DE2912227A1

DE2912227A1 - Regelbarer phasentrenner zum verschliessen von mit superfluidem helium gefuellten behaeltern

Info

Publication number: DE2912227A1
Application number: DE19792912227
Authority: DE
Inventors: Joachim Rolf Dipl Phys Becker; Egon Horst Ing Grad Siewert
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Becker Joachim Dipl-Physdr 7997 Immenstaad
Priority date: 1979-03-28
Filing date: 1979-03-28
Publication date: 1980-10-02
Also published as: US4305261A; NL8000457A; GB2045460A; JPS55132498A; DE2912227C2; FR2452662A1

Description

DORNIER SYSTEM GMBH
7990 Friedrichshafen -

Regelbarer Phasentrenner zum Verschliessen von mit superfluidem Helium gefüllten Behältern

Die Erfindung betrifft einen regelbaren Phasentrenner zum Verschluss von mit superfluidem Helium gefüllten Behältern. Superfluides Helium findet zum Beispiel Einsatz in der Raumfahrt zur Kühlung der verschiedensten Geräte. Mit einem Phasentrenner ausgerüstet sind derartige Behälter mit superfluidem Helium unabhängig von der Richtung und Grosse der einwirkenden Schwerkraft und somit ist jederzeit ein definierter Heliummassenfluss möglich.

Bekannte Möglichkeiten zur Realisierung von Phasentrennern sind z.B. Stopfen aus porösen, keramischen Materialien oder gesinterten Metallen. Eine andere bekannte Möglichkeit besteht in der Verwendung von gerollten, eingeschrumpften Folien. Der Massenfluss erfolgt dabei in jedem Falle durch die Kapillaren des Stopfens. Bei allen vorstehend aufgezeigten Phasentrennern handelt es sich um passive Systeme, bei denen sich der Helium-

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Massenfluss und damit die Kälteleistung nicht im erforderlichen Maß regeln lässt. Eine solche Regelung ist aber unbedingt erforderlich, wenn sich die Wärmeverlustleistung der zu kühlenden Geräte im Laufe des Befriebsu.U. erheblich ändert.

Es ist auch schon ein regelbarer Phasentrenner vorgeschlagen worden, der aus einer Buchse mit einem darin verschiebbaren Stift besteht. Dieser Stift weist zwei Abschnitte mit geringfügig verschiedenen Durchmessern auf, wobei der Abschnitt mit dem grösseren Durchmesser zur Führung des Stiftes in der Buchse dient und dem Behälter zu angeordnet ist. Der Abschnitt mit dem kleineren Durchmesser bildet zusammen mit der ihn umgebenden Buchse einen Ringspalt mit einer Spaltweite in der Größenordnung von 10 /um, der auf die vom Behälter abgewandte Seite zeigt. Die beiden Abschnitte sind durch einen Ringkanal voneinander getrennt, wobei dieser Ringkanal durch eine zentrale Bohrung im Führungsabschnitt des Stiftes mit dem Behälterinneren in Verbindung steht. Über die Bohrung und den Ringkanal wird der oben erwähnte Ringspalt mit superfluidem Helium aus dem Behälter versorgt und das Helium kann über den Ringspalt in die Abgasleitung bzw. den Wärmetauscher entweichen. Die Regelung des Massenflusses erfolgt hierbei über eine einstellbare Länge des Ringspaltes, indem der Stift in Längs-

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richtung innerhalb der Buchse verschoben wird. Die Bohrung im Führungsteil des Stiftes kann ausserdem auch noch zum Füllen des Behälters und als Sicherheitsventil dienen.

Dieser regelbare Phasentrenner hat den Nachteil, dass bei den im Betrieb vorkommenden geringen Druckdifferenzen über den Phasentrenner von wenigen mbar die axiale Länge des Ringspaltes im Bereich von weniger. Millimetern liegen muss, um die erforderlichen unterschiedlichen Kühlleistungen abzudecken. Dieser Umstand macht eine sehr feine Teilung der Regelstrecke und eine Verstellbewegung des Stiftes im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters erforderlich. Dadurch wächst aber der Aufwand für den Antrieb und die Positionsmessung des Stiftes erheblich. Ausser dem Nachteil des baulichen Aufwandes kommt noch ein Sicherheitsaspekt hinzu, denn eine Verschmutzung des Stiftes, insbesondere des Ringspaltes , kann zu einem Verklemmen und damit gegebenenfalls zu einem Ausfall des gesamten Systems führen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen regelbaren Phasentrenner für superfluides Helium zu schaffen, der eine feingeteilte Regelstrecke vermeidet und bei einfachem BewegungsVorgang einen grossen Stellweg zur Verfügung hat und ausserdem geringe Anforderungen an die Positionierung stellt, d.h. keinen grossen Auf-

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wand für die genaue Messung der jeweiligen Einstellung benötigt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch zwei mit hochpolierter Oberfläche aufeinanderliegende und relativ zueinander verdrehbare Scheiben mit jeweils mindestens einem exzentrisch angeordneten axialen Durchlass. Die Verstellung der verdrehbaren Scheibe kann gemäss weiterer Ausbildung der Erfindung durch einen an sich bekannten Schrittmotor auf einfache Weise in sehr genauen Schritten erfolgen, ohne besondere Einstellmessungen vornehmen zu müssen. Der definierte Abstand zwischen den beiden polierten Scheiben übernimmt je nach der Rauhigkeit der Oberfläche unterschiedliche Aufgaben. Liegt die Rauhigkeit in der Grössenordnung von 10 /um, so übernimmt der Scheibenabstand die Rolle des oben erwähnten Ringspaltes. Er ermöglicht damit den Austritt des superfluiden Heliums aus dem Behälter durch den einen Durchlass, den erwähnten Spalt und anschliessend durch den Durchlass der anderen Scheibe hindurch zur Weiterleitung. Gemäss weiterer Ausbildung der Erfindung können bei hochpolierten Scheiben mit einer Rauhigkeit von weniger als etwa 2 /um die beiden direkt aufeinanderli egenden Oberflächen die Abdichtung übernehmen, wobei zur besser kontrollierten Austrittsregelung des Heliums in der Oberfläche einer der Scheiben von dem in dieser Scheibe angebrachten Durchlass ausgehend Kapillarrillen angeordnet sind. In jedem Falle wird durch

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COPT

Relativverdrehung der beiden Scheiben, d.h. durch Abstands vergrösserung der jeweiligen Bohrungen, eine Regelung für den Massenfluss bewirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: das Grundprinzip in perspektivischer Ansicht Fig. 2: einen Axialschnitt von Fig. 1 Fig. 3: einen Axialschnitt in abgewandelter Form Fig. 4-6: schematische Draufsichten mit verschiedenen

Anordnungen der Durchlässe und Fig. 7-9: schematische Draufsichten mit verschiedenen

Anordnungen von Kapillarrillen.

Zunächst sei anhand der Fig. 1 und 2 der Aufbau schematisch erläutert, ohne dabei auf die Dimensionen und die konstruktive Ausbildung Rücksicht zu nehmen. Vielerlei konstruktive Formen sind für die Ausbildung des Phasentrenners möglich. Der Phasentrenner besteht im wesentlichen aus zwei Scheiben S] und S2, deren einander zugewandte Oberflächen poliert sind. Durch die Rauhigkeit der Oberflächen wird ein Abstand ο zwischen den beiden Scheiben gebildet. An der unteren Scheibe S1 ist eine Wand T angedeutet, die die Scheibe SI trägt und ausser-

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dem das Behälterinnere B vom Aussenraum trennt. Die Scheibe S2 ist oberhalb der Scheibe S1 relativ zu ihr verdrehbar angeordnet. Dies ist durch den Pfeil um die strichpunktiert eingezeichnete Drehachse angedeutet. In jeder der Scheiben ist ein Durchlass, z.B. eine Bohrung, vorgesehen. Die Bohrung in der Scheibe S1 ist mit D1 und die Bohrung in der Scheibe S2 mit D2 bezeichnet. Beide Bohrungen sind im Abstand E von der Drehachse exzentrisch angeordnet. Auf diese Weise können die beiden Bohrungen D1 und D2 auf einer Kreisbahn in unterschiedliche Abstände voneinander gebracht werden. Als Sonderfall sei darauf hingewiesen, dass die beiden Bohrungen D1 und D2 in der in Fig. 3 gestrichelt eingezeichneten Stellung voll zur Deckung gebracht werden können. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die beiden Bohrungen D1 und D2 mit unterschiedlicher Exzentrizität angeordnet sein können, so dass sie nur teilweise oder evtl. gar nicht zur Deckung zu bringen sind.

In der Fig.2 ist eine Rauhigkeit der polierten Oberflächen von der Grosse angenommen, dass ein Spalt in der Grössenordnung von etwa 10 yum entsteht, oder dass bei geringerer Rauhigkeit durch einen Dichtring A am Scheibenrand ein definierter Abstand £ 1 von der gleichen Grössenordnung, z.B. etwa von 10 - 15 /om, gebildet wird, so dass das Helium aus dem Behälterinneren B in Pfeilrichtung durch die Bohrung D1 den Abstsmd el

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und die Bohrung D2 in Pfeilrichtung austreten kann. Selbstverständlich ist es möglich, nicht nur einen Durchlass pro Scheibe sondern evtl. auch mehrere Durchlässe vorzusehen. Es besteht hier grosse Freiheit in der konstruktiven Ausgestaltung. Auch in der Wahl des Materials für die Scheiben S1 und S2 besteht Freiheit, z.B. ist dichtes Material verwendbar oder es kann wenigstens eine der beiden Scheiben aus porösem Material bestehen. Bei der Verwendung von porösem Material erreicht man, dass ein ständiger Grund-Massenfluss vorhanden ist, der in manchen Verwendungsfällen notwendig sein kann und etwa eine erforderliche Mindestkühlung sicherstellt. Von diesem Grund-Massenfluss aus ist dann je nach Bedarf der zusätzliche Massenfluss regelbar.

Die Verstellung bzw. Verdrehung der einen Scheibe ist in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt. Sie kann in beliebiger und an sich bekannter Weise erfolgen, z.B. mittels eines Schrittmotors. Eine besonders feine Verdrehmöglichkeit bietet die Verwendung eines Schrittmotors mit einer Taumelscheibe. Auf diese Weise ist eine genaue Positionierung ohne umständliche Messung möglich. Die Verdrehung kann automatisch, z.B. in Abhängigkeit von der jeweils erforderlichen Kühlleistung oder auch in Abhängigkeit von der Behältertemperatur erfolgen.

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Die Fig. 3 entspricht in ihrem Aufbau der Fig. 2 mit dem Unterschied, dass .hier eine hochpolierte Oberfläche mit viel geringerer Rauhigkeit angenommen ist. Die Oberflächen der Seiten S1 und S2 liegen hier unmittelbar aufeinander. Der Abstand <P 2 ist kleiner als 2 yum angenommen. Zwischen den Oberflächen der beiden Scheiben besteht hier Dichtwirkung, so dass, falls die beiden Bohrungen D1 und D2 nicht fluchtend in Deckung stehen, kein Massenfluss möglich ist. Um dennoch einen Massenfluss zu erhalten, ist in die Oberfläche der Scheibe Sl von der Bohrung Dl ausgehend eine Kapillarrille R eingebracht. Der Massenfluss erfolgt nun auf dem Wege vom Behälterinneren B durch die Bohrung D1, Kapillarrille R und Bohrung D2 in Pfeilrichtung zum Aussenraum. Maßgeblich für den Massenfluss ist ausser der Länge der Kapillarrille R auch deren Querschnittsfläche. Es ist leicht einzusehen, dass mit Hilfe von Kapillarrillen unterschiedlicher Länge und unterschiedlicher Querschnittsfläche der Massenfluss regelbar ist. In Fig. 3 ist gestrichelt eine Stellung für die Bohrung D2 eingezeichnet, in der sie fluchtend in Deckung mit der Bohrung D1 steht. In dieser Stellung dient die Anordnung zum Füllen des Behälters B oder auch als Sicherheitsventil.

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Die Fig. 4 und 5 basieren im wesentlichen auf Fig. 2. Sie zeigen eine Draufsicht auf die Scheiben. Da die Bohrung D1 in der unteren Scheibe liegt und nicht direkt sichtbar ist, ist sie hier gestrichelt eingezeichnet. Die Bohrung D2 in der oberen Scheibe ist auf dem gestrichelt eingezeichneten Verstellkreis in Richtung des Doppelpfeiles verdrehbar. Auf diese Weise sind Abstandsänderungen zwischen den beiden Bohrungen D1 und D2 möglich. Die Abstandsänderung ist durch die Länge L1 bzw. L2 der Abstandspfeile zwischen den beiden Bohrungen angedeutet. Der Massenfluss findet hier mehr oder weniger im ganzen Zwischenraum J⁷ 1 zwischen den Scheiben S1 und S2 statt. Maßgeblich ist dabei ausser dem Abstandsmaß tT 1 noch die Länge L1 bzw. L2.

Die Fig.6 nimmt ausgehend von Fig. 3 zwei dicht aufeinanderliegende Scheiben an. In der unteren Scheibe ist wieder eine Bohrung Di angenommen, während auf der oberen Scheibe drei Bohrungen D2, D2a und D2b angenommen sind. Jede der drei Bohrungen D2, D2a oder D2b kann mit der unteren Bohrung D1 durch Verdrehen der Scheibe in Deckung gebracht werden. Es sei zunächst angenommen, dass der Durchlass D2 eine glatte Bohrung sei, so dass bei Deckung mit der Bohrung Dl eine Füllmöglichkeit für den Behälter besteht, wie oben angedeutet. Für die Bohrung D2a sei angenommen, dass sie durch ein poröses Material mit bestimmter Kapillarengrösse ausgefüllt sei.

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Wird diese Bohrung zur Deckung mit der Bohrung Dl gebracht, so steht ein der Porosität entsprechender Massenfluss zur Verfügung. Wird nun weiter angenommen, daß die Bohrung D2b mit einem anderen porösen Material gefüllt ist, so ergibt sich für diese Bohrung in Deckung mit der Bohrung D1 ein anderer Massenfluss. Es ist also möglich, durch Verwenden von Material unterschiedlicher Porosität stufenweise den Massenfluss aus dem Behälterinneren zu regeln.

Eine Abwandlung dieses Prinzips ist in Fig.6 bei den Bohrungen D2' aufgezeigt. Hier sind drei Bohrungen D2' mit unterschiedlicher Exzentrizität vorgesehen, so dass sie sich nur teilweise in mehr oder weniger grossem Umfang mit der Bohrung D1 zur Deckung bringen lassen. Wenn alle Bohrungen D2' mit gleichem porösem Material ausgefüllt sind, so ist hier der Massenfluss dadurch einstellbar, dass je nach der Exzentrizität der Bohrungen D2' ein mehr oder weniger grosser Querschnitt von Bohrung D1 und Bohrung D2' wirksam zur Deckung gebracht werden kann. Auch hier ist der Massenfluss stufenweise regelbar.

In den Fig. 7 bis 9 sind verschiedene Möglichkeiten zur Regelung des Massenflusses mit Hilfe von Kapillarrillen R in der Oberfläche einer Scheibe aufgezeigt. In allen hier beispielsweise dargestellten Fällen sind die Rillen R als von der Bohrung D1 ausgehend angenommen. Vorweg sei allgemein bemerkt, dass die Rillentiefe

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etwa im Bereich zwischen 2 und 15 /um liegen soll. Um einen wirksamen Querschnitt zu erhellten, kann die Rillenbreite unterschiedlich gewählt werden oder es können mehrere äquidistant angeordnete Rillen zu einem Rillenfeld zusammengefasst sein und mit der Austrittsbohrung D2 in Verbindung stehen. Gegebenenfalls kann auch eine Rille mit über ihre Länge sich ändernder Querschnittsfläche vorgesehen werden.

In der Fig. 7 sind kreisbogenförmige Rillen R von der Bohrung D1 ausgehend eingezeichnet. Sie folgen dem Verlauf des Verdrehkreises K der Bohrung D2. Die Kapillarrillen sind hier unterschiedlich lang. Dadurch werden je nach der Stellung der Bohrung D2 nur eine oder mehrere Rillen R gemeinsam wirksam. Ausserdem besteht natürlich Abhängigkeit von der eingestellten Länge des Kreisbogens zwischen den Bohrungen D1 und D2.

Die Fig. 8 zeigt die Kapillarrillen R fächerförmig von der Bohrung D1 ausgehend. Alle Kapillarrillen R enden auf dem Verdrehkreis K der verdrehbaren Bohrung D2. Die Wirksamkeit der Rillenlänge entspricht in etwa der Ausgestaltung der Fig. 4 und 5. Ausserdem ist in der Fig. 8 noch angedeutet, dass mehrere Rillen R parallel laufend angeordnet sein können. Auf diese Weise wird der wirksame Querschnitt vergrössert. Auch mit dieser Möglichkeit lässt sich der Massenfluss regeln.

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ORIGINAL IMSFECTED

In der Fig. 9 sind die Bohrungen D1 und D2 mit unterschiedlicher Exzentrizität angenommen. Hier im Ausführungsbeispiel ist sogar als Extremfall angenommen, dass die Exzentrizität der Durchlassbohrung der unteren Scheibe zu Null geworden ist und die Bohrung D1' zentrisch in der Scheibe liegt. Von der Bohrung D1' ausgehend verlaufen Kapillarrillen R strahlenförmig bis zum gestrichelt eingezeichneten Verstellkreis K der verdrehbaren Bohrung D2. Das Rillenfeld ist so ausgebildet, dass die Kapillarrillen z.B. bei einer Verdrehung der Bohrung D2 im Uhrzeigersinn - mit zunehmender Dichte angeordnet sind. Wird die Bohrung D2 auf dem Verstellkreis K verschoben, so werden je nach Einstellung mehr oder weniger Rillen mit der Bohrung D2 wirksam verbunden und auf diese Weise eine Regelung des Massenflusses erreicht.

Die in der Zeichnung dargestellten Möglichkeiten stellen keine Beschränkung für den Erfindungsgegenstand dar, sondern lassen sich je nach den Erfordernissen abwandeln und dabei beliebig kombinieren.

27. März 19 79
Bau/Ht.

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Claims

DORIiIER SYSTEM GMBH
Friedrichshafen

Reg. S 333

Patentansprüche ;

1. !Regelbarer Phasentrenner für den Verschluss von mit superfluideiTi Helium gefüllten Behältern, gekennzeichnet durch zwei mit hochpolierter Oberfläche aufeinander liegende und relativ zueinander verdrehbare Scheiben (Sl, S2) mit jeweils mindestens einem exzentrisch angeordneten axialen Durchlass (D1 bzw. D2).

2. Phasentrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anordnung der Durchlässe (D1, D2) mit gleicher Exzentrizität in den beiden Scheiben (S1, S2).

3. Phasentrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anordnung der Durchlässe (D1', D2 in Fig. 8) mit unterschiedlicher Exzentrizität in con beiden Scheiben (Sl, S2).

4. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Anordnung mehrerer Durchlässe (D2, D2a, D2b in Fig. 5) mit gleicher Exzentrizität in einer Scheibe.

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5. Phasentrenner nach einem cer Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Anordnung mehrerer Durchlässe
(D2' in Fig. 5) mit unterschiedlicher Exzentrizität in einer der Scheiben.

6. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Scheiben (Sl, S2) zumindest teilweise aus porösem Grundmaterial besteht.

7. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Durchlass (D1)
einer Scheibe ausgehend in der polieerten Fläche Kapillarrillen (R) angeordnet sind.

8. Phasentrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrillen (R) fächerförmig angeordnet sind.

9. Phasentrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrillen (R) sich entlang des
von dem Durchlass (D2) der verdrehbaren Scheibe beschriebenen Kreises (K) erstrecken.

10. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch äquidistante Anordnungen mehrerer Kapillarrillen (R).

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11. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kapillarrillen (R) unterschiedliche Länge aufweisen.

12. Phasentrenner nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrillen (R) auf dem von dem Durchlass (D2) der verdrehbaren Scheibe beschriebenen Kreis (K) enden.

13. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kapillarrillen (R) unterschiedliche Querschnitts flächen aufweisen.

14. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung eines an sich bekannten Schrittmotors als Verstellantrieb für die verdrehbare Scheibe.

15. Phasentrenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Durchlässe (D2, D2a, D2b) einer Scheibe mit unterschiedlichem porösem Material ausgefüllt sind.

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