DE10104969A1 - Kaltteil eines Kyrokühlers mit verbesserter Wärmeübertragung - Google Patents
Kaltteil eines Kyrokühlers mit verbesserter WärmeübertragungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kaltteil eines Kryokühlers zur Kühlung insbesondere elektronischer Bauteile. DOLLAR A Um eine effektive Kühlung des Bauelements zu erreichen, ist es notwendig, den Wärmewiderstand zwischen Kältemittel und der stirnseitigen Außenwandfläche des kalten Endes des Kaltfingers zu minimieren. Eine Möglichkeit besteht in der konstruktiven Vergrößerung der stirnseitigen Außenwandfläche. Sie zieht aber i. A. eine nicht erwünschte Vergrößerung des Volumens des Expansionsraums mit sich. Es ist Aufgabe der Erfindung eine Anordnung anzugeben, mit der die am Wärmeübergang beteiligte Fläche bei nahezu unverändertem Volumen des Expandionsraums wirksam vergrößert ist. DOLLAR A Das wird dadurch erzielt, dass die Innenseite des Wärmeübertragers und das dem Wärmeübertrager zugewandte Ende des Regenerators so berippt sind, dass die Berippungen in der oberen Lage des Regenerators ineinander greifen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kaltteil eines Kryokühlers nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Zur Kühlung elektronischer Bauteile - wie z. B. Infrarot Detektoren - werden
häufig Miniaturkühler verwendet, die nach dem Stirling Prinzip arbeiten. Diese
Miniaturkühler verwenden einen motorgetriebenen Kompressor, um eine
zyklische Änderung des Arbeitsvolumen eines unter Druck stehenden,
gasförmigen Kältemittels zu erzeugen. Das Kältemittel durchströmt als Teil des
Arbeitsvolumens einen geschlossenen Zylinder des Kaltteils, den sogenannten
Kaltfinger. Innerhalb des Kaltfingers befindet sich ein kolbenförmiger
Regenerator, der an beiden Enden Öffnungen aufweist, durch die das Kältemittel
hindurchströmen kann. Der Regenerator bewegt sich je nach Bauart mit einer
Phasenverschiebung von ca. 45-90° zu den Kolben des Kompressors. Das
Kältemittel passiert den Regenerator in wechselnden Richtungen. Dabei strömt es
von der Kompressorseite des Kaltfingers durch den Regenerator in den
Expansionsraum und wieder zurück. Bei dieser zyklischen Bewegung des
Regenerators und des Kältemittels wird an der Kompressorseite des Kaltfingers
Wärme an die Umgebung abgegeben und der Expansionsseite des Kaltfingers
Wärme entzogen. Das zu kühlende Objekt, im Allgemeinen ein elektronisches
Bauteil, wird auf der Außenseite des kalten Endes des Kaltfingers so angeordnet,
dass die Wärmeenergie des Bauteils durch die Außenwand des Kaltfingers an das
Kältemittel abgegeben wird.
Um eine effektive Kühlung des Objektes zu erreichen, ist es notwendig den
Wärmewiderstand zwischen Kältemittel und der stirnseitigen Außenwandfläche
des kalten Endes des Kaltfingers zu minimieren. Betrachtet man die der
Wärmeübertragung zwischen Außenwandfläche und Kältemittel
zugrundeliegende Beziehung:
= α.ΔT.A, wobei:
so erkennt man, dass bei konstanter Temperaturdifferenz (delta T) entweder die
vom Material abhängige Konstante (alpha) oder die Fläche (A) vergrößert werden
muss, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Das Material der Außenwand
ist üblicherweise so gewählt, dass die Konstante Alpha nicht weiter verbessert
werden kann. Die konstruktive Vergrößerung der Fläche zieht aber i. A. eine nicht
erwünschte Vergrößerung des Volumens des Expansionsraums mit sich.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Kaltteil eines Kryokühlers anzugeben, bei dem
die am Wärmeübergang beteiligte Fläche bei nahezu unverändertem Volumen des
Expansionsraum wirksam vergrößert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Kaltteil eines Kryokühlers mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Die Vorteilhafte Ausgestaltung erfolgt gemäß den Merkmalen
der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Kaltteil eines Kryokühlers mit einem kolbenförmigen Regenerator, der
an beiden Enden Öffnungen aufweist, durch die ein Kältemittel durchströmen
kann, und einem geschlossenen Zylinder, in dem sich der Regenerator zyklisch
mit einer oberen und unteren Lage bewegt, mit einem stirnseitig angeordneten
Wärmeübertrager, ist es vorgesehen, die Innenseite des Wärmeübertragers und das
dem Wärmeübertrager zugewandte Ende des Regenerators so zu berippen, dass
die Berippungen in der oberen Lage des Regenerators ineinander greifen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Berippungen des
Wärmeübertragers und des Regenerators einen Trapezförmigen Querschnitt auf.
Fig. 1 zeigt einen Split Stirling Kühler im Querschnitt.
Fig. 2 zeigt das kalte Ende des Kaltteils im Detail.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Zuhilfenahme der Figuren erläutert.
Die Fig. 2 zeigt das kalte Ende 7 des Kaltteils 3 des Split Stirling Kühlers 1 der
Fig. 1 im Detail.
Wie oben bereits erwähnt erzeugt ein motorgetriebenen Kompressor 2 eine
zyklische Änderung des Arbeitsvolumen eines unter Druck stehenden,
gasförmigen Kältemittels 11. Eine Verbindungsleitung 4 verbindet den
Kompressor des Split-Stirling Kühlers mit dem Kaltteil 3. Bei anderen Baurten
von Kryokühlern können Kompressor und Kaltteil auch baulich vereint sein. Das
Kältemittel 11 durchströmt als Teil des Arbeitsvolumens einen geschlossenen
Zylinder des Kaltteils, den sogenannten Kaltfinger 3. Innerhalb des Kaltfingers 3
befindet sich ein kolbenförmiger Regenerator 5, der an beiden Enden Öffnungen
aufweist, durch die das Kältemittel 11 hindurchströmen kann. Der Regenerator 5
bewegt sich je nach Bauart mit einer Phasenverschiebung von 45 bis 90° zu den
Kolben 12 des Kompressors 2 im Zylinder des Kaltfingers 3 und veranlasst damit
das Kältemittel 11 den Regenerator 5 in wechselnden Richtungen zu passieren.
Das Kältemittel 11 strömt also von der Kompressorseite 8 des Kaltfingers durch
den Regenerator 5 in einen Expansionsraum 6 und wieder zurück. Bei dieser
zyklischen Bewegung des Regenerators 5 und des Kältemittels 11 wird die
Kompressorseite 8 des Kaltfingers 3 wärmer als die Umgebung und die
Expansionsseite 7 des Kaltfingers kälter als die Umgebung. Das Kältemittels
entzieht der Expansionsseite 7 des Kaltfingers Wärme und gibt sie an der
Kompressorseite des Kaltfingers an die Umgebung ab. Das zu kühlende Objekt,
beispielsweise ein elektronisches Bauteil, wird auf der Außenseite des kalten
Endes des Kaltfingers so angeordnet, dass ein Wärmestrom vom Objekt durch die
Außenwand des Kaltfingers vom Kältemittel aufgenommen wird. Hierzu ist der
Zylinder des Kaltteils auf der Seite des Expansionsraums mit einem
Wärmeübertrager 10 stirnseitig abgeschlossen.
Um die effektive Fläche für den Wärmestrom zu vergrößern, sind an der
Innenseite des Wärmeübertragers 10 und der dem Wärmeübertrager zugewandte
Ende des Regenerators 5 Berippungen 9, 13 angebracht. Die Form der Berippung
9, 13 ist so gewählt, dass die Berippung 9 am Ende des Regenerators und die
Berippung 13 an der Innenseite des Wärmeübertragers in der expansionsseitigen
Endlage des Regenerators 5, d. h. wenn der Regenerator 5 die kleinste Entfernung
zum Wärmeübertrager 10 einnimmt, ineinandergreifen, sich aber nicht berühren.
Dadurch wird vermieden, dass das zwischen der Innenseite des Wärmeübertragers
10 und dem Ende des Regenerators 5 eingeschlossene Volumen des Kältemittels
11 vergrößert und so der Wirkungsgrad wieder herabsetzt würde. Mit anderen
Worten: die für den Wärmestrom effektive Fläche des Wärmeübertragers 10 wird
durch die Berippung wirksam vergrößert, ohne dabei das zwischen der Innenseite
des Wärmeübertragers 10 und dem Ende des Regenerators 5 eingeschlossene
Volumen des Kältemittels 11 ebenfalls zu vergrößern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Querschnitte der
Berippungen 9, 13 trapezförmig ausgeformt. Damit wird eine weitere
Verbesserung der Wärmeübertragung erzielt.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung mit einem Split
Stirling Kühler beschränkt. Auch für andere Kryokühler, die ein Kaltteil mit
Regeneratorkolben aufweisen, ist die Erfindung geeignet.
Claims (2)
1. Kaltteil (3) eines Kryokühlers (1) mit
einem kolbenförmigen Regenerator (5), der an beiden Enden Öffnungen aufweist, durch die ein Kältemittel (11) durchströmen kann,
einem geschlossenen Zylinder, in dem sich der Regenerator (5) zyklisch mit zwischen einer kompressorseitigen und eine expansionsseitigen Endlage bewegt, mit einem stirnseitig angeordneten Wärmeübertrager (10),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Innenseite des Wärmeübertragers (10) und das dem Wärmeübertrager zugewandte Ende des Regenerators so berippt sind, dass die Berippungen (9, 13) in der expansionsseitigen Endlage des Regenerators (5) ineinander greifen.
einem kolbenförmigen Regenerator (5), der an beiden Enden Öffnungen aufweist, durch die ein Kältemittel (11) durchströmen kann,
einem geschlossenen Zylinder, in dem sich der Regenerator (5) zyklisch mit zwischen einer kompressorseitigen und eine expansionsseitigen Endlage bewegt, mit einem stirnseitig angeordneten Wärmeübertrager (10),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Innenseite des Wärmeübertragers (10) und das dem Wärmeübertrager zugewandte Ende des Regenerators so berippt sind, dass die Berippungen (9, 13) in der expansionsseitigen Endlage des Regenerators (5) ineinander greifen.
2. Kaltteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berippungen
(9, 13) des Wärmeübertragers (10) und des Regenerators (5) einen trapezförmigen
Querschnitt aufweisen.
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