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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kryogenisches Mehrstufen-Kühlsystem,
bei dem das Bernoulli-Prinzip besagt, daß mit steigender Flußgeschwindigkeit
eines Fluids in einem Rohr ein Druck, der durch das Fluid ausgeübt wird,
in dem Rohr abnimmt, auf ein Kühlzyklussystem
angewendet wird, so daß eine
tiefe Temperatur in einer Kühlkammer
eines Kühlgerätes durch
ein Senken der Temperatur und des Druckes eines Kühlmittels
in mehreren Stufen erzielt werden kann, wenn das Kühlmittel
von einer Hochtemperaturseite zu einer Tieftemperaturseite fließt. Das
Bernoulli-Prinzip besagt, daß mit
steigender Flußgeschwindigkeit
eines Fluids in einem Rohr ein Druck, der durch das Fluid ausgeübt wird,
in dem Rohr abnimmt.
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Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein kryogenisches Kühlsystem,
wobei ein spezifischer Kühleffekt
desselben nur durch einen Kompressor auf eine derartige Weise erhöht wird, daß ein Prozeß des Senkens
des Druckes eines Kühlmittels
auf einer Tieftemperaturseite in einem Rohr, das verdampftes Kühlmittel
trägt,
mittels einer starken Ansaugkraft, die erzeugt wird, wenn ein flüssiges Kühlmittel
sich ausdehnt und mit einer hohen Geschwindigkeit in Richtung eines
Einlasses eines Doppelrohrs injiziert wird, wiederholt in mehreren Stufen
durchgeführt
wird, wobei so ein Verdampfungsdruck des Kühlmittels unter einem Ansaugdruck
des Kompressors beibehalten werden kann, wobei die Stabilität desselben
selbst in dem Fall eines fortlaufenden Betriebs desselben sichergestellt werden
kann.
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Stand der
Technik
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Allgemein
wird eine Ultratieftemperatur für eine
Langzeitkonservierung von Gewebe, Zellen oder Genen, einen Halbleiterherstellungsprozeß, eine
Vorrichtung zum Induzieren eines Supraleitfähigkeitsphänomens, usw. benötigt. Insbesondere
in dem Fall biologischer Stoffe, wie zum Beispiel Zellen, kristallisiert,
wenn dieselben bei einer Temperatur von –130°C oder weniger gehalten werden,
was der Rekristallisierungstemperatur von Eis entspricht, Wasser,
das in demselben enthalten ist, nicht, sondern liegt in dem amorphen
Zustand vor. So kann, da es unwahrscheinlich ist, daß eine Zellmembran
zerstört
wird, die Dauer der Konservierung sehr stark auf mehr als 10 Jahre
verlängert
werden. Obwohl es verschiedene Technologien zum Erzielen einer derartigen
Ultratieftemperatur gibt, wird ein Verfahren, das einen Dampfkompressionskühlzyklus
oder flüssigen Stickstoff
verwendet, weit verbreitet eingesetzt. Um eine Ultratieftemperatur
von etwa –135°C bis –150°C zu erzielen,
ist es notwendig, einen Mehrstufen-Kaskaden-Kühlzyklus zu verwenden, der
drei Stufen oder mehr aufweist, oder den flüssigen Stickstoff zu verwenden,
der eine Verflüssigungstemperatur
von –196°C aufweist.
Da der flüssige
Stickstoff jedoch nur einmal aufgebraucht wird, ist es notwendig,
flüssigen Stickstoff
für eine
weitere Verwendung nachzufüllen. So
ist die Verwendung desselben unbequem, wobei die Betriebskosten
erhöht
werden. Andererseits gibt es in dem Fall des Mehrstufen-Kaskaden-Kühlzyklus ein
Problem beim effizienten Erzielen der erwünschten Ultratieftemperatur.
Zusätzlich
gibt es ein weiteres Problem hinsichtlich dessen, daß eine Vorrichtung,
die den Mehrstufen-Kaskaden-Kühlzyklus
verwendet, in ihrer Struktur komplex ist und so Fehler der Vorrichtung
häufig
auftreten und die Betriebskosten derselben ebenfalls erhöht sind.
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In
Anbetracht dieser Probleme wurde ein kryogenisches Kühlgerät vorgeschlagen,
das in einem Artikel mit dem Titel „Temperature in Refrigerating Chamber
of Compressor-type Refrigerator" in
Nikkei Mechanical, Nr. 496 (23. Dezember 1996), Seiten 44–45, Japan
offenbart ist. Das kryogenische Kühlgerät verwendet einen Zweistufen-Kaskaden-Mischkühlmittel-Kühlkreislauf
(d. h. eine Kombination eines Zweistufen-Kaskaden-Kühlkreislaufs
und eines Mischkühlmittel-Kreislaufs)
zum Erzielen einer tiefen Temperatur in einem Tieftemperaturseiten-Kühlkreislauf
durch die Verwendung eines Hochtemperaturseiten-Kühlkreislaufs.
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Bei
dem Zweistufen-Kaskaden-Mischkühlmittel-Kühlkreislauf
beträgt
die erzielbare Temperatur in einem Endverdampfer –155°C, wobei
die Temperatur, die in der Kühlkammer
erzielt wird, –152°C beträgt. Wie
schematisch in 2 dargestellt ist, gibt es zwei
separate Hoch- und Tieftemperaturseiten-Kühlkreisläufe, die
wiederum durch einen Kaskaden-Kondensator
miteinander verbunden sind. Der Kaskaden-Kondensator dient als ein Verdampfer
für den Hochtemperaturseiten-Kühlkreislauf
und als ein Kondensator für
den Tieftemperaturseiten-Kühlkreislauf. Der
Hochtemperaturseiten-Kühlkreislauf
wird zur Erzielung einer noch tieferen Temperatur in dem Tieftemperaturseiten-Kühlkreislauf
verwendet.
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Insbesondere
wurde, um eine Temperatur von –100°C oder tiefer
zu erzielen, der Mischkühlmittel-Kühlkreislauf
in der Tieftemperaturseite verwendet. Ein typisches Kühlmittel
ist ein Mischkühlmittel, das
aus sieben Arten von Kühlmitteln
besteht, wie zum Beispiel R412A, das eine Verdampfungstemperatur
von –40°C aufweist,
für die
Hochtemperaturseite und R508 (Mischung aus R23 und R116), das eine Verdampfungstemperatur
von –86°C aufweist,
R22, das eine Verdampfungstemperatur von –41°C aufweist, und R14, das eine
Verdampfungstemperatur von –128°C aufweist,
für die
Tieftemperaturseite. Das Mischkühlmittel
läuft durch
die jeweiligen Stufen, um die Tieftemperatur zu erzielen.
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Bei
dem Zweitstufen-Kaskaden-Mischkühlmittel-Kühlkreislauf
jedoch wird, da zwei Kompressoren separat in dem jeweiligen Hoch-
und Tieftemperaturseiten-Kühlkreislauf
installiert werden, der Verbrauch elektrischer Leistung erhöht, wobei
die Struktur des Kühlzyklus
desselben verkompliziert wird. Zusätzlich ist es, um die Temperatur
in der Kühlkammer bei –152°C beizubehalten,
notwendig, das Kühlgerät andauernd
zu betreiben. Es ist jedoch schwierig, das Kühlgerät andauernd und stabil zu betreiben,
da es dahingehend ein Problem gibt, daß Ölrückstände, die mit dem Kühlmittel
von dem Kompressor zu einer Tieftemperaturseite bewegt wurden, nicht
vollständig in
dem Kompressor gesammelt werden, um zu bewirken, daß das Schmieröl auf Gleitoberflächen in
dem Kompressor fehlt und folglich ein Zylinder des Kompressors heiß wird und
steckenbleibt. Ferner gibt es auch dahingehend Probleme, daß ein Ansaugdruck bei
einer Tieftemperatur reduziert und die Kühlleistung reduziert wird.
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Aus
der US-A-3768273 ist bereits ein mehrstufiges Tieftemperaturkühlsystem
bekannt, bei dem eine Mischung aus verdampften Kühlmitteln komprimiert wird,
der komprimierte Kühlmitteldampf
teilweise kondensiert wird, um eine Mischung aus komprimiertem Kondensat
und komprimierten unkondensierten Dampf zu schaffen, wobei die komprimierte Mischung
in einer Zwischenkühlstufe über eine
Drossel auf ein niedrigeres Druckniveau gebracht wird, wobei sich
das ergebende Kondensat für
eine folgende Verdampfungsstufe vorbereitet wird, in der im Wesentlichen
die genannten Abläufe
erneut stattfinden.
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Die
EP-A2-239818 betrifft ein Kühlsystem mit
einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Wärmetauschern, die jeweils einen
Hochdruckbereich und einen Ansaugbereich umfassen, wobei ferner eine
Verengung in jedem Verbindungsbereich zwischen den Wärmetauschern
vorgesehen ist, sowie eine Kapillarröhre mit einer Öffnung oberhalb
der Verengung, welche im Ansaugbereich von einem der Wärmetauscher
endet.
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Aus
der JP-A-8105660 ist ein weiteres mehrstufiges Kühlsystem bekannt, das mit speziellen Kühlmittelmischungen
arbeitet.
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Offenbarung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kühlsystem
zu liefern, das eine Zuverlässigkeit
der Ausrüstung
desselben durch ein Beibehalten einer stabilen Leistung selbst in
dem Fall eines andauernden Betriebs des kryogenischen Kühlsystems
sicherstellt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kühlsystem
zu liefern, das das Leben oder die Zuverlässigkeit der Ausrüstung desselben
durch ein Sicherstellen des glatten Betriebs eines Kompressors verbessert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kühlsystem
zu liefern, das eine externe Konkurrenzfähigkeit eines Produktes durch
ein Verbessern der Kühleffizienz
desselben um über
20% und durch ein Stabilisieren des Betriebs desselben bei einer
Ultratieftemperatur sicherstellt.
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Die
obigen Aufgaben der vorliegenden Erfindung können durch ein kryogenisches
Mehrstufen-Kühlsystem
erzielt werden, bei dem sich ein flüssiges Kühlmittel an einem oberen Abschnitt
eines Rohrs, das ein verdampftes Kühlmittel trägt, ausdehnt und dasselbe in
Richtung einer stromabwärts gelegenen
Seite hinsichtlich einer Flußrichtung
eines verdampften Kühlmitteldampfes
in mehreren Stufen injiziert wird, um Kühlmitteldampf stark in das
Rohr, das verdampftes Kühlmittel
trägt,
zu ziehen und so den Verdampfungsdruck des Kühlmittels unter den Ansaugdruck
eines Kompressors zu senken. Da der Dampf eines verdampften Kühlmittels
stark gezogen und mit einer hohen Geschwindigkeit getrieben wird, werden
die Flußgeschwindigkeit
und der Druck des Kühlmitteldampfs
er höht,
wobei der Ansaugdruck des Kompressors über einem vorbestimmten Druck beibehalten
wird. Folglich kann der volumetrische Wirkungsgrad des Kompressors
verbessert werden und Ölrückstände in einem
Kühlkreislauf
können
vollständig
an den Kompressor zurückgegeben
werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich, eine
Endverdampfungstemperatur von –160°C und eine
Temperatur einer Kühlkammer
von –156°C zu erzielen.
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Ferner
können
die obigen Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch ein Mehrstufen-Mischkühlmittel-System
erzielt werden, das einen Kompressor zum Komprimieren eines Mischkühlmittels, einen Öltrenner
zum Trennen von Öl
von dem Kühlmittel,
das durch den Kompressor komprimiert wird, zum Sammeln des getrennten Öls in dem
Prozessor und dann zum Abgeben des Kühlmittels, einen Kondensator
zum Kühlen
des gasförmigen
Hochtemperatur- und Hochdruck-Kühlmittels,
das von dem Öltrenner
abgegeben wird, um das gasförmige
Kühlmittel
zu verflüssigen,
einen Wärmeaustauscher,
der an einem Rohr, das verdampftes Kühlmittel trägt, installiert ist, zum Leiten
von Verdampftes-Kühlmittel-Dampf
an den Prozessor, um die Temperatur des kondensierten, flüssigen Kühlmittels
zu senken, und bei dem bewirkt wird, daß das kondensierte, flüssige Hochtemperaturkühlmittel
Wärme von
demselben an den verdampften Tieftemperaturkühlmitteldampf abgibt und supragekühlt wird,
wobei das Kühlmittel,
das in Richtung eines Einlasses des Kompressors floß, erwärmt und
verdampft wird, einen Gas/Flüssigkeit-Trenner
zum Trennen des kondensierten Mischkühlmittels, das durch den Wärmeaustauscher
in das flüssige
Kühlmittel
und das gasförmige
Kühlmittel
gelangt, eine Mehrzahl von Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtungen und einen Endverdampfer
aufweist.
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Bei
der Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung gelangt das flüssige Kühlmittel,
das durch den Gas/Flüssigkeit-Trenner
getrennt wird, folgend durch eine Ausdehnungsvorrichtung, die in
einem Rohr installiert ist, wird von einer Düse, die an einem Ende des Rohrs
vorgesehen ist, in Richtung eines äußeren Rohrs für das verdampfte
Kühlmittel
eines doppelten Rohrs injiziert, wird während des Fließens von
einer stromaufwärts
gelegenen Seite zu der stromabwärts gelegenen
Seite verdampft und kommuniziert mit einem Rohr, das verdampftes
Kühlmittel
trägt,
auf einer Hochtemperaturseite. Zu diesem Zeitpunkt tritt ein Drosselungsphänomen in
der Umgebung der Düse auf,
wobei der Kühlmitteldampf
in dem Rohr, das verdampftes Kühlmittel
trägt,
stark gezogen wird, so daß bewirkt
wird, daß der
gezogene Kühlmitteldampf
von der stromaufwärts
gelegenen Seite zu der stromabwärts
gelegenen Seite gemeinsam mit dem injizierten Kühlmittel in das äußere Rohr
des Doppelrohrs fließt,
das durch die Ausdehnungsvorrichtung geleitet wurde. Zu dem gleichen
Zeitpunkt werden Ölrückstände, die
in dem Kühlmittel
enthalten sind, in Richtung des Kompressors bewegt, wobei ein inneres Rohr
für das
kondensierte Kühlmittel,
das nach innen von dem äußeren Rohr
angeordnet ist, für
das verdampfte Kühlmittel
des Doppelrohrs, das zwei konzentrische Rohre mit unterschiedlichen
Durchmessern aufweist, das gasförmige
Kühlmittel,
das durch den Gas/Flüssigkeit-Trenner
getrennt ist, in eine Aufwärtsrichtung
leitet, so daß das
gasförmige
Kühlmittel
kondensiert wird und das kondensierte Kühlmittel in einen Gas/Flüssigkeit-Trenner
auf der Tieftemperaturseite fließt. Auf eine derartige Weise
gelangt das flüssige
Kühlmittel
von dem Gas/Flüssigkeit-Trenner durch
die Ausdehnungsvorrichtung und wird von der Düse injiziert, wobei dann bewirkt
wird, daß das
injizierte Kühlmittel
gemeinsam mit dem Kühlmitteldampf,
der aufgrund der Injizierung des flüssigen Kühlmittels gezogen wird, in
Richtung der Hochtemperaturseite entlang eines Rohrs, das verdampftes Kühlmittel
trägt,
auf der Hochtemperaturseite fließt, die mit dem Doppelrohr
kommuniziert. Das gasförmige
Kühlmittel
von dem Gas/Flüssigkeit-Trenner
wird kondensiert, während
es nach oben durch das innere Rohr für das kondensierte Kühlmittel
des Doppelrohrs fließt,
und fließt
dann in den Gas/Flüssigkeit-Trenner
auf der Tieftemperaturseite. Auf eine derartige Weise bildet die
Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung
einen Zyklus. Die Mehrzahl von Ausdehnungs- Ansaug-Vorrichtungen ist miteinander in
mehreren Stufen verbunden, so daß die Ausdehnung und die Kondensation
des Kühlmittels
wiederholt werden, wodurch nach und nach eine tiefe Temperatur erzielt
wird.
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In
dem Endverdampfer wird das kondensierte Kühlmittel, das durch eine letzte
Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung gelangt ist, wieder in einem Wärmeaustauscher
kondensiert, der unterhalb des Endverdampfers angeordnet ist, und
fließt
durch eine Ausdehnungsvorrichtung in den Endverdampfer. Das Kühlmittel,
das in den Endverdampfer eingeführt
ist, wird verdampft, während
es nach unten fließt.
Das vollständig
verdampfte Kühlmittel
fließt
in ein Rohr der letzten Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung, das verdampftes
Kühlmittel
trägt.
So wird ein integrierter Kreislauf gebildet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Kreislaufdiagramm eines kryogenischen Kühlsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein schematisches Kreislaufdiagramm eines kyrogenischen Kühlsystems
gemäß dem Stand
der Technik.
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Beste Art
und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die zuvor genannten Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtungen in
vier seriellen Stufen zwischen dem Wärmeaustauscher auf der Hochtemperaturseite
des Kühlsystems
und dem Endverdampfer auf der Ultratieftemperaturseite desselben
verbunden. In einem derartigen Fall wurde die Tempera tur des verdampften
Kühlmittels
eine Ultratieftemperatur von –160°C (zu diesem
Zeitpunkt betrug die Temperatur in der Kühlkammer –156°C).
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Im
folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung detailliert Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es soll jedoch nur spezifisch die vorliegende Erfindung zu einem
derartigen Ausmaß darstellen,
daß ein
Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, die
vorliegende Erfindung ohne weiteres ausführen kann. Folglich sollte dasselbe
nicht so aufgefaßt
werden, daß die
technische Wesensart und der Bereich der vorliegenden Erfindung
darauf beschränkt
sind.
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Wie
in 1 gezeigt ist, weist ein kryogenisches Kühlsystem
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung einen Kompressor 1 zum Komprimieren
eines Kühlmittels, einen
Kondensator 2 zum Verflüssigen
eines Hochtemperatur- und Hochdruckkühlmitteldampfes, der durch
den Kompressor 1 komprimiert wird (unter dem Mischkühlmittel,
wobei ein Kühlmittel,
das einen hohen Siedepunkt aufweist, verflüssigt wird), und einen Öltrenner 10 auf,
der zwischen Rohren für
den Kompressor 1 und dem Kondensator installiert ist, um Öl von dem
komprimierten Kühlmittel
zu trennen und das Öl
zu dem Kompressor 1 zurückzuführen.
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Das
kryogenische Kühlsystem
der vorliegenden Erfindung weist ferner einen Wärmeaustauscher 3,
der zwischen einem Rohr 6, das verdampftes Kühlmittel
trägt,
und einem Ansaugabschnitt des Kompressors 1 installiert
ist und bewirkt, daß das
Kühlmittel,
das in dem Kondensator kondensiert ist, supragekühlt wird und zu einem ersten
Gas/Flüssigkeit-Trenner 4a fließt, und
bewirkt, daß der
Kühlmitteldampf zum
Bilden eines trockenen, gesättigten
Dampfes erwärmt
und zu dem Kompressor bewegt wird, und einen Filtertrockner 12 auf,
der zwischen Rohren für den
Kondensator 2 und dem Wärmeaustauscher 3 zum
Entfernen von Feuchtigkeit und Fremd stoffen, die in dem Kühlmittel
enthalten sind, angeordnet ist.
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Das
kryogenische Kühlsystem
der vorliegenden Erfindung weist ferner den ersten Gas/Flüssigkeit-Trenner 4a zum
Trennen des kondensierten Mischkühlmittels,
das durch den Wärmeaustauscher 3 geleitet
und supragekühlt
wurde, in ein flüssiges Kühlmittel
und ein gasförmiges
Kühlmittel
und eine erste Ausdehnungsvorrichtung 8a zum Reduzieren des
Druckes des flüssigen
Kühlmittels,
das durch den ersten Trenner 4a getrennt wurde, auf seinen
eigenen Verdampfungsdruck auf.
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Das
Kühlmittel,
das durch die erste Ausdehnungsvorrichtung 8a gelangt ist,
wird von einer stromaufwärts
gelegenen Seite zu einer stromabwärts gelegenen Seite in Richtung
eines Doppelrohrs injiziert, das mit dem Rohr 6a, das verdampftes
Kühlmittel
trägt,
mittels einer Düse 7a kommuniziert,
die in einem konvergierenden und divergierenden Seitenende eines
Rohrs für
das verdampfte Kühlmittel
installiert ist, das an einem Abschnitt angeordnet ist, der mit
dem Rohr 6a, das verdampftes Kühlmittel trägt, kommuniziert. Zu diesem
Zeitpunkt tritt ein Drosselungsphänomen aufgrund der Injizierung
des Kühlmittels
auf, wodurch der Druck in dem Rohr 6a, das verdampftes
Kühlmittel
trägt,
stark reduziert wird. Folglich wird der Kühlmitteldampf in dem Rohr 6a, das
verdampftes Kühlmittel
trägt,
stark gezogen, wobei das Kühlmittel,
das mit einer hohen Geschwindigkeit durch die erste Ausdehnungsvorrichtung 8a und die
Düse 7a injiziert
wird, gemeinsam mit dem gezogenen Kühlmitteldampf schnell von der
stromaufwärts
gelegenen Seite zu der stromabwärts
gelegenen Seite entlang des Rohrs für das verdampfte Kühlmittel,
d. h. eines äußeren Rohrs
des Doppelrohrs, fließt.
Folglich wird eine vorbestimmte Geschwindigkeit des Kühlmittels
sichergestellt, wobei eine perfekte Ölwiedergewinnung durchgeführt wird, da
sich Ölrückstände, die
in dem Kühlmittel
enthalten sind, in Richtung des Kompressors bewegen. Als ein Ergebnis
wird eine hohe Effizienz und Sicherheit des Kühlsystems gemäß der Kühlsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung garantiert. Zur gleichen Zeit wird das gasförmige Kühlmittel
von dem ersten Gas/Flüssigkeit-Trenner 4a auf
der Hochtemperaturseite des Kühlsystems
kondensiert, während
es nach oben entlang eines Rohrs für das kondensierte Kühlmittel
fließt,
und dann in einen Gas/Flüssigkeit-Trenner 4b auf
der Tieftemperaturseite des Kühlsystems eingeführt.
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Vorzugsweise
sind die Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtungen, in denen das gasförmige und das
flüssige
Kühlmittel
von dem Gas/Flüssigkeit-Trenner
in entgegengesetzten Richtungen fließen, wiederholt in mehreren
Stufen in Richtung der Tieftemperaturseite des Kühlsystems aufgebaut.
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Dies
bedeutet, daß gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtungen A–D, die
auf eine derartige Weise aufgebaut sind, daß der Verdampftes-Kühlmittel-Dampf
in Richtung der Hochtemperaturseite des Kühlsystems fließt und die
kondensierte Kühlmittelflüssigkeit
in Richtung der Tieftemperaturseite des Kühlsystems fließt, hintereinander
miteinander verbunden sind. So wird die Temperatur des kondensierten
Kühlmittels,
das aus der Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung herausfließt, tiefer
als die des Kühlmittels,
das sich in Richtung der Tieftemperaturseite des Kühlsystems
weiterbewegt. Das kondensierte Kühlmittel,
das durch die letzte Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung D gelangt ist,
wird in einem Wärmeaustauscher 15 wieder
kondensiert, fließt
durch eine letzte Ausdehnungsvorrichtung 8e, wird in einen
oberen Abschnitt eines Endverdampfers 14 eingeführt und
fließt
dann durch den Endverdampfer nach unten. Zu diesem Zeitpunkt wird
das kondensierte Kühlmittel
verdampft und absorbiert Wärme
aus der Kühlkammer.
So wird die Ultratieftemperatur von –160°C (Temperatur in der Kühlkammer: –160°C) erzielt.
Da das vollständig
verdampfte Kühlmittel
in ein Rohr 6d, das verdampftes Kühlmittel trägt, der letzten Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung durch
das äußere Rohr
des Doppelrohrs fließt,
das unter dem Verdampfer 14 angeordnet ist, ist das kryogenische
Kühlsystem
mit einem in demselben gebildeten integrierten Kreislauf aufgebaut.
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Das
Bezugszeichen 11, das noch nicht erklärt wurde, bezeichnet einen
Ausdehnungstank zum Speichern eines stark erhöhten Drucks, der zu dem Zeitpunkt
eines anfänglichen
Betriebs des Kompressors 1 erzeugt wurde, wobei das Bezugszeichen 13 ein
Ansaugdruckregelventil zum Durchführen einer Überlastungssteuerung bezeichnet,
wenn die Überlastung
an dem Ansaugabschnitt des Kompressors 1 auftritt, und
wobei die Bezugszeichen 9a–9d Druckmeßgeräte zum Anzeigen
des Druckes des Kühlmittels
bezeichnen, das durch die relevanten Rohre, die verdampftes Kühlmittel
tragen, fließt.
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Wie
oben erklärt
wurde, gibt es, obwohl ein Mehrstufensystem, bei dem die Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtungen
A–D hintereinander
miteinander verbunden sind, um die Ultratieftemperatur von –160°C zu erzielen,
aufgebaut ist, dennoch eine Beschränkung hinsichtlich der erzielbaren
Ultratieftemperatur. Deshalb beabsichtigt die vorliegende Erfindung,
ein Kühlsystem
zu verwenden, bei dem ein Mischkühlmittel
verwendet wird. Das Mischkühlmittel in
der Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung
verhält
sich in dem Kühlkreislauf
kompliziert, wenn das Kühlgerät tatsächlich in
Betrieb ist. Die Ultratieftemperatur wird gemäß den Verflüssigungs/Verdampfungs-Prozessen
erzielt, die unten grob beschrieben werden.
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Da
der Kühlkreislauf
auf der Hochtemperaturseite des Kühlsystems bekannt ist, wird
die Beschreibung desselben weggelassen. So wird unten der Betrieb
jeder Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung auf
der Tieftemperaturseite des Kühlsystems
beschrieben.
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In
der Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung A wird das flüssige Kühlmittel R-600A von dem ersten Gas/Flüssigkeit-Trenner 4a verdampft.
Zu diesem Zeitpunkt beträgt
der Druck des verdampften Kühlmittels
in dem Rohr 6a, das verdampftes Kühl mittel trägt, etwa –18 cmHg, wobei die Temperatur
des Kühlmittels,
das durch die Injektionsdüse 7a fließt, etwa –62°C beträgt.
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In
der Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung B werden die flüssigen Kühlmittel
R-22, R-290 von dem Gas/Flüssigkeit-Trenner 4b der
Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung A verdampft. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Druck
des verdampften Kühlmittels
in dem Rohr 6b, das verdampftes Kühlmittel trägt, etwa –28 cmHg, wobei die Temperatur
des Kühlmittels, das
durch die Injektionsdüse 7b fließt, etwa –119°C beträgt.
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In
der Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung C werden die flüssigen Kühlmittel
R-116, R-23 von dem Gas/Flüssigkeit-Trenner 4c der
Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung B verdampft. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Druck
des verdampften Kühlmittels
in dem Rohr 6c, das verdampftes Kühlmittel trägt, etwa –35 cmHg, wobei die Temperatur
des Kühlmittels, das
durch die Injektionsdüse 7c fließt, etwa –136°C beträgt, und
wobei die Temperatur des Kühlmittels, das
an dem Doppelrohr 5c wärmeausgetauscht
wird, etwa –128°C beträgt.
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In
der Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung D werden die flüssigen Kühlmittel
R-1150, R-14 von dem Gas/Flüssigkeit-Trenner 4d der
Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung C verdampft. Zu diesem Zeitpunkt
beträgt
der Druck des verdampften Kühlmittels
in dem Rohr 6d, das verdampftes Kühlmittel trägt, etwa –45 cmHg, wobei die Temperatur
des Kühlmittels,
das durch die Injektionsdüse 7d fließt, etwa –152°C beträgt, und
wobei die Temperatur des Kühlmittels,
das an dem Doppelrohr 5d wärmeausgetauscht wird, etwa –147°C beträgt.
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Das
Kühlmittel,
das in dem Endverdampfer 14 verdampft wird, ist ein flüssiges Kühlmittel
R-50 (zu dem He, Ar oder dergleichen hinzugefügt werden kann) von der Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung
D. Das Kühlmittel
wird wieder supragekühlt,
während
es durch den Wärmeaustauscher 15 fließt, der
aus dem Doppelrohr besteht und unter dem Endverdampfer an geordnet
ist. So wird die Temperatur des Kühlmittels –153°C. Danach wird das verdampfte
Kühlmittel über die
Ausdehnungs-Ansaug-Vorrichtung 8e in dem Verdampfer eingeführt. Zu
diesem Zeitpunkt beträgt
die Temperatur des Kühlmittels
an einem Einlaß des
Verdampfers 14 –160°C, wobei
die Temperatur des Kühlmittels
an einem Auslaß des
Verdampfers –154°C beträgt. Folglich
wird eine Ultratieftemperatur von –156°C als eine Temperatur in der
Kühlkammer erzielt.
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Ferner
wird, wenn das Kühlmittel,
das durch den relevanten Trenner getrennt ist, von jeder der Injektionsdüsen 7a bis 7b bei
der relevanten Stufe injiziert wird, das Bernoulli-Prinzip auf ein Verfahren zum
Ziehen des Verdampftes-Kühlmittel-Dampfs
von jedem der Rohre 6a–6d,
die verdampftes Kühlmittel tragen,
und zum Ausdehnen und Übertragen
des injizierten Kühlmittels
gemeinsam mit dem gezogenen Kühlmittel
in Richtung jeder der Doppelrohre 5a–5d angewendet. So
wird der Ansaugdruck des Kompressors so stark wie der Druckwert
jeder der Meßgeräte 9a–9d,
die bei den Rohren, die verdampftes Kühlmittel tragen, installiert
sind. Folglich werden die Probleme, daß die Temperatur des verdampften Kühlmittels
erhöht
und eine Kühlleistung
reduziert wird, aufgrund der Reduzierung des Ansaugdruckes überwunden.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Wie
oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung der Verdampfungsdruck des Kühlmittels unter dem Ansaugdruck
des Kompressors des Kühlgerätes gehalten,
wodurch die stabile Leistung des Kühlsystems selbst in dem Fall
des fortlaufenden Betriebs des Kühlsystems
unter der Maximaltemperaturbedingung beibehalten werden kann.
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Ferner
können
der Druck und die Flußgeschwindigkeit
des Kühlmittels,
das in Richtung der Hochdruckseite gezogen wird, an den jeweiligen
Stufen durch die Verwendung des Drosselungsphänomens erhöht werden, so daß Ölrückstände auf
der Tiefdruckseite vollständig
in dem Kompressor gesammelt werden können. So kann der glatte Betrieb des
Kompressors sichergestellt werden, wobei die Nutzlebensdauer und
Zuverlässigkeit
der Ausrüstung des
Kühlsystems
verbessert werden können.
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Ferner
tritt, da das flüssige
Kühlmittel
von der Düse
in Richtung des Endes des Rohrs, das verdampftes Kühlmittel
trägt,
injiziert wird, das Drosselungsphänomen auf. Die so erzeugte
Ansaugkraft zieht den Kühlmitteldampf
stark nach oben, wodurch der stabile Fluß des Kühlmittels erzielt werden kann. Folglich
wird die Nutzlebensdauer der Ausrüstung verlängert, wobei gleichzeitig die
Kühleffizienz
gegenüber
dem Stand der Technik um mehr als 20% verbessert werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht ein Vorteil darin, daß das Mehrstufen-Ausdehnung-Kompressor-Typ-Kühlgerät fortlaufend
und stabil auf der Temperatur von –156°C beibehalten werden kann.