DE2507245C3

DE2507245C3 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE2507245C3
Application number: DE2507245A
Authority: DE
Inventors: Adrianus Petrus Severijns; Frans Adrianus Staas
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-20
Publication date: 1979-10-25
Also published as: CA1004049A; FR2262782B1; DE2507245B2; FR2262782A1; SE7502158L; NL7402781A; JPS50120038A; DE2507245A1; NL159778B; GB1494025A; US3978682A; SE423274B; CH584390A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für Temperaturen unterhalb des λ-Punktes von Helium mit einem Behälter für flüssiges ⁴He I, welcher Behälter über eine Verbindungsleitung, in die vom Behälter aus gerechnet nacheinander eine Seite eines Wärmeaustauschers, in dem flüssigen ⁴He I eine Temperaturverringerung erfährt, und ein Drosselelement, in dem das ¹He eine Druckverringerung erfährt, aufgenommen sind, mit einer Verdampfungskammer für flüssiges ⁴HeII verbunden ist, welche Verdampfungskammer mit einer Absaugleitung für ⁴He II-Gas versehen ist, in welche Leitung die andere Seite des Wärmeaustauschers aufgenommen ist.

Bei einer aus der US. Patentschrift 34 27 817 bekannten Kühlvorrichtung der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, enthält der Behälter normalerweise ein ⁴He-Bad von 4,2° K unter atmosphärischem Druck. Dieses flüssige ⁴He in der normalen Phase (⁴He 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.

Über 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 ⁴He aus dem Behälter der Verdampfungskammer zuzuführen. Müssen jedoch Kühltemperaturen unterhalt des A-Punktes von Helium (2,18° K) erzeugt werden (beispielsweise zum Kondensieren von konzentriertem ³He in ³He-⁴He-Verdünnungskühlmaschinen 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 (⁴He unterhalb 2,18° K), dieses He II als dünner Film über die Wand der Kammer durch das Drosselelement hindurch nach oben in das Gebiet höherer Temperatur kriecht. Diese Rückströmung 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine einfache Verbesserung der bekannten Vorrichtung eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die sich für Kühltemperaturen unterhalb des λ-Punktes von Helium besonders eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, 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 flüssige ⁴He im Hilfsbehälter bis unter den λ-Punkt gekühlt wird durch ⁴HeII 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 Il in der

Verdampfungskammer mehr zu dem He II im Hilfsbehälter zurückzuströmen. Insofern von einem Zurückkriecheffekt noch die Rede wäre, wird diei durch die Pumpkraft infolge des höheren Druckes des He II im Hilfsbehälter, gegebenenfalls unterstützt durch die Schwerkraft, weitgehend ausgeglichen.

Bei einer günstigen Ausführungsform 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

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 Hilfsbehälter verwendet.

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

Dies bietet den Vorteil, daß der wirksame Querschnitt der 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 erfindungsgemäßen 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 Ventilstiels nach Zonen höherer Temperatur ist so auf einfache Weise vermieden.

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 Änderung im Strömungswiderstand. Der ⁴He-Strom vom Behälter zum Hilfsbehälter ist dadurch Änderungen ausgesetzt, so daß eine kontinuierliche konstante ⁴He-Zufuhr zum Hilfsbehälter nicht gewährleistet ist.

Weiter weist bekanntlich He H ein ausgezeichnetes Wärmeleitungsvermögen 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 ⁴He-Strom vom Behälter zum Hilfsbehälter zu stabilisieren.

Das Strömungswiderstandselement sorgt dafür, daß der Phasenübergang von He I nach He II an einer festen Stelle in der Verbindungsleitung fixiert wird und zwar in einem Abstand vom Behälter.

Der ⁴He-Strom durch die Verbindungsleitung ist nun stabilisiert, während ein guter thermischer Wirkungsgrad dadurch erhalten ist, daß namentlich der Temperaturgradient am Wärmeaustauscher beibehalten wird.

Das Strömungswiderstandselement besteht einfachheitshalber vorzugsweise aus einer Kapillare.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Kühlvorrichtung,

ίο F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Kühlvorrichtung.

In F i g. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Behälter für flüssiges ⁴He bezeichnet, der über eine Verbindungslei tungZ mit einer Verdampfungskammer 3 verbunden ist, an die sich eine Absaugleitung 4 anschließt

Ein Wärmeaustauscher 5 ist einerseits in die Verbindungsleitung 2 und andererseits in die Absaugleitung 4 aufgenommen.
Die Verbindungsleitung 2 enthält weiter ein Strömungswiderstandselement 6, einen Hilfsbehälter 7 und ein Drosselelement 8, das beispielsweise als Kugelventil ausgebildet sein kann. Der Hilfsbehälter 7 steht mit 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 Diffusionspumpe 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 evakuierten Raum 14 innerhalb eines Dewar-Gefäßes 15 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 1 kann über die Fülleitung 17 gefüllt werden. Im Betrieb befindet sich im Behälter 1 flüssiges ⁴He unter atmosphärischem Druck (Temperatur 4,2° K). Dieses ⁴He wird im Wärmeaustauscher 5 durch Niederdruckheliumgas, das von der Verdampfungskammer 3 herrührt, gekühlt, wodurch es in Temperatur sinkt. Das ⁴He bleibt dabei in der normalen flüssigen ⁴He I-Phase. Vom Wärmeaustauscher 5 strömt das ⁴He 1 über das Strömungswiderstandselement 6 zum Hilfsbehälter 7, wo das ⁴He 1 einen Phasenübergang zu dem superfluide Eigenschaften aufweisenden ⁴He II erfährt und zwar durch eine Kühlung bis unter den λ-Punkt durch superfluides ⁴He II in der Verdampfungskammer 3 über die die Wärme gut leitende Verbindung 9. Dabei sorgt das Strömungswiderstandselement 6 dafür, daß der Phasenübergang von ⁴He I nach ⁴He II sich an einer festen Stelle innerhalb dieses Elementes oder innerhalb des Teils der Verbindungsleitung 2, der zwischen dem Strömungswiderstandselement 5 und dem Hilfsbehälter 7 liegt, einstellt. Einerseits ist dadurch ein stabiler konstanter ⁴-He-Strom vom Behälter 1 zum Hilfsbehälter 7 gewährleistet, andererseits erfährt der Wärmeaustauscher 5 keine Belästigung des Phasenüberganges. Ein superfluider ⁴He-FiIm im Wärmeaustauschers würde nämlich den Temperaturgradienten in diesem Wärmeaustauscher und damit den thermischen Wirkungsgrad beeinträchtigen.

Das ⁴He II im Hilfsbehälter 7 strömt zum Drosselelement 8 und erfährt darin eine Druckverringerung. Dies

geht mit Kälteerzeugung einher, wobei ein Teil des ⁴He I! verdampft. Der restliche Teile des flüssigen ⁴He II verdampft in der Verdampfungskammer 3 unter Aufnahme von Wärme aus dem zu kühlenden Gegenstand 10. Das kalte Niederdruck-⁴He-Gas wird über die Absaugleitung 4 unter Aufnahme von Wärme im Wärmeaustauscher5 durch das Pumpsystem ϊί; 12 abgesaugt und verläßt die Vorrichtung durch die Abfuhr 13. Das abgesaugte ⁴He-GaS wird normalerweise nicht in die Umgebung abgeführt sondern in einem Speicherbehälter für späteren Gebrauch gespeichert oder unmittelbar einem Verflüssigungssystem zugeführt.

Die Vorrichtung nach F i g. 2 zeigt einen Behälter für flüssiges ⁴He ! 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 236 größeren Durchmessers mündet Der Teil 23a geringeren Durchmessers bildet einen Strömungswiderstand, der eine Strömung eines ⁴He-II-FiImS 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 24 strömendes ⁴He 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 Drosselöffnung 28 befindet D^;e Drosselöffnung 28 kann völlig oder teilweise durch einen Ventükörper 29, der über einen Ventilstiel 30 mit einem äußeren Bedienungselement 31 verbunden ist, freigegeben werden. Der Ventilstiel 30 ist durch den Hilfsbehälter 26 und durch den Absaugleitungsteil 23£> 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 34 und einen Deckel 35, der auf nicht dargestellte Weise gekühlt wird, begrenzt ist.

Durch den Deckel 33 hindurch sind eine Fülleitung 36 für den Behälter 20 und ein Absaugleitungsteil 23£>, der sich an ein nicht dargestelltes Purnpsysiern 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 abgeführten verhältnismäßig kalten ⁴He-GaS, das durch den Absaugleitungskanal 23b strömt, in gutem Wärmekontakt

Die Wirkungsweise der Vorrichtung entspricht in großen Zügen der der Vorrichtung nach Fig. 1. Mit Hilfe des Bedienungselementes 3i 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 ⁴He im Hilfsbehälter 25 bei.

Mit einer Vorrichtung, wie diese in F i g. 2 dargestellt ist wurden unter Verwendung nur einer Kreiselpumpe Temperaturen unterhalb 1°K erreicht Es stellte sich heraus, daß die erreichten Temperaturen unbeschränkte Zeit beibehalten werden konnten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung für Temperaturen unterhalb des Α-Punktes von Helium mit einem Behälter für flüssiges ⁴He I, welcher Behälter über eine Verbindungsleitung, in die vom Behälter aus gerechnet nacheinander eine Seite eines Wärmeaustauschers, in dem flüssigen ⁴He I eine Temperaturverringerung erfährt, und ein Drosselelement, in dem das ⁴He eine Druckverringerung erfährt, aufgenommen sind, mit einer Verdampfungskammer für flüssiges ⁴He II verbunden ist, welche Verdampfungskammer mit einer Absaugleitung für ⁴He-GaS versehen ist, in welche Leitung die andere Seite des Wärmeaustauschers aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung (2; 21) zwischen dem Wärmeaustauscher (5; 24, 236,) und dem Drosselelement (8; 28) ein Hilfsbehälter (7; 26) aufgenommen ist und zwischen der Verdampfungskammer (3; 22) und dem Hilfsbehälter (7; 26) eine die Wärme gut austauschende Verbindung (9; 27) vorhanden ist und zwar derart, daß flüssiges ⁴He im Hilfsbehälter (7; 26) durch ⁴He II in der Verdampfungskammer (3; 22) bis unter den Α-Punkt gekühlt wird.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsbehälter (26) und die Verdampfungskammer (22) zu einem Ganzen zusammengefügt und durch eine wärmeaustauschende Zwischenwand (27), in der sich eine Bohrung als Drosselöffnung (28) befindet, voneinander getrennt sind (F i g. 2).

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Drosselöffnung (28) zusammenarbeitender Ventilkörper (29) vorhanden ist, der über einen durch eine Begrenzungswand des Hilfsbehälter (26) nach außen geführten Ventilstiel (30) mit einem Bedienungselement (31) verbunden ist.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsbehälter (26) eine Begrenzungswand aufweist, die durch einen Balgen (32) gebildet ist, der koaxial zum Ventilstiel (30) angeordnet und einerseits an der wärrneauütauschenden Zwischenwand (27) und andererseits am Ventilstiel (30) befestigt ist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung (2; 21) zwischen dem Wärmeaustauscher (5; 24, 23b) und dem Hilfsbehälter (7; 26) ein Strömungswiderstandselement (6; 25) aufgenommen ist um im Betrieb den ⁴He-Strom vom Behälter (1; 20) zum Hilfsbehälter (7; 26) zu stabilisieren.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungswiderstandselement aus einer Kapillare (25) besteht (Fig. 2).