DE2243599A1 - Kryogene kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

Case HY 94
GB-PA 41541/71
vom 6.9.1971

The Hymatic Engineering Company Limited, Reddltch, Worcestershire, England

Kryogene Kühlvorrichtung.

Die Erfindung befaßt sich mit einer Kühlvorrichtung mit einem allgemein rohrförmigen Wärmetauscher, durch den ein von einer Druckquelle geliefertes gasförmiges Kühlmittel von seinem warmen, in der Normallage der Kühlvorrichtung obersten Ende zum anderen, kalten Ende und dort durch eine Joule-Thomson'sehe Entspannungsdüse fließt, wobei ein Teil des Kühlmittels in einem Behälter verflüssigt wird, während der Rest durch einen zweiten Weg des Wärmetauschers zurückkehrt, mit einem den wirksamen Düsenquerschnitt steuernden Ventilkörper, und mit einem in dem Behälter angeordneten Fühler, der unter dem Wärmetauscheinfluß von verflüssigtem Kühlmittel den wirksamen Düsenquerschnitt mittels des Ventilkörpers verkleinert. Die Erfindung betrifft also eine kryogene Kühlvorrichtung, in welcher die Kühlwirkung dadurch erreicht wird, daß durch eine Düse ein Kühlmittel in Form von unter Druck stehendem Gas expandiert wird, dessen Temperatur vor der Expansion unter seiner Inversionstemperatur liegt, wobei ein Teil des Kühlmittels verflüssigt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß hier mit dem Ausdruck "Düse" jede geeignete statische Vorrichtung gemeint sein soll,

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mit der die Expansion oder Entspannung eines Gases möglich ist, sei sie eine einfache Mündungsöffnung, eine speziell geformte "echte" Düse oder eine Anzahl von Mündungsöffnungen für sich oder in Verbindung mit einem porösen Verschlußkörper oder einer Membrane, wie beispielsweise in der GB-PS 863 961 beschrieben ist.

Vorrichtungen der oben genannten Art sind bekannt (DT-OS 1 922 514, DT-OS 2 Ol4 536, DT-OS 2 014 461 und DT-OS 2 014 502). Die bekannten Kühlvorrichtungen sollen hauptsächlich in einer normalen aufrechten Lage betrieben werden, für die sie sich am besten eignen, obwohl sie auch noch einigermaßen betriebsfähig sind, wenn sie umgedreht oder beschleunigt werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung anzugeben, für die ein einwandfreier Betrieb in geneigter oder selbst in umgekehrter Lage oder unter Beschleunigungsbedingungen von grundlegender Bedeutung ist.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art eine Oberfläche des Fühlers mit einem kleinen Winkel gegen eine Wand des Behälters geneigt ist und von ihr einen solchen Abstand hat, daß zwischen ihnen ein bis zu einem Minimalwert zulaufender kapillarer Spalt gebildet ist, In welchem ein Flüssigkeitstropfen bei jeder Lage der Kühleinrichtung festgehalten wird und die Berührungsfläche zwischen dem Fühler und der Flüssigkeit sich weitgehend mit der Größe des Flüssigkeitstropfens ändert.

Die durch Oberflächenspannung zwischen dem Fühler und der Wand des Behälters festgehaltene Flüssigkeit wird hier als "Tropfen" bezeichnet, obwohl sie in Wirklichkeit normalerweise teils durch einen über die Wand kriechenden Flüssigkeitsfilm und teils durch einen aus dem Flüssigkeitsfilm durch Oberflächenspannung hervorgezogenen Höcker gebildet wird, wobei der Fühler nach Art einer Schreib- oder Zeichenfeder wirkt.

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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Entspannungsdüse gegen eine' Endwand des Behälters, die in Wärinetauschverb indung mit einer zu kühlenden Einrichtung steht, gerichtet und läßt das Kühlmittel auf Grund des durch Dampfströmung unterstützten Momentes der Flüssigkeit gegen diese Endwand aufprallen. Hierbei ist der Fühler an einer Seitenwand in einem seitlichen Abstand vom Kühlmittelstrom von der Entspannungsdüse zur zu kühlenden Einrichtung angeordnet.

Zwischen dem Fühler und dem von der Entspannungsdüse zur Endwand der Kühlvorrichtung gesprühten Kühlmittelstrom kann ein Schirm angeordnet sein, der vorzugsweise näher an die Endwand reicht als der Fühler. Hierdurch wird noch besser gewährleistet, daß keine Kühlmitteltröpfchen auf den Fühler auftreffen, ohne zuvor auf die Endwand geprallt zu sein.

Die Düse und das Ventil sollten ferner vorzugsweise so ausgebildet sein, daß sie den direkten Auswurf von Tröpfchen auf die Endwand nicht behindern. Zu diesem Zweck kann die Entspannungsdüse einen Sitz für ein die E'ntspannungsdüse steuerndes Nadelventil bilden, dessen Nadel von einem sich seitlich von ihr erstreckenden Ventilträger getragen wird, der in Richtung quer zum Kühlmittelstrom im Vergleich mit seinen übrigen Dimensionen so dünn bemessen ist, daß er die ballistische Strömung des von der Entspannungsdüse zur zu kühlenden Einrichtung gesprühten Kühlmittels nicht oder wenigstens nur minimal behindert.

Wesentlich ist auch, daß die Entfernung von der Düse zur Endwand nicht zu groß sein sollte. Vorzugsweise ist diese Entfernung nicht wesentlich größer als 1 cm. ·

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Sie zeigt in .

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer nach dem Joule-Thomson-Prinzip-arbeitenden Kühlvorrichtung und

Fig..2 eine Ouerschnittsansicht.

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Im wesentlichen enthält die Kühlvorrichtung einen allgemein rohrförmigen Wärmetauscher, der in einem Behälter wie z.B. einer Dewar-Flasche montiert ist. Der Wärmetauscher wird realisiert durch eine gerippte Rohrwendel, durch welche ein unter hohem Druck stehendes gasförmiges Kühlmittel von einer Druckquelle kommend vom warmen Ende des Wärmetauschers zum anderen, kalten Ende fließt, wo es durch eine Entspannungedüse austritt. Die Entspannungsdüse bildet einen Sitz für ein Nadelventil, das durch einen Balg gesteuert wird, der unter dem Dampfdruck einer Flüssigkeit steht, die sich in einem Hohlraum im Gleichgewicht mit ihrem Dampf befindet. Entsprechend dem Joule-Thomson-Kühleffekt wird ein Teil des expandierten oder entspannten Kühlmittels verflüssigt, während der Rest durch den Rückweg des Wärmetauschers zwischen den Rippen der Rohrwendel praktisch unter Atmosphärendruck zurückkehrt, um das ankommende Kühlmittel zu kühlen. Die Kühlvorrichtung hat den Zweck, eine "Lasteinrichtung" wie z.B. einen Strahlungsdetektor auf der Endwand des Behälters zu kühlen.

Eine solche Kühlvorrichtung wird gewöhnlich in mit ihrer Achse vertikale Lage und mit nach unten weisendem kalten Ende betrieben. Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht jedoch darin, -daß die Kühlvorrichung auch in umgekehrter Lage arbeiten kann, und sie ist aus diesem Grund in dieser Lage, also mit nach oben weisendem kalten Ende in der Zeichnung dargestellt.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält die Kühlvorrichtung einen rohrförmigen Wärmetauscher mit einem inneren rohrförmigen Körper 10, um den eine als spiralförmige Einlaßröhre des Wärmetauschers dienende gerippte Rohrwendel 11 gewunden ist. Ein äußeres koaxiales Rohr 12, bei dem es sich darstellungsgemäß vorzugsweise um die Innenwand einer Dewar-Flasche 13 handelt, ist um die Rohrwendel 11 herum angeordnet. Der Raum zwischen dem inneren Körper 10 und dem äußeren Rohr 12 stellt den Rückweg oder Auslaßweg des Wärmetauschers dar, durch den das Gas an den Rippen vorbei ausströmt, so daß es das

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innerhalb der Rohrwendel 11, die den Einlaßweg bildet,, einströmende, unter hohem Druck stehende Kühlmittel kühlt.

Die Dewar-Flasche 13 hat ein flaches Ende, an dem an der Innenwand, d.h. am Rohr 12. im -Vakuumraum die zu kühlende Ein™ richtung 14 in Form eines Infrarot-Strahlungsdetektors befestigt ist.

Das untere Ende der gerippten Rohrwendel 11 steht mit einer zentralen Bohrung (nicht dargestellt) im unteren Ende des Körpers in Verbindung, der ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium mit einer unter seiner Inversionstemperatur liegenden Temperatur zugeführt wird. An seinem oberen Ende ist an den inneren Körper 10 ein Verstärkungsring 16 angelötet oder angeschweißt. Wie noch beschrieben werden wird, ragt von einem Punkt dieses Verstärkungsringes ein Fühler 17 in Richtung zum kalten Ende hin. Von einem diametral entgegengesetzten Punkt des Verstärkungsringes springt ein hohl zylindrisches Sitzteil 24 achsparallel vor»

Das obere Ende der Rohrwendel 11 öffnet sich in das untere Ende des Sitzteils 24, in dem sich ein (nicht dargestelltes) Filter befindet. Das obere Ende des Sitzteils enthält eine öffnung, die eine Expansions- oder Entspannungsdüse 23 für das Kühlmittel darstellt, und bildet zugleich einen Ventilsitz» Der wirksame Düsenquerschnitt der Entspannungsdüse 29 ist durch ein Nadelventil 34 steuerbar, das seinerseits durch einen Balg gesteuert wird.

Der Balg 35 ist an seinem oberen Ende an einer am Verstärkungsring 16 angebrachten Hülse 36 befestigt, während sein bewegliches geschlossenes unteres Ende am unteren Ende eines Betätigungsrohres 37 befestigt ist. Das Betätigungsrohr erstreckt sich nach oben durch die Hülse 36 hindurch und trägt an seinem Ende einen Schirm 38, der so gebogen ist, daß er den Fühler teilweise umschließt, wie dies genauer Fig. 2 zu entnehmen ist. An das obere Ende des Schirmes ist ein Ventilträger 39 angeschweißt, der das Nadelventil 34 trägt. Das Nadelventil hat einen oberen zylindrischen Teil und einen unteren konischen Teil, der in die Entspannungsdüse 29 des Sitzteils 24 ragt.

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Der Fühler 17 in Form einer Metallröhre ist unter Abdichtung in ein Loch eingesetzt, das sich achsparallel durch den Verstärkungsring 16 erstreckt. Sein oberes Ende ist geschlossen. Der rohrförmige Fühler 17 und der Raum außerhalb des Balges innerhalb des rohrförmigen Körpers IO des Wärmetauschers bilden eine Steuerkammer, die mit einer Flüssigkeit und dem mit dieser im Gleichgewicht stehenden Dampf eines geeigneten Materials gefüllt ist, bei dem es sich um das gleiche Material wie das Kühlmittel oder auch um ein anderes Material handeln kann.

Wenn im Betrieb das flüssige Kühlmittel den Fühler 17 in zunehmendem Maße kühlt, sinkt wie bei den bekannten Kühlvorrichtungen der hier beschriebenen Art der auf die Außenseite des Balges 35 wirkende Druck entsprechend ab. Der sich ausdehnende Balg hebt das Betätigungsrohr 37 an, wodurch das Nadelventil 34 die Entspannungsdüse 29 in zunehmendem Maße schließt und den Kühlmittelfluß reduziert. Bei den bekannten Kühlvorrichtungen wird als Fühleinrichtung eine hohle Sonde verwendet, die in einen im Behälter gebildeten Vorrat oder Sumpf aus Kühlflüssigkeit eintaucht, so daß bei ansteigendem Flüssigkeitsspiegel sich der Temperaturgradient in der Sonde zunehmend ändert. Dies hat eine entsprechende Abnahme des auf den Balg wirkenden Dampfdruckes zur Folge, so daß bei ansteigendem Kühlflüssigkeitsspiegel das Ventil mehr und mehr schließt und den Kühlmittelstrom unter Verringerung der Kühlwirkung herabsetzt.

Wenn eine solche Kühlvorrichtung nicht mehr in ihrer normalen, sondern in einer willkürlichen anderen Lage betrieben wird, beispielsweise in geneigter oder umgedrehter Lage, oder wenn sie beschleunigt wird, kann sie mit dem erläuterten Prinzip des Flüssigkeitsspiegels nicht mehr arbeiten. Der Kühlmittelstrahl muß dann auf die zu kühlende Einrichtung gerichtet werden. Unter diesen Umständen wird die Flüssigkeit über die Wand des Behälters in einem dünnen Film zum Wärmetauscher zurückfließen. Die hier beschriebene Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist so ausgelegt, daß sie auf diesen Film anspricht

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und die Kühlwirkung in Abhängigkeit von seiner Dicke und von seinem Ausmaß bzw. seiner Ergiebigkeit steuert.

Zu diesem Zweck ist ein geschlossenes Ende 18 des Fühlers 17 nahe an der Seitenwand des zylindrischen Behälters angeordnet, von wo aus die Röhre des Fühlers mit einem kleinen Winkel, der vorzugsweise zwischen 5° und 15°, also beispielsweise IO beträgt, von der Wand divergiert.

Diese Anordnung ist derart, daß, wenn im Betrieb ein Flüssigkeitsfilm über die an den Fühler angrenzende Behälterwand kriecht und in Berührung mit dem·Fühler kommt, letzterer durch Oberflächenspannung ähnlich wie eine Schreib- oder Zeichenfeder einen Tropfen formen wird. Die Berührungsfläche zwischen dem Tropfen und dem Fühler wird anfänglich minimal sein. Wenn aber der Film dicker wird, oder vielmehr wenn die allgemeine Ergiebigkeit der im Behälter versprühten Flüssigkeit zunimmt, wird der Tropfen größer, und seine Berührungsfläche mit dem Fühler wird immer mehr zunehmen, bis der von der Sonde empfundene scheinbare Flüssigkeitsspiegel ausreicht, den Steuer- oder Regelmechanismus für die Kühlwirkung zu betätigen und die Rate der Flüssigkeitsproduktion und somit die Verfügbarkeit von Flüssigkeit für die Sonde zu reduzieren. Durch den Wärmezufluß auf Grund des Temperaturgradienten der Sonde wird die Flüssigkeit zwischen der Sonde und der Wand zwar kontinuierlich "verkocht" _e doch wird wegen des konisch zulaufenden Spaltes durch die Kapillarkräfte gewährleistet, daß weitere Flüssigkeit in den Spalt gesaugt wird. Ein Regelgleichgewichtszustand stellt sich ein, wenn die Ergiebigkeit der Flüssigkeitszufuhr zur Sonde gerade ausreicht, die an der Sonde, "verkochte" Flüssigkeit zu ersetzen. .

Das Ende der Sonde bzw. des Fühlers 17 ist durch einen sehr schmalen Spalt von der X'Jand getrennt oder kann sie sogar berühren. Bei einer speziellen Ausführungsform, bei der der Behälter ein Zylinder mit einem flachen Ende und einem Durchmesser zwischen 5 und 10 mm ist, beträgt der Minimalabstand beispielsweise einen Bruchteil eines Millimeters.

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Selbstverständlich 1st die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise muß der Fühler nicht bis zu seinem Ende rohrförmig sein, sondern kann in einer an sich bekannten Weise (Vergleiche GB-PS 1 230 079 oder DT-OS 1 922 514) ein massives tnde oder ein verlängertes Schwanzteil haben, damit sich ein progressiv zunehmender Wärmeübergang zu der Flüssigkeit und zu dem Dampf im Fühler ergibt. Die Sonde bzw. der Fühler kann auch so gebogen oder gekrümmt sein, daß der Spalt in jeder von zwei entgegengesetzten Richtungen größer wird. Seine der Wand zugewandte Oberfläche kann ferner eine sehr flache konische oder konvexe Form haben, so daß der Spalt von einem Minimalabstand aus in allen Richtungen größer wird·

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Claims (6)

Patentansprüche

1.1/ Kühlvorrichtung mit einem allgemein rohrförmigen Wärmetauscher, durch den ein von einer Druckquelle geliefertes gasförmiges Kühlmittel von seinem warmen/ in der Normallage der Kühlvorrichtung obersten Ende zum anderen, kalten Ende und dort durch eine Joule-Thomson'sehe Entspannungsdüse fließt, wobei ein Teil des Kühlmittels in einem Behälter verflüssigt wird, während der Rest durch einen zweiten Weg des Wärmetauschers zurückkehrt, mit einem den wirksamen Düsenquerschnitt steuern- ' den Ventilkörper, und mit einem in dem Behälter angeordneten Fühler, der unter dem Wärmetauscheinfluß von verflüssigtem Kühlmittel den wirksamen Düsenquerschnitt mittels des Ventilkörpers verkleinert, d ad u r c h g e ke η η ζ e 1 c h net , daß eine Oberfläche des Fühlers (17) mit einem kleinen Winkel gegen eine Wand (Rohr 12} des Behälters geneigt ist und von ihr einen solchen Abstand hat, daß zwischen ihnen ein bis zu einem Minimalwert zulaufender kapillarer Spalt gebildet ist, in welchem ein Flüssigkeitstropfen bei jeder Lage der Kühleinrichtung festgehalten wird und die Berührungsfläche _. zwischen dem Fühler (17) und der Flüssigkeit sich weitgehend mit der Größe des Flüssigkeitstropfens ändert.

2.) Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, da d ü r c h g e kenn ζ e i c h η e t ,daß die Entspannungsdüse (29) gegen eine Endwand des Behälters, die in Wärmetauschverbindung mit einer zu kühlenden Einrichtung (14) steht, gerichtet ist und das Kühlmittel auf Grund des durch Dampfströmung unterstützten Momentes der Flüssigkeit gegen diese Endwand aufprallen läßt, und daß der Fühler (17) an eine Seitenwand in einem seitlichen Abstand vom Kühlmittelstrom von der Entspannungsdüse (29) zur zu kühlenden Einrichtung (14) angeordnet ist.

3.) Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h " gekennzeichnet, daß zwischen dem Fühler (17) und dem von der Entspannungsdüse (29) zur Endwand der Kühlvorrichtung gesprühten Kühlmittelstrom ein Schirm (38) ange-

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ordnet ist.

4.) Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daö der Schirm (38) näher an die Endwand reicht als der Fühler (17).

5.) Kühlvorrichtung nach einem der "vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsdüse (29) einen Sitz für ein die Entspannungsdüse
steuerndes Nadelventil (34) bildet, dessen Nadel von einem
sich seitlich von ihr erstreckenden Ventilträger (39) getragen wird, der in Richtung quer zum Kühlmittelstrom im Vergleich mit seinen übrigen Dimensionen so dünn bemessen ist, daß er die ballistische Strömung des von der Entspannungsdüse (29) zur zu kühlenden Einrichtung (14) gesprühten Kühlmittels nicht behindert.

6.) Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Entspannunqsdüse (29) von der Endwand der Kühlvorrichtung nicht wesentlich größer ist als 1 cm.

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