DE1925140C3 - Vorrichtung zum Transportieren von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Transportieren von Wärme von einem niedrigeren /u einem höheren Temperaturniveau.

Bei einer bereits vorgeschlagenen Vorrichtung der Art. auf die sich die Erfindung bezieht, liegen die beulen Temperaturniveaus unter der Temperatur des λ-Punktes von Helium und die Vorrichtung enthält einen Umlaufkanal, der mit ⁴He gefüllt ist. und in dem sich mindestens eine Materialmassc befindet mil der Eigenschaft, daß normales ⁴Hc nicht durch diese Masse hindurchfließen kann, während supraflüssiges ⁴He hindurchfließen kann, ohne d iß bei der Durchströmung sich mitbewegende Wirbel auftreten. Diese Materialmassc erstreckt sich über einen Teil des Umlaufkanuls und füllt den Durchlaß desselben. Der Unilaufkanal enthält eine Pumpvorrichtung, die im Betrieb eine Druckdifferenz über der erwähnten Materialmassc 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 Maierialmasse anschließende Teil des Umlaufkanais in wärmeleitender Berührung ist mit einem Kühler, beispielsweise einem Hcliumbud. mit einer Temperatur, die niedriger ist als die das /Punktes von ⁴He. Dabei sind der Durchlaß des Umlaufkanals und die Pumpvorrichtung derart bemessen, daß das Helium darin seine kritische Geschwindigkeii übcrschreiiei und Wirbel auftreten.

Im nachfolgenden wird die Materialmassc 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 m.'tbewegende Wirbel auftreten, als »Supraleck« bezeichnet.

Bei dieser vorgeschlagenen Vorrichtung ist dadurch ein kontinuierlicher Kühlprozeß erhallen, 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

Δμ

^-~ SAT
ο

6o entspricht, in der:

Jp = die Druckdifferenz über dem Kanal,
ο = die Dichte des Heliums,
5 = die Entropie des Heliumsund
AT = die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seitendes Kanals ist.

Weitere diesbezügliche Daten lassen sich finden in »Fluid Mechanics«, L.D.Landau und I". MLiI shitz. 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 Λ die Konstante von Planck und π die Anzahl qualifizierter Wirbclringe im Suprafluidum ist, die an der Kanahsanc entstehen.

Beim Starten der vorgeschlagenen Vorrichtung wire nun durch die Pumpwirkung eine Treibkraft Αμ auf da> Medium im Umlaufkanal ausgeübt. In dem Augenblick ist die Temperatur in der Vorrichtung noch liberal gleich, also J7"=0. Das bedeutet, daß die genannte A^ nach der obenstehenden Formel in eine Druckdifferenz A[J über den Teil des Umlaufkanals, der sich an dii Saugscitc der Pumpe anschließt, (da im Sunraleck keim Wirbel auftreten können, wird Αμ am Supraleck NuI sein) umgewandelt wird. Infolge dieser Druckdifferen. wird normales Helium durch diesen Kanalteil /u Pumpe fließen. Mit diesem Strom normalen Helium wird zugleich ein Wärniestrom von der einen Seite de Supralecks /ur Pumpe und zum Kühler erhaltet

Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz AT am Supraleck, was zur Folge hat, daß die Druckdifferenz Ap an dem sich an die Saugseite der Pumpe anschließenden tCanalteil kleiner wird. Am Supraleck wird nun eine Druckdifferenz herrschen, wobei, weil im Supraleck leine Wirbel auftreten.Ap=ρ SAT'^x.

Auf diese Weise ist eine eir.lache Vorrichtung erhalten um, ausgehend von einer Temperatur, die unter 4cm λ-Punkt des Heliums liegt, bei einer niedrigeren Temperatur Kälie zu erzeugen. Bei dieser Vorrichtung ι ο fet 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. «nd somit ist

A ^ΔΡ

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 arbeilet, gekuppelt sein. Durch die Kupplung wird Wärme iur Pumpe fließen, welche Wärme dadurch dissipiert wird, daß eine Menge flüssigen Heliums aus dem die Pumpe umgebenden Heliumbad verdunstet. Das bedeutet also einen Verlust.

Dii 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 Plank, Bd.8,1957,S. 357 und 358).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der beide Temperaturniveaus unter der Temperatur des λ-Punk- »es von Helium liegen und die thermisch isoliert ist und einen Durchströmungskanal enthält, der im Betrieb der Vorrichtung mit ⁴He gefüllt ist, 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 dein 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 werden 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 ei halten, bei der durch Zuführung von Wärme an das ⁴He im eisten 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 Brunnenpumpwiikung am zweiten Supraleck auf, während eine Druckdifferenz und eine Temperaturdifferenz am ersten Supraleck entsteht, mit der Folge, daß im ersten Raum e>ne niedrigere Temperatur herrscht. Bei dieser niedrigeren Temperatur kann eir 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 Supraleck 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 mil 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 zweiten oder im ersten Raum erhalten werden kann.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Kennzeichen auf. daß die vom zweiten Raum abgewandte Seile 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 Seite 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. 1 und 2 zwei

Ausführungsformen von Vorrichtungen zum Transportieren von Wärme zwischen zwei unter dem A-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 Supraleek 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-Punktcs. 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 Seile über einen Kühler 8 an ein zweites Supraleek 9 anschließt. Das Supraleek 9 ist an seiner einen Seite durch einen zweiten Raum tO 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 Supraleek 2, der Raum 5. der Kanal 7, der Kühler 8, das Supraleek 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 1Γ 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 7ö und ein Druck Po herrscht, und im Raum 10 eine Temperatur 7o + ^17"erzeugt wird, wird sich nach der Formel

und infolge der Tatsache, daß Δμ, am Supraleck 9 Null ist. ein Druck p» + Ap< einstellen, wobei der Druckunterschied am Supraleek ^p₅= qSA T₃ ist.

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

Ap\i

Δμ\2 = 1- SATn.

Infolge der Talsache, daß in der zweiten Leitung 12 Wirbel auftreten, ist 4μ_Ι2 = 0. Dadurch, daß die zweite Leitung 12 an seiner vom Raum 10 abgewandlen Seite im Heliumbad mündet, wird die Temperatur dort der Temperatur T₀ im Kühler 8 gleich sein. Das bedeutet, daß die Temperaturdifferenz am Supraleek und die Temperaturdifferenz an der zweiten Leitung einander gleich sind, also Δ Τ,=Δ Τ«. Dadurch ist

-Δρπ Apt

Δμη — +

oder die Triebkraft der Pumpe ist

Δμ =

was der Formel der von beispielsweise einer Flüssigkcitspumpe /wischen zwei gleichen Temperaturen gelieferten Triebkraft entspricht.

ίο Durch diese erhaltene Brunnenpumpwirkung uiio 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 Ap₁ an der ersten Leitung 7 entsteht.

is Infolge dieser Druckdifferenz wird auf das Medium in jener Leitung eine Triebkraft ausgeübt werden, derart, daß suprafluidcs und normales Helium zum Kühler 8 fließt. Dem normalen Hcliumstrom entspricht ein Wärmestrom vom Raum 5 zum Kühler 8. Dadurch wird die Temperatur im Raum 5 sinken. Infolgedessen entsteht eine Temperaturdifferenz ATi am Supraleek 2 was zur Folge hat. das an diesem Supraleek 2 auch eine Druckdifferenz herrschen wird, wobei wieder, weil im Supraleek 2 keine Wirbel auftreten. Ap, = tjSA 7",. Es wird sich ein Gleichgewichtszustand einstellen, wobei die von der Pumpe (Supraleek 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 (Supraleek 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 Im den Gegenstand 6 erhalten.

Der Kühler 8 ist dabei als Kanalteil ausgebildet, der zur Erhaltung einer großen wärmeaustauschenden Oberfläche mit einem Sintermaterial, wie zusammengesinterten Kupferkugcln. 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 i gekühlt.

An Stelle der Heizvorrichtung 11 Strom zuzuführen, kann gewünschtenfalls der Heizvorrichtung 11' im Raum 5 Strom zugeführt werden. Dies hat zur Folge, daß nun ein Brunnenpumpeffekt am Supraleek 2 auftreten wird, wobei der Druck im Raum 5 höher sein wird als im Kühler 8. Aus dem Raum 5 fließt dann das Helium über die Leitung 7 zum Kühler 8, wo es auf die

Temperatur des Heliumbades 3 gekühlt wird. Auf ähnliche Weise wie obenstehend beschrieben wird nun eine Druck-Temperaturdifferenz am Supraleek 9 entstehen, während an der Leitung 12 eine Druckdiffe renz besteht, die das Helium aus dem Raum 10 zum Heliumbad fließen läßt. Mit der dadurch erhaltenen Strömung normalen Heliums wird Wärme aus dem Behälter 10 mit niedrigerer Temperatur zum Heliumbad abgeführt. Im Raum 10 wird dann Kälte erzeugt bei beispielsweise 0,7⁰K. Diese Kälteerzeugung kann beispielsweise zur Kühlung eines Gegenstandes 6' benutzt werden.

Auf diese Weise ist also eine Kühlvorrichtung für äußerst niedrige Temperaturen erhalten, wobei durch

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

l^: i g. 2 zeigt eine etwas andere Ausfühningslorm der Vorrichtung nach Fig. 1. Hei dieser Ausfuhrungslorm sind das erste Supraleck 2. der erste Raum 5. die eiste Leitung 7. der Kühler 8. das zweite Supraleck 4 und die /.weite Leitung 12 auf gleiche Weise ausgebildet und aiii dieselbe Weise miteinander verbunden wie bei der Vorrichtung nach F i g. 1. Nur ist jetzt das vom Raum 10 abgewandie F.nde der Leitung 12 über eine Leitung 17 und einen weiteren Kühler 18 mit der vom Raum 5 abgcwandlcn Seite des Supralceks 2 verbunden. Die Leitung 17 und der Kühler 18. der als Flossenkühler ausgebildet ist. befindet sich außerhalb des Vakinim-

raums 14 und stehen mit dem lleliumbad } in Verbindung. Auf diese Weise ist also ein geschlossener Umlaufkanal erhalten, der mn MIe gelullt ist. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung entspricht tier der Vorrichtung nach Fig. I.

Is dürfte einleuchten, dall in konstruktiv er llinsiehl noch eine Vielzahl nicht dargestellter Abwandlungen möglich sind, unter F.inhaltung des Prinzips, auf dem die l.rlmdung beruht, nämlich die Frzeugung einer Druck· düferen/ am ersten Supraleck durch Frzeugung einei Temperalurdifferenz am zweiten Supraleck und du gegenseitige Verbindung durch Leitungen, die derar bemessen sind, daß das Suprafluidum dann semi kritische Geschwindigkeit überschreitet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentanspiüehc:

1. Vorrichtung zum Transportieren von Warme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperalurniveau, bei der beide Temperaturniveaus unter der Temperatur des Α-Punktes von Helium liegen und die thermisch isoliert ist und einen Durehströinungskanal enthält, der im Betrieb der Vorrichtung mit ⁴He gefüllt ist, dadurch gekenn /eichnet. daß der Durchströmungskanal zwei Stipralekke (2, 9) enthält, wobei das erste Supraleck (2) sich mit seiner einen Seite an eine Zuführungsleitung (17) von ⁴He bei einer unter dem Α-Punkt liegenden Temperatur, und sich mit seiner anderen Seite an einen ersten Raum (5) anschließ«, in dem dem Helium Wärme zugeführt wurden kann, und der sich über eine Leitung (7) und einen Kühler \8). in dem dem Helium bei einer unter dem Α-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 (U' bzw. II) angeordnet ist. mit der dem Helium Warme bei einer höheren Temperatur zugeführt werden kann als die. »eiche 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 i(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 Kühlei (8) mit dem flüssigen ⁴He-Bad (3) in wärmeleitender Verbindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die vom zweiten Raum (lO)abgewand-Ie Seite der zweiten Leitung (12) über einen weiteren Kühler (18). in dem dem Helium Wärme entnommen werden kann bei einer Temperatur, die unter dem Α-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.