DE10104969C2

DE10104969C2 - Kaltteil eines Kyrokühlers mit verbesserter Wärmeübertragung

Info

Publication number: DE10104969C2
Application number: DE10104969A
Authority: DE
Inventors: Ingo Ruehlich
Original assignee: AEG Infrarot Module GmbH
Current assignee: AIM Infrarot Module GmbH
Priority date: 2001-02-03
Filing date: 2001-02-03
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2021-02-04
Also published as: IL152951A0; EP1356243A1; EP1356243B8; DE50206380D1; EP1356243B1; US20040025518A1; IL152951A; DE10104969A1; ATE323267T1; WO2002063220A1

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 Expansionsraumss wirksam vergrößert ist. DOLLAR A Das wird dadurch erzielt, dass die Innenseite des Wärmeübetragers und das dem Wärmeübetrager 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 Arbeitsvolumens 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.

Die Druckschrift DD 87 589 zeigt einen entsprechenden Kryokühler mit einem in einem geschlossenen Zylinder zwischen einer kompressorseitigen und einer expansionsseitigen Endlage zyklisch bewegten, kolbenförmigen Regenerator. Die Druckschriften CH 584 389; GB 1 507 291 und US 4 206 609 zeigen derartige Kryokühler mit kolbenförmigen Regeneratoren, die an ihren Enden Öffnungen aufweisen, durch die ein Kühlmittel durchströmen kann.

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:

so erkennt man, dass bei konstanter Temperaturdifferenz (ΔT) entweder die vom Material abhängige Konstante (α) oder die Fläche (A) vergrößert werden muss, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Das Material der Außenwand ist üblicherweise so gewählt, dass die Konstante (α) 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 Expansionsraums 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.

Kurze Beschreibung der Figuren

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 Arbeitsvolumens 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 Kältemittel 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 herabgesetzt 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

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 (S) 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.