DE102011006174B4

DE102011006174B4 - Kältevorrichtung mit steuerbarer Verdampfungstemperatur

Info

Publication number: DE102011006174B4
Application number: DE102011006174.6A
Authority: DE
Inventors: Franco Sestito; Markus Mayer
Original assignee: Bruker Biospin SAS
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: GB2489568A; GB2489568B; GB201204856D0; DE102011006174A1; US20120240610A1

Abstract

Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Messprobe, mit mindestens zwei Kühlkaskadenstufen, welche jeweils mindestens eine Kältemittelleitung, einen Verdichter (1.1, 2.1), eine Entspanndrossel (1.5), einen Verdampfer (6, 7) und einen Verflüssiger (3, 6) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (2.1) und dem Verflüssiger (6) der letzten Kühlkaskadenstufe die Kältemittelleitung auf n Teilleitungen (A, B) aufgeteilt ist, wobei n ≥ 2, dass die aufgeteilten n Teilleitungen (A, B) mittels mindestens n – 1 Ventilen (2.7, 2.8) einzeln und unabhängig voneinander abgesperrt werden können, dass die aufgeteilten Teilleitungen (A, B) jeweils eine eigene Entspanndrossel (2.5, 2.6) umfassen, und dass die aufgeteilten Teilleitungen (A, B) beide an den Verdampfer (7) der letzten Kühlkaskadenstufe angeschlossen sind.

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 umfasst.
Eine Kühlvorrichtung mit diesen körperlichen Merkmalen, die auch eine Kälteanlage mit mehreren Kühlkaskaden zeigt, bei der sich die Leitungen nach den Verdichtern zumindest teilweise aufteilen, ist aus US 5,669,234 A bekannt.
Vorrichtungen, die derartige 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.
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, vorzugsweise Stickstoff oder Helium gebracht wird.
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.
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.
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.
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”.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine einfache Möglichkeit zur Einstellbarkeit der Kühltemperatur zu schaffen, wobei auf kalt zu verstellende Ventile verzichtet werden soll, da diese aufwendig und teuer sind.
Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache und dennoch wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass zwischen dem Verdichter und dem Verflüssiger der letzten Kühlkaskadenstufe die Kältemittelleitung auf n Teilleitungen aufgeteilt wird, wobei n ≥ 2, dass die aufgeteilten n Teilleitungen mittels mindestens n – 1 Ventilen einzeln und unabhängig voneinander abgesperrt werden können, dass die aufgeteilten Teilleitungen jeweils eine eigene Entspanndrossel umfassen, und dass die aufgeteilten Teilleitungen beide an den Verdampfer der letzten Kühlkaskadenstufe angeschlossen sind.
Bei der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung wird das verdichtete Kältemittel vor dem ersten Wärmetauscher (Verflüssiger) in zwei oder mehrere parallel geführte Pfade aufgeteilt und so durch den Verflüssiger, durch je eine eigene Drossel und zum zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) geführt. Werden die einzelnen Pfade durch ihre Ventile wahlweise einzeln abgesperrt, resultiert in der Gesamtheit eine einstellbare Drosselwirkung. Durch sinnvolle Dimensionierung der einzelnen Drosseln sind bei n Ventilen 2ⁿ – 1 verschiedene Drosselwirkungen einstellbar. Weil immer mindestens ein Ventil offen sein muss, kann auch ein Ventil weggelassen werden, dann resultieren bei n Ventilen und n + 1 Kältemittelpfaden mit je einer Drossel 2ⁿ verschiedene Drosselwirkungen. Die Verdampfung des Kältemittels erfolgt unter Erbringung der gewünschten Kühlleistung im zweiten Wärmetauscher bei der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei diesem beeinflussbaren Druck und somit ist die Kühltemperatur ebenfalls beeinflussbar.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Vorrichtungen, wird vermieden, dass die Drosseln selber einstellbar sein müssen, 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.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeteilten Teilleitungen parallel durch den Verflüssiger geführt werden.
Eine weitere 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.
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.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann alternativ dazu auch Teil einer Apparatur der Röntgenspektroskopie ist. Speziell bei der Röntgenkristallographie müssen die Messproben oft gekühlt werden.
Alternativ ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auch vorteilhaft, wenn sie Teil einer Apparatur der EPR ist.
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.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung.
Die in 1 beispielhaft gezeigte Kühlvorrichtung beinhaltet eine erste Kühlkaskadenstufe mit Verdichter 1.1, Sicherheitsdruckschalter 1.2, Filter 1.3, Entspanndrossel 1.5, und Druckausgleichsgefäss 1.4 sowie eine zweite Kühlkaskadenstufe mit Verdichter 2.1, Sicherheitsdruckschalter 2.2, Filter 2.3 und Druckausgleichsgefass 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.
Ein Wärmetauscher 6 dient als Verdampfer für die erste Kühlkaskadenstufe und als Verflüssiger für die zweite Kühlkaskadenstufe.
Ein Wärmetauscher 7, beispielhaft dargestellt als Transferline, dient als Verdampfer für die zweite Kühlkaskadenstufe zur Erbringung der gewünschten Kälteleistung, in dem ein zu kühlendes Gas von Eintritt 7.1 zum Austritt 7.2 geführt wird.
Im Anschluss an den Verdichter 2.1 der zweiten Kühlkaskadenstufe wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Kühlmittelleitung in zwei Teilleitungen A, B aufgeteilt. Diese werden nach den jeweiligen Ventilen 2.7, 2.8 parallel durch den Wärmetauscher 6 geführt. Jede der Teilleitungen A, B verfügt über eine eigene Entspanndrossel 2.5, 2.6. Danach werden beide Teilleitungen A, B in den Wärmetauscher 7 geführt. Die Verdampfungstemperatur kann nun über Zu- und Abschalten einer Teilleitung A, B mittels der Ventile 2.7, 2.8 geregelt werden.
Obwohl hier die Erfindung an einer Kühlvorrichtung nach dem Prinzip der Kompressionskältemaschine mit zweistufiger Kühlkaskade dargestellt wurde, ist die Einstellbarkeit der Verdampfungstemperatur durch Aufteilen des Kältemittelpfades vor dem ersten Wärmetauscher in zwei oder mehrere Pfade auch bei einstufigen Kühlvorrichtungen nach diesem Prinzip genau so möglich wie auch bei Kühlkaskaden mit mehr als zwei Stufen.
Bezugszeichenliste

1.1: Verdichter der ersten Kühlkaskadenstufe
1.2: Sicherheitsdruckschalter derselben
1.3: Filter derselben
1.4: Ausgleichsgefäß derselben
1.5: Entspanndrossel derselben
2.1: Verdichter der zweiten Kühlkaskadenstufe
2.2: Sicherheitsdruckschalter derselben
2.3: Filter derselben
2.4: Ausgleichsgefäß derselben
2.5: Entspanndrossel in der Teilleitung A
2.6: Entspanndrossel in der Teilleitung B
2.7: Ventil zu Entspanndrossel in der Teilleitung A
2.8: Ventil zu Entspanndrossel in der Teilleitung B
3: Verflüssiger der ersten Kühlkaskadenstufe
4: Enthitzer der zweiten Kühlkaskadenstufe
5: Ventilator für Verflüssiger 3 und Enthitzer 4
6: Wärmetauscher als Verdampfer der ersten und Verflüssiger der zweiten Kühlkaskadenstufe
7: Wärmetauscher als Verdampfer der zweiten Kühlkaskadenstufe zur Erbringung der Kühlleistung durch Abkühlen eines Gases
7.1: Eintritt des zu kühlenden Gases
7.2: Austritt des gekühlten Gases

Claims

Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Messprobe, mit mindestens zwei Kühlkaskadenstufen, welche jeweils mindestens eine Kältemittelleitung, einen Verdichter (1.1, 2.1), eine Entspanndrossel (1.5), einen Verdampfer (6, 7) und einen Verflüssiger (3, 6) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (2.1) und dem Verflüssiger (6) der letzten Kühlkaskadenstufe die Kältemittelleitung auf n Teilleitungen (A, B) aufgeteilt ist, wobei n ≥ 2, dass die aufgeteilten n Teilleitungen (A, B) mittels mindestens n – 1 Ventilen (2.7, 2.8) einzeln und unabhängig voneinander abgesperrt werden können, dass die aufgeteilten Teilleitungen (A, B) jeweils eine eigene Entspanndrossel (2.5, 2.6) umfassen, und dass die aufgeteilten Teilleitungen (A, B) beide an den Verdampfer (7) der letzten Kühlkaskadenstufe angeschlossen sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeteilten Teilleitungen (A, B) parallel durch den Verflüssiger (6) geführt werden.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur einer magnetischen Kernresonanzspektroskopie ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur einer Röntgenspektroskopie ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur einer EPR ist.