DE2806829A1

DE2806829A1 - Vorrichtung zur tiefstkuehlung von objekten

Info

Publication number: DE2806829A1
Application number: DE19782806829
Authority: DE
Inventors: Gustav Dr Klipping
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1978-02-17
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1979-08-23
Also published as: BE874233A; IT1114963B; FR2417733B1; NL177043B; US4228662A; IT7948032A0; NL177043C; GB2015140B; DE2806829B2; FR2417733A1; NL7901235A; JPS6051624B2; LU80932A1; CA1082473A; CH624476A5; GB2015140A; DE2806829C3; JPS54122449A

Description

A

Anmelder: Dr. Gustav Klipping, Berlin Vorrichtung zur Tiefstkühlung von Objekten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Tiefstkühlung von Objekten, bei der superfluides Helium II aus einem Vorratsbehälter über ein Drosselelement mit engem Durchlaß unter Ausnutzung der Absperrwirkung des thermomechanischen Effektes in ein evakuierbares Abgasrohrsystem verdampft wird.

Die Verwendung von superfluidem Helium II zur Tiefstkühlung von Ob.iekten im Temperaturbereich unterhalb von 2 K ist für terristasche und extraterristische Anwendungen oeispielsweise für Strahlungsdetektoren bereits bekannt·

In der Veröffentlichung P.M.Selzer, W.M.Pairbank und C.W. F.Everitt, Advances Cryogenic Engineering 16(1971)277-281, wird das Problem der Kühlhaltung eines Vorrats an flüssigem Helium unter Weltraumbedingungen untersucht. Die Auto· ren beschreiben ein Dewar, bei dem in einen Flüssigkeitsvorrat mit superfluidera Helium II ein poröser Stopfen eintaucht, der aus'einer eng gewickelten Aluminiumfolie besteht, wobei eich in der spiralförmigen Wicklung Durohlaß-

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spalte kleiner 10 cm ergeben. Dieser Stopfen liegt in einem gut wärmeleitenden Halter an der Anschlußstelle des Abgasrohrsystems und bildet ein Drosselelement, welches zwar kontinuierlich die Verdampfung eines gewissen, durch den Gesamtquerschnitt der Poren bestimmten Flüssigkeitsanteils und damit die Erzeugung einer entsprechend begrenzten Kälteleistung ermöglicht, den Durchlaß von Helium II-Flüssigkeit aber nur dann zuläßt, wenn die Eintrittstemperatur des Stopfens klei-. ner als die Austrittstemperatür und der Druck auf der Einlaßseite kleiner als der Druck auf der Auslaßseite sind. Bei umgekehrten Verhältnissen wird der Durchtritt von Helium II-Flüssigkeit vollständig gesperrt (thermomechanischer Effekt)· Ein solcher poröser Stopfen besitzt somit temperatur- und druckabhängige Ventileigenschaften«, Die Verdampfung des superfluidea Helium II läßt sich jedoch mit einem solchen Stopfen nicht hinreichend trägheitslos regeln, wie dies insbesondere beim Auftreten plötzlicher Temperaturschwankungen zur genauen Einhaltung der Kühltemperatur erforderlich wäre* Da andererseits die Flüssigkeit im Vorratsbehälter sieb bei geringem Temperaturanstieg ( auf T 2,18 K) aus superfluidera Helium II in normales Helium I umwandelt„ welches über die engen Poren sehr viel schlechter verdampft werden kann, be» steht in solchem Fall die Gefahr weiterer Temperatursteigerung mit entsprechender erheblicher Drucksteigerung« Es ist also auch die Gefahr von Explosionen vorhanden, weil Stopfei mit geringem Durchlaß' keinen hinreichend schnell Druckausgleich herbeiführen können. Hier bringt auoh eine Vergrößerung der Stopfenfläche^ d.h. die Parallelschaltung einer

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Vielzahl von Kanälen mit einer Spaltbreite unterhalb von 10 /um keine ausreichende Sicherung.

Anstelle des Wickelstopfens sind auch bereits poröse Stopfen aus Keramik und Sintermetall bekannt, welche als Phasentrenner zwischen Helium I und Helium II, d.h. als Absperrelement für die superfluide Flüssigkeit und gleichzeitig als Verdampfungsöffnung verwendet werden können (vgl. bspw. DBP 1 501 291 und D.Petrac, low Temp. Physics (Proceedings LT 14) Vol. 4, North Holland/American Elsevier, 1975, S. 33-36).

Wegen der ungenügenden Wirkung der bisher erörterten porösen bzw. mit Durchlaßspalten versehenen Stopfen ist bereits versucht worden, als Drossel- und Trennelement eine einfache Blende in der Abgasleitung zu verwenden. In der Veröffentlichung P.Mason, D.Collins, D.Petrac, L.Yang, F.Edeskuty und K.Williamson ICEG 1976, Seite 272 bis 277 wird als Ergebnis dieser Unterschungen in Vergleich mit porösen Stopfen berichtet, daß sowohl für normales Helium I im Stopfen-Betrieb als auch für Helium II im Blendenbetrieb zu große Heliuraverluste und damit zu geringe Standzeiten der Kühlvorrichtung eintreten.

Ein wesentlicher Nachteil der vorbekannten Drosselelemente ist darin zu sehen, daß der Mengenstrom des verdampfenden Heliums^von dem die Temperatur der Flüssigkeit bzw. die zur Tiefstkühlung verwendbare Kälteleistung abhängen nur abgasseitig durch Veränderungen des Vakuums, d.h. mit

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erheblicher Trägheit beeinfluß werden kann. Schnell wechselnde Wärmebelastungen lassen sich auf dieser Grundlage nicht genügend feinfühlig ausregeln; außerdem begrenzen, poröse Stopfen durch die gegebene Durchlaßmenge die Kälteleistung und die Absenkung der Betriebstemperatur. Poröse Stopfen besitzen auch bei relativ großer Oberfläche nur eine geringe Durchlässigkeit für normal flüssiges Helium I. Ferner wird mit abnehmendem Kältemittelvorrat, d.h. mit zunehmendem Dampfanteil im Vorratsbehälter die Temperaturregelung erschwert, weil der am Ansaugteil des Abgasrohrsystem liegende poröse Stopfen, dessen Durchlässigkeit für Heliumdampf ebenfalls gering ist, nicht mehr in jedem Falle Flüssigkeitskontakt aufweist. Dies gilt trotz der bei Weltraumbedingungen erhöhten Flüssigkeitsfilmdicke von Helium

a Verringerung der Regelträgheit bei feinstufiger Veränderung der durch das Drosselelement im VerdampfungsVorgang erzeugten Kälteleistung,

b Möglichkeit zum raschen Druckausgleich gegenüber Helium I und Helium-Gas,

c Möglichkeit des dosierten Flüssigkeitsdurchtritts in das Abgasrohrsystem.

lösung der angegebenen Aufgabenstellung ist vorgesehen,

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daß das Drosselelement als Ventil mit einem Ventilelement ausgebildet ist, welches im Einstellbereich gegenüber einer Ventilbuchse einen Durchlaßspalt mit einer Spaltbreite unterhalb von 10 /um und veränderbarer Spaltlänge aufweist, und daß der Ventildurchlaß durch die einstellbare Spaltlänge steuerbar ist. Eine solche Ausbildung ermöglicht eine feinstufige und trägheitsarme Steuerung, besonders deshalb, weil die Länge eines Drosselspaltes bei konstanter Durchlaßspaltbreite relativ einfach verändert werden kann, während eine direkte Öffnungssteuerung bei den hier erforderlichen Spaltabmessungen unterhalb von 10 /um sehr wesentliche Schwierigkeiten hervorruft. Das als Ventil ausgebildete Drosselelement ermöglicht ferner verschiedene öffnungszustände bis zum feindosierten Flüssigkeitsdurchlaß in das Abgasrohrsystem. Das Ventil kann wegen seiner Eigenschaft, auch Heliumgas ungehindert durchzulassen, nicht nur zur Einstellung und Konstanthaltung von Temperaturen unterhalb 2 K dienen, sondern es läßt sich in einfacher Weise als Kaltfahrventil bei der Abkühlung des Systems von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur benutzen. Damit entfällt ein gesondertes Kaltfahrventil dessen Abdichtung beim Betrieb mit Helium II Schwierigkeiten hervorrufen kann#

Eine bevorzugte Ausführungsform kann vorsehen, daß das Ventil einen zusätzlichen Einstellbereich oberhalb von 10 Aim Durchlaßspaltbreite bis zum voll geöffneten Durchlaß aufweist. Da das Ventil im Gegensatz zu den porösen Stopfen auch einen ungehinderten Durchtritt von Helium I und

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gasförmigem Helium erlaubt, und da sich die Mengendurchsätze beider Medien nahezu beliebig regeln lassen, werden Gefährdungen durch plötzlich entstehenden Überdruck ausgeschlossen, und es wird eine vollständige Ausnutzung des Kältemittelvorrats bei nahezu unbegrenzter Kälteleistung erreicht. Die Anwendung des Ventils bietet auch dann Vorteile, wenn das Drosselelement bei absinkender Flüssigkeitsfüllung im Vorratsbehälter nicht mehr bzw. nicht mehr dauernd mit Flüssigkeit in Kontakt steht.

Eine konstruktiv zweckmäßige Ausführungsform kann eine Ausbildung des Ventilelementes als zylinderförmigen Ventilstift vorsehen, der gegenüber der Ventilbuchse eine Ringspaltbreite unterhalb von 10/um aufweist und der in der Ventilbuchse axial verschiebbar gelagert ist. Zur Verbesserung der Feindosierung des Durchsatzes beim Durchtritt von superfluidem Helium II, Helium I oder gasförmigem Helium kann es zweckmäßig sein, den Ventilstift in Verbindung mit der Ventilbuchse so zu gestalten, daß er in einem Endabschnitt seines Bewegungsweges eine Durchlaßspaltbreite größer 10/um

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bestimmt. Hierzu kann vorteilhaft das Ende des Ventilstiftes konisch gestaltet sein, oder es können im Ende des Ventilstiftes ein oder mehrere, gegebenenfalls symmetrisch angeordnete konische Ausnehmungen angebracht werden.

Eine andere gegebenenfalls zweckmäßige Ausführungsform, die sowohl in Verbindung mit einem zylinderförmigen Ventilstift als auch mit einem abschnittsweise konischen oder mit konischen Ausnehmungen versehenen verwendet werden kann» . besteht darin, daß die Ventilbuchse wenigstens einseitig mit mindestens einer achsparallelen Ausnehmung versehen ist, die in eine Ringnut mündet. In diesem Fall kann das Ventil sowohl mit dem Einstellbereich eines Ringspaltes interhalb von 10/um als auch mit dem erweiterten Durchtrittsquerschnitt für den Durchlaß von Flüssigkeit verwendet werden. Durch die Ringnut innerhalb der Ventilbuchse in die ein oder mehrere parallel zur Längsachse liegenden Ausnehmungen münden, wird eine gleichmäßige Verteilung des in das Ventil eintretenden Kältemittels am umfang der Durchlaßöffnung erreicht, so daß eine gleichmässige, zuverlässige Flüssigkeits- bzw. Gasschmierung im Ringspalt begünstigt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es zweckmäßig sein,, das Abgasrohrsystem mit wenigstens einem Wärmetauscher zu versehen, der im Vorratsbehälter derart angeordnet ist, daß er mit dem Kältemittelvorrat in Wärmeaustausch steht. Auf diese Weise läßt sich der Umstand ausnutzen, daß das

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flüssige Helium II bei tiefen Temperaturen eine um mehrere Größenordnungen höhere spezifische Wärme aufweist als alle festen Werkstoffe. Durch diesen Wärmetauscher im Kälteraittelvorrat kann die austrittseitig hinter dem Ventil bzw. durch die vollständige Verdampfung eines Zweiphasengemisches (Helium II-Tröpfchen in Heliumgas) anfallende Kälteleistung dem Kältemittelvorrat wieder zugeführt werden. Damit wird für die zu kühlenden Objekte, die gegebenenfalls durch wärmeleitende Halterungen, Zuleitungen, Brücken oder ähnliches mit dem Kältemittelvorrat in Verbindung stehen, eine besonders hohe Temperaturkonstanz erreicht.

Für Anwendungsfälle,in denen kontinuierlich eine relativ hohe Kälteleistung an dem zu kühlenden Objekt aufzubringen ist, kann es in einer Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig sein,mindestens einen Wärmetauscher des Abgasrohrsystems direkt mit dem zu kühlenden Objekt in Wärmeaustausch zu bringen. Dabei ist eine vorteilhafte Kombination sowohl in der Weise möglich, daß getrennte Wärmetauscher in Kontakt mit dem Kältemittelvorrat und mit dem zu kühlenden Objekt als auch ein oder mehrere Wärmetauscher im Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden Objekt verwendet werden.

Die Anordnung eines Wärmetauschers im Vorratsbehälter des Kältemittelvorrats ist nur dann sinnvoll, wenn am Austritt der Drosselstelle ein Zweiphasengemisch mit einem Anteil

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an flüssigem superfluidem Helium II anfällt. Bei der vorbekannten Anwendung eines porösen Stopfens als Drosselelement wäre eine solche Anordnung des Wärmetauschers nicht zweckmäßig und wegen der Möglichkeit der Aufheizung des ältemittelvorrats unter Umständen gefährlich. Enthält der Vorratsbehälter nur normal flüssiges Helium I, so ist wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit dieser Flüssigkeit eine solche Anordnung des Wärmetauschers ebenfalls unzweckmäßig.

Bei der Anordnung eines Wärmetauschers in Verbindung mit dem zu kühlenden Objekt und im Vorratsbehälter kann es zweckmäßig sein, daß das Abgasrohrsystem in Parallelschaltung mindestens einen Wärmetauscher im Vorratsbehälter des Kältemittelvorrats und einen Wärmetauscher in Verbindung mit dem Kühlobjekt aufweist, und daß die Abgasleitungen unterschiedlich evakuierbar sind.

Durch die Merkmale der Erfindung wird ein Drosselelement geschaffen, welches für die Tiefsttemperaturregelung mit geringer Trägheit besonders geeignet erscheint und das in seiner Weiterbildung mit zusätzlichem Einstellbereich oberhalb der 10 /um Spaltbreite durch direkte Flüssigkeitsverdampfung im Abgasrohrsystem die kurzzeitige Aufbringung hoher Kälteleistungen ermöglicht· Die Temperaturregelung durch Veränderung der Durchlaßspaltlänge bei konstantem

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Durchlaßspaltquerschnitt erweist sich als besonders feinfühlig und verbessert daher die Temperaturkonstanz derartiger Regelkreise so wesentlich, daß beispielsweise die Temperatur des Kältemittelvorrates auf etwa ί 0,01 K konstant gehalten werden kann. Wenn sich ein Wärmetauscher des Abgasrohrsystems im Kältemittelvorrat befindet, läßt sich eine entsprechende Temperaturkonstanz auch bei stark schwankender Wärmebelastung erreichen»

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Tiefstkühlung bei Temperaturen T kleiner 2 K mit einem innerhalb des Kühlmittelvorrats angeordneten Wärmetauscher,

Fig. 2 eine alternative Ausführungaform des Ventils mit abschnittsweise konisohem Ventilstift ,

Fig. 3|4 eine andere Ausbildung des Ventile mit einem Ventilstift.der

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teilte konischen Ausnehmungen aufweist,

Fig. 5,6 eine Ventilausführung für eine Vorrichtung nach Fig. 1 mit Ausnehmungen und Ringnuten in der Ventilbuchse,

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Tiefstkühlung von Objekten mit Wärmetauscher am zu kühlenden Objekt und im Kühlmittelvorrat,

Fig. 8 eine Vorrichtung zur Tiefstkühlung von Objekten mit einem Wärmetauscher am zu kühlenden Objekt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Tiefstkühlung im Temperaturbereich T kleiner 2 K ist ein Vorratsbehälter zur Aufnahme eines Kältemittelvorrats 2 vorgesehen, welcher superfluides Helium II enthält. Der Vorratsbehälter 1 ist von Strahlungsschilden 3 umgeben und mit diesen in einem · Vakuummantelbehälter 4 angeordnet. Die erforderlichen Anschlüsse zur Evakuierung und zum Einbringen des Kältemittelvorrats entsprechen üblichen Ausbildungen und sind in der Darstellung lediglich angedeutet worden.

Ein zu kühlendes Objekt 5 ist innerhalb einer gleichfalls

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aus dem Umgebungsraum evakuierbaren gekühlten Kammer 6 in Kontakt mit einer der kalten Begrenzungsflächen angeordnet.

Das als Drosselelement dienende Ventil besteht aus einer" Ventilbuchse 7, in der ein zylinderförmiger Ventilstift 8 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Ringspaltbreite zwischen dem Ventilstift 8 und der Buchsaussparung der Ventilbuchse 7 ist <C10/um. Die Ventilbuchse ragt einseitig in den Kältemittelvorrat, die Abgasseite ist mit einem Abgasrohrsystem 9 verbunden, in das ein Wärmetauscher 10 geschaltet ist, der sich im Kältemittelvorrät des Vorratsbehälters 1 befindet. Zur stopfbuchsenlosen Abdichtung des Ventils 7_f8 ist ein inneres Faltenbalgelement 12 vorgesehen, durch dessen Endplatte 13 eine Ventilstange 14 vakuumdicht · hindurchtritt. Die Ventilstange 14»die in bekannter Weise mit bewegbaren Zwischenstücken versehen sein kann, welche die Führung des Ventilstiftes erleichtern und/oder die Wärmezufuhr durch Wärmeleitung vermindern, tritt durch Aussparungen in den Strahlungsschilden 3 und im Vakuummantelbehälter 4 unter stopfbuchsenloser Abdichtung durch ein äußeres Faltenbalgelement 15 nach außen. Der Antrieb der Ventilstange 14 und damit die Einstellbewegung des Ventils 7_f8 geht von einem elektrodynamischen oder elektromagnetischen Antrieb 16 aus, welcher beispielsweise in der Art des Antriebs einer Lautsprecherschwingspule oder als Tauchmagnet gestaltet sein kann. Der Antrieb 16 wird über ein Regelgerät 17 in Abhängigkeit von

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der durch einen Fühler 18 im Kältemittelvorrat ermittelten Temperatur so gesteuert, daß das Regelsystem eine konstante Temperatur des Kältemittelvorrates herbeiführt.

Im normalen Einstellbereich des Ventils 7,8, d.h. bei einer Ringspaltbreite unterhalb von 10 /Um und je nach Kältebedarf wechselnder Spaltlänge verdampft auf der Abgasseite des Ventilstiftes 8 bei entsprechenden Druck- und Temperaturverhältnissen in dosierbaren Mengen superfluides Helium II, welches seinen Kälteinhalt über den Wärmetauscher 10 an den Kältemittelvorrat 2 abgibt. Die Erzeugung des Unterdrucks erfolgt über ein Vakuumpumpsystem von an sich bekannter Konstruktion, welches an das Abgasrohrsystem am Anschluß 11 angeschlossen ist. Bei Betrieb im Weltraum genügt die Öffnung zur Umgebung, wobei auf zusätzliche Pumpsysteme verzichtet werden kann.

In den Figuren 2, 3 und 4 sind alternative Ausführungen des in Figur 1 gezeigten Ventilstiftes ü dargestellt. In Figur 2 ist ein konischer Endteil 19 vorgesehen. Figur 3 und 4 zeigen einen zylinderförmigen Ventilstift 8, welcher am Umfang symmetrisch verteilte, konisch gestaltete Aussparungen 20 aufweist. Bei der Ausführungsform der Figuren 3 und 4 wird gegenüber Figur 2 eine günstigere Führung des Vontilntifteo 0 in der Ventilbuohse 7 erreicht. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 5 und 6 ist der Ventilstift 8 zylinderförmig

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ausgebildet, und in der Ventilbuchse 7 befinden sich an beiden Enden auf einem Teil ihrer Länge in Längsrichtung verlauf ende (Ausnehmungen 21,22, die in Ringnuten 23,24 einmünden.

Bei allen der vorangehenden Ausführungsformen der Figuren 2 bis 6 kann das Ventil mit einem zusätzlichen Einstellbereich oberhalb von 10 /um betrieben werden.

Befindet sich das freie Stiftende des Ventilstiftes 8 bei der Ausführungsform der Figuren 5 und 6 zwischen A und C so variiert die Ringspaltlänge bei konstanter Ringspaltbreite zwischen B und C. Dies ist der bestimmungsgemäße Steuerungsbereich beim Ausgleich geringer TemperatürSchwankungen. Nimmt jedoch das freie Stiftende eine Lage zwischen C und D ein, so kann ein größerer Querschnitt für den Durchtritt von flüssigem Helium II, Helium I oder gasförmigem Helium zur kurzzeitigen Erzeugung einer größeren Kälteleistung freigegeben werden. Auch in diesem Falle bleibt die Führung des Ventilstiftes 8 in der Ventilbuchse 7 erhalten. Durch die Ringnuten 23,24 in die die Ausnehmungen 21,22 einmünden, wird eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels über den inneren Umfang der Ventilteile erreicht» Dies bedingt auch eine gleichmäßige Zufuhr von Kältemittel in den Ringspalt, so daß eine zuverlässige Flüssigkeits- bzw₀ Gasschmierung des Ventils erreicht wird, welehe die Betriebs-

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sicherheit erhöht. Durch entsprechende Festlegung der Anzahl und des Querschnittsverlaufs der Ausnehmungen 21,22 kann der Durchtrittsquerschnitt des bis in den Bereich der austrittseitigen Ausnehmung (C-D) geöffneten Ventils dem jeweiligen Anwendungsfall optimal angepaßt werden.

Figur 7 zeigt eine Vorrichtung zur Tiefstkühlung, welche sowohl den im Kältemittelvorrat 2 liegenden Wärmetauscher 10 als auch einen zusätzlichen Wärmetauscher 25 in unmittelbarem Kontakt mit einem Kühlobjekt 26 aufweist. Das Abgasrohrsystem 9 verzweigt sich in zwei parallel geschaltete Abgasleitungen 27,28, welche getrennt evakuiert werden können. Dadurch ergibt sich d.Ve Möglichkeit einer Regelung/ in: zwei Regelsystemen, wobei das erste Regelsystem in der in Figur 1 dargestellten Anordnung von dem Fühler 18 im Kältemittelvorrat 2 ausgeht, während das zweite Regelsystem einen weiteren Temperaturfühler 29 an dem Kühlobjekt 26 in Verbindung mit einer Regeleinrichtung 30 aufweist die ein Vakuumventil 31 in der Abgasleitung 28 derart steuert, daß die Temperatur des Kühlobjektea 26 zusätzlich konstant gehalten wird.

Bei der vereinfachten Ausführungsform nach Figur 8 ist lediglich der Wärmetauscher 25 in Kontakt mit dem Kühlobjekt 26 vorgesehen. Hierbei erfolgt die Steuerung des Ventils 7,8 in Abhängigkeit von der mit dem Temperaturfühler

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ermittelten Objekttemperatür. Der wahlweise zur Steuerung des Ventils 7,8 benutzte Fühler 18 im Kältemittelvorrat 2 wird hier nur bei der Abkühlung und Füllung des Gesamtsystems verwendet.

Die Vorrichtung nach Figur 1 wird wie folgt betrieben: Im stationären Betrieb, d. h. nach Abkühlung des gesamten Systems von Raumtemperatur auf Heliumtemperatur, Auffüllung des Kältemittelvorrats und Einstellung einer Betriebstemperatur T< 2 K sind unterschiedliche Betriebsphasen möglich. In allen Fällen wird während des Betriebs das Abgasrohrsystem 9 über den Anschluß 11 an eine Vakuumpumpe angeschlossen oder zum Weltraum hin geöffnet, so daß über das Abgasrohrsystem kontinuierlich durch Verdampfung von Helium II Gas austritt, welches austrittseitig am Ventil 7,8 anfällt, wobei an dieser Stelle ein niedrigerer Druckwert als im Vorratsbehälter eingehalten wird. Ist dabei das Ventil eintrittseitig mit superfluidem Helium II überlagert,· so wird an dem Ringspalt des Ventils der thermomechanische Effekt wirksam, d. h. es kann keine Flüssigkeit durch das Ventil hindurchtreten, sondern es kann nur eine gewisse von der Druckdifferenz am Ventil'und'der Ringspaltlänge abhängige Heliummenge am Ende des Ringspaltes verdampfen.

Die im System zur Verfügung stehenden Kälteleistung die der Verdampfungswärme des verdampfenden Heliums II entspricht,

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kann in dieser Betriebsphase durch Verändern der Ringspaltlänge, d.h. durch Verschieben des Ventilstiftes 8 in der Ventilbuchse 7 sehr empfindlich geregelt werden. Infolge der extrem hohen Wärmeleitfähigkeit des Helium II verteilt sich eine von außen oder von dem zu kühlenden Objekt zugeführte Wärmemenge sofort gleichmäßig im Kältemittelvorrat, so daß dessen Temperatur über den Fühler 18 zur Steuerung des Ventils benutzt werden kann. Eine weitere Betriebsphase ergibt sich, wenn bei Helium II überlagertem Ventil eine höhere Kälteleistung erbracht werden muß, als dies maximal bei Ringspaltbetrieb unter Sperrung des Flüssigkeitsdurchtritts möglich ist. Nun kann das Ventil in den Ausführungsformen der Figuren 2 bis 6 in einem Einstellbereich oberhalb von 10/um Spaltweite geöffnet und dosiert soviel Flüssigkeit in das Abgasrohrsystera abgegeben werden, wie es der geforderten Kälteleistung entspricht. Diese Flüssigkeit verdampft vollständig im Wärmetauscher 10, der im Kältemittelvorrat 2 angeordnet ist. Dadurch können sowohl wechselnde als auch große Wärmebelastungen im Rahmen des vorgegebenen Kältemittelvorrats trägheitsarm ausgeglichen werden.

Bei der Bewegung der Vorrichtung, z. B. bei Start, Landung oder Zwischenbeschleunigung während Weltraummissionen in geeigneten Trä/?or3yatemen sowie vor allem bei abnehmendem Kältemittelvorrat kann die Flüssigkeitsüberlagerung des Ventils 7,8 kurzzeitig

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oder dauernd aufgehoben werden. Dieser Betriebszustand führt jedoch im Gegensatz zu den vorbekannten porösen Stopfen nicht zu Schwierigkeiten. Die Phasentrennung fin- · det in diesem Falle im Inneren des Vorratsbehälters statt^ und durch das über den 10/um Ringspaltbereich hinaus geöffnete Ventil 7,8 kann Heliumgas abgepumpt bzw. die infolge Filmfluß an das Ventil gelangende Flüssigkeit verdampft werden. Auch in diesem Betriebszustand läßt sich der Durchsatz von Gas- bzw. Flüssigkeit entsprechend der im System benötigten Kälteleistung zufriedenstellend regeln.

Dies gilt auch für die Betriebsphase , bei der· sich der Flüssigkeitsvorrat auf Temperaturen T>2,18 K erwärmt und dementsprechend aus normal flüssigem Helium I besteht. Auch für Helium I gestattet ein derartiges Ventil bei Öffnung über den Ringspaltbereich hinaus, die' Durchsatzregelung einer verdampfbaren Flüssigkeitsmenge und damit der Kälteleistung. Somit läßt sich eine unerwünschte Temperaturerhöhung, welche den Übergang des Helium II in den Bereich des normal flüssigen Hqliums I herbeiführt, durch ein© entsprechende Erhöhung der Kälteleistung, die über den Wärmetauscher 10 dem Kältemittelvorrat direkt zugeführt wird, wieder ausgleichen und die vorgegebene Solltemperatur im Bereich des Helium II wieder herstellen.

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Der Betrieb der Vorrichtung gemäß den Figuren 7 und 8 folgt den gleichen grundsätzlichen Betrachtungen! Hier sind lediglich Unterschiede der Abgasführung und der Anbringung der Wärmetauscher in Bezug auf das zu kühlende Objekt zu beachten.

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Claims

Dr.'lm Hubert Hvöööf _ A

Ansprüche

hy Vorrichtung zur Tiefstkühlung von Objekten, bei der' superfluides Helium II aus einem Vorratsbehälter über ein Drosselelement mit engem Durchlaß unter Ausnutzung der Absperrwirkung des thermomechanischen Effektes in ein evakuierbares Abgasrohrsystem verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement als Ventil mit einem Ventilelement ausgebildet ist, welches im Einstellbereich gegenüber einer Ventilbuchse einen Durchlaßspalt mit einer Spaltbreite unterhalb von 10/um und veränderbarer Spaltlänge aufweist, und daß der Veniildurohlaß durcji die einstellbare Spaltlänge steuerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß da.s Ventil einen zusätzlichen Einstellbereich oberhalb von 10/um bis zum geöffneten Durchlaß aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement ein zylinderförmiger Ventilstift (8) ist, der gegenüber der Ventilbuchse (7) eine Ringspaltbreite unterhalb von 10/um· aufweist und der in der Ventilbuchse axial verschiebbar gelagert ist.

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4t Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstift (8) in Verbindung mit der Ventilbuchse (7) so gestaltet ist, daß in einem Endabschnitt seines Bewegungsweges eine Durchlaßbreite größer 10 /um auftritt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (19) des Ventilstiftes konisch gestaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4_t dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Ventilstiftes wenigstens eine konisch gestaltete Ausnehmung (20) aufweist.

7t Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbuchse (7) wenigstens einseitig mit mindestens einer Ausnehmung (21,22) versehen ist, die in eine Ringnut ( 23,24) mündet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohrsystem mindestens einen Wärmetauscher (10) aufweist, der im Vorratsbehälter (2) derart angeordnet ist, daß er mit dem Kältemittelvorrat in Wärmeaustausch steht.

t Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wärmetauscher (25) des Abgasrohrsystems mit dem zu kühlenden Objekt (26). in Verbindung steht.

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10. Vorrichtung nach Patentanspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohrsystem (9) in Parallelschaltung mindestens einen Wärmetauscher (10) im Vorratsbehälter des Kältemittelvorrats und einen Wärmetauscher (25) in Verbindung mit dem Kühlobjekt (26) aufweist, und daß die Abgasleitungen (27,28) unterschiedlich evakuierbar sind.

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