NL7902014A - 3he-4he verdunningskoelmachine. - Google Patents

Description

* • a PHN 9382

N.V. PHILIPS* GLOEILAMPENFABRIEKEN TE EINDHOVEN

3 4

He- He verdunningskoelmachine.

3 4

De uitvinding heeft betrekking op een He- He verdunningskoelmachine voor zeer lage temperaturen, bevattende twee onderling op verschillende niveau's opgestelde kamers waarvan de bovenste een mengkamer voor 3 4 5 vloeibaar geconcentreerd He en superfluïde He vormt, 4 waarbij de beide kamers zijn opgenomen in een He-circu- latiesysteem, dat een in de mengkamer uitmondend super- 4 lek voor toevoer van superfluïde He aan de mengkamer alsmede een verbinding tussen de beide kamers met een met 10 zijn benedeneinde boven in de onderste kamer uitmondende 3 pijp voor toevoer van geconcentreerd He aan en afvoer 3 van verdund He uit de mengkamer bevat.

Verdunningskoelmachines van de aangeduide soort 4 3 omvatten machines, waarin zowel He als He wordt gecir- 4 15 culeerd, en machines, waarin uitsluitend He wordt gecir culeerd.

3

Een verdunningskoelmachine met zowel He- als 4

He-circulatie is bekend uit het Amerikaanse octrooi-schrift 3·835·662 (PHN 6199)· Het in de mengkamer van 20 hoger niveau uitmondende superlek maakt daarbij deel uit van een fonteinpomp, welke verder een koeler, een capillair, een verwarmingselement en een tweede superlek be- 4 vat. Door de fonteinpomp wordt superfluïde He aan het verdampingsreservoir van de machine onttrokken en in de 25 mengkamer geïnjecteerd. De onderste kamer vormt eveneens een mengkamer, doordat zij tevens deel uitmaakt van een 3

He-circulatiesysteem, 790 20 1 4 - 2 - « , % __PHN_ 9.3.82______________________________„________________________

Een verdunningskoelmachine, waarbij uitsluitend 4

He wordt gecirculeerd, is bekend uit bet artikel 34 4 ”A ^He- He refrigerator through which He is circulated” (Physica, vol. 56 (1971), biz. 168-170)· 5 Het in de bovenste kamer, de mengkamer, uitmon— 4 dende superlek, dat superfluïde He m de mengkamer injecteert, is hierbij via een capillair aangesloten op een 4 uitwendig He-gastoevoersysteem. In tegenstelling tot de 4 eerdergenoemde verdunningskoelmachine met zowel He- als 3 10 He-circulatie vormt de onderste kamer van de machine met 4 alléén He-circulatie een ontmengkamer in plaats van een mengkamer, 4

Het He-transport wordt bij de bekende machine met enkelvoudige circulatie gerealiseerd door de toevoer 4 15 van He-gas onder druk. Het is echter ook hier mogelijk 4 voor de He-circulatie gebruik te maken van een fontein- pomp. Dit is bekend uit het artikel "An improved version 3 4 4 of the He- He refrigerator through which He is circulated” (Cryogenics, vol, 14, nr. 1, jan. 1974, biz.

20 53-54). _...........................____________

Bij de bekende verdunningskoelmachines van de aangeduide soort is de pijp (al dan niet gewikkeld tot een spiraal), die met zijn ondereinde uitmondt boven in de onderste kamer (mengkamer of ontmengkamer), met zijn 25 boveneinde direct aangesloten op de bodem van de, steeds een mengkamer vormende, bovenste kamer. Door deze pijp 3 stroomt geconcentreerd He van de onderste kamer naar de 3 mengkamer en valt, in de mengkamer gevormd, verdund He /3 4 \ (He opgelost in He) naar de onderste kamer.

30 Een probleem bij deze machines vormt de omstan digheid dat aan de laagst bereikbare temperatuur in de mengkamer een grens is gesteld.

Het is gebleken dat de volgende relatie geldt:

JL

_ d2 .

35 Tmin = <=· 7f · waar:in n* 7902014 € * - 3 * _.PHN. 9382_____________________________________________________ _____________________ ^m±n = de minimaal bereikbare temperatuur in de mengkamer c = constante d = inwendige diameter van de pijp die de beide ka-5 mers verbindt • 4 n = bet aantal molen He dat per seconde een dwarsdoorsnede passeert.

4

Om tot een hogere He-circulatie te komen teneinde bet koelvermogen op te voeren, moet de inwendige 10 diameter van de pijp groter worden genomen. Dit werkt ecbter averechts met betrekking tot de laagst bereikbare temperatuur in de mengkamer. De oorzaak van de beperking ten aanzien van de laagst haalbare mengkamertemperatuur moet worden gezocht in een verstoring van het koelproces 15 in de mengkamer door warmtelek naar deze kamer. Hierbij is het inzicht verworven dat er twee factoren een rol spelen.

Ten eerste wordt er warmte ontwikkeld door de visceuze stroming van het in de pijp opstijgende gecon- 3 20 centreerde He en de door de pijp vallende druppels ver- 3 dund He. Bij dit proces wordt potentiële energie van 3 de vallende druppels verdund He, door wrijving met het 3 geconcentreerde opstijgende He, omgezet in warmte. Ten tweede treedt er een warmtestroom naar de mengkamer op 25 door warmtegeleiding van de vloeistof in de pijp.

Doel van de uitvinding is een verbeterde 3 4

He- He verdunningskoelmachine van de aangeduide soort te verschaffen, waarbij zowel voor lagere als hogere koelvermogens lagere koeltemperaturen in de mengkamer 30 worden gerealiseerd.

Ter verwezenlijking van het beoogde doel heeft 3 4 de He- He verdunningskoelmachine volgens de uitvinding het kenmerk, dat de pijp met zijn boveneinde uitmondt in een hulpkamer, waarvan het bovenste deel via een toe- 3 35 voerleiding voor geconcentreerd He is aangesloten op het bovenste deel van de mengkamer, terwijl het onderste 7902014 - 4 - __FHN 9382 _______________________________________________________________ deel van de mengkamer via een afvoerleiding voor verdund 3

He is aangesloten op het onderste deel van de hulpkamer.

Door de keuze van een relatief grote diameter 3 voor de afvoerleiding voor verdund He zijn de visceuze 5 verliezen in deze leiding laag, terwijl door de keuze van een relatief grote lengte van de afvoerleiding de warmtelek van de pijp respektievelijk Hulpkamer naar de mengkamer gering is.

Doordat de pijp met zijn boveneinde uitmondt in 10 de hulpkamer, die op afstand van de mengkamer is gelegen, 4 kan steeds, ongeacht de grootte van de He-circulatiesnelheid, een brede pijp worden gekozen, zonder dat de visceuze verliezen in de pijp de koeltemperatuur in de mengkamer nadelig beïnvloeden.

3 4 15 Een gunstige uitvoeringsvorm van de He- He verdunningskoelmachine volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat de toe- en afvoerleiding zijn voorzien van één of meer warmteuitwisselaars voor warmteuitwisse- 3 ling tussen geconcentreerd en verdund He.

20 Dit geeft een verdere reductie van de warmte- stroom van de pijp respektievelijk hulpkamer naar de mengkamer, hetgeen een verdere verlaging van de koeltem-peratuur in de mengkamer met zich brengt.

Een verdere gunstige uitvoeringsvorm van de 3 4 25 He- He verdunningskoelmachine volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de warmteuitwisselaars zijn gevormd door verbindingskanalen tussen de toe- en afvoerleiding voor directe warmteuitwisseling tussen geconcen- 3 treerd en verdund He.

30 Door rechtstreeks contact tussen geconcentreerd 3 en verdund He is de warmteuitwisseling tussen beide vloeistoffen praktisch ideaal, hetgeen een positieve invloed heeft op de minimale koeltemperatuur in de mengkamer.

35 De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin bij wijze van voorbeeld 790 20 1 4 ~5 - .„..PHN_9.3.85_______________________________________________________________________________________ 3 4 twee uitvoeringsvormen van de He- He verdunningskoel- machine schematisch, en niet op schaal zijn weergegeven.

3 4

Fig. 1 toont in een langsdoorsnede een He- He 4 verdunningskoelmachine, waarin uitsluitend He wordt geil 5 circuleerd door de toevoer van He-gas onder druk.

3 4

Fig. 1 toont in een langsdoorsnede een He- He 4 verdunningskoelmachine, waarin He wordt gecirculeerd 3 door een fonteinpomp en He door een mechanische pomp.

In fig. 1 zijn met de verwijzingscijfers 1 en 10 2 twee op verschillende niveaus opgestelde kamers aange duid. De bovenste kamer 1 is een mengkamer en de onderste kamer 2 een ontmengkamer. In de mengkamer 1 mondt een superlek 3 uit dat met zijn boveneinde via een capillair 4, een gastoevoerleiding 5 en een reduceerventiel 6 is 4 15 aangesloten op een gasfles 7> waarin zich He-gas onder druk bevindt.

Onder in de ontmengkamer 2 mondt een superlek 8 uit, dat met zijn boveneinde via een capillair 9 en een 4 gasafvoerleiding 10 is aangesloten op een He-gashouder 20 11.

Aan de bovenkant van ontmengkamer 2 is een pijp 12 aangesloten, welke met zijn boveneinde uitmondt in een hulpkamer 13· Het bovenste gedeelte van hulpkamer 13 is, via een leiding 14 voor de toevoer van geconcentreerd 3 25 He aan de mengkamer 1, aangesloten op het bovenste ge deelte van de mengkamer, terwijl het onderste deel van de mengkamer 1 via een leiding 15 voor de afvoer van verdund 3

He uit de mengkamer, in verbinding staat met het onderste gedeelte van de hulpkamer 13· 30 De ontmengkamer 2 is warmtegeleidend verbonden 3 met een reservoir 16 waarin zich vloeibaar ^He bevindt, dat de in kamer 2 bij ontmenging vrijkomende warmte op- 3 3 neemt. Het He-bad wordt door afpompen van He-damp via een leiding 17 op een temperatuur gehouden van 0.3 h 35 0.6 X.

Het in bedrijf koudere gedeelte van de koel- 7902014 T5 ' - 6 " .„PEN.93.82.______________________________________________________________________ " .

machine is ondergebracht in een vacuümmantel 18. De ruimte 1 9 binnen deze mantel wordt geëvacueerd via een leiding 20. -

De vacuümmantel 18 is omgeven door een vloei-4 5 baar He-bad 21 van bijvoorbeeld 1.3 K in een cryostaat 4 22. Afpompen van He-damp geschiedt via een leiding 23 die door deksel 24 is gevoerd.

De werking van de inrichting is als volgt.

Mengkamer 1, pijp 12, hulpkamer 13 en ontmengkamer 2 3 4 10 worden met een ^He- He-mengsel gevuld in een zodanige 3 4 mengverhouding van de componenten He- He, dat bij koe- 3 ling van de ontmengkamer 2 door het He-bad in reservoir 16 (tot een temperatuur van bijvoorbeeld 0.3 K) er fase-scheiding (grensvlak 25) in ontmengkamer 2 optreedt. Ten 15 gevolge van het dichtheidsverschil tussen de beide fasen

O

(geconcentreerd JHe heeft een lager soortelijk gewicht

O

dan verdund ^He) worden de pijp 12 en de mengkamer 1 dan 3 automatisch gevuld met geconcentreerd He. Nadat de super- 4 lekken 3 en 8 met He zijn gevuld, wordt de circulatie 4 20 gestart door de toevoer van He-gas uit de gasfles 7·

In reduceerventiel 6 wordt het ^He-gas bijvoorbeeld op een druk van 2 bar gebracht.

4

Het He-gas condenseert en wordt superfluïde . 4 in capillair 4 door de koeling van het He-bad van 1.3 4 25 K. Het superfluïde He gaat door het superlek 3> treedt de mengkamer 1 binnen en verdunt aldaar aanwezig gecon- 3 centreerd He. Dit gaat met koud^produktie gepaard. Het — 3 in de mengkamer 1 gevormde verdunde He, dat soortelijk 3 zwaarder is dan het geconcentreerde He, stroomt door 30 afvoerleiding 15 naar pijp 12 en zakt door deze pijp naar de ontmengkamer 2. Bij het grensvlak 25 treedt ontmenging op, waarbij het superfluïde \le via superlek 8 naar capillair 9 stroomt en via leiding 10 in de gasfase bij gashouder 10 arriveert, De bij de ontmenging vrijkomende 35 warmte wordt door het ^He-bad in reservoir 16 geabsorbeerd.

3

Tijdens de ontmenging wordt geconcentreerd ^He geprodu- 7902014 *r ___EHK. 9.3.82.________________________________________________________________ -7 " ceerd, hetgeen resulteert in een stroming van geconcen-3 treerd He van de ontmengkamer 2 via pijp 12 en toevoer-leiding 14 naar de mengkamer 1. Het in de mengkamer 1 ten gevolge van de verdunning ontstane tekort aan gecon- 3 5 centreerd He wordt zodoende aangevuld. Dat het geconcen-

O

treerde "Ήβ door toevoerleiding l4 stroomt komt uiteraard 3 omdat dit soortelijk lichter is dan verdund He en derhalve boven op de verdunde fase gaat drijven. In normaal bedrijf heeft de mengkamer 1 bijvoorbeeld een bedrijfs-10 temperatuur van 8 mK en de hulpkamer 13 bijvoorbeeld een bedrijfstemperatuur van 20 mK.

In fig. 2 is met het verwijzingscijfer 30 een bovenste mengkamer en met het verwijzingscijfer 31 een onderste mengkamer aangeduid. Een hulpkamer 32 is, via 13 een op het bovenste gedeelte van deze hulpkamer aangeslo- 3 ten leiding 33 voor de toevoer van geconcentreerd He aan mengkamer 30, verbonden met het bovenste gedeelte van de mengkamer 30. Het onderste gedeelte van mengkamer 30 3 staat, via een leiding 34 voor de afvoer van verdund "Ήβ 20 uit deze mengkamer 30» in verbinding met het onderste gedeelte van de hulpkamer 32. Tussen de toevoerleiding 33 en de afvoerleiding 34 zijn verbindingkanalen 35 aan- 3 wezig, waarin verdund en geconcentreerd He in direct contact met elkaar warmte kunnen uitwisselen.

25 In hulpkamer 32 mondt een pijp 36 uit, die met zijn andere einde uitmondt boven in de mengkamer 31· Op mengkamer 31 zijn verder aangesloten een toevoerkanaal 3 37 voor geconcentreerd He en een verbindingskanaal 38, dat is verbonden met een verdampingsreservoir 39» voor-

O

30 zien van een afvoer 40 voor gasvormig JHe. Een pompsysteem 41 is met zijn aanzuigzijde aangesloten op de afvoer 40 en met zijn perszijde op het toevoerkanaal 37· Toevoerkanaal 37 is voorzien van een in het verdampingsreservoir 39 geplaatste warmteuitwisselaar 42. Toevoerkanaal 37 en 35 verbindingskanaal 38 staan met elkaar in warmteuitwisse- lend contact via een warmteuitwisselaar 43.

790 20 Ή " 8 “ ___EHN..9382_____________________________________________________,__________

Tussen verdampingsreservoir 39 ©n mengkamer 30 is een ^He-fonteinpomp 44 aanwezig, die de volgende componenten omvati een in het verdampingsreservoir 39 uitmondend superlek 45, een ruimte 46 met een verwarmings-5 inrichting 46', een capillair 47, een koeler 48 en een in de mengkamer 30 uitmondend superlek 49»

Het in bedrijf koudere gedeelte van de machine is ondergebracht in een vacuümmantel 50. De ruimte 51 binnen mantel 50 kan worden geëvacueerd via een leiding 10 32. De vacuümmantel 50 en de koeler 48 worden gekoeld 4 door een He-bad 53 van bijvoorbeeld 1 K in een cryostaat 54. ^He-damp wordt afgepompt via een leiding 55» De 4

He-cryostaat 54 is geplaatst in een cryostaat 56, gevuld met vloeibare stikstof 57 (78K) en voorzien van een dek-15 sel 58.

De werking van de machine is als volgt. De inrichting wordt gevuld met vloeibaar heliummengsel in een 3 4 zodanige mengverhouding van de componenten He en He, dat bij koeling van de mengkamer 31 er fasescheiding in 20 deze mengkamer 31 optreedt. Ten gevolge van het dichtheids- verschil tussen de beide fasen (geconcentreerd en verdund ^He) worden de pijp 36, de hulpkamer 32 en de meng- 3 kamer 30 dan automatisch gevuld met geconcentreerd He.

In normaal bedrijf wordt via toevoerkanaal 37 3 25 nagenoeg zuiver He in de vloeibare fase toegevoerd aan 3 mengkamer 31> "waar de toegevoerde He-rijke fase over-3 gaat in de He-arme fase. Dit gaat met koudeontwikkeling 3 gepaard. Het ^He stroomt daarna door het verbindingska-naal 38 naar het verdampingsreservoir 39» Via gasafvoer 3 4 30 4θ wordt in hoofdzaak JHe, dat vluchtiger is dan He, aangezogen door pompinrichting 41 en in toevoerkanaal 37 3 geperst. Condensatie en verdere koeling van het He vinden plaats door warmteuitwisseling met achtereenvol- 4 3 gens het N0-bad 57» het He-bad 53» het vloeibare He-4 ά 35 He-mengsel in verdampingsreservoir 39 via warmteuitwis- selaar 42 en door tegenstroomwarmteuitwisseling in warm- 7902014 “ 9 ~ .„JEHN .S3B.iL_________________________________________________________________________ teuitwisselaar 43.

Daarnaast wordt, doordat met beltulp van ver-warmingsspiraal 46' in ruimte 46 een wat hogere temperatuur wordt ingesteld dan in reservoir 39, door de optre- 4 5 dende fonteinpompwerking superfluïde He vanuit reser voir 39 door superlek 45 getransporteerd naar ruimte 46.

Een bijkomstig voordeel hiervan is dat dit onttrekken 4 van He gepaard gaat met warmteontwikkeling in reservoir 3 39 zodat het verdampen van He zonder additionele verwar— 10 ming kan plaatsvinden. Vanuit ruimte 46 stroomt dit ^He via kanaal 47 en koeler 48 naar de ingang van superlek 49. In koeler 48 staat het superfluïde ^He warmte af aan 4 het He-bad 53.

Door de serieschakeling van superlek 45, ruimte 15 46, kanaal 47 en koeler 48 wordt op dit ^He een zodanige drijvende kracht uitgeoefend dat een hoge druk aan de ingang van superlek 49 wordt verkregen. Deze hoge druk maakt dat superfluïde ^He door superlek 49, tegen een tempera-tuurgradiënt in, naar de mengkamer 30 wordt gedreven en 20 aldaar wordt geïnjecteerd. In de mengkamer lost ge- 3 concentreerd ^He op in het plaatselijk geïnjecteerde 4

He, waarbij koude wordt opgewekt. Het gevormde verdunde 3

He, dat een groter soortelijk gewicht heeft dan gecon-centreerd ^He, zakt en gaat via afvoerleiding 34 naar

O

25 pijp 36. In pijp 36 valt het verdunde "Ήβ, door gecon- 3 centreerd He heen, naar de verdunde fase op de bodem van mengkamer 31 en wordt via kanaal 38 afgevoerd naar verdampingsreservoir 39« Het in de mengkamer 30 ten gevolge van de verdunning ontstane tekort aan geconcentreerd 3 3 30 He wordt aangevuld door geconcentreerd He dat vanuit . mengkamer 31 via pijp 36, hulpkamer 32 en toevoerleiding 33 naar mengkamer 30 stroomt. In de verbindingskanalen 3 35 wordt dit geconcentreerde ^He voorgekoeld door ver-

O

dund JHe, dat in afvoerleiding 34 op weg is naar pijp 36. 35 In de onderhavige machine vindt koudeproduktie op twee niveaus plaats, namelijk in de mengkamer 30 bij 7902014

Claims (3)

1. He- He verdunningskoelmachine voor zeer lage temperaturen, bevattende twee onderling op verschillende niveau's opgestelde kamers waarvan de bovenste een meng- 3 10 kamer voor vloeibaar geconcentreerd He en superfluïde 4 He vormt, waarbij de beide kamers zijn opgenomen in k een He-circulatiesysteem, dat een in de mengkamer uitmon- k dend superlek voor toevoer van superfluïde He aan de mengkamer alsmede een verbinding tussen de beide kamers 15 met een met zijn benedeneinde boven in de onderste kamer 3 uitmondende pijp voor toevoer van geconcentreerd He aan 3 en afvoer van verdund He uit de mengkamer bevat, met het kenmerk, dat de pijp met zijn boveneinde uitmondt in een hulpkamer, waarvan het bovenste deel via een toevoerlei- 3 20 ding voor geconcentreerd ~ne is aangesloten op het boven ste deel van de mengkamer, terwijl het onderste deel van de mengkamer via een afvoerleiding voor verdund He is aangesloten op diet onderste deel van de hulpkamer. 3 4

2. He- He verdiuuiingskoelmachine volgens conclu- 25 sie 1, met het kenmerk, dat de toe- en afvoerleiding zijn voorzien van één of meer warmteuitwisselaars voor warmte- 3 uitwisseling tussen geconcentreerd en verdund He. 3 4

3· He- He verdunningskoelmachine volgens conclu sie 2, met het kenmerk, dat de warmteuitwisselaars zijn 30 gevormd door verbindingskanalen tussen de toe- en afvoer leiding voor directe warmteuitwisseling tussen geconcen- 3 treerd en verdund He. 7902014