DE2014502B2 - Kryogene kuehleinrichtung - Google Patents

Description

Auslaßströmungsweg des Wärmetauschers, durch einen Wärmefühler bildet Das obere Ende der Fühden das entspannte Gas an den Rippen vorbei ab- lerröhre 40 reicht durch den Boden der Balgenkamströmt und das durch die Rohrwendel zugeführte, mer 17, so daß ihr Inneres mit dem den Balgen 31 unter hohem Druck stehende Kühlmittel kühlt. Das umgebenden Raum in Verbindung steht Die Fühleruntere Ende der Dewar-Flasche ist geschlossen und S röhre reicht unten am Ventil vorbei und endet in bildet einen Vorratsbehälter, in dem sich verflüssig- dem flachgedrückten Ende 41. Die Fühlerröhre 40 tes Kühlmittel ansammeln kann. An der Außenseite und der außerhalb des Balgens 31 liegende Raum des Bauteils 12 der Dewar-Flasche jst eine zu küh- der Balgenkammer 17 sind mit einer Flüssigkeit und lende Anordnung, z. B. ein Infrarot-Strahlungsdetek- dem mit dieser im Gleichgewicht stehenden Dampf tor 15 angebracht oder gebildet _lo eines geeigneten Materials gefüllt.

Mit dem oberen Ende des rohrförmigen Bauteils Wenn sich im Betrieb der Kühleinrichtung in be-10 ist ein Kopfstück 16 verbunden, dessen unterer kaanter Weise verflüssigtes Kühlmittel in der Dewar-Teil eine Balgenkammer 17 bildet während der Flasche ansammelt und der Flüssigkeitsspiegel allobere Teil IS als Einlaßanschluß ausgebildet ist Das mählich steigt so daß das untere Ende der Fühlerobere Ende der gerippten Rohrwendel 11 steht mit 15 röhre mehr und mehr eintaucht sinkt die Temperadem Inneren des oberen Teils des Kopfstücks 16 in tür der Fühlerröhre und damit auch der Druck, der Verbindung, dem ein gasförmiges Kühlmittel, z. B. auf die Außenseite des Balgens wirkt allmählich, so unter Druck stehender Stickstoff, mit einer unter sei- daß sich der Balgen ausdehnt die hohle Betätigungsner Inversionstemperatur liegenden Temperatur zu- stange hebt und bewirkt daß der nadelförmige Vengeführtwird. _ao tilkörper allmählich die Entspannungsdüse schließt

Das rohrförmige Bauteil 10 trägt an seinem unte- und die Kühlmittelströmung drosselt Am Sitzteil 20 ren Ende ein Sitzteil 20 in Form eines etwa zylinder- · ist außerdem eine zylindrische Abschirmung in Form förmigen Hohlkörpers 26, der am oberen Ende ein des Hohlkörpers 26 angeschweißt die das Ventil umim Querschnitt halbmondförmiges öhr 21 aufweist, gibt so daß das aus der Düse austretende Kühlmittel das von ihm exzentrisch in das untere Ende des rohr- 25 nich» direkt auf die Fühlerröhre 40 auftreffen kann, förmigen Bauteils 10 vorspringt, an dem es z.B. Die beschriebene Konstruktion eignet sich besondurch Schweißen befestigt ist. Das untere Ende d?r der> lur Anwendungen, bei denen ein sehr gedränggerippten Rohrwendel 11 tritt seitlich in das Sitzteil ter und schlanker Aufbau erforderlich ist. Wenn das

20 ein, welches ein Filter 22 enthält, durch das das Ventil durch einen Balgen betätigt wird, der sich in-Gas von der Rohrwendel 11 zu einer Entspannungs- 30 nerhalb des Wärmetauschers befindet (wie es bei den düse 25 strömt, die im Boden des Sitzteils 20 gebildet obenerwähnten bekannten Kühleinrichtungen der ist. Fall ist), kann der Außendurchmesser des Wärme-

Der wirksame Querschnitt der Entspannungsdüse tauschers und damit der Innendurchmesser der 25 wird durch einen nadeiförmigen Ventükörper 30 Dewar-Flasche mit vertretbarem Aufwand bis auf gesteuert, der seinerseits durch einen in der Balgen- 35 etwa 7.5 mm verringert werden. Bei manchen Ankammer 17 angeordneten Balgen 31 über eine nach Wendungen ist dies je loch immer noch zu viel und unten reichende, im Querschnitt C-förmige Betäti- der Durchmesser darf höchstens 5 mm betragen. Dies gungsstange 32 betätigt wird. Am unteren Ende der kann gemäß einem anderen Vorschlag dadurch ereinen Teil einer Röhre bildenden Betätigungsstange reicht werden, daß der Balgen nicht innerhalb des ist in der Nähe des einen Randes das obere Ende 40 Wärmetauschers, sondern koaxial außerhalb von dieeines geraden Stabes 33 angeschweißt, dessen unteres sem hinter seinem wärmen Ende angeordnet wird, so Ende mit einem hakenförmigen Stab 34 verschweißt daß er einen wesentlich größeren Durchmesser haben ist, dessen unteres Ende durch einen Block 35 reicht kann als der Wärmetauscher.

und mit diesem verschweißt ist. In den Block 35 ist Bei Kühleinrichtungen des beschriebenen Typs

der nadelförmige Ventükörper 30 verstellbar einge- 45 können unter bestimmten Umständen störende

schraubt. Das obere Ende des hakenförmigen Stabes Schwingungen des Ventilkörpers auftreten, die ihre

34 reicht von der Seite in einen Schlitz, der im Öhr Ursache in der Elastizität und der Masse der Balgen-

21 des Sitzteiles gebildet ist, und wirkt als Anschlag, anordnung haben und durch die aus der Entspander die Abwärtsbewegung des Ventils begrenzt. Der nungsdüse austretende Strömung angeregt werden. Ventilkörper 30 ist so eingestellt, daß er in seiner un- 50 Gemäß einem anderen Vorschlag werden solche tersten Stellung gerade noch in die Entspannungs- Störschwingungen dadurch vermieden, daß an der düse 25 reicht, so daß er sich selbst zentriert, wenn Innenseite der Betätigungsstange 32 eine Kammer 50 er zum Schließen der Entspannungsdüse nach oben befestigt, z.B. angeschweißt ist, die im wesentlichen bewegt wird. mit losen Teilchen 51, z. B. kleinen Phosphorbronze-

Das obere Ende der Betätigungsstange 32 ist am 55 Kugeln oder Wolframkarbid-Pulver, gefüllt ist. Der

geschlossenen oberen Ende des Balgens 31 befestigt, Füllungsgrad ist möglichst groß, um die Masse so

dessen unteres Ende mit dem unteren Teil der BaI- groß wie möglich zu machen, die Füllung darf jedoch

genkammer 17 verbunden ist. Wenn also der Druck nicht eingepreßt werden und muß für sich beweglich

in der Balgenkammer außerhalb des Balgens abfällt, sein. Beim Auftreten von Schwingungen muß also

wird sich der Balgen ausdehnen und die Betätigungs- 60 die Teilchenmasse in der Kammer 50 außer Phase

stange anheben, wobei dann der Ventükörper 30 mit der hohlen Betätigungsstange schwingen und da-

weiter in die Expansionsdüse eingeführt wird und de- durch die Schwingungen dämpfen können,

ren wirksamen Querschnitt verringert, bis die Strö- Da es nicht einfach iüt, das teilchenförmige Mate-

mung schließlich unterbrochen wird. rial in der erforderlichen kleinen Menge in den win-

Längs der hohlen Betätigungsstange 32 erstreckt 65 zigen Hohlraum einzufüllen, kann es zweckmäßig

sich innerhalb des inneren rohrförmigen Bauteils des sein, die Teilchen mit einem Bindemittel, z. B. festem

Wärmetauschers über dessen ganze Länge eine Füh- Kohlendioxyd oder Eis, das später durch Verdampf en

lerröhre 40, deren unteres, flachgedrücktes Ende 41 wieder entfernt werden kann, zu tablettieren.

Der von der Dämpfungsanordnung eingenommene Raum wird offensichtlich nicht für andere Zwecke benötigt, so daß die Abmessungen der Kühleinrichtung durch die Dämpfungsanordnung nicht vergrößert werden.

Die Fühlerröhre 40 kann mit irgendeiner geeigneten flüchtigen Flüssigkeit, die im Gleichgewicht mit ihrem Dampf steht, gefüllt sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Balgen jedoch so ausgelegt und angeordnet, daß er sich bei gleichem Außen- und Innendruck so weit zusammenzieht, daß das Ventil geöffnet und dadurch eine öffnung im Störungsfalle gewährleistet ist. Man wird dann zur Füllung der Balgenkammer ein Material wählen, dessen Dampfdruck im Betriebstemperaturbereich, der bei Stickstoff als Kühlmittel etwa 85 bis 110° K betragen kann, unterhalb des Atmosphärendruckes liegt. Ein geeignetes Füllmaterial ist also z.B. Methan. Der Druck in dem außerhalb des Balgens liegenden Teil der Balgenkammer ist dann niedriger als der Druck in dem übrigen Teil der Kühleinrichtung und damit auch niedriger als innerhalb des Balgens, und das Ventil wird so einjustiert, daß die Elastizität des Balgens es zu öffnen strebt. Wenn unter diesen Umständen eine Undichtigkeit auftreten und den Unterdruck auf der Außenseite des Balgens aufheben sollte, wird eine Störungsöffnung des Ventils eintreten und die Kühlung wird weitergehen. Mit anderen Worten gesagt, wird die Kühleinrichtung bei einer solchen Störung weiterarbeiten, wenn auch selbstverständlich der Kühlmittelvorrat rascher erschöpft sein wird als bei einwandfreier Funktion.

Wie oben erwähnt wurde, hat die Anordnung der Balgen außerhalb des Wärmetauschers den Vorteil, daß die Abmessungen des Balgens nicht durch die der Dewar-Flasche begrenzt werden» was besonders wichtig ist, wenn das Ventil durch Unterdruck betätigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Kühlmitteldurchsatz regelnde Ventil im FaQe einer

   Patentansprüche- Undichtkeit schließt und die Kühlung dadurch voll-

   * ständig aussetzt Dies ist dann meistens mit einem

   Ausfall der gekühlten Vorrichtung verbunden.

   L Kryogene Kühleinrichtung, die nach dem 5 Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Prinzip des Joule-Thomson-Effektes arbeitet, mit Nachteil der bekannten Kuhlemrichtungen dadurch einem Wärmetauscher, durch den ein gasförmiges vermieden, daß die bewegliche Wand dem Dampf-Kühlmittel von einer Druckgasquelle zu einer druck eines Materials ausgesetzt ist, der beim Absin-Entspannungsdüse und das entspannte Kühlmit- ken der Temperatur und des Kältebedarfs unter den tel im Gegenstrom zurückströmt, einem mit der i« Umgebungsdruck in der Einrichtung fällt, und so Düse zusammenarbeitenden, den wirksamen Du- ausgebildet ist, daß der resultierende Unterdruck das senquerschnitt steuernden Ventilkörper, der zum Ventil gegen die Wirkung der Vorspannung zu automatischen Regeln des Kühlmitteldurchsatzes schließen strebt

   dient und in Öffnungsrichtung vorgespannt ist, Die bewegliche Wand kann durch einen Balgen

   und einer mit dem Ventilkörper zu dessen Betäti- 15 gebildet werden, und die Vorspannung kann in begung verbundenen beweglichen Wand, <3 a - kannter Weise wenigstens teilweise durch die Elastidurch gekennzeichnet, daß die beweg- zität des Balgens erzeugt werden,
   liehe Wand (31) dem Dampfdruck eines Mate- Bei der vorliegenden Kühleinrichtung öffnet das

   rials ausgesetzt ist, der beim Absinken der Tem- Ventil also im Störungsfalle automatisch. Wenn also peratur und des Kältebedarfes unter den Umge- 20 eine Undichtigkeit auftreten sollte, schließt das Venbungsdruck der Einrichtung fällt, und so ausge- til nicht, wodurch die Kühlung unterbrochen würde, bildet ist daß der resultierende Unterdruck das sondern das Ventil bleibt offen und die Kühlung Ventil (25, 30) gegen die Wirkung der Vorspan- geht, wenn auch ungeregelt weiter, solange der nung zu schließen strebt. Druckgasvorrat reicht
2. 2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch 35 Zum Beispiel liegt bei einer Kühleinrichtung rum gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand durch Erzeugen von flüssigem Stickstoff oder flüssiger Luft einen Balgen (31) gebildet ist und daß die Vor- mit einer Temperatur von etwa 80° K die effektive spannung mindestens zum Teil auf der Elastizität Temperatur des Wärmefühlers der Einrichtung zwides Balgens beruht. sehen etwa 85 und 110° K. Der Umgebungsdruck in
3. 3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 30 der Einrichtung wird gewöhnlich etwas über dem Atzum Erzeugen von flüssiger Luft oder flüssigem mosphärendruck liegen, so daß man dann ein Mate-Stickstoff mit einer Temperatur von etwa 80° K, rial verwenden wird, das in dem oben angegebenen dadurch gekennzeichnet, daß das Material, des- Bereich einen unter dem Atmosphärendruck liegenscn Dampfdruck auf die bewegliche Wand wirkt, den Dampfdruck hat Ein geeignetes Material ist Methan ist. _{35 z}. B. Methan, dessen Dampfdruck im obengenannten
4. 4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, Temperaturbereich zwischen 0,21 und 0,84kp/cm² dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper liegt. Das Ventil ist also so ausgebildet, daß es durch (30) außerhalb des Wärmetauschers (10, 11, 12) eine Saugwirkung oder einen Unterdruck im Dampfund hinter dessert kaltem Ende angeordnet ist raum geschlossen und durch die Elastizität der BaI- und daß die bewegliche Wand (31) außerhalb des 40 gen geöffnet werden kann, so daß eine »Störungsöff-Wärmetauschers und hinter dessen warmem nung« des Ventils eintritt und die Kühlung weiter-Ende angeordnet und mit dem Ventilkörper geht, wenn die Einrichtung undicht wird und der Undurch eine Betätigungsstange (32) verbunden ist terdruck dadurch verschwindet.

   die sich durch den Wärmetauscher erstreckt. Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Er-

   45 findung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

   F i g. 1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbei-

   spieles einer Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip

   des Joule-Thomson-Effektes arbeitet, und
   50 Fig. 2 einen von unten gesehenen Querschnitt der

   Kühleinrichtung gemäß Fig. 1.

   Die vorliegende Erfindung betrifft eine kryogene Die in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel der

   Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip des Joule- Erfindung dargestellte Kühleinrichtung hat wie die Thomson-Effektes arbeitet, mit einem Wärmetau- obenerwähnten bekannten Einrichtungen eine längsdier, durch den ein gasförmiges Kühlmittel von 55 liehe Form und wird normalerweise in senkrechter einer Druckgasquelle zu einer Entspannungsdüse und Lage mit nach unten weisendem kalten Ende betriedas entspannte Kühlmittel im Gegenstrom zurück- ben.

   strömt, einem mit der Düse zusammenarbeitenden, Die Kühleinrichtung enthält einen rohrförmigen

   den wirksamen Düsenquerschnitt steuernden Ventil- Wärmetauscher mit einem rohrförmigen inneren körper, der zum automatischen Regeln des Kühlmit- 60 Bauteil 10, um das eine gerippte Rohrwendel 11 geteldurchsatzes dient und in Öffnungsrichtung vorge- wickelt ist, die den Einlaßströmungsweg des Wärspannt ist, und einer mit dem Ventil zu dessen Beta- metauschers bildet. Die gerippte Rohrweadel 11 wird tigung verbundenen beweglichen Wand. von einem koaxialen äußeren rohrförmigen Bauteil

   Kühleinrichtungen der obengenannten Art sind in 12 umgeben, das im vorliegenden Falle von der Inden deutschen Offenlegunjjsschriften 1601889 und 65 nenwand einer Dewar-Flasche, deren Außenwand 922 514 vorgeschlagen bzw. aus der französischen mit 13 bezeichnet ist, gebildet wird. Der Raum zwi-Patentschrift 1550281 bekannt Bei den bekannten sehen dem rohrförmigen Bauteil 10 und dem äußeren Kühleinrichtungen besteht die Gefahr, daß das den rohrförmigen Bauteil 12 bildet den zweiten oder