DE3417055A1 - Helium-ii-phasentrenner - Google Patents
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Description
341705
MBB
9502
Patentabteilung
Helium-II-Phasentrenner
Die Erfindung betrifft einen Helium-II-Phasentrenner mit spaltförmigen Durchlaßkanälen zur Ausnutzung des
thermomechanisehen Effektes.
Eine Einrichtung zur Phasentrennung von Helium-II, insbesondere
im schwerelosen Zustand, ist u.a. von H.D. Denner et al, Freie Universität Berlin, im Forschungsbericht
W-79-47, Dezember 1979, beschrieben. Zur Trennung von superfluidem Helium (Hell) von der Gasphase
wird dabei der thermomechanisehe Effekt (Fontäneneffekt)
ausgenutzt. Dieser Effekt äußert sich bei zwei durch ein Kapillarsystem verbundenen Flüssigkeitsbehältern durch
^5 Ansteigen des Niveaus auf der wärmeren Seite. Dieser
Effekt ist auch wirksam, wenn sich auf der einen Seite des Kapillarsystems Heliumgas befindet. Ist die Temperatur
des Flüssigkeitsbades größer als die Temperatur des Kapillarsystems auf der Seite der Gasphase, so kann die
Flüssigkeit bei geeigneter Wahl der Randbedingungen aufgrund des thermomechanisehen Effektes das Kapillarsystem
nicht passieren, da die zugehörige Kraft entgegengesetzt zum Temperaturgefälle, also von der Austrittssseite zum
Flüssigkeitsbad hin, gerichtet ist. Hierauf beruht die Anwendbarkeit eines derartigen Systems als Phasentrenner
für Helium-II. Die niedrigere Temperatur der Austrittsseite wird durch Druckerniedrigung, z.B. durch Abpumpen,
erreicht, die zur Kühlung durch Verdampfen von Flüssigkeit führt. Bei Weltraumbedingungen genügt hierzu lediglich
ein Drosselventil in/der Abgasleitung, durch welches das Heliumgas in den Weltraum (Vakuum) ausströmt.
Ein bekanntes Kapillarsystem, das zur Erzeugung des thermomechanischen Effektes geeignet ist, besteht im
wesentlichen aus einem Stopfen aus eng gewickelter Aluminiumfolie mit spiralförmiger Durchlaßöffnung, der
in eine Halterung aus gut wärmeleitendem Material eingesetzt
und mit dieser an das Abgassystem angeschlossen ist. Bei einem derartigen Stopfen entsteht jedoch
durch den Wickelvorgang genau genommen nicht nur eine Durchlaßöffnung, sondern eine Vielzahl unregelmäßiger,
in einer Spirale nebeneinanderliegender spaltförmiger Durchlaßöffnungen. Die Wickelspannung muß dabei so
eingestellt sein, daß die größte Durchlaßöffnung maximal eine Spaltdicke von ca. 10 μπι aufweist, da sonst
der thermomechanische Effekt nicht auftritt und f lüssigesfeelium
austreten würde. Durchlaßöffnungen dieser Art lassen sich nicht reproduzierbar herstellen, so
daß stets eine Vielzahl derartiger Stopfen hergestellt und im Versuch auf Brauchbarkeit erprobt werden muß.
Aus der o.g. Literaturstelle ist weiterhin bekannt, daß
der thermomechanische Effekt auch in engen Ringspalten wirksam ist, deren Spaltweite ca. 10 μΐη oder weniger
beträgt. In Experimenten wurde jedoch gezeigt, daß bei ausschließlicher Nutzung des thermomechanischen Effektes
zur Phasentrennung der Heliumdurchsatz durch einen engen Ringspalt vergleichsweise gering ist. Das würde
z.B. im Falle eines für Weltraumexperimente typischen Heliumdurchsatzes von ca. 45 mg/sec einen Ringspalt
mit einem Durchmesser von ca. 0,8 m bei einer Spaltweite
von ca. 10 μΐη erfordern. Derartige Ringspalte sind jedoch kaum herstellbar und für die Anwendung in
Raumflugkörpern ungeeignet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Helium-II-Phasentrenner
der obengenannten Art zu schaffen, der reproduzierbar herstellbar und für die Anwendung in
Raumflugkörpern geeignet ist.
Diese Aufgabe erfüllt ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeter Helium-II-Phasentrenner.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier, in den Figuren teilweise schematisch dargestellter
Ausführungsbeispiele beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht bzw. einen Längsschnitt durch einen Helium-II-Phasentrenner aus übereinander
gestapelten, quadratischen Ringscheiben;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Helium-II-Phasentrenner gemäß Fig. 1;
15
15
Fig. 3 einen Helium-II-Phasentrenner mit zylindrischem Hohlkörper und achsparallelen Nuten;
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Helium-Il-Phasentrenner
gemäß Fig. 3 im Bereich einer Nut;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Helium-II-Phasentrenner gemäß Fig. 3 längs der Nut;
Fig. 6 eine Aufsicht auf einen Teilbereich eines
Helium-II-Phasentrenners gemäß Fig. 3 im Bereich
der Nut;
Fig. 7 die Anordnung eines Helium-II-Phasentrenners an einem Helium-II-Kyrostaten mit Durchsatzregelung.
Der in Fig. 1 dargestellte Phasentrenner weist im wesentlichen einen Tankflansch 1 zur Befestigung innerhalb
eines mit HeIium-II gefüllten Tankes eines Kyrostaten
auf. An der Stirnseite einer zylindrischen Verlängerung 1.1 des Tankflansches 1 ist ein Stapel aus gleichen
quadratischen Ringscheiben 2 mit jeweils dazwischen be-
findlichen Abstandsstücken 3 angeordnet. Dieser Stapel ist an dem in den Tank hineinragenden Ende mit
einer Abdeckscheibe 4 dicht verschlossen und wird zusammen mit dieser Abdeckscheibe durch Zuganker 5 unter
5
elastischer Vorspannung an dem Flansch 1 befestigt. Im Innern des durch den Ringscheibenstapel und die
Abdeckscheibe 4 entstandenen Hohlraumes (s. Fig. 2) ist ein mit der Abdeckscheibe 4 verbundener Verdrängungskörper
6 befestigt, der zwischen sich und dem Innenrand jeder Ringscheibe, sowie zum Flansch 1 einen
topfförmigen Spalt 7 freiläßt. Dieser topfförmige Spalt 7 steht mit einer durch den Flansch 1 geführten
Abgasleitung 8 in Verbindung, welche um die zylindrische Verlängerung 1.1 des Flansches 1 und den Ring-
° Scheibenstapel herumgewickelt und somit als Wärmetauscher ausgebildet ist, bis sie in einem zentralen Auslaß
1.2 des Flansches 1 endet.
Die Spaltweite zwischen den Scheiben^beträgt ca. 10 μΐη;
u sie kann zwischen 5 und 15 um liegen, wobei dieser
Abstand für die zeichnerische Darstellung um das etwa 200-fache überhöht wurde. Die Oberflächengüte der
Ringscheiben 2 ist besonders hoch; die Oberflächenwelligkeit sollte <1 um betragen.
Bei einer Außenabmessung der Scheiben 2 von 50 mm, einer durch die Abstandsstücke 3 begrenzten Kanalbreite
von 30 mm und einer Strömungskanallänge von 10 mm im Spalt würden für den eingangs erwähnten He-Durchsatz
von 45 mg/sec bei dieser Ausfuhrungsform
° 21 übereinandergestapelte Scheiben erforderlich sein,
was bei einer angenommenen Scheibendicke von 2 mm eine Höhe des gesamten Scheibenpaketes von nur ca.
42 mm ergibt.
Die Funktionsweise dieses Phasentrenners ist bereits aus seinem Aufbau erkennbar:
9502
Zwischen je zwei benachbarten Ringscheiben 2, die in den Ecken quadratische Abstandshalter 3 aufweisen, entstehen
vier spaltförmige Durchlaßkanäle, in denen Helium ausschließlich in einer zweidimensionalen Strömung fließen
kann. Die Dicke jedes Durchlaßkanales ist gleich und so bemessen, daß bei geeigneten Randbedingungen der thermomechanische
Effekt auftritt, aufgrund dessen superfluides Helium (Helium-II) am Durchtritt durch die spaltförmigen
Kanäle gehindert wird. In dem topfförmigen Sammelspalt 7 strömt daher nur noch gasförmiges Helium,
welches über die Abgasleitung 8 abgezogen wird. Über die im^eiteren als Wärmetauscher ausgebildete Abgasleitung
8 wird die im Heliumgas noch vorhandene Restkälte ausgenutzt.
Der in Fig. 3 dargestellte Helium-II-Phasentrenner besteht
aus einem zylindrischen Hohlkörper 9, der, ähnlich wie die aufeinandergestapelten Ringscheiben des Phasentrenners
gemäß Fig. 1,an einem nicht dargestellten Flansch mit zentraler Abgasleitung befestigt ist. Der
Hohlkörper 9 weist verteilt auf seinem äußeren Umfang keilförmige Nuten 10 in Richtung der Zylinderlängsachse
auf, welche mit dem Innenraum 11 über Bohrungen 12 in Verbindung stehen (sh. Fig. 4 und 5). Im Zentrum der
keilförmigen Nuten 10 befinden sich keilförmige Leisten 13, die aufgrund von eingelegten Abstandsstücken 14 jeweils
zwei gegenüberliegende Reihen aus gleichen spaltförmigen
Durchlaßkanälen 15 erzeugen (sh. Fig. 4,5 und 6). Der Hohlraum 11 ist, ähnlich wie in Fig. 1, auf der dem
Flansch abgewendeten Seite mit einem Deckel gasdicht verschlossen, an welchem, ebenfalls wie in Fig. 1, ein zylindrischer
Verdrängungskörper zur Erzeugung eines topfförmigen Sammelspaltes befestigt sein kann.
9& Die Dicke der Abstandshalter 14 sowie deren Abstände und
die dadurch erzeugten Spaltgeometrien entsprechen denen
des Phasentrenners gemäß Fig. 1. Die Strömung in diesen
Durchlaßkanälen ist somit ebenfalls rein zweidimensional. Die keilförmigen Nuten und Leisten haben bei gleichem
Keilwinkel den Vorteil, daß die Spaltdicke durch Ver-Schiebung der Leisten in Keilrichtung eingestellt werden
kann.
In Fig. 7 ist in schematischer Weise der Einbau eines Phasentrenners 16 gemäß Fig. 1 oder 3 in den mit
Helium-II gefüllten Tank 17 eines Kyrostaten dargestellt.
Das abgeführte gasförmige Helium (GHe) wird dabei zur Kühlung der Strahlungsschilde 18 des Kyrostaten
verwendet, bis es über ein Regelventil 19 zu einer Vakuumpumpe bzw. in das Vakuum des Weltalls geführt
wird. Die Regelung des Helium-Massendurchsatzes erfolgt durch Veränderung der Druckdifferenz zwischen
dem Ein- und Austritt der Durchlaßkanäle derart, daß der thermomechanische Effekt bei den vorgegebenen
Badtemperaturen stets erhalten bleibt. Da-zu wird das außerhalb des Helium-II-Kyrostaten befindliche Regelventil
19 verwendet, das über einen Regler 20 von einem Motor 21 gesteuert wird. Der Regler 20 verwendet
als Meßsignal die Helium-II-Badtemperatur (T). Diese
Badtemperatur muß insbesondere bei Weltraumexperimenten sehr feinfühlig geregelt werden. Hat die Helium-II-Badtemperatur
steigende Tendenz, so öffnet das Regelventil 19 und die daraufhin in den spaltförmigen Durchlaßkanälen
des Phasentrenners 16 entstehende Druckdifferenz
wird größer. Aufgrund der steigenden Druckdifferenz steigt auch der Heliumdurchsatz, wodurch sich das Bad
wieder abkühlt. Dies wiederum hat die Umkehrung des eben beschriebenen Ablaufes zur Folge.
- Leerseite -
Claims (11)
1. Helium-II-Phasentrenner mit spaltförmigen Durchlaßkanälen zur Ausnutzung des thermomechanischen
Effektes gekennzeichnet durch mehrere, nebeneinander gelegene spaltförmige Durchlaßkanäle
gleicher Spaltdicke, welche in den Wandungen eines in flüssiges Helium hineinragenden Hohlraumes angeordnet
sind, aus dessen Innenraum gasförmiges Helium abführbar ist.
2. Phasentrenner nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß die Geometrie der Durchlaßkanäle lediglich eine zweidimensionale Strömung
zuläßt.
3. Phasentrenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet , daß die Durchlaßkanäle jeweils durch zwei planparallele Wandungen gebildet
werden, zwischen denen Abstandsstücke definierter Dicke angeordnet sind.
4. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Hohlraum
und die Durchlaßkanäle durch Aufeinanderstapelung von Ringscheiben (2) mit dazwischen liegenden Abstandsstücken
(3) gebildet werden.
5. Phasentrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ringscheiben (2)
η-eckig oder kreisförmig ausgebildet sind.
2 9502
6. Phasentrenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet , daß die Ringscheiben (2) und die Abstandsstücke (3) durch Zuganker (5) mit
elastischer Vorspannung miteinander verbunden sind. 5
7. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Hohlraum
und die Durchlaßkanäle durch einen zylindrischen Hohlkörper (9) mit achsparallelen Nuten (10) gebildet
wird.
8. Phasentrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb der Nuten (10)
in Nutlängsrichtung Leisten (13) mit Abstandsstücken
(14) zur Bildung je zweier Durchlaßkanäle angeordnet
sind.
9. Phasentrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Nuten (10) und
Leisten (13) keilförmig und mit gleichem Keilwinkel ausgebildet sind.
10. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß parallel
zur Innenwand des Hohlraumes eine weitere Wandung (6) zur Bildung eines spaltförmigen Abfuhrkanales (7) für
das gasförmige Helium vorgesehen ist, dessen Abmessung quer zur Strömungsrichtung des Gases größer ist als die
der Durchlaßkanäle.
11. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet , daß die Abfuhr des gasförmigen Heliums aus dem Hohlraum über einen mit
dem flüssigen Helium in Wärmekontakt stehenden Wärmetauscher (8) erfolgt.
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