DE3530168C1

DE3530168C1 - Regelbarer Helium-II-Phasentrenner

Info

Publication number: DE3530168C1
Application number: DE3530168A
Authority: DE
Inventors: Werner Ing.(grad.) 8014 Neubiberg Malburg; Albert Dipl.-Ing. 8011 Höhenkirchen Seidel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1986-12-18
Also published as: US4694655A; FR2586471B1; FR2586471A1

Description

verdampfte Helium vorgesehen sind. Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit Hilfe von superfluidem He-II, mit einem Drosselventil zum Entspannen von flüssigem He-II, welches mindestens einen Ventilsitz und mindestens ein, über ein regelbares Stellglied bewegliches, abschließendes Ventilteil besitzt, zwischen welchen mindestens ein kapillarer, spaltförmiger Kanal begrenzt wird, in welchem das He-II entspannt und mindestens teilweise verdampft wird, und in welchem unter Ausnutzung des thermomechanischen Effektes eine Phasentrennung zwischen superfluidem He-II und dem verdampften He-II erfolgt.

Ein derartiger Phasentrenner ist aus der DE-AS 06 829 sowie aus dem Forschungsbericht BMFT-FB W 79/47 "Phasentrennung von Helium-II im schwerelosen Zustand" von Denner et al., FU Berlin bekannt. Dieser Phasentrenner besteht aus einem sog. Ringspaltventil, bei welchem ein zylindrisches Ventilelement gegenüber der Ventilbuchse einen Durchlaßspalt mit einer Gemäß der nachfolgend beschriebenen Erfindung wird mit dem Phasentrenner die Spaltweite s verändert, so daß eine sehr genaue Regelung der Durchsetzmenge im "Idealbereich" möglich ist. Die Durchsatzmenge rii für Helium-II im Idealbereich beträgt:

rii = b ps³ S- T Ap

12η ST+L

dabeiist:

b — Spaltbreite quer zur Strömungsrichtung, s = Spaltbreite (0-15 μπι);

ρ = Dichte des Helium-II;

η = Zähigkeit des Helium-II; S = Entropie des Helium-II;

T = Temperatur des flüssigen Helium-II; L = latente Verdampfungswärme; Ap = Druckgefälle längs des Spaltes und

/ = Spaltlänge in Strömungsrichtung. Wie aus obiger Formel zu ersehen ist, ist die Durchsatzmenge der dritten Potenz der Spaltweite s und dem Kehrwert der Spaltlänge / proportional. Die vorliegende Erfindung macht sich also im Gegensatz zur bekann-

3 4

ten Lösung die Abhängigkeit der Spaltweite s von der Während mit den beiden vorher beschriebenen Ausdritten Potenz bei konstanter Spaltlänge/zunutze. Dar- führungsbeispielen nur relativ kleine Helium-Massenaus ergeben sich folgende Vorteile: ströme bewältigt werden können, zeigt Fig. 4 eine Aus-Die Durchsatzmenge kann im Bedarfsfall auch zu führungsform, bei der eine Vielzahl von Radialspalten Null gemacht werden, d. h. der Phasentrenner kann 5 parallel geschaltet werden können, deren Spaltweite ohne sonstige Einrichtungen geschlossen werden. gleichzeitig durch einen piezoelektrischen Antrieb ver-Die Regelempfindlichkeit ist wegen der mit der stellt werden. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Andritten Potenz eingehenden Spaltweite s wesent- Ordnung mit drei Radialspälten. Die Spalten werden lieh höher als bei einer Regelung der Spaltlänge/. durch Scheibenelemente 11.1, 11.2, 11.3 und Ringele-Der Nachteil, daß bei der bekannten Lösung bei io mente 12.1, 12.2, 12.3 gebildet. Die Ringelemente 12.1 Annäherung von / gegen Null der Durchsatz gegen bis 12.3 werden durch gleiche Distanzringe 13.1 und 13.2 Unendlich geht, wird vermieden. auf gleichem Abstand gehalten. Ebenso werden die Wegen des geringen Bereiches, in dem die Spalt- Scheibenelemente 11.1 bis 11.3 durch zwei Distanzhülweite s verstellt wird, kann ein Festkörperantrieb, sen 14.1 und 14.2 auf gleichem Abstand gehalten. Die z. B. ein piezoelektrischer Antrieb, verwendet wer- 15 Distanzringe 13.1 und 13.2 haben radiale Bohrungen den, bei dem die Verstellungen völlig reibungsfrei 13.11 bzw. 13.21 für den Helium-II-Zulauf zu den Raablaufen, dialspalten 16 und 17. Die Scheibenelemente 11.2 und Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel 11.3 weisen axiale Bohrungen 11.21 und 11.22 für den ist der gesamte Phasentrenner über ein Flanschstück 7 Durchtritt von gasförmigem Helium auf. Die Scheibenan einem mit superfluiden Helium-II gefülltem Tank mit 20 elemente 11.2 und 11.3 sind gegenüber den Ringelemeneinem entsprechend ausgebildeten Tankstutzen 8 befe- ten 12.1 und 12.2, mit denen sie keine regelbaren Radialstigt. Der Phasentrenner weist im wesentlichen ein spalte bilden, durch Membranelemente 18 und 19 abge-Scheibenelement 1 sowie ein Ringelement 2 auf, wobei dichtet. Das superfluide Helium, welches durch die Öffdie freie Stirnfläche 2.1 des Ringelementes 2 mit einer nungen 13.11 und 13.21 eintritt, kann so die regelbaren gegenüberliegenden Fläche 1.1 des Scheibenelementes 25 Radialspalte 15 bis 17 nicht umgehen. Die Scheibenele-1 einen Radialspalt 3 bildet. Das Scheibenelement 1 ist mente 11.1 bis 11.3 werden gegenüber den zugehörigen an einem Stellglied 4.1 eines piezoelektrischen Antrie- Ringelementen 12.1 bis 12.3 über eine Schubstange 20 bes 4 befestigt, welcher seinerseits mit dem Ringele- und einen nicht dargestellten Antrieb axial verstellt, so ment 2 verbunden ist. Der elektrische Antrieb 4 kann ein daß die Spaltweite der Spalten 15 bis 17 in dem gestuf enloser Antrieb oder ein in Einzelstufen der Grö- 30 wünschten Bereich zwischen 0 und 15 μΐη eingestellt ßenordnung Nanometer arbeitender Antrieb, z. B. ein werden können.

sog. "inch-worm" sein, der eine Einstellung des Radial- Wie leicht einzusehen ist, muß die Strömung durch

spaltes 3 im Bereich zwischen 0 und mind. 15 μΐη ermög- die Radialspalte in den vorgenannten Ausführungsbeilicht. Der Antrieb kann ggf. auch außerhalb des He-II- spielen nicht zwingend von außen nach innen erfolgen; Tanks auf einem anderen, möglichst konstanten Tempe- 35 die Strömungsrichtung des Heliums kann bei entspreraturniveau angeordnet sein. ' chender Flüssigkeit — bzw. Gasführung — auch in um-

Das superfluide Helium-II tritt bei dieser Ausfüh- gekehrter Richtung erfolgen.

rungsform radial von außen in den Radialspalt 3 und

strömt dann in den von dem Ringelement 2 gebildeten Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Innenraum. Über einen, mit dem Inneraum verbun- 40
denen Wärmetauscher 5, in dem etwaige Flüssigkeit, die
den Spalt 3 passiert haben sollte, durch Wärmeaustausch mit dem superfluiden Helium-II in dem Tank
verdampft wird, strömt das gasförmige Helium ab und
kann aufgrund seiner Restwärme beispielsweise durch 45
das Wärmeisolationssystem eines Kryostaten geführt
werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind lediglich die den Radialspalt 3 bildenden Teile sowie ein anderer Antrieb zur Einstellung des Spaltes dar- 50
gestellt. An dem Ringelement 2 sind, gleichmäßig über
den Umfang verteilt, drei Stelleinrichtungen 9 befestigt,
die auf entsprechend zugeordnete Teile 1.2, die am Umfang des Scheibenelementes 1 gleichmäßig verteilt angeordnet sind, einwirken. Eine Stelleinrichtung 9 weist 55
ein mit dem Ringelement 2 fest verbundenes Joch 9.1
auf, welches im oberen Bereich einen Antrieb 9.2 umschließt, dessen Stellglied 9.3 senkrecht auf das Teil 1.2
des Scheibenelementes 1 drückt. Auf der dem Stellglied
9.3 gegenüberliegenden Seite des Teiles 1.2 ist ein Fe- 60
derelement 10 angeordnet, welches sich gegen das Joch
9.1 abstützt und das Teil 1.2 gegen das Stellglied 9.3
drückt. Da drei derartige Einrichtungen 9 vorhanden
sind, lassen sich die den Radialspalt 3 bildenden Flächen
1.1 und 2.1 absolut parallel zueinander einstellen. Die 65
Parallelität läßt sich beispielsweise mittels auf eine der
spaltbildenden Flächen aufgedampfte Elektrodenschicht kapazitiv überwachen.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit Hilfe von superfluidem He-II, mit einem Drosselventil zum Entspannen von flüssigem He-H, welches mindestens einen Ventilsitz und mindestens ein, über ein regelbares Stellglied bewegliches, abschließendes Ventilteil besitzt, zwischen welchen mindestens ein kapillarer, spaltförmiger Kanal begrenzt wird, in welchem das He-II entspannt und mindestens teilweise verdampft wird, und in welchem unter Ausnutzung des thermomechanischen Effektes eine Phasentrennung zwischen superfluidem He-II und dem verdampften He-II erfolgt, dadurch gekenn zeichnet, daß jeweils ein spaltförmiger Kanal (3; 15, 16, 17) durch zwei zueinander ebene, parallel beabstandete Flächen (1.1, 2.1) gebildet ist, deren Abstand die Spaltweite des Kanals bestimmt, daß die Flächen (1.1, 2.1) am Ventilsitz (2; 12.1, 12.2, 12.3) bzw. am beweglichen Ventilteil (1; 11.1,11.2, 11.3) angeordnet sind, daß die Spaltweite im Bereich zwischen 0 und 15 μηι veränderbar ist, und daß das Stellglied (4.1; 9.3, 20) mit mindestens einem Festkörperantrieb, insbesondere einem piezoelektrischen Antrieb in Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein zylindrisches Ringelement (2) und mindestens ein koaxial angeordnetes Scheibenelement (1), welches mit einer Stirnfläche (2.1) des Ringelementes einen Radialspalt (3) bildet, sowie durch mindestens ein Stellglied (4.1), mit welchem das Scheibenelement (1) gegenüber dem Ringelement (2) in axialer Richtung verstellbar ist.

3. Helium-II-Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch zwei oder mehrere koaxial angeordnete Ring-/Scheibenelementenpaare (11.1,12.1; 11.2,12.1; 11.3,12.3), wobei jeweils das Scheibenelement (11.2, 11.3) eines Paares über ein flexibles Membranelement (18,19) mit dem Innenrand des gegenüberliegenden Ringelementes (12.1,12.2) des benachbarten Paares gasdicht verbunden ist und wobei in den Scheibenelementen (11.2, 11.3) sowie zwischen den Ringelementen (12.1 bis 12.3) Durchtrittsöffnungen (11.21,

11.22; 13.11, 13.21) für das mindestens teilweise 45 gem Helium aus.

Spaltbreite unterhalb von 10 μΐη aufweist und wobei durch axiale Verschiebung des Ventilelementes gegenüber der Ventilbuchse die Spaltlänge verändert wird. Bei einem derartigen Phasentrenner müssen die zylindrischen Flächen des Ventilelementes und der -buchse hochgenau bearbeitet und mittels einer gesonderten Führung koaxial ausgerichtet sein; außerdem müssen die Ausdehnungskoeffizienten der Materialien vollkommen aufeinander abgestimmt sein, da wegen der geringen Spaltweite sonst die Gefahr der Verklemmung besteht. Des weiteren ist ein zusätzliches Ventil oder zumindest zusätzliche Dichtflächen am Ventilelement und an der Ventilbuchse erforderlich, um einen vollständigen Verschluß zu ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen regelbaren Helium-II-Phasentrenner zu schaffen, bei dem eine Durchsatzregelung bis zur Menge Null möglich ist und der weniger kompliziert und störanfällig als die bisherigen Helium-II-Phasentrenner ist. Diese Aufgabe wird durch einen nach den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ausgebildeten Helium-II-Phasentrenner gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer, in den Figuren teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt Fig. 1 ein Durchflußdiagramm für Helium-II; Fig. 2 einen Phasentrenner mit einem Radialspalt und einem zentralen Stellglied;

Fig. 3 einen Phasentrenner mit einem Radialspalt und drei über den Umfang verteilten Stellgliedern;

Fig. 4 einen Helium-II-Phasentrenner mit mehreren Radialspalten.

Fig. 1 zeigt den qualitativen Zusammenhang zwischen dem Durchsatz m von in einem Spalt der Spaltweite s strömendem superfluidem Helium-II und dem Druckabfall Ap entlang des Spaltes. Danach bestehen für den He-Durchfluß durch enge Spalte zwei, durch die gestrichelte Linie angedeutete Strömungsbereiche, einem unteren, sog. "Idealbereich" mit einem flachen, annähernd linearen Kurvenanstieg und einem oberen, sog. "Gorter-Mellink-Bereich" mit einem wesentlich steileren Kurvenanstieg. Im "Idealbereich" tritt aus dem Spalt nur noch gasförmiges Helium aus. Im "Gorter-Mellink-Bereich" tritt ein Gemisch aus gasförmigem und flüssi-