DE102010060346A1 - Refrigeration generating method for use in cooler, involves directing fluid through capillary structure, where fluid flow is accelerated - Google Patents
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kälte, das in einem weiten Temperatur- (einige Kelvin bis Raumtemperatur) und Leistungsbereich (μW bis MW) einsetzbar ist. Der nach dem Verfahren arbeitende Kühler kann ohne bewegliche Teile realisiert werden; er ist besonders zur Kühlung von kryogenen Treibstofftanks geeignet.The invention relates to a method for generating cold, which can be used in a wide temperature (a few Kelvin to room temperature) and power range (μW to MW). The operating according to the method cooler can be realized without moving parts; it is particularly suitable for cooling cryogenic fuel tanks.
Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Kältemaschinen/Kühler, wie z. B. Joule-Thomson-, Pulse-Tube-, Stirling-, Verdampfungs- und Gifford-McMahon-Kühler, bekannt.From the prior art are already numerous chillers / coolers, such. Joule-Thomson, Pulse-Tube, Stirling, Evaporative and Gifford-McMahon coolers.
Alle bekannten Kühler haben jedoch spezifische Nachteile, die der bevorzugten Anwendung, Kühlung von kryogenen Treibstofftanks, entgegenstehen; zum einen können sie oft nur in begrenzten Temperatur- und/oder Leistungsbereichen eingesetzt werden. Zum andern weisen viele Kühler verschleißanfällige, bewegte Teile auf.However, all known coolers have specific disadvantages that preclude the preferred use of cooling cryogenic fuel tanks; On the one hand, they can often only be used in limited temperature and / or performance ranges. On the other hand, many coolers on wear-prone, moving parts.
So können Joule-Thomson-Kühler (z. B.
In
Durch den Dampfdruck des Kältemittels wird der Kältemittelkreislauf unterstützt und infolgedessen der volumetrische Wirkungsgrad des Kompressors im Gesamtprozess verbessert.Due to the vapor pressure of the refrigerant, the refrigerant circuit is supported and, as a result, the volumetric efficiency of the compressor is improved in the overall process.
Das Kühlsystem umfasst prinzipbedingt bewegte Teile (Kompressor).The cooling system basically includes moving parts (compressor).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das in einem weiten Temperatur- (einige Kelvin bis Raumtemperatur) und Leistungsbereich (μW bis MW) einsetzbar ist. Mit dem Verfahren sollen einfach aufgebaute Kühler realisierbar sein, die ohne bewegte Teile auskommen. Die Kühler sollen zudem unkompliziert in kryogene Treibstofftanks integrierbar seinThe invention has for its object to find a method that can be used in a wide temperature (a few Kelvin to room temperature) and power range (μW to MW). The method should be easy to implement coolers can be realized that do without moving parts. The coolers should also be easy to integrate into cryogenic fuel tanks
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 4 gelöst; weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 11.The object of the invention is solved by the features of
Beim erfindungsgemäßen Verfahren (zur Erzeugung von Kälte) wird mindestens ein Fluid durch mindestens eine Kapillarstruktur geleitet. Das mindestens eine Fluid wird während des Durchströmens durch die Kapillarstruktur so stark beschleunigt, dass durch die Umwandlung von potentieller in kinetischer Energie eine Absenkung des statischen Drucks erfolgt.In the method according to the invention (for the generation of cold), at least one fluid is passed through at least one capillary structure. The at least one fluid is accelerated so much during the passage through the capillary structure that the static pressure is reduced by the conversion of potential into kinetic energy.
Sofern es sich bei den Fluiden um Flüssigkeiten handelt, wird der statische Druck auf einen Wert unterhalb des Dampfdrucks der jeweiligen Flüssigkeit abgesenkt, sodass sie partiell oder vollständig verdampft. Die für den Verdampfungsprozess aufgewendete Enthalpie wird zur Kühlung eingesetzt.If the fluids are liquids, the static pressure is lowered to a value below the vapor pressure of the respective liquid, so that it evaporates partially or completely. The enthalpy used for the evaporation process is used for cooling.
Werden hingegen als Fluide Gase oder in der überkritischen Phase vorliegende Stoffe eingesetzt, erfolgt die Abkühlung des Fluids über eine Arbeit leistende Entspannung, bei der ein Teil der inneren Energie in kinetischer Energie umgewandelt wird. Das Gas/der überkritische Stoff leistet Arbeit durch die Beschleunigung seiner trägen Masse. Die hierzu aufgewendete Energie wird in Form von Wärme aus der Umgebung aufgenommen.If, on the other hand, gases or substances present in the supercritical phase are used as fluids, the cooling of the fluid takes place via a work-performing expansion in which part of the internal energy is converted into kinetic energy. The gas / supercritical material does work by accelerating its inert mass. The energy used for this purpose is absorbed in the form of heat from the environment.
Ein Kühler, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, weist mindestens eine Kapillarstruktur mit mindestens einem Ein- und mindestens einem Auslass für das mindestens eine Fluid sowie mindestens eine Wärmeübertragungseinheit auf, mit der die in der Kapillarstruktur erzeugte Kälte an den zu kühlenden Gegenstand bzw. an das zu kühlende Medium abgegeben wird.A cooler, which operates according to the inventive method, has at least one capillary structure with at least one inlet and at least one outlet for the at least one fluid and at least one heat transfer unit, with which the cold generated in the capillary structure to the object to be cooled or at the medium to be cooled is dispensed.
Der Kühler lässt sich einfach realisieren, indem als Kapillarstruktur eine einzelne Kapillare eingesetzt wird, die spiralförmig um einen typischerweise zylinderförmigen, mit dem zu kühlenden Medium befüllten Behälter gewickelt ist. Die Kapillare ist so eng um den Behälter gewickelt, dass sich ihre einzelnen Windungen berühren. Die Außenwände der Kapillare und des Behälters sind kraft- oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Beispielsweise sind sie fest aufeinander gepresst oder miteinander verschweißt/verlötet; infolgedessen besteht ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Behälter und dem Tank. Die Wärmeübertragungseinheit des Kühlers wird folglich aus den in thermischem Kontakt zueinander stehenden Außenwänden der Kapillarstruktur und des Behälters gebildet.The cooler can be easily realized by using a capillary structure as a single capillary, which is wound spirally around a typically cylindrical, filled with the medium to be cooled container. The capillary is wrapped so tightly around the container that its individual turns touch each other. The outer walls of the capillary and the container are non-positively or cohesively connected. For example, they are pressed firmly against each other or welded / soldered together; As a result, there is good thermal contact between the container and the tank. The heat transfer unit of Consequently, the cooler is formed from the outer walls of the capillary structure and the container, which are in thermal contact with each other.
Die Kapillarstruktur kann prinzipiell aus einer oder mehreren einzelnen Kapillaren bestehen oder als mindestens ein Kapillarbündel ausgeformt sein.The capillary structure may in principle consist of one or more individual capillaries or be formed as at least one capillary bundle.
Des Weiteren können zur Erhöhung der Kühlleistung des Kühlers mehrere Kapillarstrukturen parallel geschaltet werden und/oder zur Erweiterung des Arbeitstemperaturbereichs mehrere Kapillarstrukturen in Form einer Kaskade seriell angeordnet werden. Bei der Serienschaltung können zudem die einzelnen Kapillarstrukturen mit verschiedenen Prozessmedien betrieben werden.Furthermore, in order to increase the cooling capacity of the cooler, a plurality of capillary structures can be connected in parallel and / or a plurality of capillary structures in the form of a cascade can be arranged serially to extend the working temperature range. When connected in series, the individual capillary structures can also be operated with different process media.
Der erfindungsgemäße Kühler wird bevorzugt in offenen Kreisprozessen, bei denen das Fluid nur einmal durch die Kapillarstruktur strömt, eingesetzt. Eine Verwendung in einem geschlossenen Kreisprozess, bei dem das mindestens eine Fluid mit Hilfe eines Verdichters vom mindestens einen Aus- zum mindestens einen Einlass der Kapillarstruktur gefördert wird, ist jedoch auch möglich.The cooler according to the invention is preferably used in open circular processes in which the fluid flows only once through the capillary structure. However, use in a closed loop process in which the at least one fluid is conveyed by means of a compressor from the at least one outlet to the at least one inlet of the capillary structure is also possible.
Der Kühler ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit Treibstofftanks einsetzbar, in denen die Brenngase (z. B. Erdgas, Biogas oder Wasserstoff) bei kryogenen Temperaturen in mindestens einem dünnwandigen Rohr gespeichert werden. Die Kapillarstruktur des Kühlers wird dabei entweder in das mindestens eine dünnwandige Speicherohr des Treibstofftanks integriert oder schraubenförmig um das Speicherrohr angeordnet. Darüber hinaus kann die Kapillarstruktur des Kühlers so ausgeführt werden, dass sie gleichzeitig die Funktion des mindestens einen Speicherrohrs übernimmt.The cooler can be used particularly advantageously in connection with fuel tanks in which the fuel gases (eg natural gas, biogas or hydrogen) are stored at cryogenic temperatures in at least one thin-walled tube. The capillary structure of the cooler is either integrated into the at least one thin-walled storage tube of the fuel tank or arranged helically around the storage tube. In addition, the capillary structure of the radiator can be designed so that it simultaneously assumes the function of the at least one storage tube.
Zur Entkopplung vom Antriebstemperaturniveau kann der Kühler in Kombination mit einem Rekuperator eingesetzt werden. Eine Leistungssteigerung des Kühlers ist mittels einer Ankopplung an einen Kapillarexpander mit nachgeschaltetem Joule-Thompson-Ventil möglich.For decoupling from the drive temperature level, the cooler can be used in combination with a recuperator. A performance increase of the cooler is possible by means of a coupling to a capillary expander with a downstream Joule-Thompson valve.
Der erfindungsgemäße Kühler hat den Vorteil, dass er prinzipiell ohne bewegte Teile auskommt, da die Kühlung ausschließlich unter Anwendung des Bernoulli-Effekts mittels der fluidisch wirksamen Kapillarstruktur erfolgt. Der Kühler ist also im Vergleich zu Kühlern mit vielen bewegten Teilen, wie z. B. Stirling-Kühler, zuverlässiger und langlebiger.The cooler according to the invention has the advantage that it basically works without moving parts, since the cooling takes place exclusively using the Bernoulli effect by means of the fluidically effective capillary structure. The cooler is so compared to coolers with many moving parts, such. B. Stirling cooler, more reliable and durable.
Gegenüber den Joule-Thomson-Kühlern, die auch ohne bewegte Teile aufgebaut werden können, hat, da bei der Abkühlung und/oder Verdampfung des Fluids durch den Bernoulli-Effekt der Joule-Thomson-Effekt nur unwesentlich zur Kühlung beiträgt, der erfindungsgemäße Kühler den Vorteil, dass er auch mit Flüssigkeiten, die eine Temperatur oberhalb ihrer Inversionstemperatur aufweisen, betrieben werden kann. Außerdem kann er auch mit in der überkritischen Phase vorliegenden Stoffen und mit Gasen betrieben werden, was mit Joule-Thomson-Kühlern prinzipbedingt nicht möglich ist.Compared to the Joule-Thomson coolers, which can also be constructed without moving parts, since the cooling and / or evaporation of the fluid by the Bernoulli effect of the Joule-Thomson effect contributes only slightly to the cooling, the cooler according to the invention Advantage that it can also be operated with liquids that have a temperature above their inversion temperature. In addition, it can also be operated with substances present in the supercritical phase and with gases, which is inherently impossible with Joule-Thomson coolers.
Der Kühler kann in einem breiten Temperaturbereich eingesetzt werden und kann Kälteleistungen von einigen μW bis zu einigen MW erzeugen. Da insbesondere die im offenen Kreisprozess betriebenen Kühler äußerst vibrationsarm sind, ist auch eine Kühlung von vibrationsempfindlichen Geräten, wie z. B. HTSL-Sensoren, Mikrowellenfiltern und Infrarotsensoren, möglich. Ebenso eignet er sich zum Betrieb der häufig in der Halbleiterindustrie eingesetzten vibrationsarmen Kryo-Vakuumpumpen.The cooler can be used in a wide temperature range and can produce cooling capacities from a few μW to several MW. Since in particular the coolers operated in the open cycle process are extremely low in vibration, cooling of vibration-sensitive devices, such. As HTS sensors, microwave filters and infrared sensors, possible. It is also suitable for operating the low-vibration cryogenic vacuum pumps commonly used in the semiconductor industry.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlers besteht darin, dass der longitudinale Kälteleistungs- und Temperaturverlauf durch den Verlauf der kapillaren Geometrie (Länge, Durchmesser) beeinflusst werden kann, wodurch neben einer Kälteerzeugung auf konstantem Temperaturniveau auch eine Kälteerzeugung mit einem Temperaturverlauf (kontinuierliche Verteilung von Temperaturniveaus) möglich ist.A further advantage of the cooler according to the invention is that the longitudinal cooling capacity and temperature profile can be influenced by the course of the capillary geometry (length, diameter), as well as cooling at a constant temperature level and also cooling with a temperature profile (continuous distribution of temperature levels). is possible.
Werden als Fluide Flüssigkeiten eingesetzt, dann kann der lokale statische Dampfdruck im Verdampfer unter dessen Austrittsdruck abgesenkt werden. Hierdurch wird es möglich, die Verdampfungstemperatur bis zum Tripelpunkt (einzelner Arbeitsstoff) bzw. bis zum eutektischen Punkt (Arbeitsstoffgemisch) zu reduzieren.If fluids are used as fluids, then the local static vapor pressure in the evaporator can be lowered below its outlet pressure. This makes it possible to reduce the evaporation temperature up to the triple point (single working substance) or up to the eutectic point (working substance mixture).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der
Der Treibstofftank
In
Bei der ersten Variante sind die Kapillaren
Bei der dritten Variante sind die Querschnitte der Speicherrohre
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Behältercontainer
- 22
- Außenwand des BehältersOuter wall of the container
- 33
- Kapillare/KapillarstrukturCapillary / capillary
- 44
- Einlass für das FluidInlet for the fluid
- 55
- Auslass für das FluidOutlet for the fluid
- 66
- Außenwand der KapillareOuter wall of the capillary
- 77
- zu kühlendes Mediumto be cooled medium
- 88th
- Treibstofftankfuel tank
- 99
- Speicherrohrstorage tube
- 1010
- Sammeleinrichtungcollecting device
- 1111
- Auslassleitungoutlet pipe
- 1212
- Multilagen-Vakuum-SuperisolationMulti-layer vacuum superinsulation
- 1313
- Strahlungsschirmradiation shield
- 1414
- Dewar-GefäßDewar
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 3215396 C2 [0004] DE 3215396 C2 [0004]
- DE 10194530 B4 [0005] DE 10194530 B4 [0005]
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DE3215396C2 (en) | 1981-05-01 | 1988-08-25 | William A. Palo Alto Calif. Us Little | |
DE10194530B4 (en) | 2000-10-05 | 2007-10-04 | Operon Co., Ltd., Kimpo | Multi-stage mixed refrigerant cryogenic system that achieves low temperature by repetition of expansion and evaporation of a mixed refrigerant. |
-
2010
- 2010-11-04 DE DE201010060346 patent/DE102010060346A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: WERNER, ANDRE, DR., DE |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |