DE1601889B - Kühleinrichtung - Google Patents

Description

Regler vermochten. Auch kann mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung verhindert werden, daß die Expansionsdüse vom Kondensat überflutet wird. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Temperaturfühler innerhalb des Behälters unterhalb der Düse angeordnet und als Dampfgefäß ausgebildet, dessen mit steigendem Flüssigkeitsspiegel absinkender Dampfdruck ein als Balg ausgebildetes Stellglied des Ventilkörpers beaufschlagt.

wendet werden soll, so ist es wünschenswert, selbst wenn die Temperatur dieses Gases unterhalb der Inversionstemperatur von 430° K (157° C) liegt, das Gas vor seiner weiteren Abkühlung im Joule-Thom-5 son-Aggregat vorzukühlen, wenn mit einer ausreichenden Geschwindigkeit eine genügende Menge an verflüssigtem Neon erzeugt werden soll. Bei der Verwendung von Neon als Arbeitsmedium wird daher der Anfangsvorrat an Neon aus einer Vorrats-

Die Kühleinrichtung kann zwei Stufen aufweisen, io flasche, welche auf einer Temperatur von etwa 75° C von denen eine oder beide mit Regelungseinrichtun- liegen kann, bis auf 50° K abgekühlt und dann in gen zur erfindungsgemäßen Beeinflussung der durch das Joule-Thomson-Kühlaggregat eingespeist, weldie Düse der jeweiligen Stufe fließenden Gasmenge ches mindestens einen Teil davon bis auf seine versehen sind. Wenn die zu kühlende Last so be- Verflüssigungstemperatur, nämlich 28° K herunterschaffen ist, daß sich ihre Temperatur in einem wei- 15 kühlt und dabei eine genügende Menge flüssigen ten Bereich ändern will, wie es beispielsweise bei im Neons erzeugt.

Betrieb zu kühlenden elektronischen Schaltungen der Diese Vorkühlung kann mit irgendwelchen geeig-

FaIl ist, soll insbesondere die letzte Stufe eine solche neten bekannten Verfahren oder Geräten erfolgen Regelungseinrichtung haben. Andererseits kann es oder beispielsweise mittels einer Expansionsmaschine, auch besonders wünschenswert sein, eine ent- 20 die nach dem Claude-Zyklus arbeitet, wie es beisprechende automatische Regelungseinrichtung für spielsweise in der britischen Patentschrift 1156 013 die erste Stufe vorzusehen, und zwar dann, wenn beschrieben ist.

starke Änderungen der Umgebungstemperatur auf- Nach diesen Vorbemerkungen sei zunächst an

treten. Hand der Fig. 1 kurz erläutert, wie eine nach dem

Unter dem hier und im folgenden verwendeten 25 Joule-Thomson-Effekt arbeitende Kühleinrichtung im Ausdruck »Düse« ist irgendeine statische Einrichtung Prinzip aufgebaut ist und zu welchen Erscheinungen zu verstehen, mit der die Expansion eines Gases das bisherige Fehlen einer erfindungsgemäßen Regemöglich ist, also z.B. eine einfache Öffnung, eine lungseinrichtung führen kann. Das in Fig. 1 gezeigte besonders geformte Düse, eine Anzahl mehrerer Kühlgerät enthält irgendeinen herkömmlichen ringöffmmgen, oder ein poröses Absperrorgan, entweder 30 förmigen Wärmetauscher 69 mit einem rohrförmigen für sich oder in Verbindung mit einer porösen Mem- Tragteil 70, um welches wendelförmig eine gerippte bran, wie es beispielsweise in der britischen Patent- Einlaßröhre 71 gewunden ist. Ein äußeres koaxiales schrift 863 961 beschrieben ist. Rohr 72 erstreckt sich um die Wendel oder Röhre

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach- 71. Der Zwischenraum 73 zwischen dem Tragteil 70 stehend an Hand der Zeichnungen erläutert. Dabei 35 und dem äußeren Rohr 72 bildet den Auslaßkanal 74 zeigt des Wärmetauschers.

Das äußere Rohr 72 ist an seinem oberen und unteren Ende mit je einem Dichtungsring 75 bzw. 76 versehen, die zur Abdichtung gegen das Innere eines 40 Vakuumkolbens oder Dewar-Gefäßes 77 dienen, in welchem der Wärmetauscher 69 angeordnet ist.

Das Tragteil 70 wird an seinem oberen Ende von einer Abschlußwand 80 geschlossen. Das untere Ende des Tragteils 70 trägt einen durchlöcherten

dem zugehörigen Temperaturfühler in einer Schnitt- 45 Steg 81 von nach unten und innen konisch zulaufenansicht gemäß der Linie A-A der F i g. 2, der Form. Am Scheitel 84 des konischen Steges 81

F i g. 4 eine Ansicht der in F i g. 3 gezeigten Ein- befindet sich ein Düsenbauteil 82 mit einer nach richtung von unten. oben gerichteten Expansionsdüse 83. Das untere

Ein Joule-Thomson-Kühlaggregat ist ein Gerät, Ende 85 der wendeiförmigen Einlaßröhre 71 ist mit welches nach dem bekannten Joule-Thomson-Effekt 50 dem Düsenbauteil 82 verbunden und führt zur Exarbeitet, also mit isenthalpischer Expansion eines pansionsdüse 83. Diese Düse ist in einer Längsachse unter seine Inversionstemperatur abgekühlten Gases des Wärmetauschers angeordnet und kann von bedurch eine Expansionsdüse, wodurch das Arbeits- kannter Konstruktion sein. Im Betrieb fließt das medium unter seine Verfiüssigungstemperatur ab- Arbeitsmedium, beispielsweise Stickstoff bei 75° C gekühlt und mindestens zum Teil verflüssigt wird. 55 aus einer Vorratsflasche oder auf 50° K wie oben Die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung kann somit beschrieben vorgekühltes Neon, durch die wendelnur für die Kühlung eines Gases verwendet werden, förmige Einlaßröhre 71 und wird bei der Expansion welches sich bereits unterhalb seiner Inversions- durch die Düse 83 abgekühlt. Ein Teil des Arbeitstemperatur befindet. Da die Inversionstemperatur mediums wird flüssig, fällt durch Öffnungen 86 des von Stickstoff bei 620° K (347° C) liegt, kann dieses 60 konischen Steges 81 hindurch und sammelt sich im Medium unmittelbar aus einer Vorratsflasche ge- Boden des Dewar-Gefäßes 77. Expandiertes und sokühlt werden, die beispielsweise eine Temperatur mit gekühltes Gas, welches nicht verflüssigt worden von 75° C aufweisen kann, und da seine Temperatur ist, gelangt ebenfalls durch die öffnungen 86 des im wesentlichen niedriger ist als die Inversions- Steges 81 und dann hinaus durch den Wärmetauscher temperatur, wird dabei mit einer befriedigenden 65 und durch den Zwischenraum 73 zwischen dem

■ F i g. 1 im Längsschnitt eine Kühleinrichtung, die aus einem innerhalb eines Dewar-Gefäßes angeordneten Joule-Thomson-Kühlaggregat ohne die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung besteht,

F i g. 2 ebenfalls im Längsschnitt die Anordnung des erfindungsgemäßen Gasflußreglers im unteren Teil eines Joule-Thomson-Kühlaggregats,

F i g. 3 den erfindungsgemäßen Gasflußregler mit

Geschwindigkeit eine genügend große Menge verllüssigtcn Stickstoffs erzeugt.

Wenn als Arbeitsmedium zum Beispiel Neon veräußeren Rohr 72 und dem Tragteil 70. Dieses Gas befindet sich auf niedrigerem Druck als der Anfangsvorrat und wird entweder in die Atmosphäre ent-

lüftet oder zur erneuten Komprimierung zurück- Ende des Tragteils 70 befestigt ist und eine horizongeführt. tale Bohrung 149 enthält, von der sich nach unten

Das von dem Kühlaggregat erzeugte verflüssigte eine Mündung öffnet, welche die Expansionsdüse Arbeitsmedium wird dazu verwendet, einem zu küh- 150 bildet und mit dem durch sein Gewinde verstelllenden Körper, der Last 87, Wärme zu entziehen. 5 baren Nadelventilkörper 147 zusammenwirkt. Das Die Last kann entweder unterhalb des Aggregats untere Ende 85 der Wärmetauscherrohre führt in das und innerhalb des Dewar-Gefäßes angeordnet sein, offene Ende der Bohrung und steht somit in Verbinwie in Fig. 1 dargestellt ist, oder auch an irgend- dung mit der Expansionsdüse,
einer vom Dewar-Gefäß entfernten Stelle und wird Der den Balg 140 umgebende Raum innerhalb des

mittels geeigneter Leitungs- und Pumpeinrichtungen io Tragteils 70 kommuniziert über ein Rohr 151 mit (nicht dargestellt) dem flüssigen Arbeitsmedium aus- einem im wesentlichen halbkreisförmigen, als Temgesetzt. peraturfühler 152 ausgebildeten Dampfgefäß (in

Die zur Einhaltung eines bestimmten Temperatur- F i g. 2 nicht zu sehen), das in einer horizontalen bereichs der Last notwendigerweise abzuführende Ebene unterhalb der Expansionsdüse 150 liegt.
Wärmemenge ist offensichtlich abhängig von der 15 Die gesamte in den Fig. 2 bis 4 gezeigte Einrich-Temperatur der Umgebung, in welcher die Last und tung befindet sich ähnlich wie der Wärmetauscher 69 die Kühleinrichtung angeordnet sind. Wenn zusatz- nach Fig. 1 in einem Dewar-Gefäß, welches aus lieh die Last 87 selbst von Zeit zu Zeit Wärme er- Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht gesonzeugt, beispielsweise, wenn die Last ein intermittie- dert dargestellt ist. Wenn sich also im Boden des rend betriebenes elektrisches Gerät ist, so ändert sich 20 Dewar-Gefäßes das flüssige Kühlmittel sammelt, auch die der Last selbst zu entziehende Wärme- wird seine Oberfläche den Temperaturfühler 152 ermenge. reichen, wenn sie noch weit unterhalb der Expan-

Wenn nun aus irgendeinem Grund, sei es, daß sionsdüse 150 ist, und dabei den Temperaturfühler if die tatsächliche Umgebungstemperatur niedriger ist kühlen. Dieser enthält ein beispielsweise dem Arbeitsais die angesetzte höchste Umgebungstemperatur 25 medium ähnliches Medium, welches dazu neigt, bei oder daß die Last weniger Eigenwärme erzeugt, die der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums zu Wärmeabfuhr größer als notwendig ist, dann wird kondensieren und somit über das Rohr 151 den eine überreichliche Menge von verflüssigtem Arbeits- Druck außerhalb des Balges 140 zu reduzieren. Hiermedium erzeugt, welches mit der Zeit den Raum im durch dehnt sich der Balg 140 nach oben aus und Dewar-Gefäß 77 unterhalb des Aggregats ausfüllt 30 nimmt bei dieser Bewegung über das Rohr 142 die und möglicherweise über die Expansionsdüse 83 an- Hülse 144 mit dem Nadelventilkörper 147 mit, so steigt. Da die Düse 83 trotzdem weiterarbeitet, kann daß die Expansionsdüse 150 durch letzteren geder Pegel des flüssigen Arbeitsmediums sogar so hoch schlossen wird.

steigen, daß das untere Ende des den Auslaßkanal Diese Anordnung bewirkt eine automatische Steue-

bildenden Zwischenraums 73 überflutet wird. Bei 35 rung der Durchflußrate des Gases entsprechend der einer solchen Überflutung des Wärmetauschers 69 Kühlflüssigkeitsmenge im Boden des Dewar-Gefäßes sinkt der Wirkungsgrad des Wärmetauschers ab. und ermöglicht eine Verminderung oder Unterbre-

Die F i g. 2 bis 4 zeigen nun als Ausführungs- chung des Gasflusses, wenn sich im Boden des Bebeispiel der Erfindung ein Kühlaggregat, bei dem hälters ein ganz geringer Flüssigkeitsvorrat angesamdiese nachteiligen Erscheinungen nicht auftreten 40 melt hat und lange bevor dieser die Höhe der können. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist auch hier das Expansionsdüse erreicht hat. Die Flüssigkeit beeinrohrförmige und oben abgeschlossene Tragteil 70 trächtigt also in keiner Weise die Expansion des wendelförmig von der gerippten Röhre 71 umgeben. Gases, und außerdem kann automatisch eine ganz Innerhalb des vom Tragteil 70 umgrenzten Raums geringe Flüssigkeitsmenge beibehalten werden, unab- χ befindet sich ein Balg 140, dessen unteres offenes 45 hängig von der Temperatur der Last oder der UmEnde an einem Kragen 141 befestigt ist, der seiner- gebungstemperatur.

seits vom unteren Ende des Tragteils 70 festgehalten Die- erfindungsgemäße Kühleinrichtung kann aus

wird. Das bewegliche obere Ende des Balgs 140 ist zwei Stufen bestehen, wobei entweder nur eine Stufe mit dem oberen Ende eines herabragenden Rohres oder beide Stufen mit der beschriebenen Regelungs- 142 verbunden. Dieses Rohr 142 ist mittels eines 50 einrichtung ausgestattet sein können. Eine zweistufige Blocks 143 in einer genuteten Hülse 144 montiert, in Anlage kann speziell als erste Stufe eine nach dem deren unterem Ende sich ein Stöpsel 145 mit einem Claude-Zyklus arbeitende Expansionsmaschine ge-Gewindeloch zur Aufnahme eines nach oben gerich- maß Fig. 1 der britischen Patentschrift 1 156 013 teten Nadelventilkörpers 147 befindet. Quer durch enthalten, während die zweite Stufe für sich einstufig zwei Längsnuten in der Hülse 144 erstreckt sich eine 55 wie die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Querstange 148 (vgl. auch Fig. 3), die am unteren Kühleinrichtung ausgebildet sein kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 Expansionsgases und in gewisser Weise auch mit dem Patentansprüche: expandierten Gas befinden. Diese Anordnung ist so getroffen, daß sich die

1. Kühleinrichtung mit einem rohrförmigen temperaturabhängigen Elemente des Reglers näher Wärmetauscher, der zwei Kanäle bildet, durch 5 am wärmeren Ende der Kühleinrichtung befinden als deren einen ein Kühlgas aus einer Vorratsquelle die Expansionsdüse.

unter Druck von einem warmen Ende, welches Mit dieser bekannten Anordnung läßt sich jedoch

in der normalen Gebrauchslage das obere Ende nur eine begrenzte Regelwirkung erzielen. Der Regist, zum anderen, kalten Ende des Wärme- ler spricht nur an auf Temperaturen, die in der tauschers und dort durch eine Joule-Thomson- io Expansionskammer und im Gas über der im Sammel-Expansionsdüse strömt, wobei ein Teil des Gases behälter befindlichen Kondensflüssigkeit herrschen, sich verflüssigt und sich in einem Behälter sam- Diese Temperatur ist jedoch nicht immer ein zuvermelt, während das restliche Gas durch den lässiges Kriterium für die erforderliche Kühlleistung, anderen Kanal zurückströmt, ferner mit einem das heißt für die Menge des durch die Expansions-Temperaturfühler, der einen mit der Düse zu- 15 düse zu leitenden Gases. Es kann z. B. vorkommen, sammenwirkenden Ventilkörper zur Veränderung daß bei einer zu starken Gaszufuhr die Temperatur des effektiven Düsenquerschnittes beaufschlagt, am Regelfühler nicht in einem entsprechenden Maß dadurch gekennzeichnet, daß der Tem- absinkt, sondern daß statt dessen der Flüssigkeitsperaturfühler (152) im Behälter an einer Stelle spiegel im Sammelbehälter ansteigt, was wiederum angeordnet ist, wo er mindestens zum Teil weiter 20 nicht unbedingt mit einem weiteren Absinken der vom warmen Ende der Kühleinrichtung entfernt Temperatur am Regelfühler verbunden ist, so daß ist als die Düse (150) und im Wärmetausch mit trotz einer zu großen Gaszufuhr der Regler nicht der gesammelten Flüssigkeit steht, und daß der oder nicht genügend eingreift. Dieser Fall tritt bei der von dem Temperaturfühler (152) beaufschlagte bekannten Kühleinrichtung mit Sicherheit dann ein, Ventilkörper (147) den effektiven Düsenquer- 25 wenn die Kühlung in der Nähe des Siedepunktes oder schnitt verringert, wenn die Flüssigkeitsmenge im bei einer tieferen Temperatur des Kühlmittels erfol-Behälter ein vorbestimmtes Maß überschreitet. gen soll. Hier ändert sich bei zu großer Gaszufuhr die

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch Temperatur am Regelfühler praktisch überhaupt gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (152) nicht, sie liegt stets etwas oberhalb des Siedepunktes, innerhalb des Behälters unterhalb der Düse (150) 30 Der Betrieb der bekannten Kühleinrichtung ist unter angeordnet und als Dampfgefäß ausgebildet ist, diesen Bedingungen unwirtschaftlich, weil mehr Gas dessen mit steigendem Flüssigkeitsspiegel absin- als notwendig verbraucht wird. Das damit verbunkender Dampfdruck ein als Balg (140) ausgebil- dene Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels kann schließdetes Stellglied des Ventilkörpers (147) beauf- lieh zur Überflutung der Expansionskammer führen, schlagt. 35 ohne daß der Regler sofort eingreift.

Dieser Nachteil läßt sich auch nicht vermeiden,

wenn man wie bei einer anderen bekannten Kühleinrichtung als Regelfühler einen Balg verwendet, der im Wärmetausch mit dem Gas vor seiner Zuführung

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung mit 40 zur Expansionsdüse steht und einen die Expansionseinem rohrförmigen Wärmetauscher, der zwei Kanäle düse mit mehr oder weniger verschließenden Ventilbildet, durch deren einen ein Kühlgas aus einer Vor- körper betätigt. Mit den bekannten temperaturempratsquelle unter Druck von einem warmen Ende, findlichen Reglern läßt sich allenfalls die Kühltempewelches in der normalen Gebrauchslage das obere ratur konstant halten, nicht jedoch ein überflüssiger Ende ist, zum anderen, kalten Ende des Wärme- 45 Gasverbrauch verhindern.

tauschers und dort durch eine Joule-Thomson- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Expansionsdüse strömt, wobei ein Teil des Gases sich Kühleinrichtung zu schaffen, bei welcher der Gasverflüssigt und sich in einem Behälter sammelt, wäh- fluß durch die Expansionsdüse so geregelt ist, daß rend das restliche Gas durch den anderen Kanal die geringstmögliche Gasmenge verbraucht wird, das zurückströmt, ferner mit einem Temperaturfühler, 50 heißt, einen Temperaturfühler für die eingangs beder einen mit der Düse zusammenwirkenden Ventil- schriebene Kühleinrichtung so auszugestalten und körper zur Veränderung des effektiven Düsenquer- anzuordnen, daß sich mit ihm die Flüssigkeitsmenge schnittes beaufschlagt. im Sammelbehälter für das Kondensat regeln läßt.

Mit derartigen Kühleinrichtungen kann man ver- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

flüssigtes Gas erzeugen, welches dazu verwendet 55 löst, daß der Temperaturfühler im Behälter an einer wird, von einem zu kühlenden Körper, der sogenann- Stelle angeordnet ist, wo er mindestens zum Teil ten Last, durch Verdampfung Wärme abzuführen. weiter vom warmen Ende der Kühleinrichtung entWenn die Umgebungstemperatur oder die Tempera- fernt ist als die Düse und im Wärmetausch mit der tür der Last stark schwankt, so ändert sich auch die gesammelten Flüssigkeit steht, und daß der von dem Wärmemenge, welche abgeführt werden muß, um die 60 Temperaturfühler beaufschlagte Ventilkörper den Temperatur der Last innerhalb eines bestimmten effektiven Düsenquerschnitt verringert, wenn die Bereiches zu halten. Flüssigkeitsmenge im Behälter ein vorbestimmtes

Es ist eine Kühleinrichtung der eingangs be- Maß überschreitet.

schriebenen Art bekannt, bei welcher die Tempera- Mit der Auswahl der im Sammelbehälter sich be-

turabhängigkeit des Reglers für den effektiven Quer- 65 findlichen Flüssigkeitsmenge als Regelgröße wird ein schnitt der Expansionsdüse erreicht wird durch un- Weg beschritten, der vom erwähnten Stand der Techterschiedliche Wärmeausdehnung bestimmter Teile, nik abweicht und einen wirtschaftlicheren Betrieb die sich im Wärmetausch mit der Zuflußleitung des einer Kühleinrichtung gestattet, als es die bekannten