DE1601044C3 - Einrichtung zum Kühlen eines Gegenstandes mit einer Kaltgaskühlmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen eines Gegenstandes mit einer Kaltgaskühlmaschine mit einem Kompressionsraum veränderlichen Volumens, in dem im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur ίο herrscht, sowie mindestens einem Expansionsraum gleichfalls veränderlichen Volumens, in dem im Betrieb eine niedrigere mittlere Temperatur herrscht, wobei diese Räume miteinander in Verbindung stehen und sich in der Verbindung ein Regenerator und ein Gefrierer befinden, und wobei eine Vorrichtung zum Transportieren der von der Kaltgaskühlmaschine erzeugten Kälte zum zu kühlenden Gegenstand vorgesehen ist, welche ein erstes Leitungssystem aufweist, das einerseits mit dem Expansiönsraum der Kaltgaskühlmaschine und andererseits mit dem zu kühlenden Gegenstand im Wärmetausch steht, und das ein Kältetransportmittel und eine Pumpvorrichtung zum Zirkulieren dieses Mittels enthält.

Eine Einrichtung dieser Art ist aus der DT-PS 8 64 876 bekannt.

Die Erfindung bezweckt, eine verbesserte Einrichtung zu schaffen, wobei mit minimalen Verlusten Kälte über große Abstände von der Kaltgaskühlmaschine zu dem zu kühlenden Gegenstand transportiert werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Leitungssystem und der mit ihm zusammenwirkende Expansionsraum der Kaltgaskühlmaschine sowie der zu kühlende Gegenstand in einem Vakuumraum untergebracht und diese Teile von mehreren Strahlungsschirmen umgeben sind, welche gegen die Wand des Vakuumraumes abschirmen und jeweils über ein zweites Leitungssystem mit einer Kältequelle der Kaltgaskühlmaschine verbunden sind, die Kälte bei höherer Temperatur liefert als die Temperatur im Expansionsraum, wobei das zweite Leitungssystem ebenfalls ein Kältetransportmittel und eine Pumpvorrichtung zum Zirkulieren dieses Mittels enthält.

Hierdurch wird auf günstige Weise einstrahlende Wärme aufgefangen, die durch eine Kältequelle ausgeglichen wird, die Kälte bei einer höheren Temperatur liefert. Diese bei höherer Temperatur gelieferte Kälte kann mit einem besseren Wirkungsgrad erzeugt werden, so daß der Gesamtwirkungsgrad der Einrichtung verbessert wird.

Nach einer günstigen Ausführungsform steht das zweite Leitungssystem in Wärmetausch mit dem Regenerator der Kaltgaskühlmaschine. Daher wird der im Regenerator auftretende Regenerationsverlust wenigstens teilweise zum Kühlen der Strahlungsschirme benutzt. Dies ergibt eine einfache und mit geringen Verlusten arbeitende Einrichtung.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Einrichtung, bei der die Kaltgaskühlmaschine zwei Expansionsräume unterschiedlicher Temperatur enthält, steht das erste Leitungssystem mit dem Endexpansionsraum und das zweite Leitungssystem mit dem Zwischenexpansionsraum in Wärmetausch.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Einrichtung weisen die Pumpvorrichtungen jeweils ein Gehäuse auf, das durch eine isolierende Wand in zwei Teile unterteilt ist, wobei sich im ersten Teil ein Elektromotor befindet, der über eine mit Spiel durch die Wand geführte Welle mit einem im zweiten Teil befindlichen Ventilator

verbunden ist. Auf diese Weise wird eine besonders gute Dichtheit des Leitungssystems und des Pumpengehäuses erreicht, wobei sich ergeben hat, daß das den Elektromotor umgebende gasförmige Mittel eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, um die Wärme des Elektromotors abzuleiten. Dabei kann der Gehäuseteil, in dem sich der Elektromotor befindet, außerhalb des Vakuumraumes angeordnet sein, so daß die Wärme des Elektromotors direkt zur Umgebung abgeleitet wird.

Bei einer günstigen Ausführungsform ist eine gemeinsame Pumpvorrichtung vorgesehen, die ein Gehäuse aufweist, das durch isolierende Zwischenwände in drei Teile unterteilt ist, wobei sich im ersten Teil ein Elektromotor befindet, der über eine mit Spiel durch die beiden Zwischenwände geführte Welle mit im zweiten Teil und im dritten Teil angeordneten Ventilatoren verbunden ist, wobei an den zweiten Teil das zweite Leitungssystem und an den dritten Teil das erste Leitungssystem anschließt. Dies ergibt nicht nur einen kompakteren Aufbau, sondern es ist dabei auch derjenige Teil des Pumpengehäuses, der mit dem ersten Leitungssystem mit der niedrigeren Temperatur zusammenwirkt, von dem Teil des Pumpengehäuses isoliert, in dem sich der Elektromotor befindet.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Einrichtung zum Kühlen eines Gegenstandes, die aus einer Kaltgaskühlmaschine und zwei, je eine Pumpvorrichtung und ein Kältetransportmittel enthaltenden Leitungssystem besteht,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Einrichtung nach F i g. 1 gemäß der Linie 11-11,

F i g. 3 eine ähnliche Einrichtung wie in F i g. 1, bei der nur eine Pumpvorrichtung zum Zirkulieren des Mittels in beiden Leitungssystemen vorhanden ist, und

Fig.4 eine Einrichtung zum Kühlen eines Gegenstandes, die eine Mehrstufen-Kaltgaskühlmaschine enthält.

In F i g. 1 ist eine Kaltgaskühlmaschine gezeichnet, die einen Kolben 2 und einen Verdränger 3 enthält. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 sind mittels einer Kolbenstange bzw. einer Verdrängerstange mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden, welches den Kolben 2 und den Verdränger 3 mit einem gegenseitigen Phasenunterschied bewegen kann. Dabei ändert der Kolben 2 mit seiner Oberseite das Volumen eines Kompressionsraumes 6, während der Verdränger 3 mit seiner Oberseite das Volumen eines Expansionsraumes 7 ändert. Der Kompressionsraum 6 und der Expansionsraum 7 stehen über einen Kühler 8, einen Regenerator 9 und einen Gefrierer 10 miteinander in Verbindung. Die Einrichtung enthält ein Leitungssystem 11, das einerseits in Wärmetausch mit dem Gefrierer 10 und andererseits in Wärmetausch mit der Wand eines Hochvakuumraumes als zu kühlendem Gegenstand 70 ist. In das Leitungssystem 11 ist eine Pumpvorrichtung 15 aufgenommen. Das Leitungssystem 11 enthält gasförmiges Helium unter einem Druck von 20 ata, das mittels der Pumpvorrichtung 15 zirkuliert. Die Pumpvorrichtung 15 besteht aus einem Gehäuse 16, das mittels einer Wand 17 in zwei Teile 18 und 19 unterteilt ist. In Teil 18 ist ein Elektromotor 20 untergebracht, der über eine mit Spiel durch die Wand 17 geführte Welle 21 mit einem im Teil 19 untergebrachten Ventilator 22 verbunden ist. An den Teil 19 schließt das Leitungssystem 11 an. Diejenigen Teile, welche im Betrieb eine niedrige Temperatur annehmen, sind in einem vakuumisolierten Raum untergebracht.

Im Betrieb erzeugt die Kaltgaskühlmaschine im Expansionsraum 7 Kälte z. B. bei einer Temperatur von 30° K. Von der Pumpvorrichtung 15 wird das Helium, das sich im Leitungssystem 11 befindet, zum Zirkulieren gebracht, wobei es im Gefrierer 10 auf die im Expansionsraum 7 herrschende Temperatur abgekühlt wird und durch das Leitungssystem 11 zum zu kühlenden Gegenstand 70 strömt, wo es Wärme absorbiert und den Gegenstand 70 kühlt. Der Elektromotor 20 mit seiner Lagerung für die Welle 21 befindet sich stets auf Zimmertemperatur, was für die Lagerung günstig ist, denn es sind dann normale Kugellager verwendbar.

Die auf niedriger Temperatur stehenden Teile sind durch Strahlungsschirme 24 gegen die kalte Wand 23 des Vakuumraumes abgeschirmt. Die Strahlungsschirme 24 stehen in wärmeleitendem Kontakt mit einem zweiten Leitungssystem 25, in dem sich gleichfalls _tHelium unter einem Druck von 20 ata befindet und das eine Pumpvorrichtung 26 gleicher Bauart enthält wie die Pumpvorrichtung 15, die sich im Leitungssystem 11 befindet.

Das Leitungssystem 25 ist bei 27 in Wärmetausch mit dem Regenerator 9, und es wird dort das im Leitungssystem 25 zirkulierende Mittel gekühlt, um dann seine Kälte an die mit dem Leitungssystem 25 in wärmeleitender Verbindung stehenden Strahlungsschirme 24 abzugeben. Das Leitungssystem 11, das mit dem Gefrierer 10 in Wärmetausch ist, weist eine niedrigere Temperatur auf als das Leitungssystem 25 und die mit diesem in wärmeleitender Verbindung stehenden Strahlungsschirme 24. Die von der Wand 23 einwärts strahlende Wärme wird von den Strahlungsschirmen 24 aufgefangen, wobei die eingestrahlte Wärme von der Kälte ausgeglichen wird, die bei 27 aus dem Regenerator 9 absorbiert wird.

Der Wirkungsgrad der Kaltgaskühlmaschine verringert sich dabei nicht, während der Wirkungsgrad der ganzen Einrichtung dadurch verbessert wird, daß die eingestrahlte Wärme bei höherer Temperatur ausgeglichen wird. Auf diese Weise wird eine Einrichtung erhalten, bei der die Kälte der Kaltgaskühlmaschine mit geringem Verlust über einen großen Abstand zum zu kühlenden Gegenstand transportiert werden kann.

Der zu kühlende Gegenstand 70 ist durch die Wand eines Hochvakuumraumes gebildet. Das Leitungssystem 11 ist in Wärmekontakt mit dieser Wand, so daß diese nahezu die im Expansionsraum 7 herrschende Temperatur annehmen wird. Infolge dieser niedrigen Temperatur wird die Dampfspannung von Gasen in dem Raum besonders niedrig werden, so daß ein Hochvakuum erzeugt werden kann. Die Wand ist von einem Vakuumraum 71 umgeben, in dem ein Strahlungsschirm 72 angeordnet ist, der mit dem Leitungssystem 25 in Wärmekontakt ist.

In F i g. 3 ist eine Einrichtung dargestellt, die im wesentlichen der Einrichtung nach F i g. 1 entspricht, aber bei der nur eine Pumpvorrichtung 30 vorhanden ist, die aus einem Gehäuse 31 besteht, das durch isolierende Zwischenwände 32 und 33 in drei Teile 34, 35 und 36 geteilt ist. Im Teil 34 befindet sich ein Elektromotor 37, der über eine mit Spiel durch die Zwischenwände 32 und 33 geführte Welle 38 mit einem im Teil 35 angeordneten Ventilator 40 und einem im Teil 36 angeordneten Ventilator 39 verbunden ist. An den Teil 36 schließt das Leitungssystem 11 und an den Teil 35 das Leitungssystem 25 an. Auf diese Weise ist nicht nur eine einfache

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Bauart entstanden, sondern es ist auch der Teil 36, der einen Teil des Leitungssystems 25 bildet, in dem sich das Medium mit der niedrigen Temperatur befindet, gegen den Elektromotor 37 isoliert.

In Fig.4-ist eine ähnliche Einrichtung wie in F i g. 3 dargestellt, bei der aber die Kaltgaskühlmaschine als eine Zweistufenkühlmaschine ausgebildet ist. Diese Kaltgaskühlmaschine enthält einen Kolben 51 und einen aus zwei Teilen 52 und 53 verschiedenen Durchmessers bestehenden Verdränger. Über dem Kolben 51 befindet sich ein Kompressionsraum 54, der über einen Kühler 55, einen ersten Regenerator 56 und einen ersten Gefrierer 57 mit einem Zwischenexpansionsraum 58 in Verbindung steht. Der Zwischenexpansionsraum 58 steht über einen zweiten Regenerator 59 und einen zweiten Gefrierer 60 mit dem Endexpansionsraum 61 in Verbindung. Diese Kaltgaskühlmaschine liefert im Zwischenexpansionsraum 58 Kälte bei einer Temperatur von etwa 70 ° K, während im Endexpansionsraum 61 Kälte bei einer Temperatur von etwa 20° K geliefert wird. Das Leitungssystem 11 ist bei 62 in Wärmetausch mit dem zweiten Gefrierer 60, während das Leitungssystem 25 bei 63 in Wärmetausch mit dem ersten Gefrierer 57 steht. Die weitere Wirkung und Konstruktion dieser Einrichtung ist ganz ähnlich derjenigen nach F i g. 1 und 3.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

16 Ol 044 Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Kühlen eines Gegenstandes mit einer Kaltgaskühlmaschine mit einem Kompressionsraum veränderlichen Volumens, in dem im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur herrscht, sowie mindestens einem Expansionsraum gleichfalls veränderlichen Volumens, in dem im Betrieb eine niedrigere mittlere Temperatur herrscht, wobei diese Räume miteinander in Verbindung stehen und sich in der Verbindung ein Regenerator und ein Gefrierer befinden, und wobei eine Vorrichtung zum Transportieren der von der Kaltgaskühlmaschine erzeugten Kälte zum zu kühlenden Gegenstand vorgesehen ist, welche ein erstes Leitungssystem aufweist, das einerseits mit dem Expansionsraum der Kaltgaskühlmaschine und andererseits mit dem zu kühlenden Gegenstand im Wärmetausch steht und das ein Kältetransportmittel und eine Pumpvorrichtung zum Zirkulieren dieses Mittels enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem (11) und der mit ihm zusammenwirkende Expansionsraum (7; 61) der Kaltgaskühlmaschine sowie der zu kühlende Gegenstand (70) in einem Vakuumraum untergebracht und diese Teile von mehreren Strahlungsschirmen (24; 72) umgeben sind, welche gegen die Wand (23) des Vakuumraumes abschirmen und jeweils über ein zweites Leitungssystem (25) mit einer Kältequelle (9; 63) der Kaltgaskühlmaschine verbunden sind, die Kälte bei höherer Temperatur liefert als die Temperatur im Expansionsraum (7; 61), wobei das zweite Leitungssystem (25) ebenfalls ein Kältetransportmittel und eine Pumpvorrichtung zum Zirkulieren dieses Mittels enthält.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Leitungssystem (25) in Wärmetausch mit dem Regenerator (9) der Kaltgaskühlmaschine steht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kaltgaskühlmaschine zwei Expansionsräume mit unterschiedlichen mittleren Temperaturen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Leistungssystem (11) mit dem Endexpansionsraum (61) und das zweite Leitungssystem (25) mit dem Zwischenexpansionsraum (58) in Wärmetausch steht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtungen (15; 26) jeweils ein Gehäuse (16) aufweisen, das durch eine isolierende Wand (17) in zwei Teile (18,19) unterteilt ist, wobei sich im ersten Teil (18) ein Elektromotor (20) befindet, der über eine mit Spiel durch die Wand (17) geführte Welle (21) mit einem im zweiten Teil (19) befindlichen Ventilator (22) verbunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Pumpvorrichtung (30) vorgesehen ist, die ein Gehäuse (31) aufweist, das durch isolierende Zwischenwände (32,33) in drei Teile (34, 35, 36) unterteilt ist, wobei sich im ersten Teil (34) ein Elektromotor (37) befindet, der über eine mit Spiel durch die beiden Zwischenwände geführte Welle (38) mit im zweiten Teil (35) und im dritten Teil (36) angeordneten Ventilatoren (40, 39) verbunden ist, wobei an den zweiten Teil (35) das zweite Leitungssystem (25) und an den dritten Teil (36) das erste Leitungssystem (11) anschließt.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch

gekennzeichnet, daß die Elektromotoren (20; 37) außerhalb des Vakuumraumes angeordnet sind.