DE2507245A1 - Kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

PHN". 7^06.

,ο. PHN- 7406
17. Febr. 1975

¹¹ Kühlvorrichtung"

Die Erfindung bezieht sich auf* eine Kühlvorrichtung für Temperaturen unterhalb "des X -Punktes von

4
Helium mit einem Behälter für flüssiges He I, v/elcher Behälter über eine Verbindungsleitung, in die vom Behälter aus gerechnet nacheinander eine Seite eines Wärmeaustauschers,

4
in dein flüssiges He I eine Temperaturverringerung er-

fährt, und ein Drosselelement, in dem das He eine

Druckverringerung erfährt, aufgenommen sind, mit einer

4
Verdampfungskammer für flüssiges He II verbunden ist, welche Verdampfungskammer mit einer Absaugleitung für

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He II-Gas versehen ist, in welche Leitung die andere Seite des Wärmeaustauschers aufgenommen ist.

Die Erfindung bezieht sich Aireiter auf ein Verfahren zum Erzeugen von Temperaturen unterhalb des 7\. -Punktes von Helium.

Bei einer aus der U.S.Patentschrift 3 427 bekannten Kühlvorrichtung der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, enthält der Behälter normalerweise ein He-Bad von 4.2⁰K unter atmosphärischem Druck.

4 /4 χ

Dieses flüssige He. in der normalen Phase ( He I) erfährt im Wärmeaustauscher eine Temperaturverringerung und im Drosselelement eine Druckverringerung, wobei ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Die restliche Flüssigkeit erreicht die Verdampfungskammer, wo die Wärme aus dem zu kühlenden Gegenstand aufgenommen wird. Die Temperatur, auf die der Gegenstand gekühlt wird, hängt vom Druck in der Verdampfungskammer ab. Je niedriger der Druck, umso niedriger ist die Temperatur,

Ueber die Absaugleitung wird die Verdampfungskammer durch eine Pumpvorrichtung auf niedrigen Druck abgepumpt.

Ein Vorteil dieser bekannten Kühlvorrichtung ist, dass sie lange Zeit ununterbrochen betrieben werden kann und zwar dadurch, dass es die Möglichkeit gibt, kontinuierlich He aus dem Behälter der Verdampfungskammer

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zuzuführen. Müssen jedoch Kühltemperatüren unterhalb des 7\ -Punktes von Helium (2,18^ΟΚ) erzeugt werden (beispiels-

3 weise zum Kondensieren von konzentriertem He in

3 k
H- He-Verdünnungsktihlmaschinen oder zum Kühlen von

Masern, Komputerspeichern, superleitenden Spulen, paramagnetischen Salzen usw.), so tun sich Probleme dar, wodurch die bekannte Kühlvorrichtung in der Praxis nur noch kaum oder überhaupt nicht verwendbar ist·

Die Ursache der Problematik liegt in dem Umstand, dass, wenn sich in der Verdampfungskammer flüssiges Helium II mit seinen superfluiden Eigenschaften befindet (He unterhalb 2,18°Κ), dieses He II als dünner Film über die Wand der Kammer durch das Drosselelement hindurch nach oben in das Gebiet höherer Temperatur kriecht. Diese Rückströniung von Helium tritt auf trotz der entgegenwirkenden Schwerkraft und trotz der entgegenwirkenden Kraft infolge des höheren Druckpegels an der Eingangsseite des Drosselelementes.

Das Resultat ist, dass kein He II ständig in die Verdampfungskammer gebracht werden kann, wodurch die Wirkung der Kühlvorrichtung -gestört ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, durch eine einfache Verbesserung der bekannten Vorrichtung eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die sich für Kühltemperaturen unterhalb des /\ -Punktes von Helium besonders eignet,

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Dazu weist die erfindungsgemässe Kühlvorrichtung das Kennzeichen auf, dass in die Verbindungsleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Drosselelement ein Hilfsbehälter aufgenommen ist und zwischen der Verdampfungskammer und dem Hilfsbehälter eine die Wärme gut austauschende Verbindung vorhanden ist und zwar derart, dass flüssiges He im Hilfsbehälter bis unter den T\ -Punkt

4
gekühlt wird durch He II in der Verdampfungskammer.

Auf diese Weise ist erreicht worden, dass die Temperatur an der Eingangsseite des Drosselelementes im Hilfsbehälter der Temperatur an der Ausgangsseite des Drosselelementes in der Verdampfungskammer entspricht bzw. nahezu entspricht. Es gibt nun keine oder praktisch keine Neigung von He II in der Verdampfungskammer mehr zu dem He II im Hilfsbehälter zurückzuströmen. Insofern von einem Zurückkriecheffekt noch die Rede wäre, wird dies durch die Pumpkraft infolge des höheren Druckes des He II im Hilfsbehälter, gegebenenfalls unterstützt durch die Schwerkraft, weitgehend ausgeglichen.

Bei einer günstigen Ausftihrungsform der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung sind der Hilfsbehälter und die Verdampfungskammer zu einem Ganzen zusammengefügt und durch eine wärmeaustauschende Zwischenwand, in der sich eine Bohrung als Drosselöffnung befindet, voneinander getrennt,

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Dies bietet nicht nur den Vorteil einer gedrängten Konstruktion, sondern auch -wird auf vorteilhafte Weise unmittelbar die in der Drosselöffnung verursachte Kälte zum Kühlen des Hilfsbehälters verwendet.

Bei einer weiteren "günstigen Ausführungsform der erfxndungsgemässen Kühlvorrichtung ist ein mit der Drosselöffnung zusammenarbeitender Ventilkörper vorhanden, der über einen durch eine Begrenzungswand des Hilfsbehälters hinausgeführten Ventilstiel mit einem Bedienungselement verbunden ist.

Dies bietet den Vorteil, dass der wirksame Querschnitt d.er Drosselöffnung fernbedient werden kann und zwar abhängig von den Betriebsumständen. Ist die Vorrichtung ausser Betrieb, so kann die Drosselöffnung völlig geschlossen werden.

Eine weitere günstige Ausführungsform der

erfxndungsgemässen Kühlvorrichtung weist das Kennzeichen auf, dass der Hilfsbehälter eine Begrenzungswand aufweist, die durch einen Balgen gebildet ist, der koaxial zum Ventilstiel angeordnet' und einerseits an der wärmeaustauschenden Zwischenwand und andererseits am Ventilstiel befestigt ist.

Hindurchlecken bzw. Kriechen von He II längs des Ventilstieles nach Zonen höherer Temperatur ist so auf einfache Weise vermieden.

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Zwischen dem He I auf dem Weg vom Behälter zum Hilfsbehälter und dem He II im Hilfsbehälter, das die Neigung hat, in Richtung des auf höherer Temperatur befindlichen Behälters zu strömen, gibt es Viskositätsunterschiede, Diese Viskositätsunterschiede verursachen Strömungsunstabilitäten infolge örtlicher Aenderung im Strömungswiderstand. Der He-Strom vom Behälter zum Hilfsbehälter ist dadurch Aenderungen ausgesetzt, so dass

4
eine kontinuierlich konstante He-Zufuhr zum Hilfsbehälter nicht gewährleistet ist.

Weiter weist, bekanntlich, He II ein ausgezeichnetes Wärmele.itungsvermögen auf. Das He II im Hilfsbehälter droht dadurch und durch die Neigung zum Behälter zu strömen den Temperaturgradienten zwischen dem Behälter und dem Hilfsbehälter zu stören. Dies beeinträchtigt den thermischen Wirkungsgrad der Vorrichtung.

Um diese Nachteile auszuschalten weist eine weitere günstige Ausführungsform der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung das Kennzeichen auf, dass in die Verbindungsleitung zwischen den Wärmeaustauscher und dem Hilfsbehälter ein Strömungswiderstandselement aufgenommen

ist um im Betrieb den He-Strom vom Behälter zum Hilfsbehälter zu stabilisieren»

Das Strömungswiderstandselement sorgt dafür, dass der Phasenübergang von He I nach He II an einer

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festen Stelle in der Verbindungsleitung fixiert wird und zwar in einem Abstand vom Behälter.

Der He-Strom durch die Verbindungsleitung ist nun stabilisiert, während ein guter thermischer ^Wirkungsgrad dadurch erhalten ist, dass namentlich der Temperaturgradient am Wärmeaustauscher beibehalten wird.

Das StrSmungswiderstandselement besteht einfachheitshalber vorzugsweise aus einer Kapillare,

AusfUhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Kühlvorrichtung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Kühlvorrichtung.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein

k
Behälter für flüssiges He bezeichnet, der über eine Verbindungsleitung 2 mit einer Verdampfungskammer 3 verbunden ist, an die sich eine Absaugleitung h anschliesst,

Ein Wärmeaustauscher 5 ist einerseits in die Verbindungsleitung 2 und andererseits in die Absaugleitung h aufgenommen·

Die Verbindungsleitung 2 enthält weiter ein Strömungswiderstandselement 6, einen Hilfsbehälter 7 und ein Drosselelement 8« Der Hilfsbehälter 7 steht mit

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der Verdampfungskammer 3 in gutem Wärmekontakt und zwar über eine Verbindung 9 aus die Wärme gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer,

Die Verdampfungskammer 3 steht mit einem zu kühlenden Gegenstand 10 in gutem wärmeleitendem Kontakt.

An die Absaugleitung 4 ist ein aus der Duffusionspumpe 11 und der Rotationspumpe 12 bestehendes Pumpsystem angeschlossen, das eine Abfuhr 13 aufweist.

Derjenige Teil der Kühlvorrichtung, der sich im Betrieb auf niedriger Temperatur befindet, ist in einem evakuiert.en Raum 14 innerhalb eines Dewar-Gefässes mit einem Deckel 16 angeordnet. Das Dewar-Gefäss 15 wird auf nicht dargestellte, jedoch bekannte Weise innerhalb eines Systems weiterer Dewar-Gefässe, die mit flüssigem Helium bzw. Stickstoff gefüllt sind, gekühlt. Der Behälter kann über die Fülleitung 17 gefüllt werden. Im Betrieb

befindet sich im Behälter 1 flüssiges He unter atmosphärischem Druck (Temperatur 4,2⁰K). Dieses He wird im Wärmeaustauscher 5 durch Niederdruckheliumgas, das von der Verdampfungskammer 3 herrührt, gekühlt, wodurch es

4
in Temperatur sinkt. Das He bleibt dabei in der normalen

4
flüssigen He I-Phase, Vom Wärmeaustauscher 5 strömt

4
das He I über das Strömungswiderstandselement 6 zum

4
Hilfsbehälter 7» ^wo das He I einen Phasenübergang zu

4 dem superfluide Eigenschaften aufweisenden He II erfährt

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und zwar durch, eine Kühlung bis unter den ^-Punkt durch superfluides He II in der Verdampfungskammer 3 über die die Wärme gut leitende Verbindung 9· Dabei sorgt das Strömungswiderstandselement 6 dafür, dass der Phasen-

k k
übergang von He I nach He II sich an einer festen Stelle innerhalb dieses Elementes oder innerhalb des Teils der Verbindungsleitung 2, der zwischen dem Strömungswiderstandselement 6 und dem Hilfsbehälter 7 liegt, einstellt,

4 Einerseits ist dadurch ein stabiler konstanter He-Strom vom Behälter 1 zum Hilfsbehälter 7 gewährleistet, andererseits erfährt der Wärmeaustauscher 5 keine Belästigung

des Phasenüberganges. Ein superfluider He-FiIm im Wärmeaustauscher 5 würde nämlich den Temperaturgradienten in diesem Wärmeaustauscher und damit den thermischen Wirkungsgrad beeinträchtigen.

Das He II im Hilfsbehälter 7 strömt zum Drosselelement 8 und erfährt darin eine Druckverringerung.

Dies geht mit Kälteerzeugung einher, wobei ein Teil

des He II verdampft. Der restliche Teil des flüssigen

He II verdampft in der Verdampfungskammer 3 unter Aufnahme von Wärme aus dem zu kühlenden Gegenstand 10. Das kalte Niederdruck- He-Gas wird über die Absaugleitung k unter Aufnahme von Wärme im Wärmeaustauscher 5 durch, das Pumpsystem 11; 12 abgesaugt und verlässt die Vorrichtung durch die Abfuhr 13. Das abgesaugte He-Gas wird

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normalerweise nicht in die Umgebung abgeführt sondern in einem Speicherbehälter für späteren Gebrauch gespeichert oder unmittelbar einem Verflüssigungssystem zugeführt.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 zeigt einen Behälter

für flüssiges He I, der mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet worden ist, welcher Behälter über eine Verbindungsleitung 21 mit der Verdampfungskammer 22 verbunden ist, an die sich eine Absaugleitung anschliesst, die aus einem Teil 23a besteht, der an der Oberseite in einen Teil 23b grösseren Durchmessers mündet. Der Teil 23a geringeren Durchmessers bildet einen Strömungswiderstand, der eine

4
Strömung eines . He-II-Films nach oben beschränkt.

Eine in die Verbindungsleitung 21 aufgenommene und um einen Teil des Absaugleitungsteils 23b liegende Spirale 24 bildet zusammen mit dem letztgenannten Teil einen Wärmeaustauscher, in dem durch die Spirale 2k

4
strömendes He I mit kaltem Niederdruckheliumgas, das durch die Absaugleitung strömt, Wärme austauschen kann.

Als Strömungswiderstandselement ist eine Kapillare 25 in der Verbindungsleitung 21 vorhanden. Die Verdampfungskammer 22 ist mit dem Hilfsbehälter 26 zu einem Ganzen zusammengestellt. Zwischen denselben befindet sich eine die Wärme gut übertragende Wand 27 (beispielsweise eine Kupferwand oder eine aus dünnem rostfreiem Stahl bestehende Wand), in der sich eine

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Drosselöffnung 28 befindet. Die Drosselöffnung 28 kann völlig oder teilweise durch einen Ventilkörper 29» der über einen Ventilstiel 30 mit einem äusseren Betätigungselement 31 verbunden ist, freigegeben werden. Der Ventilstiel 30 ist durch, den Hilfsbehälter 26 und durch den Absaugleitungsteil 23b nach aussen geführt. Der Hilfsbehälter 26 hat eine Begrenzungswand, die durch einen Balgen 32, der koaxial um den Ventilstiel 30 angeordnet ist und einerseits an der Zwischenwand 27 und andererseits am Ventilstiel 30 befestigt ist, gebildet ist»

Der Tieftemperaturteil der Vorrichtung befindet sich in einem evakuierten Raum 33, der durch ein Gehäuse und einen Deckel 35» der ^a"u.f nicht dargestellte Weise gekühlt wird, begrenzt ist.

Durch den Deckel 35 hindurch sind eine Füllleitung 36 für den Behälter 20 und e.in Absaugleitungsteil 23b, der sich an ein nicht dargestelltes Pumpsystem anschliesst, hindurchgeführt.

Im Behälter 20 befindet sich vor dem Eingang der Verbindungsleitung 21 ein Filter 37 zum Abfangen von Verunreinigungen. Der Behälter 20 steht über einem Block 38 aus die Wärme gut leitendem Material mit dem

k abgeführten verhältnismässig kalten He-Gas, das durch

den Absaugleitungsteil 23b strömt, in gutem Wärmekontakt. Die Wirkungsweise der Vorrichtung entspricht

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in grossen Zügen der der Vorrichtung nach Fig. 1. Mit Hilfe des Bedienungselementes 31 kann die Drosselöffnung 28 im Betrieb geregelt und abgeschlossen werden, wenn die Vorrichtung ausser Betrieb ist. Der Balgen 32 bewegt sich dabei mit dem Ventilkörper und sorgt für eine hermetische Dichtung des Hilfsbehälters 26.

Die bei Druckverringerung in der Drosselöffnung 28 erzeugte Kälte trägt durch die Zwischenwand 27 unmittelbar zur Kühlung des He im Hilfsbehälter 26 bei_T Mit einer Vorrichtung, wie diese in Fig. 2

dargestellt ist, wurden unter Verwendung nur einer Kreiselpumpe Temperaturen unterhalb 1⁰K erreicht. Es stellte sich heraus, dass die erreichten Temperaturen unbeschränkte Zeit beibehalten werden konnten.

Die dargestellten Ausführungsformen sind selbstverständlich nicht !imitativ. Im Rahmen der Erfindung sind viele Ausführungsformen möglich. So kann beispielsweise ein Kugelventil als Drosselelement verwendet werden.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE t

   Kühlvorrichtung für Temperaturen unterhalb des Λ-Punktes von Helium mit einem Behälter für flüssiges

   He I, welcher Behälter über eine Verbindungsleitung, in die vom Behälter aus gerechnet nacheinander eine Seite eines Wärmeaustauschers, in dem flüssiges He I eine Temperaturverringerung erfährt, und ein Drosselelement,

   4
   in dem das He eine Druckverringerung erfährt, aufgenommen

   4 sind, mit einer Verdampfungskammer für flüssiges He II verbunden ist, welche Verdampfungskammer mit einer

   ' 4
   Absaugleitung für He-Gas versehen ist, in welche Leitung die andere Seite des Wärmeaustauschers aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbindungsleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Drosselelement ein Hilfsbehälter aufgenommen ist und zwischen der Verdampfungskammer und dem Hilfsbehälter eine die Wärme gut austauschende Verbindung vorhanden ist und zwar derart,

   h h

   dass flüssiges He im Hilfsbehälter durch He II in der Verdampfungskammer bis unter den λ-Punkt gekühlt wird ·

   2, Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsbehälter und die Verdampfungskammer zu einem Ganzen zusammengefügt und durch eine wärmeaustauschende Zwischenwand, in der sich eine Bohrung

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   als Drosselöffnung befindet, voneinander getrennt sind,

   3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Drosselöffnung zusammenarbeitender Ventilkörper vorhanden ist, der über einen durch eine Begrenzungswand des Hilfsbehälters nach aussen geführten Ventilstiel mit einem Bedienungselement verbunden ist.

   4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsbehälter eine Begrenzungswand aufweist, die durch einen Balgen gebildet ist, der koaxial zum V_entilstiel angeordnet und einerseits an der wärmeaustauschenden Zwischenwand und andererseits am Ventilstiel befestigt ist.

   5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbindungsleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Hilfsbehälter ein Strömungswiderstandselement aufgenommen ist um im

   4
   Betrieb den He-Strom vom Behälter zum Hilfsbehälter zu stabilisieren.

   6« Kühlvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement aus einer Kapillare besteht,

   7. Verfahren zum Erzeugen von Temperaturen unter-

   4 halb des X-Punktes von Helium, wobei verflüssigtes He

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   mit wenigstens etwa atmosphärischem Druck über einen Wärmeaustauscher, in dem das He eine Temperaturver- -

   ringerung erfährt, und ein Drosselelement, in dem das 4 4

   He expandiert, einer Verdampfungskammer für He II

   zugeführt wird, aus der durch Verdampfung gebildetes

   4
   He-Gas abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass

   4
   das He vor Eintritt in das Drosselelement bis unter den \ -Punkt gekühlt wird,

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