DE2054054C3

DE2054054C3 - Vorrichtung zur Zuführung von Kältemittel in Kryostaten

Info

Publication number: DE2054054C3
Application number: DE2054054A
Authority: DE
Inventors: Gustav Dr. Klipping; Wolf-Dieter Dipl.-Chem. Schoenherr; Wilfried Dipl.-Phys. Schulze; Harry Walter
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1970-11-03
Filing date: 1970-11-03
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE2054054B2; DE2054054A1

Description

Damit kann die Temperaturkonstanz in dem kritischen Bereich zwischen 4,2 und 15 K entscheidend verbessert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das in den Kältemittelvorratsbehälter einzuführende Ende des Vakuummantelhebers mit einem Hüllrohr umgeben sein, welches an seinem in das Kältemittel eintauchenden Ende das Umschaltventil trägt und oberhalb des maximalen Flüssigkeitsstandes mindestens eine Gaseintrittsöffnung aufweist. Darüber hinaus kann es günstig sein, wenn ein weiteres von außen betätigbares Ventil derart angeordnet ist, daß die Verbindung zwischen dem Gasraum oberhalb des Kältemittels und dem Innenraum des Hüllrohrs absperrbar ist, wenn das Umschaltventil den Eintritt des Kältemittels in das Hüllrohr und damit in den Vakuummantelheber freigibt. Dadurch wird erreicht, daß bei öffnung des Umschaltventils das Ansaugen von Gas über die Gaseintrittsöffnung unterbunden werden kann, was wiederum einer Verbesserung der Temperaturkonstanz im angeschlossenen Verdampferkryostaten dienlich isL

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, daß das Umschaltventil und/oder das weitere Ventil durch einen Bewegungsvorgang des Vakuummantelhebers steuerbar sind. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn das Umschaltventil ein federbelastetes Plattenventil ist, welches in Verbindung mit der Ventilplatte ein durch die Kältemitteleintrittsöffnung nach außen ragendes Fühlerelement aufweist, mit dessen Hilfe die Ventilplatte durch Anschlag gegen die Innenwand des Kältemittelvorratsbehälters in die Öffnungsstellung steuerbar ist. Ein derart ausgebildetes Hüllrohr mit Umschaltventil kann in einfachster Weise auch auf schon vorhandene Vakuummantelheber aufgesetzt werden und diese nachträglich für die wahlweise Verdampfungs- bzw. Kaltgaskühlung nutzbar machen. Ferner zeichnet sie sich durch eine besondere Einfachheit in der Herstellung aus.

Es kann ferner nützlich sein, wenn das Hüllrohr unterhalb der Gaseintrittsöffnung ein bewegbares Ventilelement eines Ringventils und an seinem unteren Ende ein bewegbares Ventilelement des Umschaltventils trägt, und daß die zugehörigen, starren Ventilelemente am Vakuummantelheber derart angeordnet sind, daß die Ventile bei Verschieben des Hüllrohrs gleichzeitig gegenphasig öffnen bzw. schließen.

Bei der Erfindung kann es darüber hinaus· von Nutzen sein, wenn das Hüllrohr am Vakuummantel des Vakuummantelhebers lösbar gelagert ist. Damit ist eine leichte Austauschbarkeit bei eventuellem Versagen des oder der Ventile gegeben, und außerdem kann der Vakuummantelheber für andere Anwendungen ohne Hüllrohr verwendet werden.

Bei einer günstigen Ausführungform kann die lösbare Lagerung eine Verschraubung sein. Es kann aber auch vorteilhaft sein, als lösbare Lagerung einen auf den Vakuummantel aufschraub baren Überwurf ring vorzusehen, welcher das obere Ende des Hüllrohrs in einer Nutenausnehmung umgreift.

In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt; es zeigt

F i g. 1 einen Verdampferkryostaten, der über einen Vakuummantelheber mit aufgesetztem Hüllrohr mit Gaseintrittsöffnungen und einem Umschaltventil mit dem Kältemittelvorratsbehälter verbunden ist, und

Fig. 2 einen Vakuummantclheber mit aufgesetztem Hüllrohr, welches mit einem Umschaltventil und einem unterhalb der Gaseintrittsöffnungen angeordneten weiteren Ventil versehen ist.

Beide Figuren sind ganz bzw. teilweise schematische Darstellungen. Die in F i g. 1 miteingezeichneten Heberanschlußelemente, der Verdampf;rkryostat und sein Zubehör, die an sich bekannt sind, werden nur insoweit beschrieben, als es zum besseren Verständnis der Erfindung notwendig ist.

Wie Fig. 1 zeigt, ist der Vakuummantelheber 1 über lu ein mit Kleinflanschen 2, 3 angeschlossenes elastisches Zwischenstück 4 und eine Dichtungsverschraubung 10 in den Kältemittel-Vorratsbehälter 5 eingesetzt Über das Zwischenstück 4 ist der Innenraum des Vorratsbehälters 5 auch mit der zum Helium-Rückgewinnungssystern (nicht gezeichnet) führenden Gasleitung 6 verbunden, an die ein Manometer 7 sowie eine Gummiblase 8 angeschlossen sind, und die mittels eines Ventils 9 absperrbar ist.

In den Vakuummantelheber 1 ist das Steigrohr 11 des Verdampferkryostaten eingekuppelt, welches mit einem Absperr- bzw. Drosselventil 12 versehen ist. Als Beispiel eines Verdampferkryostaten ist hier ein Pumpkondensator dargestellt. Das Kältemittel wird aus dem Vorratsbehälter 5 mittels der Vakuumpumpe 13 zunächst in den Wärmetauscher 14 gefördert, der dadurch auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Das Abgas tritt aus dem Wärmetauscher 14 in die ihn umgebende, als Strahlungsschutz dienende Rohrschlange 15 ein und wird aus dieser über ein Regelventil jo 16 und die Vakuumpumpe 13 in das nicht gezeichnete Helium-Rückgewinnungssystem gefördert. Der Kältemitteldurchsatz durch den Verdampferkryostaten wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmeaustauschers 14 geregelt. Dazu dient ein am Wärmetauscher S5 angeordneter Temperaturmeßfühler 17. der über ein Regelgerät 18 das Regelventil 16 in der Abgasleitung 19 des Verdampferkryostaten steuert.

Der Vakuummantelheber 1 ist an seinem unteren, in den Vorratsbehälter 5 mit dem flüssigen Kältemittel 20 eintauchenden Ende von einem Hüllrohr 21 umgeben. Der Vakuummantel des Hebers 1 ist an der Ansatzstelle des Hüllrohrs 21 verjüngt und mit einem Außengewinde 37 versehen, auf welches das Hüllrohr 21 aufgeschraubt ist. Das Hüllrohr 21 kann jedoch auch in anderer Weise, bspw. durch eine Lötverbindung am Vakuummantel des Hebers 1, gehaltert sein. Kurz unterhalb der Ansatzstelle ist das Hüllrohr 21 mit Gaseintrittsöffnungen 22 ve 'sehen. Hier sind mehrere Gaseintrittsöffnungen 22 vorgesehen, es kann jedoch auch nur eine Gaseintritts-■)0 öffnung 22 vorgesehen werden, wenn dies bspw. wegen Einführung von Meßfühlern o. ä. in den Vorratsbehälter zweckmäßig erscheint. Wesentlich ist es, daß die Gaseintrittsöffnungen 22 im Hüllrohr 21 auch bei vollständig abgesenktem Heber 1 nur wenig unterhalb v> des Halsansatzes vom Vorratsbehälter 5 liegen, so daß auch bei maximalem Flüssigkeitsstand im Vorratsbehälter über die Gaseintrittsöffnungen keine Flüssigkeit in den Heber gelangen kann.

Das Hüllrohr 21 ist an seinem unteren Ende mit einem

bo Umschaltventil 23 versehen, welches im oberen Teil der F i g. 1 noch einmal vergrößert im Ausschnitt dargestellt ist. Das Endstück 24 des Hüllrohrs 21 ist mit einer Kältemitteleintrittsöffnung versehen und bildet als statves Ventilelement den Sitz des Ventils. Innerhalb des

b) Hüllrohrs 21 befindet sich die bewegliche Ventilplatte 25, die durch eine Feder 26, deren Gegenlager durch einen in das Hüllrohr 21 fest eingesetzten Ring 27 gebildet wird, auf den Ventilsitz 24 gedrückt wird. Die

Vcnlilplalte 25 trägt ein durch die Kältctnittcleintrittsöffnung nach außen ragendes T-förmiges Fühlerelement 28. Beim Absenken des Hebers 1 setzt das Fühlerelement 28 auf dem Boden des Vorratsbehälters auf, wodurch die Ventilplatte 25 vom Ventilsitz 24 abgehoben und das Umschaltventil 23 geöffnet wird. Beim Hochziehen des Hebers 1 schließt das Umschaltventil 23 durch Wirkung der Feder 26 wieder. Da ein enger Spalt zum Durchtritt größerer Mengen von Flüssigkeit ausreicht, sind die notwendigen Verschiebungendes Hebers 1 sehr geringfügig (1 bis 2 mm).

Bei dieser Art der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei sehr großem Kältemitleldurchsatz bei geöffnetem Umschaltventil auch Heliumgas durch die Gaseintrittsöffnungen in den Heber eintreten und in den Verdampferkryoslalen gelangen. Soll dies ausgeschlossen werden, so ist es zweckmäßig, die in F ig. 2 dargestellte abgewandelte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verwenden.

Fig.2 zeigt ebenfalls einen in einen Vorratsbehälter eingesetzten Vakuummanlclhcber mit Hüllrohr. Teile, die bereits an Hand von Fig. 1 beschrieben wurden, sind hier mit denselben Ziffern bezeichnet. Das Hüllrohr 21 ist mittels eines auf einem am Vakuummantel 1 befestigten Trägerring 29 aufgeschraubten Überwurfrings 30, der an seinem unteren Ende das Hüllrohr 21 in einer Nutenausnchmung umfaßt, beweglich gehalten. Wird der Überwurfring 30 gedreht, so verschiebt sich das Hüllrohr 21 in vertikaler Richtung. Kurz unterhalb der Gaseintriltsöffnungen 22 ist in das Hüllrohr 21 ein mit dem Hüllrohr bewegliches Vcniilclcment 31 eingesetzt. Der unterhalb des Vcnlilelemenls 31 angeordnete zugehörige starre Ventilsitz 32 wird vom Vakuummantel la des Hebers t getragen. Dieses Ventil 31,32 liegt im Strömungsweg des durch die Gaseinlrittsöffnungen 22 in das Hüllrohr 21 eintretenden Gases und dient somit als Gascintritlsventil. Bei Verschiebung des Hüllrohrs 21 nach oben wird das Gaseintrittsventil 31, 32 geöffnet, bei Verschiebung nach unten geschlossen. Bei dem am Ende des Hüllrohrs. 21 angeordneten Umschaltventil 23 bildet hier das mit einer Flüssigkeitsdurchtrittsöffnung versehene F.ndstück des Hüllrohrs 21 das mit dem Hüllrohr verschiebbare Ventilelement 33, während der feststehende Ventilsitz vom Endstück 34 des Vakuummantelhebers 1 gebildet wird. Wie die Figur zeigt, münden das Mantelrohr la und das flüssigkeitsführendc Innenrohr \b des Vakuummantelhebers 1 in ein gemeinsames Abschlußstück 35, an welches ein Sintcrmctallkörper 36 angesetzt ist. der das als Ventilsitz dienende Endstück 34 trägt.

Der poröse Sintermetallkörpcr 36, der üblicherweise die Mündung des flüssigkeitsführender! !nnenrohrs \b von Hebern für tiefsiedende Flüssigkeiten umgibt, verhindert, daß Verunreinigungen in den Heber eintreten.

Das Umschaltventil 23 mit dem Ventilelement 33 und dem Ventilsitz 34 wird bei Verschiebung des Hüllrohrs 21 nach oben geschlossen und bei Verschiebung nacl unten geöffnet, d. h. genau gcgenphasig zum Ventil 31 32. Nur durch Verschiebung des Hüllrohrs von untci nach oben kann also von ausschließlich F'lüssigkcits ^r> durchsalz auf ausschließlich Gasdurchsalz umgeschallc werden und umgekehrt. In der linken Hälfte der Fig.; ist das Flüssigkcitscintritlsventil 23 geschlossen und dei Gascintritl 31, 32 geöffnet dargestellt, in der rechter Hälfte der Figur ist es umgekehrt.

πι Mit der Vorrichtung nach der Erfindung könnt; du Temperaturkonstanz von Vcrdampfcrkryostaten in Bereich zwischen 4,2 und 15 K um mehrere Zehncrpo lenzen bis auf ΔΤ/Τ = 10~⁴ bis 10~⁵ verbessert werden Die Erhöhung des Kältemitlclvcrbrauchs, die, wii

\ί weiter unten erläutert wird, mit der Anwendung dei Kaligaskühlung in diesem Temperaturbereich verbun den ist, isl im Vergleich dazu unerheblich.

Bei Anwendung der Verdampfungskühlung, d. h Entnahme von Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter be geöffnetem Umschaltventil, ist das Ventil 9 in dei Abgasleitung 6 des Vorratsbehälters normalerweise geöffnet, damit das durch Wärmezufuhr von außen in Vorratsbehälter cnlstchendc Heliumgas in das Rückge winnungssystcm entweichen kann. Beim Umschalter

r> auf Kaltgaskühlung (Kaltgascntnahmc über die Gascin trittsöffnungcn 22 bei geschlossenem Umschaltventil kann das Ventil 9 geöffnet bleiben oder geschlosser werden. Bei geöffnetem Ventil 9 strömt bei Gascntnah me warmes Heliumgas aus dem Rückgewinnungssysterr

jo in den Vorratsbehälter. Damit bleibt die Temperatur de! flüssigen Heliumvorrats konstant auf 4,2 K und es steh für die Kühlung im Vcrdampfcrkryostaten nur di( Enthalpicdiffcrenz des Gases zwischen 42 K und dei Betriebstemperatur zur Verfügung. Die tiefste erreich

!5 bare Betriebstemperatur liegt in diesem Fall oberhalt von 4,2 K und der Kältemittclvcrbrauch ist gegenübei der Flüssigkeitskühlung, bei der die Verdampfungswär me der Flüssigkeit und die Enthalpiedifferenz de: Gasäquivalcnts zwischen 4,2 und der Betriebstempera tür im Verdampfer genutzt werden, merklich erhöh (bspw. bei 6 K von 0,6 l/h auf 1,4 l/h flüssiges Helium) Zweckmäßiger ist es, beim Umschalten auf Kaltgasküh lung das Ventil 9 zu schließen. Die Entnahme von Ga! führt dann zu einer Druckerniedrigung im Vorratsgefäf.

und damit zu einer Erniedrigung der Temperatur de; flüssigen Heliumvorrats sowie des daraus nachver dampfenden Gases. (Die Druck- bzw. Temperaturer niedrigung kann am Manometer 7 abgelesen werden. Die für den Kühlvorgang im Verdampfer zur Verfügung

5(i stehende Enthalpiedifferenz des Gases wird mii Absinken der Flüssigkeitstemperatur unter 42 K grö ßer. Damit wird der Kälicrniticlvcrbrauch bei dei Kaltgaskühlung im Vergleich zur Flüssigkeitskühlung günstiger (bspw. Zunahme bei 6 K von 0,6 l/h auf nui 0,8 I/h). Außerdem können bei dieser Betriebsweise mi der Kaltgaskühlung Temperaturen bis 42 K oder aucl darunter erreicht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Zuführung von Kältemitteln in Kryostaten mit einem den Kältemittclvorralsbehälter mit den Kryostaten verbindenden, in seiner Steigleitung ein Absperr- bzw. Drosselventil aufweisenden Vakuummantelheber, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des in das Kältemittel eintauchenden Endes des Vakuummantelhebers (1) ein von außen betätigbares Umschaltventil (23) vorgesehen ist, welches den FlüssigkeitseinlaO des Vakuummantelhebers (1) wahlweise mit dem Kältemittelstand im Kältemittelvorratsbehälter (5) oder mit dem Gasraum oberhalb des Kältennittelstandes verbindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Kältemittelvorratsbehälter (5) einzuführende Ende des Vakuummantelhebsrs (1) mit einem Hüllrohr (21) umgeben ist, welches an seinem in das Kältemittel eintauchenden Ende das Umschaltventil (23) trägt und oberhalb des maximalen Flüssigkeitsstandes mindestens eine Gaseintxittsöffnung (22) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres von außen betätig'bares Ventil (31, 32) derart angeordnet ist. daß die Verbindung zwischen dem Gasraum oberhalb des Kältemittels und dem Innenraum des Hüllrohrs (21) absperrbar ist, wenn das Umschaltventil (23) den Eintritt des Kältemittels in das Hüllrohr (21) und damit in den Vakuummantelheber(l) freigibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (23) und/ oder das Ventil (31, 32) durch einen Bewegungsvorgang des Vakuummantelhebers steuerbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (23) ein federbelastetes Plattenventil ist, welches in Verbindung mit der Ventilplalte (25) ein durch die Kältemitteleintrittsöffnung nach außen ragendes Fühlerelement (28) aufweist, mit dessen Hilfe die Ventilplatte durch Anschlag gegen die Innenwand des Kältemittdvorratsbehälters (5) in die Öffnungsstellung steuerbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (21) unterhalb der Gaseintrittsöffnung (22) ein bewegbares Ventilelement (31) eines Ringventils und an seinem unteren Ende ein bewegbares Ventilelement (33) des Umschaltventils trägt, und daß die zugehörigen, starren Ventilelemente (32, 34) am Vakuummantelheber (1) derart angeordnet sind, daß die Ventile (31, 32 bzw. 33, 34) bei Verschieben des Hüllrohrs; (21) gleichzeitig gegenphasig öffnen bzw. schließen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (21) am Vakuummantel (ia)des Vakuummantelhebers (1) lösbar gelagert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lösba.e Lagerung eine Verschraubung ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Lagerung aus einem auf den Vakuummantel (\a)aufschraubbaren Überwurfring (30) besteht, welcher das obere Endt: des Hüllrohrs (21) in einer Nutenausnehmung umgreift.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von Kältemitteln in Kryostaten mit einem den Kältemittelvorratsbehälter mit den Kryostaten verbindenden, in seiner Steigleitung ein Absperr- bzw. Drosselventil aufweisenden Vakuummantelheber.

Zur Überleitung von flüssigem Kältemittel, bsp'v. flüssigem Helium, Wasserstoff oder Stickstoff, werden im allgemeinen Heberleitungen zwischen Vorratsbehälter und Kryostat verwendet, die durch einen Vakuummantel wärmeisoliert sind (Lit.: G. K. W h i t e, Experimental techniques in low-temperature physics, Clarendon Press. Oxford 1959, S. 53). Dies gilt sowohl für Badkryostaten, bei denen jeweils größere Mengen des flüssigen Kältemittels auf einmal ein- bzw. nachgefüllt werden, als auch für Verdampferkryostaten, bei denen eine kontinuierliche Kühlung durch ständige, temperaturabhängig gesteuerte Förderung des Kältemittels in den Kryostaten erreicht wird (Lit.: G. KIi ppi ng, Chemie-Ingenieur-Technik 36 (1964)430—441).

Bei der Kühlung von Verdampferkryostaten mit flüssigem Helium als Kältemittel wird unterhalb von 4,2 K und oberhalb von 15 K im allgemeinen eine relative Temperaturkonstanz AT/T von 1O^-4 bis 10~⁵ erreicht. Im Temperaturbereich zwischen 4,2 und 15 K ist die Temperaturkonstanz jedoch häufig bis zu einigen Größenordnungen schlechter. Es können Temperaturschwankungen auftreten, die für viele Experimente unzulässig groß sind. Ihre Größe und auch der Temperaturbereich, in dem sie auftreten, werden maßgeblich durch die Ausführung des Vakuummantelhebers (Länge und Form) und des Wärmeaustauschers im Kryostaten beeinflußt. Darüber hinaus sind sie von der Wärmebelastung am Wärmetauscher bzw. Kühlkopf abhängig.

Die hohe Temperaturkonstanz bei Betriebstemperaturen unterhalb 4,2 K ist darauf zurückzuführen, daß hier die Verdampfungskühlung überwiegt, und demzufolge in erster Linie der Wärmeübergang an flüssiges Helium eine Rolle spielt. Bei Betriebstemperaturen oberhalb 15 K herrscht dagegen die Kaltgaskühlung vor, da hier die Enthalpiedifferenz des Gasäquivalents von 4,2 K bis zur Betriebstemperatur größer ist als die Verdampfungswärme der nachgeförderten sehr kleinen Kältemittelmengen. Hier ist also praktisch nur der Wärmeübergang an gasförmiges Helium von Bedeutung, und es wird wiederum eine hohe Temperaturkonstanz erreicht. Die im Übergangsbereich in manchen Fällen auftretenden Temperatürschwankungen sind durch die hier im Wechsel auftretenden verschiedenen Mechanismen des Wärmeübergangs an das Zweiphasengemisch Heliumfiüssig/Heliumgas bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die den Betrieb von Verdampferkryostaten auch im Bereich zwischen 4,2 K und 15 K mit hoher Temperaturkonstanz ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich des in das Kältemittel eintauchenden Endes des Vakuummantelhebers ein von außen betätigbares Umschaltventil vorgesehen ist, welches den Flüssigkeitseinlaß des Vakuummantelhebers wahlweise mit dem Kältemittelstand im Kältemittelvorratsbehälter oder mit dem Gasraum oberhalb des Kältemittelstandes verbindet. Mit einer derartigen Vorrichtung wird es möglich, beim Auftreten von unerwünschten Temperaturschwankungen bei der Einlcllung von Temperaturen oberhalb 4,2 K durch Schließen des Umschaltventils von der Verdampfungskühlung auf eine reine Kaltgaskühlung überzugehen.