DE102011006165B4 - Cooling device with adjustable evaporation temperature - Google Patents

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Abstract

Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Messprobe, mit mindestens zwei Kühlkaskadenstufen, welche jeweils mindestens eine Kältemittelleitung, einen Verdichter (1.1, 2.1), eine Entspanndrossel (1.4, 2.4), einen Verdampfer (6, 7) und einen Verflüssiger (3, 6) umfassen, wobei zwischen dem Verdampfer (7) der letzten Kühlkaskadenstufe und dem Verdichter (2.1) der letzten Kühlkaskadenstufe eine zusätzliche Entspanndrossel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Entspanndrossel zweistufig als Parallelanordnung von einem Bypassventil (2.7) und einer invariablen Entspanndrossel (2.6) ausgeführt ist.Cooling device for cooling a test sample, comprising at least two cooling cascade stages, each comprising at least one refrigerant line, a compressor (1.1, 2.1), an expansion throttle (1.4, 2.4), an evaporator (6, 7) and a condenser (3, 6), wherein an additional expansion throttle is arranged between the evaporator (7) of the last cooling cascade stage and the compressor (2.1) of the last cooling cascade stage, characterized in that the additional expansion throttle is designed in two stages as a parallel arrangement of a bypass valve (2.7) and an invariable expansion throttle (2.6) ,

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Messprobe, mit mindestens zwei Kühlkaskadenstufen, welche jeweils mindestens eine Kältemittelleitung, einen Verdichter, eine Entspanndrossel, einen Verdampfer und einen Verflüssiger umfassen, wobei zwischen dem Verdampfer der letzten Kühlkaskadenstufe und dem Verdichter der letzten Kühlkaskadenstufe eine zusätzliche Entspanndrossel angeordnet ist.The invention relates to a cooling device for cooling a test sample, comprising at least two cooling cascade stages, each comprising at least one refrigerant line, a compressor, a relax throttle, an evaporator and a condenser, wherein between the evaporator of the last cooling cascade stage and the compressor of the last cooling cascade stage an additional expansion throttle is arranged.

Eine Kühlvorrichtung mit diesen körperlichen Merkmalen ist aus US 5,669,234 A bekannt.A cooling device with these physical features is out US 5,669,234 A known.

Vorrichtungen, die ähnliche Eigenschaften aufweisen, sind etwa der NMR90 der Firma Millrock Technology, Kingston, NY, USA, der ULSP90 der Firma ULSP bv, Ede, NL und der FTS XR Air Jet der Firma RototecSpintec GmbH, Biebesheim, D.Devices which have similar properties are, for example, the NMR90 from Millrock Technology, Kingston, NY, USA, the ULSP90 from ULSP bv, Ede, NL and the FTS XR Air Jet from Rototec Spintec GmbH, Biebesheim, D.

Bei verschiedenen Analyseverfahren ist es notwendig, die zu analysierenden Proben zu kühlen. In ausgewählten Fällen, wie der Magnetischen Kernresonanzspektroskopie oder der Röntgenkristallographie, geschieht dies häufig dadurch, dass die Probe in einen kalten Gasstrom (Kühlgas), vorzugsweise Stickstoff oder Helium gebracht wird.In various analytical methods, it is necessary to cool the samples to be analyzed. In selected cases, such as nuclear magnetic resonance spectroscopy or x-ray crystallography, this is often done by placing the sample in a cold gas stream (cooling gas), preferably nitrogen or helium.

Dieser kalte Gasstrom kann beispielsweise durch Verdampfen von Flüssiggasen oder durch Kühlen eines warmen Gases mittels in Flüssiggas getauchten Wärmetauschern realisiert werden. Dabei muss jedoch eine aufwändige Logistik zur Beschaffung oder Erzeugung sowie zur Lagerung dieser Flüssiggase betrieben werden.This cold gas stream can be realized, for example, by evaporating liquid gases or by cooling a warm gas by means of heat exchangers immersed in liquid gas. However, a complex logistics for the procurement or production and storage of these liquefied gases must be operated.

Alternativ dazu kann die Abkühlung des warmen Gases auch mittels Kältemittelkreisprozess durchgeführt werden. Dabei wird in einem Kreisprozess ein geeignetes Kältemittel in einem Verdichter auf einen höheren Druck gebracht und dadurch erhitzt, in einem Wärmetauscher unter Abgabe von Wärme unter die beim erzielten Druck herrschende Verflüssigungstemperatur gekühlt (enthitzt) und unter Abgabe weiterer Wärme verflüssigt, durch eine geeignete Drossel auf einen tieferen Druck entspannt und in einem zweiten Wärmetauscher unter Aufnahme von Wärme aus dem zu kühlenden Gas auf der tiefen Verdampfungstemperatur wieder verdampft.Alternatively, the cooling of the warm gas can also be carried out by means of a refrigerant cycle. In this case, in a cyclic process, a suitable refrigerant in a compressor is brought to a higher pressure and thereby heated, cooled in a heat exchanger under heat given the pressure prevailing at the pressure condensing temperature (re-heated) and liquefied with the release of further heat, by a suitable throttle relaxes a lower pressure and re-evaporated in a second heat exchanger while absorbing heat from the gas to be cooled at the low evaporation temperature.

Zur Einstellung der gewünschten Kühltemperatur sind Anordnungen von Kältemittelkreisprozessen mit einstellbarem Verdampfungsdruck mit verstellbarer Drossel zwischen dem ersten (Kältemittelverflüssiger) und zweiten Wärmetauscher (Kältemittelverdampfer) bekannt. Technisch aufwändig ist diese Anordnung dann, wenn der zu variierende Kreisprozess in einer Kaskade von Kreisprozessen bereits mit einer sehr tiefen Verflüssigungstemperatur arbeitet und damit diese einstellbare Drossel ebenfalls sehr kalt wird.To set the desired cooling temperature, arrangements of refrigerant circuit processes with adjustable evaporating pressure with variable throttle between the first (refrigerant condenser) and second heat exchanger (refrigerant evaporator) are known. This arrangement is technically complicated when the cycle to be varied already works in a cascade of cycle processes with a very low condensation temperature and thus this adjustable throttle also becomes very cold.

Deshalb wird derzeit weitgehend auf eine Einstellung der gewünschten Kühltemperatur verzichtet. Beispielsweise gilt dies für die Geräte der Firmen Bruker (Typ „BCU-X”), ULSP Typ „90 Immersion Probe Cooler” und Milrock Typ „NMR90 sample cooler”. Alternativ wird der auf eine fest eingestellte Temperatur gekühlte Gasstrom mit einer eingebauten Heizung auf eine gewünschte, höhere Temperatur erwärmt. Ein Beispiel dafür sind die Geräte der Firma RototecSpintec FTS „XR Air-Jet Cooler”.For this reason, it is currently largely unnecessary to set the desired cooling temperature. For example, this applies to the devices from Bruker (type "BCU-X"), ULSP type "90 Immersion Probe Cooler" and Milrock type "NMR90 sample cooler". Alternatively, the cooled to a fixed set temperature gas flow is heated with a built-in heater to a desired, higher temperature. An example of this are the devices of the company RototecSpintec FTS "XR Air-Jet Cooler".

Bei der Kühlvorrichtung gemäß US 5,669,234 A wird das verdampfte Kältemittel nach dem zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) ein weiteres Mal entspannt. Dadurch teilt sich die gesamte Entspannung zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite des Verdichters auf zwei Teilentspannungen auf, wobei der dazwischen entstehende Druck im Verdampfer durch die verstellbare Drossel der zweiten Teilentspannung beeinflusst wird. Die Verdampfung des Kältemittels erfolgt unter Erbringung der gewünschten Kühlleistung im zweiten Wärmetauscher, welcher zwischen den beiden Drosseln liegt, bei der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei diesem beeinflussbaren Druck und somit ist die Kühltemperatur ebenfalls beeinflussbar.In the cooling device according to US 5,669,234 A the vaporized refrigerant after the second heat exchanger (evaporator) is relaxed again. As a result, the entire relaxation between high-pressure and low-pressure side of the compressor is divided into two partial relaxations, wherein the intervening pressure in the evaporator is influenced by the adjustable throttle of the second partial relaxation. The evaporation of the refrigerant is carried out under provision of the desired cooling capacity in the second heat exchanger, which is located between the two throttles, at the evaporation temperature of the refrigerant at this impressionable pressure and thus the cooling temperature is also influenced.

Im Gegensatz zum den üblicherweise verwendeten Verfahren, wird so vermieden, dass die Drossel selber einstellbar sein muss, was bei einem zu variierende Kreisprozess in einer Kaskade von Kreisprozessen mit einer sehr tiefen Verflüssigungstemperatur und damit tiefer Drossel-Temperatur nur unter großem technischem Aufwand möglich wäre.In contrast to the commonly used method, it is thus avoided that the throttle itself must be adjustable, which would be possible only with great technical effort in a cascade of circular processes with a very low condensing temperature and thus low throttle temperature at a varying process.

Ein weiterer Vorteil dieser speziellen Kühlvorrichtung ergibt sich daraus, dass bei höherer gewünschter Temperatur und damit höherem gewünschtem Verdampfungsdruck im zweiten Wärmetauscher durch die dazu notwendige stärkere Entspannung an der zweiten Drossel ein tieferer Saugdruck im Verdichter resultiert, was in diesem zu geringerer Leistungsaufnahme führt. Demgegenüber würde eine kalt verstellbare Drossel zwischen erstem und zweitem Wärmetauscher beim Einstellen einer höheren Verdampfungstemperatur und damit einem geringerem Kühlleistungsbedarf einen höheren Saugdruck und damit eine größere Leistungsaufnahme des Verdichters bewirken.Another advantage of this particular cooling device results from the fact that at higher desired temperature and thus higher desired evaporation pressure in the second heat exchanger by the necessary stronger relaxation at the second throttle results in a lower suction pressure in the compressor, resulting in this lower power consumption. In contrast, a cold-adjustable throttle between the first and second heat exchanger when setting a higher evaporation temperature and thus a lower cooling power requirement would cause a higher suction pressure and thus a greater power consumption of the compressor.

Damit lässt sich eine einfache Möglichkeit zur Einstellbarkeit der Kühltemperatur schaffen, wobei auf kalt zu verstellende Ventile verzichtet werden kann, da diese aufwendig und teuer sind.This can be a simple way to adjust the cooling temperature create, which can be dispensed with cold-adjusting valves, as they are complicated and expensive.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, mit einfachen und kostengünstigen Mitteln bei der aus US 5,669,234 A bekannten, speziellen Kühlvorrichtung eine variable Entspanndrossel zu schaffen.Object of the present invention, it is now, with simple and inexpensive means at the out US 5,669,234 A known, special cooling device to create a variable expansion throttle.

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache und dennoch wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass die zusätzliche Entspanndrossel zweistufig als Parallelanordnung von einem Bypassventil und einer invariablen Entspanndrossel ausgeführt ist.This object is achieved in a surprisingly simple yet effective manner in that the additional expansion throttle is designed in two stages as a parallel arrangement of a bypass valve and an invariable expansion throttle.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer der letzten Kühlkaskadenstufe als Wärmetauscher ausgeführt ist, dass ein Kühlgas durch einen Gaseintritt in den Wärmetauscher eintritt, Wärme abgibt und durch einen Gasaustritt aus dem Wärmetauscher wieder austritt, und dass das abgekühlte Kühlgas zur Messprobe geleitet wird, um diese zu kühlen. Durch diesen Aufbau ist der Wärmetauscher gleichzeitig Transferlinie für das Kühlgas und die Vorrichtung kann einfach und platzsparend ausgeführt werden.An advantageous embodiment is characterized in that the evaporator of the last cooling cascade stage is designed as a heat exchanger, that a cooling gas enters the heat exchanger through a gas inlet, gives off heat and exits through a gas outlet from the heat exchanger, and that the cooled cooling gas is passed to the measurement sample to cool them. Due to this structure, the heat exchanger is at the same time a transfer line for the cooling gas and the device can be designed to be simple and space-saving.

Die Vorteile der Erfindung kommen besonders gut zur Geltung, wenn die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur der magnetischen Kernresonanzspektroskopie ist, da hier der gekühlte Gasstrom auf die gewünschte Temperatur geheizt wird und für höhere Temperaturen weniger gekühlt und damit auch weniger geheizt werden muss, was die Regelung vereinfacht.The advantages of the invention are particularly effective when the cooling device is part of a nuclear magnetic resonance spectrometry apparatus, since the cooled gas stream is heated to the desired temperature and less cooled for higher temperatures and therefore less heating, which simplifies the scheme ,

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann alternativ dazu auch Teil einer Apparatur der Röntgenspektroskopie ist. Speziell bei der Röntgenkristallographie müssen die Messproben oft gekühlt werden.The cooling device according to the invention may alternatively also be part of an apparatus of X-ray spectroscopy. Especially in X-ray crystallography, the measurement samples often have to be cooled.

Alternativ ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auch vorteilhaft, wenn sie Teil einer Apparatur der EPR ist.Alternatively, the cooling device according to the invention is also advantageous if it is part of an apparatus of the EPR.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschliessende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, the features mentioned above and those listed further can be used individually or in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung. 1 a schematic representation of an embodiment of the inventive cooling device.

Die in 1 beispielhaft gezeigte erfindungsgemässe Kühlvorrichtung beinhaltet eine erste Kühlkaskadenstufe mit Verdichter 1.1, Sicherheitsdruckschalter 1.2, Filter 1.3, Entspanndrossel 1.4, und Druckausgleichsgefäss 1.5 sowie eine zweite Kühlkaskadenstufe mit Verdichter 2.1, Sicherheitsdruckschalter 2.2, Filter 2.3, Entspanndrossel 2.4, und Druckausgleichsgefäss 2.5.In the 1 An exemplary cooling device according to the invention includes a first cooling cascade stage with compressor 1.1 , Safety pressure switch 1.2 , Filters 1.3 , Relaxing throttle 1.4 , and pressure balance vessel 1.5 and a second cooling cascade stage with compressor 2.1 , Safety pressure switch 2.2 , Filters 2.3 , Relaxing throttle 2.4 , and pressure balance vessel 2.5 ,

Beispielsweise ein kombinierter Luft-Wärmetauscher mit Gebläse 5 dient als Verflüssiger 3 für die erste Kühlkaskadenstufe und als Enthitzer 4 für die zweite Kühlkaskadenstufe.For example, a combined air heat exchanger with blower 5 serves as a liquefier three for the first cooling cascade stage and as a desuperheater 4 for the second cooling cascade stage.

Ein Wärmetauscher 6 dient als Verdampfer für die erste Kühlkaskadenstufe und als Verflüssiger für die zweite Kühlkaskadenstufe.A heat exchanger 6 serves as an evaporator for the first cooling cascade stage and as a condenser for the second cooling cascade stage.

Ein Verdampfer (Wärmetauscher) 7, beispielhaft dargestellt als Transferline des Kühlgases, dient als Verdampfer für die zweite Kühlkaskadenstufe zur Erbringung der gewünschten Kälteleistung, in dem das Kühlgas von Eintritt 7.1 zum Austritt 7.2 geführt wird.An evaporator (heat exchanger) 7 , exemplified as a transfer line of the cooling gas, serves as an evaporator for the second cooling cascade stage to provide the desired cooling capacity, in which the cooling gas from entry 7.1 to the exit 7.2 to be led.

Die erfindungsgemässe Einstellung der gewünschten Temperatur durch die Veränderung des Verdampfungsdruckes des Kältemittels in der hier beispielhaft dargestellten zweiten Stufe einer Kühlkaskade erfolgt durch eine variable Drossel auf dem Rückweg des Kältemittels vom Verdampfer 7 zum Einritt in den Verdichter 2.1. Dargestellt ist diese variable Drossel in 1 beispielhaft durch eine invariable Entspanndrossel 2.6 und einem Bypassventil 2.7 zur Umgehung dieser Drossel. Damit resultiert bei offenem Bypassventil 2.7 ein tieferer Entspanndruck und bei geschlossenem Bypassventil ein höherer Entspanndruck im Verdampfer 7 und damit eine tiefere oder eine höhere Verdampfungstemperatur.The inventive setting of the desired temperature by changing the evaporation pressure of the refrigerant in the second stage of a cooling cascade shown here by way of example is carried out by a variable throttle on the return path of the refrigerant from the evaporator 7 to enter the compressor 2.1 , Shown is this variable throttle in 1 exemplified by an invariable expansion throttle 2.6 and a bypass valve 2.7 to bypass this throttle. This results in open bypass valve 2.7 a lower release pressure and with a closed bypass valve a higher expansion pressure in the evaporator 7 and thus a lower or higher evaporation temperature.

Obwohl hier die Erfindung an einer Kühlvorrichtung nach dem Prinzip der Kompressionskältemaschine mit zweistufiger Kühlkaskade dargestellt wurde, ist die Einstellbarkeit der Verdampfungstemperatur durch eine variable Drossel zwischen dem Kältemittelverdampfer und dem Verdichtereingang auch bei einstufigen Kühlvorrichtungen nach diesem Prinzip genau so möglich wie auch bei Kühlkaskaden mit mehr als zwei Stufen.Although here the invention has been shown on a cooling device according to the principle of the compression refrigeration machine with two-stage cooling cascade, the adjustability of the evaporation temperature by a variable throttle between the refrigerant evaporator and the compressor inlet is also possible with single-stage cooling devices according to this principle as well as in cooling cascades with more than two steps.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1.11.1
Verdichter der ersten KühlkaskadenstufeCompressor of the first cooling cascade stage
1.21.2
Sicherheitsdruckschalter derselbenSafety pressure switch of the same
1.31.3
Filter derselbenFilter the same
1.41.4
Entspanndrossel derselbenRelaxing throttle of the same
1.51.5
Ausgleichsgefäss derselbenEqualizing vessel of the same
2.12.1
Verdichter der zweiten KühlkaskadenstufeCompressor of the second cooling cascade stage
2.22.2
Sicherheitsdruckschalter derselbenSafety pressure switch of the same
2.32.3
Filter derselbenFilter the same
2.42.4
Entspanndrossel derselbenRelaxing throttle of the same
2.52.5
Ausgleichsgefäss derselbenEqualizing vessel of the same
2.62.6
Entspanndrossel zur Einstellung eines höheren Verdampfungsdruckes der zweiten KühlkaskadenstufeRelaxing throttle for setting a higher evaporation pressure of the second cooling cascade stage
2.72.7
Bypassventil zum Umgehung der Entspanndrossel 2.6 zur Einstellung eines tieferen Verdampfungsdruckes der zweiten KühlkaskadenstufeBypass valve to bypass the expansion throttle 2.6 for setting a lower evaporation pressure of the second cooling cascade stage
33
Verflüssiger der ersten KühlkaskadenstufeCondenser of the first cooling cascade stage
44
Enthitzer der zweiten KühlkaskadenstufeDesuperheater of the second cooling cascade stage
55
Ventilator für Verflüssiger 3 und Enthitzer 4 Fan for condenser three and desuperheater 4
66
Wärmetauscher als Verdampfer der ersten und Verflüssiger der zweiten KühlkaskadenstufeHeat exchanger as the evaporator of the first and condenser of the second cooling cascade stage
77
Wärmetauscher als Verdampfer der zweiten Kühlkaskadenstufe zur Erbringung der Kühlleistung durch Abkühlen eines GasesHeat exchanger as an evaporator of the second cooling cascade stage for providing the cooling power by cooling a gas
7.17.1
Eintritt des zu kühlenden GasesEntry of the gas to be cooled
7.27.2
Austritt des gekühlten GasesExit of the cooled gas

Claims (5)

Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Messprobe, mit mindestens zwei Kühlkaskadenstufen, welche jeweils mindestens eine Kältemittelleitung, einen Verdichter (1.1, 2.1), eine Entspanndrossel (1.4, 2.4), einen Verdampfer (6, 7) und einen Verflüssiger (3, 6) umfassen, wobei zwischen dem Verdampfer (7) der letzten Kühlkaskadenstufe und dem Verdichter (2.1) der letzten Kühlkaskadenstufe eine zusätzliche Entspanndrossel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Entspanndrossel zweistufig als Parallelanordnung von einem Bypassventil (2.7) und einer invariablen Entspanndrossel (2.6) ausgeführt ist.Cooling device for cooling a test sample, having at least two cooling cascade stages, each comprising at least one refrigerant line, a compressor ( 1.1 . 2.1 ), a relax throttle ( 1.4 . 2.4 ), an evaporator ( 6 . 7 ) and a liquefier ( three . 6 ), wherein between the evaporator ( 7 ) of the last cooling cascade stage and the compressor ( 2.1 ) the last cooling cascade stage an additional expansion throttle is arranged, characterized in that the additional expansion throttle two-stage as a parallel arrangement of a bypass valve ( 2.7 ) and an invariable relax throttle ( 2.6 ) is executed. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (7) der letzten Kühlkaskadenstufe als Wärmetauscher ausgeführt ist, dass ein Kühlgas durch einen Gaseintritt (7.1) in den Wärmetauscher eintritt, Wärme abgibt und durch einen Gasaustritt (7.2) aus dem Wärmetauscher wieder austritt, und dass das abgekühlte Kühlgas zur Messprobe geleitet wird, um diese zu kühlen.Cooling device according to claim 1, characterized in that the evaporator ( 7 ) of the last cooling cascade stage is designed as a heat exchanger that a cooling gas by a gas inlet ( 7.1 ) enters the heat exchanger, gives off heat and by a gas outlet ( 7.2 ) exits the heat exchanger again and that the cooled cooling gas is passed to the sample to cool it. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur der magnetischen Kernresonanzspektroskopie ist.Cooling device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the cooling device is part of a nuclear magnetic resonance spectroscopy apparatus. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur der Röntgenspektroskopie ist.Cooling device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the cooling device is part of an apparatus of X-ray spectroscopy. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur der EPR ist.Cooling device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the cooling device is part of an apparatus of the EPR.
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