DE1751155A1

DE1751155A1 - Einrichtung zur Kaelteerzeugung

Info

Publication number: DE1751155A1
Application number: DE19681751155
Authority: DE
Inventors: Hart Robert Revie
Original assignee: Hymatic Engineering Co Ltd
Current assignee: Hymatic Engineering Co Ltd
Priority date: 1967-04-14
Filing date: 1968-04-11
Publication date: 1971-05-19
Also published as: NL6805104A; US3495419A; LU55877A1; FR1559510A; JPS4844423B1; NO119537B; CH481353A; BE713685A

Description

175115§

5829-68/Dr.v.B/Ro. ·

Case HY.50 + 55

Brit.Pat.Anm. 17^56/67

vom l4. April 1967

Brit.Pat.Anm. 48 2^4/67

vom 24. Oktober 1967 ·

THE HYMATIC ENGINEERING COMPANY LIMITED\ Glover Street, Redditch, Worcestershire/England

Einrichtung zur Kälteerzeugung.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kälteerzeugung nach dem Joule-Thomson-Prinzip, mit einem Wärmetauscher in Form einer Wendel aus einer gerippten Röhre, durch die ein Kühlmittel zu einer Entspannungsdüse strömt, während das entspannte Kühlmittel über die Außenseite der gerippten Röhre zurückströmt. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung kleine, rasch arbeitende Kühleinrichtungen dieser Art, die bei jeder oder der einzigen Inbetriebnahme einejtiefe Temperatur, gegebenenfalls in der Größenordnung der Temperatur der flüssigen Luft, innerhalb einer kurzen Zeitspanne, z.B. wenigen Sekunden, erzeugen und diese Temperatur dann für eine relativ kurze Zeitspanne, etwa in der Größenordnung von einer oder zwei Minuten, aufrechterhalten.

10382 1 /037*

Einrichtungen zur Kälteerzeugung, die einen Wärmetauscher enthalten, der eine Wendel aus einem gerippten Rohr enthält, durch die ein gasförmiges Kühlmittel zu einer Joule-Thomson-Entspannungsdüse strömt, von der aus das entspannte Gas über die äußere Oberfläche der gerippten Röhre zurückströmt, sind bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die w Kühlleistung einer solchen Einrichtung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die Wendel kegelstumpfförmig und mit dem kleineren Ende des Kegelstumpfes zur Expansionsdüse hin gerichtet ist. Der zwischen zwei gegenüberliegenden Mantellinien der Kegelstumpffläche eingeschlossene öffnungswinkel kann z.B. etwa 90° betragen.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Wendel zwischen einer inneren und einer äußeren kegelstumpfförmigen Fläche angeordnet und in den Zwischenraum zwischen den Rippen und mindestens einer dieser Flächen ist ein Faden oder Draht gewickelt, der das abströmende Gas zu der Röhre und den Rippen hin ablenkt.

Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß sich der Querschnitt des Strömungsweges für das abströmende, entspannte Kühlgas in Strömungsrichtung fortlaufend vergrößern sollte, um die Wärmekapazität des Gerätes selbst so klein wie möglich zu machen. In dieser Hinsicht stellt die vorliegende kegelstumpf-

109821/0372

förmige Wendel einen wesentlichen Fortschritt gegenüber den bekannten Wärmetauschern , die eine zylindrische Rohrwendel enthalten, dar.

Eine Vergrößerung des Öffnungswinkels des Kegels, z.B. im Grenzfall auf l80°, wobei sich dann eine ebene Spirale ergibt, bringt wenig zusätzliche "Vorteile mit sich während andererseits die Verwendung eines begrenzten Winkels in der Größenordnung von 90° das Wickeln eines Fadens oder Drahtes aus Kunststoff, z.B. Polyester, in den dreieckigen Zwischenraum zwischen den Rippen und der inneren bzw. äußeren kegelstumpfförmigen Fläche ganz wesentlich erleichtert bzw. überhaupt erst möglich macht. Die Verwendung einer solchen Faden- oder Drahtwicklung ist bei Wärmetauschern mit zylindrischer Rohrwendel bekannt und dient dazu, das abströmende Gas zu den Rippen und der Röhre des Wärmetauschers hin abzulenken und den Wärmeübergang zu verbessern.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Stück der Rohre an deren warmen'Ende in gutem Wärmekontakt mit einer Wärmesenke angeordnet, z.B. einem eine erhebliche Masse aufweisenden Teil des Körpers der Einrichtung. Wenn die Röhre insbesondere eine enge Bohrung hat, an einer wesentlich größeren Röhre ansetzt und zwischen dem Körper der Einrichtung und dem gerippten Teil einen ungerippten Teil aufweist, wird ein guter Wärmeübergang zwischen dem ungerippten Teil und der Wärmesenke vorzugsweise durch Verlöten gewährleistet, wobei der ungerippte Teil beispielsweise in eine größere Lotmasse eingebettet sein kann.

109821/0372 "»«""*«·

Die oben angegebene Maßnahme hat ihren Grund in der Tatsache, daß bei Inbetriebnahme einer Einrichtung der vorliegenden Art praktisch der ganze Druckabfall an der Expansionsdüse auftritt, die sich am kalten Ende des Wärmetauschers befindet. Wenn also die Einrichtung in Betrieb genommen wird, ist die Füllung der Röhre mit unter hohem Druck stehenden Gas von einer erheblichen Verdichtung begleitet und wenn die ganze Verdichtungswärme im Gas verbleibt, kann dessen Temperatur unter Umständen auf sehr hohe Werte, z.B. in der Größenordnung von 1000⁰K ansteigen. Im gerippten Teil der Röhre, der den Wärmetauscher bildet, wird diese Kompressionswärme rasch abgeführt und die resultierende Temperatur des Gases und der Röhre wird dann im allgemeinen nur wenige Grade höher als die Anfangstemperatur sein, weil die Kompressionswärme rasch durch das entspannte, abströmende Gas abgeführt wird.

Die Temperatur des Stückes der Röhre, das sich zwischen dem Einlaßrohr und dem gerippten Teil der Röhre, der den Wärmetauscher bildet, kann andererseits stark ansteigen und die entwickelte Wärme konnte bisher nur durch das unter hohem Druck stehende Gas abgeführt werden, was den Wirkungsgrad der Einrichtung beeinträchtigte. Dieser Nachteil wird gemäß einem bevorzugten Merkmal der Einrichtung gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß das zwischen dem Wärmetauscher und dem Einlaß befindliche Stück der Röhre gut wärmeleitend mit dem Körper der Kühlvorrichtung verbunden wird.

WÖ8 217 0 3 72

Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt einer Einrichtung gemäß einem Aüsführungsbeispiel der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden in Anwendung auf eine Einrichtung zur Kälteerzeugung beispielsweise beschrieben, welche die Aufgabe hat, die Temperatur eines kleinen Bauteiles oder Gerätes innerhalb weniger Sekunden auf etwa 80°K abzusenken und diese Temperatur für eine oder zwei Minuten aufrechtzuerhalten. Die Einrichtung enthält hierfür einen Vorrat an gas- ™ förmigem Kühlmittel wie z.B. Luft, Sauerstoff, Stickstoff oder Argon unter hohem Druck.

Die als AusfUhrungsbeispiel der Erfindung in der Zeichnung dargestellte Einrichtung enthält einen ringförmigen Außenkörper 10, von dem angenommen wird, daß seine Achse senkrecht steht. Ein unterer Teil 11 des Körpers 10 enthält oder berührt das zu kühlende Bauteil. Der Körper 10 weist eine Mittelbohrung 12 auf, die einen Sammelraum für einen Vorrat an flüssigem Kühlmittel bildet. Oberhalb des Sammelraumes erweitert sieh die ^ Bohrung und bildet eine kegelstumpfförmige Ausnehmung 15, deren öffnungswinkel etwa 90° beträgt. Innerhalb der kegelstumpfförmigen Ausnehmung, Jedoch im Abstand von dieser ist ein kegelstumpf förmiger Stöpsel 16 angeordnet, der.zweckmäßigerweise einen Hohlkörper 17 aus Edelstahl bildet, dessen oberer Teil durch ein pilzförmiges Verbindungsteil 18 gebildet wird, dessen Schaft 19 einen Anschluß für eirien Gaseinlaß bildet und ein Filter 21 ent- , hält. Auf die kegelstumpfförmige Oberfläche des Stöpsels 16 ist

10-19021/0372

eine einlagige Wicklung aus einer dünnen, auf der Außenseite mit Rippen versehenen Röhre 25 gewickelt. Das an das innere Ende angrenzende Stück 26 der Röhre, das frei von Rippen ist, erstreckt sich quer über den Stöpsel, an dem es befestigt ist, und ist am äußersten Ende geschlossen. Die Wand des rippenfreien Stückes weist ein nicht dargestelltes feines Loch auf, das eine Expansionsdüse bildet. Von diesem letzten Stück ab 1st die Röhre dann in Form einer kegelstumpfförmigen Spule auf die entsprechende Oberfläche des Stöpsels gewickelt. In die Zwischenräume zwischen den Rippen benachbarter Windungen und die benachbarte Oberfläche des Stöpsels 16 ist ein Draht oder Faden 30 aus Polyester gewickelt. Eine entsprechende Wicklung 31 aus Polyesterfaden oder -draht ist in den entsprechenden äußeren Vertiefungen zwischen benachbarten Windungen der gerippten Röhre vorgesehen und die beschriebene Anordnung wird dann in die konische Ausnehmung im Außenkörper 10 eingesetzt. Das äußere Ende der Rohrwendel reicht radial in den Schaft 19 hinein und ist durch diesen mit dem Gaseinlaß verbunden.

Das zum Schaft 19 führende äußere Endstück der Röhre ist frei von Rippen und In eine größere Lotmenge 35 eingebettet, die zur Befestigung dient und eine gute thermische Verbindung mit dem Körper der Einrichtung gewährleistet. Auf den Schaft 19 und den Körper 10 ist ein Deckel >6 aufgesetzt, der durch Ö-Ringe 37 bzw. 38 abgedichtet ist und einen Auslaßanschluß 39 für das entspannte Gas aufweist»

Die beschriebene Einrichtung arbeitet in bekannter Weise. Wenn also dem Einlaß Gas, das unter hohem Druck steht, zugeführt wird, strömt dieses längs des spiralförmigen Weges durch die Rohrwicklung bis zu deren innerem Ende, wo es durch die Expansionsdüse austritt, anschließend strömt dann das Gas in einem divergierenden Strömungsweg durch den Zwischenraum zwischen der konischen Ausnehmung und dem konischen Stöpsel in innigem Kontakt mit den Rippen und den.Windungen der Röhre nach außen und kühlt dabei das zugeführte Gas. In wenigen Sekunden beginnt das Kühl- \ gas sich zu verflüssigen und im Sammelraum 12 sammelt sich flüssiges Kühlmittel an, das die gewünschte niedrige Temperatur auch dann noch für eine gewisse Zeitspanne aufrechterhält, wenn der Druckgasvorrat verbraucht ist.

Die an dem Verbindungsteil 18 angebrachte Lotmasse 35 dient als Wärmesenke, die beim anfänglichen Verdichten des Gases in dem ungerippten Teil der Röhre verhindert, daß die Temperatur dieses Röhrenteiles übermäßig ansteigt«

10 9821/0372

Claims

Patentansprüche

1.) Einrichtung zur Kälteerzeugung nach dem Joule-Thomson-Prinzip mit einem Wärmetauscher in Form einer Wicklung aus einer gerippten Röhre, durch die ein Kühlmittel zu einer Entspannungsdüse strömt, während das entspannte Kühlmittel über die Außenseite der gerippten Röhre zurückströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus der Röhre (25) kegelstumpfförmig und mit dem kleineren Ende zur Expansionsdüse hin gerichtet ist.

2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen zwei einander entgegengesetzten Mantellinien gerechnete öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Wicklung etwa 90° beträgt.

5.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung zwischen einer inneren und einer äußeren kegeistumpfförmigen Oberfläche angeordnet ist und daß in den Zwischenraum zwischen die Rippen und mindestens eine dieser Oberflächen ein Faden oder Draht (50) gewickelt ist, der das Gas zu der Röhre (25) und den Rippen hin ablenkt.

4.) Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Röhre an deren warmen Ende in gutem Wärmekontakt mit einer Wärmesenke steht, z.B. einem

109 82 1 /03 7 2

eine erhebliche Masse aufweisenden Teil des Körpers der Einrichtung.

5.) Einrichtung nach Anspruch 4j dadurch g e k e η n- z ei c h η e t , daß die eine enge Bohrung aufweisende Röhre (.25) ein rippenfreies Stück zwischen dem Teil (I9) des Körpers und ihrem gerippten Teil aufweist und daß dieses ungerippte Stück durch Verlöten in gutem Wärmekontakt mit der Wärmesenke

steht. J

6.) Einrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß das ungerippte Stück der Röhre (25) in eine erhebliche Lotmenge (j55) eingebettet ist.

10982 1 /0372

Leerseite