DE2051629A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Kalte bei Temperaturen unter der des lambda Punktes von Helium - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen von Kalte bei Temperaturen unter der des lambda Punktes von Helium

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DE2051629A1
DE2051629A1 DE19702051629 DE2051629A DE2051629A1 DE 2051629 A1 DE2051629 A1 DE 2051629A1 DE 19702051629 DE19702051629 DE 19702051629 DE 2051629 A DE2051629 A DE 2051629A DE 2051629 A1 DE2051629 A1 DE 2051629A1
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throttle
container
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Frans Adnanus Sevenjns Adnanus Petrus Eindhoven Staas (Niederlande)
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Description

Br. Herbert Seiiol*
Patentanwalt . ,
mV Philips' Gloeilampenfabnekeo PHN. 4367.
AUoNo, PHN- 4367 . ■ . Wij / WJM.
nf V.-.I..1 19· Okt. 1970
"Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte "bei Temperaturen unter der des Λ--Punktes von Helium".
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei Temperaturen unter der des
λ-Punktes von Helium, welche Vorrichtung eine Quelle für Hochdruckhelium enthält, die sich an ein Zuführungsleitungssystem anschliesst, das eine oder mehrere Vorkühlvorrichtungen und einen oder mehrere Gegenstromwärmeaustauscher enthält, in denen das Hochdruckhelium bis unter seine zu diesem Druck gehörende Inversionstemperatur abkühlt, wobei sich der letzte Gegenstromwärmeaustauscher an eine oder mehrere Drosselvorrichtungen anschlieset, in denen das Hochdruckhelium expandiert, wonach das expandierte Helium über ein Abführungsleitungssystem und die genannten Gegenstr'omwärmeaus-
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■20515-29
PHN. 4367.
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tauscher zu einer Ansaugstelle für Tiefdruckhelium fl.iessen ,kann.
Vorrichtungen der obengenannten Art sind als
Joule-Thomson-Kühlsysteme bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird Hochdruckhelium durch Vorkühlvorrichtungen und in Gegenstromwärmeaustauschern bis unter die zu diesem Druck gehörende Inversionstemperatur gekühlt und danach in einem Drosselhahn expandiert, wobei eine TemperaturSenkung auftritt. Das expandierte Helium wird danach über* die genannten Gegen-Stromwärmeaustauscher einer VerdichtungsanJLage zurückgeführt. Die Temperatur, bei der die Kälte erzeugt wird, hängt dabei von dem hinter dem Drosselhahn herrschenden Druck ab. Um ganz niedrige Temperaturen zu erreichen ist es dabei notwendig, bis sehr niedrige Drücke zu expandieren. Zum Erreichen einer Temperatur von 4,20K ist ein Druck von 1 at hinter dem Drosselhahn erforderlich; für 3·6σΚ ist bereits ein Druck von -g- at hinter dem Drosselhahn erforderlich, während zum Erreichen einer Temperatur von 1,90K ein Druck von 17 nun Hg hinter dem Drosselhahn erforderlich ist. Zum Erreichen noch niedrigerer Temperaturen sind noch viel niedrigere Drücke hinter dem Drosselhahn erforderlich. Zum Erreichen dieser äusserst niedrigen Drücke hinter dem Drosselhahn ist es notwendig, dass der Kompressor einen Ansaugdruck hat, der infolge des Strömungswiderstajades in den Gegenstromwärmeaustauschern noch niedriger wird sein müssen, was bedeutet, dass die Kompressoren äusserst voluminös werden. In der Praxis ist es daher fast unmöglich., Kälte zu erzeugen
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"Μ IiPI "IfI ™Pp »l| »Ul|l,P Η IiHPi "Wfir WPPlIBfBl «
PHN. ^-367.
bei Temperaturen unter 1,9° K, ·
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der obengenannten Art zu schaffen, wobei Kälte erzeugt wird bei Temperaturen, die niedriger sind als die, die dem Ansaugdruck des Kompressors entsprechen.
Dazu weist die erfindungsgemässe Vorrichtung das Kennzeichen auf, dass diese mindestens ein Superleck enthält, das sich mit seiner einen Seite Über einen oder mehrere Gegenstromwärmeaustauscher, in denen das Helium bis unter " die X -Temperatur von Helium kühlt, und mindestens einen gegebenenfalls regelbaren Drosselhahn an eine erste Stelle des Zuführungs- oder Abführungsleitungssystems anschliesst, und das mit der anderen Seite mit einem Kältebehälter verbunden ist, der weiter durch ein Wirbelrohr mit einer zweiten Stelle der Vorrichtung verbunden ist, wo ein niedrigerer Druck herrscht als an der genannten ersten Stelle.
Unter einem Superleck muss in diesem Zusammenhang
eine Materialmasse verstanden werden, welche die Eigenschaft Λ aufweist, das normales Helium nicht durch diese Masse hindurchgehen kann, wohl aber superflüssiges Helium, und zwar ohne dass beim Hindurchströmen mitbewegende Wirbel auftreten.
Unter einem Wirbelrohr muss in diesem Zusammenhang ein Kanal verstanden werden, der derart bemessen ist, dass unter den herrschenden Betriebsumständen bei Strömung von flüssigem Helium durch dasselbe im Superfluid mitbewegende Wirbel auftreten.
Durch den Anschluss des Superlecks an das System
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.1 4367. - k -
an einer Stelle höheren Drucks und durch den Anschluss des Wirbelrohres an einer Stelle niedrigeren Drucks entsteht an der Reihenschaltung aus dem Superleck, dem Kältebehälter und dem Wirbelrohr ein Druckunterschied. In erstef Instanz wird dabei der gesamte Druckunterschied am Wirbelrohr stehen, weil am Superleck noch kein Temperaturunterschied und folglich kein Druckunterschied herrscht. Durch diesen Druckunterschied am Wirbelrohr wird darin Medium zur zweiten Stelle φ zu strömen anfangen, wobei das superflüssige Helium seine kritische Geschwindigkeit überschreitet und Wirbel auftreten,
Wodurch auch normales' Helium zur zweiten Stelle befördert wird. Das bedeutet einen Wärmetransport vom Kältebehälter zur genannten zweiten Stelle, so dass die Temperatur im Kältebehälter sinken wird und ein Temperaturunterschied am Superleck entsteht. Dieser Temperaturunterschied entspricht einem sich einstellenden. Druckunterschied am Superleck. Es Wird sich ein Gleichgewichtszustand einstellen, wobei der ^ gesamte Druckunterschied über das Superleck und das Wirbelrohr verteilt ist. Auf diese Weise ist also erreicht, dass ohne zusätzliche Maasnahmen dem Joule—Kelvin-Kühlsystem dennoch Kälte geliefert Wird bei einer Temperatur, die niedriger ist als die, welche dem hinter der Drosselvorrichtung herrschenden Druck entspricht. Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung lässt sich Kälte erzeugen bei Temperaturen, die 1°K oder niedriger sind, ohne dass dabei die Kompressoren des Joule-KelviH-Systems ausserordentlich gross zu ; seih brauchen.
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PHN. 4367.
Zur Erhaltung eines geeigneten Druckunterschiedes an der Reihenschaltung aus dem Superleck, dem Kältebehälter und dem Wirbelrohr ist bei einer günstigen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung mindestens eine der genannten Drosselvorrichtungen zwischen der genannten ersten und zweiten Stelle vorgesehen. Das bedeutet, dass der Druckunterschied an der betreffenden Drosselvorrichtung auch an der Reihenschaltung aus dem Superleck, Kältebehälter und Wirbelrohr vorhanden ist.
Es sei bemerkt, dass in der niederländischen Patentanmeldung Nr. 6414856 bereits ein Joule-Kelvin-System beschrieben wurde, wobei Kälte erzeugt wird, bei Temperaturen, die niedriger sind als die Temperatur, die dem Druck hinter der Drosselvorrichtung entspricht. Dies ist dadurch erreicht worden, dass die Drosselvorrichtung als Drosselejektor ausgebildet wird, wobei die Ausgangsseite dieses Ejektors einerseits über die genannten Gegenstromwärmeaustauscher mit der Ansaugseite der Kompressionsvorrichtung I verbunden ist, während diese Ausgangsseite andererseits über einen Drosselhahn mit einem Kältebehälfer verbunden ist, dessen Dampfraum mit der Ansaugseite des Ejektors verbunden ist. Dabei wird im Kältebehälter der Ansaugdruck des Ejektors herrschen» so dass die Kälte bei einer Temperatur geliefert wird, die niedriger ist als die an der Auagaiigsseite dieses Ejektors. Eine derartige Vorrichtung arbeitet für Temperaturen über der des \ -Punktes von Helium ausgezeichnet aber wenn die Temperatur an der Ausgangsseite des Ejektors oder im Kältebehälter die Temperatur des \—Punktes
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von Helium wesentlich. unterschreitet, tut sich die Tatsache dar, dass in den Leitungen, die den Kältebehälter mit dem Ejektor verbinden, Druckgradienten auftreten» die Wärmeströme von der Ausgangsseite des Ejektors zum Kältebehälter verursachen, was bei einer EühlBiaschin© gerade nicht beabsichtigt wird und folglich das Funktionieren der Kühlmaschine beeinträchtigt. Eine weitere Ausfßhrtingsform der erflndungsgemässen Vorrichtung gibt eine Losimg für diese Probleme, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet wird, dass wenigstens eine der genannten Drosselvorrichtungen durch einen Drosselejektor gebildet ist, wobei die Abfuhr von diesem Ejektor einerseits mit dem Abiführungsleitungssystem verbunden ist und sich andererseits gegebenenfalls über einen Gegenstromwärmeaustauscher und einen Drosselhahn an einen Wärmeaustauschbehälter1 anschliesst, dessen Dampf raum über den" genannten Gregenstrannrarraeaus tauscher mit der Saugseite des Ejektors verbunden ist und wobei sich das Superleck mit seiner einen Seite fiber einen Wärmeaustauscher, wo das Helium mit dent Wärmeaustauschbehäiter Wärme austauscht, einen Drosselhahn und gegebenenfalls einen weiteren Wärmeaustauscher an eine in der Strömungsr4-chtung vor dem Drosselejektor liegende erste Stelle des Zuführungsleitungssystems anschliesst, während sich das Wirbelrohr an den Wärmeaustausehbehälter anschliesst.
Bei einer weiteren Atisführungsform, wobei ebenfalls eine der Drosselvorrichttimgen durch einen Drosselejektor gebildet ist, schliesst sich die Abfuhr dieses
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Ejektors ausser an den Wärmeaustauschbehälter auch über einen weiteren Drosselhahn und einen weiteren Wärmeaustauscher, wo das Helium mit dem Wärmeaustauschbehälter Wärme austauscht, an die eine Seite des Superlecks an, während sich weiter das Wirbelrohr wieder an den Wärmeaustauschbehälter anschliesst. In den beiden letztgenannten Fällen ist wieder ein Druckunterschied an der Reihenschaltung aus dem Superleck, Kältebehälter und Wirbelrohr vorhanden,· wodurch im Kältebehälter Kälte erzeugt wird bei f Temperaturen, die niedriger sind als die, welche im Wärmeäustauschbehälter herrschen. > ■
Die im Kältebehälter erzeugte Kälte lässt sich zum Kühlen von Gegenständen verwenden. Meistens ist es dabei aus vielen Konstruktionsgründen nicht möglich, diese Gegenstände in direkten Kontakt mit diesem Behälter zu bringen, so dass die Kälte in einem Abstand vom Behälter geliefert werden muss. Damit dies auf wirtschaftliche Weise verwirklicht wird, weist eine weitere Ausführungsform das ,
Kennzeichen auf, dass sich an den Kältebehälter mindestens ein Rohr anschliesst, dessen andere Seite gegebenenfalls über einen weiteren Behälter mit einer zu kühlenden Stelle in Verbindung gebracht werden kann und wobei dieses Rohr ein gesintertes Superleck enthält, das sich über die ganze Länge des Rohres erstreckt und einen Teil des Querschnittes desselben einnimmt. Auf diese Weise ist es möglich, auf sehr wirtschaftliche Weise die erzeugte Kälte im Abstand vom Kältebehälter zu liefern.
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Nach der Erfindung ist es weiter wegen der Verhütung von Hineinlecken von Wärme vorteilhaft, das Superleck an der Innenwand des Rohres anzubringen.
An Hand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der obenbeschriebenen Vorrichtungen dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert. In den Figuren , 1,2, 3 und k sind vier verschiedene Ausführungsformen, schematisch und nicht massgerecht dargestellt von Vorrichtungen, zum Erzeugen von Kälte bei Temperaturen unterhalb der des \ -Punktes von Helium.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 eine* Kompressionsvorrichtung angedeutet, deren Abführungsseite 2 für komprimiertes Helium sich an ein Zuführungsleitungssystem 3 anschliesst, in dem sich ein Wasserkühler k·zum Abführen der Kompressionswärme, eine Anzahl Gegenstromwärmeaustauscher 5 und zwei Vorkühlvorrichtungen 6 und 7 befinden. Das Zuführungsleitungsystem 3 schliesst sich an den Eingang
8 eines Ejektors 9 an. Die Austrittseite dieses Ejektors ψ schliesst sich an der Stelle 10 einerseits an das Abführungsleitungssystem 11, in das auch die Gegenstromwärmeaustauscher 5 aufgenommen sind, und andererseits an eine Leitung 12 an, die sich über einen Gegenstromwärmeaustauscher 13 mit geringem Strömungswiderstand einerseits an einen Drosselhahn Ak und andererseits aij einen Drosselhahn 15 anschliesst. Der Drosselhahn Ik mündet in einen Wärmeaustauschbehälter 16, der mit der Saugceeite 17 des Ejektors
9 verbunden ist. Der Drosselhahn 15 schliesst sich an
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einen Wärmeaustauscher 18 an, der mit dem Behälter 1-6 in Wärmekontakt ist und sich seinerseits an ein Superleck 19 anschliesst, dessen andere Seite in einen Kältebehälter mündet. Dieser Kältebehälter ist mittels eines Wirbelrohrs 21 mit dem Wärmeaustauschbehälter 16 verbunden. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende. Der Kompressor 1 komprimiert Helium bis zu einem Druck von etwa 30 atti, welches komprimierte Helium die Kompressionsvorrichtung durch den Ausgang 2 verlässt und im Wärmeaustauscher k Kühlwasser seine Kompressionswärme abgibt. Danach strömt das komprimierte Helium durch den ersten Gegenstromwärmeaustauscher 5 und danach an der Vorkühlvorrichtung 6 entlang, dann durch den zweiten Wärmeaustauscher 5 und danach an der zweiten Vorkühlvorrichtung 7 entlang und zum Schluss durch den letzten Gegenstromwärmeaustauscher 5» wo das Hochdruckhelium dann eine Temperatur aufweisen wird, die unterhalb der zum Druck von 30 atü gehörenden Inversionstemperatur liegt. Das Hochdruckhelium expandiert dann im Ejektor 9 bis | zu einem Druck von beispielsweise 1 at und eine Temperatur von k,2° K. Ein Teil des expandierten Heliums strömt über die Abführungsleitung 11 zur Eintrittsseite 22 der Kompressionsvorrichtung 1. Ein anderer Teil des expandierten Heliums strömt über die Leitung 12 und den Wärmeaustauscher 13 zu den Drosselhähnen 1^ und 13· Da der Wärmeaustauschbehälter 16 mit der Saugseifce 17 des Ejektors 9 verbunden ist, wird sich im Behälter 16 ein niedriger Druck von etwa mm Hg einstellen, zu dem eine Temperatur von 1,8° K
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gehörtj also eine Temperatur, die niedriger ist als die des Λ -Punktes von Helium. Das bedeutet, dass auch das Helium im Wärmeaustauscher 18 diese niedrige Temperatur annehmen wird. Da nun an der Reihenschaltung bestehend aus dem Superleck 19, dem Kältebehälter 20 und dem Wirbelrohr 21 ein Druckunterschied vorliegt, wird Superfluid durch das Superleck 19 zum Behälter 20 strömen, während durch das Wirbelrohr 21, in dem das Superfluid seine kritische Geschwindigkeit überschreitet, superflüssiges und normales Helium zum Behälter 16 strömen. Da mit dem Superfluid durch das Superleck keine Wärme zum Behälter 20 befördert wird, während mit dem Strom aus normalem Fluid durch das Wirbelrohr Wärme aus dem Behälter 20 abgeführt wird, wird der Behälter 20 eine niedrigere Temperatur, beispielsweise in der Grössenordnung von 1°K, als der Wärmeaustauschbehälter 16 aufweisen.
Auf diese Weise ist eine Vorrichtung erhalten worden, mit der bei sehr niedrigen Temperaturen Kälte erzeugt wird, während der Ansaugdruck der Kompressionsvorrichtung 1 dennoch nur 1 at zu betragen braucht.
' Die im Behälter 20 erzeugte Kälte lässt sich zum Kühlen von Gegenständen wie elektrischen Teilen, Infrarotzellen, superleitenden Schwinghohlräumen usw. verwenden. Dabei können diese Gegenstände beispielsweise mit dem Behälter 20 in direkter Verbindung stehen. Meistens wird jedoch aus vielen Konstruktionsgründen ein bestimmter Abstand zwischen dem Behälter 20 und dem zu kühlenden Gegenstand
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vorhanden sein, bestimmt wenn mit nur einem Behälter 20 mehrere Gegenstände, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, gekühlt werden müssen. Dieses Fernkühlen kann auf sehr wirtschaftliche Weise dadurch erfolgen, dass ein Rohr 23 einerseits mit dem Behälter 20 verbunden und andererseits mit einem zu kühlenden Gegenstand 27 in Wärmekontakt gebracht wird. Im Rohr 23 wird sich also auch Helium bei einer Temperatur unter der des \ -Punktes von Helium befinden. Es ist bekannt, dass dieses Helium bei diesen Temperaturen eine äusserst gute Wärmeleitfähigkeit hat, was bis lOOOmal höher sein kann als die von Feststoffen. Diese Eigenschaft lässt sich erklären aus der Tatsache, dass bei diesen Temperaturen das Helium teilweise aus normalem Fluid mit Viskosität und Entropie und teilweise aus Superfluid ohne Viskosität und Entropie besteht. Beim Anlegen eines Temperaturunterschiedes zwischen zwei Stellen in diesem Helium wird das Superfluid zur Stelle mit der höheren Temperatur fliessen, ohne dass dabei Wärme transportiert wird, | während normales Fluid in entgegengesetzter Richtung strömt, derart, dass der gesamte Massenstrom Null ist. Mit diesem normalen Fluid wird Wärme transportiert. Dabei hat es sich herausgestellt, dass die gegenseitige Reibung zwischen normalem und Superfluid durch bewegliche Wirbel im Superfluid die Wärmeleitfähigkeit von Hell beeinträchtigt.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist dieser nachteilige Effekt dadurch vermieden worden, dass die Innenwand des Rohres 23 mit einem Superlock 2k aus beispielsweise
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zusammengesinterten Aluminiumoxid- oder Siliziumkarbidteilchen sehr geringer Abmessung bedeckt ist. Ein derartiges Superleck weist die Eigenschaft auf, dass normales Fluid nicht hindurchgehen kann, während Superfluid hindurchströmt, ohne dass dabei bewegliche Wirbel auftreten. Wird nun durch den zu kühlenden Gegenstand dem Ende 28 des Rohres 23 Wärme zugeführt, so wird dieses Ende 28 eine etwas höhere Temperatur annehmen als die im Behälter 20. Diesem Temperaturunterschied am Rohr 23 entspricht ein Druckunterschied, so dass normales und Superfluid durch den Kern des Rohres 23 zum Behälter 15 strömt, während ein gleich grosser Massenstrom Superfluid durch das Superleck 2k zu dem zu kühlenden Gegenstand 27 fliesst. Mit dem Strom normalen Fluids wird Wärme von dem zu kühlenden Gegenstand zum Behälter 20 transportiert, wobei der transportierte Wärmestrom der Stromgeschwindigkeit des Normalfluids proportional ist. Da nun keine gegenseitige Reibung zwischen dem Strom aus normalem Fluid und dem Strom aus Superfluid in Richtung des Rohrendes 28 vorhanden ist (Superfluid strömt durch das Superleck) , wird der Temperaturgradient am Rohr dadurch nicht beeinträchtigt, so dass ein grosser Wärmestrom von dem zu kühlenden Gegenstand zum Behälter 20 erhalten wird bei einem geringen Temperaturunterschied zwischen dem zu kühlenden Gegenstand und dem Behälter 20.
Es ist nicht notwendig, das Superleck 2k an der Innenwand anzulegen, obschon dies den Vorteil bietet, dass ein Hineinlecken von Wärme von aussen vermieden wird; es
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ist jedoch auch gut möglich, das Superleck 2h als Kern im Rohr lose von der Rohrwand anzuordnen.
Anstelle das Rohrende 28 mit einem Gegenstand zu verbinden kann sich das Rohr 23 mit seinem Ende 28 an einen weiteren Behälter anschliessen, der entweder als Kältepuffer für zu kühlende Gegenstände dient oder als Behälter, aus dem Flüssigkeit angezapft werden kann.
In Fig. 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, die
in grossen Zügen der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht, ™
bei der sich aber nun das Superleck 19 über den Wärmeaustauscher 18 und den Drosselhahn 15 und einen weiteren Wärmeaustauscher 13' an eine Stelle 30 des Zuführungsleitungssystems anschliesst. Dabei ist in das Zuführungsleitungssystem noch ein Drosselhahn 31 aufgenommen, wo das Hochdruckhelium von 30 atü auf beispielsweise 5 atü expandiert. Es sei bemerkt, dass ein derartiger Drosselhahn 31 nicht unbedingt notwendig ist und unter Umständen fortgelassen werden kann. Auch bei der Vorrichtung nach Fig. 1 kann i
dieser Drosselhahn 31 vorhanden sein. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung entspricht der nach Fig. 1. Hochdruckhelium wird dabei dem Ejektor 9 sowie dem Drosselhahn 15 zugeführt. Im Wärmeaustauscher 18 wird wieder eine Temperatur herrschen, die niedriger ist als die des "\ -Punktes von Helium, so dass in Kombination mit dem Druckunterschied an der Reihenschaltung aus dem Superleck 191 dem Kältebehälter 20 und dem Wirbelrohr 21 im Behälter 20 wieder Kälte erzeugt wird bei sehr niedriger Temperatur.
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In Fig. 3 ist angegeben, wie der Wärmeaustauschbehälter 16 die Form eines richtigen Wärmeaustauschers haben kann, Weiter entspricht diese Vorrichtung der nach Fig. 2.
In Fig. k ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen dargestellt, die auch wieder in grossen Zügen den Vorrichtungen gemäss den vorgehenden Figuren entspricht, bei der aber nun das Hochdruckmedium zunächst in einem Drosselhahn 31 auf beispielsweise einen Druck von 5 atu expandiert wird, wonach dieses expandierte Helium weiter noch in einem zweiten Drosselhahn 32 auf beispielsweise einen Druck von I7 mm Hg expandiert wird, welcher Druck folglich im Wärmeaustauschbehälter 33 herrscht. Das Superleck 19 ist nun mit seiner Eintrittseite an eine Stelle Jh angeschlossen, die, in der Strömungsrichtung gesehen, vor dem Drosselhahn 32 liegt, während sich das Wirbelrohr 21 an den Behälter 33 anschliesst. Zwischen der Stelle 3^ und dem Superleck befinden sich wieder ein Drosselhahn 15 und ein Wärmeaustauscher 18, in dem eine Temperatur herrscht, die unterhalb der des \ -Punktes von Helium liegt, während der Druck dort höher ist als im Behälter 33» so dass wieder superflüssiges Helium durch das Superleck 19 fHessen wird, ohne dass dabei bewegliche Wirbel auftreten und vom Behälter 20 Helium durch das Wirbelrohr 21, in dem das superflüssige Helium seine kritische Geschwindigkeit überschreitet, zum Behälter 33 und von dort durch das Abführungsleitungssystem 11 zur Eintrlttsseite der Kompressionsvorrichtung 1 fliesst. Auch bei dieser Vorrichtung wird
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wieder im Behälter 20 eine Kälteerzeugung auftreten und zwar bei einer Temperatur, die niedriger ist als die im Behälter 33» wobei die Kompressionsvorrichtung 1 nur bei einem Druck, der dem Druck im Behälter 33 entspricht, anzusaugen braucht.
Aus d"em Obenstehenden dürfte es einleuchten, dass die Erfindung eine äusserst einfache Erweiterung eines Joule-Kelvin-Systems schafft, mit der es möglich ist, ohne ä zusätzliche Einführung beweglicher Teile und ohne dass eine äusserst grosse Kompressionsvorrichtung vorhanden ist, bei Temperaturen in der Nähe von 10K und niedriger Kälte zu erzeugen. Vorrichtungen der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, eignen sich daher zum Gebrauch als
3 h
Vorkühlvorrichtung für He- He-Gemischkühlmaschinen, mit denen es dann möglich ist, kontinuierlich bei Temperaturen in der Nähe von 20 Milligrad Kelvin Kälte zu erzeugen.
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Claims (1)

PHN. - 16 PATENTANSPRÜCHE .
1. ) Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei Temperaturen unter der des A -Punktes von Helium mit einer Quelle Tür Hochdruckhelium, die sich an ein Zuführungsleitungssystem anschliesst, das eine oder mehrere Vorkühlvorrichtungen und einen oder mehrere Gegenstromwärmeaustauscher enthält, in denen das Hochdruckhelium bis unter seine zu diesem Druck gehörende Inversionstemperatur abkühlt, wobei sich der letzte Gegenstromwärmeaustauscher an eine oder mehrere Drosselvorrichtungen anschliesst, in denen das Hochdruckhelium expandiert, wonach das expandierte Helium über ein Abführungsleitungssystem und die genannten Gegenstromwärmeaustauscher zu einer Ansaugstelle für Tiefdruckhelium fHessen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter mindestens ein Superleck enthält, das sich mit seiner einen Seite über einen oder mehrere Wärmeaustauscher, in denen das Helium bis unter die A—Temperatur von Helium kühlt, und mindestens einen gegebenenfalls regelbaren Drosselhahn an eine erste Stelle des Zuftihrungs- oder Abführungsleitungssystems anschliesst und das mit seiner anderen Seite mit einem Kältebehälter verbunden ist, welcher Behälter weiter mittels eines Wirbelrohrs mit einer zweiten Stelle der Vorrichtung verbunden ist, wo ein niedrigerer Druck herrscht als an der genannten ersten Stelle. •2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens eine der genannten Drosselvorrichtungen zwischen der genannten ersten und zweiton Stelle befindet. 109819/1224
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3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der genannten Drosselvorrichtungen durch einen Drosselpjektor gebildet ist, wobei die Abfuhr dieses Ejektors einerseits mit dem Abführungsleitungssystem und andererseits gegebenenfalls über einen Gegenstromwärmeaustauscher und einen Drosselhahn mit einem Wärmeaustauschbehälter verbunden ist, dessen Dampfraum über den genannten Gegenstromwärmeaustauscher mit der Saugseite des Ejektors ä
verbunden ist und wobei sich das Superleck mit seiner einen Seite über einen Wärmeaustauscher, wo das Helium mit dem Wärmeaustauschbehälter Wärme austauscht, einen Drosselhahn und gegebenenfalls einen weiteren Wärmeaustauscher an eine in der Strömungsrichtung vor dem Drosselejektor liegende erste Stelle des Zuführungsleitungssystems anschliesst, während sich das Wirbelrohr an den Wärmeaustauschbehälter anschliesst.
k. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der genannten Drosselvorrichtungen durch einen Drosselejektor gebildet ist, wobei die Abfuhr dieses Ejektors einerseits mit dem AbfÜhrungsleitungssystem verbunden ist und sich andererseits gegebenenfalls über einen Gegenstromwärmeaustauscher und einen ersten Drosselhahn an einen Wärmeaustauschbehälter anschliesst, der über den Gegenstromwärmeaustauscher mit der Saugseite des Ejektors verbunden ist und wobei sich das Superleck mit seiner einen Seite über einen Wärmeaustauscher, wo das Helium mit dem Wärmeaustauschbehälter Wärme austauscht,
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und einen zweiten Drosselhahn an eine Stelle zwischen dem
ersten Drosselhahn und dem Wärmeaustauscher anschliesst und wobei sich weiter daä Wirbelrohr an den Wärmeaustauschbehälter anschliesst.
5· Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den
Kältebehälter mindestens ein Rohr anschliesst, das mit
seiner anderen Seite gegebenenfalls über einen weiteren Behälter mit einer zu kühlenden Stelle in Verbindung gebracht werden kann und wobei dieses Rohr ein gesintertes Superleck enthält, das sich über die ganze Länge des Rohres erstreckt und einen Teil des Querschnittes desselben einnimmt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Superleck die ganze Innenwand des Rohres
bedeckt.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0212093A2 (de) * 1985-08-16 1987-03-04 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2288956A1 (fr) * 1973-03-27 1976-05-21 Commissariat Energie Atomique Procede de reduction de la consommation d'un cryostat et dispositif correspondant
EP0089391B1 (de) * 1982-03-23 1986-06-04 International Business Machines Corporation Verfahren und Verdünnungskältemaschine zum Kühlen bei Temperaturen unter 1 K
FR2953913B1 (fr) * 2009-12-11 2012-01-13 Air Liquide Procede et dispositif de refroidissement/liquefaction a basse temperature
CN113701448A (zh) * 2021-07-05 2021-11-26 中国科学院理化技术研究所 基于多级超音速两相膨胀机的氢液化系统及氢液化装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0212093A2 (de) * 1985-08-16 1987-03-04 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EP0212093A3 (en) * 1985-08-16 1989-01-18 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh Method of cooling an object by means of superfluid helium (he ii) and device for carrying out the method

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CA918941A (en) 1973-01-16
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