DE2311423B2 - Vorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel - Google Patents
Vorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren TemperaturpegelInfo
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Description
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 zn einen Kanal angeschlossen ist, der mehrere
Superlecke enthält, wobei sich zwischen diesen Superlecken Wärmeaustauschkammern befinden, die je einen
Teil von Wärmeaustauschern bilden, die auch im Verbindungskanal und im Zuführungskanal aufgenommene
Wärmeaustauschkammern haben, während das andere Ende des letzteren Kanals im oberen Teil einer
zweiten Mischkammer mündet, die höher als die erste Mischkammer angeordnet ist, während die erste und die
zweite Mischkammer durch einen weiteren Verbindungskanal miteinander verbunden sind, der sich vom
unteren Teil der zweiten zum oberen Teil der ersten Mischkammer erstreckt, wobei der Kanal, b;vor er in
die zweite Mischkammer mündet, auch mit der ersten Mischkammer und gegebenenfalls mit dem weiteren
Verbindungskanal im Wärmeaustausch 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- 1»
schaltung des ersten Superlecks, des engen Kanals und des Kühlers wird jetzt eine Antriebskraft auf das 4He
erzeugt, die groß genug ist, um dieses 4He 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. -io
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
Zuleitungskanal 2 für 3He an. Die Mischkammer 1 ist weiter durch einen Verbindungskanal 3 mit einem
Verdampfer 4 verbunden, der mit einer Ableitung 5 für so
dampfförmiges 3He versehen ist. Die Ableitung 5 kann z. B. an eine nicht dargestellte Gaspumpe angeschlossen
sein. Der Zuführungskanal 2 und der Verbindunpskanal 3 stehen durch Wärmeaustauscher 6, 7, 8 und 9 in
wärmeaustauschender Berührung miteinander. Die Mischkammer 1 der Verbindungskanal 3 und der
Verdampfer 4 sind mit einer 3He-4He Gemisch gefüllt.
An den Verdampfer 4 schließt sich ein Superleck 10 an, dessen anderes Ende an einen Raum U angeschlossen
ist, in dem eine Heizwendel 12 angebracht ist. Der Raum to
11 ist durch einen engen Kanal 13 und einen Kühler 14 mit einem Ende eines Kanals 15 verbunden, das
Superlecke und zwischengeschaltete Wärmeaustauschkammern enthält, die je einen Teil der Wärmeaustauscher
6, 7, 8 und 9 bilden. Nach dem letzten Wärmeaustauscher 6 ist der Kanal 15 an der Stelle im
Wärmeaustausch mit der ersten Mischkammer 1 und dann im Wärmeaustauscher 17 im Wärmeaustausch mit
dem Verbindungskanal 18 zwischen der ersten Mischkammer 1 und einer zweiten Mischkammer 19, 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 und der Verdampfer 4 sind mit einem 3He-4He-Gemisch gefüllt. Durch die Ableitung 15 wird im wesentlichen 3He abgeleitet, das flüchtiger als 4He ist. Durch den Zuführungskanal 2 wird im wesentlichen 3He zur Mischkammer 1 geführt, in der die zugeführte 3He-reiche Phase in die 3He-arme Phase übergeht, welcher Übergang mit einer Kälteerzeugung verbunden ist, wobei die Kälte zum Kühlen irgendeines Gegenstandes benutzt werden kann. Das 3He fließt dann durch den Verbindungskana) 3 wieder zum Verdampfer 4.
Überdies wird dadurch, daß mit Hilfe der Heizwendel
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist wie folgt Die Mischkammer 1, der Verbindungskanal 3 und der Verdampfer 4 sind mit einem 3He-4He-Gemisch gefüllt. Durch die Ableitung 15 wird im wesentlichen 3He abgeleitet, das flüchtiger als 4He ist. Durch den Zuführungskanal 2 wird im wesentlichen 3He zur Mischkammer 1 geführt, in der die zugeführte 3He-reiche Phase in die 3He-arme Phase übergeht, welcher Übergang mit einer Kälteerzeugung verbunden ist, wobei die Kälte zum Kühlen irgendeines Gegenstandes benutzt werden kann. Das 3He fließt dann durch den Verbindungskana) 3 wieder zum Verdampfer 4.
Überdies wird dadurch, daß mit Hilfe der Heizwendel
12 im Raum 11 eine etwas höhere Temperatur als im Verdampfer 4 eingestellt wird, infolge der auftretenden
Springbrunnenpumpwirkung 4He aus dem Verdampfer 4 durch das Superieck 10 zum Raum 11 befördert. Dies
hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Entzug von 4He mit einer Wärmeentwicklung im Verdampfer 4 verbunden
ist, so daß die Verdampfung von 3He ohne zusätzliche Heizung erfolgen kann. Aus dem Raum 11
fließt dieses 4He durch den Kanal 13 und den Kühler 14 zum Eingang des Superlecks 15. Infolge der Reihenschaltung
des Superlecks 10, des Raumes 11, des Kanals
13 und des Kühlers 14 wird auf dieses 4He eine derartige
Antriebskraft ausgeübt, daß sich am Eingang des Kanals 15 ein hoher Duck ergibt Dieser hoher Druck bewirkt,
daß supraflüssiges 4He 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 weitere Entspannung von 3He in 4He weitere
Kälte erzeugt, so daß das 4He gut gekühlt wird. Eine weitere Kühlung erfolgt an der Stelle 16, an der das 4He
mit dem sehr kalten Gemisch in der Mischkammer 1 Wärme austauscht.
Die zweite Mischkammer 19 steht durch den Verbindungskanal 18 mit der Mischkammer 1 in
Verbindung, wobei der Wärmeaustauscher 17 einen Wärmeaustausch zwischen dem 4He im Kanal 15 und
dem Gemisch im Verbindungskanal 18 besorgt.
Das 4He gelangt am Ende in die Mischkammer 19, in
der wiederum ein Phasenübergang von einer 3He-reichen Phase (die bereits in der Mischkammer 19
vorhanden ist) in die 3He-arme Phase des zugeführten 4He 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 4. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung erfolgt somit die Kälteerzeugung auf
zwei Pegeln, d. h. in der Mischkammer 1 bei einer Temperatur von etwa 0,05 K und in der Mischkammer
19 bei einer Temperatur von etwa 0,6 mK. Insbesondere die letztere Temperatur ist' mit der bekannten
Vorrichtung nicht erzielbar.
Claims (1)
- Patentanspruch:Vorrichtung zur Wärmeübertragung von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel, welche beiden Pegel unterhalb von 1 K liegen, wobei 5 die Vorrichtung eine Mischkammer enthält, die mit einem Zuführungskanal zur Zuführung eines im wesentlichen aus 3He 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 Verdampfer ein Gemisch aus 4He und 3He enthalten, während weiter der Verdampfer mit einer Ableitung für im wesentlichen '5 dampfförmiges 3He versehen ist und die Vorrichtung mindestens ein Superleck enthält, aessen eines Ende in den Verdampfer in der Nähe des Bodens, mündet, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Superleck (10) mit dem vom Verdampfer abgewendeten Ende an einen Raum (11) angeschlossen ist, der mit einer Heizvorrichtung (12) zur Zuführung von Wärme versehen ist, und durch einen engen Kanal (13), in dem das Helium seine kritische Geschwindigkeit überschreitet, und einen Kühler (14) an einen Kanal (15) angeschlossen ist, der mehrere Superlecke enthält, wobei sich zwischen diesen Superlecken Wärmeaustauschkammern befinden, die je einen Teil von Wärmeaustauschern (6-9) bilden, die auch im Verbindungskanal (3) und dem Zuführungskanal (2) aufgenommene Wärmeaustauschkammern haben, während das andere Ende dieses Kanals (15) im oberen Teil einer zweiten Mischkammer (19) mündet, die höher als die erste Mischkammer (1) angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Mischkammer durch einen weiteren Verbindungskanal (18) miteinander verbunden sind, der sich vom unteren Teil der zweiten zum oberen Teil der ersten Mischkammer erstreckt, wobei der Kanal (15), bevor er in die zweite Mischkammer (19) mündet, auch mit der ersten Mischkammer (1) und gegebenenfalls mit dem weiteren Verbindungskanal (18) im Wärmeaustausch ist.45Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel, welche beiden Pegel unterhalb von 1 K liegen, wobei die Vorrichtung eine Mischkammer enthält, die mit einem Zuführungskanal zur Zuführung eines im wesentlichen aus 3He bestehenden Mediumstromes versehen ist und durch einen mit dem Zuführungskanal in wärmeaustauschender Beruhrung stehenden Verbindungskanal mit einem Verdampfer verbunden ist, wobei im Betrieb die Mischkammer, der Verbindungskanal und der Verdampfer ein Gemisch aus 4He und 3He enthalten, während weiter der Verdampfer mit einer Ableitung für im wesentlichen bU dampfförmiges 3He versehen ist und die Vorrichtung mindestens ein Superleck enthält, dessen eines Ende in den Verdampfer in der Nähe des Bodens mündetEine Vorrichtung der vorstehend erwähnten Art ist bekannt aus der US-PS 31 95 322 (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 0,65 K aufweisenden Verdampfer ein Gemisch aus 4He und 3He. Der Verdampfer wird dadurch auf dieser niedrigen Temperatur gehalten, daß Dampf abgesaugt wird, der infolge der größeren Flüchtigkeit im wesentlichen aus 3He bestehtDurch den Zuführungskanal, der mit dem Verbindungskanal im Wärmeaustausch steht, wird der Mischkammer ein im wesentlichen 3He enthaltender Mediumstrom zugeführt.Unterhalb von 0,9 K erfolgt in flüssigen 3He-4He-Gemischen eine Phasentrennung in eine 3He-reiche Phase und eine 3He-arme Phase. Diese Phasentrennung findet in der Mischkammer statt. Beim Übergang der zugeführten 3He-reichen Phase in die 3He-arme Phase erfolgt eine Verdünnung, und die dafür erforderliche Mischwärme liefert eine Kühlwirkung. Danach entspannt sich das im, in dem Verbindungskanal befindliche, supraflüssigen 4He enthaltene 3He, wobei eine große Kältemenge erzeugt wird, die jedoch praktisch völlig benötigt wird, um den 3He-Strom im Zuleitungskanal abzukühlen. Die vorstehend erwähnte Kühlwirkung ergibt sich somit durch den Umlauf des 3He. Um die Kühlung zu verbessern, wurde bei der bekannten Vorrichtung vorgeschlagen, den Verdampfer über ein Superleck mit einem 4He-Bad von etwa 1,3 K zu verbinden. Aus dem 4He-Bad wird weiter 4He 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 4He im Verbindungskanal zu verursachen, die eine zusätzliche Kühlwirkung in der Mischkammer liefert. Für eine derartige turbulente Strömung von 4He im Ableitungskanal ist es jedoch erforderlich, daß an irgendeiner Stelle im 4He-Stromkreis, der aus dem Verdampfer, dem ersten Superleck, dem zweiten Superleck, der Mischkammer und dem Verbindungskanal 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 US-PS 33 76 712 beschreibt auch eine Vorrichtung von der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, bei der zur Steigerung der durch den Phasenübergang von der 3He-reichen Phase in die 3He-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 Art von Dampfmaschinenzyklus, bei dem ein 3He enthaltendes Gemisch sich in praktisch reinem 4He weiter entspannt, das durch das Superleck aus dem Verdampfer zugeführt wird. Da die Antriebskraft für die Zufuhr des 4He nur aus dem osmotischen 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, einß Vorrichtung der vorstehend beschreibenen Art zu !schaffen, bei der der erwähnte Nachteil behoben ist, und sie ist zu diesem
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