DE1922514C3 - Einrichtung zur Kälteerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kälteerzeugung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Einrichtung dieser Art wurde bereits in der DE^:PS 16 01 889 vorgeschlagen. Sie kann zum Erzeugen von verflüssigtem Gas verwendet werden, das dazu dient, Wärme von einem zu kühlenden Körper (der »Last«) durch Verdampfung abzuführen. Wenn die Umgebungstemperatur der Kälteerzeugungseinrichtung oder der »Last« schwanken, ändert sich entsprechend die Wärmemenge, die abgeführt werden muß, damit die Temperatur des zu kühlenden Körpers innerhalb eines vorgegebenen Sollbereiches bleibt.

Bei der bereits vorgeschlagenen Kälteerzeugungseinrichtung wird daher die Kälteleistung durch Veränderung des Düsenquerschnittes in Abhängigkeit vom Kältebedarf geregelt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Regelvorrichtung praktisch ein Zweipunktverhalten zeigt, wenn sich der Dampfkolben bis zum untersten Punkt des Fühlers erstreckt. Bei einem solchen Zwcipunktverhaltcti der Regelung ergeben sich jedoch eine unerwünscht abrupte Arbeitsweise sowie unerwünschte Regelschwingungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, bei der sich die Flüssigkeitsmenge am Boden des Behälters regeln läßt, und zwar so, daß starke Regelschwankungen durch plötzliche Temperaturänderungen am Fühler verhindert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Einrichtung gelöst.

Eine solche Einrichtung hat den Vorteil, daß der wirksame Strömungsquerschnitt der Düse gleichmäßig und proportional zum ansteigenden Flüssigkeitsspiegel geregelt werden kann; die Regelung kann schon bei geringsten Flüssigkeitsmengen ansprechen. Dabei besteht die Möglichkeit einer gedrängten Bauweise, insbesondere wenn die Expansionsdüse in der Mitte eines sie umgebenden rohrförmigen Gehäuses angeordnet ist und der Fühler (oder eine zu ihm gehörige Röhre) mit der Verlängerung an einer Seite der Düse vorbeigeführt ist Damit in diesem Fall die Zwischenräume zwischen dem Fühler oder dessen Röhre und anderen Teilen der Einrichtung nicht so klein werden, daß Tröpfchen des flüssigen Arbeitsmediums durch die Kapillarkräfte in den Zwischenräumen festgehalten werden und ein falsches Ansprechen der Regelvorrichtung verursachen, können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Fühler und die Düse in entgegengesetzten Richtungen bezüglich der Achse der Einrichtung versetzt sein, wobei um den Fühler ein das Festhalten von Flüssigkeitströpfchen durch Kapillarwirkung verhindernder freier Raum bestehen soll.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen etwas vereinfachten Längsschnitt durch eine mit dem Joule-Thomson-Effekt und mit Stickstoff als Arbeitsmedium arbeitende Einrichtung zur Kälteerzeugung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig.2 einen vereinfachten Längsschnitt, ähnlich F i g. 1, einer etwas abgewandelten Konstruktion.

Bei einer Einrichtung zur Kälteerzeugung, die unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes arbeitet wird ein Gas, dessen Temperatur unterhalb seiner Inversionstemperatur liegt, durch eine Expansionsdüse isenthalpisch entspannt, wobei sich das Arbeitsmedium abkühlt und gegebenenfalls verflüssigt. Bei solchen Einrichtungen kann das Arbeitsmedium nur dann abgekühlt werden, wenn es sich vor der Entspannung bereits unterhalb der Inversionstemperatur befindet. Stickstoff hat eine Inversionstemperatur von 620° K (347° C) und kann daher unmittelbar abgekühlt werden, wenn es aus einem Druckbehälter, z. B. einer Druckgasflasche, kommt, obwohl dabei in der Praxis Temperaturen bis zu 75° C vorkommen können. Da sich Stickstoff auch bei solchen Temperaturen noch erheblich unterhalb seiner Inversionstemperatur befindet, lassen sich also auf diese Weise genügende Mengen flüssigen Stickstoffes mit vernünftiger Geschwindigkeit erzeugen.

Bei Verwendung anderer Gase mit niedrigerer Inversionstemperatur, z. B. Neon, dessen Inversionstemperatur bei 430° K (157° C) liegt, ist es zweckmäßig, das Gas vor seiner weiteren Abkühlung in einer nach dem Joule-Thomson-Effekt arbeitenden Kälteerzeugungseinrichtung vorzukühlen, um die Erzeugung genügender Mengen verflüssigten Gases mit ausreichender Geschwindigkeit zu gewährleisten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung, die mit Neon als Arbeitsmedium arbeitet, wird daher das aus einer Vorratsflasche entnommene Neon, das anfänglich eine Temperatur bis zu 75° C haben kann, auf etwa 50° K vorgekühlt und dann der mit dem Joule-Thomson-Effekt arbeitenden Kühleinrichtung zugeführt, durch die dann eine genügende Menge des Neons auf dessen Verflüssigungstemperatur, nämlich 28° K, abgekühlt wird.

Die Vorkühlung kann durch irgendwelche bekannten Verfahren oder Einrichtungen erfolgen, z. B. unter Verwendung einer Expansionsmaschine, die mit dem Claude-Zyklus arbeitet, wie in der DT-OS 15 01065 vorgeschlagen ist S

Die Joule-Thomson-Kälteerzeugungseinrichtung gemäß der Erfindung kann im Prinzip wie die in der DT-PS 16 01 889 vorgeschlagene Einrichtung aufgebaut sein; der Hauptunterschied besteht in der Form des Fühlers der zur Regelung des Verschlusses der Expansionsdase in Abhängigkeit vom Niveau des flüssigen Arbeitsmediums dient

Die in F i g. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Kühleinrichtung hat eine langgestreckte Form, und für die folgende Beschreibung soll angenommen werden, daß die Einrichtung senkrecht mit ihrem kalten Ende unten angeordnet ist

Die Einrichtung enthält einen ringförmigen Wärmetauscher mit einem rohrförmigen Körper 131, um den eine gerippte Einlaßröhre 132 wendelförmig gewickelt ;o ist Die Einrichtung enthält ferner eine nichtdargestellte koaxiale äußere Röhre, die aus der innenwand einer Dewar-Flasche bestehen kann und die gerippte Röhre 132 umgibt Das der Einrichtung zugeführte, unter hohem Druck stehende Arbeitsmedium in der Röhre 132 wird durch das durch den Zwischenraum zwischen dem Körper 131 und der nichtdargestellten äußeren Röhre abströmende Gas gekühlt Das untere Ende der äußeren Röhre ist geschlossen und bildet einen Behälter, in dem sich verflüssigtes Arbeitsmedium ansammeln kann. Das obere Ende der gerippten, wendelförmig^ Röhre 132 steht mit einer Mittelbohrung im oberen Ende des Körpers in Verbindung, der unter Druck stehendes Arbeitsmedium zugeführt wird.

Am unteren Ende des Körpers 131 befindet sich eine Düse 170, die als Expansionsdüse für die Joule-Thomson-Kälteerzeugungseinrichtung dient.

Die wirksame Querschnittsfläche der Expansionsdüse wird durch einen Nadelventilkörper 190 gesteuert, der durch einen Balgen 140 betätigt wird.

Der Balgen 140 ist mit seinem offenen unteren Ende an einem Kragen 141 und dieser wiederum unten im Körper 131 des Wärmetauschers befestigt, während das bewegliche obere Ende des Balgens mit dem oberen Ende einer herabhängenden Röhre 193 verbunden ist

Die Düse 170 wird durch das untere Ende eines Gewindestopfens 174 gebildet, der an einem Block 175 befestigt ist, der am Kragen 141 im unteren Ende des inneren Mantels oder Körpers 131 befestigt ist. Der Gewindestopfen 174 ist am Block 175 durch eine Gewindehülse 176 befestigt, die außerdem zur Aufnahme eines porösen Filtereinsatzes 177 dient, durch den das Arbeitsmedium auf seinem Weg zur Expansionsdüse strömen muß, so daß etwaige Verunreinigungen, die sonst die Expansionsdüse verstopfen könnten, icondensiert und zurückgehalten werden.

Das untere Ende der wendeiförmigen Wärmetauscherröhre 132 ist in einer seitlichen öffnung des Blockes 175 befestigt und steht mit der Expansionsdüse in Verbindung.

Der Ventilkörper 190 ist in seitlicher Richtung relativ frei beweglich gelagert Sein oberes Ende arbeitet mit einem durch die Düse 170 gebildeten Sitz zusammen, während sein unteres Ende konisch geformt ist und in einem Sitz ruht, der in einem Gewindestöpsel 191 gebildet ist. Der Stöpsel 191 ist in einen Buchsenkörper 192 eingeschraubt, der, z. B. durch Verschweißen, fest mit dem unteren Ende der am oberen Ende des Balgens angebrachten Röhre 193 verbunden ist

Der Raum außerhalb des Balgens steht über eine Röhre 171 mit einem Fühler in Verbindung, der einen Dampfkolben 195 enthält, welcher zum Teil unterhalb der Expansionsdüse liegt und eine geeignete Flüssigkeit sowie einen mit dieser in Gleichgewicht stehenden Dampf enthält

Um Schwankungen auszuschalten oder zumindest stark zu verringern, die im Betrieb durch Änderungen des auf den Balgen einwirkenden Druckes auftreten können, reicht der Kolben 195 selbst nur eine kurze Strecke unter die Düse (er braucht sich sogar überhaupt nicht unter das Niveau der Düse zu erstrecken) und ist dafür mit einer Verlängerung 196 versehen, die die Form eines den Fühler vervollständigenden Metallstabes fiat Bei den bekannten Anordnungen, bei denen keine solche Verlängerung vorhanden ist und der Kolben selbst in das flüssige Arbeitsmedium eintauchen kann, ändert sich die Wärmeübertragung zum Inhalt des Kolbens sehr plötzlich, praktisch wie bei einer Zweipunktregelung, so daß der auf den Balgen einwirkende Druck entsprechend plötzlich schwankt und hierdurch Regelschwingungen auftreten können. Dies ist in der Praxis sehr unerwünscht

Die Verlängerung 196, die keinen Teil des Innenraumes des Kolbens 195 bildet, bewirkt dagegen, daß der auf den Balgen einwirkende Druck progressiv abnimmt, während der Spiegel des flüssigen Arbeitsmediums ansteigt, da sich dabei der Wärmeleitungsweg durch die Verlängerung zum Kolben entsprechend verkürzt Man erreicht dadurch eine wesentlich gleichmäßigere, proportionale Regelung zwischen dem höchsten und niedrigsten Flüssigkeitsstand und es wird mit Sicherheit verhindert, daß der Flüssigkeitsspiegel bis zur Düse oder gar zum Wärmetauscher ansteigt.

Im Betrieb strömt gasförmiges Arbeitsmedium (z. B. 75° C warmer Stickstoff oder vorzugsweise auf 50° K abgekühltes Neon) von einer Druckgasquelle, z. B einer Druckgasflasche, durch die wendeiförmige Einlaßröhre 132 und durch die Expansionsdüse 170, Wu es expandiert wird und sich abkühlt. Ein Teil des Arbeitsmediums wird dabei flüssig und sammelt sich unten in der nichtdargesteliten Dewar-Flasche an. Entspanntes und dadurch abgekühltes, aber nicht verflüssigtes Gas strömt durch den Strömungsweg ab, der im Wärmetauscher zwischen der nichtdargestellten äußeren Röhre und dem Körper 131 gebildet wird. Dieses Gas hat einen niedrigeren Druck als das ursprünglich zugeführte Gas und wird entweder zur Atmosphäre abgelassen oder wieder verdichtet.

Das durch die Einrichtung erzeugte, flüssige Arbeitsmedium wird zur Abführung von Wärme von einem zu kühlenden Körper benutzt, der sich entweder unterhalb der Einrichtung in der Dewar-Flasche befinden oder irgendwo anders außerhalb dieser Dewar-Flasche angeordnet sein kann und im letzteren Falle dann durch eine geeignete, nichtdargestellte Rohrleitung und Pumpe mit dem flüssigen Arbeitsmedium versorgt werden kann. Die Wärmemenge, die abgeführt werden muß, um die Temperatur des zu kühlenden Körpers innerhalb des vorgegebenen Soll-Bereiches zu halten, hängt selbstverständlich von der Temperatur der Umgebung ab, in der sich der zu kühlende Körper und die Kälteerzeugungseinrichtung befinden. Weitere Schwankungen des Wärmebedarfes können dadurch verursacht werden, daß der zu kühlende Körper oder Verbraucher intermittierend Wärme erzeugt, z. B, wenn der Verbraucher ein intermittierend arbeitendes elektri-

sches Gerät ist.

Wenn sich das flüssige Kühlmittel unten in der Dewar-Flasche ansammelt, erreicht sein Spiegel die Verlängerung 196 des Wärmefühlers schon zu einem Zeitpunkt, in dem sich der Flüssigkeitsspiegel noch ziemlich weit unterhalb der Expansionsdüse 170 befindet. Wenn die Flüssigkeit weiter ansteigt, wird der Dampfkolben 195 zunehmend stärker gekühlt Der Dampfkolben 195 enthält ein Medium, z. B. dasselbe Medium wie das Arbeitsmedium der Kälteerzeugungseinrichtung, welches bei der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums zur Kondensation neigt, wobei dann der Druck außerhalb des Balgens verringert wird und dieser sich dabei nach oben ausdehnt, so daß der Nadelventilkörper die Expansionsdüse schließt

Durch die beschriebene Anordnung wird die Strömungsrate des Gases automatisch und allmählich entsprechend der Menge des flüssigen Arbeitsmediums am Boden der Dewar-Flasche geregelt und die Gasströmung kann schon dann verringert und schließlich unterbrochen werden, wenn sich am Boden des Behälters erst eine relativ kleine Flüssigkeitsmenge angesammelt hat und bevor die Flüssigkeit das Niveau der Expansionsdüse erreicht. Die Flüssigkeit kann daher die Expansion des Gases nicht stören und die FlUssigkeitsmenge kann unabhängig von der Temperatur des Verbrauchers und der Umgebung automatisch auf einem ziemlich kleinen Wert gehalten werden.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung ist die Expansionsdüse 170 bezüglich der Achse der Einrichtung in entgegengesetzter Richtung wie die Röhre 171 und der Kolben 195 des Fühlers versetzt. Der Zweck dieser Maßnahme besteht darin, eine gedrängte Konstruktion zu ermöglichen, ohne daß dabei der Abstand zwischen dem Fühlerkolben oder der an diesen angeschlossenen Röhre einerseits und der Wand des Vakuumgefäßes oder der Expansionsdüse sowie der dieser zugeordneten Teile andererseits zu gering wird. Wenn die Abstände zu klein werden, besteht die Gefahr, daß Tröpfchen flüssigen Arbeitsmediums durch die Kapillarkräfte in Berührung mit dem Fühlerkolben oder der an diesen angeschlossenen Röhre gehalten werden, wobei dann das Ventil in unerwünschter Weise schließen kann, obwohl der Fühler noch nicht in flüssiges Kühlmittel eintaucht.

Die Expansionsdüse und die dieser zugeordneten

Teile sind mit einer Abschirmung 194 in Form eines sie teilweise umgebenden Käfigs aus Drahtnetz umgeben, um Flüssigkeitströpfchen abzufangen und gleichzeitig ein freies Entweichen vor. Abdampf zu ermöglichen. Durch die Abschirmung wird verhindert, daß kalter Dampf von der Expansionsdüse direkt auf den Fühlerkolben auftrifft und dadurch eine fehlerhafte Anzeige des Flüssigkeitsstandes ergibt.

Die Richtung der durch den Balgen 140 ausgeübten Kraft ist nicht unbedingt parallel zum Nadelventilkörper 190. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, sind der Buchsenkörper 192 und die Röhre 193 mittel» einer S-förmigen Blattfederführung 197 an einem festen Bauteil, insbesondere dem Block 175, befestigt. Die Blattfederführung führt die am Balgen befestigte Röhre 193 derart, daß sie sich nur geradlinig bewegen kann und ein Kippen des Nadelventilkörpers verhindert wird.

F i g. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine andere Einrichtung zur Kälteerzeugung, wie sie in der DT-OS 17 51 155 vorgeschlagen ist Die Anordnung ist im wesentlichen ähnlich dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß ein kegel- oder kegelstumpfförmiger Wärmetauscher 210 verwendet wird, dessen größeres Ende oben liegt während die Expansionsdüse 211 am unteren Ende angeordnet ist Das obere Ende des Wärmetauschers wird von einer Membrane 212 umspannt, die mit einem Deckel 213 eine geschlossene Kammer 214 bildet Die Kammer 214 ist durch eine auf der Innenseite der Einrichtung verlaufende Röhre 216 mit einem Wärmefühlerkolben 215 verbunden, der über die Expansionsdüse hinaus nach unten reicht Die Membrane ist über ein Betätigungsglied 217 mit einem Bügel 218 verbunden, der einen nadeiförmigen Regeiventilkörper 220 trägt, welcher im wesentlichen wie der gemäß F i g. 1 ausgebildet sein kann. Im übrigen kann die Einrichtung in bekannter Weise ausgebildet sein.

Die Kühleinrichtung kann zwei Stufen enthalten, von denen eine oder beide wie die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele oder die obenerwähnten vorgeschlagenen Einrichtungen ausgebildet sein können. Insbesondere kann die erste Stufe eine mit dem Claude-Zyklus arbeitende Expansionsmaschine enthalten, wie es in Fig. 1 DT-OS 15 01 065 dargestellt ist während die zweite Stufe den oben beschriebenen einstufigen Ausführungsbeispielen entspricht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kälteerzeugung mit einer Düse, durch die ein gasförmiges Arbeitsmedium, dessen Temperatur unter der Inversionstemperatur liegt, entspannt wird, wobei sich verflüssigtes Arbeitsmedium am Boden eines die Düse enthaltenden Behälters ansammelt, und mit einer Regelvorrichtung zur Veränderung der die Düse durchströmenden Gasmenge, welche einen Fühler enthält, der im Behälter mindestens teilweise unterhalb des Niveaus der Düse angeordnet ist und einen Dampfkolben aufweist, der mit einem Balgen oder einer anderen expandierbaren Kammer in Verbindung steht, deren bewegliches Ende mit einem beweglichen Ventilglied verbunden ist, welches mit der Düse zusammenarbeitet und deren wirksamen Strömungsquerschnitt steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler eine gut wärmeleitende Verlangerung (196) aufweist, die bis in das verflüssigte Arbeitsmittel reicht, wenn dessen Spiegel in Richtung auf den Boden des Dampfkolbens (195) ansteigt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fühler und der Düse (170) eine den Fühler vor dem direkten Auftreffen von Arbeitsmedium von der Düse schützende Abschirmung (194) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (171, 195; 215, 216; 196) und die Düse (170; 211) in entgegengesetzten Richtungen bezüglich der Achse der Einrichtung versetzt sind und um den Fühler ein das Festhalten von Flüssigkeitströpfchen durch Kapillarwirkung verhindernder freier Raum besteht.