NL7902438A - 3he-4he koelmachine. - Google Patents

Description

* »v ν' « N.V. Philips* Gloeilampenfabrieken te Eindhoven 28.3.1979 1 pHN 9^03 3 4 ” JHe- He koelmachine1’.

3 4

De uitvinding heeft betrekking op een He- He koelmachine voor zeer lage temperaturen, bevattende een 3 mengkamer voor menging van vloeibaar geconcentreerd He en 4 superfluidë He, een op een lager niveau dan de mengkamer 3 5 opgestelde ontmengkamer voor ontmenging van verdund He m 3 4

He en He, een verbindingskanaal tussen de mengkamer en het bovenste deel van de ontmengkamer, en een op fonteinpompwerking berustende thermomechanische pompinrichting 4 voor het circuleren van superfluïde He, welke een op het 10 onderste deel van de ontmengkamer aangesloten eerste super- 4 lek voor het onttrekken van superfluïde He aan de ontmengkamer en een in de mengkamer uitmondend tweede superlek 4 voor het injecteren van superfluïde He in de mengkamer vertoont.

15 Een koelmachine van de aangeduide soort is be- 3 4 kend uit het artikel ”An improved version of the He- He refrigerator through which ^He is circulated” (Cryogenics,

January 1974, pp. 53-5*0 ·

Tijdens bedrijf is er een fasescheiding aanwezig 3 20 in de ontmengkamer, d.w.z. een scheiding tussen een He-

O O

rijke fase (geconcentreerd "'He) en een ^He-arme fase (ver- 3 3 4 \ dund He, ofwel He opgelost in He).

3

Doordat het geconcentreerde "Ήβ een geringer 3 soortelijk gewicht heeft dan het verdunde ^He, drijft het 3 3 geconcentreerde He op het verdunde He en vult automatisch 790 2 4 38

V

28.3.1979 2 PHN 9403 het verbindingskanaal en de mengkamer.

De thermomechaiiische pompinrichting van de beken- 4 de koelmachine onttrekt superfluïde He aan het verdunde 3

He in de ontmengkamer en injecteert dit in de mengkamer.

3 5 Een deel van het daar aanwezige geconcentreerde He lost 4 in het superfluïde He op, hetgeen door het onttrekken van de vereiste mengwarmte aan de omgeving een koeleffekt le- 3 vert. De hierbij gevormde verdunde He zakt, door het ge- 3 concentreerde He m de mengkamer en het verbindingskanaal 10 heen, naar de ontmengkamer alwaar ter plaatse van het fasescheidingsvlak ontmenging plaatsvindt. De daarbij ont- 3 wikkelde warmte wordt afgevoerd via een afgepompt He-bad.

De thermomechanische pompinrichting van deze bekende koelmachine bestaat uit één enkele fonteinpomp. Ge-15 zien in de richting van de ingangszijde naar de uitgangs-zijde bestaat een fonteinpomp uit een serieschakeling van een superlek, een kamer voorzien van een verwarmingsinrichting, een nauw kanaal en een koeler.

Een superlek heeft de eigenschap dat het super- 4 4 20 fluide He wel en normaal He niet doorlaat. Een superlek laat derhalve geen entropie door.

Door verwarming van de kamer stroomt superfluïde 4

He van de ontmengkamer naar de kamer, op grond van het fonteineffekt ingevolge het teweeggebrachte temperatuur-25 verschil. Ten gevolge van de verwarming van de kamer wordt 4 4 superfluïde He ten dele omgezet in normaal He. De superfluïde component wordt in het nauwe kanaal, alwaar de normale component zijn kritische snelheid overschrijdt zodat er turbulentie optreedt, door deze normale component mee-30 gesleept naar de koeler, die op een temperatuur lager dan de temperatuur van de kamer wordt gehouden. In de koeler wordt de normale component weer omgezet in superfluïdum.

Het superfluïdum gaat vervolgens van de koeler via een tweede superlek, een injectiesuperlek, naar de mengkamer.

35 Om bij de bekende koelmachine lagere temperaturen 4 in de mengkamer te realiseren, moet de He-circulatie 4 (aantal molen He dat per seconde een dwarsdoorsnede passeert) worden opgevoerd. Dit gaat gepaard met een grotere 7902438 Η; 28.3.1979 3 ΡΗΝ 9^03 warmteontwikkeling per tijdseenheid bij de ontmenging in 3 de ontmengkamer. Bij het gegeven afgepompte He-bad voor opname van de vrijkomende ontmengwarmte betekent dit, dat de temperatuur in de ontmengkamer oploopt. De osmotische 5 druk van het verdunde He in de ontmengkamer stijgt dan zodanig, dat het voor de fonteinpomp niet langer mogelijk is 4 superfluïde He te circuleren.

Doel van de onderhavige uitvinding is een ver- 3 4 beterde He- He koelmachine van de aangeduide soort te ver- 4 10 schaffen, waarbij circulatie van superfluïde He ook bij hogere temperaturen van de ontmengkamer mogelijk is.

Ter verwezenlijking van het beoogde doel heeft 3 4 de JHe- He koelmachine volgens de uitvinding het kenmerk, dat de thermomechanisehe pompinrichting uit meerdere in 15 serie geschakelde fonteinpompen is opgebouwd.

Uitermate verrassend is het, dat door de serie- schakeling van identieke fonteinpompen een koelmachine met 4 grote He-circulatie is verkregen, waarbij hoge osmotische drukken worden overwonnen.

20 Dient bij een serieschakeling van conventionele mechanische pompen de constructie van deze pompen zodanig onderling te zijn afgestemd dat de aanzuigdruk van een pomp correspondeert met de persdruk van de voorgaande pomp, in het onderhavige geval is hiervan in het geheel geen 25 sprake en vindt in feite een optelling van de door de individuele fonteinpompen uit de serieschakeling geleverde pompdrukken plaats.

Teneinde warmtelek van de ontmengkamer van hogere temperatuur naar de mengkamer van lagere temperatuur te 3 4 30 reduceren is een gunstige uitvoeringsvorm van de He- He koelmachine volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat het verbindingskanaal met het tweede superlek in warmteuitwisselend kontakt staat»

Bij de bekende koelmachine staat de ontmengkamer 3 35 in warmteuitwisselend kontakt met een afgepompt ^He-bad, als koelinrichting die de vrijkomende ontmengwarmte absorbeert.

Afpompen van dit bad geschiedt met een mechanische 790 2 4 38 28.3*1979 4 PHN 9403 pompinrichting, die zich op kamertemperatuur bevindt en is 3 opgenomen in een hermetisch gesloten He-circulatiesysteem.

Dit maakt de machine ingewikkeld en duur.

Teneinde deze bezwaren te ondervangen heeft een 3 4 5 verdere gunstige uitvoeringsvorm van de He- He koelmachine volgens de uitvinding het kenmerk, dat de koelinrichting 4 bestaat uit een He-wervelkoelmachine.

4

De grotere He-circulatie bij de koelmachine volgens de uitvinding gaat, zoals reeds gesteld, gepaard met 10 een grotere warmteontwikkeling per tijdseenheid bij de ontmenging in de ontmengkamer. De wervelkoelmachine, opgesteld in het lagere temperatuurgedeelte van de machine, levert nu op constructief eenvoudige wijze het benodigde koelvermogen.

4 15 He-wervelkoelmachines zijn op zichzelf bekend uit het artikel "Vorticity in He-II and its application in a cooling device” (Cryogenics, December 1969, PP· 422-426).

De uitvinding betreft verdere een op fontein- 20 pompwerking berustende thermomechanische pompinrichting voor 4 het transporteren van superfluïde He, gekenmerkt door een serieschakeling van meerdere fonteinpompen. Een dergelijke pompinrichting met in serie geschakelde fonteinpompen leent zich ook voor toepassing in de voornoemde wervelkoelmachine, 3 4 3 25 alsmede in He- He koelmachines met zowel He-circulatie 4 als He-circulatie zoals bekend uit het Amerikaanse octrooi-" schrift 3.835.662 (PHN 6199).

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin bij wijze van voorbeeld een 3 4 30 uitvoeringsvorm van de He- He koelmachine schematisch en niet op schaal is weergegeven.

In de figuur zijn met de verwijzingscijfers 1 en 2 twee op verschillende niveaus opgestelde kamers aangeduid. De bovenste kamer 1 is een mengkamer en de 'onderste kamer 35 2 een ontmengkamer, die onderling zijn verbonden via een verbindingskanaal 3» Tussen de ontmengkamer 2 en de mengkamer 1 is verder een thermomechanische pompinrichting,* be— 4 staande uit vier in serie geschakelde He-fonteinpompen 7902438 v 28.3.1979 5 PHN 9^03 A, B, C en D aanwezig. Elke fonteinpomp bestaat uit een serieschakeling van achtereenvolgens een superlek 4, een kamer 5 met een verwarmingsinrichting 5', een capillair 6 en een koeler 7. Superlek 4 van fonteinpomp A mondt uit 5 in het onderste gedeelte van de ontmengkamer 2, terwijl een injectiesuperlek 8 enerzijds is aangesloten op fonteinpomp D en anderzijds uitmondt in het onderste gedeelte van de mengkamer 1 .

Superlek 8 staat in warmteuitwisselend kontakt 10 met verbindingskanaal 3 door middel van warmteuitwisse-laars 9» 10 en 11.

De mengkamer 1, verbindingskanaal 3» een deel van het bovenste superlek 8 en de warmteuitwisselaars 9, 10 en 11 zijn ondergebracht in een stralingsscherm 12 van 15 warmtegeleidend materiaal, bijvoorbeeld koper. De ruimte 13 binnen stralingsscherm 12 is geëvacueerd. Ontmengkamer 2 is warmtegeleidend verbonden met stralingsscherm 12 en wordt via dit scherm 12 gekoeld door een wervelkoelmachine 15. De wervelkoelmachine 15 omvat een in warmteuitwisselend 20 kontakt met het stralingsscherm 12 staand reservoir 16, 4 waaraan superfluïde He kan worden toegevoerd via een fonteinpomp, bestaande uit een superlek 17» een kamer 18 met een verwarmingsinrichting 18', een capillair 19 en een koeler 20, en via een in het reservoir 16 uitmondend in-25 jectiesuperlek 21. De afvoer van ^He uit reservoir 16 geschiedt via een capillair 22.

Het koudere gedeelte van de koelmachine is ondergebracht in een vacuummantel 23* De ruimte 24 binnen de vacuummantel 23 is evacueerbaar via een leiding 25· 30 De vacuummantel 23 is omgeven door een vloeibaar 4 ^

He-bad 26 binnen een cryostaat 27» voorzien van een deksel 28. Het ^He-bad 26 wordt op een temperatuur van bij- 4 voorbeeld 1.2 K gehouden door het afpompen van He-damp via een leiding 29*

35 De vier koelers 7 van de fonteinpompen A, B, C

en D en de koeler 20 van de wervelkoelmachine 15 bevinden zich in het ^He-bad 26 voor directe warmteuitwisseling daarmee. Superlek 17 en capillair 22 van de wervelkoel- 7 rfO 2 Λ 3 8 28.3.1'979 6 ’ ΡΗΝ 9^03 4 .

machine 15 staan in open- verbinding met het He-bad 26.

De werking van de koelmachine is als volgt.

De mengkamer 1, verbindingskanaal 3 en de ont- 3 4 mengkamer 2 worden met een He- He mengsel gevuld in een 3 4 5 zodanige mengverhouding van de componenten He en He, dat bij koeling van de ontmengkamer 2 door de wervelkoelmachi-ne 15 (tot een temperatuur van bijvoorbeeld 0.8 K) er een fasescheiding (grensvlak 30) in de ontmengkamer 2 optreedt. Ten gevolge van het dichtheidsversch.il tussen de beide

O

10 fasen (geconcentreerd JHe heeft een lager soortelijk ge-

O

wicht dan verdund ''He) worden het verbindingskanaal 3 en de mengkamer 1 dan automatisch gevuld met geconcentreerd 3 3 3

He. Geconcentreerd He drijft dus op het verdunde He, dat zich in het onderste gedeelte van de ontmengkamer 2 15 bevindt.

Nadat de superlekken 4 van de fonteinpompen A, 4 B, C en D en injectiesuperlek 8 met He zijn gevuld, wordt 4 de He-circulatie gestart door het inschakelen van de vier verwarmingsinrichtingen 5’ (bijvoorbeeld elektrische ver- 20 hittingselementen). Via het onderste superlek 4 wordt nu 4 3 superfluïde He aan verdund He in de ontmengkamer 30 onttrokken en via het bovenste superlek 8 in de mengkamer 4 1 geïnjecteerd. Het geïnjecteerde superfluïde He verdunt 3 in de mengkamer 1 aanwezig geconcentreerd He. Dit gaat 3 25 met koudeproduktie gepaard. Het gevormde verdunde He, dat 3 een hoger soortelijk gewicht heeft dan geconcentreerd He, 3 zakt via verbindingskanaal 3, door geconcentreerd He heen, naar de ontmengkamer 2. Bij het grensvlak 30 treedt ont- 3 menging op, waarbij geconcentreerd ^He wordt gevormd, dat 30 via verbindingskanaal 3 naar de mengkamer 1 stroomt en het 3 door de verdunning ontstane tekort aan geconcentreerd He 4 aanvult. Uit de verdunde fase wordt weer superfluïde He onttrokken door het onderste superlek 4. De bij de ontmenging ter plaatse van grensvlak 30 vrijkomende warmte 4 35 wordt door het He-bad in reservoir 16 van de wervelkoel-machine 15 geabsorbeerd.

De werking van elk van de fonteinpompen A, B, C en D is identiek aan die zoals in de inleiding voor de 700 2 4 3 8 28.3.1979 7 PHN 9403 * machine met enkelvoudige fonteinpomp beschreven. Hoogst verrassend is echter, dat in het onderhavige geval een vol- 4 doend hoge fonteindruk wordt opgewekt, zodat het He wordt gecirculeerd tegen een zeer hoge osmotische druk in de 5 ontmengkamer 2 in.

De werking van de wervelkoelmachine 15 is als volgt. Via superlek 17 wordt bij ingeschakelde verwarmings- 4 inrichting 18’ door de fonteinpomp 17-20 superfluïde He aan het ^He-bad 26 onttrokken en aan reservoir 16 toege-10 voerd via superlek 21. Door opname van de ontmengkamer uit 4 ontmengkamer 2 gaat het superfluïde He in reservoir 16 4 ten dele over in normaal He. Doordat de snelheid van het 4 superfluïde He in capillair 22 zo groot is dat er wervels 4 worden gecrëeerd, wordt het normale He vanuit reservoir . 4 15 16 meegesleurd naar het He-bad 26.

Via de warmteuitwisselaars 9 5 10 en 11 is bereikt, dat warmtelek via superlek 8 naar de mengkamer 1 wordt gereduceerd.

20 25 30 35 7ff0 24 38

Claims (3)

1. He- He koelmachine voor zeer lage temperaturen, bevattende een mengkamer voor menging van vloeibaar ge- 3 4 concentreerd -33e en superfluïde He, een op een lager niveau dan de mengkamer opgestelde ontmengkamer voor ont- 3 3 4 5 menging van verdund He in He en He, een verbindingska-naal tussen de mengkamer en het bovenste deel van de ontmengkamer, en een op fonteinpompwerking berustende thermo- mechanische pompinrichting voor het circuleren van super- 4 fluïde He, welke een op het onderste deel van de ontmeng- 10 kamer aangesloten eerste superlek voor het onttrekken van 4 superfluïde He aan de ontmengkamer en een in de mengkamer uitmondend tweede superlek voor het injecteren van super- 4 fluide He in de mengkamer vertoont, -met het kenmerk, dat de thermomechanische pompinrichting uit meerdere in serie 15 geschakelde fonteinpompen is opgebouwd. 3 4 2. -He- He koelmachine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het verbindingskanaal met het tweede superlek in warmteuitwisselend kontakt staat. 3 4

3. He- He koelmachine volgens conclusie 1 of 2, 20 waarbij de ontmengkamer in warmteuitwisselend kontakt staat met een koelinrichting voor opname van bij ontmenging vrijkomende warmte, met het kenmerk, dat de koel- 4 inrichting bestaat uit een He-wervelkoelmachine.

4. Op fonteinpompwerking berustende thermomechanische 4 pompinrichting voor het transporteren van superfluïde He, 790 24 38 28.3.1979 ^ PHN 9403 gekenmerkt door een serieschakeling van meerdere fonteinpomp en. 5 10 15 20 25 30 790 24 38 35