DE102008052494A1

DE102008052494A1 - Joule-Thomson-Kühler

Info

Publication number: DE102008052494A1
Application number: DE102008052494A
Authority: DE
Inventors: Gunter Dr. Kaiser; Jürgen Dr. Klier; Stefan Oehmichen
Original assignee: VWP MASCHB und SERVICE GmbH; VWP MASCHINENBAU und SERVICE GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: VWP MASCHB und SERVICE GmbH; VWP MASCHINENBAU und SERVICE GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2010-04-08
Also published as: WO2010037364A1; EP2331888A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Joule-Thomson-Kühler in dem ein Arbeitsgas eingesetzt ist, das vergleichsweise tiefe Arbeitstemperaturen und hohe volumetrische Kälteleistungen ermöglicht. Das Arbeitsgas enthält mindestens zwei hinsichtlich des Joule-Thomson-Prozesses aktive Gaskomponenten, wobei die Konzentration aller aktiven Gaskomponenten so gewählt ist, dass alle Verdampfungstemperaturen der aktiven Gaskomponenten gleich sind. Vorgesehen sind binäre oder ternäre Gemische aus den Komponenten Stickstoff, Argon und Sauerstoff. Der Kühler kann besonders vorteilhaft als Kleinkältemaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen oder als Kältequelle für die Verflüssigung permanenter Gase wie z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Methan oder Erdgas verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Joule-Thomson-Kühler in dem ein Arbeitsgas eingesetzt ist, das vergleichsweise tiefe Arbeitstemperaturen und hohe volumetrische Kälteleistungen ermöglicht. Der Joule-Thomson-Kühler kann besonders vorteilhaft als Kleinkältemaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen oder als Kältequelle für die Verflüssigung permanenter Gase wie z. B. Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Methan oder Erdgas verwendet werden.
In den 1980-er Jahren wurden bereits Kleinkühler auf der Basis von Joule-Thomson-Prozessen entwickelt und kommerziell vertrieben (Hymatic, MMR Technologies). Die Wärmetauscher wurden mittels Feinwerktechnik, teilweise jedoch auch schon mittels Mikrostrukturtechnik hergestellt. Zur Erzeugung des Hochdrucks in den Kryokühlern wurden für den Druckbereich 200 bis 500 bar entweder mehrstufige Spezialverdichter oder, insbesondere im militärischen Bereich, Kryokühler mit Verschleißsystemen eingesetzt, die aus Druckbehältern mit hochreinem Stickstoff betrieben wurden.
In den 1990-er Jahren setzten sich Kleinkühler durch, die nach dem Gemisch-Joule-Thomson-Prozess arbeiten. Bei diesen Kühlern ist der der massegetragene Enthalpiestrom im Niederdruckkanal größer als im Hochdruckkanal, wodurch die Enthalpieverluste des Rekuperators, die mit Kälteleistung aus dem Drosselprozess kompensiert werden müssen, deutlich reduziert werden. Die typischen Druckverhältnisse der bislang verwendeten Einzelgas-Joule-Thomson-Kühler, die 200 bis 500 bar (Hochdruckseite) zu 1 bis 3 bar (Niederdruckseite) betragen, lassen sich somit bei Gemisch-Joule-Thomson-Kühlern auf ca. 15 bis 25 bar zu 1 bis 3 bar reduzieren. Kommerzielle Gemisch-Joule-Thomson-Kühler wurden unter den Handelsnamen „Cryotiger” (von Polycold, ehemals APD Cryogenics) und „Bio”-Serie Kryokühler (von MMR Technologies) bekannt.
Gemisch-Joule-Thomson-Kühler werden gegenwärtig für die Rückverflüssigung von permanenten Gasen (z. B. Elan 2, MMR Technologies), die Kühlung hochempfindlicher HTSL-supraleitender Sensorik (z. B. Cryotiger, Polycold) und in verschiedenen Laboranwendungen sowie in der Kryo-Vakuumtechnik eingesetzt.
Der Nachteil der bekannten einstufigen Joule-Thomson-Kühler, die mit Einzelgasen bzw. Gasgemischen betrieben werden, ist die Begrenzung der minimal erreichbaren Arbeitstemperatur auf Temperaturen größer 70 K. Typischerweise erreichen die Kühler Temperaturen von 80 bis 120 K.
Diese Begrenzung der minimalen Arbeitstemperatur bei einstufigen Joule-Thomson-Kühlern wird durch das eingesetzte Arbeitsgas verursacht. Damit mit dem Joule-Thomson-Prozess von Umgebungstemperatur auf die Arbeitstemperatur abkühlt werden kann, muss ein Arbeitsgas eingesetzt werden, dessen Inversionstemperatur deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die minimale Verdampfungstemperatur (durch die die minimale Arbeitstemperatur des Joule-Thomson-Prozesses definiert wird) solcher Arbeitsgase, wie z. B. z. B. Stickstoff, Argon und Sauerstoff, liegt im Niederdruckbereich (1–3 bar) bei 77 bis 100 K.
Ende der 1990-er Jahre wurden die Arbeitstemperaturen von Joule-Thomson-Kühlern weiter gesenkt, indem dem Arbeitsgas hinsichtlich des Joule-Thomson-Prozesses inaktive Gase (z. B. Helium oder Neon) zugemischt wurden. Hierdurch wird der Partialdruck und gleichzeitig der Siedepunkt der aktiven Komponente verringert. Durch die Zumischung des inaktiven Gases wird jedoch auch die volumetrische Bruttokälteleistung des Prozesses reduziert, d. h. es lassen sich zwar tiefere Temperaturen erreichen, die entsprechenden Kälteleistungen sind jedoch in vergleichbaren Temperaturbereichen stets kleiner als die von Prozessen, die ohne Zumischung inaktiver Gase zum Arbeitsgas betrieben werden.
Mit mehrstufigen Joule-Thomson-Kühlern, bei denen in den zusätzlichen Stufen andere Arbeitsgase, wie z. B. Wasserstoff, Neon und Helium eingesetzt werden, können zwar Temperaturen kleiner als 10 K erreicht werden, jedoch sind diese Kühler technologisch sehr aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Joule-Thomson-Kühler geschaffen werden, der mit einem Arbeitsgas betrieben wird, das vergleichsweise tiefe Arbeitstemperaturen und hohe volumetrische Kälteleistungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 13.
Nach Maßgabe der Erfindung ist in dem Joule-Thomson-Kühler ein Arbeitsgas eingesetzt, das mindestens zwei hinsichtlich des Joule-Thomson-Prozesses aktive Gaskomponenten enthält; die Konzentration aller aktiven Gaskomponenten ist so gewählt, dass, bedingt durch die (konzentrationsabhängige) Höhe ihres jeweiligen Partialdrucks, alle Verdampfungstemperaturen der aktiven Gaskomponenten gleich sind.
Eine derartige Gasmischung wirkt wie ein Einzelgas mit einer festen Verdampfungstemperatur. Die Verdampfungstemperatur der Mischung ist jedoch aufgrund der Partialdruckabsenkung der einzelnen aktiven Gaskomponenten niedriger als die jeweiligen Verdampfungstemperaturen der reinen Gaskomponenten. Im Gegensatz zur Verdünnung des aktiven Gases mit passivem Gas, tragen bei Gasmischungen aus aktiven Gaskomponenten alle Gaskomponenten zum kälteerzeugenden Prozess bei, d. h., die volumetrische Bruttokälteleistung des Joule-Thomson-Prozesses ist höher.
Es ist vorgesehen, als Arbeitsgas für den Joule-Thomson-Kühler binäre oder ternäre Gemische aus den aktiven Komponenten Stickstoff, Argon und Sauerstoff einzusetzen. Gasgemische aus diesen zwei bzw. drei Gasen, bei denen die zwei/drei Partialdrucke so eingestellt sind, dass sich die zwei/drei Verdampfungstemperaturen entsprechen, enthalten die zwei/drei Gase in ähnlich großen Konzentrationen, wodurch eine nachhaltige Verringerung der Verdampfungstemperatur der Mischung gegenüber jeweils den unverdünnten Gaskomponenten erreicht wird.
Falls es erforderlich ist, die Arbeitstemperatur noch weiter zu senken, können dem Gasgemisch aus aktiven Komponenten zusätzlich noch passive Komponenten, wie z. B. Helium oder Neon zugemischt werden. Die Absenkung der Arbeitstemperatur geht in diesem Fall jedoch zulasten der volumetrischen Bruttokälteleistung des Joule-Thomson-Prozesses im Kühler.
Der erfindungsgemäße Kühler arbeitet entweder nach einem Pseudo-Einzelgas-Joule-Thomson-Prozess Prozess, wobei dieser mit einem Verdichter mit hohem Druckverhältnis (200..500 bar zu 1..3 bar) ausgestattet ist, oder der Kühler arbeitet nach dem Gemisch-Joule-Thomson-Prozess, wobei lediglich ein Verdichter mit niedrigerem Druckverhältnis (15..25 bar zu 1..3 bar) erforderlich ist. Die Gemisch-Joule-Thomson-Kühler werden bevorzugt, da sie aufgrund der geringeren Anforderungen an den Verdichter wesentlich einfacher aufgebaut sind als Einzelgas-Joule-Thomson-Kühler mit gleicher Leistung.
Für Kühler, die nach dem Gemisch-Joule-Thomson-Prozess arbeiten, ist es erforderlich, dem Arbeitsgas zusätzlich Kohlenwasserstoffe zuzumischen, wobei hier besonders vorteilhaft auch höher siedende Komponenten, wie Flourkohlenwasserstoffe, Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder Polysiloxane, eingesetzt werden können.
Der erfindungsgemäße Joule-Thomson-Kühler kann unter Anwendung bekannter Verdichtertechnik mit Kälteleistungen zwischen einigen 100 mW und einigen kW hergestellt werden.
Der Kaltteil des Joule-Thomson-Kühlers ist entweder mit Feinwerktechnik (Plattenwärmeübertrager, Tube-in-Tube, Multi-Tube) oder mit Mikrostruktur-Technologie (Matrix-Wärmetauscher, geätzte oder direkt-geschriebene Strukturen, Verbindung durch Laser- oder Elektronenstrahl-Schweißen, Vakuum-Löten) gefertigt.
In einer vorteilhaften Variante wird das Hochdruckgas mittels einer Kompressionskältemaschine oder eines Peltier-Kühlers vorgekühlt und dadurch die Rekuperator-Eintrittstemperatur auf –25 bis 0°C abgesenkt. Dies ermöglicht eine verbesserte Prozessführung, insbesondere können kleinere Rekuperatoren eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform mit ölgeschmierten Verdichtern, die es ermöglicht, teilweise oder vollständig auf eine Einrichtung zur Ölabscheidung zu verzichten, ist der Joule-Thomson-Kühler zur Ölrückführung mit einer der Kapillare, die die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite verbindet, und einem Ölsammler ausgestattet.
Der Joule-Thomson-Kühler kann als einfach aufgebauter Kleinverflüssiger für permanente Gase ausgeführt werden, indem in das kälteerzeugende System hinter der Drossel des Joule-Thomson-Kühlers ein Wärmetauscher zur sekundärseitigen Gasverflüssigung eingebaut wird.
In einer Ausführungsform des Joule-Thomson-Kühlers als Gasverflüssiger ist der Kaltteil des Kühlers in das Innere eines Gefriergeräts eingebaut und damit thermisch vom Umgebungstemperaturniveau entkoppelt ist. Hierdurch wird die Effizienz der Verflüssigung erhöht; zudem wird auch bei hohen Außentemperaturen die Einhaltung der Prozessparameter sichergestellt. Bei ausreichender Dimensionierung des Gefrieraggregats ist es außerdem möglich, den Verdampfer-Wärmetauscher gleichzeitig zur Vorkühlung des Hochdruckgases vor dem Rekuperator-Eintritt zu verwenden.

Claims

Joule-Thomson-Kühler, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas ein Gemisch mit mindestens zwei hinsichtlich des Joule-Thomson-Prozesses aktiven Gaskomponenten verwendet ist, wobei die Konzentration der mindestens zwei aktiven Gaskomponenten so gewählt ist, dass alle Verdampfungstemperaturen der aktiven Komponenten gleich sind.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Arbeitsgas ein binäres Gemisch aus den aktiven Komponenten Stickstoff, Argon und/oder Sauerstoff enthält.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Arbeitsgas ein ternäres Gemisch aus den aktiven Komponenten Stickstoff, Argon und Sauerstoff enthält.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Arbeitsgas neben den aktiven Komponenten auch mindestens eine hinsichtlich des Joule-Thomson-Prozesses passive Komponente enthält.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Komponente Helium und/oder Neon ist.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Arbeitsgas Kohlenwasserstoffe oder höher siedende Komponenten, wie Fluorkohlenwasserstoffe, Flourchlorkohlenwasserstoffe oder Polysiloxane, enthält, die die Durchführung eines Gemisch-Joule-Thomson-Prozesses ermöglichen.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser über eine Einrichtung zur Vorkühlung des Hochdruckgases verfügt.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vorkühlung des Hochdruckgases ein Kompressionskältemaschine ist.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vorkühlung des Hochdruckgases ein Peltier-Kühler ist.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Ölrückführung über eine Kapillare, die die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite des Verdichters des Joule-Thomson-Kühlers verbindet, und einen Ölsammler verfügt.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das er mit einem hinter der Drossel des Joule-Thomson-Kühlers eingebunden Wärmetauscher ausgestattet ist, der zur sekundärseitigen Gasverflüssigung dient.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltteil des Joule-Thomson-Kühlers in das Innere eines Gefriergeräts eingebracht ist.
Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer-Wärmetauscher des Gefriergeräts gleichzeitig zur Vorkühlung des Hochdruckgases eingesetzt ist.