DE2912227C2 - Dosier- und Entnahmevorrichtung als Verschluss von mit superfluidem Helium gefüllten Behältern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosier- und Entnahmevorrichtung als Verschluß von mit superfluidem Helium gefüllten Behältern, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 2. Diese Vorrichtung arbeitet als Phasentrenner zwischen superfluidem Helium und gasförmigem Helium. Superfluides Helium findet zum Beispiel Einsatz in der Raumfahrt zur Kühlung der verschiedensten Geräte. Mit einem Phasentrenner ausgerüstet sind derartige Behälter mit superfluidem Helium unabhängig von der Richtung und Größe der einwirkenden Schwerkraft und somit ist jederzeit ein definierter Heliummassenfluß möglich.

Bekannte Möglichkeiten zur Realisierung von Phasentrennern sind z. B. Stopfen aus porösen, keramischen Materialien oder gesinterten Metallen. Eine andere bekannte Möglichkeit besteht in der Verwendung von gerollten, eingeschrumpften Folien. Der Massenfluß erfolgt dabei in jedem Fall durch die Kapillaren des Stopfens. Bei allen vorstehend aufgezeigten Phasentrennern handelt es sich um passive Systeme, bei denen sich der Helium-Massenfluß und damit die Kälteleistung nicht ίο im erforderlichen Maß regeln läßt. Eine solche Regelung, ist aber unbedingt erforderlich, wenn sich die Wärmeverlustleistung der zu kühlenden Geräte im Laufe des Betriebs unter Umständen erheblich ändert

Es ist auch schon ein regelbarer Phasentrenner vorgeschlagen worden, der aus einer Buchse mit einem darin verschiebbaren Stift bestehL Dieser Stift weist zwei Abschnitte mit geringfügig verschiedenen Durchmessern auf, wobei der Abschnitt mit dem größeren Durchmesser zur Führung des Stiftes in der Buchse dient und dem Behälter zugeordnet ist. Der Abschnitt mit dem kleineren Durchmesser bildet zusammen mit der ihn umgebenden Buchse einen Ringspalt mit einer Spaltweite in der Größenordnung von 10 μπι, der auf die vom Behälter abgewandte Seite zeigt Die beiden Abschnitte sind durch einen Ringkanal voneinander getrennt, wobei dieser Ringkanal durch eine zentrale Bohrung im Führungsabschnitt des Stiftes mit dem Behälterinneren in Verbindung steht Über die Bohrung und den Ringkanal wird der oben erwähnte Ringspalt mit superfluidem Helium aus dem Behälter versorgt und das Helium kann über den Ringspalt in die Abgasleitung bzw. den Wärmetauscher entweichen. Die Regelung des Massenflusses erfolgt hierbei über eine einstellbare Länge des Ringspaltes, indem der Stift in Längsrichtung innerhalb der Buchse verschoben wird. Die Bohrung im Führungsteil des Stiftes kann außerdem auch noch zum Füllen des Behälters und als Sicherheitsventil dienen.

Dieser regelbare Phasentrenner hat den Nachteil, daß bei den im Betrieb vorkommenden geringen Druckdifferenzen über den Phasentrenner von wenigen mbar die axiale Länge des Ringspaltes im Bereich von wenigen Millimetern liegen muß, um die erforderlichen unterschiedlicher. Kühlleistungen abzudecken. Dieser Umstand macht eine sehr feine Teilung der Regelstrecke und eine Verstellbewegung des Stiftes im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters erforderlich. Dadurch wächst aber der Aufwand für den Antrieb und die Positionsmessung des Stiftes erheblich. Außer dem Nachteil des baulichen Aufwandes kommt noch ein Sicherheitsaspekt hinzu, denn eine Verschmutzung des Stiftes, insbesonderes des Ringspaltes, kann zu einem Verklemmen und damit gegebenenfalls zu einem Ausfall des gesamten Systems führen.

Es sind Drehverschlüsse für Flüssigkeits- oder Pastenbehälter bekannt, bei denen zwei aufeinander liegende und relativ zueinander verdrehbare Teile mit exzentrisch angeordneten Durchlässen versehen sind, wodurch öffnungen ganz oder teilweise freigegeben werden (US-PS 23 11 708 und BE-PS 4 95 968).

Diese sind jedoch nur für Haushaltsanwendungen oder einfache industrielle Anwendungen geeignet. Sie eignen sich nicht für normal- oder gar superfluides Helium.

Die Schwierigkeiten, superfluides Helium fein dosiert und geregelt ausfließen zu lassen, sind erheblich und nicht mit den oben genannten Vorrichtungen zu lösen, die sich auf das Durchlassen und Absperren von gebräuchlichen Flüssigkeiten wie z. B. Wasser oder zähen

Pasten, beziehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dosier- und Entnahmevorrichtung als Verschluß von mit superfiuidem Helium gefüllten Behältern zu schaffen, die eine feingeteilte Regelstrecke vermeidet und bei 5 einfachem Bewegungsvorgang einen großen Stellweg zur Verfügung hat und außerdem geringe Anforderungen an die Positionierung stellt, das heißt, keinen großen Aufwand für die genaue Messung der jeweiligen Einstellung benötigt

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 2.

Die Verstellung der verdrehbaren Scheibe kann durch einen Schrittmotor auf einfache Weise in sehr genauen Schritten erfolgen, ohne besondere Einstellmessungen vornehmen zu müssen. Der definierte Abstand zwischen den beiden polierten Scheiben übernimmt je nach der Rauhigkeit der Oberfläche unterschiedliche Aufgaben. Liegt die Rauhigkeit '"i der Größenordnung von 10 bis 15 μπι, so übernimmt der Scheibenabstand die Rolle des oben erwähnten Ringspaltes. Er ermöglicht damit den Austritt des superfluiden Heliums aus dem Behälter durch den einen Durchlaß, den erwähnten Spalt und anschließend durch den Durchlaß der anderen Scheibe hindurch zur Weiterleitung. Gemaß einer nebengeordneten Ausbildung der Erfindung können bei hochpolierten Scheiben mit einer Rauhigkeit von weniger als etwa 2 μπι die beiden direkt aufeinanderliegenden Oberflächen die Abdichtung übernehmen, wobei zur besser kontrollierten Austrittsregelung des Heliums in der Oberfläche einer der Scheiben von dem in dieser Scheibe angebrachten Durchlaß ausgehend Kapillarrillen angeordnet sind. In jedem Falle wird durch Relatiwerdrehung der beiden Scheiben, d.h. durch Abstandsvergrößerung der jeweiligen Bohrungen, eine Regelung für den Massenfluß bewirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Grundprinzip in perspektivischer Ansicht, F i g. 2 einen Axialschnitt von F i g. 1, F i g. 3 einen Axialschnitt in abgewandelter Form,

Fig. 4—6 schematische Draufsichten mit verschiedenen Anordnungen der Durchlässe und

Fig. 7—9 schematische Draufsichten mit verschiedenen Anordnungen von Kapillarrillen.

Zunächst sei anhand der F i g. 1 und 2 der Aufbau schematisch erläutert, ohne dabei auf die Dimensionen und die konstruktive Ausbildung Rücksicht zu nehmen. Vielerlei konstruktive Formen sind für die Ausbildung des Phasentrenners möglich. Der Phasentrenner besteht im wesentlichen aus zwei Scheiben 51 und 52, deren einander zugewandte Oberflächen poliert sind. Durch die Rauhigkeit der Oberflächen wird ein Abstand ö zwischen den beiden Scheiben gebildet. An der unteren Scheibe 51 ist eine Wand Γ angedeutet, die die Scheibe 51 trägt und außerdem das Behälterinnere B vom Außenraum trennt. Die Scheibe 52 ist oberhalb der Scheibe 51 relativ zu ihr verdrehbar angeordnet Dies ist durch den Pfeil um die strichpunktiert eingezeichnete Drehachse angedeutet. In jeder der Scheiben ist ein Durchlaß, z. B. eine Bohrung, vorgesehen. Die Bohrung in der Scheibe 51 ist mit D1 und die Bohrung in der Scheibe 52 mit D 2 bezeichnet. Beide Bohrungen sind im Abstand E von der Drehachse exzentrisch angeordnet. Auf diese Weise können die beiden Bohrungen D 1 und D 2 auf einer Kreisbahn in unterschiedliche Abstände voneinander gebracht werden. Als Sonderfall sei darauf hingewiesen, daß die beiden Bohrungen D1 und D 2 in der in F i g. 3 gestrichelt eingezeichneten Stellung voll zur Deckung gebracht werden können. Ferner sei darauf hingewiesen, daß die beiden Bohrungen D1 und D 2 mit unterschiedlicher Exzentrizität angeordnet sein können, so daß sie nur teilweise oder evtl. gar nicht zur Deckung zu bringen sind.

In der F i g. 2 ist eine Rauhigkeit der polierten Oberflächen von der Größe angenommen, daß ein Spalt in der Größenordnung von etwa 10 μπι entsteht, oder daß bei geringerer Rauhigkeit durch einen Dichtring A am Scheibenrand ein definierter Abstand al von der gleichen Größenordnung, z. B. etwa von 10 bis 15 μπι, gebildet wird, so daß das Helium aus dem Behälterinneren B in Pfeilrichtung durch die Bohrung D 1, den Abstand ö\ und die Bohrung D 2 in Pfeilrichtung austreten kann. Selbstverständlich ist es möglich, nicht nur einen Durchlaß pro Scheibe, sondern evtl. auch mehrere Durchlässe vorzusehen. Es besteht hier große Freiheit in der konstruktiven Ausgestaltung. Auch in der Wahl des Materials für die Scheibe 51 und 52 besteht Freiheit, z. B. ist dichtes Material verwendbar oder es kann wenigstens eine der beiden Scheiben aus porösem Material bestehen. Bei der Verwendung von porösem Material erreicht man, daß ein ständiger Grund-Massenfluß vorhanden ist, der in manchen Verwendungsfällen notwendig sein kann und etwa eine erforderliche Mindestkühlung sicherstellt Von diesem Grund-Massenfluß aus ist dann je nach Bedarf der zusätzliche Massenfluß regelbar.

Die Verstellung bzw. Verdrehung der einen Scheibe ist in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt. Sie kann in beliebiger und an sich bekannter Weise erfolgen, z. B. mittels eines Schrittmotors. Eine besonders feine Verdrehmöglichkeit bietet die Verwendung eines Schrittmotors mit einer Taumelscheibe. Auf diese Weise ist eine genaue Positionierung ohne umständliche Messung möglich. Die Verdrehung kann automatisch, z. B. in Abhängigkeit von der jeweils erforderlichen Kühlleistung oder auch in Abhängigkeit von der Behältertemperatur erfolgen.

Die F i g. 3 entspricht in ihrem Aufbau der F i g. 2 mit dem Unterschied, daß hier eine hochpolierte Oberfläche mit viel geringerer Rauhigkeit angenommen ist. Die Oberflächen der Seiten 51 und 52 liegen hier unmittelbar aufeinander. Der Abstand 02 ist kleiner als 2 μίτι angenommen. Zwischen den Oberflächen der beiden Scheiben besteht hier Dichtwirkung, so daß, falls die beiden Bohrungen D1 und D 2 nicht fluchtend in Dekkung stehen, kein Massenfluß möglich ist. Um dennoch einen Massenfluß zu erhalten, ist in die Oberfläche der Scheibe 51 von der Bohrung D1 ausgehend eine Kapillarrille R eingebracht. Der Massenfluß erfolgt nun auf dem Wege vom Behälterinneren B durch die Bohrung Di, Kapillarrille R und Bohrung D 2 in Pfeilrichtung zum Außenraum. Maßgeblich für den Massenfluß ist außer der Länge der Kapillarrille R auch deren Querschnittsfläche. Es ist leicht einzusehen, daß mit Hilfe von Kapillarrillen unterschiedlicher Länge und unterschiedlicher Querschnittsfläche der Massenfluß regelbar ist. In Fi g. 3 ist gestrichelt eine Stellung für die Bohrung D 2 eingezeichnet, in der sie fluchtend in Deckung mit der Bohrung D1 steht. In dieser Stellung dient die Anordnung 7um Füllen des Behälters B oder auch als Sicherheitsventil.

Die F i g. 4 und 5 basieren im wesentlichen auf F i g. 2. Sie zeigen eine Draufsicht auf die Scheiben. Da die Bohrung D 1 in der unteren Scheibe liegt und nicht direkt sichtbar ist, ist sie hier gestrichelt eingezeichnet. Die

Bohrung D 2 in der oberen Scheibe ist auf dem gestrichelt eingezeichneten Verstellkreis in Richtung des Doppelpfeiles verdrehbar. Auf diese Weise sind Abstandsänderungen zwischen den beiden Bohrungen D 1 und D 2 möglich. Die Abstandsänderung ist durch die Länge L 1 bzw. L 2 der Abstandspfeile zwischen den beiden Bohrungen angedeutet. Der Massenfluß findet hier mehr oder weniger im ganzen Zwischenraum όί zwischen den Scheiben S 1 und S 2 statt. Maßgeblich ist dabei außer dem Abstandsmaß ö\ noch die Länge L 1 bzw. L 2.

Die Fig. 6 nimmt ausgehend von Fig. 3 zwei dicht aufeinanderliegende Scheiben an. In der unteren Scheibe ist wieder eine Bohrung D 1 angenommen, während auf der oberen Scheibe drei Bohrungen D 2, D 2a und D 2b angenommen sind. Jede der drei Bohrungen D 2, D 2a oder D 2b kann mit der unteren Bohrung Di durch Verdrehen der Scheibe in Deckung gebracht werden. Es sei zunächst angenommen, daß der Durchlaß D 2 eine glatte Bohrung sei, so daß bei Deckung mit der Bohrung D 1 eine Füllmöglichkeit für den Behälter besteht, wie oben angedeutet. Für die Bohrung D 2a sei angenommen, daß sie durch ein poröses Material mit bestimmter Kapillarengröße ausgefüllt sei. Wird diese Bohrung zur Deckung mit der Bohrung D 1 gebracht, so steht ein der Porosität entsprechender Massenfluß zur Verfügung. Wird nun weiter angenommen, daß die Bohrung D 2b mit einem anderen porösen Material gefüllt ist, so ergibt sich für diese Bohrung in Deckung mit der Bohrung D 1 ein anderer Massenfluß. Es ist also möglieh, durch Verwenden von Material unterschiedlicher Porosität stufenweise den Massenfluß aus dem Behälterinneren zu regeln.

Eine Abwandlung dieses Prinzips ist in F i g. 6 bei den Bohrungen D 2' aufgezeigt. Hier sind drei Bohrungen D 2' mit unterschiedlicher Exzentrizität vorgesehen, so daß sie sich nur teilweise in mehr oder weniger großem Umfang mit der Bohrung D 1 zur Deckung bringen lassen. Wenn alle Bohrungen D 2' mit gleichem porösem Material ausgefüllt sind, so ist hier der Massenfluß dadurch einstellbar, daß je nach der Exzentrizität der Bohrungen D 2' ein mehr oder weniger großer Querschnitt von Bohrung D 1 und Bohrung D 2' wirksam zur Dekkung gebracht werden kann. Auch hier ist der Massennuß stufenweise regelbar.

In den F i g. 7 bis 9 sind verschiedene Möglichkeiten zur Regelung des Massenflusses mit Hilfe von Kapillarrillen R in der Oberfläche einer Scheibe aufgezeigt. In allen hier beispielsweise dargestellten Fällen sind die Rillen R als von der Bohrung D 1 ausgehend angenommen. Vorweg sei allgemein bemerkt, daß die Rillentiefe etwa im Bereich zwischen 2 und 15 μίτι liegen soll. Um einen wirksamen Querschnitt zu erhalten, kann die Rillenbreite unterschiedlich gewählt werden oder es können mehrere äquidistant angeordnete Rillen zu einem Rillenfeld zusammengefaßt sein und mit der Austrittsbohrung D 2 in Verbindung stehen. Gegebenenfalls kann auch eine Rille mit über ihre Länge sich ändernder Querschnittsfläche vorgesehen werden.

In der F i g. 7 sind kreisbogenförmige Rillen R von der Bohrung D1 ausgehend eingezeichnet Sie folgen dem Verlauf des Verdrehkreises K der Bohrung D 2. Die Kapillarrillen sind hier unterschiedlich lang. Dadurch werden je nach der Stellung der Bohrung D 2 nur eine oder mehrere Rillen R gemeinsam wirken. Außerdem besteht natürlich Abhängigkeit von der eingestellten Länge des Kreisbogens zwischen den Bohrungen D1 und D 2,

Die F i g. 8 zeigt die Kapillarrillen R fächerförmig von der Bohrung D 1 ausgehend. Alle Kapillarrillen R enden auf dem Verdrehkreis K der verdrehbaren Bohrung D 2. Die Wirksamkeit der Rillenlänge entspricht in etwa der Ausgestaltung der Fig. 4 und 5. Außerdem ist in der Fig. 8 noch angedeutet, daß mehrere Rillen R parallel laufend angeordnet sein können. Auf diese Weise wird der wirksame Querschnitt vergrößert. Auch mit dieser Möglichkeit läßt sich der Massenfluß regeln.

In der Fig. 9 sind die Bohrungen Di und D2 mit unterschiedlicher Exzentrizität angenommen. Hier im Ausführungsbeispiel ist sogar als Extremfall angenommen, daß die Exzentrizität der Durchlaßbohrung der unteren Scheibe zu Null geworden ist und die Bohrung DV zentrisch in der Scheibe liegt. Von der Bohrung DV ausgehend verlaufen Kapillarrillen R strahlenförmig bis zum gestrichelt eingezeichneten Verstellkreis K der verdrehbaren Bohrung D 2. Das Rillenfeld ist so ausgebildet, daß die Kapillarrillen z. B. bei einer Verdrehung der Bohrung D 2 im Uhrzeigersinn mit zunehmender Dichte angeordnet sind. Wird die Bohrung D 2 auf dem Verstellkreis K verschoben, so werden je nach Einstellung mehr oder weniger Rillen mit der Bohrung D 2 wirksam verbunden und auf diese Weise eine Regelung des Massenflusses erreicht.

Die in der Zeichnung dargestellten Möglichkeiten stellen keine Beschränkung für den Erfindungsgegenstand dar, sondern lassen sich je nach den Erfordernissen abwandeln und dabei beliebig kombinieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Dosier- und Entnahmevorrichtung als Verschluß von mit superfluidem Helium gefüllten Behältern, wobei zwei aufeinanderliegende und relativ zueinander verdrehbare Scheiben mit jeweils mindestens einem exentrisch angeordneten, zur Scheibenachse parallelen Durchlaß versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchflußregelung die Scheiben (Si, S2) hochpolierte Oberflächen mit einer Rauhigkeit in der Größenordnung von ΙΟμίτι aufweisen.

2. Dosier- und Entnahmevorrichtung ais Verschluß von mit superfluidem Helium gefüllten Behältern, wobei zwei aufeinanderliegende und relativ zueinander verdrehbare Scheiben mit jeweils mindestens einem exzentrisch angeordneten, zur Scheibenachse parallelen Durchlaß versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchflußregelung die Scheiben (Si, S2) hochpolierte und eine Dichtwirkung gegenüber superfluidem Helium gewährleistende Oberflächen mit einer Rauhigkeit bis etwa 2 μπι aufweisen, in denen Kapillarrillen (R) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrillen (R) fächerförmig angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrillen (R) sich entlang des von dem Durchlaß (D 2) der verdrehbaren Scheibe beschriebenen Kreises (K) erstrecken.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch äquidistante Anordnungen mehrerer Kapillarrillen (R).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kapillarrillen (R) unterschiedliche Länge aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß die Kapillarrillen (R) auf dem von dem Durchlaß (D 2) der verdrehbaren Scheibe beschriebenen Kreis Senden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kapillarrillen (R) unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Scheiben (Si, S2) zumindest teilweise aus porösem Grundmaterial besteht, oder daß die einzelnen Durchlässe (D 2, D 2a, D 2b) einer Scheibe mit unterschiedlichem porösem Material ausgefüllt sind.