"erzeugt wird, wird sich nach der Formel

Δμ

±-SAT

und infolge der Tatsache, daß Δμ> am Supraleck 9 Null ist, ein Druck ρο+Δρ₅ einstellen, wobei der Druckunterschied am Supraleck Ap₅=qSA T_s ist.

Die Treibkraft auf das Helium in der zweiten Leitung 12 ist nun

Δρ\2 Δμιι = + SATn.

Infolge der Tatsache, daß in der zweiten Leitung 12 Wirbel auftreten, ist 4μΐ2 = 0. Dadurch, daß die zweite Leitung 12 an seiner vom Raum 10 abgewandten Seite im Heliumbad mündet, wird die Temperatur dort der Temperatur 7ö im Kühler 8 gleich sein. Das bedeutet, daß die Temperaturdifferenz am Supraleck und die Temperaturdifferenz an der zweiten Leitung einander gleich sind, also Δ T_S=AT\2- Dadurch ist

oder die Triebkraft der Pumpe ist

Δμ =

Δμ\

— Am 2 Aps

was der Formel der von beispielsweise einer Flüssigkeitspumpe zwischen zwei gleichen Temperaluren gelieferten Triebkraft entspricht.

Durch diese erhaltene Brunnenpumpwirkung wird also Helium aus dem Kühler 8 zum Heliumbad 3 gepumpt. Das bedeutet, daß im Kühler 8 ein niedrigerer Druck herrschen wird als im Raum 5. so daß eine Druckdifferenz Αρη an der ersten Leitung 7 entsteht.

Infolge dieser Druckdifferenz wird auf das Medium in jener Leitung eine Triebkraft ausgeübt werden, derart daß suprafluides und normales Helium zum Kühler 8 fließt. Dem normalen Heliumstrom entspricht ein Wärmestrom vom Raum 5 zum Kühler 8. Dadurch wird die Temperatur im Raum 5 sinken. Infolgedessen entsteht eine Temperaturdifferenz AT₂ am Supralcck 2 was zur Folge hat, das an diesem Supraleck 2 auch eine Druckdifferenz herrschen wird, wobei wieder, weil im Supraleck 2 keine Wirbel auftreten,/Ip₅ = qSAT_s. Es wird sich ein Gleichgewichtszustand einstellen, wobei die von der Pumpe (Supraleck 9. Raum 10, Heizvorrichtung 11 und Leitung 12) gelieferte auf das Medium wirkende Triebkraft der Triebkraft, die erforderlich ist, um das Medium durch den Teil (Supraleck 2, Raum 5 und Leitung 7) der Vorrichtung fließen zu lassen, gerade entspricht. Dabei wird im Raum 5 eine niedrigere Temperatur von beispielsweise 0,7⁰K herrschen. Im Raum 5 ist ein zu kühlender Gegenstand 6 angeordnet, der bei dieser Temperatur dem Helium Wärme abgibt.

Diese zugeführte Wärme wird mit dem Strom normalen Heliums durch die Leitung 7 zum Kühler 8 abgeführt werden. Auf diese Weise ist also eine Kühlleistung für den Gegenstand 6 erhalten.

Der Kühler 8 ist dabei als Kanalteil ausgebildet, der zur Erhaltung einer großen wärmeaustauschenden Oberfläche mit einem Sintermaterial, wie zusammengesinterten Kupferkugeln, gefüllt ist, wobei die Außenwand desselben mit einer Kupferplatte 13, die mit Kühlflossen 14 in das Heliumbad ragt, verbunden ist Dadurch wird das Helium, das aus der Leitung 7 in den Kühler 8 fließt, auf die Temperatur des Heliumbads 3 gekühlt.

An 5>telle der Heizvorrichtung Ii Strom zuzuführen kann gewünschtenfalls der Heizvorrichtung W irr Raum 5 Strom zugeführt werden. Dies hat zur Folge daß nun ein Brunnenpumpeffekt am Supraleck 2 auftreten wird, wobei der Druck im Raum 5 höher seir wird als im Kühler 8. Aus dem Raum 5 fließt dann da; Helium über die Leitung 7 zum Kühler 8, wo es auf die Temperatur des Heliumbades 3 gekühlt wird. Au ähnliche Weise wie obenstehend beschrieben wird nur eine Druck-Temperaturdifferenz am Supraleck ί entstehen, während an der Leitung 12 eine Druckdiffe renz besteht die das Helium aus dem Raum 10 zun Heliumbad fließen läßt. Mit der dadurch erhaltener Strömung normalen Heliums wird Wärme aus den Behälter 10 mit niedrigerer Temperatur zum Heliumbac abgeführt !;ü Raum 10 wird dann Kälte erzeugt be beispielsweise 0,7⁰K. Diese Kälteerzeugung kam beispielsweise zur Kühlung eines Gegenstandes 6 benutzt werden.

Auf diese Weise ist also eine Kühlvorrichtung fü äußerst niedrige Temperaluren erhalten, wobei durcl

Wärmezufuhr an nur einer Stelle eine Kälteerzeugung an einer anderen Stelle erhalten wird.

F i g. 2 zeigt eine etwas andere Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform sind das erste Supraleck 2, der erste Raum 5, die erste Leitung 7, der Kühler 8, das zweite Supraleck 9 und die zweite Leitung 12 auf gleiche Weise ausgebildet und auf dieselbe Weise miteinander verbunden wie bei der Vorrichtung nach F i g. 1. Nur ist jetzt das vom Raum 10 abgewandte Ende der Leitung 12 über eine Leitung 17 und einen weiteren Kühler 18 mit der vom Raum 5 abgewandten Seite des Supralecks 2 verbunden. Die Leitung 17 und der Kühler 18, der als Flosscnkiihlcr ausgebildet ist. befindet sich außerhalb des Vakuum-

raums 14 und stehen mit dem Heliumbad 3 in Verbindung. Auf diese Weise ist also ein geschlossener Umlaufkanal erhalten, der mit ⁴He gefüllt ist. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung entspricht der der Vorrichtung nach Fi g. 1.

Es dürfte einleuchten, daß in konstruktiver Hinsicht noch eine Vielzahl nicht dargestellter Abwandlunger möglich sind, unter Einhaltung des Prinzips, auf dem die Erfindung beruht, nämlich die Erzeugung einer Druck ίο differenz am ersten Supraleck durch Erzeugung einei Temperaturdifferenz am zweiten Supraleck und die gegenseitige Verbindung durch Leitungen, die derar bemessen sind, daß das Suprafluidum darin sein* kritische Geschwindigkeit überschreitet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Transportieren von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau, bei der beide Temperaturniveaus unter der Temperatur des λ-Punktes von Heüum liegen und die thermisch isoliert ist und einen Durchströmungskanal enthält, der im Betrieb der Vorrichtung mit ⁴He gefüllt ist. dadurch gekenn ζ eichnet, daß der Durchströmungskanal zwei Supralekke (2, 9) enthält, wobei das erste Supraleck (2) sich mit seiner einen Seite an eine Zuführungsleitung (17) von ⁴He bei einer unter dem λ-Punkt liegenden Temperatur, und sich mit seiner anderen Seite an einen ersten Raum (5) anschließt, in dem dem Helium Wärme zugeführt werden kann, und der sich über eine Leitung (7) und einen Kühler (8), in dem dem Helium bei einer unter dem λ-Punkt liegenden Temperatur Wärme entnommen werden kann, an das zweite Supraleck anschließt, das an seiner anderen Seite durch einen zweiten Raum (10) begrenzt ist, in dem dem Helium Wärme zugeführt werden kann und an den sich eine zweite Leitung (12) anschließt, ferner im ersten und/oder im zweiten Raum (5 bzw. 10) eine Heizvorrichtung (H' bzw. 11) angeordnet ist, mit der dem Helium Wärme bei einer höheren Temperatur zugeführt werden kann als die. welche im Betrieb im Kühler (8) herrscht, und die erste (7) und zweite Leitung (12) derart bemessen sind, daß im Betrieb das Medium darin seine kritische Geschwindigkeit überschreitet und Wirbel auftreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem Vakuumraum (14) angeordnet ist, und die eine Seite des ersten Supralecks (2) und die zweite Leitung (12) außerhalb dieses Vakuumraums münden, wobei der Vakuumraum mit der darin angeordneten Vorrichtung in ein Bad mit flüssigem ⁴He mit einer Temperatur, die unter dem λ-Punkt liegt, untergetaucht werden kann, und der Kühler (8) mit dem flüssigen ⁴He-Bad (3) in wärmeleitender Verbindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom zweiten Raum (10) abgewandte Seite der zweiten Leitung (12) über einen weiteren Kühler (18). in dem dem Helium Wärme entnommen werden kann bei einer Temperatur, die unter dem λ-Punkt liegt, sich an die eine Seite des ersten Supralecks (2) anschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem Vakuumraum (14) angeordnet ist, der als Ganzes in ein Bad (3) mit flüssigem Helium mit einer Temperatur unter dem Λ-Punkt untergetaucht werden kann, und die beiden Kühler (8, 18) mit dem Heliumbad thermisch verbunden sind.

Umlaufkanal, der mit ⁴He gefüllt ist. und in dem s,ch mindestens eine Materialmasse befindet mit der Eigenschaft daß normales ⁴He nicht durch diese Masse hindurchfließen kann, während supraflüssiges 'He hindurchfließen kann, ohne daß bei der Durchsiromung sich mitbewegende Wirbel auftreten. Diese Materialmasse erstreckt sich über einen Teil des Umlaufkanals und füllt den Durchlaß desselben. Der Umlaufkanal enthält eine Pumpvorrichtung, die im Betrieb eine Druckdifferenz über der erwähnten Materialmasse aufrechtzuerhalten vermag, wobei die Materialmasse und wenigstens der auf der Seite niedrigeren Druckes dieser Masse liegende Teil des Umlaufkanals thermisch isoliert ist, und der sich an die Seite höheren Druckes der erwähnten Matcrialmasse anschließende Teil des Umlaufkanals in wärmeleitender Berührung ist mit einem Kühler, beispielsweise einem Heliumbad, mit einer Temperatur, die niedriger ist als die das λ-Punktcs von ⁴He. Dabei sind der Durchlaß des Umlaufkanals und die Pumpvorrichtung derart bemessen, daß das Helium darin seine kritische Geschwindigkeit überschreitet und Wirbel auftreten.

Im nachfolgenden wird die Materialmasse, welche die Eigenschaft aufweist, daß normales ⁴He praktisch nicht durch diese Masse hindurchfließen kann und das supraflüssige ⁴He diese Masse durchfließen kann, ohne daß bei der Durchströmung sich mitbewegende Wirbel auftreten, als »Supraleck« bezeichnet.

Bei dieser vorgeschlagenen Vorrichtung ist dadurch ein kontinuierlicher Kühlprozeß erhalten, daß im Umlaufkanal Wirbel auftreten. Nach Landau gilt nämlich für einen Kanal, in dem sich Helium mit einer Temperatur unter dem λ-Punkt befindet, daß eine Treibkraft Δμ- auf dieses Helium der Beziehung