DE1221652B - Unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes wirkende Vorrichtung zur Erzeugung tiefer Temperaturen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

F 25b

Deutsche Kl.: 17 a - 5

1221652
P 256811 a/17 a
14. September 1960
28. Juli 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes wirkende Vorrichtung zur Erzeugung tiefer Temperaturen, bei welcher am Ventil entspanntes Gas zwecks Kühlung des über parallele, in gegenseitigem Wärmeaustausch stehende Leitungen dem Entspannungsventil zugeführten, unter Hochdruck stehenden Gases in Gegenstrom zu diesem geführt ist und dabei das Gas in den parallelen Leitungen in von Leitung zu Leitung unterschiedlichem Maße kühlt.

Derartige Kühlvorrichtungen haben den Vorzug, daß sie frei von beweglichen Teilen sind, die bei niedrigen Temperaturen Anlaß zu Störungen geben könnten, und außerdem besitzen sie den Vorteil einer äußerst gedrängten Bauform. Aus diesem Grunde haben diese Kühlvorrichtungen insbesondere auf militärischem Gebiet eine wichtige Bedeutung erlangt, und sie finden als kompakte, in sich abgeschlossene Kühlpackung für Geschosse, Luftaufklärung und ähnliche Zwecke Anwendung. Ein den bekannten unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes arbeitenden Vorrichtungen anhaftender Nachteil besteht darin, daß Verstopfungen auftreten, so daß die Betriebssicherheit in Frage gestellt ist. Diese Nachteile können zwar theoretisch dadurch vermieden werden, daß Gas mit einem hohen Reinheitsgrad benutzt wird, jedoch stößt dies wiederum aus Kostengründen auf Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die auch bei Verwendung mit Gas, das einen gewissen Anteil von Fremdstoffen enthält, betriebssicher und über eine lange Dauer arbeitet.

Diese Aufgabe wird bei einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Bauart gelöst durch einen derartigen Unterschied in dem Maß der Kühlung des Gases in den parallelen Leitungen untereinander, wie er sich ergibt, wenn die eine der Leitungen mit wärmeaustauschvergrößernden Rippen ausgestattet ist und die andere nicht.

Durch diese Differenz der Temperaturen beider Leitungen wird tatsächlich der angestrebte Erfolg, nämlich die Vermeidung von Verstopfungen der einen oder anderen Leitung, erreicht. Die Erfindung beschreitet somit einen völlig neuen Weg, da bisher die Meinung vorherrschend war, jegliche Unterschiede der parallelgeschalteten Gasleitungen tunlichst zu vermeiden, weil man der Ansicht war, daß bei gleicher Leistungslänge und gleicher Kühlung die besten Ergebnisse erzielt werden. Es ist zwar aus baulichen Gründen auch bei bekannten Konstruktionen eine theoretische Differenzierung der Leitun-Unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes
wirkende Vorrichtung zur Erzeugung tiefer
Temperaturen

Anmelder:

Philco Corporation, eine Gesellschaft
nach den Gesetzen des Staates Delaware,
Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,

München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

Dundred Darwin Evers,

Fort Washington, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. September 1959
(840786)

gen vorgenommen worden, indem infolge der unterschiedlichen Radien diese eine größere Länge als die inneren Leitungen aufweisen, wenn ein Gegenstrom mit ringförmigen Strömungsquerschnitten benutzt wird. Die sich hierdurch theoretisch ergebende Differenzierung ist jedoch praktisch nicht wirksam, und es war bisher noch nicht erkannt worden, daß durch eine wirksame Differenzierung die angestrebten Ziele erreicht werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Gaszuführungsleitungen parallel zueinander schraubenförmig in dem Gegengasstrom angeordnet. Hierdurch ergibt sich bei günstiger Differenzierung der Temperatur eine besonders kompakte raumsparende Anordnung.

Dabei können die Enden der Leitungen in eine Kammer münden, die eine das Entspannungsventil bildende Öffnung aufweist. Statt dessen können aber die Gaszuführungsleitungen auch aus einem einzigen, in Form einer Doppelwendel aufgewickelten Rohr bestehen, das am Ende der Doppelwendel mit einem

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das Entspannungsventil bildenden Loch ausgestat- tauschverbindung mit einem nicht mit Kühlrippen

tet ist. versehenen Rohr 34 steht. Die Rohre sind mitein-

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele ander derart verbunden, daß ein Parallelströmungs-

dargestellt, die im folgenden beschrieben werden. Es kreis für den Durchtritt von Hochdruckgas nach

zeigt 5 einer gemeinsamen Öffnung 35 geschaffen wird. Ge-

Fig. 1 eine gemäß der Erfindung ausgebildete maß einem Ausführungsbeispiel, welches zu höchst

Kühlvorrichtung, beispielsweise zur Kühlung einer befriedigenden Ergebnissen führt, sind Rohre vor-

Infrarot-Detektor-Zelle, gesehen, die von der gleichen Bauart sein können

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung eine Teil- wie jene, die bei der Fabrikation von Injektionsansicht der schraubenlinienförmigen Gaszuführungs- io nadeln benutzt werden. Diese Rohre haben eine leitungen der Kühlvorrichtung nach F i g. 1, Wandstärke von 0,13 mm und einen Innendurch-

Fig. 3 in perspektivischer.Teilansicht eine abge- messer von 0,25 mm. Der Durchmesser des Domes

änderte Ausbildung der Ausströmöffnung der 31 ist so gewählt, daß die Rohrleitung dicht in das

Gaszuführungsleitungen der Kühlvorrichtung nach durch den einspringenden Hülsenteil 15 gebildete

F i g. 1. 15 Gehäuse einpaßt. Die mit Kühhippen versehene

Die Kühlvorrichtung 9 gemäß F i g. 1 weist eine Rohrleitung hat eine Gesamtlänge von 200 mm und Isolierhülse 10 auf, die ein Zweirohr-System 11 be- die Rohrleitung ohne Kühlrippen hat eine Gesamtherbergt. Das letztere bildet eine bevorzugte Aus- länge im ausgezogenen Zustand von 300 mm, wobei führungsform der Erfindung. Die Hülse 10 ist von die Gesamtlänge des Systems ungefähr 32 mm beder üblichen Dewar-Bauart und besteht aus einem 20 trägt. Die beiden Rohre enden in einer gemeinsamen äußeren, zylindrischen Glasteil 12, der über kalt ge- Ausgangskammer 36, die durch eine mit einer Öffschweißte Flansche 13 mit einer außen angeordneten, nung 35 versehenen Kappe 37 abgeschlossen ist, die überhängenden Hülse 14 verbunden ist. Die Hülse in Fig. 2 im Schnitt dargestellt ist. Durch diese Öff-14 bildet einen Teil einer sich nach innen erstrecken- nung wird das Gas hindurch auf atmosphärischen den, zurückspringenden, zylindrischen Glashülse 15, 25 Druck entspannt. Gemäß dem dargestellten Ausfühdie von dem äußeren, zylindrischen Teil 12 der rungsbeispiel weist die Öffnung einen Durchmesser Hülse 10 distanziert liegt und etwas kürzer als diese von ungefähr 0,05 mm auf und liegt in der Nähe der ist. Ein Metallnapf 16 ist dichtend an dem nach Metallkappe 16. Über eine hydraulische Kupplung innen einstehenden Ende der Hülse 15 befestigt. Eine 38 wird dem anderen Ende der Rohrleitung Stickinfrarot-Detektor-Zelle 17 ist z. B. durch Lötung an 30 stoffgas unter einem Druck von 84 kg/cm² bei der Grundfläche dieses Napfes befestigt und steht in Zimmertemperatur zugeführt. Der Joule-Thomsonguter Wärmeaustauschbeziehung zu dieser. Zu dieser Kühleffekt bewirkt bei Entspannung eine Tempera-Zelle muß eine elektrische Zuführung vorgesehen turerniedrigung, und die abgekühlte, ausgedehnte werden, die aus Verbindungen 18 besteht, die eine Luft wird durch die Isolierhülse 10 zwangläufig über Brücke zwischen der Zelle und elektrisch leitenden 35 die Gasrohrleitungen zurückgeführt und kühlt hier-Streifen, z. B. Platinstreifen 19, herstellen, die in die bei den eintretenden Hochdruckstrom ab. Durch dieäußeren, unteren Oberflächen der einspringenden ses Verfahren der Abkühlung wird die Temperatur Hülse 15 eingeschmolzen sind. Diese Streifen stellen an der Entspannungsöffnung progressiv erniedrigt, die Verbindung zu Leitern 20 her, um die Verbin- bis die Verflüssigungstemperatur des Stickstoffes dung der Zelle mit einem äußeren Stromkreis zu er- 40 (78° K) erreicht ist.

leichtern. Um den Kristall 17 von atmosphärischen Der so innerhalb des Napfes 16 erzeugte Körper

Verunreinigungen frei zu halten, jedoch einen freien 30 flüssigen Stickstoffs hält den Kristall 17 auf einer

Zutritt der Infrarotstrahlung zuzulassen, ist ein für Temperatur, die annähernd mit der Temperatur des

Infrarotstrahlung durchlässiges Fenster 21, welches flüssigen Stickstoffes übereinstimmt. Als Folge davon

z. B. aus Saphir besteht, hermetisch abdichtend auf 45 wird die Empfindlichkeit des Systems, insbesondere

dem offenen Ende des äußeren Zylinders 12 aufge- gegenüber langwelliger Infrarotstrahlung, sehr viel

setzt. größer als bei solchen Systemen, bei denen der Infra-

Infrarot-Detektoren dieser allgemeinen Bauart rotdetektor bei Zimmertemperatur arbeiten muß.

sind bekannt und für viele Zwecke, auch solche Die Kühlvorrichtung 9 kann, ohne daß der Rahmen

militärischer Art, anwendbar. Um einen Detektor 50 der Erfindung verlassen wird, in verschiedener Weise

der erforderlichen Empfindlichkeit zu schaffen, näm- abgeändert werden.

lieh einen solchen, der eine optimale spektrale An- Bekannte Kühlvorrichtungen, welche die erfinsprechbarkeit besitzt und kleine Temperaturdifieren- dungsgemäße Umwicklung mittels der nicht mit tiale empfangen kann, ist es erforderlich, daß die Kühlrippen ausgestatteten Rohrleitung 34 nicht aufZelle auf Kältetemperaturen gehalten wird. Wenn 55 weisen, ergeben eine sehr fehlerhafte Wirkungsweise z. B. ein vergoldeter Germaniumkristall der N-Bau- und arbeiten oft nur während des Bruchteils einer art zum Infrarotempfang benutzt wird, werden opti- Minute unter den Verflüssigungstemperaturen, bevor male Ergebnisse erzielt, wenn der Kristall auf die eine fehlerhafte Arbeitsweise in der Strömung den Temperatur des flüssigen Stickstoffs gekühlt wird, Betrieb unterbricht. Es wurde jedoch gefunden, daß d. h. auf eine Temperatur von ungefähr 78° K. 60 durch Anwendung eines zweiten parallelen Strö-

Um diese Zelle in Betrieb zu setzen, wird ein mungspfades in Verbindung mit dem mit Kühhippen Körper 30 aus flüssigem Stickstoff durch das erfin- versehenen Teil der Rohrleitung eine im wesentdungsgemäße Zweirohr-System 11 in dem Metall- liehen ununterbrochene Betriebsweise der Kühlvornapf 16 erzeugt und ergänzt. Gemäß dem dargestell- richtung über mehrere Stunden und in manchen ten Ausführungsbeispiel weist das System 11 (Fig. 2) 65 Fällen über mehrere Tage gewährleistet werden kann, einen zylindrischen Plastikdorn 31 auf, auf welchem So kann einfach durch Benutzung des erfindungsgeschraubenlinienförmig ein mit Rippen 33 versehenes mäßen Zweirohr-Systems, dessen Rohre in vonein-Metallrohr 32 aufgewickelt ist, das in Wärmeaus- ander verschieden starkem Wärmeaustausch mit dem

ausströmenden Gas gehalten werden, die fehlerhafte Betriebsweise der Kühlvorrichtung ausgeschaltet werden.

Die theoretischen Grundlagen für die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind bisher noch nicht nachgewiesen. Die nachstehende Theorie scheint jedoch eine Erklärung für die verbesserte Wirkungsweise der Vorrichtung zu geben. Die üblicherweise bei Gasverflüssigungsverfahren benutzten Gase enthalten Spuren von Verunreinigungen. Stickstoff, das bei der erfindungsgemäßen Einrichtung benutzte Gas, wird üblicherweise bei der Fraktionierung flüssiger Luft gewonnen und enthält ständig Spuren von Wasserdampf, Kohlenstoffdioxyd und sich ändernde Anteile seltener Gase. Bei der Kühlung scheinen diese Verunreinigungen oder Fremdkörper auszufrieren und die Gasströmung durch die Rohrleitung zu hindern. Obgleich die Entspannungsöffnung beträchtlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres, hat es sich gezeigt, daß die Behinderung der Strömung allgemein durch Vertopfung der Rohrleitung bewirkt wird.

Anscheinend dient, wenn die Störung als Folge des Ausfrierens auftritt, die wärmere Rohrleitung zum Abtauen der kälteren Rohrleitung, wobei gleichzeitig eine Kühlmittelströmung aufrechterhalten bleibt. Diese Wirkung wird gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den voneinander verschieden starken Wärmeaustausch der beiden Rohre mit dem ausströmenden Gas erreicht, der daraus resultiert, daß nur eine der gasführenden Rohrleitungen mit Kühlrippen ausgestattet ist.

Es wurde gefunden, daß bei einem Einrohr-System mit einer Rohrleitung von 0,25 mm Innendurchmesser, die mit einer Öffnung von 0,05 mm Durchmesser in Verbindung steht und unter einem festgelegten Einlaßdruck von 84 kg/cm² arbeitet, der Druckabfall längs einer schraubenlinienförmig aufgewickelten Rohrleitung der erwähnten Länge ungefähr 42 kg/cm² beträgt. Der Auslaßdruck an der öffnung wird demgemäß auf ungefähr 42 kg/cm² vermindert. Wenn in der erfindungsgemäßen Weise die zweite Rohrleitung hinzugefügt wird, wird der beobachtete Druckabfall über den parallelen Leitungen auf einen Wert von ungefähr 14 kg/cm² vermindert, so daß der Auslaßdruck auf 70 kg/cm² erhöht wird. Dies führt zu der verbesserten Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Standpunkt der Zeit aus betrachtet, die erforderlich ist, um die Verflüssigungstemperaturen zu erhalten, da die von dem Joule-Thomson-Kühleffekt herrührende Temperaturverminderung proportional dem Druckabfall ist. Das Zweirohr-System erzeugt im Vergleich mit einer Vorrichtung gleicher Abmessungen mit einer einzigen mit Kühlrippen ausgestatteten Rohrleitung flüssigen Stickstoff nach nur ungefähr 2 Minuten Betrieb, während ein Einrohr-Verflüssiger hierzu etwa 6 Minuten braucht. Außerdem bewirkt die Zweirohr-Anordnung im Falle eines Ausfrierens eine Selbstregelung, welche automatisch die verstopfte Leitung freilegt. Dies wird dadurch erreicht, daß, wenn die kältere Leitung einer Strömungsstörung ausgesetzt ist, eine sofortige Verminderung des Auslaßdruckes auftritt, da zeitweilig das System als Einzelrohr-System arbeitet und einen größeren Druckabfall über der Leitung hervorruft als bei dem Zweirohr-System. Da die Joule-Tbomson-Kühlung proportional dem Druckabfall ist, steigt die Temperatur des austretenden Gases sofort an. Diese warme Luft wird dann über die Rohrleitungen zurückgeführt und wärmt das darin strömende Gas, insbesondere das Gas innerhalb der mit Kühlrippen versehenen Rohrleitung, die eine größere Wärmeübergangsgeschwindigkeit hat, an und bewirkt mit dem Temperaturanstieg, daß die Blockierung verschwindet. Gleichzeitig wird die Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung wegen des absinkenden Auslaßdruckes herabgesetzt, was

ίο eine erhöhte Wärmeübergangsgeschwindigkeit zwischen den Rohrleitungen zur Folge hat. Diese beiden Wirkungen verhindern ein Ausfrieren und scheinen die Ursache der bisher noch nicht erreichten Betriebssicherheit der Gasverflüssigungsemrichtung darzustellen.

Eine konstruktive Weiterentwicklung, welche die Betriebssicherheit des Systems weiter verbessert, besteht in der Anwendung einer Auslaßkammer 36, die beiden Rohrleitungen gemeinsam ist und durch eine

ao getrennt geformte gelochte Kappe 37 abgeschlossen wird. Diese am besten aus F i g. 2 ersichtliche Konstruktion ermöglicht es, daß die Öffnung 35 getrennt und unabhängig von den Rohrleitungen bearbeitet werden kann, so daß eine genauere Dimensionierung möglich wird und der Grad entfernt werden kann, bevor die Kappe mit den Rohrleitungen verbunden wird. Die Verbindung nach der Hochdruckgasleitung wird über ein Fünfmikronfilter 40 hergestellt, das Beimischungen aus dem Gas entfernt, die eine Blockierung der Öffnung bewirken oder die Kornstruktur der Kristalle verändern könnten.

Fig. 3 veranschaulicht eine andere Konstruktion der Auslaßöffnung, die nur aus einem Loch 41 in einer Verbindungsschleife zwischen den Rohrleitungen besteht. Es kann auch die übliche, abgezwickte Konstruktion verwendet werden, aber die bevorzugte Ausführungsform ist jene nach F i g. 2.

Zusammenfassend wurde gefunden, daß eine verbesserte Betriebssicherheit von Kühleinrichtungen, die eine Gasverflüssigung benutzen, durch die erfindungsgemäße Einrichtung dadurch bewirkt werden kann, daß zwei Strömungspfade für den Durchtritt des Gases nach der Expansionsöffnung bei hinreichend verschiedenen Arbeitstemperaturen aufrechterhalten werden. Eine zufriedenstellende, jedoch nicht die einzige Möglichkeit für eine voneinander verschieden starke Kühlung dieser Rohrleitungen ist die wahlweise Benutzung der· Kühlrippen in der beschriebenen Weise.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel, und dieses kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, in verschiedener Weise abgeändert werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes wirkende Vorrichtung zur Erzeugung tiefer Temperaturen, bei welcher am Ventil entspanntes Gas zwecks Kühlung des über parallele, in gegenseitigem Wärmeaustausch stehende Leitungen dem Entspannungsventil zugeführten, unter Hochdruck stehenden Gases in Gegenstrom zu diesem geführt ist und dabei das Gas in den parallelen Leitungen in von Leitung zu Leitung unterschiedlichem Maße kühlt, gekennzeichnet durch einen derartigen Unterschied in dem Maß der Kühlung des Gases in den parallelen Leitungen untereinander, wie er sich er-

gibt, wenn die eine der Leitungen mit •wärmeaustauschvergrößernden Rippen ausgestattet ist und die andere nicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsleitungen (32, 34) parallel zueinander schraubenförmig in dem Gegengasstrom angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Leitungen (32, 34) in eine Kammer (36) münden, die eine das Entspannungsventil bildende Öffnung (35) aufweist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsleitungen (32', 34') aus einem einzigen, in Form einer Doppelwendel aufgewickelten Rohr bestehen, das am Ende der Doppelwendel mit einem das Entspannungsventil bildenden Loch (41) ausgestattet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 861 852;
Plank, R.: »Handbuch der Kältetechnik«, Berlin, 1957, 8. Band, S. 312, Abb. 248 und 249.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 607/60 7. 66 © Bundesdruckerei Berlin