DE3739070A1 - Heliumkuehlgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Heliumkühlgerät zum Kühlen des in einem Flüssighelium-Behälter verdampften gasförmigen Heliums und Rückkondensieren desselben zu flüssigem He­ lium, insbesondere ein Heliumkühlgerät mit einer Verbindungs­ leitung zum Verbinden eines Flüssighelium-Behälters mit einem einen Kondensations-Wärmetauscher aufweisenden Kon­ densationsraum und zum Zuführen des kondensierten Flüssig­ heliums sowie des verdampften gasförmigen Heliums.

Ein bisheriges Heliumkühlgerät besitzt den in Fig. 1 ge­ zeigten Aufbau. Das Heliumkühlgerät 1 umfaßt einen Flüssig­ helium-Behälter 3, der flüssiges Helium oder Flüssighelium 6 mit einem vorbestimmten Flüssigkeits-Füllstand speichert, und einen Kondensationsraum 5, der einen Kondensations- Wärmetauscher 4 enthält. Der Behälter 3 ist in einem Kryostaten 2 angeordnet. Ein zu kühlendes Objekt 7 (z.B. ein supraleitender Magnet) ist in das Flüssighelium 6 im Behälter 3 eingetaucht, der seinerseits einen Zulaß 9 auf­ weist, mit dem ein(e) zur Außenatmosphäre hin offene(s) Leitung oder Rohr 10 verbunden ist. Der Flüssighelium-Be­ hälter 3 kommuniziert mit dem Kondensationsraum 5 über die Verbindungsleitung (transfer tube) 11, die in das Rohr 10 und den Zulaß 9 eingesetzt ist. Der Kondensations- Wärmetauscher 4 ist mit einem Kälteapparat 8 für die Zu­ fuhr eines Kältemittels zum Wärmetauscher verbunden.

Das im Flüssighelium-Behälter 3 enthaltende Flüssighelium 6 wird durch die von der Außenatmosphäre zum Behälter 3 übertragene Wärmeenergie allmählich verdampft. Das ver­ dampfte gasförmige Helium wird über die Verbindungsleitung 11 in den Kondensationsraum 5 überführt. Die Temperatur einer Wärme(ab)leitfläche des Kondensations-Wärmetauschers 4 ist auf 4,2K eingestellt. Durch den Wärmetauscher 4 wird das gasförmige Helium wieder zu Flüssighelium kondensiert, das dann unter Schwerkrafteinfluß in der Verbindungslei­ tung 11 absinkt und in den Behälter 3 zurückströmt. Die im Behälter 3 enthaltene Menge an Flüssighelium 6 wird damit konstant gehalten, so daß das Objekt 7 zufrieden­ stellend gekühlt werden kann.

Wenn die zum Flüssighelium-Behälter 3 übertragene Wärme­ energie(menge) zunimmt, nimmt auch die Menge des im Flüssighelium-Behälter 3 verdampften gasförmigen Heliums zu. Infolgedessen erhöht sich die Strömungs- oder Durch­ satzmenge des die Verbindungsleitung 11 in Aufwärtsrich­ tung durchströmenden gasförmigen Heliums, wobei das durch die Verbindungsleitung 11 absinkende (abwärts strömende) Flüssighelium mit dem gasförmigen Helium in Aufwärtsrich­ tung mitgerissen wird. Dabei wird insbesondere das Innere der Verbindungsleitung 11 durch das in ersterer aufsteigen­ de gasförmige Helium blockiert, so daß das Flüssighelium nicht (mehr) durch die Verbindungsleitung 11 absinken kann (dies wird als "Stauerscheinung" bezeichnet). Als Ergebnis wird das im Flüssighelium-Behälter 3 befind­ liche Flüssighelium 6 durch die von der Außenatmosphäre auf den Behälter 3 übertragene Wärmeenergie fortlaufend verdampft, wobei die im Behälter 3 enthaltene Menge an Flüssighelium 6 abnimmt. Unter diesen Bedingungen wird die einwandfreie Kühlung des Objekts 7 schwierig.

Die Stauerscheinung (flooding phenomenon) bestimmt sich durch den Innendurchmesser der Verbindungsleitung, die Strömungsmenge des durch diese Leitung 11 absinkenden Flüssigheliums und die Strömungsmenge des durch diese Leitung 11 aufsteigenden gasförmigen Heliums. Die Strö­ mungsmengen von Flüssighelium und gasförmigem Helium be­ stimmen sich durch die von der Außenatmosphäre zum Flüssig­ helium-Behälter 3 übertragene Wärmeenergie(menge).

Erfindungsgemäß wurden mit dem bisherigen Heliumkühlgerät verschiedene Versuche zur Ermittlung der Beziehung zwi­ schen dem Flüssigheliumspiegel im Behälter 3 und dem Zeit­ ablauf sowie der Beziehung zwischen dem Flüssighelium­ spiegel im Kondensationsraum 5 und dem Zeitablauf durch­ geführt. Bei diesen Versuchen wurde eine Verbindungslei­ tung 11 des Heliumkühlgeräts von 5 mm Innendurchmesser verwendet; von der Außenatmosphäre her wurde(n) dabei Wärmeenergie(mengen) von 0,5 W und 0,7 W zum Flüssighelium- Behälter 3 übertragen.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, bleibt bei einer Übertragung einer Wärmeenergie(menge) von 0,5 W zum Flüssighelium- Behälter 3 der Flüssigheliumspiegel in letzterem unab­ hängig von der Zeit konstant. Bei Zufuhr einer Wärmeenergie­ (menge) von 0,7 W zum Flüssighelium-Behälter 3 tritt da­ gegen die Stauerscheinung auf. Mit anderen Worten: der größte Teil des im Flüssighelium-Behälter 3 befindlichen Flüssigheliums wird (dabei) durch die Wärmeenergie ver­ dampft und damit in gasförmiges Helium überführt, das so­ dann über die Verbindungsleitung 11 dem Kondensations­ raum 5 zugeführt wird. Dabei wird das Innere der Ver­ bindungsleitung 11 durch das durch letztere aufsteigende gasförmige Helium blockiert, so daß das Flüssighelium aus dem Kondensationsraum 5 nicht mehr durch die Verbindungs­ leitung 11 abwärts strömen bzw. absinken kann. Bei Zu­ fuhr einer Wärmeenergie(menge) von 0,7 W zum Flüssighe­ lium-Behälter 3 sinkt daher der Flüssigkeitsspiegel im Behälter 3 ab, während der Flüssigkeitsspiegel im Kon­ densationsraum 5 ansteigt. Wenn die Verbindungsleitung 11 einen Innendurchmesser von 5 mm aufweist, kann daher das Heliumkühlgerät nicht eine Kühlkapazität oder -leistung von 0,7 W oder mehr aufweisen. Wenn beispielsweise der Kälteapparat (refrigerator) 8 eine Kälteleistung von 4-5 W und der Kondensations-Wärmetauscher 4 eine Konden­ sationsleistung von 4-5 W besitzen, beträgt die tat­ sächlich für die Kondensation aufgewandte Energie 0,7 W oder weniger. Zur Vermeidung der Stauerscheinung und zur Maximierung der Kondensationsleistung des Heliumkühlge­ räts muß daher der Innendurchmesser der Verbindungslei­ tung vergleichsweise groß sein.

Wenn der Innendurchmesser der Verbindungsleitung 11 ver­ gleichsweise groß ist, müssen die Abmessungen des Zu­ lasses 9 und des Rohrs 10, in welche jeweils die Ver­ bindungsleitung 11 eingesetzt ist, vergrößert werden. Infolgedessen nimmt die von der Außenatmosphäre zum Flüssighelium-Behälter 3 über Zulaß 9 und Rohr 10 zuge­ führte Wärmeenergie(menge) zu. Mit anderen Worten: mit einer Vergrößerung des Innendurchmessers der Verbindungs­ leitung können die Stauerscheinung in der Verbindungs­ leitung verhindert und eine zufriedenstellende Kühllei­ stung des Heliumkühlgeräts erzielt werden. Andererseits nimmt aber die zum Flüssighelium-Behälter übertragene Wärmeenergie(menge) in unerwünschter Weise zu. Aus diesem Grund muß der Innendurchmesser der Verbindungsleitung verkleinert werden. In diesem Fall tritt allerdings (wie­ der) die Stauerscheinung auf, so daß eine zufriedenstellen­ de Kühlleistung des Geräts nicht erreicht werden kann.

Es ist daher schwierig, eine zufriedenstellende Kühl­ leistung des Heliumkühlgeräts zu erzielen, wenn die Ver­ bindungsleitung einen kleinen Innendurchmesser aufweisen und eine Stauerscheinung verhindert werden soll. Dies be­ deutet, daß mit einer kompakten Bauweise des Geräts eine zufriedenstellende Kühlleistung des Heliumkühlgeräts schwierig zu erzielen ist.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines kom­ pakt gebauten und eine zufriedenstellende Kühlleistung aufweisenden Heliumkühlgeräts, bei dem das Auftreten einer Stauerscheinung auch dann vermieden werden soll, wenn der Innendurchmesser einer Verbindungsleitung nicht ver­ größert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein Heliumkühlgerät mit einem Flüssighelium speichernden Flüssighelium-Behälter und mit einem Kondensationsraum, der einen Kondensations-Wärme­ tauscher zum Kondensieren von gasförmigem Helium zu Flüssig­ helium enthält. Der Flüssighelium-Behälter steht über eine Verbindungsleitung (transfer tube) mit dem Kondensations­ raum in Verbindung. Die Verbindungsleitung enthält ge­ trennte Strömungswege bzw. Durchgänge (flow paths) für gasförmiges Helium und Flüssighelium.

Wenn das im Flüssighelium-Behälter enthaltene Flüssighe­ lium verdampft und damit in gasförmiges Helium überführt wird, wird letzteres durch den Heliumgas-Durchgang in den Kondensationsraum geleitet und dann in diesem zu Flüssig­ helium kondensiert, das sodann über den Flüssighelium- Durchgang in den Flüssighelium-Behälter geleitet wird. Dies bedeutet, daß die Heliumgas- und Flüssighelium-Durch­ gänge in der Verbindungsleitung voneinander getrennt sind. Aus diesem Grund stört das gasförmige Helium in keiner Weise das Flüssighelium, weil beide Komponenten (oder Phasen) getrennte Durchgänge durchströmen können. Infolge­ dessen wird das Auftreten einer Stauerscheinung in der Verbindungsleitung vermieden. Auch wenn der Innendurch­ messer der Verbindungsleitung nicht vergleichsweise groß ist, wird die Kühlkapazität oder -leistung des Helium­ kühlgeräts nicht beeinträchtigt. Mit der Erfindung wird mithin ein kompakt gebautes Heliumkühlgerät mit einer zu­ friedenstellenden Kühlleistung geschaffen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine (schematische) Schnittdarstellung eines herkömmlichen Heliumkühlgeräts,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Zeitabhängig­ keit des Flüssigheliumspiegels oder -füllstands in einem Flüssighelium-Behälter sowie des Flüssigheliumspiegels in einem Kondensations­ raum,

Fig. 3 eine (schematische) Schnittdarstellung eines Heliumkühlgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine (schematische) Schnittdarstellung eines Heliumkühlgeräts gemäß einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi­ schen der Kühlkapazität oder -leistung und dem Querschnittsflächenverhältnis der Durchgänge sowie

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Ergebnisse von mit dem erfindungsgemäßen Heliumkühlgerät durch­ geführten Versuchen zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einer dem Flüssighelium-Be­ hälter zugeführten Wärmeenergie(menge) und dem im Flüssighelium-Behälter herrschenden Druck.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Das in Fig. 3 dargestellte Heliumkühlgerät 21 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist einen Flüssig­ helium-Behälter 23 auf, der Flüssighelium 24 mit einer vorbestimmten Füllhöhe speichert. In das Flüssighelium 24 ist ein zu kühlendes Objekt 25 (z.B. ein supraleitender Magnet) eingetaucht. Der Flüssighelium-Behälter 23 ist in einem Kryostaten 22 angeordnet, der seinerseits eine den Behälter 23 abdeckende oder abschirmende Wärmeab­ schirm-Platte 26 und eine die Wärmeabschirm-Platte 26 ein­ schließende Vakuumkammer 27 aufweist. Ein Raum zwischen dem Behälter 23 und der Platte 26 sowie ein Raum zwischen der Platte 26 und der Vakuumkammer 27 werden in einem evakuierten Zustand gehalten. Der Flüssighelium-Behälter 23 ist dabei nach außen hin isoliert. Im Mittelbereich der oberen Wand des Behälters 23 ist ein kreisförmiger Zulaß (port) 28 ausgebildet. In den Mittelbereichen der oberen Wände von Wärmeabschirm-Platte 26 und Vakuumkammer 27 sind jeweils Öffnungen oder Bohrungen 29 bzw. 30 aus­ gebildet, wobei ein Rohr 31 mit dem Zulaß 28 und den Bohrungen 29 und 30 verbunden bzw. in diese eingesetzt ist. Das Innere des Flüssighelium-Behälters 23 kommuni­ ziert über das Rohr 31 mit der Außenatmosphäre. In das Innere des Rohrs 31 ist eine noch zu beschreibende Ver­ bindungsleitung 55 (koaxial) eingesetzt. Ein in die obere Wand der Vakuumkammer 27 eingesetzter zylindrischer Stopfen (32) dichtet einen Zwischenraum zwischen der Innenfläche des oberen Endabschnitts des Rohrs 31 und der Außenfläche der Verbindungsleitung (transfer tube) 55 ab. Zwei unter dem Stopfen 32 angeordnete Dichtungen 33-1 und 33-2 dienen zur Abdichtung eines Zwischenraums zwischen der Innenfläche des oberen Endabschnitts des Rohrs 31 und der Außenfläche der Verbindungsleitung 55. Der Innenraum des Flüssighelium-Behälters 23 ist somit gegenüber der Außenatmosphäre abgedichtet. Das Rohr 31 dient auch für die Zufuhr von Flüssighelium zum Rückge­ winnen (Rückführen) von Flüssighelium und zum Hindurch­ führen von Stromspeiseleitungen.

Das Heliumkühlgerät 21 weist einen einen Kondensations- Wärmetauscher 34 enthaltenden Kondensationsraum 35 auf, der in einer Vakuumkammer 36 untergebracht ist. Der Wärme­ tauscher 34 ist mit einem Kälteapparat 40 für die Zufuhr eines Kältemittels zu diesem Wärmetauscher verbunden. Der Kälteapparat 40 umfaßt erste und zweite Kühlsysteme 41 und 42, bei denen es sich jeweils um geschlossene Systeme handelt. Das erste Kühlsystem 41 enthält drei Wärme­ tauscher 43, 44 und 45. Der Wärmetauscher 43 ist dabei mit einem Kompressor bzw. Verdichter 46 verbunden. Eine Auslaßleitung 48 ist über die Wärmetauscher 43-45 mit einem Joule-Thomson-Ventil 47 verbunden, das an den Kon­ densations-Wärmetauscher 34 angeschlossen ist. Eine vom Wärmetauscher 34 abgehende Rücklaufleitung 49 ist über die Wärmetauscher 43-45 mit dem Verdichter 46 verbunden. Das die Auslaßleitung (outgoing line) 48 durchströmende Kältemittel wird durch das die Rücklaufleitung 49 durch­ strömende Kältemittel gekühlt. Das die Auslaßleitung 48 durchströmende Kältemittel wird außerdem durch das zweite Kühlsystem 42 gekühlt. Letzteres enthält speziell zwei Wärmetauscher 50 und 51, von denen der Wärmetauscher 50 an den Verdichter 52 angeschlossen ist.

Der Kälteapparat 40 arbeitet wie folgt: Bei angetriebenen Verdichtern 46 und 52 durchströmt das Kältemittel die Aus­ laßleitung 48. Die Temperatur des Kältemittels beträgt zum Abgabezeitpunkt etwa 300K, und das Kältemittel wird durch die Wärmetauscher 43, 50, 44 und 51 auf etwa 16K gekühlt. Durch den Wärmetauscher 45 wird das Kältemittel weiter auf etwa 5K herabgekühlt. Durch das Joule-Thomson- Ventil 47 wird das Kältemittel zur Expansion bzw. Aus­ dehnung gebracht, wobei sein Druck auf etwa 1 bar (98 kPa) abnimmt und seine Temperatur auf 4,2K eingestellt wird. Das Kältemittel wird dem Kondensations-Wärmetauscher 34 zugeführt und in diesem verdampft. Dabei wird die Wärme­ leitfläche des Kondensations-Wärmetauschers 34 gekühlt. Hierdurch wird das im Kondensationsraum 35 enthaltene gasförmige Helium zu Flüssighelium kondensiert.

Der Flüssighelium-Behälter 23 kommuniziert über die Ver­ bindungsleitung 55 mit dem Kondensationsraum 35. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 umfaßt die Verbindungsleitung 55 ein zylindrisches Innenrohr 56 und ein zylindrisches Außenrohr 57, von denen letzteres einen größeren Innen­ durchmesser als das Innenrohr 56 aufweist und koaxial zu letzterem angeordnet ist. Die unteren Endabschnitte von Innen- und Außenrohr 56 bzw. 57 münden im Flüssighelium- Behälter 23. Die oberen Endabschnitte von Innen- und Außen­ rohr 56 bzw. 57 münden im Kondensationsraum 35. Bei der dargestellten Ausführungsform legt der Innenraum des Innenrohrs 56 einen Heliumgas-Strömungsweg bzw. -Durch­ gang 58 fest, während der Raum zwischen Außen- und Innen­ rohr 57 bzw. 56 einen Flüssighelium-Durchgang 59 fest­ legt. Im Flüssighelium-Behälter 23 ist somit eine Helium­ gas-Leiteinrichtung angeordnet, welche das gasförmige Helium vom Flüssighelium trennt und das gasförmige Helium (oder Heliumgas) im Innenraum des Innenrohrs 56 leitet. Im Kondensationsraum 35 ist eine Flüssighelium-Leitein­ richtung vorgesehen, welche das Flüssighelium vom gas­ förmigen Helium trennt und ersteres in den Raum zwischen Außen- und Innenrohr 57 bzw. 56 leitet.

Das Außenrohr 57 weist einen Doppel(wand)aufbau aus einem ersten Rohr 61 und einem zweiten, letzteres umschließen­ den Rohr 62 auf. Das Innere des ersten Rohrs 61 ist auf diese Weise durch das zweite Rohr 62 gegenüber der Außen­ atmosphäre isoliert. Der untere Endabschnitt des Außen­ rohrs 57 (d.h. die unteren Endabschnitte von erstem und zweitem Rohr 61 bzw. 62) erstreckt sich in den Flüssig­ helium-Behälter 23 hinein. Der untere Endabschnitt des Innenrohrs 56 ragt über den unteren Endabschnitt des ersten Rohrs 61 nach unten. Am unteren Endabschnitt des Innen­ rohrs 56 ist ein Leitelement 63 montiert, um das im Be­ hälter 23 verdampfte gasförmige Helium zum Innenraum des Innenrohrs 56 zu leiten und das längs der Außenfläche des Innenrohrs 56 absinkende oder abwärts strömende Flüssig­ helium vom gasförmigen Helium zu trennen. Das Leitelement 63 besteht aus einem Kegelstumpf oder Kegelstumpf-Ele­ ment 64, der ein offenes oberes Ende eines kleinen Durchmessers und ein unteres offenes Ende eines größeren Durchmessers aufweist. Das offene obere Ende ist dabei mit dem unteren Endabschnitt des Innenrohrs 56 verbunden. Außerdem weist das Leitelement 63 einen Zylinder 65 auf, der mit dem weiteren Abschnitt des Kegelstumpfes 64 ver­ bunden ist und ein unteres offenes Ende mit einem größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Innenrohrs 56 aufweist. Aufgrund dieser Ausbildung wird das im Flüssig­ helium-Behälter 23 verdampfte gasförmige Helium im unteren Abschnitt des Leitelements bzw. des Zylinders 65 gesammelt und in das Innere des Innenrohrs 56 eingeführt. Das längs der Außenfläche des Innenrohrs 56 abwärts strömende Flüssig­ helium wird längs der Außenflächen von Kegelstumpf 64 und Zylinder 65 geführt und kann herabfließen, ohne vom gas­ förmigen Helium in Aufwärtsrichtung mitgerissen zu wer­ den. Bei der Heliumgas-Leiteinrichtung ist somit das Leit­ element 63 am unteren Endabschnitt des Innenrohrs mon­ tiert, welches den unteren Endabschnitt des ersten Rohrs 61 durchsetzt.

Im Mittelbereich der unteren Wand des Kondensationsraums 35 ist ein Zulaß 66 ausgebildet. Im Mittelbereich der unteren Wand der Vakuumkammer 36 ist eine Bohrung 67 vor­ gesehen, in welche das erste Rohr 61 des Außenrohrs 57 eingesetzt ist. Der obere Endabschnitt des ersten Rohrs 61 ist mit dem Zulaß 66 des Kondensationsraums 35 ver­ bunden, ragt aber nicht in diesen Zulaß hinein. Der obere Endabschnitt des zweiten Rohrs 62 des Außenrohrs 57 ist an der unteren Wand der Vakuumkammer 36 angebracht. Der obere Endabschnitt des Innenrohrs 56 erstreckt sich in den Kondensationsraum 35 hinein und ist durch mehrere Halteelemente 68 gehaltert. Aufgrund dieser Ausbildung ist das im Kondensationsraum 35 kondensierte Flüssig­ helium von dem über den oberen Endabschnitt des Innen­ rohrs 56 austretenden gasförmigen Helium getrennt, und es wird über den Zulaß 66 des Kondensationsraums 35 in das erste Rohr 61 eingeleitet. Die Flüssighelium-Leiteinrich­ tung ist mithin so ausgelegt, daß der obere Endabschnitt des ersten Rohrs 61 an den Zulaß 66 des Kondensations­ raums 35 angeschlossen ist und sich der obere Endabschnitt des Innenrohrs 56 durch den Zulaß 66 hindurch in den Kon­ densationsraum 35 hinein erstreckt.

Das im Flüssighelium-Behälter 23 zu gasförmiger Phase ver­ dampfte Helium wird im unteren Abschnitt des Leitelements 63 gesammelt bzw. aufgefangen und zum unteren Endabschnitt des Innenrohrs 56 geführt. Das gasförmige Helium strömt durch das Innenrohr 56 (Heliumgas-Durchgang 58) aufwärts und wird am oberen Endabschnitt des Innenrohrs 56 in den Kondensationsraum 35 entlassen. Dabei wird der Kälteapparat 40 betätigt, so daß die Temperatur der Wärmeleitfläche des Kondensations-Wärmetauschers 34 auf 4,2K gehalten wird. Durch den Wärmetauscher 34 wird daher das gasförmige Helium wieder zu Flüssighelium kondensiert. Das Flüssighelium strömt von der unteren Wand des Kondensationsraums 35 nach unten und tritt in den oberen Endabschnitt (Zulaß 66) des ersten Rohrs 61 des Außenrohrs 57 ein. Sodann strömt das Flüssighelium unter Schwerkrafteinfluß durch den Zwi­ schenraum (Flüssighelium-Durchgang 59) zwischen Innenrohr 56 und erstem Rohr 61 abwärts. Weiterhin strömt das Flüssighelium längs der Außenfläche des unteren Endab­ schnitts des Innenrohrs 56, der Außenfläche des Kegel­ stumpfes 64 und der Außenfläche des Zylinders 65 nach unten. Auf diese Weise wird der Flüssigkeitsspiegel im Flüssighelium-Behälter 23 konstant gehalten.

Der Heliumgas-Durchgang 58 ist vom Flüssighelium-Durch­ gang 59 in der Verbindungsleitung 55 getrennt. Der Flüssig­ heliumstrom wird daher durch das gasförmige Helium nicht gestört. Hierdurch wird die sogenannte Stauerscheinung verhindert. Auch wenn der Innendurchmesser der Verbindungs­ leitung 55 nicht vergrößert ist, wird die Kühlleistung des Heliumkühlgeräts nicht beeinträchtigt. Bei einem her­ kömmlichen Heliumkühlgerät, bei dem der Innendurchmesser des Außenrohrs 57 5 mm beträgt und dem Flüssighelium-Be­ hälter 23 eine Wärmeenergie(menge) von 0,7 W oder mehr zugeführt wird, tritt dennoch eine Stauerscheinung auf. Dabei ist es schwierig, eine ausreichende Kühlleistung des Heliumkühlgeräts zu gewährleisten. Wenn beim er­ findungsgemäßen Gerät das Außenrohr 57 einen Innendurch­ messer von 5 mm aufweist und dem Flüssighelium-Behälter eine Wärmeenergie(menge) von 0,7 W oder mehr zugeführt wird, tritt dennoch die Stauerscheinung nicht auf. In­ folgedessen weist das Heliumkühlgerät eine zufrieden­ stellende Kühlleistung auf.

Im folgenden ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 4 beschrieben.

Die Verbindungsleitung 55 weist dabei ein Innen- und ein Außenrohr 56 bzw. 57 auf. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 bildet jedoch der Innenraum des Innenrohrs 56 einen Flüssighelium-Strömungsweg oder -Durchgang 59, während ein Zwischenraum zwischen Innenrohr 56 und erstem Rohr 61 des Außenrohrs 57 einen Heliumgas-Durchgang 58 festlegt. Im Kondensationsraum 35 ist somit eine Flüssighelium-Leit­ einrichtung vorgesehen, welche das Flüssighelium vom gas­ förmigen Helium trennt und ersteres in den Innenraum oder -durchgang des Innenrohrs 56 einführt. Im Flüssighelium- Behälter 23 ist eine Heliumgas-Leiteinrichtung vorge­ sehen, welche das gasförmige Helium vom Flüssighelium trennt und ersteres zum Raum zwischen Außen- und Innen­ rohr 57 bzw. 56 leitet.

Der obere Endabschnitt des ersten Rohrs 61 des Außenrohrs 57 ist mit dem Zulaß 66 des Kondensationsraums 35 ver­ bunden. Der obere Endabschnitt des Innenrohrs 56 ist durch den Zulaß 66 hindurch in den Mittelbereich des Konden­ sationsraums 35 eingeführt. Am oberen Endabschnitt des Innenrohrs 56 ist eine Auffang-Mulde oder -Wanne 70 mon­ tiert, welche das kondensierte Flüssighelium auffängt und zum oberen Endabschnitt des Innenrohrs 56 leitet. Die Wanne 70 ist dabei unterhalb des Kondensations-Wärme­ tauschers 34 angeordnet und umfaßt eine konische Seiten­ wand 71 sowie eine Bodenwand 73 mit einer Öffnung 72, die mit dem oberen Endabschnitt des Innenrohrs 56 verbunden ist. Die Bodenwand 73 ist durch mehrere Halteelemente 74 gehaltert. Das durch den Wärmetauscher 34 kondensierte Flüssighelium tropft dabei auf die Bodenwand 73 der Wanne 70. Das Flüssighelium wird zur Öffnung 72 geleitet und über diese in das Innenrohr 56 eingeführt. Das Flüssig­ helium wird dabei nicht durch das gasförmige Helium ge­ stört, das vom oberen Endabschnitt (Zulaß 66) des ersten Rohrs 61 in den Kondensationsraum 35 eingeleitet wird. Bei der Flüssighelium-Leiteinrichtung ist somit die Wanne (oder Mulde) 70 an dem durch den Zulaß 66 in den Konden­ sationsraum 35 hineinreichenden oberen Ende des Innen­ rohrs 56 montiert.

Der untere Endabschnitt des Außenrohrs 57 (d.h. die unteren Endabschnitte von erstem und zweitem Rohr 61 bzw. 62) sind in den Flüssighelium-Behälter 23 eingesetzt bzw. in diesen hineingeführt. Der untere Endabschnitt des Innen­ rohrs 56 erstreckt sich dabei durch den unteren Endab­ schnitt des ersten Rohrs 61 in den Behälter 23 hinein. Das an der Innenseite des Innenrohrs 56 herabfließende Flüssighelium tritt am unteren Endabschnitt des Innen­ rohrs 56 aus. Dabei wird verdampftes gasförmiges Helium automatisch in den Zwischenraum zwischen erstem Rohr 61 und Innenrohr 56 eingeführt. Bei der Heliumgas-Leitein­ richtung ist somit der untere Endabschnitt des Innenrohrs 56 durch den unteren Endabschnitt des ersten Rohrs 61 hindurch in den Flüssighelium-Behälter 23 eingeführt. Außerdem ist dabei der untere Endabschnitt des Innenrohrs 56 schräg geschnitten, d.h. der untere Endabschnitt des Innenrohrs 56 weist eine Schrägung 75 auf. Das Flüssig­ helium tropft daher vom unteren Ende des Innenrohrs 56 über eine kurze Strecke herab.

Das im Behälter 23 verdampfte gasförmige Helium wird in den Zwischenraum (d.h. Heliumgas-Durchgang 58) zwischen Innenrohr 56 und erstem Rohr 61 geleitet. Das gasförmige Helium strömt dabei im Raum zwischen Innenrohr 56 und erstem Rohr 61 aufwärts, um über den Zulaß 66 in den Kondensationsraum 35 einzutreten. Durch den Kondensations- Wärmetauscher 34 wird das gasförmige Helium durch Kon­ densation wieder in Flüssighelium überführt, das dann auf die Bodenwand 73 der Auffang-Wanne 70 herabtropft. Das Flüssighelium wird über die Öffnung 72 in das Innenrohr 56 (d.h. Flüssighelium-Durchgang 59) eingeleitet, um durch das Innenrohr 56 abwärts zu strömen. Das Flüssig­ helium tritt sodann an der Schrägung 75 des Innenrohrs 56 in den Flüssighelium-Behälter 23 ein.

Ein Querschnittsflächenverhältnis der Strömungswege oder -durchgänge hat einen großen Einfluß auf die Strömungs­ zustände der gasförmigen und flüssigen Heliumanteile. Er­ findungsgemäß wurde die Beziehung zwischen diesem Ver­ hältnis und der Kühlleistung des Heliumkühlgeräts unter­ sucht. Für den Fall, daß der Innenraum des Innenrohrs als Heliumgas-Durchgang definiert ist und das erste Rohr 61 des Außenrohrs 57 einen Innendurchmesser von 5 mm be­ sitzt, wurde die Beziehung zwischen der Kühlleistung des Heliumkühlgeräts und einem Verhältnis (Querschnittsfläche des Heliumgas-Durchgangs)/[(Querschnittsfläche des Helium­ gas-Durchgangs)+(Querschnittsfläche des Flüssighelium- Durchgangs)] berechnet. Das Ergebnis dieser Berechnung ist durch eine ausgezogene Linie in Fig. 5 dargestellt. In Fig. 5 ist in gestrichelter Linie die Kühlleistung eines herkömmlichen Geräts angegeben, das eine Verbindungs­ leitung (Innendurchmesser=5 mm) aufweist, durch welche das gasförmige Helium zusammen mit dem Flüssighelium strömt. Wie sich aus einer Differenz zwischen den ausgezogenen und gestrichelten Linien in Fig. 5 ergibt, ist dann, wenn das genannte Verhältnis 50-60% entspricht, die Kühl­ leistung des erfindungsgemäßen Heliumkühlgeräts am größten, wobei sie etwa das 8-fache der Kühlleistung des herkömm­ lichen Geräts beträgt. Dabei kann vorausgesetzt werden, daß die Stauerscheinung in der Verbindungsleitung kaum auftreten kann. Wenn das genannte Verhältnis gemäß Fig. 5 vergrößert oder verkleinert wird, verschlechtert sich die Kühlleistung, weil der engere Strömungsweg oder -Durch­ gang leicht durch (flüssiges) Helium blockiert werden kann. Aus Fig. 5 geht jedoch auch hervor, daß das er­ findungsgemäße Heliumkühlgerät auch bei einem Verhältnis entsprechend 15-75% eine größere Kühlleistung besitzt als das herkömmliche Gerät.

Erfindungsgemäß wurde ein weiterer Versuch mit dem Helium­ kühlgerät gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt. Dabei betrugen Innendurchmesser und Außendurchmesser des Innenrohrs der Verbindungsleitung jeweils 3,19 mm bzw. 3,75 mm. Innen- und Außendurchmesser des ersten Rohrs des Außenrohrs betrugen 5 mm bzw. 6 mm. Bei diesem Ver­ such wurde im Betrieb des Heliumkühlgeräts die Beziehung zwischen dem im Flüssighelium-Behälter herrschenden Druck und der diesem Behälter zugeführten Wärmeenergie(menge) ermittelt. Das Versuchsergebnis ist in Fig. 6 graphisch dargestellt. Die Beziehung zwischen dem Druck im Flüssig­ helium-Behälter und der diesem Behälter zugeführten Energie­ (menge) im Betrieb des herkömmlichen Heliumkühlgeräts ist durch die gestrichelte Linie in Fig. 6 angegeben. Wie sich aus Fig. 6 ergibt, steigt beim herkömmlichen Gerät, wenn die dem Behälter zugeführte Wärmeenergie(menge) eine vorbestimmte Größe erreicht, der Druck im Behälter schlag­ artig an, wobei das Kühlgerät betriebsunwirksam wird und die sogenannte Stauerscheinung in der Verbindungsleitung auftritt. Beim erfindungsgemäßen Heliumkühlgerät steigt dagegen der Druck im Behälter nur geringfügig an, auch wenn die dem Behälter zugeführte Wärmeenergie(menge) vergrößert wird. Infolgedessen kann angenommen werden, daß (beim erfindungsgemäßen Gerät) die sogenannte Stauer­ scheinung kaum auftritt und die Kühlleistung des Helium­ kühlgeräts nicht beeinträchtigt wird.

Hierdurch wird belegt, daß die Erfindung die oben er­ wähnte Wirkung zu gewährleisten vermag.

Die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehend beschrie­ benen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Außen- und Innenrohre der Verbindungsleitung können zylindrisch sein, wobei ihre Werkstoffe und Formen keinen speziellen Ein­ schränkungen unterworfen sind. Die Auffang-Wanne kann eine beliebige Form aufweisen, sofern sie den unteren Abschnitt des Kondensations-Wärmetauschers überspannt und das herab­ tropfende Flüssighelium in das Innenrohr zu führen vermag. Die Kälteleistung des Kälteapparats ist ebenfalls nicht auf etwa 4 W beschränkt.

Claims (16)

1. Heliumkühlgerät, umfassend einen Flüssigkeitshelium- Behälter (23), der Flüssighelium (24) speichert, einen einen Kondensations-Wärmetauscher (34) zum Kondensieren von gasförmigem Helium zu Flüssighelium enthaltenden Kondensationsraum (35) und eine Verbindungsleitung (transfer tube) (55) zur Verbindung des Flüssighelium- Behälters (23) mit dem Kondensationsraum (35), dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (55) einen Heliumgas-Strömungsweg oder -Durchgang (58) und einen von diesem getrennten Flüssighelium-Strömungs­ weg oder -Durchgang (59) aufweist, wobei dann, wenn im Flüssighelium-Behälter (23) enthaltenes Flüssighelium (24) zu gasförmigem Helium verdampft, das gasförmige Helium über den Heliumgas-Durchgang (58) in den Kon­ densationsraum (35) überführbar und durch den Konden­ sations-Wärmetauscher (34) zu Flüssighelium konden­ sierbar ist und das Flüssighelium über den Flüssig­ helium-Durchgang (59) zum Flüssighelium-Behälter (23) (zurück) leitbar ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heliumgas-Durchgang (58) und der Flüssighelium- Durchgang (59) jeweils Querschnittsflächen aufweisen, welche einem Verhältnis (Querschnittsfläche des Helium­ gas-Durchgangs)/[(Querschnittsfläche des Heliumgas- Durchgangs)+(Querschnittsfläche des Flüssighelium- Durchgangs)] von 0,15-0,85 entsprechen.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (55) ein Innenrohr (56) mit einem Innenraum, einem im Kondensationsraum (35) münden­ den oberen Endabschnitt und einem im Flüssighelium- Behälter (23) mündenden unteren Endabschnitt, und ein das Innenrohr (56) umgebendes oder umschließendes Außenrohr (57) aufweist, dessen Durchmesser größer ist als der des Innenrohrs (56) und mit letzterem einen Zwischenraum festlegt und das einen im Kondensations­ raum (35) mündenden oberen Endabschnitt sowie einen im Flüssighelium-Behälter (23) mündenden unteren Endab­ schnitt umfaßt, so daß der Innenraum des Innenrohrs (56) den Heliumgas-Durchgang (58) und der Zwischenraum zwischen Außen- und Innenrohr (57 bzw. 56) den Flüssig­ helium-Durchgang (59) festlegen.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (57) ein erstes Rohr (61) und ein das erste Rohr (61) mit einem vorbestimmten Abstand dazu umschließendes zweites Rohr (62) umfaßt.

5. Gerät (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (55) ein Innenrohr (56) mit einem im Kondensationsraum (35) mündenden oberen Endabschnitt und einem im Flüssighelium-Behälter (23) mündenden unteren Endabschnitt sowie ein einen größeren Durchmesser als das Innenrohr (56) besitzendes und letzteres umschließendes Außenrohr (57) mit einem im Kondensationsraum (35) mündenden oberen Endabschnitt und einem im Flüssighelium-Behälter (23) mündenden unteren Endabschnitt aufweist, wobei ein Innenraum im Innenrohr (56) den Flüssighelium-Durchgang (59) und ein Zwischenraum zwischen Außen- und Innenrohr (57 bzw. 56) den Heliumgas-Durchgang (58) festlegen.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (57) ein erstes Rohr (61) und ein das erste Rohr (61) mit einem vorbestimmten Abstand dazu umschließendes zweites Rohr (62) aufweist.

7. Heliumkühlgerät, umfassend einen Flüssighelium-Behäl­ ter (23), der Flüssighelium (24) speichert, einen einen Kondensations-Wärmetauscher (34) zum Kondensieren von gasförmigem Helium zu Flüssighelium enthaltenden Kon­ densationsraum (35) und eine Verbindungsleitung (55) zur Verbindung des Flüssighelium-Behälters (23) mit dem Kondensationsraum (35), dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (55) umfaßt:
ein Innenrohr (56) mit einem im Kondensationsraum (35) mündenden oberen Endabschnitt und einem im Flüssig­ helium-Behälter (23) mündenden unteren Endabschnitt,
ein einen größeren Durchmesser als das Innenrohr (56) aufweisendes und letzteres umgebendes oder umschließen­ des Außenrohr (57) mit einem im Kondensationsraum (35) mündenden oberen Endabschnitt und einem im Flüssig­ helium-Behälter (23) mündenden unteren Endab­ schnitt,
eine Heliumgas-Leiteinrichtung zum Trennen des im Flüssighelium-Behälter (23) verdampften gasförmigen Heliums vom Flüssighelium und zur Führung des gas­ förmigen Heliums zu einem Innenraum des Innenrohrs (56) zwecks Festlegung des Innenraums des Innenrohrs (56) als Heliumgas-Strömungsweg oder -Durchgang (58) und
eine Flüssighelium-Leiteinrichtung zum Trennen des im Kondensationsraum (35) kondensierten Flüssigheliums vom gasförmigen Helium und zum Führen des Flüssig­ heliums zu einem Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr (56 bzw. 57) zwecks Festlegung des Zwischen­ raums zwischen Innen- und Außenrohr (56 bzw. 57) als Flüssighelium-Strömungsweg oder -Durchgang (59), so daß dann, wenn im Flüssighelium-Behälter (23) enthal­ tenes Flüssighelium (24) zu gasförmigem Helium ver­ dampft, letzteres über den Innenraum des Innenrohrs (56) zum Kondensationsraum (35) geleitet und durch den Kondensations-Wärmetauscher (34) zu Flüssighelium kon­ densiert wird und das Flüssighelium über den Zwischen­ raum zwischen Innen- und Außenrohr (56 bzw. 57) zum Flüssighelium-Behälter (23) (zurück) geleitet wird.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heliumgas-Leiteinrichtung ein Leitelement (63) auf­ weist, das am unteren Endabschnitt des den unteren Endabschnitt des Außenrohrs (57) durchsetzenden Innen­ rohrs (56) montiert ist, das im Flüssighelium-Behälter (23) verdampfte gasförmige Helium in den Innenraum des Innenrohrs (56) einleitet und das im Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr (56, 57) herabtropfende Flüssighelium vom gasförmigen Helium trennt und das Flüssighelium herabtropfen läßt.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (63) ein kegelstumpfförmiges Element (64) aufweist, das ein offenes oberes Ende eines kleinen Durchmessers und ein offenes unteres Ende eines größeren Durchmessers besitzt, wobei das offene obere Ende mit dem unteren Endabschnitt des Innenrohrs (56) verbunden ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (63) einen Zylinder (65) aufweist, der mit dem offenen unteren Ende des kegelstumpfför­ migen Elements (64) verbunden ist, ein unteres offenes Ende aufweist und dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Innenrohrs (56).

11. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsraum (33) einen Zulaß (66) aufweist, die Heliumgas-Leiteinrichtung so angeordnet ist, daß der obere Endabschnitt des Außenrohrs (56) mit dem Zu­ laß (66) des Kondensationsraums (35) verbunden ist, und der obere Endabschnitt des Innenrohrs sich durch den Zulaß (66) des Kondensationsraums (35) hindurch in letzteren hinein erstreckt.

12. Heliumkühlgerät, umfassend einen Flüssighelium-Behälter (23), der Flüssighelium (24) speichert, einen einen Kondensations-Wärmetauscher (34) zum Kondensieren von gasförmigem Helium zu Flüssighelium enthaltenden Kon­ densationsraum (35) und eine Verbindungsleitung (55) zur Verbindung des Flüssighelium-Behälters (23) mit dem Kondensationsraum (35), dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (55) umfaßt:
ein Innenrohr (56) mit einem im Kondensationsraum (35) mündenden oberen Endabschnitt und einem im Flüssig­ helium-Behälter (23) mündenden unteren Endabschnitt,
ein einen größeren Durchmesser als das Innenrohr (56) besitzendes und letzteres umschließendes Außenrohr (57) mit einem im Kondensationsraum (35) mündenden oberen Endabschnitt und einem im Flüssighelium-Behälter (23) mündenden unteren Endabschnitt,
eine Heliumgas-Leiteinrichtung zum Trennen des im Flüssighelium-Behälter (23) verdampften gasförmigen Heliums vom Flüssighelium und zum Führen des gasförmigen Heliums zu einem Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr (56 bzw. 57) zwecks Festlegung des Zwischen­ raums zwischen Innen- und Außenrohr (56 bzw. 57) als Heliumgas-Strömungsweg oder -Durchgang (58) und
eine Flüssighelium-Leiteinrichtung zum Trennen des im Kondensationsraum (35) kondensierten Flüssigheliums vom gasförmigen Helium und Leiten des Flüssigheliums zu einem Innenraum des Innenrohrs (56) zwecks Fest­ legung des Innenraums des Innenrohrs (56) als Flüssig­ helium-Strömungsweg oder -Durchgang (59), so daß dann, wenn das im Flüssighelium-Behälter (23) enthaltene Flüssighelium (24) zu gasförmigem Helium verdampft, letzteres über den Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr (56, 57) zum Kondensationsraum (35) geführt und durch den Kondensations-Wärmetauscher (34) zu Flüssighelium kondensiert wird und das Flüssighelium (sodann) über den Innenraum des Innenrohrs (56) zum Flüssighelium-Behälter (23) (zurück) geleitet wird.

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Heliumgas-Leiteinrichtung so angeordnet ist, daß sich der untere Endabschnitt des Innenrohrs (56) durch den unteren Endabschnitt des Außenrohrs (57) hindurch in den Flüssighelium-Behälter (23) hinein erstreckt.

14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Endabschnitt des Innenrohrs (56) schräg geschnitten ist.

15. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssighelium-Leiteinrichtung eine Auffang-Wanne (70) aufweist, die an dem sich durch den oberen End­ abschnitt des Außenrohrs (57) in den Kondensations­ raum (35) erstreckenden oberen Endabschnitt des Innen­ rohrs (56) montiert und unterhalb des Kondensations- Wärmetauschers (34) angeordnet ist und die das konden­ sierte Flüssighelium auffängt und zum Innenraum des Innenrohrs (56) leitet.

16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffang-Wanne (70) eine zylindrische (oder ko­ nische) Seitenwand (71) und eine mit letzterer ver­ bundene Bodenwand (73) aufweist, die mit einer an den oberen Endabschnitt des Innenrohrs (56) angeschlossenen Öffnung (72) versehen ist.