Verdampfungskühlung

Durch Abpumpen des Dampfes über einer Flüssigkeit kann diese abgekühlt werden. Der Dampfdruck an der Oberfläche der Flüssigkeit bildet sich in erster Linie durch Atome bzw. Moleküle mit gegenüber dem Mittelwert höherer kinetischer Energie, die sich dadurch aus der Flüssigkeit lösen können. Werden diese Teilchen abgepumpt, sinkt die mittlere kinetische Energie im System. Das ist gleichbedeutend mit einer tieferen Temperatur.

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⁴He-Verdampfungskühlung

Um tiefe Temperaturen zu erzeugen, nutzt man als Ausgangspunkt in der Regel flüssiges Helium (Siedetemperatur: 4,21 Kelvin). Durch Pumpen an einem ⁴He-Bad lässt sich eine Temperatur von etwa 0,8 K kontinuierlich aufrechterhalten.

Da ein großer Teil (mehr als 40% der Flüssigkeit) abgepumpt werden müsste, um eine derartige Kühlung zu erreichen, pumpt man im Fall von ⁴He-Verdampfungskühlung nicht direkt am Bad, sondern an einem thermisch isolierten Topf, der über eine Impedanz aus dem Bad des Kryostaten nachgespeist wird. In einer Anordnung (einem Kryostaten) für ultratiefe Temperaturen wird diese Stufe daher meistens als 1K-Platte bzw. 1K-Flansch bezeichnet.

siehe auch: Tieftemperaturphysik

³He-Verdampfungskühlung

Hauptartikel: ³He-⁴He-Mischungskühlung

Durch die Nutzung des seltenen Isotops ³He lässt sich dadurch sogar eine Kühlung auf etwa 0,3 K erzielen. Der Grund hierfür ist vor allem die kleinere Masse der Atome, die zu einem deutlich höheren Dampfdruck führt (bei 1 K um einen Faktor von mehr als 500). In diesem Fall wird ein vom Helium-Bad isolierter Kreislauf des seltenen Isotops verwendet.

siehe auch: Tieftemperaturphysik

Verdampfungskühlung für Verbrennungsmotoren

  Die Verdampfungskühlung ist ein offenes Kühlsystem und fand wegen ihres einfachen Aufbaus ohne Wärmeübertrager (Kühler) und Zirkulationspumpe (Wasserpumpe) in den Anfängen des Motorenbaus Verwendung, und zwar vorwiegend bei einzylindrigen Stationärmotoren, Traktoren und Baumaschinen, allerdings auch vereinzelt bei Flugzeugmotoren.

Zur Funktion: Der Zylinder ist im Motorblock von einem Wassermantel umgeben. Das für diesen Wassermantel erforderliche Kühlwasser (Kühlmedium) wird einfach von oben durch eine Öffnung im Motorblock eingefüllt. Die Einfüllöffnung hat einen Durchmesser von ca. 15 cm und wird nicht verschlossen. Wird nun der Motor gestartet, so bringt die durch den Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Wärme nach einiger Zeit, abhängig von Belastung, Höhe über dem Meeresspiegel und Außentemperatur, das Kühlwasser zum Kochen. Das Kühlwasser beginnt zu verdampfen, ohne dass es zu einem weiteren Temperaturanstieg kommt. Die Motortemperatur beträgt nun 100 °C (auf Meereshöhe). Solange sich ausreichend Wasser im System befindet, kann die Temperatur nicht über diesen Wert steigen. Der sich bildende Wasserdampf entweicht durch die Einfüllöffnung nach oben. Zur Kontrolle des Wasserstandes befindet sich an der Einfüllöffnung ein Schwimmer mit einem Messstab, der nach oben aus dem Motorblock ragt und dadurch den Wasserstand anzeigt.

Der Vorteil des offenen Kühlsystems ist sein einfacher Aufbau, die Nachteile sind der hohe Wasserverbrauch (bei Volllast bis zu mehreren Eimern Wasser pro Tag), und der durch den Wassermantel erforderliche vergleichsweise sehr große Motorblock und das damit verbundene hohe Gewicht.

Die Verdampfungskühlung findet in den westlichen Industrieländern bei Verbrennungsmotoren seit ca. 1950 keine Verwendung mehr, jedoch werden in China, Indien usw. auch heute noch Motoren mit Verdampfungskühlung hergestellt, da durch den einfachen Aufbau (ohne Wasserpumpe, Schläuche, Kühler und Thermostat) die Herstellung und eventuelle Reparaturen sehr einfach sind.

siehe auch: Wasserkühlung