DE2311423A1 - Vorrichtung zur uebertragung von waerme von einem niedrigeren zu einem hoeheren temperaturpegel - Google Patents

Vorrichtung zur uebertragung von waerme von einem niedrigeren zu einem hoeheren temperaturpegel

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DE2311423A1
DE2311423A1 DE19732311423 DE2311423A DE2311423A1 DE 2311423 A1 DE2311423 A1 DE 2311423A1 DE 19732311423 DE19732311423 DE 19732311423 DE 2311423 A DE2311423 A DE 2311423A DE 2311423 A1 DE2311423 A1 DE 2311423A1
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superleak
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Adrianus Petrus Severijns
Frans Adrianus Staas
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

PHN.6199
O Q 1 1 / O Q KTs/AvdV Dr. Herbert Sch öl« . Z O I I H Z J Patent await
N.Y. Philips'Gloeilampenfabrlekeo Aki· Ne.; PHN- 6199
vemi 6. Mär Z 1973
"Vorrichtung zur übertragung von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel".
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel, welche beiden Pegel unterhalb von 10K liegen, wobei die Vorrichtung eine Mischkammer enthält, die mit einem Zufuhrungskanal zur Zuführung eines
3
im wesentlichen aus He bestehenden Mediumstromes
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231H23
versehen ist und durch einen mit dem Zuführungskanal in wärmeaustauschender Berührung stehenden Verbindungskanal mit einem Verdampfer verbunden ist, wobei im Betrieb die Mischkammer, der Verbindungskanal und
4 3 der Verdampfer ein Gemisch aus He und He enthalten, während weiter der Verdampfer mit einer Ableitung
3 für im wesentlichen dampfförmiges He versehen ist und die Vorrichtung mindestens ein Superleck enthält, dessen eines Ende in den Verdampfer und zwar in der Nähe des Bodens mündet.
Eine Vorrichtung der vorstehend erwähnten Art ist bekannt aus der amerikanischen Patentschrift 3 195 322 (Fig. 10). Bei dieser bekannten Vorrichtung befindet sich in der eine Temperatur von 0,1^K aufweisenden Mischkammer, dem Verbindungskanal und dem eine Temperatur von O,65°K aufweisenden Verdampfer
4 3
ein Gemisch aus He und He. Der Verdampfer wird dadurch auf dieser niedrigenTemperatur gehalten, dass Dampf abgesaugt wird, der infolge der grösseren
3 Flüchtigkeit im wesentlichen aus He besteht.
Durch den Zuführungskanal, der mit dem
Verbindungskanal im Wärmeaustausch steht, wird der
3 Mischkammer ein im wesentlichen He enthaltender Mediumstrom zugeführt.
Unterhalb von 0,9°K erfolgt in flüssigen He - He-Gemisehen eine Phasentrennung in eine
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He-reiche Phase und eine He-arme Phase. Diese
Phasentrennung findet in der Mischkammer statt.
3 Beim übergang der zugeftihrten He-reichen Phase in
die He-arme Phase erfolgt eine Verdünnung und die dafür erforderliche Mischwärme liefert eine Kühlwirkung. Danach entspannt sich das im, in dem Verbindungskanal befindliche, supraflüssigen He ent-
3
haltene He, wobei eine grosse Kältemenge erzeugt wird, die jedoch praktisch völlig benötigt wird, um
den He - Strom im Zuleitungskanal abzukühlen.
Die vorstehend erwähnte Kühlwirkung ergibt sich somit
durch den Umlauf des He. Um die Kühlwirkung zu verbessern, wurde bei der bekannten Vorrichtung vorgeschlagen, den Verdampfer über ein Superleck mit einem He-Bad von etwa 1,30K zu verbinden. Aus dem
k k
He-Bad wird weiter He einem Raum zugeführt, der
an einer Stelle zwischen der Mischkammer und dem Verdampfer über ein zweites Superleck mit dem Verbindungskanal verbunden ist. Diese Bauart bezweckt, eine turbulente Strömung von He im Verbindungskanal zu verursachen, die eine zusätzliche Kühlwirkung in der Mischkammer liefert. Für eine derartige turbulente Strömung von He im Ableitungskanal ist es jedoch erforderlich, dass an irgendeiner
k
Stelle im He-Stromkreis, der aus dem Verdampfer,
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-h- PHN.6199
dem erste Superleck, dem zweiten Superleck, der Mischkammer und dem Verb'indungskanal besteht, die benötigte Antriebskraft erzeugt wird.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, dass die erforderliche Antriebskraft nicht, oder wenigstens nicht in dem für eine gute Wirkung erforderlichen Masse, erhalten wird.
Die amerikanische Patentschrift 3 376 beschreibt auch*eine Vorrichtung von der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, bei der zur Steigerung der durch den Phasenübergang von
3 3
der He-reichen Phase in die He-arme Phase in der Mischkammer erzielten Kühlwirkung der Verdampfer über einen Kanal, in dem ein Superleck aufgenommen ist, mit einem Teil des Verbindungskanals zwischen der Mischkammer und dem Verdampfer verbunden ist, wobei dieser Teil durch betätigbare Absperrorgane von der Mischkammer oder dem Verdampfer oder beiden abgeschlossen werden kann. Dadurch, dass die Absperrorgane" richtig betätigt werden, ergibt sich eine
3 Art von Dampfmaschinenzyklus, bei dem ein He
enthaltendes Gemisch sich in praktisch reinem He weiter entspannt, das durch das Superleck aus dem Verdampfer zugeführt wird. Da die Antriebskraft
k
für die Zufuhr des He nur aus dem osmotischen
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Druckunterschied über dem Superleck besteht, kann die Wirkung nur beschränkt sein.
Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung sind ihre Kompliziertheit und die auf sehr niedriger Temperatur arbeitenden Absperrorgane (Abnutzung und dadurch bedingtes Einlecken von Wärme).
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der vorstehend beschreibenen Art zu schaffen, bei der der erwähnte Nachteil behoben ist, und sie ist zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, dass das vom Verdampfer abgewendete Ende des erwähnten Superlecks an einen Raum angeschlossen ist, der mit einer Heizvorrichtung zur Zuführung von Wärme versehen ist und durch einen engen Kanal, in dem das Helium seine kritische Geschwindigkeit überschreitet, und einen Kühler an einen Kanal angeschlossen ist, der mehrere Superlecke enthält, wobei sich zwischen diesen Superlecken Wärmeaustauschkammern befinden, die je einen Teil eines entsprechenden Wärmeaustauschers bilden, wobei die Wärmeaustauscher auch weitere Wärmeaustauschkammern aufweisen, die im Verbindungskanal und im Zuführungskanal aufgenommen sind, während das andere Ende des letzteren Kanals oben in eine zweiten Mischkammer mündet, die höher als die erste Mischkammer angeordnet ist, während die erste und die zweite
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Mischkammer durch einen weiteren Verbindungskanal miteinander verbunden sind, der unten in die zweite und oben in die erste Mischkammer mündet, wobei der Kanal, bevor er in die zweite Mischkammer mündet, auch noch im Wärmeaustausch mit der ersten Mischkammer und dem weiteren Verbindungskanal ist.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung ergibt sich durch die Wärmezufuhr an den erwähnten Raum eine Springbrunnenpumpwirkung über dem ersten Superleck, so dass superflüssiges Helium aus dem Verdampfer zum erwähnten Raum fliesst. Dieses Helium fliesst weiter durch den engen Kanal, in dem es seine kritische Geschwindigkeit überschreitet, zum Kühler und zum Eingang des zweiten Superlecks, Durch die Reihen schaltung des ersten Superlecks, des engen Kanals und des Kühlers wird jetzt eine Antriebskraft auf das He erzeugt, die gross genug ist, um dieses
He durch den Superlecke enthaltenden Kanal, die erste und zweite Mischkammer und die Verbindungskanäle und wieder zurück zum Verdampfungsbehälter umlaufen zu lassen. Das Überraschende liegt darin, dass mit dieser Vorrichtung, deren Wirkungsweise nachstehend näher erläutert wird, in der zweiten Mischkammer eine Temperatur von etwa 0,6 mK erzielbar ist.
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An Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel schematisch dargestellt ist, wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Die Bezugsziffer 1 bezeichnet eine erste
Mischkammer. An diese Mischkammer 1 schliesst sich ein
3
Zuleitungskanal 2 für He an. Die Mischkammer 1 ist weiter durch einen Verbindungskanal 3 mit einem Verdampfer k verbunden, der mit einer Ableitung 5 für
3
dampfförmiges He versehen ist. Die Ableitung 5 kann z.B. an eine nicht-dargestellte Gaspumpe angeschlossen sein. Der Zuführungskanal 2 und der Verbindungskanal 3 stehen durch Wärmeaustauscher 6, 7> 8 und 9 in Wärmeaustauschender Berührung miteinander. Die Mischkammer 1, der Verbindungskanal 3 und der Verdampfer k sind mit
3 h
einer He- He-Gemisch gefüllt. An den Verdampfer k schliesst sich ein Superleck 10 an, dessen anderes Ende an einen Raum 11 angeschlossen ist, in dem eine Heizwendel 12 angebracht ist. Der Raum 11 ist durch einen engen Kanal 13 und einen Kühler lh mit einem Ende eines Kanals 15 verbunden, das Superlecke und zwischengeschaltete Wärmeaustauschkammern enthält, die je einen Teil der Wärmeaustauscher 6, 7, 8 und bilden. Nach dem letzten Wärmeaustauscher 6 ist der
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Kanal 15 an der Stelle 16 im Wärmeaustausch mit der ersten Mischkammer 1 und dann im Wärmeaustauscher im Wärmeaustausch mit dem Verbindungskanal 18 zwischen der ersten Mischkammer 1 und einer zweiten Mischkammer 18, in die der Kanal 15 oben mündet. Unter Umständen kann der Wärmeaustauscher 17 entfallen.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist wie folgt.
Die Mischkammer 1, der Verbindungskanal 3
-λ k und der Verdampfer k sind mit einem He- He-Gemisch gefüllt. Durch die Ableitung 15 wird im wesentlichen
3 h
He abgeleitet, das flüchtiger als He ist. Durch den
3 Zuführungskanal 2 wird im wesentlichen He zur Misch-
3 kammer 1 geführt, in der die zugeführte He-reiche
3
Phase in die He-arme Phase übergeht, welcher Übergang mit einer Kälteerzeugung verbunden ist, wobei die Kälte zum Kühlen irgendeines Gegenstandes
3
benutzt werden kann. Das He fliesst dann durch den Verbindungskanal 3 wieder zum Verdampfer k.
Überdies wird dadurch, dass mit Hilfe der Heizwendel 12 im Raum 11 eine etwas höhere Temperatur als im Verdampfer h eingestellt wird, infolge der
k auftretenden Springbrunnenpumpwirkung He aus dem Verdampfer k durch das Superleck 10 zum Raum 11 befördert. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass
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I4
der Entzug von He mit einer Wärmeentwicklung im Verdampfer h verbunden ist, so dass die Verdampfung
3
von He ohne zusätzliche Heizung erfolgen kann.
I4 Aus dem Raum 11 fliesst dieses He durch den Kanal und den Kühler 14 zum Eingang des Superlecks 15· Infolge der Reihenschaltung des Superlecks 10, des Raumes 11, des Kanals 13 und des Kühlers 1^i wird auf
I4
dieses He eine derartige Antriebskraft ausgeübt, dass sich am Eingang des Kanals 15 ein höher Druck ergibt. Dieser hoher Druck bewirkt, dass supra-
I4
flüssiges He durch den Kanal 15 entgegen dem Temperaturgradienten zum anderen Ende des Kanals fliesst. Während dieses Fliessens findet ein Wärmeaustausch mit dem Verbindungskanal statt, in dem die
3 h weitere Entspannung von He in He weitere Kälte
I4
erzeugt, so dass das He gut gekühlt wird. Eine weitere
I4 Kühlung erfolgt an der Stelle 16, an der das He mit dem sehr kalten Gemisch in der Mischkammer 1 Wärme austauscht.
Die zweite Mischkammer 9 steht durch den Verbindungskanal 18 mit der Mischkammer 1 in Verbindung, wobei der Wärmeaustauscher 17 einen Wärmeaustausch
I4
zwischen dem He im Kanal 15 und dem Gemisch im Verbindungekanal 18 besorgt.
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2 3 1 H 2 3
Das He gelangt am Ende in die Mischkammer 19t
in der wiederum ein Phasenübergang von einer Hereichen Phase (die bereits in der Mischkammer 19 vorhanden ist) in die He-arme Phase des zugeführten He erfolgt, wobei Kälte erzeugt wird. Das gebildete Gemisch sinkt durch sein Gewicht durch den Kanal 18 in die Mischkammer 1, und aus dieser fliesst es durch den Kanal 3 zum Verdampfer h. Bei der Vorrichtung gemäss der Erfindung erfolgt somit die Kälteerzeugung auf zwei Pegeln d.h. in der Mischkammer 1 bei einer Temperatur von etwa 0,050K und in der Mischkammer 19 bei einer Temperatur von etwa 0,6 mK. Insbesondere die letztere Temperatur ist mit der bekannten Vorrichtung nicht erzielbar.
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Claims (1)

  1. -11- PHN.6199
    PATENTANSPRUCH;
    Vorrichtung zur Wärmeübertragung von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel, welche beiden Pegel unterhalb von 10K liegen, wobei die Vorrichtung eine Mischkammer enthält, die mit einem Zuführungskanal zur Zuführung eines im wesentlichen
    aus He bestehenden Mediumstroms versehen ist, und durch einen mit dem Zuführungskanal in wärmeaustauschender Berührung stehenden Verbindungskanal mit einem Verdampfer verbunden ist, wobei im Betrieb die Mischkammer, der Verbindungskanal und der
    k 3 Verdampfer ein Gemisch aus He und He enthalten, während weiter der Verdampfer mit einer Ableitung
    3 für im wesentlichen dampfförmiges He versehen ist und die Vorrichtung mindestens ein Superleck enthält, dessen eines Ende in den Verdampfer in der Nähe des Bodens mündet, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Superleck mit dem vom Verdampfer abgewendeten Ende an einen Raum angeschlossen ist, der mit einer Heizvorrichtung zur Zuführung von Wärme versehen ist, und durch einen engen Kanal, in dem das Helium seine kritische Geschwindigkeit überschreitet, und einen Kühler an einen Kanal angeschlossen ist, der mehrere Superlecke enthält, wobei sich zwischen diesen Superlecken Wärmeaustauschkammern befinden, die je einen Teil von Wärmeaustauschern bilden, die auch
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    im Verbindungskanal und dem Zuführungskanal aufgenommene Wärmeaustauschkammern haben, während das andere Ende dieses Kanals oben in eine zweite Mischkammer mündet, die höher als die erste Mischkammer angeordnet ist, wobei die erste und zweite Mischkammern durch einen weiteren Verbindungskanal miteinander verbunden sind, der unten in die zweite und oben in die erste Misch kammer mündet, wobei der Kanal, bevor er in die zweite Mischkammer mündet, auch mit der ersten Mischkammer und gegebenenfalls mit dem weiteren Verbindungskanal im Wärmeaustausch ist.
    309838/0944
DE2311423A 1972-03-18 1973-03-08 Vorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel Expired DE2311423C3 (de)

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NL7203659.A NL160381C (nl) 1972-03-18 1972-03-18 Inrichting voor het transporteren van warmte van een lager naar een hoger temperatuurniveau, welke inrichting is voor- zien van een mengkamer, welke via een verbindingskanaal is verbonden met een verdampingsreservoir voor een 4he-3he-mengsel, terwijl het verdampingsreservoir is voorzien van een van een superlek voorzien afvoerkanaal.

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DE2311423A1 true DE2311423A1 (de) 1973-09-20
DE2311423B2 DE2311423B2 (de) 1978-04-20
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JP (1) JPS5215144B2 (de)
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