EP0212093B1 - Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

Info

Publication number
EP0212093B1
EP0212093B1 EP86107337A EP86107337A EP0212093B1 EP 0212093 B1 EP0212093 B1 EP 0212093B1 EP 86107337 A EP86107337 A EP 86107337A EP 86107337 A EP86107337 A EP 86107337A EP 0212093 B1 EP0212093 B1 EP 0212093B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bath
cooling
heat
heating
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP86107337A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0212093A2 (de
EP0212093A3 (en
Inventor
Albert Dr. Hofmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP0212093A2 publication Critical patent/EP0212093A2/de
Publication of EP0212093A3 publication Critical patent/EP0212093A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0212093B1 publication Critical patent/EP0212093B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution

Definitions

  • the present invention relates to a method for cooling an object with the aid of superfluid helium (He 11) and a device for carrying out the method according to the first part of claims 1 and 6 respectively.
  • thermomechanical efficiency of such pumps is inherently very low (less than 10% of the heat supplied can be converted into work), this process leads to an uneconomically high load on the refrigeration system, especially when the helium rate is to be circulated.
  • the invention has for its object the cooling of objects, such as superconducting large magnets, with liquid helium, to make them more effective and economical.
  • the particular advantage of the invention is that the heat loss of the object to be cooled is used to generate the forced flow in its own cooling circuit, the heat loss being coupled into a fountain pump with a super filter and heat being supplied to the warm end of the super filter that no additional Drive power is required and the throughput corresponding to the respective load is set automatically.
  • these pumps have no mechanically moving parts.
  • the invention creates the possibility of internally cooled conductor concepts at extremely low temperatures below the 1-line of liquid helium, i.e. with superfluid helium (He 11), whereby the undisputed advantages of cooling by forced flow are combined with the advantages of the extremely good cooling properties of He II in the construction of large superconductor windings.
  • FIG. 1 shows the diagram of the cooling circuit according to the invention.
  • the figure also contains a cooling system according to the prior art, with which the 1.8 K operating temperature is achieved.
  • Liquid helium which boils in a storage container 1 under a pressure of, for example, 1 bar, is guided through a tube 2 designed as a heat exchanger to the expansion valve 3.
  • a pressure of about 15 mbar By relaxing to a pressure of about 15 mbar, an operating temperature of about 1.8 K is reached in a recooling bath 4.
  • the steam is drawn off via line 5 and returned to the condenser.
  • the recooling bath 4 is in good thermal contact with the supply bath 7 via the wall 6 designed as a heat exchanger, which takes on the same pressure as in the storage container 1 via a pressure equalization line 1a.
  • the pressure compensation line 1a is to be designed as a so-called thermal barrier, in order to prevent the heat reduce the flow from the storage container 1 to the supply bath 7 to a permissible level.
  • the superfluid helium (He 11) from the supply bath 7 is brought to the temperature of the recooling bath 4 by means of a thermomechanical pump (fountain pump), which consists of a fine porous filter 8 (super filter) with a downstream heating bath 9, after recooling in a first heat exchanger 10, into a cooling channel 11 of the object 16 to be cooled, for example a superconducting winding.
  • a thermomechanical pump fine porous filter 8 (super filter) with a downstream heating bath 9, after recooling in a first heat exchanger 10, into a cooling channel 11 of the object 16 to be cooled, for example a superconducting winding.
  • the He II absorbs the heat to be dissipated from there.
  • the emerging, heated He then flows through a second heat exchanger 12, wherein it gives off part of the heat absorbed to the heating bath 9.
  • thermomechanical effect Due to the thermomechanical effect, a specific effect that occurs in the He II, superfluid He flows largely dissipation-free from the supply bath 7 into the heating bath 9 when the heating bath 9 has a higher temperature than in the supply bath 7. This is achieved by coupling the heat absorbed in the cooling section 11 into the heating bath 9 of the fountain pump.
  • the super filter 8 acts as an entropy filter. Figuratively speaking, the heat is stripped off the He II when it flows through this filter. The result of this is that when there is a flow in the supply bath 7, heat is generated which is released by the heat exchanger 6 to the recooling bath 4. On the other hand, a cooling effect occurs at the outlet of the super filter 8. Part of the heat supplied via the heat exchanger 12 to the heating bath 9 is hereby removed. The helium emerging from the second heat exchanger 12 is then recooled to the initial temperature in a downstream third heat exchanger 13 and returned to the supply bath 7.
  • FIG. 1a shows an expanded version of the device according to FIG. 1, the heat exchangers 10 and 13 being preceded by a fourth heat exchanger 14 and a fifth heat exchanger 15 which are precooled within the exhaust gas line 5 in order to reduce the heat load on the recooling bath 4.
  • the calculated cooling characteristic of the cooling system according to the invention is shown in FIG.
  • the fluid temperature T 2 on leaving the cooling duct 11 heated with the output Q is plotted with the length L, the flow cross section F and the hydraulic diameter D over the "standardized" heating output.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a typical fountain pump for a maximum delivery rate of about 10 g / sec with a small pressure drop and for about 0.3 bar maximum delivery pressure with a low throughput.
  • a typical fountain pump for a maximum delivery rate of about 10 g / sec with a small pressure drop and for about 0.3 bar maximum delivery pressure with a low throughput.
  • the super filter 8 consists here, for example, of A1 2 0 3 powder with an average particle size of 1.5 ⁇ m, which is pressed with a fill factor of about 50% into a tube of about 100 mm in length and 35 mm in diameter.
  • the cross section and length of the filter units must be adapted to the special requirements with regard to mass throughput and delivery pressure.
  • cooling channels 11 or several pump units can be combined with one another in a suitable manner.
  • FIG. 4 shows a cooling diagram with cooling ducts 11 connected in parallel, as is possible with a large heat load or narrow cooling duct cross sections.
  • This cooling system differs from that shown in FIG. 1 only in that in the object to be cooled (for example a superconducting winding) the He II current is split into several partial flows.
  • the cross section of the cooling channels 11 of the super filter 8 and the heat exchangers 10, 12, 13, 14 and 15 must be adapted to the increased throughput. Such a system appears expedient if all parallel branches have the same flow resistances and the same thermal loads.
  • FIG. 5 shows a cooling device in the event that parallel cooling channels 11 and 11 a are unequally loaded and have unequal flow resistances.
  • Each of the cooling channels 11 and 11 a has its own pump, which ensures that a throughput corresponding to the respective load is set in each cooling channel 11 and 11 a.
  • the heated He discharged from the center of the winding 16 (or also from any intermediate point is first passed through the second heat exchanger 12 and thus stimulates a first mass flow 17 which, after recooling in the heat exchangers 15 and 10, the cooling channel 11 of the winding 16 After exiting the heat exchanger 12, the He is passed into a sixth heat exchanger 12a of a second fountain pump because of the already partially lowered temperature of the refrigerant when it enters this second pump, only a comparatively lower second mass flow 17a can be excited there than in that After recooling in the heat exchangers 15a and 10a, this helium flow is led through the second cooling channel 11a of the winding 16.
  • a self-excited cooling system is thus obtained, with which different coolant flows 17 and 17a are generated in the two winding parts same principle n more than two parallel cooling circuits can also be set up.
  • Such cooling circuits with graded cooling capacities can be of particular interest for windings with inhomogeneous thermal loads.
  • a case is e.g. with a toroidal field coil of a TOKAMAK fusion reactor.
  • a considerably higher load occurs than further out.
  • the larger mass flow 17 would be led through the inner windings in this case.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (He 11) und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem ersten Teil des Patentanspruches 1 bzw. 6.
  • Die abnorm gute Wärmeleitfähigkeit des He II im Temperaturbereich zwischen 1,7 K und 2,1 K und die Suprafluidität sind hervorragende Eigenschaften zur Kühlung supraleitender Magnetwicklungen. Bisher konnten solche 1,8 K-gekühlten Spulen nur nach dem Prinzip badgekühlter Wicklungen realisiert werden. Diese konventionelle Technik hat bekanntlich folgende Nachteile: die Notwendigkeit eines dichten Spulengehäuses, schlechtere mechanische Fixierung des Leiters und schlechte Hochspannungsfestigkeit. Diese Nachteile können durch Übergang von einer derartigen Badkühlung mit Außenkühlung des Leiters zu einer Leiterinnenkühlung mit erzwungener Heliumströmung überwunden werden. Mangels geeigneter Pumpen konnte dieses Konzept bisher nicht bei Kühlung mit suprafluidem Helium (He II) realisiert werden.
  • Bekannt sind Fountainpumpen mit Superfilter zur Anregung einer Konvektion von He II in 3He-4He-Kühlmaschinen, wie in der niederländischen Offenlegungpschrift 7 902 438 beschrieben.
  • Bei allen bekannt gewordenen Anwendungen wird die Pumpwirkung durch zusätzliche elektrische Heizung am warmen Ende des Superfilters erzielt. Da der thermomechanische Wirkungsgrad solcher Pumpen von Natur aus sehr gering ist (weniger als 10% der zugeführten Wärme kann in Arbeit umgesetzt werden), führt dieses Verfahren vor allem bei großer umzuwälzenden Heliumrate zu unwirtschaftlich hoher Belastung der Kälteanlage.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung von Objekten, wie z.B. supraleitende Großmagnete, mit flüssigem Helium, effektiver und wirtschaftlicher zu gestalten.
  • Die Lösung der obigen Aufgabe erfolgt gemäß dem ersten Teil des Anspruches 1 bzw. 6 erfindungsgemäß durch deren kennzeichnende Merkmale. Die übrigen Patentansprüche geben vorteilhafte Weiterführungen und Ausbildungsformen sowohl des erfindungsgemäßen Verfahrens als auch der erfindungsgemäßen Einrichtung zu dessen Durchführung sowie ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung wieder.
  • Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Verlustwärme des zu kühlenden Objektes zur Erzeugung der Zwangsströmung in dem eigenen Kühlkreislauf genutzt wird, wobei die Verlustwärme derart in eine Fountainpumpe mit einem Superfilter eingekoppelt und Wärme dem warmen Ende des Superfilters zugeführt wird, daß keine zusätzliche Antriebsleistung benötigt wird und der jeweiligen Belastung entsprechender Durchsatz sich selbstständig einstellt. Diese Pumpen haben in besonders vorteilhafterweise keine mechanisch bewegten Teile.
  • Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, innengekühlte Leiterkonzepte bei extrem tiefen Temperaturen unterhalb der 1-Linie des flüssigen Heliums, d.h. mit suprafluidem Helium (He 11) zu verwirklichen, wobei die unbestrittenen Vorteile einer Kühlung durch Zwangsströmung mit den Vorteilen der extrem guten Kühleigenschaft von He II bei dem Bau großer Supraleiterwicklungen verbunden sind.
  • Der gegenüber der z.Z. meist üblichen Kühlung bei Temperaturen um 4 K zwangsläufig vergrößerte Aufwand zur Bereitstellung der Kühlleistung wird häufig durch die Verwendung billigerer Materialien (NbTi statt NbaSn) bzw. durch die höheren Magnetfelder und Stromdichten, die bei 1,8 K erreicht werden können, wettgemacht.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 6 an einigen Beispielen beschrieben.
    • Figur 1 stellt das Schema des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufes dar;
    • Figur 1a zeigt eine erweiterte Version des Kühlkreislaufes nach Figur 1;
    • Figur 2 zeigt die Austrittstemperatur T2 in Abhängigkeit von der normierten Belastung bei unterschiedlichen Systemdrücken po. Die Eintrittstemperatur ist Ti = 1,8 K;
    • Figur 2a zeigt den Heliumdurchsatz in Kühlkanälen mit dem Durchmesser D = 4 mm bei unterschiedlichen Längen in Abhängigkeit von der thermischen Belastung Q;
    • Figur 2b zeigt den Fountaindruck Ap in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur T2;
    • Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer typischen Fountainpumpe;
    • Figur 4 stellt ein Kühlschema mit parallel geschalteten Kühlkanälen dar;
    • Figur 5 stellt ein Kühlschema für den Fall dar, daß parallele Kühlkanäle 11, 11 a ungleich belastet sind;
    • Figur 6 zeigt eine weitere Konzeption eines Kühlsystems, wobei außer der Verlustwärme des zu kühlenden Objektes noch andere Wärmequellen zur Verstärkung der Zwangsströmung genutzt werden.
  • Figur 1 stellt das Schema des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufes dar. Die Figur enthält zum besseren Verständnis auch ein Kühlsystem nach dem Stand der Technik, mit dem die 1,8 K-Betriebstemperatur erzielt wird. Hierbei wird flüssiges Helium, das in einem Vorratsbehälter 1 unter einem Druck von beispielsweise 1 bar siedet, durch ein als Wärmeaustauscher ausgebildete Rohr 2 zum Entspannungsventil 3 geführt. Durch Entspannung auf einen Druck von etwa 15 mbar, wird in einem Rückkühlbad 4 eine Betriebstemperatur von etwa 1,8 K erreicht. Der Dampf wird über die Leitung 5 abgesaugt und zum Verflüssiger zurückgeführt. Das Rückkühlbad 4 befindet sich über die als Wärmeaustauscher ausgebildete Wand 6 in gutem thermischem Kontakt mit einem Versorgungsbad 7, welches über eine Druckausgleichsleitung 1a den gleichen Druck annimmt wie im Vorratsbehälter 1. Somit erhält man im Versorgungsbad 7 unterkühltes He 11 mit einer Temperaur von 1,8 K und dem Druck von beispielsweise 1 bar, wie im Vorratsbehälter 1. Die Druckausgleichsleitung 1a ist als sogenannte thermische Barriere auszulegen, um so den Wärmestrom von Vorratsbehälter 1 zum Versorgungsbad 7 auf ein zulässiges Maß herabzusetzen.
  • Das suprafluide Helium (He 11) aus dem Versorgungsbad 7 wird mittels einer thermomechanischen Pumpe (Fountainpumpe), die aus einem fein porösen Filter 8 (Superfilter) mit nachgeschaltetem Aufwärmbad 9 besteht, nach Rückkühlung in einem ersten Wärmeaustauscher 10 auf die Temperatur des Rückkühlbades 4, in einen Kühlkanal 11 des zu kühlenden Objektes 16, beispielsweise einer supraleitenden Wicklung, geleitet. In dieser Kühlstrecke 11 nimmt das He II die von dort abzuführende Wärme auf. Das austretende, erwärmte He durchströmt dann einen zweiten Wärmeaustauscher 12, wobei es einen Teil der aufgenommenen Wärme an das Aufwärmbad 9 abgibt.
  • Aufgrund des thermomechanischen Effektes, eines spezifischen Effektes, der im He II auftritt, strömt suprafluides He weitgehend dissipationsfrei aus dem Versorgungsbad 7 in das Aufwärmbad 9, wenn in dem Aufwärmbad 9 eine höhere Temperatur als in dem Versorgungsbad 7 vorliegt. Dies wird gerade durch Einkopplung der in der Kühlstrecke 11 aufgenommenen Wärme in das Aufwärmbad 9 der Fountainpumpe bewirkt.
  • Das Superfilter 8 wirkt als Entropiefilter. Bildlich gesprochen wird dem He II bei Durchströmen dieses Filters die Wärme abgestreift. Dies hat zur Folge, daß bei Strömung im Versorgungsbad 7 Wärme entsteht, die durch den Wärmeaustauscher 6 an das Rückkühlbad 4 abgegeben wird. Am Austritt des Superfilters 8 tritt dagegen eine Kühlwirkung auf. Hiermit wird ein Teil der über den Wärmeaustauscher 12 dem Aufwärmbad 9 zugeführte Wärme abgeführt. Das aus dem zweiten Wärmeaustauscher 12 austretende Helium wird dann in einem nachgeschalteten dritten Wärmeaustauscher 13 auf die Ausgangstemperatur rückgekühlt und wieder dem Versorgungsbad 7 zugeführt.
  • Figur 1a zeigt eine erweiterte Version der Einrichtung nach Figur 1, wobei den Wärmeaustauschern 10 und 13 ein vierter Wärmeaustauscher 14 und ein fünfter Wärmeaustauscher 15 vorgeschaltet sind, die zum Vorkühlen innerhalb der Abgasleitung 5 geführt sind, um die Wärmebelastung des Rückkühlbades 4 zu reduzieren.
  • In Figur 2 ist die errechnete Kühlcharakteristik des erfindungsgemäßen Kühlsystems dargestellt. Hierbei ist die Fluidtemperatur T2 bei Austritt aus dem mit der Leistung Q beheizten Kühlkanal 11 mit der Länge L, dem Strömungsquerschnitt F und dem hydraulischen Durchmesser D über der "normierten" Heizleistung aufgetragen. Die Rechnung ist für zwei verschieden Systemdrücke (po = 1,0 und 7,5 bar) durchgeführt worden.
  • In Figur 2a ist der Heliumdurchsatz, der sich in Kanälen mit dem Durchmesser von D = 4 mm einstellt, wenn daraus der Wärmestrom Q abgeführt wird. Dies veranschaulicht, daß mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem auch aus langen Kanälen beträchtliche Wärmelasten abgeführt werden können. Die Kühlung setzt auch nicht aus, wenn die Austrittstemperatur T2 den He 11-Bereich verläßt.
  • Wie in Fig. 2b dargestellt, nimmt der Förderdruck (Fountaindruck epF) sogar bis zu einer Austrittstemperatur von T2max = 3,5 K zu. Somit ist zu erwarten, daß in einem solchen Kühlsystem ein kontinuierlicher Übergang von He II zur erzwungenen He I-Kühlung stattfindet. Dies kann auch als Vorteil gegenüber einer He II-Badkühlung angesehen werden.
  • Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer typischen Fountainpumpe für eine maximale Förderrate von etwa 10 g/sec bei kleinem Druckabfall und für etwa 0,3 bar maximalen Förderdruck bei kleinem Durchsatz. Mit einer solchen Einheit, kann beispielsweise aus einem Kühlkanal von 5 mm Durchmesser und 100 mm Länge, kann eine Leistung von etwa 3 Watt abgeführt werden, wenn die Eintrittstemperatur T1 1,8 K und die Austrittstemperatur T2 2,16 K beträgt. Das Superfilter 8 besteht hierbei beispielsweise aus A1203-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1,5 µm, das mit einem Füllfaktor von etwa 50 % in ein Rohr von etwa 100 mm Länge und 35 mm Durchmesser gepreßt ist. Natürlich können auch andere Materialien mit ähnlicher Porosität verwendet werden. Querschnitt und Länge der Filtereinheiten sind den speziellen Anforderungen bezüglich Massendurchsatz und Förderdruck anzupassen.
  • Um solche Einrichtung den jeweiligen Gegebenheiten bezüglich abzuführender Wärme sowie Querschnitt und Länge der Kühlkanäle anzupassen, können mehrere Kühlkanäle 11 oder mehrere Pumpeinheiten in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden.
  • Bei derartigen Kombinationen muß der Tatsache Rechnung getragen werden, daß der mit solchen Fountainpumpen erreichbare Förderdruck aufgrund physikalischer Effekte zwar auf relativ niedrige Werte von weniger als etwa 0,5 bar begrenzt ist. Der erzielbare Durchsatz hängt jedoch bei gegebenem Filtermaterial nur von der zugeführten Wärme und vom Filterquerschnitt ab. Demzufolge können zwar nicht beliebig lange Kühlkanäle betrieben werden, einer Unterteilung in mehrere Parallelkanäle ist dagegen keine physikalische Grenze gesetzt.
  • Figur 4 stellt ein Kühlschema mit parallel geschalteten Kühlkanälen 11 dar, wie es bei großer Wärmelast bzw. engen Kühlkanalquerschnitten möglich ist. Dieses Kühlsystem unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten lediglich dadurch, daß in dem zu kühlenden Objekt (beispielsweise einer supraleitenden Wicklung) der He ll-Strom in mehrere Teilströme aufgespalten ist. Der Querschnitt der Kühlkanäle 11 des Superfilters 8 sowie die Wärmeaustauscher 10, 12, 13, 14 und 15 müssen dabei dem erhöhten Durchsatz angepaßt sein. Ein solches System erscheint dann zweckmäßig, wenn alle Parallelzweige gleiche Strömungswiderstände und gleiche thermische Belastungen haben.
  • Figur 5 zeigt eine Kühleinrichtung für den Fall, daß parallele Kühlkanäle 11 und 11 a ungleich belastet sind und ungleiche Strömungswiderstände aufweisen. Jeder der Kühlkanäle 11 und 11 a hat eine eigene Pumpe, wodurch gewährleistet ist, daß sich in jedem Kühlkanal 11 und 11 a ein der jeweiligen Belastung entsprechender Durchsatz einstellt.
  • Das aus der Mitte der Wicklung 16 (oder auch von einer beliebigen Zwischenstelle abgeführte, erwärmte He wird zunächst durch den zweiten Wärmeaustauscher 12 geführt und regt somit einen ersten Massenstrom 17 an, der nach Rückkühlung in den Wärmeaustauschern 15 und 10 den Kühlkanal 11 der Wicklung 16 durchströmt. Nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 12 wird das He in einen sechsten Wärmeaustauscher 12a einer zweiten Fountainpumpe geführt. Wegen der bereits teilweise abgesenkten Temperatur des Kältemittels bei Eintritt in diese zweite Pumpe, kann dort nur ein vergleichsweise geringerer zweiter Massenstrom 17a angeregt werden als in der ersten Pumpe. Dieser Heliumstrom wird nach Rückkühlung in den Wärmeaustauschern 15a und 1 Oa durch den zweiten Kühlkanal 11 a der Wicklung 16 geführt. Somit erhält man ein selbst angeregtes Kühlsystem, mit dem in den beiden Wicklungsteilen unterschiedliche Kühlmittelströme 17 und 17a erzeugt werden. Nach dem gleichen Prinzip können auch mehr als zwei parallele Kühlkreise aufgebaut werden.
  • Derartige Kühlkreise mit abgestuften Kälteleistungen können insbesondere für Wicklungen mit inhomogener thermischer Belastung interessant sein. Ein solcher Fall liegt z.B. bei einer Toroidalfeldspule eines TOKAMAK-Fusionsreaktors vor. Hierbei tritt in den Wicklungslagen, die dem Plasma am nächsten sind, aufgrund der Absorption von Neutronen, eine beträchtlich höhere Belastung auf als weiter außen. Bezogen auf das in Figur 5 dargestellte Kühlsystem würde man in diesem Fall den größeren Massenstrom 17 durch die inneren Windungen führen.
  • Figur 6 zeigt eine weitere Konzeption eines Kühlsystems, wobei die Zirkulation des He II nicht nur durch die vom Kühlobjekt zur Fountainpumpe zurückgekoppelte Wärme angeregt wird, sondern auch zusätzlich durch andere Wärmeströme, die an anderen Stellen des Gesamtkühlsystems zwischen dem Temperaturniveau des He I-Vorratsbehälters 1 und des He ll-Aufwärmbades 9 fließen. Bei den hier diskutierten Beispielen sind das zwei Anteile:
    • a) ein erster Wärmestrom 18, durch die als thermische Barriere auszubildende Druckausgleichsverbindung 1a zwischen dem He I und dem He II-System, und
    • b) ein zweiter Wärmestrom 19, der mit dem vom He I-Vorratsbehälter 1 über einen achten Wärmeaustauscher 2a zum Rückkühlbad 4 einströmenden He verknüpft ist.
  • Beide Wärmeströme 18 und 19 belasten das Aufwärmbad 9 und liefern somit einen Beitrag zur verstärkten Konvektion. Durch diese Maßnahme wird die thermische Belastung des Rückkühlbades 4 verringert. Wenn eine Druckleitung 21, die über einen Wärmeaustauscher 20 mit dem Versorgungsbad 1 thermisch gekoppelt ist, anstelle der Druckausgleichsleitung 1a hydraulisch von dem Vorratsbad 1 entkoppelt ist, kann dem He ll-System 4 über diese Druckleitung 21 ein beliebiger Druck aufgeprägt werden.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1 Vorratsbehälter
    • 2 Rohr
    • 2a achter Wärmeaustauscher
    • 3 Entspannungsventil
    • 4 Rückkühlbad
    • 5 Abgasleitung
    • 6 Wand
    • 7 Versorgungsbad
    • 8 Superfilter
    • 9 Aufwärmbad
    • 10 erster Wärmeaustauscher
    • 11 Kühlkanal/Kühlstrecke
    • 12 zweiter Wärmeaustauscher
    • 12a sechster Wärmeaustauscher
    • 13 dritter Wärmeaustauscher
    • 14 vierter Wärmeaustauscher
    • 15 fünfter Wärmeaustauscher
    • 16 zu kühlehde Objekt
    • 17 erster Massenstrom
    • 17a zweiter Massenstrom
    • 18 erster Wärmestrom
    • 19 zweiter Wärmestrom
    • 20 siebter Wärmeaustauscher
    • 21 Druckleitung

Claims (11)

1. Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (He 11), bei welchem zur Erzeugung einer Zwangsströmung des He ll eine Fountainpumpe mit einem Superfilter (8) verwendet und Wärme dem warmen Ende des Superfilters (8) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsströmung dadurch angeregt wird, daß die dem zu kühlenden Objekt (16) entzogene Wärme in ein am warmen Ende des Superfilters (8) vorgesehenes Aufwärmbad (9) eingekoppelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
a) dem im zu kühlenden Objekt (16) von der Eintrittstemperatur Ti auf die Austrittstemperatur Tε aufgewärmten Helium in dem Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe Wärme entzogen wird, worauf es in einem Rückkühlbad (4) weiter rückgekühlt und dem Versorgungsbad (7) der Fountainpumpe zugeführt wird, und daß
b) das derart im Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe erwärmte und unter Druck stehende Helium entnommen und, nachdem es im Rückkühlbad (4) auf die Eintrittstemperatur Ti zurückgekühlt wurde, dem zu kühlenden Objekt (16) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe entnommene He II in mehrere, dem Objekt (16) an verschiedenen Stellen zuzuführende He II-Teilströme (17, 17a) aufgeteilt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
a) bei zwei oder mehreren He II-Teilströmen (17, 17a) mit unterschiedlicher Wärmelast jeder Teilstrom (17, 17a) einer eigenen, der jeweiligen Wärmelast angepaßten Fountainpumpe entnommen und dem zu kühlenden Objekt (16) zugeführt wird, und daß
b) die He-Teilströme (17, 17a) nach der Wärmeaufnahme im zu kühlenden Objekt (16) zu einem He-Gesamtstrom (17, 17a) zusammengefaßt werden, der die Aufwärmbäder (9) der Fountainpumpen nacheinander, entsprechend der Wärmelast der zugehörigen Teilströme zur Anregung der Zwangsströmung versorgt, wobei die Fountainpumpe des Teilstromes mit der jeweils größeren Wärmelast Vorrang hat.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufwärmebad (9) der Fountainpumpe neben der dem zu kühlenden Objekt (16) entzogene Wärme zur Verstärkung der Zwangsströmung Wärme aus dem He I-Vorratsbehälter (1) eingekoppelt wird.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Fountainpumpe, welche ein Superfilter (8), ein am kalten Ende des Superfilters (8) vorgesehenes Versorgungsbad (7), das das Superfilter (8) mit He II versorgt, und ein am warmen Ende des Superfilters (8) vorgesehenes Aufwärmbad (9) aufweist, mit einem Rückkühlbad (4) zur Kühlung des Versorgungsbades (7) sowie mit einem geschlossenen Heiliumkreislauf, im dem folgende Komponenten in Reihe angeordnet sind:
- ein im Rückkühlbad (4) angeordneter erster Wärmetauscher (10), der eingangsseitig mit dem Aufwärmbad (9) und ausgangsseitig mit einem Kühlkanal (11) des zu kühlenden Objektes verbunden ist;
- ein im Aufwärmbad (9) angeordneter zweiter Wärmetauscher, der mit dem Ausgang des Kühlkanals (11) verbunden ist;
- ein im Rückkühlbad (4) angeordneter dritter Wärmetauscher (13), der eingangsseitig mit dem zweiten Wärmetauscher (12) verbunden ist und dessen Ausgang im Versorgungsbad (7) mündet.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten Wärmeaustauscher (12) und den dritten Wärmeaustauscher (13) ein vierter Wärmeaustauscher (14) eingebracht ist, der im Wärmeaustausch mit der Abgasleitung (5) des Rückkühlbades (4) steht.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Aufwärmbad (9) und den ersten Wärmeaustauscher (10) ein fünfter Wärmeaustauscher (15) eingebracht ist, der im Wärmeaustausch mit der Abgasleitung (5) steht.
9. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorratsbehälter (1) mit dem Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe über einen sechsten Wärmeaustauscher (2a) thermisch gekoppelt ist, dessen Ein- und Ausgang mit je einem im Wärmeaustausch mit der Abgasleitung (5) stehenden Rohr (2b und 2c) verbunden ist, dessen Ende mit einem Entspannungsventil (3) im Rückkühlbad (4) mündet.
10. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckausgleichsverbindung (1 a), die normalerweise zwischen einem Vorratsbehälter (1) und dem Versorgungsbad (7) besteht, direkt im Aufwärmbad (9) mündet.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Druckausgleichsverbindung (1a) über einen siebten Wärmetauscher (20) im Vorratsbehälter (1), eine Druckleitung (21) im Aufwärmbad (9) mündet.
EP86107337A 1985-08-16 1986-05-30 Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Expired - Lifetime EP0212093B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19853529391 DE3529391A1 (de) 1985-08-16 1985-08-16 Verfahren zum kuehlen eines objektes mit hilfe von suprafluidem helium (he ii) und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE3529391 1985-08-16

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP0212093A2 EP0212093A2 (de) 1987-03-04
EP0212093A3 EP0212093A3 (en) 1989-01-18
EP0212093B1 true EP0212093B1 (de) 1990-11-28

Family

ID=6278665

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP86107337A Expired - Lifetime EP0212093B1 (de) 1985-08-16 1986-05-30 Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4713942A (de)
EP (1) EP0212093B1 (de)
JP (1) JPS6241567A (de)
DE (2) DE3529391A1 (de)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5172554A (en) * 1991-04-02 1992-12-22 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Superfluid thermodynamic cycle refrigerator
US5347819A (en) * 1992-11-05 1994-09-20 Ishikawajima-Harima Heavy Industries, Co., Ltd. Method and apparatus for manufacturing superfluidity helium
US5402648A (en) * 1993-07-01 1995-04-04 Apd Cryogenics Inc. Sealed dewar with separate circulation loop for external cooling at constant pressure
GB9609311D0 (en) * 1996-05-03 1996-07-10 Oxford Instr Uk Ltd Improvements in cryogenics
DE19722822A1 (de) * 1997-04-30 1998-11-05 Rydzewski Sieghardt Einrichtung zur Bereitstellung von Energie für eine Zentralheizung und für die Warmwasseraufbereitung
US6327968B1 (en) 2000-03-17 2001-12-11 Pizza Hut, Inc. System and method for producing par-baked pizza crusts
DE10130171B4 (de) * 2001-06-22 2008-01-31 Raccanelli, Andrea, Dr. Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturkühlung
CN1618595B (zh) * 2003-11-20 2011-08-24 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 注射成型装置
GB0408312D0 (en) * 2004-04-14 2004-05-19 Oxford Instr Superconductivity Cooling apparatus
TW200607976A (en) * 2004-08-27 2006-03-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd Thermally conductive material
US8991150B2 (en) 2012-07-27 2015-03-31 Board Of Trustees Of Northern Illinois University High specific impulse superfluid and nanotube propulsion device, system and propulsion method
DE102014225481A1 (de) * 2014-12-10 2016-06-16 Bruker Biospin Gmbh Kryostat mit einem ersten und einem zweiten Heliumtank, die zumindest in einem unteren Bereich flüssigkeitsdicht voneinander abgetrennt sind
DE102018130883A1 (de) 2017-12-04 2019-06-06 Montana Instruments Corporation Analytische Instrumente, Verfahren und Komponenten
US11956924B1 (en) 2020-08-10 2024-04-09 Montana Instruments Corporation Quantum processing circuitry cooling systems and methods
CN114739032B (zh) * 2022-05-07 2022-11-22 中国科学院理化技术研究所 一种超流氦制冷机

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE758030A (fr) * 1969-10-28 1971-04-26 Philips Nv Installation pour produire du froid aux temperatures inferieures a celles du point lambda de l'helium
NL160381C (nl) * 1972-03-18 1979-10-15 Philips Nv Inrichting voor het transporteren van warmte van een lager naar een hoger temperatuurniveau, welke inrichting is voor- zien van een mengkamer, welke via een verbindingskanaal is verbonden met een verdampingsreservoir voor een 4he-3he-mengsel, terwijl het verdampingsreservoir is voorzien van een van een superlek voorzien afvoerkanaal.
FR2349111A1 (fr) * 1976-04-22 1977-11-18 Anvar Cryostat portatif e helium 3
NL7605645A (nl) * 1976-05-26 1977-11-29 Philips Nv 3he-4he verdunningskoelmachine.
DE2806829C3 (de) * 1978-02-17 1984-09-20 Deutsche Forschungs- Und Versuchsanstalt Fuer Luft- Und Raumfahrt E.V., 5000 Koeln Vorrichtung zur Tiefstkühlung von Objekten
FR2449856A1 (fr) * 1979-02-23 1980-09-19 Anvar Etage hermetique de refrigeration a helium 3 de faible dimension
NL7902014A (nl) * 1979-03-14 1980-09-16 Philips Nv 3he-4he verdunningskoelmachine.
NL7902438A (nl) * 1979-03-29 1980-10-01 Philips Nv 3he-4he koelmachine.
IL63517A (en) * 1981-08-06 1984-05-31 Rosenbaum Ralph Multiple-chamber cooling device particularly useful in a dilution refrigerator
EP0089391B1 (de) * 1982-03-23 1986-06-04 International Business Machines Corporation Verfahren und Verdünnungskältemaschine zum Kühlen bei Temperaturen unter 1 K

Also Published As

Publication number Publication date
US4713942A (en) 1987-12-22
EP0212093A2 (de) 1987-03-04
DE3675844D1 (de) 1991-01-10
DE3529391A1 (de) 1987-03-05
JPH0550674B2 (de) 1993-07-29
EP0212093A3 (en) 1989-01-18
JPS6241567A (ja) 1987-02-23
DE3529391C2 (de) 1987-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0212093B1 (de) Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE19720677C1 (de) NMR-Meßvorrichtung mit gekühltem Meßkopf
DE69430577T2 (de) Vorrichtung und verfahren zur konvektiven kühlung eines supraleitenden magnets
DE69501099T2 (de) Supraleitender Rotor für eine elektrische Maschine
DE19914778A1 (de) Supraleitende Magnetvorrichtung
DE112011100875T5 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der Temperatur in einem auf tiefe Temperaturen gekühlten Kyrostaten unter Verwendung von stehendem und sich bewegendem Gas
DE1601061C3 (de) Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen von flüssigem Helium
WO2008040609A1 (de) Kälteanlage mit einem warmen und einem kalten verbindungselement und einem mit den verbindungselementen verbundenen wärmerohr
DE69211237T2 (de) Vakuumbehälter mit einem gekühlten Element
EP0398156B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Vorkühlen des Heliumtanks eines Kryostaten
DE2730155C3 (de) Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen
DE69314390T2 (de) Kryogenes-Kühlsystem und Kühlungsverfahren dazu
DE19704485C2 (de) Stromzuführungsvorrichtung für eine gekühlte elektrische Einrichtung
DE2453182C3 (de) Anordnung zur Kühlung von Rotorteilen eines Turbogenerators
DE102010028750A1 (de) Verlustarme Kryostatenanordnung
DE10339048A1 (de) Tieftemperaturkühlsystem für Supraleiter
CH697042A5 (de) Verfahren zur Aufrechterhaltung eines Vakuums und Supraleitungsvorrichtung.
DE2451949A1 (de) Stromzufuehrungsvorrichtung fuer supraleitende einrichtungen
EP0242734A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines resistiven Magnetsystems für Kernspintomographen
EP1010954A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen eines Gasstromes
DE3435229C2 (de)
DE29622811U1 (de) Kühlsystem für eine Traktionseinrichtung
DE102014208437A1 (de) Kühleinrichtung für wenigstens zwei zu kühlende Komponenten, Schienenfahrzeug und Verfahren zur Kühlung
DE10317733B3 (de) Kühlung eines supraleitenden Transformators mit unterkühltem Stickstoff
DE2920742C2 (de) Anordnung zur Kühlung einerzuküh|ende" insbesondere supraleitenden Erregerwicklung im Läufer einer elektrischen Maschine

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): DE FR GB NL

17P Request for examination filed

Effective date: 19870326

PUAL Search report despatched

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009013

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): DE FR GB NL

17Q First examination report despatched

Effective date: 19890823

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): DE FR GB NL

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Effective date: 19901128

Ref country code: FR

Effective date: 19901128

REF Corresponds to:

Ref document number: 3675844

Country of ref document: DE

Date of ref document: 19910110

EN Fr: translation not filed
GBV Gb: ep patent (uk) treated as always having been void in accordance with gb section 77(7)/1977 [no translation filed]
PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed
PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: NL

Effective date: 19911201

NLV4 Nl: lapsed or anulled due to non-payment of the annual fee
PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 19930510

Year of fee payment: 8

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Effective date: 19950201