Helium-II-Phasentrenner

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Helium-II-Phasentrenner zur Trennung von superfluidem Helium (Hell) von dessen Gasphase unter Ausnutzung des thermomechanischen Effektes an spaltförmigen Durchlaßkanälen, wobei der Abstand zweier einen spaltförmigen Durchlaßkanal begrenzender Flächen ca. 10 um beträgt.

[0002] Eine Einrichtung zur Phasentrennung von Helium-II, insbesondere im schwerelosen Zustand, ist u.a. von H.D. Denner et al, Freie Universität Berlin, im Forschungsbericht W-79-47, Dezember 1979, beschrieben. Zur Trennung von superfluidem Helium (Hell) von der Gasphase wird dabei der thermomechanische Effekt (Fontäneneffekt) ausgenutzt. Dieser Effekt äußert sich bei zwei durch ein Kapillarsystem verbundenen Flüssigkeitsbehältern durch Ansteigen des Niveaus auf der wärmeren Seite. Dieser Effekt ist auch wirksam, wennn sich auf der einen Seite des Kapillarsystems Heliumgas befindet. Ist die Temperatur des Flüssigkeitsbades größer als die Temperatur des Kapillarsystems auf der Seite der Gasphase, so kann die Flüssigkeit bei geeigneter Wahl der Randbedingungen aufgrund des thermomechanischen Effektes das Kapillarsystem nicht passieren, da die zugehörige Kraft entgegengesetzt zum Temperaturgefälle, also von der Austrittsseite zum Flüssigkeitsbad hin, gerichtet ist. Hierauf beruht die Anwendbarkeit eines derartigen Systems als Phasentrenner für Helium-ll. Die niedrigere Temperatur der Austrittsseite wird durch Druckerniedrigung, z.B. durch Abpumpen, erreicht, die zur Kühlung durch Verdampfen von Flüssigkeit führt. Bei Weltraumbedingungen genügt hierzu lediglich ein Drosselventil in der Abgasleitung, durch welches das Heliumgas in den Weltraum (Vakuum) ausströmt.

[0003] Ein bekanntes Kapillarsystem, das zur Erzeugung des thermomechanischen Effektes geeignet ist, besteht im wesentlichen aus einem Stopfen aus eng gewickelter Aluminiumfolie mit spiralförmiger Durchlaßöffnung, der in eine Halterung aus gut wärmeleitendem Material eingesetzt und mit dieser an das Abgassystem angeschlossen ist. Bei einem derartigen Stopfen entsteht jedoch durch den Wickelvorgang genau genommen nicht nur eine Durchlaßöffnung, sondern eine Vielzahl unregelmäßiger, in einer Spirale nebeneinanderliegender spaltförmiger Durchlaßöffnungen. Die Wickelspannung muß dabei so eingestellt sein, daß die größte Durchlaßöffnung maximal eine Spaltdicke von ca. 10 pm aufweist, da sonst der thermomechanische Effekt nicht auftritt und flüssiges Helium austreten würde. Durchlaßöffnungen dieser Art lassen sich nicht reproduzierbar herstellen, so daß stets eine Vielzahl derartiger Stopfen hergestellt und im Versuch auf Braucharkeit erprobt werden muß.

[0004] Aus der o.g. Literaturstelle ist weiterhin bekannt, daß der thermomechanische Effekt auch in engen Ringspalten wirksam ist, deren Spaltweite ca. 10 um oder weniger beträgt. In Experimenten wurde jedoch gezeigt, daß bei ausschließlicher Nutzung des thermomechanischen Effektes zur Phasentrennung der Heliumdurchsatz durch einen engen Ringspalt vergleichsweise gering ist. Das würde z.B. im Falle eines für Weltraumexperimente typischen Heliumdurchsatzes von ca. 45 mg/sec einen Ringspalt mit einem Durchmesser von ca. 0,8 m bei einer Spaltweite von ca. 10 µm erfordern. Derartige Ringspalte sind jedoch kaum herstellbar und für die Anwendung in Raumflugkörpern ungeeignet.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Helium-II-Phasentrenner der o.g. Art zu schaffen, der reproduzierbar herstellbar und für die Anwendung in Raumflugkörpern geeignet ist.

[0006] Diese Aufgabe erfüllt ein nach den kenzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeter Helium-II-Phasentrenner. Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier, in den Figuren teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.

[0007] Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht bzw. einen Längsschnitt durch einen Helium-II-phasentrenner aus übereinander gestapelten, quadratischen Ringscheiben;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Helium-II-Phasentrenner gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Helium-II-Phasentrenner mit zylindrischem Hohlkörper und achsparallelen Nuten;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Helium-II-Phasentrenner gemäß Fig. 3 im Bereich einer Nut;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Helium-II-Phasentrenner gemäß Fig. 3 längs der Nut;

Fig. 6 eine Aufsicht auf einen Teilbereich eines Helium-II-Phasentrenners gemäß Fig. 3 im Bereich der Nut;

Fig. 7 die Anordnung eines Helium-II-Phasentrenners an einem Helium-II-Kyrostaten mit Durchsatzregelung.

[0008] Der in Fig. 1 dargestellte Phasentrenner weist im wesentlichen einen Tankflansch 1 zur Befestigung innerhalb eines mit Helium-II gefüllten Tankes eines Kyrostaten auf. An der Stirnseite einer zylindrischen Verlängerung 1.1. des Tankflansches 1 ist ein Stapel aus gleichen Wandelementen in Form quadratischer Ringscheiben 2 mit jeweils dazwischen befindlichen Abstandsstücken 3 angeordnet, so daß zwischen zwei Ringscheiben 2 insgesamt vier, um 90° versetzte und durch die Abstandsstücke 3 getrennte Durchlaßkanäle 2.1 entstehen. Dieser Stapel ist an dem in den Tank hineinragenden Ende mit einer Abdeckscheibe 4 dicht verschlossen und wird zusammen mit dieser Abdeckscheibe durch Zuganker 5 unter elastischer Vorspannung an dem Flansch 1 befestigt. Im Innern des durch den Ringscheibenstapel und die Abdeckscheibe 4 entstandenen Hohlraumes 7 (siehe Fig. 2) ist ein mit der Abdeckscheibe 4 verbundener Verdrängungskörper 6 befestigt, der zwischen sich und dem Innenrand jeder Ringscheibe, sowie zum Flansch 1 einen topfförmigen Spalt 7.1 freiläßt. Dieser topfförmige Spalt 7.1 steht mit einer durch den Flansch 1 geführten Abgasleitung B in Verbindung, welche um die zylindrische Verlängerung 1.1 des Flansches 1 und den Ringscheibenstapel herumgewickelt und somit als Wärmetauscher ausgebildet ist, bis sie an einem zentralen Auslaß 1.2. des Flansches 1 endet.

[0009] Die Spaltweite zwischen den Scheiben 2 beträgt ca. 10 pm; sie kann zwischen 5 und 15 11m liegen, wobei dieser Abstand für die zeichnerische Darstellung um das etwa 200-fache Überhöht wurde. Die Oberflächengüte der Ringscheiben ist besonders hoch; die Oberflächenwelligkeit sollte < 1 um betragen.

[0010] Bei einer Außenabmessung der Scheiben 2 von 50 mm, einer durch die Abstandsstücke 3 begrenzten Kanalbreite von 30 mm und einer Strömungskanallänge von 10 mm im Spalt würden für den eingangs erwähnten He-Durchsatz von 45 mg/sec bei dieser Ausführungsform 21 übereinandergestapelte Scheiben erforderlich sein, was bei einer angenommenen Scheibendicke von 2 mm eine Höhe des gesamten Scheibenpaketes von nur ca. 42 mm ergibt.

[0011] Die Funktionsweise dieses Phasentrenners ist bereits aus seinem Aufbau erkennbar:

[0012] Zwischen je zwei benachbarten Ringscheiben 2, die in den Ecken quadratische Abstandshalter 3 aufweisen, entstehen vier spaltförmige Durchlaßkanäle 2.1, in denen Helium ausschließlich in einer zweidimensionalen Strömung fließen kann. Die Dicke jedes Durchlaßkanales ist gleich und so bemessen, daß bei geeigneten Randbedingungen der thermomechanische Effekt auftritt, aufgrund dessen superfluides Helium (Helium-II) am Durchtritt durch die spaltförmigen Kanäle gehindert wird. In dem topfförmigen Sammelspalt 7.1 strömt daher nur noch gasförmiges Helium, welches über die Abgasleitung B abgezogen wird. Über die im weiteren als Wärmetauscher ausgebildete Abgasleitung 8 wird die im Heliumgas noch vorhandene Restkälte ausgenutzt.

[0013] Der in Fig. 3 dargestellte Helium-II-Phasentrenner besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper 9, der, ähnlich wie die aufeinandergestapelten Ringscheiben des Phasentrenners gemäß Fig. 1, an einem nicht dargestellten Flansch mit zentraler Abgasleitung befestigt ist. Der Hohlkörper 9 weist verteilt auf seinem äuBeren Umfang keilförmige Nuten 10 in Richtung der Zylinderlängsachse auf, welche mit dem Innenraum 11 über Bohrungen 12 in Verbindung stehen und eine Kategorie von gleichartigen Wandelementen darstellen (siehe Fig. 4 und 5). Im Zentrum der keilförmigen Nuten 10 befindet sich eine zweite Kategorie von Wandelementen in Form keilförmiger Leisten 13, die aufgrund von eingelegten Abstandsstücken 14 jeweils zwei gegenüberliegende Reihen aus gleichen spaltförmigen Durchlaßkanälen 15 erzeugen (siehe Fig. 4, 5 und 6). Der Hohlraum 11 ist, ähnlich wie in Fig. 1, auf der dem Flansch abgewendeten Seite mit einem Deckel gasdicht verschlossen, an welchem, ebenfalls wie in Fig. 1, ein zylindrischer Verdrängungskörper zur Erzeugung eines topfförmigen Sammelspaltes befestigt sein kann.

[0014] Die Dicke der Abstandshalter 14 sowie deren Abstände und die dadurch erzeugten Spaltgeometrien entsprechen denen des Phasentrenners gemäß Fig. 1. Die Strömung in diesen Durchlaßkanälen ist somit ebenfalls rein zweidimensional. Die keilförmigen Nuten und Leisten haben bei gleichem Keilwinkel den Vorteil, daß die Spaltdicke durch Verschiebung der Leisten in Keilrichtung eingestellt werden kann.

[0015] In Fig. 7 ist in schematischer Weise der Einbau eines Phasentrenners 16 gemäß Fig. 1 oder 3 in den mit Helium-II gefüllten Tank 17 eines Kyrostaten dargestellt. Das abgeführte gasförmige Helium (GHe) wird dabei zur Kühlung der Strahlungsschilde 18 des Kyrostaten verwendet, bis es über ein Regelventil 19 zu einer Vakuumpumpe bzw. in das Vakuum des Weltalls geführt wird. Die Regelung des Helium-Massendurchsatzes erfolgt durch Veränderung der Druckdifferenz zwischen dem Einund Austritt der Durchlaßkanäle derart, daß der thermomechanische Effekt bei den vorgegebenen Badtemperaturen stets erhalten bleibt. Dazu wird das außerhalb des Helium-II-Kyrostaten befindliche Regelventil 19 verwendet, das über einen Regler 20 von einem Motor 21 gesteuert wird. Der Regler 20 verwendet als Meßsignal die Helium-II-Badtemperatur (T). Diese Badtemperatur muß insbesondere bei Weltraumexperimenten sehr feinfühlig geregelt werden. Hat die Helium-II-Badtemperatur steigende Tendenz, so öffnet das Regelventil 19 und die daraufhin in den spaltförmigen Durchlaßkanälen des Phasentrenners 16 entstehende Druckdifferenz wird größer. Aufgrund der steigenden Druckdifferenz steigt auch der Heliumdurchsatz, wodurch sich das Bad wieder abkühlt. Dies wiederum hat die Umkehrung des eben beschriebenen Ablaufes zur Folge.

Ansprüche

1. Helium-II-Phasentrenner zur Trennung von superfluidem Helium (Hell) von dessen Gasphase unter Ausnutzung des thermomechanischen Effektes an spaltförmigen Durchlaßkanälen, wobei der Abstand zweier einen spaltförmigen Durchlaßkanal begrenzender Flächen ca. 10 um beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmigen Durchlaßkanäle (2.1; 15) von mehreren, in gleichen Abständen nebeinander gelegene, gleichartigen Wandelementen (2; 10,13) gebildet werden, welche in einer Wand angeordnet sind, die einen im wesentlichen abgeschlossenen und in flüssiges Helium hineinragenden Raum (7; 11) umgibt, wobei aus dem Inneren des Raumes (7; 11) gasförmiges Helium abführbar ist.

2. Phasentrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Durchlaßkanäle (2.1; 15) lediglich eine zweidimensionale Strömung zuläßt.

3. Phasentrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßkanäle (2.1; 15) jeweils durch zwei planparallele Wandelemente (2; 10, 13) gebildet werden, zwischen denen Abstandsstücke (3; 14) definierter Dicke angeordnet sind.

4. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (7) und die Durchlaßkanäle (2.1) durch Aufeinanderstapelung von Ringscheiben (2) mit dazwischen liegenden Abstandsstücken (3) gebildet werden.

5. Phasentrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheiben (2) n-eckig oder kreisförmig ausgebildet sind.

6. Phasentrenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheiben (2) und die Abstandsstücke (3) durch Zuganker (5) mit elastischer Vorspannung miteinander verbunden sind.

7. Phasentrennner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (11) und die Durchlaßkanäle (15) durch einen zylindrischen Hohlkörper(9) mitachsparallelen Nuten (10) gebildet wird.

8. Phasentrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Nuten (10) in Nutlängsrichtung Leisten (13) mit Abstandsstükken (14) zur Bildung je zweier Durchlaßkanäle (15) angeordnet sind.

9. Phasentrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (10) und Leisten (13) keilförmig und mit gleichem Keilwinkel ausgebildet sind.

10. Phasentrenner nach einem der Ansprüch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Innenwand des Raumes (7) eine weitere Wandung (6) zur 8ildung eines spaltförmigen Abfuhrkanales (7.1) für das gasförmige Helium vorgesehen ist, dessen Abmessung quer zur Strömungsrichtung des Gases größer ist als die der Durchlaßkanäle.

11. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfuhr des gasförmigen Heliums aus dem Raum (7; 11) über einen mit dem flüssigen Helium in Wärmekontakt stehenden Wärmetauscher (8) erfolgt.

Revendications

1. Séparateur de phases d'hélium Il pour la séparation d'hélium superfluide (Hell) de sa phase gazeuse en utilisant l'effet thermomécanique dans des canaux de passage en forme de fentes, dans lequel l'intervalle entre deux surfaces délimitant un canal de passage en forme de fente est d'environ 10 pm, caractérisé en ce que les canaux de passage (2.1; 15) en forme de fentes sont formés par plusieurs éléments de parois (2; 10, 13) homogènes, placés les uns à côté des autres à intervalles réguliers et disposés dans une paroi qui entoure un espace (7; 11) essentiellement fermé et faisant saillie dans de l'hélium liquide, de sorte que de l'hélium gazeux peut être évacué depuis l'intérieur de l'espace (7; 11).

2. Séparateur de phases selon la revendication 1, caractérisé en ce que la géométrie des canaux de passage (2.1; 15) permet seulement un écoulement bidimensionnel.

3. Séparateur de phases selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que tous les canaux de passage (2.1; 15) sont chacun formés par deux éléments de paroi (2; 10, 13) plans et parallèles, entre lesquels sont disposées des entretoises (3; 14) d'épaisseur définie.

4. Séparateur de phases selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'espace (7) et les canaux de passage (2.1) sont formés par empilage de disques annulaires (2) entre lesquels sont disposées des entretoises (3).

5. Séparateur de phases selon la revendication 4, caractérisé en ce que les disques annulaires (2) sont de forme polygonale ou circulaire.

6. Séparateur de phases selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les disques annulaires (2) et les entretoises (3) sont reliés entre eux avec une précontrainte élastique par des tirants d'ancrage (5).

7. Séparateur de phases selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'espace (11) et les canaux de passage (15) sont formés par un corps creux cylindrique (9) comportant des rainures (10) à axe parallèle.

8. Séparateur de phases selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'à l'intérieur des rainures (10) sont disposées, dans le sens longitudinal des rainures, des barres (13) avec des entretoises (14) pour former chacune deux canaux de passage (15).

9. Séparateur de phases selon la revendication 8, caractérisé en ce que les rainures (10) et les barres (13) sont conformées en coin et avec un angle au sommet identique.

10. Séparateur de phases selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une paroi supplémentaire (6) est disposée parallèlement à la paroi interne de l'espace (7) pour former un canal d'évacuation (7,1) en forme de fente pour l'hélium gazeux, dont la section perpendiculaire à la direction d'écoulement du gaz est supérieure à celle des canaux de passage.

11. Séparateur de phases selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'évacuation de l'hélium gazeux hors de l'espace (7; 11) s'effectue au moyen d'un échangeur de chaleur (8) qui est en contact thermique avec l'hélium liquide.

Claims

1. Helium-II-phase separator for separation of superfluid Helium (Hell) from its gas phase by way of thermo-mechanical effects of slot-shaped through-channels, wherein spacing of two surfaces which define a slot-shaped through-channel is approximately 10 pm, characterised in that the slot-shaped through-channels (2.1; 15) are formed by several identical lateral elements (2; 10, 13) disposed equidistantly adjacent each other, and arranged within a wall which includes a substantially sealed space (7; 11) that extends into liquid helium, whereby gaseous helium can be removed from the interior of the space (7; 11).

2. Phase separator according to claim 1, characterised in that the geometry of the through-channels (2.1; 15) permits only a two-dimensional flow.

3. Phase separator according to claim 1 or 2, characterised in that the through-channels (2.1; 15) are each formed by two plane-parallel lateral elements (2; 10, 13) with spacer elements (3; 14) of defined thickness arranged thereinbetween.

4. Phase separator according to one of the claims 1 to 3, characterised in that the (hollow) space (7) and the through-channels (2.1) are formed by stacking circular discs (2) with spacer elements (3) thereinbetween.

5. Phase separator according to claim 4, characterised in that the circular discs (2) are arranged to be n-cornered or circular in shape.

6. Phase separator according to claim 4 or 5, characterised in that the circular discs (2) and the spacer elements (3) are linked together by means of resiliently pre-tensioned pull-anchorages (5).

7. Phase separator according to one of the claims 1 to 3, characterised in that the hollow space (11) and the through-channels (15) are formed by means of a cylindrical hollow body (19) with parallel-axis grooves (10).

8. Phase separator according to claim 7, characterised in that ledges (13) including spacer elements (14) are arranged within the grooves (10) in the longitudinal direction of the grooves so as each to form two through-channels (15).

9. Phase separator according to claim 8, characterised in that the grooves (10) and ledges (13) are arranged to be wedge-haped and with the same wedge angle.

10. Phase separator according to one of the claims 1 to 9, characterised in that parallel to the inside wall of the space (7) is provided a further wall (6) to form a gap-shaped removal channel (7, 1) for gaseous helium, its dimension across the flow direction of the gas being larger than that of the through-channels.

11. Phase separator according to one of the claims 1 to 10, characterised in that removal of the gaseous helium from the space (7; 11) is via a heat exchanger (8) which is in heat contact with the liquid helium.

Zeichnung