DE2014461A1 - Cryogenic cooling device - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kryogene Kühleinrichtung, die nach dem prinzip des Joule-Thomson-rEffektes arbeitet, mit einem im wesentlichen rohrförmigen Wärmetauscher, durch den ein gasförmiges Kühlmittel von einer Druckgasquelle zu einer Entspannungsdüse und im Gegenstrom zurückströmt, einem mit der Düse zusammenarbeitenden, den wirksamen Düsenquerschnitt steuernden Ventilkörper zum automatischen Regeln des Kühlmitteldurchsatzes und einer beweglichen Wand, z.B. einem Balgen, zur Betätigung des Ventils,The present invention relates to a cryogenic cooling device, which works on the principle of the Joule-Thomson effect, having a substantially tubular heat exchanger through which a gaseous coolant from a pressurized gas source to an expansion nozzle and flows back in countercurrent, one valve body that works together with the nozzle and controls the effective nozzle cross-section for automatic regulation of the coolant throughput and a movable wall, e.g. a bellows, for actuating the valve,
Kryogene Kühleinrichtungen dieser Art sind aus DT-OS 1601889 und 1922514 bekannt.Cryogenic cooling devices of this type are known from DT-OS 1601889 and 1922514.
Bei manchen Anwendungsgebieten für solohe Kühleinrichtungen, z.B. in Plugkörpern oder Geschossen, darf der Durohmesser der Kühleinrichtung nur sehr klein, z.B. etwa 5 mm sein. Die bekannten Kühleinrichtungen lassen sieh mit vertretbarem Aufwand nicht mit derart kleinen Abmessungen herstellenIn some areas of application for solo cooling systems, E.g. in plug bodies or projectiles, the Durohmesser of Cooling device only be very small, e.g. about 5 mm. The known Cooling devices cannot be manufactured with such small dimensions at a reasonable cost
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine kryogene Kühleinriohtung anzugeben, die äuseeret kompakt und sohlank ist und wirtschaftlich hergestellt werden kann.Accordingly, it is an object of the present invention based on specifying a cryogenic cooling device that äuseeret is compact and lank and manufactured economically can be.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei dner Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Ventil außerhalb des Wärmetauscher« hinter dessen kaltem Ende angeordnet ist und daß die bewegliche Wand, z.B. ein Balgen, äußerhalb des Wärmetauscher» hinter dessen warmem Ende angeord-According to the invention, this object is achieved with the cooling device of the type mentioned at the outset in that the valve is arranged outside the heat exchanger behind its cold end and that the movable wall, e.g. a bellows, is arranged outside the heat exchanger »behind its warm end.
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net und mit dem Ventil durch eine sieh durch den Wärmetauscher erstreckende Betätigungsstange verbunden ist.net and with the valve through a see through the heat exchanger extending operating rod is connected.
Im übrigen kann die vorliegende Kühleinrichtung so aufgebaut sein, wie es in den obenerwähnten Offenlegungssohriften dargelegt ist«In addition, the present cooling device can be constructed in this way as it is set out in the above-mentioned disclosure regulations "
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing, which show:
Pig. 1 einen Iiängssohnitt einer Ausführungsform einer nach dem Prinzip des Joule-Thomson-Effektes arbeitenden Kühleinrichtung, undPig. 1 shows a longitudinal part of an embodiment of one according to the principle of the Joule-Thomson effect working cooling device, and
Fig« 2 ein von unten gesehener Querschnitt der Einrichtung gemäß Figur 1·FIG. 2 shows a cross-section of the device according to FIG. 1 viewed from below.
Die in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Kühleinrichtung hat, wie die obenerwähnten bekannten Kühleinrichtungen eine längliohe Form und wird normalerweise in senkrechter Lage mit nach unten weisendem kalten Ende betrieben.In the drawing as an embodiment of the invention The cooling device shown has, like the above-mentioned known cooling devices, an elongated shape and is normally in a vertical position with the cold downward Operated at the end.
Die Kühleinrichtung enthält einen rohrförmigen Wärmetauscher mit einem inneren rohrförmigen Körper 10, um den eine gerippte Einlaßröhre in Form einer Bohrwendel 11 gewiokelt ist, die den Einlaßströmungsweg des Wärmetausohers bildet. Die Rohrwendel 11 wird von einem koaxialen äusseren rohrförmigen Bauteil 12 umgeben, das im vorliegenden Falle von der Innenwand «iner Dewar-Flasche,deren Aussenwand mit 13 beseiohnet ist, gebildet wird. Der Raum zwischen dem rohrförmigen Körper 10 und dem äusseren rohrförmigen Bauteil 12 bildet den zweiten oder Auslaß strömung eweg des Wärmetauschers, durch den das entspannte Gas an den Rippen vorbei abströmt und dabei das duroh die Rohrwendel zugeführte, unter hohem Druok stehende Kühlmittel kühlt· Das untere Ende der Dewar-Vlasohe iet geschlossen und bildet einen Vorratsbehälter, in dem sieh verflüssigtes Kühlmittel ansammeln kann· An der Auesenseite der Innenwand 12 der Dewar-Ilasohe ist eine zu kühlende Anordnung, a.B. ein Infrarot-Strahlungsdetektor 15 angebracht oder gebildet·The cooling device contains a tubular heat exchanger with an inner tubular body 10 around which a ribbed inlet tube in the form of a drill helix 11 is wound, which the Forms inlet flow path of the heat exchanger. The coiled tubing 11 is made up of a coaxial outer tubular component 12 surrounded, which in the present case is formed by the inner wall of a Dewar bottle, the outer wall of which is marked 13 will. The space between the tubular body 10 and the outer tubular component 12 forms the second or outlet flow eweg of the heat exchanger through which the relaxed Gas flows off past the ribs and thereby cools the coolant which is under high pressure and which is fed through the coiled tubing. The lower end of the Dewar-Vlasohe iet closed and forms a storage tank in which liquefied coolant can accumulate · On the outside of the inner wall 12 of the Dewar-Ilasohe is an arrangement to be cooled, a.B. an infrared radiation detector 15 attached or formed
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Mit dem oberen Ende des rohrförmigen Körpers 10 ist ein Kopfstück 16 verbunden, dessen unterer Teil eine Balgenkammer 17 bildet, während der obere Teil als Einlaßanschluß 18 ausgebildet istο Das obere Ende der gerippten Rohrwendel 11 steht mit dem Inneren des oberen Teiles des Kopfstücks 16 in Verbindung, dem ein gasförmiges Kühlmittel, ZoBo unter Druok stehender Stickstoff, mit einer unter seiner Inversionstempera tür liegenden Temperatur zugeführt wird«.With the upper end of the tubular body 10 is a Head piece 16 connected, the lower part of which is a bellows chamber 17 forms, while the upper part is designed as an inlet connection 18 istο The top end of the ribbed coiled tubing 11 stands with the interior of the upper part of the head piece 16 in Compound to which a gaseous coolant, ZoBo under Druok standing nitrogen, with one under its inversion tempera at a lying temperature «.
Der rohrförmige Körper 10 trägt an seinem unteren Ende ein Sitzteil 20 in Form eines etwa zylinderförmigen Hohlkörpers 26, der am oberen Ende einen im Querschnitt halbmondförmigen Stopfen 21 aufweist, der von ihm exzentrisch in das untere Ende des rohrförmigen Körpers 10 vorspringt, an dem er z.B. durch Schweissen befestigt isto Das untere Ende der gerippten Rohrwendel 11 tritt Ton der einen Seite in das Sitzteil ein, welches ein Filter 22 enthält,' durch das das Gas von der Rohrwendel 11 zu einer Entspannungsdüse 25 strömt, die im Boden des Sitzteiles 20 gebildet ist»The tubular body 10 carries at its lower end a seat part 20 in the form of an approximately cylindrical hollow body 26, which has a crescent-shaped stopper 21 at the upper end, which protrudes eccentrically from it into the lower end of the tubular body 10, on which it is, for example is fastened by welding o The lower end of the ribbed coiled tubing 11 enters the seat part on one side, which contains a filter 22 through which the gas flows from the spiral tubing 11 to a relaxation nozzle 25 formed in the bottom of the seat part 20 is"
Der wirksame Querschnitt der Entspannungsdüse wird durch einen nadeiförmigen Ventilkörper 30 gesteuert, der seinerseits duroh einen in der erwähnten Balgenkammer 17 angeordneten Balgen 51 über ein nach, unten reichendes, im Querschnitt Ö-förmiges Bauteil betätigt wird, das im folgenden als Betätigungsstange bezeichnet werden soll» Am unteren Ende der einen Teil einer Röhre bildenden Betätigungsstange 32 ist in der Nähe ihres einen Bandes das obere Ende eines geraden Stabes 33 angeschweißt, dessen unteres Ende mit einem hakenförmigen Stab 34 verschweißt ist, dessen unteres Ende durch einen Block "35"reioht und mit diesem verschweißt isto Zn den Block 35 ist der nadeiförmige Ventilkörper 30 verstellbar eingeschraubt· Das obere Ende des hakenförmigen Stabes 34 reicht von der Seite in einen Schlitz in dem öhrartigen Stopfen21 des Sitzteiles und wirkt dadurch als Anschlag, der die Abwärtsbewegung des Ventiles begrenzt· Der Ventilkörper 30 ist dabei so eingestellt, daß er in seiner untersten Stellung gerade noch in die Öffnung der Düse 25 reicht, so daß er sich selbst zentriert,The effective cross section of the expansion nozzle is through a needle-shaped valve body 30 is controlled, which in turn duroh a arranged in the bellows chamber 17 mentioned Bellows 51 over a downward reaching, in cross section O-shaped component is actuated, hereinafter referred to as the actuating rod is to be referred to »At the lower end of the actuating rod 32, which forms part of a tube, is in near her one band, the upper end of a straight rod 33 is welded, the lower end of which with a hook-shaped Rod 34 is welded, the lower end of which is lined up by a block "35" and is welded to the block 35 the needle-shaped valve body 30 adjustably screwed in. The upper end of the hook-shaped rod 34 extends from the side into a slot in the ear-like plug 21 of the seat part and thus acts as a stop that limits the downward movement of the valve The valve body 30 is set so that that in its lowest position it just barely reaches into the opening of the nozzle 25 so that it centers itself,
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wenn er zum Schliessen der Entspannungsdüse nach oben bewegt " wird.when he moves up to close the expansion nozzle " will.
Das obere Ende der Betätigungsstange 32 ist am geschlossenen oberen Ende des Balgens 31 befestigt, dessen unteres Ende mit dem unteren Ende des die Balgenkammer bildenden Kopfstücks 16 verbunden ist· Wenn also der Druck in der Balgenkammer ausserhalb des Balgens absinkt, dehnt sich der Balgen aus und hebt die Betätigungsstange an, wobei dann der Ventilkörper 30 weiter in die Entspannungsdüse eintritt, deren wirksamen Querschnitt verringert und schließlich die Strömung durch die Düse ganz unterbindet.The upper end of the operating rod 32 is attached to the closed upper end of the bellows 31, the lower end of which with the lower end of the head piece forming the bellows chamber 16 is connected · If the pressure in the bellows chamber falls outside the bellows, the bellows expands and lifts the actuating rod, in which case the valve body 30 continues to enter the expansion nozzle, the active one Cross-section is reduced and finally the flow through the nozzle is completely prevented.
Längs der hohlen Betätigungsstange 32 erstreckt sioh in. Längsrichtung durch den ganzen Wärmetauscher innerhalb des rohrförmigen Körpers 10 eine Fühlerröhre 40, deren unteres Ende einen Wärmefühler bildet. Das obere Ende der Fühlerröhre 4-0 erstreckt sich durch den Boden der Balgenkammer 17, so daß ihr Inneres mit dem den Balgen 31 umgebenden Raum in Verbindung steht. Die Fühlerröhre erstreckt sioh unten am Ventil vorbei und hat ein flachgedrücktes unteres Ende, das eine wärmeleitende Sonde 41 darstellte Die Fühlerröhre und der Raum in der Balgenkammer, der sich ausserhalb des Balgens befindet, sind mit einer Flüssigkeit und einem mit dieser im Gleichgewicht stehenden Dampf eines geeigneten Materials gefüllt, das das gleiche Material wie das Kühlmittel oder ein anderes Material sein kann.The length of the hollow actuating rod 32 extends longitudinally through the entire heat exchanger within the tubular body 10 has a probe tube 40, the lower end of which forms a heat sensor. The upper end of the sensor tube 4-0 extends through the bottom of the bellows chamber 17 so that its interior is connected to the space surrounding the bellows 31. The sensor tube extends down past the valve and has a flattened lower end that formed a thermally conductive probe 41. The feeler tube and the space in the The bellows chamber, which is located outside the bellows, is in equilibrium with one liquid and one with the latter standing vapor filled with a suitable material that is the same material as the coolant or a different material can be.
Wenn sich im Betrieb der Kühleinrichtung in bekannter Weise verflüssigtes Kühlmittel in der Dewar-Flasche ansammelt und der Flüssigkeitsspiegel allmählich steigt, so daß das untere Ende der Fühlerröhre mehr und mehr eintaucht, sinkt die Temperatur der Fühlerröhre und damit auch der Druck auf der Aussenseite des Balgens allmählich, so daß sioh der Balgen ausdehnt, die hohle Betätigungsstange hebt und bewirkt, daß der nadeiförmige Ventilkörper die Entspannungsdüse zu sohliessen und die Kühlmittelströmung zu drosseln beginnt.If, during operation of the cooling device, liquefied coolant collects in the Dewar bottle in a known manner and the liquid level rises gradually, so that the lower end of the sensor tube is more and more immersed, the temperature drops the sensor tube and with it the pressure on the outside of the bellows gradually so that the bellows expands, the hollow actuating rod lifts and causes the needle-shaped valve body to sole the relaxation nozzle and the The coolant flow begins to throttle.
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Am Sitzteil 20 ist ferner eine zylinderische ..Abschirmung angeschweißt, die das Ventil umgibt, so daß das aus der Düse austretende Kühlmittel nicht direkt auf die Fühlerröhre 40 auftreffen kanne - -On the seat part 20 is also a cylindrical ..shield welded that surrounds the valve so that the out of the nozzle Do not let any coolant escape directly onto the sensor tube 40 may hit - -
Die beschriebene Konstruktion eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen ein sehr gedrängter und schlanker Aufbau gefordert wird· Wenn das Ventil durch einen Balgen betätigt wird, der sich innerhalb des Wärmetauschers befindet ! (wie es bei den obenerwähnten bekannten Einrichtungen der lall ist), kann der Aussendurehmesser des Wärmetauschers und damit \ der Innendurchmesser der Dewar-Flasche in der Praxis bis auf etwa 7»5 mm verringert werden» Für gewisse Anwendungen ist dies i jedoch.immer noch zu.viel und der Durchmesser darf höchstens etwa 5 mm betragen. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung daduroh erreicht, daß der Balgen nicht innerhalb des Wärme- \ ■fcausohers, sondern koaxial zu und ausserhalb von diesem hinter seinem warmen Ende angeordnet ist, so daß er einen wesentlich größeren Durchmesser als der Wärmetauscher haben kann.The construction described is particularly suitable for applications in which a very compact and slim design is required · If the valve is operated by a bellows that is located inside the heat exchanger! (as is the lall in the aforementioned known devices), the Aussendurehmesser of the heat exchanger and thus reduces \ the inner diameter of the Dewar flask in practice up to about 7 »5 mm» For certain applications, this can i jedoch.immer yet too much and the diameter must not exceed about 5 mm. This is achieved according to the present invention daduroh that the bellows is disposed within the heat \ ■ fcausohers but coaxial to and outside of this Behind its warm end, so that it can have a much larger diameter than the heat exchanger.
Gemäß einem anderen gleichzeitigen Vorschlag ist ausserdem eine Anordnung vorgesehen, um störende Schwingungen des Ventils, die unter gewissen Umständen auftreten können, zu dämpfen» Die elastische und massebehaftete Balgenanordnung wird nämlich manschmal durch die aus der Entspannungsdüse austretende Strömung zu Schwingungen angeregt. Um solche Schwingungen zu dämpfen, ist an der Innenweite der Betätigungsstange 32 eine Kammer 50 befestigt, z.B. angeschweißt, die mit losen !Teilchen, ζ·Β· kleinen Phoephorbronze-Kugeln oder Wolframkarbid-Pulver im wesentlichen gefüllt ist. Der Füllungsgrad ist möglichst groß, um die Masse so groß wie möglich zu machen, die Füllung darf jedoch nicht eingepreßt werden und muß für/sich beweglich sein· Wenn also irgendwelche Schwingungen auftreten sollten, muß die Teilchenmasse in der Kammer aus8er Phase mit der hohlen Betätigungsstange eohwlngen können und daduroh die Schwingungen dämpfen.According to another simultaneous proposal is also an arrangement is provided to dampen disruptive vibrations of the valve, which can occur under certain circumstances » The elastic and mass-afflicted bellows arrangement is namely sometimes excited to vibrations by the flow emerging from the expansion nozzle. To dampen such vibrations, A chamber 50 is attached to the inner width of the actuating rod 32, e.g. welded on, which is filled with loose! particles, ζ · Β · small phosphor bronze balls or tungsten carbide powder is essentially filled. The degree of filling is as possible big to make the mass as big as possible, the filling However, it must not be pressed in and must be able to move independently, so if any vibrations should occur, must be the particle mass in the chamber from the 8th phase with the hollow actuating rod can eohlngen and daduroh the Dampen vibrations.
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Da es nicht einfaoh ist, das teilchenförmige Material in der erforderlichen, kleinen Menge in den winzigen Hohlraum einzufüllen, kann es zweckmäßig sein, die Teilchen unter Verwendung eines Bindemittels, Z0B. festes Kohlendioxyd oder Eis, das anschließend durch Verdampfen wieder entfernt wird, zu tablettieren·Since it is not einfaoh to fill the particulate material as required, small amount in the minute cavity, it may be expedient, the particles using a binder, Z 0 as solid carbon dioxide or ice, which then is removed by evaporation, to tablet
Der von der Dämpfungsanordnung eingenommene Raum wird offen- ; sichtlich nicht für andere Zwecke benötigt, so daß die Abmessungen der Einrichtung durch die Dämpfungsanordnung nicht vergrößert werden«The space occupied by the damping arrangement is open; obviously not needed for other purposes, so that the dimensions of the device are not increased by the damping arrangement «
" Die Fühlerröhre 40 kann mit irgendeiner geeigneten flüchtigen! Flüssigkeit, die im Gleichgewicht mit Ihrem Dampf steht, teilweise gefüllt sein. Gemäß einem anderen gleichzeitigen Vorsehlag ist der Balgen jedoch so ausgelegt und angeordnet, daß er sich bei gleichem Aussen- und Innendruck soweit zusammenzieht, daß das Ventil geöffnet ist und dadurch eine gewisse Störungsunempfindliohkeit erreicht wird· Man wählt daher zur Füllung der Balgenkammer vorzugsweise ein Material, das in dem herrschenden Temperaturbereich einen unter dem Atmosphärendruok liegenden Dampfdruck hat, im Falle von Stickstoff, also im Bereioh von etwa 85 bis 1100Kq Ein geeignetes Material zur Füllung des Wärmefühlers ist in diesem Falle «·Β. Methan. Der '"The sensor tube 40 can be partially filled with any suitable volatile! Liquid which is in equilibrium with your vapor. However, according to another suggestion at the same time, the bellows is designed and arranged so that, with the same external and internal pressure, it contracts to the extent that that the valve is open and thus a certain insensitivity to disturbances is achieved.For the filling of the bellows chamber, a material is therefore preferably chosen that has a vapor pressure below atmospheric pressure in the prevailing temperature range, in the case of nitrogen, i.e. in the range from about 85 to 110 0 Kq A suitable material for filling the heat sensor in this case is «· Β. Methane. The '
) Druck in dem ausserhalb des Balgens liegenden !Teil der Balgenkammer ist dann also niedriger als der Druck im übrigen Teil des Geräts und damit auoh innerhalb des Balgens,und das Ventil wird so einjustiert, daß die Elastizität des Kolbens es su öffnen strebt· Wenn dann irgendeine Undichtigkeit auftreten sollte, die den Unterdruck ausserhalb des Balgens sum Versehwint den bringt, wird unter diesen Umständen also das Ventil bei der | Störung öffnen, die Kühlung wird aber trotsdem weitergehen· Mit anderen Worten gesagt, wird also bei solohen Defekten die i Kühleinrichtung weiter funktionsfähig bleiben, wenn auoh selbst·*) The pressure in the part of the bellows chamber lying outside the bellows is then lower than the pressure in the remaining part of the device and thus also within the bellows, and the valve is adjusted so that the elasticity of the piston is su tries to open · If any leakage should then occur, which will cause the negative pressure outside the bellows to overshoot that brings, under these circumstances the valve at the | Open the fault, but the cooling will continue anyway In other words, the i Cooling device will continue to function if you can do it yourself * verständlich das Kühlmittel βohne11er verbrauoht wird als beiunderstandably the coolant is consumed less than with
einwandfreier Funktion·perfect function
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Wie oben erwähnt wurde, hat die Anordnung des Balgens ausser· halb des Wärmetauschers den Vorteil, daß die Abmessungen des Balgens nicht durch die der Dewar-Flasehe begrenzt werden, was besonders wichtig ist, wenn das Ventil mit Saugwirkung betrieben wird«.As mentioned above, the arrangement of the bellows has except half of the heat exchanger has the advantage that the dimensions of the bellows are not limited by those of the Dewar bottle, which is particularly important when the valve is operated with suction «.
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-
1970
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Also Published As
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