DE1751185A1 - Vorrichtung zum Transportieren von Waerme von einem niedrigeren Temperaturniveau zu einem hoeheren Temperaturnivcau - Google Patents

Description

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Df. Herbert Scfco!« ·_•-.■ JW/JE.

Patentanwalt

Anmelder: ■ _N.γ.philips' Gloeiiampenfabneken 1751185

Akis No-PHN- 2435
luPG vom: 16. April 1968

"Vorrichtung zum Transportieren von Wärme von

einem niedrigeren Temperaturniveau zu einem höheren Temperaturniveau".

Die Erfindung bezieht eich auf eine Vorrichtung zum Transportieren von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau, die das Kennzeichen aufweist, daß beide Temperaturniveaus unterhalb der Temperatur des 1\ -Punktes von-Helium liegen, und die Vorrichtung einen mit He gefüllten Umlaufkanal enthält, in dem sich mindestens eine Materialmasse befindet, wel- ^x ehe die Eigenschaft aufweist, dass normales He nicht durch diese Masse hindurchgehen kann, jedoch superflüssiges He, ohne dass beim Hindurchströmen sich bewegende Wirbel auftreten (superdurchlässige Masse, super leak)^ welche Materialmasse sich über einen Teil des Umlaufkanals erstreckt, und den Durchgang des Umlaufkanalβ

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völlig einnimmt, wobei der Umlaufkanal eine Pumpvorrichtung enthält, die einen Druckunterschied über der genannten Material masse einhalten kann, mrid. . die erwähnte Materialmasse und wenigstens der an dsr niedrigeren Druckseite jener Masse liegende Teil des Onlaufkanals thermisch isoliert ist, und der sich an die höhere Druckseite der erwähnten Materialmasse anBchliessende Teil des Umlaufkanals mit einem Kühler in lnärmekontekt ist, in dem eine Temperatur herrscht, die unterhalb des λ-Punktee des He liegt, wobei die Abmessungen des Durchgangs des Umlaufkanals und die Pumpvorrichtung derart gewählt sind, dass das Medium darin seine kritische Geschwindigkeit überschreitet und V.irbel auftreten.

Im folgenden wird die Materialmasse mit der Eigenschaft, dass normales He nicht und dae superflUssige He wohl durch diese Masse hindurchetrömen kann, ohne dass bei dieser Durchströmung mitbewegende Airbel auftreten, als superdurchlässige Maßse bezeichnet. Bei der erfindurigsfemüseen Vorrichtung benutzt man die Tatsache, dass, wenn man ein U-förmiges Kohr hat, in dem sioh He bei einer Temperatur unter dem λ-1'unkt befindet, und in diesem Rohr eine superdurchla'ssige Masse angebracht ist, über der ein Temperaturunterschied herrscht, auf das superflüssige Helium eine treibende Kraft ausgeübt wird, die due ßuperflässige Helium in Richtung der höheren Temperatur durch die superdurchlässige Masse _x strömen lässt* Dieses Strömen des superflüssigen Heliums erfolgt solange, bis in den Schenkeln des U-fürmigen Rohrs ein Pegelunter· Fchied entstanden ist, der einen Druckunterschied über der superdurchla'ßsigen Masse ergibt, der die treibende Kraft auf das superflüseigi Höliura infolge des Temperaturunterschiedes ausgleicht.

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Umgekehrt wird bei einem Druckunterschied an der einschlägigen superdufchlfissigen Masse ein Temperaturunterschied an dieser Masse herrechen. Wünscht man nun einen Gegenstand bei' dieser niedrigen Temperatur zu kühlen, so kenn man diesen Gegenstand mit eiern Helium an dieser Stelle in Kontakt bringen. Bei diesem Kühlen wird jedoch ständig 'ήarme vom Gegenstand dem Medium zugeführt, welche Wärme durch das Helium abgeführt werden muss. Dine Mgenschaft des superflüssigen heliums ist jedoch, dass es'eine Entropie null hat und somit keine kSrme befördern kann« ' ' ■

Der erfindungsgemössen Vorrichtung lieg* die Erkenntnis zugrunde, das*s ein* kontinuierlicher Kühlprözess dadurch erhalten wird, dass im ümlaufkanal im superflüseigen Helium Wirbel auftreten werden, und daß durch die Interaktion der Wirbel im sttperflüs-

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sigen Helium (Helium II) auf das normale Helium/ das normale Helium mit dem superflüseigen Heliumstrom mitgeführt werden wird. Dieses mitgeführte normale Helium hat wohl Entropie und somit wird niit · diesem normalen Helium Viörme von der kalten Stelle zur gekühlten ütelle höherer Temperatur mitgeführt werden. ''

Auf diese Weise ist eine überraschend einfache Vorrichtung erhalten, um ausgehend von einer. Tempera tür, die unter dem λ-Punkt des Heliums liegt, bei niedrigeren Temperaturen KSlte zu,produzieren.

Bei einer weiteren günstigen, üusführungsform der erfindung8gemäseenVorrichtung befindet eich der thermisch »olierte Teil tier Vorrichtung in einem Vakuuraraura> der durch ein Bad mit flüssigem ^Ke mit einer Temperatur unterhalb des X-Punktes umgeben 1st, wobei aer aus dem Vakuumraura hinausragend·© Teil des Umlaufs- "

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kanals ebenfalls durch dieses flüssige He umgeben ist. Bei dieser Vorrichtung wird also die Wfirme, die beispielsweise bei 0,7 °K an der kalten Seite einer superdurchlässißen Müsse einem zu kühlenden Gegenstand entnommen ißt, nach dem ^He-Bad befördert.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäesen Vorrichtung ist die Himpvorrichtung als Zentrifugalpumpe ausgebildet, die sich in jenem Teil des Umlaufkanals befindet, der hus der thermischen Isolation hinausragt* s

Der Umlaufkanal braucht kein geschlossener Kanal eines konstanten Durchmessers zu sein· So kann beispielsweise in den thermisch nichtisolierten Teil, also denjenigen Teil, dessen Temperatur höher ist, ein ebenfalle mit He geflüllter Behälter aufgenommen sein.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform ist der im Bad mit flüssigem He liegende Teil des'Umlaufkanals unterbrochen. Dabei bildet also das ⁴He Bed gleichsam einen Teil des Umlaufkanals.

ist hier möglich, weil im Umlaufkanal dasselbe Medium wie in umgebenden Bad vorhanden ist. .,\

Aueführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung

dargestellt und werden im folgenden na'her beschrieben. Ee zeigern Fig. 1 und 2 eine schematische und nicht massgerechte Darstellung zweier erfindungsgemässen Vorrichtungen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen Umlaufk&nal 1 in dem sich ⁴He befindet. In diesem Umlaufkanel sind eine Pumpvorrichtung 2, eine superdurchlüssige Masse 3 und ein Behälter 3 angeordnet. Der durch die superdurchla'ssige Masse 3, den Behälter 4 und die Leitung 5 gebildete Teil des Umlaufkanuls sind in einem Vukuumraura 6 angeordnet, der über eine Leitung 7 an eine nicht

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. dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen ist, die das gewünschte Vakuum im Raum 6 einhält. Der aus dem«Raum 6 hinausragende Teil des Umlaufkanals. 1, in dem sich die .Pumpe 2 befindet, ißt durch flüssiges He umgeben, das auch den Kaum 6 umgibt, und das in ein .Dewarg-efa'ss B aufgenommen ist. Der Dampfdruck über dem flüssigen 'Helium'des Dewargefäß see 6 wird mit Hilfe einer nicht dargestellten Vakuumpumpe bis zu einem derartigen Wert 'abgesaugt, dass die Temperatür deB flüssigen Heliums im Gefäss ü'. unterhalb.der Temperatur des λ-Funktes dee Heliums liefet. Die Temperatur kann beispielsweise 1,3°K betrügen. Die Pumpe 2 ist über eine Welle 9 mit einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung verbunden. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist wie folgt. Bei Drehung der Pumpe 2 wird an der Oberseite der Buperdurchle'ssigen Masse 3 an der Stelle 10 ein höherer Druck entstehen, der das superflüesige Helium durch die superdurehla'seige Masse drangt. Die supeidurchläsBige Masse ist beispielsweise durch gepresste oder gesinterte ßehr fein pulverformige · Stoffe wie Karborund oder Eisenoxid gebildet. Das normale He la um geht nicht durch diese superdurchla'ssige Masse und das bedeutet, dass durch die euperdurchla'esige Masse keine Wärmeströmung möglich ist. Durch den Druckunterschied über der superdurchlOssigen Masse 3 wird im Behälter 4 eine niedrigere Temperatur als an der Stelle 10 herrschen. Im Ge fa's β 4 kann ein zu kühlender Gegenstand 11 angeordnet sein. Der Teil 5 des Umlaufkanals ist derart bemessen, dass das superflüseige Helium darin seine kritische Geschwindigkeit über- ■ Eohreitet, so dass darin Wirbel gebildet werden· Infolge der Interaktion der Mirbel dee fiuperfKiesigen Heliums wird ein Tell dee nor·

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malen Heliums in Richtung der Pumpe mitgeführt werden, hit diesem normalen Helium wird Wärme vom Behälter 4 in Kichtung der Pumpe mitgeführt. An der Stelle 12 gelangt das herumfliessende Medium mit den Heliumbad in Wärmeauetausch, so dass das Medium an dieser stelle v,ieder auf die Temperatur des Helium bades gebracht wird. Auf diese Vieise wird eine Menge Uarme vom Behälter 4t der eine niedrige Temperatur von beispielsweise 0,7 K^aufweist, zum Heliumbad, daβ eine Temperatur von .beispielsweise 1,3 ⁰K aufweist, befördert. Auf diese Weise ist also eine Kühlvorrichtung erhalten, bei der das eiiperflÜBfiige Helium bei Durchatrömung durch di,p superdurch 1 »rsig.e Hasse 3 zum Behälter 4 keine Wärme befördert, während das superflüssige Helium bei Durohströmung vom Behälter 4 zur Pumpe 2 durch die Kapillare 5» in der Wirbel auftreten, imstande ist, eine Menf,e normales Helium mitzuführen, so dass eine Wärmeströmung erhalten wird.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung, die in groß sen Zügen der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht. Nur ist in dieser Figur, \der durch das He-Bad umgebene Teil des Umlaufkanals 1 unterbrochen, so dass die Kapillare 5 nun in das Bad mündet und die Pumpe 2 sich mit seiner Ansaugseite an das Bad anschliesst. Dabei bildet also das Flüssigkeitsbad gleichsam einen Pufferraum für den Umlaufkanal. Die wirkungsweise dieser Vorrichtung ist der der Vorrichtung nach Fig. 1 völlig gleich. .

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Claims (2)

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1. Vorrichtung zum Transportieren von Wurme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau, dadurch gekennzeichnet, dass beide Temperaturniveaus unterhalb der Temperatur des λ-Punktee von Helium liegen, und die Vorrichtung einen mit He gefüllten Umlaufkanal enthölt, in dem eich mindestens eine Materiul-

4 masse befindet, welche die Eigenschaft aufweist, dass normales He nicht durch diese Masse hindurchgehen kunn, jedoch: sup'erflüssiges. He,.

• - — ohne dass hgj"¹ PintViir^h^tr^m- auftreten (superdurchlässige Masse), welche Haterialmasse sich über einen Teil des Umlaufkanals erstreckt, und den Durchgang des Uralaufkanals völlig einnimt, wobei der Umlaufkanal eine Pumpvorrichtung enthält, die einen !Druckunterschied über der genannten Materialmasse einhalten kann, und' die erwähnte Materi&lmasee und wenigstens der an der niedrigeren Druckseite jener Masse liegende Teil dee Umlaufkanals thermisch isoliert ist, und der an die höhere Druckseite der ,erwähnten M&terialmasse anschliessende Teil des Ümlaufkanals mit einem Kühler in Wa'rmekontakt ist, in dem eine Temperatur herrscht, die unterhalb des λ-Punktee des He liegt, wobei die Abmessungen des Durchgangs des Umlaufkanals und die Pumpvorrichtung derart gewählt sind, dass das Medium im Umlaufkanal seine kritische Geschwindigkeit überschreitet und Vrirbel aultreten. '

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eich.der thermisch isolierte Teil der Vorrichtung in einem Vakuumraum befindet, der durch ein Bad mit ilüssigem He mit einer Temperatur unterhalb des /-Punktes umgeben ist', wobei der aus dem '" 109823/0397 »

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VakUtunraum hinausragende Teil äee Umlaüfkanale ebenfalls durch die β β es flUeeige ⁴He umgeben iet. '

3, "Vorrichtung" nach*Ahatpruch 1 oder Z, dadurch gekennzeichnet, daeβ die Pumpvorrichtung durch eine Zentrifugalpumpe

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gebildet iet und eich in demjenigen Teil dee Unlaufkanule befindet, der nut der_: thertiißchen Isolation hinausragt.

4. Vorrichtung nach den itnKprUcheri 2. und 3» dadurch gekenn· eeiohnet, daee der aueeerhalb des Vakuuarauae liegende 5>il dee Ualfufkbnaie mit dea flüssigen rÜi-Bad in offener Verbindung steht.

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