DE10210524C1

DE10210524C1 - Kryogene Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE10210524C1
Application number: DE2002110524
Authority: DE
Inventors: Steffen Grohmann; Ralf Herzog; Tapio Olavi Niinikoski; Eberhard Wobst
Original assignee: European Organization for Nuclear Research CERN; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: European Organization for Nuclear Research CERN; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2002-03-09
Filing date: 2002-03-09
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-03-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kryogene Kühleinrichtung, die insbesondere dort einsetzbar ist, wo funktionsbedingt zwischen Kälteerzeuger und Kälteanwendungen ein relativ großer Abstand erforderlich ist und/oder wo die Kälteleistung des Kälteerzeugers auf mehrere Verbraucher verteilt werden soll. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist am Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 über eine Anschlussplatte 2 eine Schnittstelle 3 befestigt, in welche der kryogene Arbeitsstoff im oberen Teil als Zweiphasen-Gemisch eingeleitet und im unteren Teil vollständig kondensiert und unterkühlt und über eine Saugleitung 4 von der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 angesaugt wird. Die Flüssigkeits-Mikropumpe 5 ist mit dem Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 wärmeleitend verbunden und fördert über den Vorlauf 6 den kryogenen Arbeitsstoff zum Verbraucher 15 und über den Rücklauf 9 zur Schnittstelle 3 zurück. Vorlauf 6 und Rücklauf 9 können innerhalb des Behälters 12 verzweigt werden, so dass mehrere Verbraucher 15 gleichzeitig gekühlt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine kryogene Kühleinrichtung, die insbesondere dort einsetzbar ist, wo funktionsbedingt zwischen Kälteerzeuger und Kälteanwendungen ein relativ großer Abstand erforderlich ist und/oder wo die Kälteleistung des Kälteerzeugers auf mehrere Verbraucher ver teilt werden soll. Kälteanwendungen sind z. B. integrierte Kühlkreisläufe in elektronischen Bau elementen wie Detektoren, Sensoren, ASIC's oder Computer-Prozessoren, integrierte Kühlsys teme in der HTSL-Technologie für z. B. Magnetlager, Strombegrenzer und Transformatoren, In strument oder Probenkühlung in der Medizin und Mikroskopie und andere mehr.

Es ist bekannt zur Kühlung vorstehend genannter Bauelemente Kryoflüssigkeiten, wie z. B. flüs sigen Stickstoff, einzusetzen. Dabei wird die Kryoflüssigkeit aus einem Vorratsbehälter definiert zu der Kühlstelle geführt. In DE 40 33 383 C2 ist eine solche Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente beschrieben, bei der ein Vorratsbehälter für eine Kryoflüssigkeit vorhanden ist, aus dem die Kryoflüssigkeit in eine Verdampfungskammer geleitet wird und dort dem elektroni schen Bauelement Wärme entzogen wird. Die verdampfte Kryoflüssigkeit wird über eine Dros sel in den Vorratsbehälter zurückgeführt.

Überall dort, wo Gaskältemaschinen zur Kühlung elektronischer Bauelemente eingesetzt wer den ist es erforderlich, durch aufwendige Maßnahmen eine Entkopplung bzw. zumindest eine Minimierung der Schwingungen der Maschine vorzunehmen, um die Funktionsweise der emp findlichen Bauelemente nicht zu beeinflussen. Aus DE 43 12 830 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung von hochtemperatur-supraleitenden, mikroelektronischen Bauelementen, vorzugswei se Sensoren, bekannt, bei der am Kaltkopf einer Stirlingmaschine ein Verflüssiger für eine kryo gene Flüssigkeit angebracht ist. Eine Flüssig-Stickstoff-Leitung wird vom Verflüssiger zu einem Verdampfer geführt, an dem das zu kühlende Bauelement angebracht ist. Über eine Gas- Stickstoff-Leitung wird der verdampfte Stickstoff zum Verflüssiger zurückgeführt. Mit dieser Vor richtung wird zwar eine gute Entkopplung der mechanischen und elektromagnetischen Schwin gungen der Gaskältemaschine erreicht, sie ist aber nicht geeignet, die Kälteversorgung über größere Entfernungen zu gewährleisten.

Der Einsatz von Pumpen zur Förderung kryogener Flüssigkeiten im Bereich kleiner Leistungen hat sich bisher nicht durchgesetzt, weil keine geeigneten Mikropumpen zur Verfügung standen, die unter den komplizierten Verhältnissen der Kryotechnik zuverlässig arbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die eine zuverlässige Kühlung eines oder mehrerer Verbraucher in relativ großem Abstand zur kryogenen Kältever sorgung, üblicherweise einer Gaskältemaschine, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Die Unteransprüche ent halten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Durch die Erfindung wird ein kryogener Kapillarrohrkreislauf realisiert, in dem mit einer kryogenen Flüssigkeit die Kälteleistung einer kryogenen Kältequelle, insbesondere einer Gaskältemaschine, über relativ große Entfernungen zu einem oder mehreren Verbrauchern transportiert wird. Dieses neue Konzept wird dadurch möglich, daß mit einer Mikropumpe als neuer Systemkomponente eine hohe Förderhöhe erzeugt wird, typischerweise ein Differenzdruck von mehreren bar, bei dem erforderlichen Förderstrom von typischerweise einigen ml/min. Die hohe Förderhöhe der Pumpe ermöglicht einen neuen Grad der Miniaturisierung. Als Folge können die Übertragungsverluste in Transferleitungen durch kleine Rohrdimensionen minimiert, und der Wärmeübergang in miniaturisierten Kapillarwärmeübertragern optimiert werden. Miniaturisierte Wärmeübertrager können in unmittelbarer Nähe der Wärmequellen im Verbraucher integriert werden. Ihr Massebeitrag zur Gesamtmasse des Verbrauchers sowie die mechanischen Spannungen zwischen dem Verbraucher und den Kapillaren des Kühlkreislaufes sind minimal. Dazu kommt eine optimale Entkopplung der mechanischen und akustischen Schwingungen und elektromagnetischer Interferenzen der Kältequelle. Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung der kryogenen Kühleinrichtung können die Temperatur und der Volumenstrom präzise geregelt werden. Der vollhermetische, geschlossene, ölfreie Kreislauf garantiert eine hohe Zuverlässigkeit mit entsprechend großen Wartungsintervallen.

An folgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der gesamten kryogenen Kühleinrichtung,

Fig. 2 eine teilweise Schnittdarstellung der Schnittstelle mit dem thermischen Management zur Erzeugung zweier Temperaturniveaus T1 und T2

Fig. 3 eine teilweise Schnittdarstellung einer Schnittstelle mit zwei Temperaturniveaus T1 und T2 und separatem Unterkühler-Wärmeübertrager

Gemäß Fig. 1 ist eine Gaskältemaschine 1 so an einem vakuumisolierten Behälter 12 angeord net, daß sich deren Kaltkopf im Behälter 12 befindet. Anstelle der Gaskältemaschine kann eine beliebige kryogene Kältequelle verwendet werden. Die Flüssigkeits-Mikropumpe 5 ist so ange ordnet, daß sich der Antriebsteil außerhalb des Behälters 12 und die Antriebswelle sowie der hermetische Pumpenkörper mit saugseitigem und druckseitigem Anschluß im Behälter 12 be finden. Am Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 ist über eine Anschlußplatte 2 eine Schnittstelle 3 befestigt. Der kryogene Arbeitsstoff wird als Zweiphasen-Gemisch in den oberen Teil der Schnittstelle 3 eingeleitet und vollständig kondensiert. Die Flüssigkeit wird im unteren Teil der Schnittstelle 3 unterkühlt und über die Saugleitung 4 von der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 ange saugt. Die Flüssigkeits-Mikropumpe 5 ist mit dem Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 wärmelei tend verbunden. Das thermische Management zur Erzeugung zweier Temperaturniveaus T1 und T2 wird in Fig. 2 näher erläutert. Innerhalb des Behälters 12 werden der Vorlauf 6 und der Rücklauf 9 des Kapillarrohrkreislaufes je nach Anzahl der zu kühlenden Verbraucher 15 ver zweigt und jeweils in Koaxialleitungen 7 zusammengeführt. Zur Verzweigung werden hier nicht dargestellte spezielle Fittings benutzt. Die Koaxialleitungen 7 werden in flexiblen Vakuum schläuchen 13 zu den Verbrauchern 15 geführt. Im Innenrohr der Koaxialleitungen 7, die aus zwei konzentrischen Kapillarrohren bestehen, wird die nahezu gesättigte kryogene Flüssigkeit zu den Verbrauchern 15 gepumpt. Der kryogene Arbeitsstoff verdampft teilweise in den miniatu risierten Wärmeübertragern 8, die in die Verbraucher 15 integriert sind, und nimmt dabei deren dissipierte Wärme auf. Ein Zweiphasen-Gemisch aus gesättigter Flüssigkeit und gesättigtem Dampf verläßt die miniaturisierten Wärmeübertrager 8 und wird in den Außenrohren der Koaxi alleitungen 7 zum Behälter 12 und anschließend im Rücklauf 9 zur Schnittstelle 3 zurückge führt. Dabei nimmt der kryogene Arbeitsstoff die Verlustwärme in den flexiblen Vakuumschläu chen 13 auf, wobei ein weiterer Teil der Flüssigkeit verdampft. Die Flüssigkeits-Mikropumpe 5 fördert den erforderlichen Volumenstrom und erbringt die notwendige Förderhöhe zur Kompen sation der Druckverluste im Kapillarrohrkreislauf. Über die Stichleitung 10 ist der Kapillarrohr kreislauf mit einem Expansionsbehälter 11 verbunden. Das Volumen des Expansionsbehälters 11 ist so auf das Volumen des Kapillarrohrkreislaufes abgestimmt, daß der maximal zulässige Systemdruck im Stillstand der Anlage bei maximal zulässiger Umgebungstemperatur nicht ü berschritten wird.

Der Behälter 12 ist üblicherweise vakuumisoliert. Die im Innenraum befindlichen Komponenten befinden sich auf kryogenem Temperaturniveau. Das kryogene Isolationsvakuum erstreckt sich in einem geschlossenen Volumen vom Behälter 12, über die flexiblen Vakuumschläuche 13 bis hin zu den Behältern 14, in denen die Verbraucher 15 in geeigneter Weise befestigt sind. Die Durchführungen am Behälter 12 für die Gaskältemaschine 1, die Flüssigkeits-Mikropumpe 5 und die Stichleitung 10 sowie alle Verbindungen zwischen dem Behälter 12, den Vakuum schläuchen 13 und den die Verbraucher 15 beherbergenden Behältern 14 sind vakuumdicht ausgeführt. Gleiches gilt für Strom- und sonstige Durchführungen aus diesen Behältern zur Umgebung.

Gemäß Fig. 2 wird die Schnittstelle 3 über die Anschlußplatte 2 gut wärmeleitend am Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 befestigt. Im oberen Teil der thermischen Schnittstelle 3 befindet sich nach dem Fluideintritt 16 ein Kondensator 17, in dem der zweiphasige kryogene Arbeitsstoff vollständig kondensiert wird. Unterhalb des Kondensators 17 befindet sich ein Sammelraum 18 für die kondensierte Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsvorrat im Sammelraum 18 garantiert eine aus reichende Flüssigkeitsversorgung bei verschiedenen Betriebszuständen, wobei sich je nach Be triebszustand ein bestimmter Flüssigkeitsspiegel einstellt. Über eine Bohrung im inneren des Schaftes 19 gelangt die Flüssigkeit in den Unterkühler-Wärmeübertrager 20. Die unterkühlte Flüssigkeit verläßt die thermische Schnittstelle 3 über einen Fluidaustritt 21 auf der unteren Sei te und gelangt über die Saugleitung 4 zur Flüssigkeits-Mikropumpe 5. Die Anschlußplatte 2 so wie die Konstruktionselemente der Schnittstelle 3 sind typischerweise aus O₂-freiem Kupfer ge fertigt. Als Verbindungselemente für den Fluideintritt 16 und den Fluidaustritt 21 werden metalli sche Miniaturverbinder verwendet.

Die Auslegung des Schaftes 19 zusammen mit dem Regelungsprinzip zur Erzeugung zweier Temperaturniveaus T1 und T2 mit T1 < T2 ist entscheidend für die Funktion der kryogenen Kühleinrichtung. Das thermische Management sichert eine ausreichende Unterkühlung der kry ogenen Flüssigkeit im Bereich der Flüssigkeits-Mikropumpe 5, die vorrangig für die Flüssig keitsschmierung der Rotoren und Lager im Inneren der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 und zur Vermeidung von Kavitation im Ansaugkanal benötigt wird. Der Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 ist die kälteste Stelle im System, wobei die Temperatur oberhalb des Tripelpunktes der kryoge nen Flüssigkeit liegen sollte. Der Großteil der Kälteleistung der Gaskältemaschine 1 wird zur Kondensation des kryogenen Arbeitsstoffes im Kondensator 17 benötigt. Über den Kompensa tionsheizer 25 wird das Temperaturniveau T1 geregelt, das in etwa der Sättigungstemperatur im Sammelraum 18 und der Verdampfungstemperatur in den miniaturisierte Wärmeübertragern 8 entspricht. Somit ist der Wärmestrom entlang des Schafts 19 und die Temperaturdifferenz T1- T2 unter Vollast- und Teillastbedingungen nahezu konstant. Die Dimensionierung des Schafts 19 und des Unterkühler-Wärmeübertragers 20 erfolgt derart, daß die kryogene Flüssigkeit so weit unterkühlt wird, daß die unterkühlte Flüssigkeit die Reibungsverlustwärme im inneren der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 vollständig aufnehmen kann, ohne dabei den Siedezustand zu er reichen. Zusätzlich ist der untere Gehäuseteil der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 über den Wärme leiter 23 mit dem Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 verbunden. Diese Verbindung wird benötigt, um den hermetischen Pumpenkörper der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 bei der Inbetriebnahme der Gaskältemaschine 1 unter das Temperaturniveau T1 abzukühlen, während im normalen Betrieb ein Teil der Reibungsverlustwärme der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 abgeführt werden kann. Der Schaft der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 wird am unteren Ende über den Wärmeleiter 22 mit dem Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 verbunden. Diese Verbindung wird so ausgelegt, daß der Verlustwärmestrom entlang des Schafts der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 abgeführt wird und dabei der Flüssigkeitsspiegel in der Pumpe oberhalb aller durch das flüssige Arbeitsmedi um geschmierten Lager liegt. Die Wärmeleiter 22 und 23 bestehen typischerweise aus 02- freiem Kupfer.

In Fig. 3 ist der Aufbau der Schnittstelle 3 für den Fall beschrieben, daß diese aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten nicht neben dem Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 angeordnet werden kann. In diesem Fall wird die Schnittstelle 3 über den mit Flanschen ausgestatteten Schaft 19 von unten am Kaltkopf der Gaskältemaschine befestigt. Der Unterkühler- Wärmeübertrager 20 ist außerhalb der Schnittstelle 3 in der Saugleitung 4 angeordnet und über den Wärmeleiter 24 und die Anschlußplatte 2 mit dem Kaltkopf der Gaskältemaschine 1 ver bunden. Der Kompensationsheizer 25 wird am unteren Flansch des Schaftes 19 installiert, wo mit der Wärmestrom entlang des Schaftes 19 und die Temperaturdifferenz T1 - T2 unter Vollast- und Teillastbedingungen wiederum nahezu konstant ist. Die Auslegung des Unterkühler- Wärmeübertragers 20, des Schaftes 19 und des Wärmeleiters 24 erfolgt analog dem System gemäß Fig. 2 derart, daß die unterkühlte kryogene Flüssigkeit die Reibungsverlustwärme der Flüssigkeits-Mikropumpe 5 aufnehmen kann, ohne den Siedezustand zu erreichen.

Bezugszeichen

1

Gaskältemaschine

2

Anschlußplatte

3

thermische Schnittstelle

4

Saugleitung

5

Flüssigkeits-Mikropumpe

6

Vorlauf

7

Koaxialleitungen

8

miniaturisierte Wärmeübertrager

9

Rücklauf

10

Stichleitung

11

Expansionsbehälter

12

Behälter

13

Vakuumschläuche

14

Behälter

15

Verbraucher

16

Fluideintritt

17

Kondensator

18

Sammelraum

19

Schaft

20

Unterkühler-Wärmeübertrager

21

Fluidaustritt

22

Wärmeleiter

23

Wärmeleiter

24

Wärmeleiter

25

Kompensationsheizer

Claims

1. Kryogene Kühleinrichtung, bei der mittels einer beliebigen kryogenen Kältequelle, vor zugsweise einer Gaskältemaschine (1), eine kryogene Flüssigkeit kondensiert und ge kühlt wird, die über vakuumisolierte Koaxialleitungen (7 und 13) zwischen der Kälte quelle und den zu kühlenden Verbrauchern (15) zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass
eine nach dem volumetrischen Pumpenprinzip arbeitende Flüssigkeits- Mikropumpe (5) eingesetzt wird;
der hermetische Pumpenkörper der Flüssigkeits-Mikropumpe (5) über Wärme leiter (22, 23) mit dem Kaltkopf der Gaskältemaschine (1) verbunden ist;
an der Schnittstelle (3) zwischen Kältequelle und Flüssigkeitskreislauf ein Kon densator (17) mit zugeordnetem Sammelraum (18), ein Schaft (19) und ein Unterkühler- Wärmeübertrager (20) angeordnet sind, wobei über den Schaft (19) zwischen der Tem peratur (T1) des Kondensators (17) und der Temperatur (T2) des Unterkühler- Wärmeübertragers (20) eine Temperaturdifferenz (T1 - T2) eingestellt wird;
der Kaltkopf der Gaskältemaschine (1), der hermetische Pumpenkörper der Flüssigkeits-Mikropumpe (5), die die kryogene Flüssigkeit führenden Leitungen (6, 7, 9), einschließlich deren Verzweigungen, und die Wärmeleiter (22, 23 und ggf. 24) in einem Behälter (12) angeordnet sind, und dass die die Koaxialleitungen (7) führenden Va kuumschläuche (13) mit den die Verbraucher (15) beherbergenden Behältern (14) und dem Behälter (12) ein gemeinsames hermetisches Volumen bilden, das ein kryogenes Isolationsvakuum bereitstellt.

2. Kryogene Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Un terkühler-Wärmeübertrager (20) über eine Anschlußplatte (2) direkt mit dem Kaltkopf der Gaskältemaschine (1) verbunden ist, und dass über den Schaft (19) eine wärmeleitende Verbindung zum Kondensator (17) mit dem zugeordneten Sammelraum (18) besteht.

3. Kryogene Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konden sator (17) mit zugeordnetem Sammelraum (18) über den Schaft (19) direkt mit dem Kalt kopf der Gaskältemaschine (1) verbunden und der Unterkühler-Wärmeübertrager (20) in der Saugleitung (4) zwischen Sammelraum (18) und Flüssigkeits-Mikropumpe (5) ange ordnet ist, wobei der Unterkühler-Wärmeübertrager (20) über einen Wärmeleiter (24) di rekt mit dem Kaltkopf der Gaskältemaschine (1) verbunden ist.

4. Kryogene Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxial leitungen (7) aus zwei konzentrischen Kapillaren bestehen, deren Innenrohre mit dem Vorlauf (6) und deren Außenrohre mit dem Rücklauf (9) des Kapillarrohrkreislaufes ver bunden sind, und daß die kryogene Flüssigkeit in miniaturisierten Wärmeübertragern (8) teilweise verdampft, die direkt in die Verbraucher (15) integriert sind.

5. Kryogene Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall einer leistungsgeregelten Kältequelle der Schaft (19) der thermischen Schnittstelle (3) mit einem aktiven Element, z. B. einem Heizer oder einem Peltier-Element, zur Regelung der Temperaturdifferenz T1 - T2 ausgestattet ist.

6. Kryogene Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gaskäl temaschine (1) ein Stirlingkühler, ein Gifford-McMahon-Kühler oder ein Pulsrohrkühler eingesetzt wird.