DD290939A5 - FLOW REGULATOR FOR KRYGOGENIC COOLER - Google Patents

FLOW REGULATOR FOR KRYGOGENIC COOLER Download PDF

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DD290939A5
DD290939A5 DD32288288A DD32288288A DD290939A5 DD 290939 A5 DD290939 A5 DD 290939A5 DD 32288288 A DD32288288 A DD 32288288A DD 32288288 A DD32288288 A DD 32288288A DD 290939 A5 DD290939 A5 DD 290939A5
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DD
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superconducting
permanent magnet
needle
cooler
nozzle
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DD32288288A
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Bernd Kluge
Reinhold Weiss
Berthold Koehler
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Tu Dresden,De
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/02Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect
    • F25B2309/022Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect characterised by the expansion element

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchfluszregelung fuer Gasstroeme, die in Kaelteerzeugungsanlagen kleiner Leistung eingesetzt werden kann. Ausgenutzt wird dabei der Diamagnetismus einer supraleitenden Substanz beim UEbergang vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand. Insbesondere kommen in der vorliegenden Erfindung Substanzen zum Einsatz, die in der Umgebung der Siedetemperatur des fluessigen Stickstoffes (Tc78 K) supraleitend werden (sogenannte Hochtemperatursupraleiter). Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz eine Nadel, welche zusammen mit einer Duese ein Ventil bildet, an einem Permanentmagneten gehaltert ist und der Permanentmagnet sich oberhalb eines supraleitenden Materials befindet, welches den Meiszner-Effekt zeigt.{Durchfluszregelung; Gas; Kaelteanlage; Substanz, supraleitend; Stickstoff; Hochtemperatursupraleiter; Nadel; Duese; Ventil; Permanentmagnet; Meiszner-Effekt}The invention relates to a flow control for gas stream, which can be used in Kaelteerzeugungsanlagen low power. The diamagnetism of a superconducting substance is used during the transition from the normal conducting to the superconducting state. In particular, in the present invention, substances are used which become superconducting in the vicinity of the boiling temperature of the liquid nitrogen (Tc78 K) (so-called high-temperature superconductors). The essence of the invention is that a needle forming a valve together with a dome is mounted on a permanent magnet and the permanent magnet is located above a superconducting material exhibiting the Meiszner effect {flow control; Gas; Kaelteanlage; Substance, superconducting; Nitrogen; High temperature superconductors; Needle; Jet; Valve; Permanent magnet; Meiszner effect}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Durchflußregler für kryogene Kühler, der z. B. auf der Basis der gedrosselten Entspannung eines Hochdruckgases bei Verwendung eines begrenzten Gasreservoirs arbeitet (z. B. Joule-Thomson-Kühler). Die Erfindung kann z. B. zum Kühlen von elektronischen Bauelementen benutzt werden.The invention relates to a flow controller for cryogenic coolers, the z. B. based on the throttled relaxation of a high-pressure gas using a limited gas reservoir works (eg Joule-Thomson cooler). The invention may, for. B. are used for cooling electronic components.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Kryogene Kühler, wie z. B. Joule-Thomson-Kühler, bestehen i. a. aus Verdränger, Wärmetauscher und Entspannungsdüse. DerCryogenic coolers, such as. B. Joule-Thomson cooler, i. a. from displacer, heat exchanger and expansion nozzle. The Kühler ist von einem Kryostaten umgeben. Die Regelung des Durchflusses durch die Entspannungsdüse hat neben derRadiator is surrounded by a cryostat. The regulation of the flow through the expansion nozzle has in addition to the Verlängerung der Betriebsdauer gleichzeitig eine Konstanz der Arbeitstemperatur der auf der gekühlten Fläche angebrachtenExtension of the operating time at the same time a constancy of the working temperature of the mounted on the cooled surface Sensoren zur Folge. Im Bereich des flüssigen Stickstoffes sind das i.a. Infrarotsensoren.Sensors result. In the field of liquid nitrogen i.a. Infrared sensors. Prinzipiell kann die Regelung sowohl außerhalb als auch innerhalb des Kühlers angebracht werden. Thermodynamisch amIn principle, the control can be installed both outside and inside the cooler. Thermodynamic on

günstigsten erweist sich die Anordnung der Regelung im Innenraum (Verdrängerraum) des Kühlers.most favorable proves the arrangement of the control in the interior (displacement) of the radiator.

Bezüglich der Art der Regelung kann man folgende Systeme unterscheiden:With regard to the type of control, the following systems can be distinguished:

a) Durchflußregelung durch Querschnittsveränderung der Drossel,a) flow control by cross-sectional change of the throttle,

b) Durchflußregelung mit sofortiger oder verzögerter Rückkopplung,b) flow control with immediate or delayed feedback,

c) Durchflußregelung mit pulsierendem oder quasistationärem Massendurchsatz.c) Flow control with pulsating or quasi-stationary mass flow rate.

Als Regelelemente kommen Bimetalle, direkte und indirekte Dehnelemente, Materialien mit Gedächtnis und Faltenbälge zumThe control elements are bimetals, direct and indirect expansion elements, materials with memory and bellows

Einsatz.Commitment.

Schnelle Kühler, die sich durch eine möglichst große Abkühlgeschwindigkeit auszeichnen, benutzen einen Temperatursensor,Fast coolers, which are characterized by the largest possible cooling rate, use a temperature sensor,

der nicht unmittelbar im Expansionsraum, sondern auf einem genau fixierten Zwischentemperaturniveau kontaktiert ist (DE-OSwhich is not contacted directly in the expansion space, but on a precisely fixed intermediate temperature level (DE-OS

Zur Kompensation der stationären Verlustleistung durchfließt die Düse ein konstanter, minimaler Gasstrom. Realisiert wird dasTo compensate for the stationary power loss, the nozzle flows through a constant, minimal gas flow. This is realized

durch Einkerbungen in der Düsennadel (US-PS 4569210) oder durch Zusatzbohrungen (US-PS 4468935). Den Vorteilen einerby notches in the nozzle needle (US-PS 4569210) or by additional drilling (US-PS 4468935). The advantages of a

Bimetallregelung, wieBimetallic regulation, how

- geringer fertigungstechnischer Aufwand- Lower production costs

- kleine Masse und kleine Wärmekapazität- small mass and small heat capacity

- beliebige Formgebung- any shape

- keine Beeinflussung durch Druckiichwankungen im Expansionsraum- No influence by pressure fluctuations in the expansion area

stehen Nachteile gegenüber, die insbesondere durch eine zu erwartende Alterung und die damit verbundene Veränderung derThere are disadvantages, in particular as a result of expected aging and the associated change in the

Justierung hervorgerufen werden.Adjustment be caused. Eine Vielzahl von Lösungen benutzen Dehnelemente zur Durchfluß- und Temperaturregelung. In der US-PS 4468935 und in derA variety of solutions use expansion elements for flow and temperature control. In US-PS 4468935 and in the SU-PS1177611 werden die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Werkstoffe bei Abkühlung für dieSU-PS1177611, the different expansion coefficients of different materials when cooled for the Regelstrecke ausgenutzt. Auch eine additive Kopplung mehrerer Dehnelemente ist nach DE-OS 2801215 bekannt. Aufgrund derUtilized plant. An additive coupling of several expansion elements is known from DE-OS 2801215. Due to the

zu erwartenden Regelwege von einigen Mikrometern ist eine sehr hohe Fertigungsgenauigkeit notwendig. Zusätzlich müssenkomplizierte Anordnungen vorgesehen werden, um den Arbeitspunkt genau einstellen zu können (US-PS 4569210, DE-OSexpected control paths of a few micrometers, a very high manufacturing accuracy is necessary. In addition, complicated arrangements must be provided to accurately set the operating point (US Patent No. 4569210, DE-OS

Der Einsatz von Faltenbälgen als Regelelement ist mit folgenden Nachteilen verbunden:The use of bellows as a control element has the following disadvantages:

- die Bälge müssen mit einem genau definierten Druck in Abhängigkeit vom Arbeitstemperaturbereich gefüllt werden,- the bellows must be filled with a well-defined pressure depending on the working temperature range,

- die Anforderungen an die Reinheit des Füllgases bzw. die Konstanz der Zusammensetzung bei Verwendung von Gasgemischen sind extrem hoch,the requirements on the purity of the filling gas or the constancy of the composition when using gas mixtures are extremely high,

- eine Feinjustierung ist nach der Füllung nicht mehr möglich,- a fine adjustment is no longer possible after filling

- die Langzeitstabilität wird durch die Dichtheit der Bälge einschließlich der Lot- bzw. Schweißverbindungen bestimmt,- the long-term stability is determined by the tightness of the bellows, including the solder or welded joints,

- Druckschwankungen im Expansionsraum beeinflussen die Stellung des Faltenbalges.- Pressure fluctuations in the expansion chamber affect the position of the bellows.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in einem miniaturisierbaren und wartungsfreien Regler für einen kryogenen Kühler.The object of the invention is a miniaturizable and maintenance-free controller for a cryogenic cooler.

Darstellung des Wesens der ErfindungPresentation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist ein Durchflußregler für kryogene Kühler, der frei von Hysterese- und Alterungseffekten ist.The object of the invention is a flow controller for cryogenic coolers, which is free of hysteresis and aging effects.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Nadel, welche zusammen mit der Düse ein Ventil bildet, an einem Permanentmagneten gehaltert ist und der Permanentmagnet sich oberhalb eines supraleitenden Materials befindet, welches den Meißner-Effekt zeigt. Der Permanentmagnet liegt im normalleitenden Zustand des supraleitenden Materials auf dem supraleitenden Material auf. Im supraleitenden Zustand des Materials greift die Nadel in die Düse ein.According to the invention the object is achieved in that a needle which forms a valve together with the nozzle, is mounted on a permanent magnet and the permanent magnet is located above a superconducting material, which shows the Meissner effect. The permanent magnet is in the normal conducting state of the superconducting material on the superconducting material. In the superconducting state of the material, the needle engages the nozzle.

Ausgenutzt wird dabei der beim Übergang aus dem normalloitenden in H9n supraleitenden Zustand auftretende Meißner-Effekt, nach dem ein Magnetfeld aus einem Supraleiter verdrängt wird. Wenn der Supraleiter in den supraleitenden Zustand übergeht, wird der Permanentmagnet von dem Supraleiter abgehoben und greift mit der auf ihm gehalterten Nadel in die Entspannungsdüse des Kühlers. Der Kältemittelzufluß wird gedrosselt bzw. unterbrochen. Steigt die Temperatur desIn this case, the Meissner effect which occurs during the transition from the normally-loosening state to the H 9n superconducting state is utilized, according to which a magnetic field is displaced from a superconductor. When the superconductor transitions to the superconducting state, the permanent magnet is lifted off the superconductor and engages with the needle retained on it into the expansion nozzle of the cooler. The inflow of refrigerant is throttled or interrupted. Rises the temperature of the

Supraleiters wieder an, was dem Übergang in den normalleitendon Zustand entspricht, wird der Diamagnetismus aufgehoben und die Entscannungsdüse freigegeben.Superconductor back on, which corresponds to the transition to the normalleitendon state, the diamagnetism is released and the Entscannungsdüse released.

Der Regler k/jnn Teil eines Joule-Thomson-Kühlers mit den bekannten Hauptbestandteilen Verdränger, Wärmetauscher und Entspannungsdüse sein. Das supraleitende Material ist dabei gleichzeitig der innere Boden des den Joule-Thomson-Kühler umgebenden Kryostaten oder Bestandteil desselben.The controller k / jnn be part of a Joule-Thomson cooler with the known main components displacer, heat exchanger and expansion nozzle. The superconducting material is at the same time the inner bottom of the Joule-Thomson cooler surrounding cryostat or component thereof.

Es ist vorteilhaft, wenn der Boden aus dem supraleitenden Material zur Düse hin konkav ist.It is advantageous if the bottom of the superconducting material is concave towards the nozzle.

Besonders vorteilhaft ist ein Hochtemperatursupraleiter aus Keramik. Als Kühlmittel wird dabei flüssiger Stickstoff benutzt. An dem Supraleiter kann ein Infrarotsensor angeordnet sein. Durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung der Körnung und der Brennbedingungen der Keramik läßt sich sowohl die Lage (Arbeitstemperatur des Sensors) als auch die Breite der Übergangskurve, die die Regelschwankung der Sensortemperatur entscheidend mitbestimmt, beeinflussen.Particularly advantageous is a high-temperature superconductor made of ceramic. The coolant used is liquid nitrogen. An infrared sensor can be arranged on the superconductor. By appropriate choice of the composition of the grain and the firing conditions of the ceramic, both the position (working temperature of the sensor) and the width of the transition curve, which decisively co-determines the control fluctuation of the sensor temperature, can be influenced.

Eine derartige Regelung ist im Gegensatz zu Regelungen, die mechanische Stellglieder benutzen, alterungs- und hysteresefrei.Such a regulation, in contrast to regulations that use mechanical actuators, aging and hysteresis-free.

Außerdem beansprucht sie sehr wenig Raum und es müssen keinerlei Aufhängungen in den Verdrängerraum des Kühlers geführt werden.In addition, it takes up very little space and there are no suspensions must be performed in the displacement of the radiator.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung sei am Beispiel eines Joule-Thomson-Kühlers erläutert. Die Zeichnung zeigt den Kühler mit dem erfindungsgemäßen Durchflußregler in Schnittdarstellung.The invention will be explained using the example of a Joule-Thomson cooler. The drawing shows the cooler with the flow controller according to the invention in a sectional view.

Der Joule-Thomson-Kühler ist miniaturisiert und besteht aus den bekannten Hauptbestandteilen Verdränger 1, Wärmetauscher 3 und Entspannungsdüse 4. Er ist von einem Kryostaten mit einem Eintrittsfenster 9 umgeben. Als Arbeitsgas dient Stickstoff. Ein Infrarotsensor 8 befindet sich im Vakuumraum 2 des Kryostaten und ist thermisch gut an den inneren Boden des Kryostaten, der aus einer supraleitenden Keramik 7 besteht, kontaktiert. Die Keramik zeigt den Meißner-Effekt. Als Material wurde YiBa2Cu3O7 verwendet. Eine Nadel, welche zusammen mit der Entspannungsdüse 4 ein Ventil bildet, ist an einem Permanentmagneten 5 gehaltert. Der Permanentmagnet 5 ist in einer Führung 6 gelagert und befindet sich zwischen der Keramik 7 und der Entspannungsdüse 4. Er ist mit einer Feder 11 gegen das supraleitende Material 7 vorgespannt. Erreicht die Keramik 7 infolge der Entspannung des Hochdruckgases den Bereich der Sprungtemperatur (Übergang vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand), wird der Permanentmagnet 5 infolge des Meißner-Effektes nach oben gedrückt und verschließt die Entspannungsdüse 4. Steigt die Temperatur der Keramik 7 infolge der jetzt geringer gewordenen Kälteleistung wieder an, wird der Diamagnetismus des supraleitenden Zustandes der Keramik 7 beseitigt und der Permanentmagnet 5 gibt die Düsenöffnung wieder frei.The Joule-Thomson cooler is miniaturized and consists of the known main components displacer 1, heat exchanger 3 and expansion nozzle 4. It is surrounded by a cryostat with an entrance window 9. The working gas is nitrogen. An infrared sensor 8 is located in the vacuum space 2 of the cryostat and is thermally well contacted to the inner bottom of the cryostat, which consists of a superconducting ceramic 7. The ceramic shows the Meissner effect. The material used was YiBa 2 Cu 3 O 7 . A needle, which forms a valve together with the expansion nozzle 4, is mounted on a permanent magnet 5. The permanent magnet 5 is mounted in a guide 6 and is located between the ceramic 7 and the expansion nozzle 4. It is biased by a spring 11 against the superconducting material 7. Reached the ceramic 7 as a result of the relaxation of the high pressure gas, the range of the transition temperature (transition from the normal conducting to the superconducting state), the permanent magnet 5 is pressed upwards due to the Meissner effect and closes the expansion nozzle 4. The temperature of the ceramic 7 rises due to the now When the cooling capacity has become lower again, the diamagnetism of the superconducting state of the ceramic 7 is eliminated and the permanent magnet 5 releases the nozzle opening again.

Die relativ große Breite der Übergangskurven der supraleitenden Keramiken ist für das Regelverhalten als günstig anzusehen, da kein schlagartiges Schließen und Öffnen der Entspannungsdüse erfolgt.The relatively large width of the transition curves of the superconducting ceramics is to be regarded as favorable for the control behavior since there is no abrupt closing and opening of the expansion nozzle.

Claims (3)

1. Durchflußregler für kryogene Kühler, bei dem das Kältemittel eine Düse durchströmt, die zusammen mit einer Nadel ein Ventil bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (10) mit einem Permanentmagneten (5) direkt oder über Hebel verbunden ist und der Permanentmagnet (5) gegen ein supraleitendes Material (7), wie La2 _ xBaxCuO4 _ y, Y2 - xBa ,Cu(^ _ y, YiBa2CUaO7 oder ein anderes, welches den Meißner-Effekt zeigt, mit einer Feder (11) oder durch das Eigengewicht vorgespannt ist.1. Flow controller for cryogenic coolers, in which the refrigerant flows through a nozzle which forms a valve together with a needle, characterized in that the needle (10) with a permanent magnet (5) is connected directly or via levers and the permanent magnet (5 ) against a superconducting material (7) such as La 2 - x Ba x CuO 4 - y , Y 2 - x Ba, Cu (- y) , YiBa 2 CUaO 7, or another which exhibits the Meissner effect Spring (11) or biased by its own weight. -1- 290 93d Patentansprüche:-1- 290 93d Claims: 2. Durchflußregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material (7) den Boden des inneren Gefäßes eines Kryostaten ι nit Joule-Thomson Kühler bildet oder Bestandteil des Bodens ist.2. Flow controller according to claim 1, characterized in that the superconducting material (7) forms the bottom of the inner vessel of a cryostat ι nit Joule-Thomson cooler or is part of the soil. 3. Durchflußregler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden aus dem supraleitenden Material (7) zur Düse (4) hin konka/ ist.3. Flow controller according to claims 1 and 2, characterized in that the bottom of the superconducting material (7) to the nozzle (4) out konka /.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5913889A (en) * 1996-08-20 1999-06-22 Hughes Electronics Fast response Joule-Thomson cryostat

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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