DE3739070C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Heliumkühlgerät gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Ein bisheriges Heliumkühlgerät (JP 60-73 264) besitzt den in Fig. 1 gezeigten
Aufbau. Das Heliumkühlgerät 1 umfaßt einen Flüssighelium-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 aufweist,
mit dem ein(e) zur Außenatmosphäre hin offene(s)
Leitung oder Rohr 10 verbunden ist. Der Flüssighelium-Behälter
3 kommuniziert mit dem Kondensationsraum 5 über
die Verbindungsleitung 11, die in das
Rohr 10 und den Zulaß 9 eingesetzt ist. Der Kondensations-
Wärmetauscher 4 ist mit einem Kälteapparat 8 für die Zufuhr
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 verdampfte
gasförmige Helium wird über die Verbindungsleitung
11 in den Kondensationsraum 5 überführt. Die Temperatur
einer Wärme(ab)leitfläche des Kondensations-Wärmetauschers
4 ist auf 4,2 K eingestellt. Durch den Wärmetauscher 4 wird
das gasförmige Helium wieder zu Flüssighelium kondensiert,
das dann unter Schwerkrafteinfluß in der Verbindungsleitung
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 zufriedenstellend
gekühlt werden kann.
Wenn die zum Flüssighelium-Behälter 3 übertragene Wärmeenergie(menge)
zunimmt, nimmt auch die Menge des im
Flüssighelium-Behälter 3 verdampften gasförmigen Heliums
zu. Infolgedessen erhöht sich die Strömungs- oder Durchsatzmenge
des die Verbindungsleitung 11 in Aufwärtsrichtung
durchströmenden gasförmigen Heliums, wobei das durch
die Verbindungsleitung 11 absinkende (abwärts strömende)
Flüssighelium mit dem gasförmigen Helium in Aufwärtsrichtung
mitgerissen wird. Dabei wird insbesondere das Innere
der Verbindungsleitung 11 durch das in ersterer aufsteigende
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 befindliche
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 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 Strömungsmengen
von Flüssighelium und gasförmigem Helium bestimmen
sich durch die von der Außenatmosphäre zum Flüssighelium-Behälter
3 übertragene Wärmeenergie(menge).
Erfindungsgemäß wurden mit dem bisherigen Heliumkühlgerät
verschiedene Versuche zur Ermittlung der Beziehung zwischen
dem Flüssigheliumspiegel im Behälter 3 und dem Zeitablauf
sowie der Beziehung zwischen dem Flüssigheliumspiegel
im Kondensationsraum 5 und dem Zeitablauf durchgeführt.
Bei diesen Versuchen wurde eine Verbindungsleitung
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 unabhängig
von der Zeit konstant. Bei Zufuhr einer Wärmeenergie(menge)
von 0,7 W zum Flüssighelium-Behälter 3 tritt dagegen
die Stauerscheinung auf. Mit anderen Worten: der
größte Teil des im Flüssighelium-Behälter 3 befindlichen
Flüssigheliums wird (dabei) durch die Wärmeenergie verdampft
und damit in gasförmiges Helium überführt, das sodann
über die Verbindungsleitung 11 dem Kondensationsraum
5 zugeführt wird. Dabei wird das Innere der Verbindungsleitung
11 durch das durch letztere aufsteigende
gasförmige Helium blockiert, so daß das Flüssighelium aus
dem Kondensationsraum 5 nicht mehr durch die Verbindungsleitung
11 abwärts strömen bzw. absinken kann. Bei Zufuhr
einer Wärmeenergie(menge) von 0,7 W zum Flüssighelium-Behälter
3 sinkt daher der Flüssigkeitsspiegel im
Behälter 3 ab, während der Flüssigkeitsspiegel im Kondensationsraum
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 8 eine Kälteleistung von
4-5 W und der Kondensations-Wärmetauscher 4 eine Kondensationsleistung
von 4-5 W besitzen, beträgt die tatsächlich
für die Kondensation aufgewandte Energie 0,7 W
oder weniger. Zur Vermeidung der Stauerscheinung und zur
Maximierung der Kondensationsleistung des Heliumkühlgeräts
muß daher der Innendurchmesser der Verbindungsleitung
vergleichsweise groß sein.
Wenn der Innendurchmesser der Verbindungsleitung 11 vergleichsweise
groß ist, müssen die Abmessungen des Zulasses
9 und des Rohrs 10, in welche jeweils die Verbindungsleitung
11 eingesetzt ist, vergrößert werden.
Infolgedessen nimmt die von der Außenatmosphäre zum
Flüssighelium-Behälter 3 über Zulaß 9 und Rohr 10 zugeführte
Wärmeenergie(menge) zu. Mit anderen Worten: mit
einer Vergrößerung des Innendurchmessers der Verbindungsleitung
können die Stauerscheinung in der Verbindungsleitung
verhindert und eine zufriedenstellende Kühlleistung
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 (wieder)
die Stauerscheinung auf, so daß eine zufriedenstellende
Kühlleistung des Geräts nicht erreicht werden kann.
Es ist daher schwierig, eine zufriedenstellende Kühlleistung
des Heliumkühlgeräts zu erzielen, wenn die Verbindungsleitung
einen kleinen Innendurchmesser aufweisen
und eine Stauerscheinung verhindert werden soll. Dies bedeutet,
daß mit einer kompakten Bauweise des Geräts eine
zufriedenstellende Kühlleistung des Heliumkühlgeräts
schwierig zu erzielen ist.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines kompakt
gebauten und eine zufriedenstellende Kühlleistung
aufweisenden Heliumkühlgeräts, bei dem das Auftreten einer
Stauerscheinung auch dann vermieden werden soll, wenn
der Innendurchmesser einer Verbindungsleitung nicht vergrößert
ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teiles des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Wenn das im Flüssighelium-Behälter enthaltene Flüssighelium
verdampft und damit in gasförmiges Helium überführt
wird, wird letzteres durch den Heliumgas-Durchgang in den
Kondensationsraum geleitet und dann in diesem zu Flüssighelium
kondensiert, das sodann über den Flüssighelium-
Durchgang in den Flüssighelium-Behälter geleitet wird.
Dies bedeutet, daß die Heliumgas- und Flüssighelium-Durchgänge
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. Infolgedessen
wird das Auftreten einer Stauerscheinung in der
Verbindungsleitung vermieden. Auch wenn der Innendurchmesser
der Verbindungsleitung nicht vergleichsweise groß
ist, wird die Kühlkapazität oder -leistung des Heliumkühlgeräts
nicht beeinträchtigt. Mit der Erfindung wird
mithin ein kompakt gebautes Heliumkühlgerät mit einer zufriedenstellenden
Kühlleistung geschaffen.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er
findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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 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
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 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 300 K, und das Kältemittel wird
durch die Wärmetauscher 43, 50, 44 und 51 auf etwa 16 K
gekühlt. Durch den Wärmetauscher 45 wird das Kältemittel
weiter auf etwa 5 K 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 4,2 K 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 4,2 K 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 8fache 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 (13)
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
(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-Strömungsweg oder -Durchgang (59) aufweist.
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 Heliumgas-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) und ein das Innenrohr (56) umgebendes
Außenrohr (57) aufweist, dessen Durchmesser größer ist
als der des Innenrohres (56) und das mit letzterem einen
Zwischenraum festlegt.
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 umgebendes zweites Rohr (62) aufweist.
5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung
(55) umfaßt:
eine Heliumgas-Leiteinrichtung zum Trennen des im Flüssighelium-Behälter (23) verdampften gasförmigen Heliums vom Flüssighelium und zur Führung des gasförmigen Heliums zum Innenrohr (56) oder zum Raum zwischen dem Innenrohr (56) und dem Außenrohr (57) und
eine Flüssighelium-Leiteinrichtung zum Trennen des im Kondensationsraum (35) kondensierten Flüssigheliums vom gasförmigen Helium und zum Führen des Flüssigheliums zu dem Raum zwischen dem Innenrohr (56) und dem Außenrohr (57) oder zum Innenrohr (56).
eine Heliumgas-Leiteinrichtung zum Trennen des im Flüssighelium-Behälter (23) verdampften gasförmigen Heliums vom Flüssighelium und zur Führung des gasförmigen Heliums zum Innenrohr (56) oder zum Raum zwischen dem Innenrohr (56) und dem Außenrohr (57) und
eine Flüssighelium-Leiteinrichtung zum Trennen des im Kondensationsraum (35) kondensierten Flüssigheliums vom gasförmigen Helium und zum Führen des Flüssigheliums zu dem Raum zwischen dem Innenrohr (56) und dem Außenrohr (57) oder zum Innenrohr (56).
6. Gerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Heliumgas-Leiteinrichtung
ein Leitelement (63) aufweist, das am
unteren Endabschnitt des sich durch den unteren Endabschnitt
des Außenrohres (57) erstreckenden Innenrohres
(56) angebracht ist und das im Flüssighelium-
Behälter (23) verdampfte gasförmige Helium in das
Innenrohr (56) einleitet und das im Raum zwischen
dem Innenrohr (56) und dem Außenrohr (57) herabtropfende
Flüssighelium vom gasförmigen Helium
trennt und das Flüssighelium herabtropfen läßt.
7. Gerät nach Anspruch 6,
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 Innenrohres (56) verbunden ist.
8. Gerät nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (63) einen
Zylinder (65) aufweist, der mit dem offenen unteren
Ende des kegelstumpfförmigen Elements (64) verbunden
ist, ein unteres offenes Ende aufweist und dessen Innendurchmesser
größer ist als der Außendurchmesser des
Innenrohres (56).
9. Gerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsraum (35)
einen Zulaß (66) aufweist, die Heliumgas-Leiteinrichtung
so angeordnet ist, daß der obere Endabschnitt des Außenrohres
(56) mit dem Zulaß (66) des Kondensationsraums
(35) verbunden ist, und der obere Endabschnitt des Innenrohres
sich durch den Zulaß (66) des Kondensationsraumes (35)
hindurch in letzteren hinein erstreckt.
10. Gerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der untere Endabschnitt des
Innenrohres (56) sich durch den unteren Endabschnitt
des Außenrohres (57) hindurch in den Flüssighelium-
Behälter (23) erstreckt.
11. Gerät nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der untere Endabschnitt des
Innenrohres (56) schräg geschnitten ist.
12. Gerät nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssighelium-Leiteinrichtung
eine Auffang-Wanne (70) aufweist, die
an dem sich durch den oberen Endabschnitt des Außenrohres
(57) in den Kondensationsraum (35) erstreckenden
oberen Endabschnitt des Innenrohres (56) montiert
und unterhalb des Kondensations-Wärmetauschers (34)
angeordnet ist und die das kondensierte Flüssighelium
auffängt und zum Innenrohr (56) leitet.
13. Gerät nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auffang-Wanne (70)
eine zylindrische Seitenwand (71) und eine mit letzterer
verbundene Bodenwand (73) aufweist, die mit einer an den
oberen Endabschnitt des Innenrohres (56) angeschlossenen
Öffnung (72) versehen ist.
Applications Claiming Priority (1)
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