DE2124952A1

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Publication number: DE2124952A1
Application number: DE19712124952
Authority: DE
Priority date: 1971-05-11
Filing date: 1971-05-19
Publication date: 1972-11-30
Also published as: NL7106470A; FR2140837A5

Description

Naucno-issledovatel·skij Institut kriogennoj elektroniki

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR

Die Erfindung betrifft Kühlungsverfahren von Objekten auiYLryogenanlagen verwendete Kry ogent emper aturen sowie Kryogenanlagen zur Realisierung dieses Verfahrens und kann beispielsweise zur Abkühlung von radiotechnischen und elektronischen Einrichtungen ebenso wie bei der Unterbringung verschiedener Objekte in einem Thermostaten eingesetzt werden·

Es sind Kühlungsarten von Objekten auf Kryogentemperaturen, darunter auf den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff, bekannt, die bei in einem Regenerativzyklus unter Äbdrosselung eines Kältemittels arbeitenden Kryogenanlagen verwendet werden. Als Kältemittel kommen bei diesen Anlagen

Stickstoff, Argon und andere in Frage.

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Es sind Kryogenanlagen bekannt, die die bekannten Kühlverfahren von Objekten realisieren und in einem Regenerativzyklus unter Abdrosselung eines Kältemittels arbeiten· In diesen Anlagen wird das Kältemittel in einem Kompressor zusammengedrückt, dem Hochdruckraum eines in einen Kryostat en eingebauten Wärmeaustauschers zugeführt und gelangt nach der Abdrosselung durch eine Drosselöffnung des Wärmeaustauschers in den Niederdruckraum des Wärmeaustauschers, wobei die Wärme von dem au kühlenden Objekt abgeleitet wird (siehe 2.3. die USA-Patentschrift Nr. 3 204 422, Kl, 62-192).

Als kangel der bekannten Kühlungsarten unter Verwendung der genannten Kältemittel und Kryogenanlagen zur Realisierung dieser Verfahren kann ein verhältnismäßig niedriger thermodynamischer Wirkungsgrad, d.h. ein· großer Energieaufwand zur Ableitung einer Wärmeeinheit von dem zu kühlenden Objekt angesehen werden, der vorwiegend durch die Größe des isothermischen Integral-Drosseleffektes des verwendeten Kältemittels bestimmt wird. Zu den Mängeln zählt auch die Notwendigkeit der Anwendung bei den nach diesen Verfahren arbeitenden Anlagen eines Hochdruckes für das Kältemittel (in der Größenordnung von 100 bis 300 kg/cm ), was eine fringe Betrieb sze it derartiger Anlagen zur Folge hai; .Darüber hinaus weisen die nach dem bekannten Verfahren arbeitenden Anlagen eine geringe Zuverlässigkeit auf» die mit der iwöglichkeib des Ausfrierens im Rekuperativ-Wärmeaustauscher von im

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Kältemittel vorhandenen Beimengen, beispielsweise von Kohlensäure und üldämpfen, und einer Verstopfung der Drosselöffnung der Kryogenarilage durch diese zusammenhängt.

Zweck der Erfindung ist es, die genannten Mängel zu überwinden.

Der nicfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlungsverfahren von Objekten auf Kryogenteiuperaturen und Kryogenanlagen zur Realisierung dieses Verfahrens zu schaffen, die auf Grund der Ausnutzung eines Kältemittels mit höherem isothermischem Integral-Drosseleffekt und einer Umverteilung von dem Kryostaten zugeführten Wärmeströmen im Sinne einer Vergrößerung ihres spezifischen Gewichtes auf einem höheren Temperaturniveau sowie auf Grund einer Reduzierung von Wärmeverlusten bei der Wärmeableitung von dem abzukühlenden Objekt durch ein Kältemittel einen höheren thermodynamisch en Wirkungsgrad und eine minimale Anlaufzeit» hohe Zuverlässigkeit und große Betriebsdauer aufweisen·

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das bei nach einen. Regenerativzyklus unter Abdrosselung eines Kältemittels arbeitenden Kryogenanlagen verwendete Kühlungsverfahren von Objekten auf Kryogentemperaturen gemäß der Erfindung darin besteht, daß in das genannte Kältemittel Komponenten eingeführt werden, die unter gleichen Verhältnissen einen höheren isothermischen Integral-Drosseleffekt und eine höhere Siedetemperatur als ^das Ausgangskältemittel

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und " eine höhere Erstarrungstemperatur als die Siedetemperatur des Ausgangskältemittels bei Normaldruck aufweisen, wobei die Konzentration der Komponenten derart gewählt wird, daß sich das nach der Abdrosselung erhaltene Gemisch von Ausgangskältemittel und Komponenten in einem dampf flüssigen Zustand befindet und die Abkühlungstemperatur wenigstens etwa der mit dem Ausgangskältemittel allein erhaltenen Abktihlungstemperatur entspricht.

Man kann Komponenten wählen, die im Ausgangskältemittel bei dessen Siedepunkt unter einem Druck löslich sind, der unterhalb des atmosphärischen Druckes liegt oder diesem gleich ist.

Man kann solche Komponenten auswählen, deren jede einzeln ■ bei der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels und bei Atmosphärendruck oder darunter fest ist,

und die in der Gesamtheit eine eutektische Mischung ausbilden, deren Erstarrungstemperatur unterhalb der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels bei einem Druck liegt, der sich unter dem atmosphärischen befindet oder diesem gleich ist.

Es ist zweckmäßig, derartige Komponenten einzusetzen, von denen mindestens eine im Ausgangskältemittel bei,der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels unter einem Druck

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löslich ist, der unter dem atmosphärischen liegt oder diesem gleich ist, während die übrigen nur in der genannten Komponente löslich sind·

Man kann in das Kältemittel noch mindestens eine Komponente einführen, die unter gleichen Verhältnissen einen nieder

rigfen isothermischen Integral-Drosaeleff ekt und ein· niedrigere Siedetemperatur als das Ausgangekältemittel und eine Erstarrungstemperatur aufweist,di· unterhalb der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels bei einem Druck liegt, der kleiner oder gleich dem atmosphärischen Druck ist, wobei es zweckmäßig ist, eine derartige Konzentration der Komponenten auszuwählen, daß sich das Gemisch nach der Abdrosselung in einem dampfflüssigen Zustand befindet und die Abkühlungstemperatur unterhalb der »it dem Ausgangskältemittel erreichbaren Abkühlungstemperatur liegt.

Wird als Ausgangskältemittel Stickstoff verwendet, so ist es zweckmäßig, als die in Stickstoff lösbare Komponente Iv₁ ethan in der i/i enge von ca, 50 Volumenprozent und als die eine eutektische Mischung mit bei Normaldruck unterhalb der Siedetemperatur von Stickstoff liegender Erstarrung stemper atur bildenden Komponenten Äthan und Propan zu nehmen, wobei die erhaltene Lischung die folgende Zusammensetzung (in Volumenprozent) aufweisen soll: Stickstoff - 30 bis 70, Äthan - 35 bis 15_f Propan - 35 bis 15· Als in Stickstoff lösliche Komponente kann Methan

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und als in Methan lösliche Komponenten — Äthan und Propan verwendet werden, wobei die erhaltene Mischung folgende Zusammensetzung (in Volumenprozent) aufweisen soll: Stickstoff

- 70 bis 20,.Methan - 10 bis '30, Ithan - 10 bis 25, Propan

- 10 bis 25·

Es ist angebracht, als Komponente mit niedrigere* Siedetemperatur als beim Äusgangskältemittel Neon, Wasserstoff oder Helium in der Menge von 5 bis 40 Volumenprozent einzusetzen.

Bei ..

einer Kryogenanlage zur Realisierung des obengenannten

Verfahrens, die in einem Regenerativzyklus unter Abdross®lung ©ines Kältemittels arbeitet und bei der das Kältemittel in einem Kompressor zusammengedrückt, dem Hochdruck— raum eines in einen Kryostaten eingebauten Rekuperativ-Wärmeaustauschers zugeführt wird und nach der Abdrosselung durch die Drosselöffnung des Wärmeaustauschers in dessen Niederdruckraum gelangt, wodurch die Wärme von dem abzukühlenden

ist

Objekt abgeleitet wird,ν gemäß der Erfindung im genannten Kryostaten mindestens ein Wärmeschirm montiert, , der das abzukühlende Objekt umgibt und an den ein Kältemittel aus dem Niederdruckraum des Wärmeaustauschers kommt,dessen Temperatur die Temperatur des abzukühlenden Objektes übersteigt.

Es ist vorteilhaft, an jedem Wärmeschirm eine Rohrschlange anzubringen und den Niederdruckraum des Wärmeaustauschers

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in mindestens zwei Teile zu unterteilen, die miteinander über die Rohrschlange kommunizieren»

Bine andere Vorrichtungsvariante besteht darin, daß bei einer Kryogenanlage der Kryostat einen dichtenden Ansatz aufweist, in dem die Drossel des Wärmeaustauschers und eine Rohrschlange untergebracht sind, deren Hohlraum mit dem des dichtenden Ansatzes und dem Niederdruckraum des Wärmeaustauschers verbunden sind, und das Kältemittel nach der Abdrosselung durch die Drossel in den Hohlraum des dichtenden Ansatzes und anschließend in den der Rohrschlange eintritt, wobei die Wärme von dem abzukühlenden Objekt abgeleitet wird, und dann in den Niederdruckraum des Wärmeaustauschers gelangt«

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Beschreibung von Ausführungsbeiapielen und beiliegender Zeichnungen näher erläutert werden, in denen zeigt;

Pig, 1 das Funktionsbild einer Kryogenanlage, in deren Kryostaten ein Schirm gemäß der Erfindung angeordnet ist;

Fig. 2 einen Teil des Niederdruckraumes des Wärmeaustauschers derselben Kryogenanlage im vergrößerten Maßstab;

Fig. 3 das Funktionsbild der Kryogenanlage mit einem dichtenden Ansatz und einer Rohrschlange im Kryostaten, gemäß der Erfindung·

Bekannte, nach einem Regenerativzyklus unter Abdrosselung eines

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Kältemittels zur Sicherung der exforderlichen Abkühlungstemperatur arbeitende. Kryogenanlagen benutzen als Kältemittel

Stoffe j die einen verhältnismäßig geringen isothermischen Integral-Drosseleffekt aufweisen·

Bei Verwendung von Stoffen mit einem großen Drosseleffekt ist ν möglich, die notwendige Abkühlung unter demselben Druck, wie beim bekannten Kältemittel nach der Drosseis noch bei einer Druckverminderung zu gewährleisten, da die Abkühlungstemperatur hierbei ,. durch die Temperatur der Entstehung einer festen Phase begrenzt wird. Zur Erreichung d©r obengenannten Ziele wird . .daher ein Kühlung svepfahr en für nach ^ . einem Regener ativzyklu© unter Abdrosselung eines Kältemittels arbeitende

Ausgangakält emit tel

Kryogenanlagen empföhlen» nach dem in ©lawine bzw. mehrere Komponenten ©ingeführt werden, die unter gleichen Verhältnissen einen höheren isothermischen Integral-Drosseleffekt und eine höhere Siedetemperatur als das Ausgangskältemittel und

genommen

deren jede für sich ^v eine höhere Erstarrungstemperatur als die Siedetemperatur des Ausgangskältemittels unter atmosphärischem Druck aufweisen· Hierbei wird die konzentration der Komponenten derart gewählt, daß sich das nach der Drosselung erhaltene Gemisch von Ausgangskältemittel und Komponenten in einem danipfflüssigen Zustand befindet ,und die Abkühlungstempgratur der Objekte ungefähr gleich oder gleich der durch das Ausganggkältemittel entwickelten Abkühlungstemperatur ist.

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Ins Ausgangskältemittel können Komponenten eingeführt werden, die in diesem bei dessen Siedetemperatur unter einem Druck löslich, sind, der weniger oder gleich dem atmosphärischen Druck ist, was die Entstehung einer festen Phase in der Flüssigkeit nach der Drossel der Kryogen-Drosselanlage ausschließt, wodurch deren Betriebsfähigkeit gewährleistet wird. Das feste Methan ist beispielsweise in flüssigem Stickstoff in einem weiten Druck- und Temperaturbereich löslich. Bei Verwendung eines Gemisches "Stickstoff-feiethan¹* mit einem Methangehalt von ca. 50 Volumenprozent in der Kryogen-Drosselanlage wird deren Wirkungsgrad ungefähr auf das Doppelte erhöht, obwohl die Abkühlungstemperatur hierbei von ca· 78⁰K bei der Arbeit mit Stickstoff auf ca· 82⁰K bei der Arbeit mit dem Gemisch ansteigt.

Ins Ausgangskältemittel können Komponenten eingeführt werden, die in diesem bei dessen Siedetemperatur unter einem Druck, der weniger oder gleich dem atmosphärischen Druck ist, praktisch unlöslich sind·

Bei der Einführung derartiger Komponenten kann das Ausbleiben der festen Phase in der Flüssigkeit nach der Drossel, was die entscheidende Voraussetzung für die Arbeitsfähigkeit der Kryogen-Drosselanlage darstellt, durch die Wahl der Konzentrationen erreicht werden· Die Konzentration der einzuführenden Komponenten wird

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in der Weise gewählt, daß die !Temperatur der Abscheidung der festen Phase bei dem Gemisch unterhalb der Erstarrung stemperatur der einzelnen Komponenten und der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels t>^ei einem Druck liegt, der weniger oder gleich dem atmosphärischen Druck ist (eutektische Mischung). Dann wird die Flüssigkeit nach der Drossel der Kryogenanlage aus zwei flüssigen Phasen bestehen· Die eine flüssige Phase besteht aus dem verflüssigen Ausgang skältemittel· Die zweite flüssige Phase setzt sich aus einer eutektisehen Mischung der eingeführten Komponenten und in dieser aufgelöstem Ausgangskältemittel zusammen· Die mit einer solchen =. Mischung des Ausgangskältemittels und der eingeführten Komponenten arbeitende Kryogenanlage ergibt eine Abkühlungstemperaturf die durch die Siedetemperatur der aus dem verflüssigten Ausgangskältemittel bestehenden flüssigen Phase bestimmt und daher der durch die Kryogenanlage bei der Arbeit mit dem Aus-

allein
gangskältemittel^verzeugten Abkühlungstemperatur gleich ist.

Da die einzuführenden Komponenten in der Weise gewählt werden, daß sie einen großen isothermischen Integral-Drosseleffekt aufweisen, so besitzt auch das erhaltene Gemisch des Ausgangskältemittels und der eingeführten Komponenten im Vergleich zum Ausgangskältemittel einen bedeutend größeren isothermischen Integral-Drosseleffekt·

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Äthan und Propan sind beispielsweise in flüssigem Stickstoff praktisch unlöslich, und jedes von ihnen im einzelnen befindet sich bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes in einem festen Zustande· Das Gemisch von Äthan und Propan befindet sich jedoch bei bestimmten Konzentrationen in einem flüssigen Zustand bei der Siedetemperatur dee flüssigen Stickstoffes auch unter atmosphärischem Druck.

Gemäß der Erfindung kann bei den Kryogenanlagen ein Gemisch "Stickstoff-Äthan-Propan" folgender Zusammensetzung (in Volumenprozent) verwendet werden: Stickstoff - 30 bis 70, Äthan - 35 bis 15, Propan - 35 bis 15·

Die Verwendung des Gemisches "Stickstoff-Äthan-Propan" mit einer Konzentration von jeweils 40, 30 und 30 Volumenprozent als Arbeite mittel der Drosselanlage ermöglichte es, deren Wirkungsgrad um den Faktor 5 bis 7 im. Vergleich zur Arbeit mit Stickstoff als Kühlmittel zu erhöhen· Hierbei war die durch die Kryogenanlage erzeugte Abkühlungstemperatur sowohl bei der Arbeit mit Stickstoff gleich der Job! Verwendung des Gwaischs und betrug ca· 78^ΟΚ·

Ins Ausgangskältemittel können Komponenten eingeführt werden, deren jede eine höhere Erstarrungstemperatur als die Siedetemperatur des Ausgangskältemittels aufweist. Ein Ausbleiben der festen Phase in der Flüssigkeit nach der Drossel kann durch die Wahl der einzuführenden Komponenten

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gesichert werden· Die eingeführten Komponenten werden derartig gewählt, daß mindestens eine von ihnen im Ausgangskältemittel bei der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels unter einem Druck löslich ist, der weniger oder gleich dem atmosphärischen Druck ist, während die anderen unlöslich im Ausgangekältemittel aber löslich in der genannten Komponente sind·

Bei derartiger Auswahl * * der einge-

führten Komponenten kann man die Ausbildung einer festen Phase in der Flüssigkeit nach der Drossel der Kryogen—Drossel anlage vermeiden.

Die Flüssigkeit setzt sich nach der Drossel aus mehreren (zwei bis vier) flüssigen Phasen zusammen, die sämtliche Komponenten der erhaltenen Mischung in verschiedenen Konzentrat ionen enthalten. Die mit Hilfe der Kryogenanlage erhaltene Abkühlungstemperatur wird durch die Temperatur des Siedeanfanges der flüssigen Phase mit dem niedrigsten Siedepunkt C der Phase mit dem Maximalgehalt an Ausgangskältemittel) bestimmt.

Da die eingeführten Komponenten einen groBen Drosseleffekt aufweisen, so weist auch das erhaltene Gemisch einen wesentlich höheren isothermischen Drosse!effekt auf·

Im Gemisch "Stickst off-Me than-Äthan" tritt z.B. als Ausgangakältemittel Stickstoff auf, Methan ist löslich, Athen unlöslich in Stickstoff, dafür aber löslich in kiethan. Dieses Gemisch kann folgende Zusammensetzung haben (in Volumen.-

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Prozent)ϊ Stickstoff - 70 bis 20, kethan - 20 bis 40; Äthan 10 bis 40.

Die Verwendung des Gemisches "Stickstof f-Methan-Athan¹* mit einer Konzentration von jeweils 30, 35 und 35 Volumenprozent als Arbeitsmittel der Kryogenanlage ermöglichte es, deren Wirkungsgrad um den Faktor 6 bis 9 im Vergleich zur Arbeit mit Stickstoff als Kühlmittel zu erhöhen.

Hierbei betrug die durch die Kryogenanlage . erhaltene Abkühlungstemperatur bei der Arbeit mit dem obengenannten Gemisch ca. 79,5⁰K und bei der Arbeit mit Stickstoff ca. 78⁰K,

Is kann ein Gemisch "Stickstoff-Methan-lthan-Propan¹· folgender Zusammensetzung verwendet werden (in Volumenprozent): Stickstoff - 70 bis 20, Methan - 10 bis 30, Äthan bis 25, Propan - 10 bis 25. Das Gemisch "Stickstoff-rMethan-Äthan-Propan" mit einer Konzentration von jeweils 30* 30, 20 und 20 Volumenprozent gestattet es, den Wirkungsgrad der Kryogen-Drosselanlage im Vergleich mit der Verwendung von Stickstoff als Kältemittel auf das 10 bis 12fache zu erhöhen. Die Abkühlungstemperatur lag bei Verwendung des obengenannten Gemisches bei ca. 80⁰K und bei Verwendung von Stickstoff bei ca. 78⁰K.

Allen obengenannten Mischungen kann mindestens eine Komponente beigemengt werden, die unter gleichen Bedingungen einen niedrigeren isothermischen Integral-Drosseleffekt und eine niedrigere Siedetemperatur als das Ausgangskältemittel

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aufweist, deren Erstarrungstemperatur unterhalb der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels unter einem Druck liegt, der weniger ader gleich dem atmosphärischen Druck ist. Die eingeführten Komponenten werden in der Weise gewählt, daß die durch die das erhaltene Gemisch als ArbeitsJaittel benutzende Kryogenanlage erhaltene Abkühlungstemperatur unterhalb

allein einer bei der Arbeit mit dem Ausgangskältemittel¹'erhaltenen -

Temperatur liegt.

Gemäß der Erfindung können als solche Komponenten Neon, Wasserstoff und Helium, jedes im einzelnen oder in der Gesamtheit, in der Lenge von 5 bis 40 Volumenprozent eingesetzt werden·

Bei der .Verwendung z.B. des Gemisches "Stickstoff^e-

than-Äthan-Propan-Neon¹¹ mit einer Konzentration von j

und

25, 25, 15, 15^20 Volumenprozent als Arbeitsmittel der Kryogenanlage wurde eine Abkühlungstemperatur von ca. 63 K erreicht, während bei der Arbeit der Anlage mit Stickstoff die Abkühlungstemperatur bei ca· 7ö°C lag·

Bei den in einem Eegenerativzyklus unter Abdrosselung von Stickstoff arbeitenden Drosselanlagen beträgt der Druck am Anfang der Drosselung 100 bis 200 kg/cm · Bei einer Absenkung des Drossel-Anfangsdrucks auf unter 70 kg/cm² nimmt der Drosseleffekt von Stickstoff schlagartig ab. Bei der Drosse-

dagegen

lung sämtlicher in Betracht gezogener Gemische ist^vder eine

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effektive Arbeit der Anlage sichernde isothermische Integral -Drosseleffekt auch bei einem Druck von ca..50 kg/cm bedeutend.

Eine solche Reduzierung des Anfangsdrucke der Drosselung bei der Verwendung der obengenannten Gemische führt zur Verlängerung der Lebensdauer der Anlagen.

Die im Ausgangskältemittel vorhandenen Beimengen werden mit der Zeit im Rekuperativ-Wärmeaustauscher ausgefroren und verstopfen die Drosselöffnung. Bei Verwendung der in Betracht gezogenen Gemische als Arbeitsmittel der Kryogenanlagen werden solche Beimengen, wie beispielsweise Kohlensäure und Öldämpfe, im Gemisch aufgelöst und verstopfen keinesfalls die Drosselöffnung, was die Zuverlässigkeit und die Dauer dee kontinuierlichen Betriebes der Kryogenanlage steigert. -

Die ■ obengenannten Gemische als Kühlmitsind
tel von Kryogenanlagen ^ im Gegensatz zu Stickstoff bei der Abkühlung von keine eigene Wärmeentwicklung aufweisenden Objektenbesonders wirksam. Da die Wärmestrome in Richtung des abzukühlenden Objektes auf Grund der Unvollkonmenheit der Wärmeisolierung im Sinne einer Vergrößerung dertn spezifischen Gewichtes auf einem höheren Temperaturniveau amverteilt werden können, erhöht die Anwendung der Gemische als Kühlmittel der Kryogenanlagen im Gegensatz zu Stickstoff den

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Wirkungsgrad der genannten Anlagen noch mehr.

Nachstehend wird eine Variante der dieses Verfahren realisierenden und mit den vorliegenden Gemischen arbeitenden Kryogenanlage betrachtet·

Die in Fig. 1 dargestellte Kryogenanlage enthält einen Hubkolbenverdichter 1, in dem das Kältemittel zusammengepreßt wird, einen Kryostaten 2 mit Vakuum-Wärmeisolation, in den ein Rekuperativ-Wärmeaustauscher 3 eingebaut ist· Der Hochdruckraum 4 (Pig. 2) des Wärmeaustauschers stellt den Innenraum eines um den Kern 5 gewickelten Rohres 6 und der Niederdruckraum 7 den zwischen dem Eern und dem Zylindergehäuse 8 des Kryostaten 2 eingeschlossenen Zwischenrohrraum dar.

Die Hohlräume 4 und 7 werden über eine Drosselöffnung 9 (Fig. 1) verbunden·

Gemäß der Erfindung sind im Kryostaten 2 Wärmeschirme 10 und 11 angeordnet, die das abzukühlende Objekt 12 umgeben. An jedem Wärmeschirm ist eine Rohrschlange 13 (14) angebracht und der N^ederdruckraum 7 ist durch die Zwischenwände 15 in drei Teile eingeteilt. Diese Teile kommunizieren miteinander fortlaufend mittels Rohrschlangen 13 und 14.

Die Kryogenanlage arbeitet wie folgt·

Das Kältemittel wird im Kompressor 1 zusammengedrückt und über eine Hochdruck-Rohrleitung 16 dem Hohlraum 4 des Wärmeaustauschers 3 zugeführt, wo es abgekühlt wird und an^snhließend

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wird. Es durch die Drosselöffnung 9 abgedrosselt^v leitet die Wärme von dem abzukühlenden Objekt 12 ab und gelangt in den Hohlraum Die Zwischenwände 15 liegen im Hohlraum 7 derartig, daß sie das Kältemittel hintereinander in die Rohrschlangen 13 und 14 leiten, wo das Kältemittel die Wärme von den Schirmen und 11 abführt, die im Vergleich zum Objekt 12 eine höhere Temperatur besitzen, wodurch das spezifische Gewicht der zugeführten Wärmeströme auf niedrigem Temperaturniveau verkleinert wird. Aus dem Hohlraum 7 gelangt das Kältemittel über eine Niederdruck-Rohrleitung 17 in den Kompressor 1 zum neuerlichen Zusammendrücken·

Zwecks Verwendung der Kryogen-Drosselanlagen zur Abkühlung von schweren Objekten sowie zur Verringerung von mit einer intensiven Wärmeableitung von dem abzukühlenden Objekt durch das Kältemittel während der Anlaßzeit der Kryogenanlage zusammenhängenden Wärmeverlusten besitzt der Kryostat 2 (Fig. 3) einen dichtenden Ansatz 1ö, in dessen Hohlraum eine Drossel 20 des Wärmeaustauschers 3 untergebracht wird. Im Eryostaten 2 gibt es auch eine an dem Objekt 12 angeordnete Rohrschlange 21. Der Hohlraum der Rohrschlange 21 ist mit dem Hohlraum 19 des Ansatzes 18 und dem Niederdruckraum 7 des Wärmeaustauschers 3 verbunden.

Bei derartigen Kryogenanlagen gelangt das Kältemittel nach der Abdrosselung durch die Drossel 20 in den Hohlraum

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des dichtenden Ansatzes 18 und anschließend in den Hohlraum der Rohrschlange 21, wodurch die Wärme von dem abzukühlenden Objekt 12 abgeleitet wird. Dann kommt das Kältemittel in den

liiederdruckraum 7 des Wärmeaustauschers 3 zur Recuperation.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE s.

M JKühlungsverfähren von Objekten auf Kryogentemperaturen, das bei nach einem Regenerativzyklus unter Abdrosselung eines Kältemittels arbeitenden Kryogenanlagen verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in das Kältemittel Komponenten eingeführt werden, die unter gleichen Verhältnissen einen höheren isothermischen Integral- -Drosseleffekt und eine höhere Siedetemperatur als das Ausgang skältemitt el und eine höhere Erstarrungstemperatur als die Siedetemperatur des Ausgangskältemittels bei Normaldruck aufweisen, wobei die konzentration der Komponenten derart gewählt wird, daß sich das nach der Abdrosselung erhaltene Gemisch von Ausgangskältemittel und Komponenten in einem dampfflüssigen Zustand befindet und die Abkühlungstemperatur wenigstens etwa der mit dem Ausgangskältemittel allein erhaltenen Abkühlungstemperatur entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennze ic hnet, daß Komponenten gewählt werden, die im Aus tjang skältemitt el bei dessen Siedetemperatur unter einem Druck löslich sind, der unterhalb des atmosphärischen Drukkes liegt oder diesem gleich ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -

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kennzeichnet, daß Komponenten gewählt werden, deren jede für sich genommen bei der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels und bei Atmosphärendruck oder darunter fest ist,

und die in der Gesamtheit eine eutektische Mischung ausbilden, deren Erstarrungstemperatur unterhalb der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels bei einem Druck liegt, der kleiner oder gleich dem atmosphärischen Druck ist.
4, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Komponenten gewählt werden, von denen mindestens eine im Ausgangskältemittel bei dessen Siedetemperatur unter einem Druck löslich ist, der kleiner oder gleich dem atmosphärischen Druck ist, während die übrigen nur in der genannten Komponente löslich sind.
5· Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens noch eine Komponente einführt, die unter gleichen Verhältnissen einen niedrigeren isothermischen Integral-Drosseleffekt und eine niedrigere Siedetemperatur als das Ausgangskältemittel und eine Erstarrungsteniperatur aufweist, die unterhalb der Siedetemperatur des Ausgangskältemittels bei einem Druck liegt, der weniger oder gleich dem atmosphärischen Druck ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Ausgangskältemittel Stickstoff verwendet wird, dadurch g e -

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kennzeichnet, daß als die in Stickstoff lösbare Komponente Iuethan in der kenge von ca. 50 Volumenprozent genommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Ausgangskältemittel Stickstoff verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die eutektische Luischung mit einer bei Normaldruck unterhalb der Siedetemperatur von Stickstoff liegenden Erstarrungstemperatur mit den Komponenten Äthan und Propan gebildet wird, wobei die erhaltene Mischung folgende Zusammensetzung (in Volumenprozent) aufweist: Stickstoff - 30 bis 70, Ä'than -- 35 bis 15, Propan - 35 bis 15.

ü. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als Ausgangskältemittel Stickstoff verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als die in Stickstoff lösliche Komponente kethan und als in Riethan lösliche Komponenten Äthan und Propan genommen werden, wobei die erhaltene Mischung folgende Zusammensetzung (in Volumenprozent) aufweist; Stickstoff - 70 bis 20, Methan 10 bis 30, Äthan 10 bis 25, Propan - 10 bis 25.

9· Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente mit einer

des niedrigeren Siedetemperatur als die ^vAusgangskältemittels Neon in der !«enge von 5 bis 40 Volumenprozent eingesetzt wird.

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10· Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente mit einer

des

niedrigeren Siedetemperatur als die ^vAusgangskältemitteis Wasserstoff in der kenge von 5 bis 40 Volumenprozent eingesetzt wird·

11· Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente mit einer

des

niedrigeren Siedetemperatur als die *" AusgangskältemittelsHelium in der foenge von 5 bis 40 Volumenprozent eingesetzt wird.

12· Kryogenanlage zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1 "bis 11» die in einem Regenerativzyklus unter Abdrosselung des Kältemittels arbeitet und bei der das Kältemittel in einem Kompressor zusammengedrückt, dem Hochdruckraum eines in einen Kryostaten eingebauten Rekuperativ-Wärmeaustauschers zugeführt wird und nach der Abdrosselung durch eine Drossel Öffnung des Wärmeaustauschers in dessen Niederdruckraum gelangt, wodurch die Wärme von dem abzukühlenden Objekt abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Kryostaten (2) mindestens ein Wärmeschirm (10 und 11) montiert ist, der das abzukühlende Objekt (12) umgibt und an den Kältemittel aus dem Niederdruckraum (7) des Wärmeaustauschers (3) kommt, dessen Temperatur die des abzukühlenden Objektes (12) übersteigt.

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13· Kryogenanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Wärmeschirm (10 und 11) eine Rohrschlange (13 und 14) angebracht und der Niederdruckraum (7) des Wärmeaustauschers (3) in mindestens zwei Teile unterteilt ist, die miteinander " über

die Rohrschlangen (13 und 14) kommunizieren·

14, Kryogenanlage zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11, die in einem Regeherativzyklus unter Abdrosselung des Kältemittels arbeitet und bei der das Kältemittel in einem Kompressor zusammengedrückt, dem Hochdruckraum eines in einen Kryostat en eingebauten Rekuperativ-Wärmeaustauschers zugeführt, durch die Drossel des Wärmeaustauschers abgedrosselt wird und dann in den Niederdruckraum des Wärmeaustauschers gelangt, wodurch die Wärme von dem abzukühlenden Objekt abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kryostat (2) einen

dichtenden Ansatz (1ö) aufweist, in dem die Drossel (20) des Wärmeaustauschers (3) und eine Rohrschlange (21) untergebracht sind, deren Hohlraum mit dem Hohlraum (19) des dichtenden Ansatzes (18) und dem Niederdruckraum (7) des Wärmeaustauschers (3) verbunden ist, und das Kältemittel nach der Abdrosselung durch die Drossel (20) in den Hohlraum (19) des dichtenden Ansatzes (18) und anschließend in den Hohlraum der Rohrschlange (21) eintritt, wobei die Wärme von dem abzukühlenden Objekt (12) abgeleitet wird, und dann in den Niederdruckraum (7) des Wärmeaustauschers (3) gelangt,

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