DE19713575C1

DE19713575C1 - Stirling-type refrigerator unit

Info

Publication number: DE19713575C1
Application number: DE1997113575
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Bareiss; Herbert Dr Korf; Horst Dr Maier; Gisbert Schellenberger
Original assignee: AEG Infrarot Module GmbH
Current assignee: AIM Infrarot Module GmbH
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2017-04-03

Abstract

The unit comprises a compressor (1) and cooler (2) connected by pressure pipe (3), the three containing the working gas, where the pressure-pipe is movable. A pressure-vessel (4) is connected by a valve (5) to the compressor (1), and is filled with a predetermined amount of the working gas. It holds a set amount of gas ready in the compressor, cooler and pipe. The latter can incorporate one or more universal joints (30), or can be of elastic material, while the valve can be a pressure-reducing one controlled pneumatically or by solenoid. The cooler can be gimbal-mounted.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Kältemaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a Stirling refrigerator according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Kältemaschine ist beispielsweise aus der DE 40 37 826 A1 bekannt. Diese vorbekannte Kältemaschine arbeitet nach dem Prinzip eines thermodynamischen Kreisprozesses, bei dem das Arbeitsgas in einem geschlossenen Gassystem vier Zustandsänderungen durchläuft. Die erste Zustandsänderung ist eine im wesentlichen isotherme Kompression, bei der das Arbeitsgas in der Kompressionseinheit komprimiert wird und bei der Wärme an die Umgebung abgegeben wird, die zweite Zustandsänderung ist eine im wesentlichen isochore Abkühlung, bei der das Arbeitsgas von der Kompressionseinheit durch die Druckleitung zur Kühleinheit, dem soge nannten Kaltfinger, verschoben wird und bei der das Arbeitsgas Wärme einem Regenerator abgibt, die dritte Zustandsänderung ist eine im wesent lichen isotherme Expansion, bei der das Arbeitsgas in der Kühleinheit expandiert wird und bei der die Kühleinheit durch Wärmeabgabe und das Arbeitsgas abgekühlt wird, und die vierte Zustandsänderung ist eine im wesentlichen isochore Erwärmung, bei der das Arbeitsgas von der Kühl einheit durch die Druckleitung zur Kompressionseinheit verschoben wird und bei der das Arbeitsgas die bei der isochoren Abkühlung dem Regene rator abgegebene Wärme wieder aufnimmt.Such a refrigerator is known for example from DE 40 37 826 A1 known. This known chiller works on the principle of one thermodynamic cycle, in which the working gas in one closed gas system undergoes four changes in state. The first Change of state is essentially isothermal compression in which the working gas is compressed in the compression unit and at Heat is released to the environment, which is the second change of state an essentially isochoric cooling, in which the working gas from the Compression unit through the pressure line to the cooling unit, the so-called called cold finger, is shifted and in which the working gas heat a regenerator, the third change of state is essentially one lichen isothermal expansion, in which the working gas in the cooling unit is expanded and in which the cooling unit through heat emission and the Working gas is cooled, and the fourth change of state is an im essential isochoric heating, in which the working gas from the cooling unit is moved through the pressure line to the compression unit and where the working gas is the one that is raining during isochoric cooling rator absorbs heat again.

Im übrigen ist aus der DE 32 01 496 A1 eine Kältemaschine bekannt, bei der ein Kälteerzeuger und eine Gassteuereinrichtung als getrennte Bauteile über eine Rohrleitung miteinander verbunden sind.For the rest, a refrigerator is known from DE 32 01 496 A1, in which a Refrigerator and a gas control device as separate components via a Pipeline are interconnected.

Bei einer sogenannten split-cycle-Stirling-Kältemaschine weist die Kühlein heit bezüglich der Kompressionseinheit eine beliebige feste Lage auf. Die Kompressionseinheit erzeugt mit mindestens einem Kompressionskolben in der Druckleitung einen oszillierenden Gasdruck, durch den in der Kühl einheit ein als Regenerator fungierender poröser Verdrängerkolben zur Durchführung einer oszillierenden Bewegung angeregt wird. Diese oszillierende Bewegung bewirkt ihrerseits die zur Abkühlung der Kühlein heit erforderliche Expansion des durch den porösen Verdrängerkolben in einen Expansionsraum der Kühleinheit diffundierten Arbeitsgases.In a so-called split-cycle Stirling refrigerator, the cooler shows any fixed position with respect to the compression unit. The Compression unit generated with at least one compression piston in the pressure line an oscillating gas pressure through which in the cooling unit is a porous displacement piston that acts as a regenerator Performing an oscillating motion. This oscillating movement in turn causes the cooler to cool down required expansion of the by the porous displacement in an expansion space of the cooling unit diffused working gas.

Der wesentliche Nachteil dieser Kältemaschine besteht darin, daß die Kühleinheit und die Kompressionseinheit zwar in einer beliebigen Lage zueinander angeordnet, aber starr miteinander verbunden sind, so daß zur Bewegung der Kühleinheit auch die Kompressionseinheit bewegt werden muß, d. h. die Kühleinheit ist aufgrund der Trägheit der zu bewegenden Masse nur mit erheblichem Kräfteaufwand bewegbar.The main disadvantage of this refrigerator is that Cooling unit and the compression unit in any position arranged to each other, but rigidly connected to each other, so that to Movement of the cooling unit also moves the compression unit must, d. H. the cooling unit is due to the inertia of the moving Mass can only be moved with considerable effort.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stirling-Kältemaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, deren Kühlein heit relativ zur Kompressionseinheit bewegbar ist.The invention is therefore based on the object of a Stirling refrigerator specify according to the preamble of claim 1, the cooling unit is movable relative to the compression unit.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous refinements and training endings result from the subclaims.

Erfindungsgemäß ist die die Kompressionseinheit mit der Kühleinheit verbindende Druckleitung beweglich, vorzugsweise als Rohrleitung mit mindestens einer Gelenkkupplung oder als Druckleitung aus elastischem Material, ausgeführt. Ein mit einer bestimmten Menge des Arbeitsgases gefüllter Druckbehälter ist über ein Ventil, welches vorzugsweise als elektro magnetisch oder pneumatisch steuerbares Druckreduzierventil ausgebildet ist, mit der Kompressionseinheit fest verbunden. Der Druckbehälter dient dabei der Bereitstellung einer definierten, für den Kühlbetrieb erforder lichen, Menge des Arbeitsgases in der Kompressionseinheit, in der Druck leitung und in der Kühleinheit. Arbeitsgas, das aus der nicht absolut gas dicht herstellbaren beweglichen Druckleitung entweicht, wird folglich durch neues Arbeitsgas aus dem Druckbehälter ausgeglichen.According to the invention, this is the compression unit with the cooling unit connecting pressure line movable, preferably as a pipeline with at least one articulated coupling or as a pressure line made of elastic Material, executed. One with a certain amount of the working gas filled pressure vessel is via a valve, which is preferably an electro magnetically or pneumatically controllable pressure reducing valve is firmly connected to the compression unit. The pressure vessel serves the provision of a defined, required for cooling operation Lichen, amount of working gas in the compression unit, in the pressure pipe and in the cooling unit. Working gas that is not absolutely gas tightly manufactured movable pressure line escapes, is consequently compensated by new working gas from the pressure vessel.

Die erfindungsgemäße Kältemaschine eignet sich bestens zum Kühlen von elektronischen oder optoelektronischen Bauteilen, insbesondere zum Kühlen von Infrarot-Detektoren in bewegten Detektoranordnungen. The refrigerator according to the invention is ideally suited for cooling electronic or optoelectronic components, in particular for Cooling infrared detectors in moving detector arrangements.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kältemaschine ist die Kühleinheit auf eine kardanische Halterung angebracht, über die die Bewegung der Kühleinheit gesteuert wird.In an advantageous embodiment of the refrigerator according to the invention the cooling unit is mounted on a gimbal bracket, over which the Movement of the cooling unit is controlled.

Vorteilhafterweise wird zur Inbetriebnahme der Kältemaschine zunächst durch Öffnen des Ventils ein definierter Betriebsdruck in der Kompressions einheit, in der Kühleinheit und in der Druckleitung erzeugt und erst anschließend die Kompressionseinheit gestartet. Hierdurch wird die Betriebsbereitschaft der Kältemaschine auch nach langer Lagerzeit gewähr leistet. Um mehrere Inbetriebnahmen oder lange Betriebszeiten zu ermög lichen, wird das Ventil vorzugsweise nur kurzzeitig geöffnet und bleibt bei jeder Betriebsunterbrechung geschlossen.It is advantageous to start up the refrigerator first a defined operating pressure in the compression by opening the valve unit, generated in the cooling unit and in the pressure line and only then started the compression unit. This will make the Operate the chiller even after a long storage period accomplishes. To enable multiple start-ups or long operating times Lichen, the valve is preferably opened only briefly and remains closed every business interruption.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben.The invention is described below using an exemplary embodiment Described in more detail with reference to the figure.

Die Figur zeigt dabei die Prinzipdarstellung eines Infrarot-Systems mit einem Infrarot-Detektor 6, welcher zur Erfassung eines großen Bildfeldes eine Rasterbewegung durchführt.The figure shows the basic illustration of an infrared system with an infrared detector 6 , which performs a raster movement to detect a large image field.

Gemäß der Figur weist das Infrarot-System eine split-cycle-Stirling-Kältema schine mit einer Kompressionseinheit 1, einer Druckleitung 3 und einer über die Druckleitung 3 mit der Kompressionseinheit 1 verbundenen Kühleinheit 2, ein Druckreduzierventil 5, einen über das Druckreduzierventil 5 mit der Kompressionseinheit 1 fest verbundenen Druckbehälter 4 und den auf die Kühleinheit 2 aufgesetzten und mittels der Kältemaschine zu kühlenden Infrarot-Detektor 6 auf. Die Kühleinheit 2 und der Infrarot-Detektor 6 befinden sich in einem gasevakuierten Gehäuse, dem Dewar 8, der an der dem Infrarot-Detektor 6 zugewandten Seite ein Sichtfenster 7 für die Infrarot-Strahlung 9 aufweist. Die Kältemaschine, d. h. die Kompressionsein heit 1, die Kühleinheit 2 und die Druckleitung 3, bilden dabei ein mit Arbeits gas, vorzugsweise mit Helium, gefülltes Gassystem, in welchem der mittlere Betriebsdruck etwa 30 bar beträgt. Der Gasdruck in dem mit dem gleichen Arbeitsgas gefüllten Druckbehälter 4 ist wesentlich größer als der mittlere Betriebsdruck im Gassystem und beträgt beispielsweise etwa 500 bar.According to the figure, the infrared system has a split-cycle Stirling refrigeration machine with a compression unit 1 , a pressure line 3 and a cooling unit 2 connected to the compression unit 1 via the pressure line 3 , a pressure reducing valve 5 , one via the pressure reducing valve 5 with the Compression unit 1 firmly connected pressure vessel 4 and the infrared detector 6 placed on the cooling unit 2 and to be cooled by means of the refrigerator. The cooling unit 2 and the infrared detector 6 are located in a gas-evacuated housing, the Dewar 8 , which has a viewing window 7 for the infrared radiation 9 on the side facing the infrared detector 6 . The refrigerator, ie the compression unit 1 , the cooling unit 2 and the pressure line 3 , form a gas system filled with working gas, preferably with helium, in which the average operating pressure is approximately 30 bar. The gas pressure in the pressure vessel 4 filled with the same working gas is substantially greater than the average operating pressure in the gas system and is, for example, approximately 500 bar.

Die Druckleitung 3 weist einen Innendurchmesser von etwa 1,5 mm und eine Länge von etwa 25 cm auf. Sie ist beweglich ausgeführt, so daß die den Infrarot-Detektor 6 tragende Kühleinheit 2 relativ zur Kompressionseinheit 1 bewegt werden kann. Daher sind zur Durchführung der geforderten Rasterbewegung lediglich geringe Massen zu bewegen, so daß der hierzu erforderliche Kraftaufwand gering gehalten wird. Um die Beweglichkeit der Druckleitung 3 zu gewährleisten, weist diese mindestens eine mit mindestens einer Gelenkkupplung 30 verbundene starre Rohrleitung 31 auf.The pressure line 3 has an inner diameter of approximately 1.5 mm and a length of approximately 25 cm. It is designed to be movable so that the cooling unit 2 carrying the infrared detector 6 can be moved relative to the compression unit 1 . Therefore, only small masses have to be moved to carry out the required grid movement, so that the force required for this is kept low. In order to ensure the mobility of the pressure line 3 , it has at least one rigid pipeline 31 connected to at least one articulated coupling 30 .

Da die Gelenkkupplungen 30 nicht absolut gasdicht herstellbar sind - sie weisen typische Leckraten von etwa 10^-5 cm³/min bei 300 bar auf - kann das Gassystem nur näherungsweise als geschlossen angesehen werden. Um den für die Funktionsfähigkeit der Kältemaschine erforderlichen mittleren Be triebsdruck im Gassystem auch nach langer Lagerzeit und/oder langer Betriebszeit zu gewährleisten, wird das durch Gaslecks aus der Druckleitung 3 ausweichende Arbeitsgas zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Kälte maschine, d. h. vor dem Starten der Kompressionseinheit 1, und ggf. auch während des Betriebs durch neues Arbeitsgas ersetzt. Dieses neue Arbeits gas wird aus dem Druckbehälter 4 über das Druckreduzierventil 5 der Kompressionseinheit 1 zugeführt. Das elektromagnetisch oder pneumatisch steuerbare Druckreduzierventil 5 wird hierzu kurzzeitig geöffnet und an schließend wieder geschlossen. Dieser Vorgang ist bei Bedarf, insbesondere bei längeren Betriebszeiten, mehrfach zu wiederholen. Dabei wird die Kompressionseinheit 1 zur ersten Inbetriebnahme der Kältemaschine und ggf. nach längeren Betriebsunterbrechungen erst zeitlich verzögert nach dem Öffnen des Druckreduzierventils 5 und/oder mit reduzierter anfäng licher Leistung gestartet.Since the articulated couplings 30 cannot be produced in an absolutely gas-tight manner - they have typical leak rates of approximately 10 ^-5 cm ³ / min at 300 bar - the gas system can only be regarded as approximately closed. In order to ensure the required operating pressure in the gas system for the refrigeration machine to function even after a long storage period and / or after a long period of operation, the working gas escaping due to gas leaks from the pressure line 3 becomes the machine at the time of commissioning of the refrigerator, ie before the compression unit 1 is started , and possibly also replaced with new working gas during operation. This new working gas is supplied from the pressure vessel 4 via the pressure reducing valve 5 to the compression unit 1 . For this purpose, the electromagnetically or pneumatically controllable pressure reducing valve 5 is briefly opened and then closed again. This process has to be repeated several times if necessary, especially with longer operating times. The compression unit 1 for the first start-up of the refrigeration machine and possibly after longer interruptions in operation is only delayed after the opening of the pressure reducing valve 5 and / or with a reduced initial output.

Zum Nachfüllen des Arbeitsgases wird dieses in der Kompressionseinheit 1 einem hinter einem Kompressionskolben liegenden Totraum zugeführt und diffundiert von da aus entlang den Begrenzungswänden des Kompressions kolbens in einen vor dem Kompressionskolben liegenden Kompressions raum der Kompressionseinheit 1, in welchem durch eine lineare Oszilla tionsbewegung des Kompressionskolbens der zum Kühlen der Kühleinheit 2 erforderliche oszillierende Gasdruck des Arbeitsgases erzeugt wird. Im Kom pressionsraum und im Totraum stellen sich dabei gleiche mittlere Gasdrücke ein, wobei im Totraum - aufgrund dessen bezüglich dem Kompressions raum groß gewählten Volumens - lediglich geringe Druckschwankungen des Arbeitsgases auftreten, die die Funktionsfähigkeit des Druckreduzierventils 5 nicht beeinträchtigen. Die Vorgabe des Solldrucks auf der Niederdruck seite des Druckreduzierventils 5 gewährleistet somit den für den Kühlbe trieb erforderlichen mittleren Betriebsdruck im Gassystem.To refill the working gas, this is supplied in the compression unit 1 to a dead space lying behind a compression piston and diffuses from there along the boundary walls of the compression piston into a compression space of the compression unit 1 lying in front of the compression piston, in which the linear compression movement of the compression piston causes the for cooling the cooling unit 2 required oscillating gas pressure of the working gas is generated. In the compression space and in the dead space there are the same mean gas pressures, with only small pressure fluctuations in the working gas occurring in the dead space - due to the volume selected with respect to the compression space - which do not impair the functionality of the pressure reducing valve 5 . The specification of the target pressure on the low pressure side of the pressure reducing valve 5 thus ensures the medium operating pressure required for the cooling operation in the gas system.

Um eine durch Fehlfunktionen des Druckreduzierventils 5 bedingte Zerstö rung der Kältemaschine zu verhindern, ist auf der Niederdruckseite des Druckreduzierventils 5 eine Burst-Scheibe vorgesehen, die bei einem einen bestimmten Wert überschreitenden Gasdruck des Arbeitsgases zerstört wird und das Ausweichen von Arbeitsgas aus der Kompressionseinheit 1 ermög licht.A caused by malfunction of the pressure reducing valve 5 destruc tion to prevent the refrigerating machine is a burst disk provided on the low pressure side of the pressure reducing valve 5, the border in a a specific value gas pressure of the working gas is destroyed and the avoidance of working gas from the compression unit 1 is made light.

Claims

1. Stirling refrigerator with a compression unit ( 1 ), with a cooling unit ( 2 ), with a compression unit ( 1 ) with the cooling unit ( 2 ) ver binding pressure line ( 3 ) and with one in the compression unit ( 1 ), in the cooling unit ( 2 ) and in the pressure line ( 3 ) working gas, characterized in that the pressure line ( 3 ) is designed to be movable and that a via a valve ( 5 ) with the compression unit ( 1 ) firmly connected and with a certain Amount of the working gas filled pressure vessel ( 4 ) to provide a defined amount of the working gas in the compression unit ( 1 ), the cooling unit ( 2 ) and the pressure line ( 3 ) is provided.

2. Chiller according to claim 1, characterized in that the pressure line ( 3 ) as a pipe ( 31 ) with at least one articulated coupling ( 30 ) is executed.

3. Chiller according to claim 1, characterized in that the pressure line ( 3 ) consists of an elastic material.

4. Chiller according to one of the preceding claims, characterized in that the valve ( 5 ) is designed as an electromagnetically or pneumatically controllable pressure reducing valve.

5. Chiller according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling unit ( 2 ) is mounted on a gimbal.

6. Use of a refrigerator according to one of the preceding claims for cooling at least one electronic or optoelectronic component ( 6 ).

7. Use according to claim 6 for cooling at least one infrared detector ( 6 ).

8. A method of operating a refrigerator according to one of the preceding claims, characterized in that for starting the refrigerator by opening the valve ( 5 ) first a defined operating pressure of the working gas is generated in the refrigerator and then the compression unit ( 1 ) is started .

9. The method according to claim 8, characterized in that the valve ( 5 ) is closed after the generation of the defined operating pressure and remains closed when the refrigeration machine is interrupted.