DE4418724A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung sehr tiefer Temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung sehr tiefer Temperaturen durch Entspannen von Helium im Kaltkopf eines Refrigerators und durch Entspannen von Helium in einer Joule-Thomson-Stufe, welche dem Kaltkopf des Refrigerators nachgeordnet ist. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Aus dem Buch "CRYOPUMPING, Theory and Practice" von Rene A. Haefer, 1989, ist ein Verfahren dieser Art bekannt. Der Durchführung dient ein nach dem Gifford-McMahon-Prinzip betriebener Refrigerator mit einem zweistufigen Kaltkopf. Das Helium wird in bekannter Weise im Kreislauf geführt. Es wird mit 20 bar dem Kaltkopf zugeführt, in den beiden Kältestufen auf 5 bar entspannt und zum Kompressor zurück­ geführt. In einem zweiten Kreislauf wird Helium von etwa 20 bar durch eine Serie von insgesamt fünf Wärmetauschern der Engstelle der Joule-Thomson-Stufe zugeführt. In den Wärme­ tauschern wird das Helium mit Hilfe der Kaltköpfe des Refrigerators und mit Hilfe des in der Joule-Thomson-Stufe entspannten, zurückströmenden Heliums vorgekühlt. In der Joule-Thomson-Stufe erfolgt eine Entspannung des Helium auf 1 bar. Zusätzlich zum Kompressor im Refrigerator-Helium-Kreislauf ist deshalb ein weiterer Kompressor vorgesehen, der das Helium des Joule-Thomson-Kreislaufs von 1 bar auf 5 bar komprimiert.

Bei Joule-Thomson-Stufen, die in der beschriebenen Weise zur Erzeugung tiefer Temperaturen eingesetzt werden, besteht der generelle Nachteil, daß sich ihre Engstellen relativ schnell zusetzen. Bei der beschriebenen Einrichtung nach dem Stand der Technik sind deshalb - neben der ohnehin im Kompressor befindlichen Gas-Reinigung - auf dem Weg des zur Engstelle strömenden Heliums mehrere Gas-Reinigungsstufen vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren und auch die für die Durchfüh­ rung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu vereinfachen und effektiver zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß das der Joule-Thomson-Stufe zugeführte Helium der kalten Seite des Kalt­ kopfes des Refrigerators entnommen wird. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß das der Engstelle der Joule-Thomson-Stufe zuströmende Gas vorher den Kaltkopf durch­ strömt und auf diesem Wege nicht nur vorgekühlt, sondern auch besonders gründlich gereinigt wird. Die Engstelle der Joule-Thomson-Stufe zusetzende Verunreinigungen, wie Was­ serstoff, Methan, Öldämpfe oder dergleichen, frieren im Regenerator des Displacers des Kaltkopfes aus bzw. werden darin zurückgehalten. Gesonderte Reinigungsstufen sind nicht mehr erforderlich. Auch gesonderte Wärmetauscher zur Vor­ kühlung des Heliums mit der oder den Kältestufen des Refri­ gerators können entfallen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbei­ spieles erläutert werden.

In der Figur ist ein zweistufiger, nach dem Gifford-McMahon-Prinzip betriebener Refrigerator dargestellt. Er umfaßt den Kaltkopf 1 mit den Gehäuseteilen 2 und 3. Im Gehäuseteil 2 sind die zylindrischen Arbeitsräume 4 und 5 für die beiden Verdränger 6 und 7 untergebracht.

Der obere Verdränger 6 ist mit einem Antriebskolben 8 ausgerüstet, dessen zugehöriger Zylinder 9 in einer Füh­ rungsbuchse 10 untergebracht ist, die den Arbeitsraum 4 zum Gehäuseteil 3 hin abschließt. Die Führungsbuchse 10 ist mit den Bohrungen 11, 12 und 13 ausgerüstet. Die Bohrung 11 mündet in den Arbeitsraum 4 und dient der Versorgung dieses Raumes mit Arbeitsgas. Die Bohrung 13 mündet in einer Querbohrung 14, die mit einer Ringnut 15 in der Außenwandung der Führungsbuchse 10 verbunden ist. Zwei weitere Bohrungen 12 sind durch strichpunktierte Linien angedeutet und dienen dem pneumatischen Antrieb des aus den Verdrängern 6 und 7 bestehenden Systems. Die verschiedenen Bohrungen liegen in von der Zeichenebene unterschiedlichen Ebenen, so daß sie einander nicht kreuzen, was durch die Strichelung bezie­ hungsweise Strichpunktierung angedeutet ist.

Im Gehäuseteil 3 ist der Steuermotor 16 untergebracht, der über die Welle 17 das Steuerventil 18 betätigt. Dieses Steuerventil 18 dient in an sich bekannter Weise der Ver­ sorgung der verschiedenen Bohrungen mit unter Hochdruck und unter Niederdruck stehendem Arbeitsgas.

Die Anschlüsse für das Hochdruck- und das Niederdruckar­ beitsgas sind mit 19 und 20 bezeichnet. Die Trennebene 21 zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 liegt in Höhe des Steu­ erventils 18. Sie ist so gewählt, daß nach der Entfernung des oberen Gehäuseteils 3 mit Motor 16 und Ventil 18 oberhalb der Führungsbuchse 10 ein flacher topfförmiger Raum 22 vorhanden ist. In Höhe dieses Raumes 22 ist eine die Wandung des Gehäuseteils 2 durchsetzende Bohrung 23 vorge­ sehen, die den Raum 22 mit dem Hochdruckanschluß 19 verbin­ det. Der Niederdruckanschluß 20 ist an die Bohrung 24 im Gehäuseteil 3 angeschlossen, welche in die Ringnut 15 der Führungsbuchse 10 mündet.

Während des Betriebs des dargestellten Refrigerators strömt das unter Hochdruck stehende Arbeitsgas über den Anschluß 19 in die Kammer 22. Von dort aus werden mit Hilfe des Steuer­ ventils 18 die verschiedenen Bohrungen versorgt. Das Ar­ beitsgas gelangt nach seiner Entspannung in den Refrigera­ torstufen in die Bohrungen 13, 14 und strömt über die Ringnut 15 und den Niederdruckanschluß 20 ab.

Zum Refrigerator gehört auch noch der Kompressor 31, dessen Einlaß über die Leitung 32 mit dem Niederdruckanschluß 20 und dessen Auslaß über die Leitung 33 mit dem Hochdruckan­ schluß 19 in Verbindung steht.

Mit Refrigeratoren dieser Art können im Bereich des kalten Endes (Flansch 34) der zweiten Stufe 5, 7 des Kaltkopfes 1 Temperaturen von etwa 10° Kelvin mit einer Leistung von 1 Watt erzeugt werden.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist außerdem mit der erfindungsgemäßen Joule-Thomson-Stufe 35 ausgerüstet. Diese umfaßt die passive Engstelle 36, die als Düse, Sinterscheibe oder Kapillare ausgebildet sein kann. Um das Arbeitsgas Helium der Engstelle 36 unmittelbar aus dem Kaltkopf 1 zuführen zu können, ist der Flansch 34 der zweiten Kälte­ stufe mit einer Bohrung 38 versehen, in die der Rohrab­ schnitt 39 eingelötet ist. Dieser besteht zweckmäßig aus Edelstahl, damit die zweite Kältestufe des Kaltkopfes 1 und die Joule-Thomson-Stufe 35 durch einen Wärmewiderstand voneinander getrennt sind.

Das sich in Höhe der Engstelle 36 entspannende und abküh­ lende Helium strömt in eine Kammer 41. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kammer 41 mit Metallnetzen 42 gefüllt. Der Werkstoff für die Metallnetze ist zweckmäßig Kupfer oder Silber. Diese Werkstoffe haben bei Temperaturen unter 10 K eine gute Wärmeleitfähigkeit.

Das entspannte Arbeitsgas verläßt die Kammer 41 und strömt über die Leitung 45 dem Einlaß eines Niederdruckkompressors 46 zu. Dieser komprimiert das Arbeitsgas auf den Einlaßdruck des Kompressors 31, so daß der Auslaß des Niederdruckkom­ pressors über die Leitung 47 mit der Leitung 32 verbunden werden kann.

Zweckmäßig wird das beschriebene Ausführungsbeispiel mit den folgenden Drücken betrieben: Der Kompressor 31 bringt das Arbeitsgas auf einen Druck von 10 bis 30 bar, vorzugsweise etwa 20 bar. In den Kälterstufen 4, 6 und 5, 7 des Refri­ gerators erfolgt eine Entspannung des Heliums auf 2 bis 8 bar, vorzugsweise etwa 4 bar. Ein Teil des Heliums des Refrigeratorkreislaufs (ca. 2%), welches im Bereich des kalten Endes 34 der zweiten Stufe 5, 7 des Refrigerators bereits eine Temperatur von etwa 6 K hat, wird der Engstelle 36 der Joule-Thomson-Stufe zugeführt. Es entspannt sich dort auf einen Druck von 20 mbar bis 1 bar, vorzugsweise 0,6 bar. Die Entspannung bewirkt eine weitere Temperaturerniedrigung, und zwar auf etwa 4,2 K. Das entspannte und abgekühlte Helium durchströmt die Kammer 41 mit den Netzen 42. Es verläßt die Kammer 41 über die Leitung 45 und wird dem Niederdruckkompressor 46 zugeführt, der es auf den Nieder­ druck im Refrigerator-Kreislauf komprimiert.

Während des Betriebs des beschriebenen Ausführungsbeispiels können im Bereich des Flansches 43 Temperaturen von etwa 4,5 K mit einer Leistung von 10 mW erzeugt werden. Temperaturen dieser Größenordnung sind für die Verflüssigung von Helium oder beim Einsatz von flüssigem Helium erforderlich, bei­ spielsweise bei

• - supraleitenden Spulen, Mikrowellensystemen, Schaltern oder
• - SQUID-Magnetometern.

Die Anwendung der Erfindung ist bei einstufigen und mehr­ stufigen Gifford-McMahon-Refrigeratoren oder bei ähnlichen Refrigeratoren möglich. Alte Refrigeratoren, die mit rege­ nerativen Wärmetauschern arbeiten, können ausgerüstet werden. Wesentlich ist, daß das Arbeitsgas ein oder mehrere Kältestufen durchströmt hat, bevor es der Engstelle der Joule-Thomson-Stufe zugeführt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung sehr tiefer Temperaturen durch Entspannen von Helium im Kaltkopf (1) eines Refrigera­ tors und durch Entspannen von Helium in einer Joule-Thomson-Stufe (35), welche den Kaltkopf (1) des Refri­ gerators nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das der Joule-Thomson-Stufe (35) zugeführte Helium der kalten Seite (34) des Kaltkopfes (1) entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltkopf (1) mindestens zwei Kältestufen (4, 6; 5, 7) aufweist, daß die Joule-Thomson-Stufe (35) auf der Temperatur der kältesten Stufe (5, 7) des Kaltkopfes (1) gehalten wird und daß das der Joule-Thomson-Stufe (35) zugeführte Helium der kältesten Stufe (5, 7) des Kaltkopfes (1) entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Helium im Kaltkopf (1) von etwa 10 bis 30 bar, vorzugsweise etwa 20 bar, auf 2 bis 8 bar, vor­ zugsweise etwa 4 bar, und in der Joule-Thomson-Stufe (35) von 2 bis 8 bar auf 20 mbar bis 1 bar, vorzugs­ weise etwa 0,6 bar, entspannt wird.

4. Mit Helium betriebener Refrigerator mit einem Kaltkopf (1) und einer Joule-Thomson-Stufe (35), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die kalte Seite (34) des Kaltkopfes (1) über einen Leitungsabschnitt (39) mit der Joule-Thomson-Stufe (35) in Verbindung steht, so daß Helium aus dem Refrigerator-Kreislauf der Engstelle (36) der Joule-Thomson-Stufe (35) zugeführt werden kann.

5. Refrigerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsabschnitt (39) aus Edelstahl besteht.

6. Refrigerator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Joule-Thomson-Stufe (35) eine sich an die Engstelle (36) anschließende Kammer (41) aufweist.

7. Refrigerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (41) mit Metallnetzen (42) gefüllt ist.

8. Refrigerator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niederdruckkompressor (46) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe das in der Joule-Thomson-Stufe (35) entspannte Helium auf den Nieder­ druck im Refrigerator-Kreislauf komprimiert wird.