DE2616118A1 - Hoch 3 he- hoch 4 he-verduennungskuehlmaschine - Google Patents

Description

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He- Ho~Vex'düniiungskühlmaschine

Die Erfindung betrifft eine "Ke- He-Verdürmungs-Kühlmaschine für sehr niedrige Temperaturen mit einer Fumpeinriclitung, deren Presseite über mindestens eine Vorkühieinrichtung und mindestens einen Kondensator,

3 in dem im Betrieb ein im wesentlichen aus He bestehender Gasstrom verflüssigt, an eine Zuleitung für konzentrie3?tes • He anscliliesst, in die mindestens ein strombegrenzendes Organ aufgenommen ist _t über das im Betrieb ein Druckunterschied herrscht, wobei die Zuleitung in eine Misch-

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kammer für He und lie mündet, die über eine mit der Zuleitung in wärmeaustauschendem Kontakt stehende Ver-

bindungsleitung für verdünntes He mit einem Distillations·

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3 3 h behälter zur Trennung von verdünntem He in He und He verbunden ist, welcher Behälter mit einer Gasabführung für

im wesentlichen He versehen ist, die mit der Ansaugseite der Pumpeinrichtung verbunden ist„

Eine Voi-diinnungskühlmaschine der angedeuteten Art ist aus dem Ax-tikel "Principles and methods of dilution refrigeration" bekannt (Physics Vol. 4, Nr₀ 1» Seiten 1 bis Gh₁ 1968), insbesondere Fig„ 13.

Bei der bekannten Kühlmaschine ist das strombegrenzende Organ ein fester Strömungswiderstand, der aus einem Kapillarrohre· (innendurchmesser 100 Mikron) nit einem hineingeschobenen» eng passenden Draht besteht. Auch wird für den festen Strömungswiderstand ein mit Pulver gefülltes Rohr eingesetzte

Der foEite Strömungswiderstand, der stromabwärts des Kondensators liegt, sorgt im normalen Betrieb der Maschine für genügenden Druckaufbau im Kondensator, um den angebotenen Gasstrom vollständig kondensieren zu lassen, und lässt soviel Flüssigkeit durch, dass der Kondensator nicht geleert wird, Atif diese Weise wird verhindert, dass im normalen Betrieb Gas in den mit der Verbindungsleitung Wärmeaustauschenden Teil der Zuleitung eintritt, wodurch der Wärmeaustausch zwischen dem

konzentrierten He-Strom und dem kälteren, verdünnten

Ile-Strom in der Vex'bir«.cluii^rrsleitung stark zurückgehen würde,

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ι Der feste Strömungswiderstand wird normalerweise gekühlt, zum Beispiel durch. wSrmeaustauschenden Kontakt mit dem Distillationsbehcilter, um viskose Erwärmung von konzentriertem He im erwähnten Strömungswiderstand möglichst zu begegnen. Die viskose Erwärmung und infolge-

dessen der Temperaturanstieg des He kann durch die hohe

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Viskosität von He bei niedriger Temperatur bedeutend sein«

Ein Nachteil der bekannten Verdünnungskühlmaschine ist die beim Starten auftretende lange Kühlzeit vor dem Erreichen, der erwünschten niedrigen Betriebstemperatur.

Die Erfindung bezweckt, eine verbesserte Verdttrmuiigskühlraaschine der angedeuteten Art zu schaffen, bei der auf baulich einfache Weise eine bedeutend kürzere Kühlzeit automatisch verwirklicht sowie eine verringerte viskose Erwärmung erreicht wird_o

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Die " He- He-Verdünnungskühlmaschine nach der

Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das strombegrensende Organ ein vorn eintretenden Strom betätigtes Rege3.-organ ist, das bei Druckunterschieden über einem Schwellenwert nahezu druckunabhiingig Strom durchläset.

Ein derartiges Regelorgan hat also über dem Schwellenwert dos Druckunterschiedes eine nahezu flache Durchlasskennlinieβ Grafisch dargestellt, bedeutet dies, dass beim Auftragen des Druckuntersohiedes auf einer vertikalen Achse und des durchgelassenen Stromes auf

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einer horizontalen Achse (beispielsweise in Mol/s₀ ausgedrückt) die Kennlinie für Druckimterschiedswerte über den Schwellenwert nahezu horizontal ver3.au.ft«

Die Brflndirag basiert darauf, dass bei der bekannten Verdünnungskühlmaschine die Pumpeinrichtung in der Anlaufzeit nur einen geringen Strom umlaufen lässt, und dies zunächst viegcn der hohen Impedanz, die der feste

3 h Strömungswiderstand dabei für das He- He-Gasgemisch geringer Dichte bildet.

Bei der erfinihmgü gemü s α en Verdünnungskühlmaschine ist die Rede einer Automatikregolung derart,

3 h dass ViShrend der Abkühlzeit, in der gasförmiges He- He-Gemisch zum Hegelorgan fliesst, es wiederum für Druckaufbau im Kondensator sorgt, aber übrigens für das Gasgemisch eine geringe Impedanz bildete D.h., dass ohne die Erforderlichkeit eine:-? Pump einrichtung r.iit grosser Pumpkapazitüt beim Starten ein grosser Gasstrom umläuft, was eine bedeutende Verkürzung 'dex¹ Kühl zeit mit sich bringt.

Die Tatsache der automatischen Regelung ist von grossem Vorteil, weil -."JLe in der Praxis gängigen geringen Ströme (beispielsweise ' 1 ,5· 10** Mol/Sekunde konzentriertes He) schwer von der Aussenseite der Verdünnirngskühlmaschine her genau regelbar sind.

Da das Regelorgan jetzt auch w&hrend der Anlaufzeit eine niedrige Impedanz aufweist, erfolgt in

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dieser Zeit nahezu keine viskose Erwärmung des das

Regelorgan durchfliessonden He, was direkt der Kühlleistung Eugute kommt»

Von zusätzlichem Vorteil ist das Rege!organ

für die Verdtiimungskühlmaschine _t das ans der USA-Patent™

3 schrift 3 835 662 bekannt ist, wobei neben He auch superfluides He umläuft, das dem D:i stillationsbehältcr über ein Superleck entzogen und anschlj.essend in eine Hilfsmischkammer exjigesxjritst wird, die mit der Mischkammer in offener Verbindung steht oder ein Teil davon ist_e

Durch das Umlaufen des superf luidert He wird das Umlaufen

von He und damit die Kühlleistung bedeutend gesteigerte

Das Umlaufen von He v.^Tird eingeschaltet, nachdem

ein normaler Umlauf mit flüssigem He (beispielsweise

„it
1,5-^10 Mol/sekunde) erhalten woz'd cn ist. Beim Einschalten des He-TJmlaufs muss die Punpeinrichtiing ein "i sehr viel

grösseren He-Stroni, beispielsweise mehr a3.s das Zehnfache des normalen} bei einem höheren Ansaugdruck verarbeiten. Bei einem festen Strömungswiderstand an der Presseite der Pump einrichtung würde dies bedexjten, dass die Purnpeinx'ichtixj.ig dabei gegen einen hohen Druck von beispielsweise h at« pumpen muss« Dies würde die Anwendung eines zusätzlichen Kompressors en^-fordern sowie die Gefahr

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grossen . Ke-Go.slecks mit sich b3?ingen ui?.d das Verschwinden

der Hc-Fülltmg aus der Mischkammer durch Speichcirvmg in

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dem an der Presseite des Pump en syst eins vorhandenen schädlichen Raum verursachen» Dank des Regelorgans mit seiner flachen Durchlasskerinliriie liefert die Verax*beitung des

3 -erhöhten Iie-Stromes jetzt keine Probleme, weil dieses?

erhöhte He-Strom unbehindert das Regelorgan mit geringer Impedanz passiert₀

Erfindungsgemäss ist es von Vorteil, das Regelorgan derart auszuführen_s dass der Schwellenwert des Drucktmtcrschiedes einstellbar* ist·« So können gleichfalls auf einfache Weise der Kondensationsdruck in Kondensator

mad ae^ Regslbereich des " He—Stromes beeinflusst "werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

schematiscbon und nicht masstabgerechten Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig« 1 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform

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einer He« He'-Verdlinnungslcühlniaschine mit einem Regeloi'gan,

das vom eintretenden * He-Strom betätigt wird und für Brücke über einen bestimmten Schwellendruck eine flache Durchlasskennline aufweist,

Fig* 2 in einem Längsschnitt eine Ausführuiigs— form des Regelorgans aus der Maschine nach Fig. 1_o

In Fig, 1 ist mit dex= Besvugsziffex· 1 eine Zuleitung bezeichnet, die ±n eine Mischkammer 2 mündet, die über eine Vei-bindungsle3.tun.g 3 init einem Distillations« behälter 4 in Verbindung steht, der mit einem Abfluss 5 versehen, ist«

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Der Abfluss 5 ist über eine Absaugleitung 6

mit der Diffusionspumpe 7 verbunden, an die eine Rotationspumpe 8 anscliliesst» Der Ausgang 9 dei- Rotationspumpe ist über eine Leitung 10 an Zuleitung 1 angeschlossen» In die Leitung 10 sind Wärmeaustauscher 11» 12, 13 und aufgenommen, die sich in Behältern 15» 16» 17 bzw«, im Distillationsbehälter h befinden.

In den erwähnten Wärmeaustauschern erfolgt

Kondensation und weitex'e Vorkühlung von konzentriertem "He* Oer Behälter 15 ist beispielsweise mit flüssigem Stickstoff (78⁰K) gefüllt, und die Behälter 16 und 17 enthalten flüssiges Helium von 4,2 ⁰K bzw₀ beispielsweise 1,3 ⁰K,

Ein Wärmeaustauscher 18 ist einerseits in die Zuleitung 1 und zum anderen in die Verbindungsleituxig auf g onotnmen _o

Veiter ist als Regelorgan in die Zuleitung i eine über eine gut wärmeleitende Verbindung 19 vom Distillationsbehälter K gekühlte variable Drossel 20 vorgesehen, die von dem aus dem Wärmeaustauscher 14 herrührenden Strom gesteuert wird. Ueber einem Schwellenwert des Druckunterschiedes zwischen dem Ein- und Ausgang der Drossel 20 ist der durchgelassene Strom nahezu unabhängig vom Druckunterschied über die Drossel, d.h. die Drossel weist eine flache Durchlasskennlinie auf_a Dies bedeutet, dass über dem Schwellenwert für jeden

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auftretenden Druckunterschied der zugehörige Strom nahezu unbehindert durchgelassen wird, weil die Drossel dabei nur eine geringe Impedanz aufweist. Beim Anlaufen der Maschine zur niedrigen Betriebstemperatur läuft durch die niedrige Impedanz der Drossel 20 ein grosser Strom

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von He- He-Gasgemisch mit Hilfe der Pumpeinrichtung 7» um und infolgedessen wird in sehr kurzer Zeit die niedrige Betriebstempera-fmr erreicht.

Der Vollständigkeit halber sei noch kurz die Wirkungsweise der VerdilrmungskühlKiaschine im normalen Betrieb, d.h.» bei der niedrigen Betriebstemperatur$ beschrieben.

In normalem Botrieb wird von der Rotationspumpe

der Leitung 10 srgeführtos nahezu reines He-Gas in den U'lriiieaustausciiorn 11 bis 1'-[· kondensiert und auf eine Temperatur von ungefähr 0_s7 ⁰K gebracht,, Das verflüssigte, konzentrierte "He erfuhrt im Wärmeaustauscher 18 eine weitere Teinperaturabiialinio und tritt ans chi ie π send in die Mischkammer 2 ein, an weicher Stelle sich zwei von einer Grenzfläche 21 getrennte Phasen 22 und 23 von konzentriertcm

lie bswe superfluidein. vordünnt em He (He in He gelöst) befindenο Der üebergang von "He aus der Phase 22 durch die Grenzf leiche 21 in die Phase 23 bewirkt einen Kühlef f ekt.

Das He, das die Grenzfläche 21 passiert ist, wird in der vex'dünnten Phase übor die Verbindungsloiturig 3 z

* h weiter befördert und kühlt dabei

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3 unterwegs im Wärm eau rstatischer das konzentrierte ' He, das sich auf dem Wege zur· Mischkammer 2 befindete Im Dlstillations-

3 3 /j behält er 4 wird das verd.tin.nte He in He und He getrennt

Das nahezu reine He wxrd über den Abfluss 5 vnd die Absaiigleitung 6 von der aufi der Diffusionspumpe 7 und dex· Rotationspumpe S beistehenden Pumpanlage abgesaugt und anschliessend. wieder der Leitung 10 Kugoführt _c Die Kondensation und Vorldihlung des konzentriert en

He kann anders als mit einem Bad aus flüssigem Stickstoff

und EY<ei rädern aus flüssigem Helium erfolgen, während auch andere Pumpanlagc-n» die auf Rauinteniperatur as^beiteii oder nicht_s möglich sind«

Auch itSmion niehrere Ii^rtini!eaustau.~ehcr, ujiter denen beispielßv.'eise Slnterkupfei^-lftirjüeaustatischor _f in die Zu- und Vcx'-bindraigsleitung aufgeiioiameu sein«.

Das Regelox-gan 20 nach FrLg₆ 2 enthält ein

Gehäuse 30 beispiels\\reise aus Kupfer lnit einem Eintritt und einem Austritt 32» zwischen denen ein Ventilsitz angeordnet ist. Eine Kugel ^r}h in. fester Verbindung mit einem Körper 35 kann mit dem Sit« 33:.-abdichtend zusamnicnarbeiten. Der KUI⁵Per 35 ti-ägt eine schlaffe Druckfeder (kleine Federkonstarrbe) 36 und eine Platte 37» Das Gefüge von Kugel 3^;l·, Körper· 35, Feder 36 und Platte 37 wird von einer Membrane 38 beispielsweise aus rostfreien Stahl (Dicke beispielsweise 100 Mikron) getragoru

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Ueber dem erwähnten Gefüge und der Membran 38 befindet sich eine Kanuner 39% die über eine Bohrung ^O an einen Raum konstanten niedrigen Druckes anschlicssbar ist₀ Hierfür kann der nicht darge3te 11 te Vakuuniraum gev/iihlt v.'erdouj in dem die Verdiüinungslcühlriasdiine nach Fig-, 1 normalerweise angeordnet isti Mit einer Stellschraube kann der Federdiitck der Fedex- 36 oingeatellt V7orden₆

Jm Betrieb wix"-d die JdiP.e.1 3^ vom Sitz 33 dtirch den Druck abgehoben_s der das äen. Eintritt 3I eintretende '.'odiun an der Unterssite der Membrane 38 entgegen dor rsderuirkung: ausübt _c

¥egcii der I; Ig in on Fed orl'.onst ante der Druckfeder .-.'iist des Regslorgan eine flac35.o Durchlasskennlinio übes? einem Druck auf, der nur geringfügig über dem Oeffmmgedi'uck liegto

Selbstverstiiiidlich siis.d neben dem dargef.-i-cllten Hegelorgan alle:rhand andere Ausführungsfornien möglich.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE»

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   He~ He-Verdünnungskühlmaschine für sehr

   niedrige Temperaturen mit einer Pumpeinrichtung, deren Presseite über mindestens eine Vorkühleinxichtung und mindestens einen Kondensator, in dem im Betrieb ein im

   wesentliehen aus He bestehender Gasstrom kondensiert,

   3 an eine Zuleitung für konzentriertes He angeschlossen ist, in die mindestens ein strombegrenzendes Organ aufgenommen ist j über das im Botrieb ein Druckunterschied herrscht,

   3 h wobei die Zuleitung in eine Hischkammex' für He und He mündet j die über eine mit der Zuleitxmg in värmcaustauF.cheiJ.dciT!

   Kontakt stehende Verbindungslcitvuig für verdünntes Ke mit einem Distillationsbehalter zur Trennung von ver-

   3 3h

   dünnt em 1Ie in lie und Hc verbunden ist, welcher

   ]3ohi.'ltcr init einer Gasabfuhr im wesentlichen für "⁷He versehen ist, die mit der Ansaugseite der Pumpeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das strom— begrenzende Organ ein vom eintretenden Strom betätigtes liegclorgan ist, das bei Druckuiiterschieden über e-Xncn Schwellenwert nahezu druckunabbitngig Strom durchliest.

   3 It.
   2. He- He-Verdünnuiigskülilmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert einstellbar ist»

   3 h
   3» He- He—Verdünnungskühlmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekonnzeichnet, dass das Regelorgraa als ein federbelastetes Kugelventil ausgeführt ist₀

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