DE19838965B4

DE19838965B4 - Gas refrigerator

Info

Publication number: DE19838965B4
Application number: DE19838965A
Authority: DE
Inventors: Gunter Dr.rer.nat. Kaiser
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: DE19838965A1

Abstract

Gaskältemaschine, die einen geschlossenen Gaskreisprozess realisiert, insbesondere für kryogene Anwendungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Bernoulli-Prinzip arbeitet, wobei eine vom Verdichter (1) führende, laminar durchströmte Hochdruckleitung (2) am kalten Wärmeübertrager (3) durch eine kontinuierliche Querschnittsverengung (4) in eine zum Verdichter (1) führende Niederdruckleitung (5) übergeht.Gas refrigerator, which realizes a closed gas cycle process, in particular for cryogenic Applications, characterized in that they according to the Bernoulli principle operates, one of the compressor (1) leading, laminar flow through the high pressure line (2) on the cold heat exchanger (3) by a continuous cross-sectional constriction (4) in one leading to the compressor (1) Low pressure line (5) passes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaskältemaschine, die bedingt durch ihren Aufbau und ihr Funktionsprinzip einen äußerst vibrationsarmen Betrieb für verschiedene Anwendungen garantiert. Bei geringen Kälteleistungen wird diese Gaskältemaschine hauptsächlich zur Kühlung von vibrationsempfindlichen kryoelektronischen Anwendungen, wie z.B. HTSL-Sensoren und -Mikrowellenfiltern oder Infrarot-Sensoren, bei größeren Kälteleistungen aber auch als vibratiansarme Kryo-Vakuumpumpe, z.B. für Anlagen der Halbleitierindustrie, eingesetzt.The Invention relates to a gas refrigerator, Due to their structure and their functional principle, they are extremely low-vibration Operation for guaranteed different applications. At low cooling capacities will this gas refrigerator mainly for cooling of vibration-sensitive cryo-electronic applications, such as e.g. HTSL sensors and microwave filters or infrared sensors, for larger cooling capacities but also as a low-vibration cryogenic vacuum pump, e.g. for plants the semiconductor industry, used.

Nach dem Stand der Technik werden empfindliche kryoelektronische Anwendungen hauptsächlich durch die Anwendung verflüssigter kryogener Gase, wie Helium oder Stickstoff, in sogenannten Kryostaten gekühlt, da nur auf diese Weise die Anforderungen bezüglich der Größe der äußeren Störgrößen erfüllt werden können.To The prior art is becoming sensitive cryo-electronic applications mainly liquefied by the application cryogenic gases, such as helium or nitrogen, in so-called cryostats cooled, because only in this way the requirements regarding the size of the external disturbances are met can.

Für bestimmte Einsatzfälle, z.B. in der Raumfahrt, bzw. um den Anwender nicht mit dem Umgang mit Gefahrenstoffen in Form kryogener Flüssigkeiten zu konfrontieren, ist es notwendig, eine maschinelle Kühlung einzusetzen. Deshalb wird derzeit intensiv nach Möglichkeiten gesucht, leistungsmäßig angepaßte und störarme Gaskältemaschinen zur Kühlung dieser Anwendungen einzusetzen. Dazu wird an der Entstörung bekannter Kältemaschinen, wie z.B. der Stirling-Kältemaschine oder der Entwicklung neuartiger störarmer Kältemaschinen gearbeitet.For certain Applications, e.g. in space, or around the user with the handling to confront with hazardous substances in the form of cryogenic liquids, it is necessary to use a machine cooling. Therefore is currently intensively looking for opportunities searched, adapted in terms of performance and low interference Gas chillers for cooling to use these applications. This is known to the suppression Chillers, like e.g. the Stirling chiller or the development of novel low-noise chillers worked.

Gegenwärtig werden nur Gaskältemaschinen, die nach einem der Pulse-Tube- oder der Joule-Thomson-Verfahren arbeiten, eingesetzt. Beide Verfahren zeichnen sich durch äußerst geringe Vibrationen aus, was dadurch erreicht wird, daß bewegte Teile am Kaltkopf der Maschine konsequent vermieden werden.Becoming present only gas chillers, one of the Pulse-Tube or Joule-Thomson methods work, used. Both methods are characterized by extremely low Vibrations, which is achieved in that moving parts on the cold head the machine can be consistently avoided.

Pulse-Tube-Kältemaschinen haben jedoch den Nachteil, daß die Anpassung der Maschine an den Kälteleistungsbereich unterhalb von 1 W bei 80 K unbefriedigend ist, da bei der absteigenden Skalierung die thermodynamischen Verlustprozesse progressiv im Verhältnis zur Bruttokälteleistung ansteigen. Bedingt durch die zum Antrieb dieser Maschinen erforderlichen Druckoszillation sind auch die Vibrationspegel deutlich schlechter als bei Joule-Thomson-Kältemaschinen. Bei diesen Kältemaschinen begrenzt der Tripelpunkt des eingesetzten Arbeitsgases die minimal erreichbare Temperatur. Einstufige Jaule-Thomson-Kühler, die mit Stickstoff betrieben werden, erreichen somit minimal 63 K. Praktisch werden selten Temperaturen unter 70 K erreicht.Pulse tube refrigerators However, have the disadvantage that the Adaptation of the machine to the cooling capacity range below 1 W at 80 K is unsatisfactory, since at the descending Scaling the thermodynamic loss processes progressively in relation to Gross cooling capacity increase. Due to the required for driving these machines Pressure oscillation also the vibration levels are significantly worse as with Joule-Thomson chillers. In these chillers The triple point of the working gas used limits the minimum attainable temperature. Single-stage Jaule-Thomson coolers, which are operated with nitrogen, thus reach a minimum of 63 K. Practically, temperatures below 70 K are rarely reached.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gaskältemaschine zu schaffen, die einen störarmen, insbesondere vibrationsarmen Betrieb ermöglicht, für einen breiten Kälteleistungsbereich anwendbar und relativ einfach in ihrer Herstellung ist.task The invention is a gas refrigerator to create a sturdy, particularly low-vibration operation, for a wide cooling capacity range applicable and relatively easy to manufacture.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche enthalten Ausführungsformen der Erfindung.According to the invention Problem solved by the features of the main claim. The under claims contain embodiments the invention.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gaskältemaschine besteht aus einem Verdichter, einem Rekuperator sowie einem kalten und warmen Wärmetauscher. Während der innere Querschnitt des kalten Wärmeübertragers so gestaltet sein muß, daß die Gasgeschwindigkeit erhöht wird, ist der innere Querschnitt des warmen Wärmeübertragers durch eine Querschnittserweiterung auf die Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit ausgelegt. Im Rekuperator ist ein möglichst laminares Strömungsregime anzustreben, indem ein möglichst geringer Reibungswiderstand bei hohen Gasgeschwindigkeiten realisiert wird. Im Falle eines geringen Temperaturgefälles zwischen den Wärmetauschern kann evtl. der Rekuperator entfallen. Es ist auch möglich, einen offenen Kreisprozeß zu führen. Die Druckgasversorgung kann dann auch aus einem Druckgefäß erfolgen. Beim Betrieb als Gaskältemaschine kann sowohl im offenen als auch im geschlossenen Prozeß der warme Wärmetauscher entfallen. Der Wärmetransport erfolgt dann entweder beim offenen System als messetragender Enthalpiestrom in die Umgebung oder beim geschlossenen System über die Kühlung des Verdichters.A preferred embodiment the gas refrigerator according to the invention consists of a compressor, a recuperator and a cold one and warm heat exchanger. While the internal cross section of the cold heat exchanger to be designed must that the gas speed is increased, is the inner cross section of the warm heat exchanger by a cross-sectional widening designed to reduce the flow rate. In the recuperator is one possible laminar flow regime to strive for as possible low friction resistance realized at high gas velocities becomes. In case of a small temperature gradient between the heat exchangers possibly the recuperator can be omitted. It is also possible to have one open cycle to to lead. The Compressed gas supply can then also take place from a pressure vessel. When operating as a gas refrigerator can warm in both open and closed processes heat exchangers omitted. The heat transport is then carried out either in the open system as Meß¬ Enthalpiestrom in the environment or in the closed system via the cooling of the compressor.

Bezüglich ihrer thermodynamischen Kenngrößen kann die erfindungsgemäße Gaskältemaschine in einstufiger Ausführung zur Kühlung im Temperaturbereich zwischen etwa 50...300 K, in mehrstufiger Ausführung bis unter 4 K eingesetzt und, bedingt durch ihr gutes Skalierungsverhalten, für den Kälteleistungsbereich von wenigen Milliwatt bis zu mehreren hundert Watt optimiert werden.With respect to their thermodynamic characteristics can the gas refrigerator according to the invention in single-stage execution for cooling in the temperature range between about 50 ... 300 K, in multi-stage execution up to below 4 K and, due to their good scaling behavior, for the cooling capacity range be optimized from a few milliwatts to several hundred watts.

Bei Einsatz eines Rekuperators strömt nach der Erfindung das Arbeitsgas aus dem Verdichter mit Hochdruck in den Rekuperator, in dessen Hochdruckkanal eine möglichst isobare Abkühlung erfolgt. Durch die Querschnittsverengung im kalten Wärmetauscher wird der Gasstrom beschleunigt. Diese Beschleunigung bewirkt nach dem Bernoulli-Prinzip eine Verminderung des statischen Drucks. Vom Arbeitsgas wird bei dieser Expansion Volumenarbeit geleistet. Die dazu erforderliche Energie wird bei möglichst isothermer Prozeßführung dem kalten Wärmetauscher entzogen. Das entspannte Arbeitsgas strömt unter möglichst isobarer Erwärmung durch den Niederdruckkanal des Rekuperators zum warmen Wärmetauscher. Die Querschnittserweiterung im warmen Wärmeübertrager bewirkt eine Verminderung der Gasgeschwindigkeit, wobei, analog wie im Falle des kalten Wärmetauschers, durch das Bernoulli-Prinzip der statische Druck erhöht wird. Die dadurch am Arbeitsgas geleistete Volumenarbeit wird bei möglichst isothermer Prozeßführung als Wärme über den warmen Wärmetauscher abgegeben.When using a recuperator flows according to the invention, the working gas from the compressor at high pressure in the recuperator, in whose high-pressure channel as isobaric cooling takes place. The cross-sectional constriction in the cold heat exchanger accelerates the gas flow. This acceleration causes according to the Bernoulli principle, a reduction of the static pressure. The working gas is performed in this expansion volume work. The energy required for this is extracted from the cold heat exchanger with as isothermal process control as possible. The relaxed working gas flows under asobaric heating through the low pressure channel of the recuperator to the warm heat exchanger. The cross-sectional widening in the warm heat exchanger causes a reduction in the gas velocity, whereby, as in the case of the cold heat exchanger, by the Bernoulli principle, the static pressure is increased. The volume work performed as a result on the working gas is given off as heat via the warm heat exchanger when the process is as isothermal as possible.

Der beschriebene Kreisprozeß ist thermodynamisch äquivalent zum Brayton-Kreisprozeß mit Expansionsenergie-Rückführung und erreicht daher auch dessen ideale Leistungszahl, die der Carnot-Leistungszahl entspricht. Der Energieaustausch zwischen Arbeitsgas und Wandung ist an jeder Stelle im System erwünscht und notwendig und erzeugt, im Gegensatz zu verschiedenen anderen Kreisprozeßmaschinen, keine Verluste. Wärmekraftmaschinen, die nach dem beschriebene Kreisprozeß arbeiten, sind daher nahezu beliebig in ihrer Leistung und Größe skalierbar. Das Prinzip läßt sich auch in Mikrostrukturtechnologie verwirklichen. Dadurch lassen sich z.B. miniaturisierte Kleinkühler für kryoelektronische Anwendungen realisieren. Bedingt durch die Gleichdruckversorgung sind Wärmekraftmaschinen, die dieses Prinzip nutzen, sehr vibrationsarm.Of the is described cycle process thermodynamically equivalent to the Brayton cycle with Expansion energy feedback and therefore also reaches its ideal coefficient of performance, the Carnot coefficient of performance equivalent. The energy exchange between working gas and wall is desired and necessary at every point in the system and generates, unlike many other cycle machines, no losses. Heat engines that work according to the cycle described are therefore almost arbitrarily scalable in their performance and size. The principle let yourself also in microstructure technology. This can be done e.g. miniaturized small cooler for cryoelectronic Implement applications. Due to the constant pressure supply are heat engines that use this principle, very low vibration.

An den nachfolgenden Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden:At the following embodiments the invention should be closer explained become:

1 zeigt den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Gaskältemaschine zur Erläuterung des Prinzips. 1 shows the basic structure of the gas refrigerator according to the invention for explaining the principle.

2 zeigt in den Bildern a bis d mögliche Kaskadierungen der Gaskältemaschine. 2 shows in the pictures a to d possible cascading of the gas refrigerator.

3 zeigt eine Ausführungsform als Rohr in Rohr-Typ. 3 shows an embodiment as a tube in tube type.

4 zeigt eine Ausführungsform mit Matrix-Rekuperator, speziell für hohe Kälteleistungen. 4 shows an embodiment with matrix recuperator, especially for high cooling capacities.

5 zeigt eine mögliche Mikrostruktur für Kälteleistungen im Milliwatt-Bereich 5 shows a possible microstructure for cooling powers in the milliwatt range

Gemäß 1 besteht die erfindungsgemäße Gaskältemaschine aus dem Verdichter 1, der Hochdruckleitung 2, dem kalten Wärmeübertrager 3 mit der Querschnittsverengung 4 und der zum Verdichter 1 führenden Niederdruckleitung 5. Zwischen dem kalten und warmen Wärmeübertrager 3 und 7 sind die Hochdruckleitung 2 und Niederdruckleitung 5 als Gegenstrom-Rekuperator 6 ausgebildet. Im warmen Wärmeübertrager 7 findet die Querschnittserweiterung in der Niederdruckleitung 5 statt.According to 1 If the gas refrigerator according to the invention from the compressor 1 , the high pressure line 2 , the cold heat exchanger 3 with the cross-sectional constriction 4 and the to the compressor 1 leading low pressure line 5 , Between the cold and warm heat exchanger 3 and 7 are the high pressure line 2 and low pressure line 5 as a countercurrent recuperator 6 educated. In the warm heat exchanger 7 finds the cross-sectional widening in the low pressure line 5 instead of.

In 2 sind Beispiele für mögliche Kaskadierungen der erfindungsgemäßen Gaskältemaschinen dargestellt. Bild a zeigt eine Variante ohne Kaskadierung, bestehend aus Verdichter 1, warmen Wärmeübertrager 7, Rekuperator 6 und kalten Wärmeübertrager 3. Im kalten Wärmeübertrager findet die Querschnittsverengung 4 zwischen der Hochdruckleitung 2 und der Niederdruckleitung 5 statt.In 2 Examples of possible cascades of gas cooling machines according to the invention are shown. Figure a shows a variant without cascading, consisting of compressor 1 , warm heat exchanger 7 , Recuperator 6 and cold heat exchanger 3 , In the cold heat exchanger finds the cross-sectional constriction 4 between the high pressure line 2 and the low pressure line 5 instead of.

In 2, b ist eine parallele Kaskadierung zur Steigerung der Kälteleistung dargestellt. Über Abzweigungen 8 zwischen Verdichter 1 und warmen Wärmeübertrager 7 werden jeweils zwei Hochdruck- und Niederdruckleitungen 2 bzw. 5 im Rekuperator 6 und dem kalten Wärmeübertrager 3 mit den Querschnittsverengungen 4 parallel geschaltet.In 2 , b is a parallel cascading to increase the cooling capacity shown. About branches 8th between compressors 1 and warm heat exchanger 7 are each two high-pressure and low-pressure lines 2 respectively. 5 in the recuperator 6 and the cold heat exchanger 3 with the cross-sectional constrictions 4 connected in parallel.

2c zeigt eine serielle Ausführungsform zur Tieftemperaturversorgung mit einem Arbeitsgas und einem Zwischenwärmeübertrager 9 und dem kalten Wärmeübertrager 10 als Kaltkopf der Gaskältemaschine. Dabei erfolgt die Querschnittserweiterung des Teilkreisprozesses, der bis zum Kaltkopf führt, im Zwischenwärmeübertrager 9. 2c shows a serial embodiment for low temperature supply with a working gas and an intermediate heat exchanger 9 and the cold heat exchanger 10 as a cold head of the gas refrigerator. The cross-sectional widening of the partial cycle, which leads to the cold head, takes place in the intermediate heat exchanger 9 ,

In 2d ist analog 2c eine serielle Ausführungsform mit zwei verschiedenen Arbeitsgasen und getrennten Kreisprozessen und zwei Verdichtern 1. Auch hier findet die Querschnittsverengung des einen Kreisprozesses und die Querschnittserweiterung des anderen Kreisprozesses im Zwischenwärmeübertrager 9 statt. Der kalte Wärmetauscher 10 des einen Kreisprozesses dient als Kaltkopf.In 2d is analog 2c a serial embodiment with two different working gases and separate cycles and two compressors 1 , Again, the cross-sectional constriction of one cycle and the cross-sectional expansion of the other cycle process takes place in the intermediate heat exchanger 9 instead of. The cold heat exchanger 10 of a circular process serves as a cold head.

Die in 3 stark vergrößert dargestellte Gaskältemaschine in Mikrostrukturtechnologie ist für Kälteleistungen im Bereich von 0,1 bis 100 mW geeignet. Es wurden jeweils vier Hochdruckleitungen 2 mit Querschnittsverengungen 4 und Niederdruckleitungen 5 dargestellt, die auf einen kalten Wärmeübertrager 3 wirken.In the 3 Large scale illustrated gas refrigerator in microstructure technology is suitable for cooling capacities in the range of 0.1 to 100 mW. There were four high-pressure pipes each 2 with cross-sectional constrictions 4 and low pressure lines 5 shown on a cold heat exchanger 3 Act.

Gemäß 4 ist die Niederdruckleitung 5 konzentrisch in der Hochdruckleitung 2 angeordnet und es entsteht dadurch der Rekuperator 6. Im kalten Wärmeübertrager 3 findet die kontinuierliche Querschnittsverengung 4 statt, indem das Arbeitsgas durch entsprechende Konturen im kalten Wärmeübertrager 3 um 180° umgelenkt wird. Diese Ausführungsform ist auch für Gaskältemaschinen in Mikrostrukturtechnologie für Kälteleistungen im Bereich von 10 mW bis 1 W geeignet.According to 4 is the low pressure line 5 concentric in the high pressure line 2 arranged and thereby arises the recuperator 6 , In the cold heat exchanger 3 finds the continuous cross-sectional constriction 4 Instead, the working gas by corresponding contours in the cold heat exchanger 3 is deflected by 180 °. This embodiment is also suitable for gas cooling machines in microstructure technology for cooling capacities in the range of 10 mW to 1 W.

5 zeigt in Anlehnung an die Ausführungsform gem. 4 eine möglich Ausgestaltung eines mit Matrix-Rekuperators 11. Diese Ausgestaltung ist besonders für große Kälteleistungen im Bereich zwischen 1 W bis 500 W geeignet. 5 shows in accordance with the embodiment acc. 4 a possible embodiment of a matrix recuperator 11 , This embodiment is particularly suitable for large cooling capacities in the range between 1 W to 500 W.

Claims

Gas refrigerator, which realizes a closed gas cycle, in particular for cryogenic applications, characterized in that it operates according to the Bernoulli principle, one of the compressors ( 1 ) leading, laminar flowed through high pressure line ( 2 ) on the cold heat exchanger ( 3 ) by a continuous cross-sectional constriction ( 4 ) in one to the compressor ( 1 ) leading low-pressure line ( 5 ) passes over.

Gas refrigerator according to claim 1, characterized in that the high pressure line ( 2 ) and the low pressure line ( 5 ) as a countercurrent recuperator ( 6 ) are formed and with the cold heat exchanger ( 3 ) form the cold head of the gas refrigerator.

Gas refrigerator according to claim 1, characterized in that the cross section of the low pressure line ( 5 ) in front of the compressor ( 1 ) is increased.

Gas refrigerator according to claims 1 and 3, characterized in that in front of the compressor ( 1 ) a warm heat exchanger ( 7 ) is arranged.

Gas refrigerator according to claims 1 and 2, characterized in that several recuperators ( 6 ) and cold heat exchangers ( 3 ) with cross-sectional constrictions ( 4 ) are arranged in parallel to increase the cooling capacity.

Gas refrigerator according to claims 1 and 2, characterized in that several recuperators ( 6 ) and cold heat exchangers ( 9 and 10 ) are arranged in series for cryogenic production.

Gas refrigerator according to claim 6, characterized in that the individual stages of the serial arrangement are equipped with the same or different working gases and a plurality of compressors ( 1 ) operate.

Gas refrigerator according to Claims 1 and 2 and Claims 5 and / or 6, characterized in that the low-pressure line ( 5 ) concentrically in the high-pressure line ( 2 ) is arranged and at the front-side deflection of the working gas, the continuous cross-sectional constriction 4 in the cold heat exchanger ( 3 ) he follows.

Gas refrigerator according to claim 8, characterized in that for high cooling capacities a matrix recuperator ( 11 ) is used.

Gas refrigerator according to claims 1 and 2 and claims 5 and / or 6, characterized in that the countercurrent recuperator ( 6 ) and the cold heat exchanger ( 3 ) with the cross-sectional constriction ( 4 ) are executed in microstructure technology.