DE3406859C1

DE3406859C1 - Vorrichtung zur Tiefstkühlung von Objekten

Info

Publication number: DE3406859C1
Application number: DE3406859A
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl.-Ing. 8011 Siegertsbrunn Seidel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-02-25
Filing date: 1984-02-25
Publication date: 1985-04-04

Description

Wird nun im Falle einer Raumfahrtanwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die somit übliche Vakuumpumpe fortfallen soll, bei der letzten Betankung während der Startvorbereitungen der Vorratsbehälter für Helium II etwas unter seine normale Betriebstemperatur, z. B. auf 1,5 K statt 1,6 K abgekühlt, dann werden nach der Betankung die Ventile für den Vorratsbehälter geschlossen und der Zusatztank über sein Füllventil vollständig mit normalem flüssigem Helium l gefüllt Beim Vorhandensein einer Kühleinrichtung für ein Meßobjekt kann auch dieser Kühler noch mit Helium I überflutet werden. Nach dem Füllvorgang wird das Füllventil geschlossen und das im Zusatztank verdampfende Helium I kühlt die Strahlungsschilde. Das Volumen des Zusatztanks wird so bemessen, daß der Vorrat an Helium I für die Zeit vor der letzten Betankung bis zum Aufstieg des Raumfahrzeuges gut ausreicht. Während der Wartezeit bis zum Start ist der Temperaturanstieg im Vorratsbehälter für Helium 11 wegen der vorstehend beschriebenen geringen Temperaturdifferenz zwischen dem innersten Strahlungsschild von etwa 3,4 K nur sehr geringfügig und bleibt deshalb deutlich unter der Temperatur von 2,17 K, bei der das superfluide Helium II in das normale Helium I übergeht. Während des Aufstieges verdampft der noch im Zusatztank befindliche Rest an Helium I wegen des absinkenden Außendruckes sehr schnelL Wenn der Außendruck unter dem Betriebsdruck des Vorratsbehälters für Helium 11 gesunken ist, können dessen Betriebsventile geöffnet werden und die Vorrichtung geht in ihren Normalbetriebszustand über.
Der somit benötigte Zusatztank ist klein gegenüber dem Vorratsbehälter für Helium II und seine zusätzliche Masse klein gegenüber der eingesparten Vakuumpumpe einschließlich der sonst noch erforderlichen Rohrverbindungen und Ventile.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich bei Kühlvorrichtungen, mit denen optische Meßobjekte gekühlt werden sollen. Bei der ersten Abkühlphase wird dabei erst der Zusatztank bei geschlossenen Ventilen für den Vorratsbehälter gefüllt. Durch das im Zusatztank verdampfende Helium I werden der Kühler für das optische Meßobjekt und die Strahlungsschilde vorab abgekühlt, wodurch alle trotz Evakuierung innerhalb des Vakuummantels noch befindliche kondensierbaren Gase, wie z. B. H20, N2, q, CnHx, ausgefroren werden.
Es wird somit eine Verunreinigung der empfindlichen optischen Oberflächen des Meßobjektes verhindert.
In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Tiefstkühlung 1 mit einem Vorratsbehälter 2 für superfluides Helium II, der von drei Strahlungsschilden 3, 4 und 5 sowie von einem Vakuummantel 6 umgeben ist. In bzw. an dem innersten Strahlungsschild 3 ist ein Zusatztank 7 für normales flüssiges Helium I eingebaut, der den Vorratsbehälter 2 umgibt. Der letztere ist als Ringbehälter ausgeführt, in dem eine Montageplatte 8 für nicht dargestellte Meßinstrumente eingebaut ist. Oberhalb der Montageplatte 8 ist eine Streulichtblende 9 vorhanden, die von einem gesonderten Kühler 10 umgeben ist. Innerhalb des Vorratsbehälters 2 ist ein aus einem Ventil 11 und einem Wärmetauscher 12 bestehender aktiver Phasentrenner üblicher Bauart dargestellt. Die Strahlungsschilde 3, 4 und 5 werden durch Wärmetauscher 13, 14 und 15 gekühlt. Eine Einfülleitung 16 führt über ein Ventil 17 und einen Gasabscheider 18 zum Vorratsbehälter 2 sowie über ein Ventil 19 zum Zusatztank 7. Weiterhin ist der Wärmetauscher 12 des aktiven Phasentrenners über ein Ventil 21 mit dem Kühler 10 für die Streulichtblende 9 und der Vorratsbehälter 2 mit einer die Wärmetauscher 13, 14 und 15 durchlaufenden Abgasleitung 22 über ein Ventil 23 verbunden. Die Abgasleitung 22 führt je nach Betriebsart ins Freie oder zu einer nicht dargestellten Vakuumpumpe. Eine zwischen dem Zusatztank 7 und dem Kühler 10 befindliche Leitung 24 mündet nach Austritt aus dem Kühler 10 in die Abgasleitung 22.
Um die auf etwa 1O-4 mbar evakuierte Vorrichtung 1 für eine begrenzte Zeit im autonomen Betrieb arbeiten zu lassen, wird nach dem Schließen der Ventile 17, 21 und 23 das Ventil 19 geöffnet und der Zusatztank 7 über die Leitung 16 mit normalem flüssigem Helium I von einer Temperatur von etwa 4 K gefüllt. Zusätzlich kann dabei auch über die Leitung 24 der Kühler 10 aufgefüllt werden. Das mit geringem Überdruck eingefüllte Helium I kühlt über die Wärmetauscher 13, 14 und 15 die Strahlungsschilde 3, 4 und 5 und dampft über die Leitung 22 gegen die Atmosphäre ab. Beim Erreichen einer vorgegebenen Temperatur wird das Ventil 19 geschlossen und nach Öffnen des Ventils 17 in den Vorratsbehälter 2 superfluides Helium II von 1,5 K erzeugt bzw.
nachgefüllt. Beim Erreichen der Betriebstemperatur haben der Zusatztank und der innerste Strahlungsschild 3 eine Temperatur von etwa 5 K, so daß nur ein äußerst geringer Wärmeaustausch zum Vorratsbehälter 2 stattfinden kann. Nach dem Schließen des Ventils 17 sorgt das aus dem Zusatztank 7 abdampfende Helium 1 eine im voraus zu berechnende Zeit für die Kühlung der Strahlungsschilde 3,4 und 5 und damit für die Aufrechterhaltung des Betriebszustandes. Ist die Vorrichtung 1 in einem Raumfahrzeug eingebaut, verdampft das Helium I während der Aufstiegsphase sehr schnell, weil der Außendruck stetig absinkt. Sinkt der Außendruck beim weiteren Aufstieg des Raumfahrzeuges unter den Betriebsdruck des im Vorratsbehälter 2 befindlichen superfluiden Heliums 11, der z. B. bei 1,8 K 16,6 mbar beträgt, können die Ventile 11 und 21 geöffnet werden, wodurch die Vorrichtung 1 in ihren Normalbetriebszustand übergeht und die weitere Kühlung nur noch durch Verdampfen des Heliums II erfolgt.
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Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Tiefstkühlung von Objekten mit superfluidem Helium II als Kühlmittel, bei der der Vorratsbehälter für das Helium II von durch verdampfendes Abgas gekühlte Strahlungsschilder und einem Vakuummantel umgeben ist, d a d u r c h g e -kennzeichnet, daß ein den Vorratsbehälter (2) umgebender Zusatztank (7) mit normalem flüssigem Helium I in den innersten Strahlungsschild (3) eingebaut ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Zusatztank (7) abdampfendes Heliumgas nachgeschaltete Wärmetauscher (10, 13, 14, 15), wie z. B. für eine Streulichtblende (9) und für die Strahlungsschilde (3,4,5) durchströmt.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes des Zusatztanks (7) der Vorratsbehälter (2) für Helium II durch seine Ventile (17, 21, 23) abgesperrt ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Zusatztanks (7) klein gegenüber dem Volumen des Vorratsbehälters (2) für Helium II ist
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatztank (7) ein gesondertes Füllventil (19) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung des Zusatztanks (7) während der Abkühlung der gesamten Vorrichtung (1) vor der Füllung des Vorratsbehälters (2) für das Helium II erfolgt Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Vorrichtungen dieser Art mit superfluidem Helium II, mit denen Objekte bei Temperaturen von etwa 1,6 bis 1,8 K gekühlt werden können, sind bereits mehrfach für terristische und extraterristische Anwendungen bekannt (siehe z. B. DE-AS 28 06 829). Es kann mit ihnen z. B. bei optischen Einrichtungen, wie Teleskope, Spiegel, Streulichtblenden und ihren zugehörigen Meßgeräten die Hintergrundstrahlung (Rauschen) unterdrückt und die Meßempfindlichkeit wesentlich erhöht werden. Zum Betrieb dieser bekannten Kühlvorrichtungen, solange sie sich auf der Erde befinden, muß das Helium mit einer Vakuumpumpe abgesaugt, d. h. gegen den atmosphärischen Druck von 1 bar gefördert werden. Die Vorrichtungen sind sehr sorgfältig wärmeisoliert und innerhalb des Vakuummantels auf < 10-4 mbar evakuiert und die abgasgekühlten Strahlungsschilder sind zusätzlich mit einer Vielschichtisolation versehen. Die trotz der Isolation ständig von außen in den Vorratsbehälter für Helium II eindringende Wärme verursacht eine ständige Verdampfung des Heliums, wobei das verdampfende Abgas auf der Erde abgesaugt wird und die Strahlungsschilde kiihlt. Im Weltraum ist jedoch keine Pumpe erforderlich, da der Außendruck kleiner als der Helium 1I-Dampfdruck im Vorratsbehälter ist. Bei Raumfahrtanwendungen verursacht die Notwendigkeit des Mitführens der Vakuum-Pumpe erhebliche Schwierigkeiten hinsichtlich des Platzbedarfs des Gewichts und der Stromversorgung.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine begrenzte Zeit ohne Vakuumpumpe arbeiten kann. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Erläuterung der Vorteile der Erfindung gegenüber normalbetriebenen Vorrichtungen ohne Zusatztank sollen nachfolgend deren übliche Betriebstemperaturen aufgeführt werden. Bei einer Temperatur des superfluiden Helium II im Vorratsbehälter von 1,6 K befinden sich die z.B. drei abgasgekühlten Strahlungsschilde, vom innersten beginnend, auf Temperaturen von 40-60 K, 120-150 K und 200-220 K. Das bedeutet, daß vom innersten Schild wegen der Temperaturdifferenz gegenüber dem Vorratsbehälter von etwa 50 K Wärme durch Leitung (Tankaufhängung, Rohre, Kabel) und Strahlung auf das superfluide Helium II übertragen wird. Diese Wärme verursacht die Verdampfungsrate des Helium II, welche durch die Vakuumpumpe abgesaugt werden muß. Demgegenüber kann mit der der Erfindung zugrundeliegenden Vorrichtung die Temperaturdifferenz zwischen dem innersten Strahlungsschild und dem Vorratsbehälter um ein Vielfaches geringer gehalten werden. Bei einer Siedetemperatur des normalen Helium I bei 1 bar von 4,2 K kann erfindungsgemäß der den Vorratsbehälter für Helium II umgebende Zusatztank in dem innersten Strahlungsschild auf eine mittlere Temperatur von 5 K gehalten werden. Dadurch ist die vorstehend erläuterte Temperaturdifferenz nur etwa 3,4 K und somit die vom innersten Strahlungsschild auf den Vorratsbehälter übertragene Wärme gegenüber den bekannten Ausführungen auf etwa nachfolgende Restbeträge reduziert: 7% der Wärmeleitung und 0,01 0/o der Wärmestrahlung.

Das vom Zusatztank mit leichtem Überdruck gegen die Atmosphäre abdampfende Helium l kühlt die nachgeschalteten Strahlungsschilder und im besonderen Fall einer Kühleinrichtung für ein Meßobjekt auch dessen Kühler.