DE1601889C - Kühleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung mit einem rohrförmigen Wärmetauscher, der zwei Kanäle bildet, durch deren einen ein Kühlgas aus einer Vorratsquelle unter Druck von einem warmen Ende, welches in der normalen Gebrauchslage das obere Ende ist, zum anderen, kalten Ende des Wärmetauschers und dort durch eine Joule-Thomson-Expansionsdüse strömt, wobei ein Teil des Gases sich verflüssigt und sich in einem Behälter sammelt, während das restliche Gas durch den anderen Kanal zurückströmt, ferner mit einem Temperaturfühler, der einen mit der Düse zusammenwirkenden Ventilkörper zur Veränderung des effektiven Düsenquerschnittes beaufschlagt.

Mit derartigen Kühleinrichtungen kann man verflüssigtes . Gas erzeugen, welches dazu verwendet wird, von einem zu kühlenden Körper, der sogenannten Last, durch Verdampfung Wärme abzuführen. Wenn die Umgebungstemperatur oder die Temperatur der Last stark schwankt, so ändert sich auch die Wärmemenge, welche abgeführt werden muß, um die Temperatur der Last innerhalb eines bestimmten Bereiches zu halten.

Es ist eine Kühleinrichtung der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei welcher die Temperaturabhängigkeit des Reglers für den effektiven Querschnitt der Expansionsdüse erreicht wird durch unterschiedliche Wärmeausdehnung bestimmter Teile, die sich im Wärmetausch mit der Zuflußleitung des Expansionsgases und in gewisser Weise auch mit dem expandierten Gas befinden.

Diese Anordnung ist' so getroffen, daß sich die

temperaturabhängigen Elemente des Reglers näher am wärmeren Ende der Kühleinrichtung befinden als

die Expansionsdüse.

Mit'dieser bekannten Anordnung läßt sich jedoch nur eine begrenzte Regelwirkung erzielen. Der Regler spricht nur an auf Temperaturen, die in der

ίο Expansionskammer und im Gas über der im Sammelbehälter befindlichen Kondensflüssigkeit herrschen. Diese Temperatur ist jedoch nicht immer ein zuverlässiges Kriterium für die erforderliche Kühlleistung, das heißt für die Menge des durch die Expansionsdüse zu leitenden Gases. Es kann z. B. vorkommen, daß bei einer zu starken Gaszufuhr die Temperatur am Regelfühler nicht in einem entsprechenden Maß absinkt, sondern daß statt dessen der Flüssigkeitsspiegel im Sammelbehälter ansteigt, was wiederum nicht unbedingt mit einem weiteren Absinken der Temperatur am Regelfühler verbunden ist, so daß trotz einer zu großen Gaszufuhr der Regler nicht oder nicht genügend eingreift. Dieser Fall tritt bei der bekannten Kühleinrichtung mit Sicherheit -dann ein, wenn die Kühlung in der Nähe des Siedepunktes oder *■ bei einer tieferen Temperatur des Kühlmittels erfolgen soll. Hier ändert sich bei zu großer Gaszufuhr die Temperatur am Regelfühler praktisch überhaupt nicht, sie liegt stets etwas oberhalb des Siedepunktes.

Der Betrieb der bekannten Kühleinrichtung ist unter diesen Bedingungen unwirtschaftlich, weil mehr Gas als notwendig verbraucht wird. Das damit verbundene Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels kann schließlich zur Überflutung der Expansionskammer führen, 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 zur Expansionsdüse steht und. einen die Expansionsdüse mit mehr oder weniger verschließenden Ventilkörper betätigt. Mit den bekannten temperaturempfindlichen Reglern läßt sich allenfalls die Kühltemperatur konstant halten, nicht jedoch ein überflüssiger Gasverbrauch verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung zu schaffen, bei welcher der Gasfluß durch die Expansionsdüse so geregelt ist, daß die geringstmögliche Gasmenge verbraucht wird, das heißt, einen Temperaturfühler für die eingangs beschriebene Kühleinrichtung so auszugestalten und anzuordnen, daß sich mit ihm die Flüssigkeitsmenge im Sammelbehälter für das Kondensat regeln läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Temperaturfühler im Behälter an einer Stelle angeordnet ist, wo er mindestens zum Teil weiter vom warmen Ende der Kühleinrichtung entfernt ist als die Düse und im Wärmetausch mit der gesammelten Flüssigkeit steht, und daß der von dem Temperaturfühler beaufschlagte Ventilkörper den effektiven Düsenquerschnitt verringert, wenn die Flüssigkeitsmenge im Behälter ein vorbestimmtes Maß überschreitet.

Mit der Auswahl der im Sammelbehälter sich befindlichen Flüssigkeitsmenge als Regelgröße wird ein Weg beschriften, der vom erwähnten Stand der Technik abweicht und einen wirtschaftlicheren Betrieb einer Kühleinrichtung gestattet, als es die bekannten

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Regler vermochten. Auch kann mit der erfindungs- wendet werden soll, so ist es wünschenswert, selbst gemäßen Kühleinrichtung verhindert werden, daß wenn die Temperatur dieses Gases unterhalb der die Expansionsdüse vom Kondensat überflutet wird. Inversionstemperatur von 430° K (157° C) liegt, das In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist Gas vor seiner weiteren Abkühlung im Joule-Thomder Temperaturfühler innerhalb des Behälters unter- 5 son-Aggregat vorzukühlen, wenn mit einer aushalb der Düse angeordnet und als Dampfgefäß aus- reichenden Geschwindigkeit eine genügende Menge gebildet, dessen mit steigendem Flüssigkeitsspiegel an verflüssigtem Neon erzeugt werden soll. Bei der absinkender Dampfdruck ein als Balg ausgebildetes Verwendung von Neon als Arbeitsmedium wird da-Stellglied des Ventilkörpers beaufschlagt. her 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 1 156 013 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 lungs einrichtung führen kann. Das in F i g. 1 gezeigte besonders geformte Düse, eine Anzahl mehrerer Kühlgerät enthält irgendeinen herkömmlichen ring-Öffnungen, 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.

Fig. 1 im Längsschnitt eine Kühleinrichtung, die Das äußere Rohr 72 ist an seinem oberen und

aus einem innerhalb eines Dewar-Gefäßes angeord- unteren Ende mit je einem Dichtungsring 75 bzw. 76

neten Joule-Thomson-Kühlaggregat ohne die erfin- versehen, die zur Abdichtung gegen das Innere eines

dungsgemäße Regelungseinrichtung besteht, 40 Vakuumkolbens oder Dewar-Gefäßes 77 dienen, in

Fig. 2 ebenfalls im Längsschnitt die Anordnung welchem der Wärmetauscher 69 angeordnet ist. des erfindungsgemäßen Gasflußreglers im unteren Das Tragteil 70 wird an seinem oberen Ende von Teil eines Joule-Thomson-Kühlaggregats, einer Abschlußwand 80 geschlossen. Das untere F i g. 3 den erfindungsgemäßen Gasflußregler mit 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 Fig. 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-Thoruson-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 Verflüssigungstemperatur 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 Fig. 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 Geschwindigkeit eine genügend große Menge ver- äußeren Rohr 72 und dem Tragteil 70. Dieses Gas flüssigten Stickstoffs erzeugt. befindet sich auf niedrigerem Druck als der Anfangs-Wenn als Arbeitsmedium zum Beispiel Neon ver- vorrat und wird entweder in die Atmosphäre ent-

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lüftet oder zur erneuten Komprimierung zurück- Ende des Tragteils 70 befestigt ist und eine horizon-

geführt. 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 verstell-

lenden Körper, der Last 87, Wärme zu entziehen. 5 baren Nadelventilkörper 147 zusammenwirkt. Das

Die Last kann entweder unterhalb des Aggregats untere Ende 85 der Wärmetauscherröhre führt in das

und innerhalb des Dewar-Gefäßes angeordnet sein, offene Ende der Bohrung und steht somit in Verbin-

wie 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 ίο Tragteils 70 kommuniziert über ein Rohr 151 mit

(nicht dargestellt) dem flüssigen Arbeitsmedium aus- einem im wesentlichen halbkreisförmigen, als Tem-

gesetzt. 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 F i g. 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 geson-

zeugt, 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 er-

menge. reichen, wenn sie noch weit unterhalb der Expan-

Wenn nun aus irgendeinem Grund, sei es, daß sionsdüse 150 ist, und dabei den Temperaturfühler 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, unabbefindet 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)

Patentansprüche:

1. Kühleinrichtung mit einem rohrförmigen Wärmetauscher, der zwei Kanäle bildet, durch deren einen! ein Kühlgas aus einer Vorratsquelle unter Druck von einem warmen Ende, welches in der normalen Gebrauchslage das obere Ende ist, zum anderen, kalten Ende des Wärmetauschers und dort durch eine Joule-Thomson-Expansionsdüse strömt, wobei ein Teil des Gases sich verflüssigt und sich in einem Behälter sammelt, während das restliche Gas durch den anderen Kanal zurückströmt, ferner mit einem Temperaturfühler, der einen mit der Düse zusammenwirkenden Ventilkörper zur Veränderung des effektiven Düsenquerschnittes beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (152) im Behälter an einer Stelle angeordnet ist, wo er mindestens zum Teil weiter vom warmen Ende der Kühleinrichtung entfernt ist als die Düse (150) und im Wärmetausch mit der gesammelten Flüssigkeit steht, und daß der von dem Temperaturfühler (152) beaufschlagte Ventilkörper (147) den effektiven. Düsenquerschnitt verringert, wenn die Flüssigkeitsmenge im Behälter ein vorbestimmtes Maß überschreitet.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (152) innerhalb des Behälters unterhalb der Düse (150) angeordnet und als Dampfgefäß ausgebildet ist, dessen mit steigendem Flüssigkeitsspiegel absinkender Dampfdruck ein als Balg (140) ausgebildetes Stellglied des Ventilkörpers (147) beaufschlagt.