DE2259807C2

DE2259807C2 - Kryogenes Kühlsystem

Info

Publication number: DE2259807C2
Application number: DE2259807A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1971-12-06
Filing date: 1972-12-06
Publication date: 1982-07-15
Also published as: SE396469B; IL41023A0; FR2165920B1; US3728868A; NL7216517A; IL41023A; DE2259807A1; GB1411758A; FR2165920A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein kryogenes Kühlsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der GB-PS 12 55 136 ist ein kryogenes Kühlsystern bekannt, bei dem ein gasförmiges Kühlmittel zur Erzeugung kryogener Temperaturen durch eine Öffnung expandiert und sich dabei abkühlt und verflüssigt. An der Öffnung ist ein Ventilelement angeordnet, das die aus der Öffnung austretende Kühlmittelmenge steuert. Das Ventilelement ist am Ende eines dehnbaren Balges befestigt, der mit einem bei den Arbeitsbedingungen gasförmigen Medium gefüllt ist und sich in Abhängigkeit von der durch den Kühleffekt erreichten Temperatur ausdehnt bzw. zusammenzieht, wodurch das Ventilelement die Öffnung freigibt bzw. verschließt. Der Balg ist im Inneren eines Schutzrohres angeordnet und stützt sich über eine Feder an einem Ende des Rohres ab. Über dieses Ende des Rohres ist ein zweiter Balg geschoben, der an einem Ende an dem Rohr und am anderen Ende an der Stange für die Betätigung des Ventilelementes befestigt ist Der zweite Balg ist vorgesehen, um das Eindringen von Schmuvz u. dpi. in das Innere des Schutzrohres zu verhindern. Aufgrund dieser Anordnung werden aber Temperaturänderungen auf der Außenseite des Schutzrohres nur langsam auf das Arbeitsgas im Inneren des Betätigungsbalges übertragen. Daher reagiert dieses Kühlsystem äußerst träge auf Änderungen der thermischen Lasi, der Umgebungstemperatur usw. Wegen der zwischen der tatsächlich erreichten Temperatur und der gleichzeitig auf das Arbeitsmedium im Inneren des Betätigungsbalges übertragenen Temperatur auftretenden Verzögerung reagiert das bekannte Kühlsystem zumeist mit einem völligen öffnen oder Schließen des Ventils, wenn die auftretenden Schwankungen der thermischen Last oder der Umgebungstemperatur nicht sehr langsam erfolgen. Bei schnelleren Schwankungen erfolgt z. B. die Drosselung des durch die Öffnung austretenden Kühlmittels erst dann, wenn die angestrebte Temperatur bereits überschritten ist. Dieses bekannte Kühlsystem ist also lediglicii imstande, die Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereiches um die angestrebte Temperatur herum zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kryogenes Kühlsystem der eingangs erläuterten Art zu schaffen, bei dem eine besonders schnell ansprechende Steuerung des Ventilelements erreicht wird und auch bei relativ schnellen Änderungen der thermischen Last bzw. der sonstigen Betriebsbedingungen eine gleichmäßige Ausregelung erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen kryogehen Kühlsystem erfolgt die Wärmeübertragung auf das gasförmige Medium im Inneren des Balges mit äußerst geringer Verzögerung, da die Temperaturabfühlkammer über ihre dünne, gut wärmeleitende Wandung direkt mit dem Kühlmittel ir. Kontakt ist, das sich im Betrieb in der Kammer ansammelt, welche die Temperaturabfühlkammer umgibt. Das Ventilelement spricht daher sehr schnell an, so daß eine gleichmäßige Ausregelung gewährleistet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft und untsr Zugrundelegung der Zeichnung im einzelnen beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Diagramm der Temperatur in Längsrichtung eines kryogenen Kühlsystems in einem Dewarbehälter für drei unterschiedliche Stellungen des Ventilelements an einer Öffnung, die den Joule-Thompson-Effekt bewirkt;

F i g. 2 einen Längsschnitt durch das Kühlsystem gemäß F i g. I;

Fig.3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des Kühlsystems:

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform;und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform.

In der Zeichnung ist in F i g, 1 ein im folgenden als Kryostat 10 bezeichnetes Kühlsystem gezeigt, das einen Kern 12 enthält, um den herum ein mit Lamellen versehener rohrförmiger Wärmeaustauscher 14 gewunden ist Der Wärmeaustauscher 14 hat an seinem warmen Ende 16 eine Einlaßleitung 18, die mit einer nicht dargestellten Quelle eines Kühlmittels, das normalerweise im gasförmigen Zustand ist, verbunden ist An dem kalten Ende 20 befinden sich eine öffnung 22 und ein Nadelventil 24 zum Steuern des durch die öffnung 22 fließenden Stromes zur Bewirkung des Joule-Thompson-Effektes. Der Kryostat 10 ist normalerweise in einem Glas-Dewarbehälter 26 angeordnet Der Dewarbehälter 27 enthält einen Innenkolben 28, der den Kryostat 10 aufnimmt, und bildet eine Fluidkammer 30 zwischen dem Boden des Kolbens 28 und dem kalten Ende 20 des Kryostaten 10. Die Kurve A in F i g. 1 ist eine grafische Darstellung von Temperatur gegen den Ort längs des Kryostaten, wenn die öffnung 22 eingestellt oder gedrosselt wird, so daß eine unzureichende Strömung durch den Wärmeaustauscher

14 fließt um die Verflüssigung des Kühlmittels durch Expansion zu erlauben. Die Kurve S in F i g. 1 ist eine gleiche Darstellung, welche die richtige Einsteiiung der öffnung 22 zeigt um das Bilden von Flüssigkeit unter einer minimalen Strömung von Kühlmittel zu erlauben. Die Kurve C in Fig. 1 ist eine andere grafische Darstellung von Temperatur gegen den Ort, welche die öffnung 22 zu weit offen zeigt mit einer Überschußmenge von gebildeter Flüssigkeit, die aufwärts zum w warmen Ende 16 des Wärmeaustauschers 14 strömt, bevor sie verdampft wird.

Bei der Auslegung von Kryostaten ist es zweckmäßig, eine grafische Darstellung von Temperatur gegen den Ort wie bei Kurve B beizubehalten, so daß ausreichend Flüssigkeit produziert wird und ein Flüssigkeitsbestand jederzeit im Boden des Kolbens 28 bei minimaler Flüssigkeitsströmung durch den Wärmeaustauscher 14 vorhanden ist. Dieser Betriebszustand wird durch eine Temperaturabfühlkammer 35 erreicht, die ihrerseits die Betätigung des Nadelventils 24 steuert.

Der Kryostat 10 ist in Fig.2 vergrößert und im Schnitt gezeigt, wobei der Dewarbehälter zwecks besserer Übersicht fortgelassen ist. Der Wärmeaustauscher 14 besteht aus dem Rohr 15, vorzugsweise aus ^5 rostfreiem Stahl, das eine Vielzahl von quer auf diesem angebrachte Lamellen hat. Der mit Lamellen versehene Teil erstreckt sich vom warmen Ende 16 zum kalten Ende 20 des Kryostaten 10 und ist um einen hohlen, länglichen Kern 12 herum angebracht. An dem wannen Ende 16 des Kryostaten i0 erstreckt sich das Rohr 15 über eine ausreichende Länge, und es ist mit einer geeigneten, nicht gezeigten Armatur für den Anschluß an eine Hochdruck-Kühlmittelquelle versehen. An dem kalten Ende 20 des Wärmeaustauschers 14 ist das Rohr

15 in fluiddichter Anordnung mit einem Öffnungsblock 21 verbunden, welcher die Öffnung 22 enthält.

In dem Kern 12 ist gleitbar ein Nadelventilblock 23 angeordnet, der ein Nadelventil 24 enthält. Der Biock 23 ist so angeordnet, daß das Ende 25 des Ventils 24 der öffnung 22 benachbart ist, um den durch diesen hindurchtretenden Kühlmittelstrom zu steuern. Eine dünne, rohrförmige Wandung 32 mit einer Wandstärke von etwa 0,076 mm ist fest an dem Ventilblock 23 angebracht, erstreckt sich aufwärts und hat einen daran befestigten flexiblen Balg 34. Zwischen dem Balg 34 und dem Ventilblock 23 be'indet sich der von der Wandung 32 begrenzte Raum der Temperaturabfühlkammer 35.

An dem oberen Ende des Balges 34 ist eine Kappe 36 mit einem Einfüllrohr 38 vorhanden, das sich fluiddicht durch die Kappe 36 in den Balg 34 erstreckt Das Einfüllrohr 38 verläuft aufwärts durch die Kappe 36 in das Balgdehnungsrohr 40, das eine Kappe 42 hat Das Rohr 40 ist beispielsweise durch Punktverschweißung an dem oberen Ende des Kerns 12 befestigt Das Einfüllrohr 38 hat ein gebördeltes Ende 44, um sich in dem Balg 34 und der Temperaturabfühlkammer 35 befindliches Kühlmittel abzudichten.

Die Temperaiurabfühlkammer 35 und der Balg 34 werden bei Raumtemperatur mit einem Gas wie Stickstoff durch das Einfüllrohr 38 aufgefüllt so daß sich der Balg um eine vorbestimmte Länge dehnt die bei dem gezeigten Kryostaten zwischen 0,146 mm und 0,283 mm liegen sollte. Dies führt für das Ventil zu einer Bewegung über einen Steuerhub von 0,146 bis 0,283 mm, um volle Steuerung unter Betriebsbedingungen zu erreichen. Wenn der Kryostat in dieser Weise zusammengesetzt ist und sich das Gas in dem Abfühlkolben zusammenzieht bewegt sich der Nadelblock 24 in Richtung auf den öffm.xgsblock 21 und wenn das Ende 25 des Ventils 24 in dir- öffnung 22 eindringt, wird der Kühlmittelstrom durch den Wärmeaustauscher 14 gedrosselt Die Lage der Temperaturabfühlkammer 35 ist etwa 5 bis 30% der Länge von dem kalten Erde 20 zu dem warmen Ende 16 des Kryostaten 10 von dem kalten Ende entfernt gewählt Wie durch die Kurven in F i g. 1 gezeigt ist, ist dies der Bereich, wo der größte Temperaturwechsel als Funktion von Öffnungsgröße und Flüssigkeitsspiegel erfolgt D'.e Temperaturabfühlkammer 35, die aus dünnwandigem Rohr in dichter Anlage an der Innenseite des Kerns ist, gewährleistet zwischen diesen beiden einen guten thermischen Kontakt. Zusätzlich hat diese Kammer 35 eine geringe thermische Masse und eine hohe Wärmeleitung von der Hülsenseite des Wärmeaustauschers 14 zu dem Gas in der Kammer 35, wodurch der Steuermechanismus schnell auf Wechsel des f-'lüssigkeitsspiegels innerhalb des Dewargehäusekolbe_;is 28 anspricht. Wenn der Flüssigkeitsspiegel sinkt, steigt die Temperatur an der Abfühlkammer 35, und das Gas darin expandiert, wodurch sich der Balg verlängert und sich das Ende 25 des Nadelventils 24 von der Öffnung 22 wegbewegt, was einen erhöhten Kühlmittelslrom durch diese hindurch erlaubt und damit auch den Flüssigkeitsbestand in dem Kolben 28 des Dewarbehälters 26 erhöht. Das Fluid an der Innenseite der Kammer 35 verbleibt allgemein in dem gasförmigen Zustand während der Kryostat in Betrieb ist, weil er in einem Temperaturbereich liegt, der normalerweise über der Verflüssigungstemperatur des Fluids ist. Dies schafft eine weiche Strömungssteuerung, weil große Druckwechsel bei einer geringen Temperaturveränderung in dem 7'vciphasenbereich an dem kalten Ende 20 des Kroystats 10 nicht vorhanden sind. Die Kammer 35 ist in einer Ausführung mit Stickstoff gefüllt, und das Nadelventil 24 ist so eingestellt, daß del Stickstoff in dem Kolben eine Temperatur von etwa 140" K hat, die bei dem enthaltenen Druck von etwa 21 bar über dem Verflüssigungspunkt liegt. Alternativ kann in der Kammer 35 Helium verwendet werden.

Ein Kryostat, der in Fig.2 gezeigten Art kas>n mit Luft, Argon und Methan als Kühlmittel arbeiten, wenn Stickstoff in der Kammer 35 verwendet wird und diese für eine optimale Strömung mit Stickstoff als Kühlmittel eingestellt ist. Durch Einstellen des Nadelsitzes, beispielsweise durch Balgdehnung, ist es möglich, ein

fluoriertes Kohlenwasserstoff-Kühlmittel, wie FREON 14, zu verwenden.

In Fig.3 ist eine zweite Ausführung der Erfindung gezeigt, die für Kerne mit sehr kleinen Durchmessern geeignet ist. In der Ausführung gemäß F i g. 3 ist um den Kern 12' herum ein mit Lamellen versehener Wärmeaustauscher 14' mit einem Einlaßrohr 15' an einem Ende und mit einem Öffnungsblock 2Γ und einer Öffnung 22' angebracht. In dem Kern ist ein dünnwandiges Rohr 46 gleitbar angeordnet, an dem kalten Ende 20' ein Ventilblock 23', der ein Nadelventil 24' trägt, befestigt. Das Nadelventil 24' ist gleich dem Nadelventil in F i g. 2. Über und in einem Abstand von dem Ventilblock 23' ist eine Kappe 48 angeordnet, die dadurch eine Temperaturabfühlkammer 35' bildet. Ein verlängertes Kapillar- i^r' rohr 38' verläuft von der Kammer 35' durch eine Kappe 48 zu dem warmen Ende des Kryostaten in einen vergrößerten Balg 50. Der Balg 50 ist in einer Abdeckung 52 enthalten, die beispielsweise durch Verschweißung an dem Kern 12' befestigt ist. Der Balg Jn 50 ist in fluiddichtem Eingriff mit der Abdeckung 52. um den Austritt des Gases in der Abfühlkammer zu verhindern. Der untere Teil oder Kragen 54 des Balgs 50 ist gegen eine Kappe 56 abgedichtet, die ihrerseits gegen das dünnwandige Rohr 46 abgedichtet ist. Wie -'^; beim Kryostaten gem. F i g. 2 ist die Abfühlkammer mit einem Fluid wie Stickstoff gefüllt, um den Balg 50 um eine vorbestimmte Länge zu dehnen. Dieser Balg-Fühleraufbau funktioniert dann in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform gem. F i g. 1. }<>

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der der Kryostat in einem Dewarbehälter 60 angeordnet ist, der einen abgestuften Kolben 62 hat. Der Kern 64 ist entsprechend abgestuft und der Wärmeaustauscher 66 ist um den Kern 64 herumgewun- i"> den. Am kalten Ende des Wärmeaustauschers 66 befindet sich eine Öffnung 68. Ein dünnwandiges Rohr 70 ist in dem Kern angeordnet und begrenzt die Abfühlkammer 72. An dem unteren Ende des Rohrs 70 ist ein Ventilblock 74 und ein Nadelventil 76 und an dem 4<i oberen Ende des Rohrs 70 ist ein Balg 78 mit einer Kappe 80 angebracht. Der Ventilblock 74 und der Balg 78 sind beispielsweise durch Löten in dichter Anordnung an dem Rohr 70 befestigt und eine Kappe 80 ist fest an dem Balg 78 und an dem Kern 64 auf gleiche «"> Weise befestigt. Die Kappe 80 umfaßt ein Balgfüllrohr 82. das nach dem Füllen der Balg-Kammer-Anordnung mit Fluid bis zu einem gewünschten Spiegel abgedichtet werden kann.

An dem oberen Ende 84 des Kerns 64 ist eine Fluidarmatur 86 an dem Kern angelötet. Die Armatur 86 enthält in einer zentralen Bohrung 90. die mit dem Rohr 92 des Wärmeaustauschers 66 in Verbindung steht, ein Filter 88. Gewindegänge 94 der Armatur 86 nehmen eine geeignete Armatur einer Quelle von Hochdruck-Kühlmittel auf.

Eine weitere Ausführungsform ist in F i g. 5 gezeigt.

wobei der Wärmeaustauscher 96, der eine öffnung 98 zur Erzeugung des Kälteeffektes enthält, um einen Kern 100 herum angebracht ist. Der Kern 100 hat eine fluiddichte Kappe 102 an einem Ende, die eine vorspringende Leitung 104 des Wärmeaustauschers % enthält. Nahe dem anderen Ende in dem Kern 100 ist ein zweiter Verschluß 106 vorhanden, der einen eine vorstehende Welle aufnehmenden zylindrischen Teil 108 aufweist. In dem Teil 108 ist eine Welle 110 gleitbar angeordnet, die an dem Ventilblock 122 befestigt ist, der seinerseits ein Nadelventil 114 trägt, dessen Nadel zum Regeln der Kühlmittelströmung durch die öffnung 98 dient, wie es im Zusammenhang mit den anderen Ausführungen der Erfindung beschrieben ist. Die Welle 110 trägt ein Ende eines Balgs 116, der so angeordnet ist, daß er eine Abfühlkammer 118 in dem Raum zwischen dem Balg 116 und dem Verschluß 106 bildet. Der Balg 116 ist beispielsweise durch Hartlöten, Schweißen oder Löten bei 120 an dem Kern 100 befestigt. Bei dieser Ausführung ist die Kammer bis zu einer vorbestimmten Balgdehnung gefüllt, doch ist der Balg mehr von außen als von innen mit Druck beaufschlagt, und zwar mit den gleichen Ergebnissen wie bei den anderen Ausführungen.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungen bestehen verschiedene Vorteile gegenüber dem Stande der Technik. Ein erster Vorteil liegt in der Tatsache, daß die geringe thermische Masse des Kryostaten ein schnelles Abkühlen erlaubt. Die Abkühlzeit ist weiter reduziert, weil die Joule-Thompson-Öffnung notwendigerweise ganz offen ist, bis Flüssigkeit produziert wird und den Spiegel auf ein oder zwei Windungen des Wärmeaustauschers bis zu einir Stelle erhöbt, die nahe dem kalten Ende der Abfühlkammer ist. Beim Anordnen des Fühlers in der dargestellten Weise ist der Kryostat gegenüber Umgebungstemperatur relativ unempfindlich; nahezu optimale Strömungen wurden bei Umgebungstemperaturen von —70⁰C bis 180°C unter Drücken von 70 bar bis 350 bar beobachtet, und zwar bei Verwendung von Stickstoff als Kühlmittel. Das Kühlsystem gemäß der Erfindung mit einer insgesamt schnellen Reaktion vermindert die Strömung von Kühlmittel und Temperatur-Abweichungen an dem kalten Ende. Die Steuerung des Kühlsystems die auf dem Flüssigkeitsspiegel basiert, gewährleistet das Vorhandensein von Flüssigkeit an dem kalten Ende (und in dem Dewarbehälter) und verringert die Empfindlichkeit bei anderen als optimalen Wärmebedingungen. Bei einem Kryostaten gemäß der Erfindung in einem Dewarbehälter mit Wärmebelastungen von 200 mW bis 1.5 Watt ergab sich ein nahezu optimaler Wirkungsgrad. Ferner ist die gasgefüllte Abfühlkammer r lativ unempfindlich in bezug auf die Kryostat-Orientierung. weil in ihr keine Temperaturschichtung existiert und sie daher keinen spürbaren Konvektions-Zirkulationen unterworfen ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Kryogenes Kühlsystem, bei dem ein gasförmiges Kühlmittel zur Erzeugung kryogener Temperaturen durch eine Öffnung expandiert und sich dabei abkühlt und verflüssigt mit einem der öffnung zugeordneten Ventilelement zur Steuerung der daraus austretenden Menge des Kühlmittels und einem dehnbaren Balg, der mit einem bei den Arbeitsbedingungen gasförmigen Medium gefüllt ist und sich in Abhängigkeit von der durch den Kühleffekt erreichten Temperatur zur Betätigung des an seinem einen Ende befestigten Ventilelements ausdehnt bzw. zusammenzieht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ventilele- ' ment (24,24', 76,114) und dem diesem zugewandten Ende des Balges (34,50,78,116) eine Temperaturabfühlkammer (35,35', 72,118) angeordnet ist, die mit dem Inneren des B2lges (34, 50, 78, 116) in Verbindung ist und deren Außenseite über eine dünne Wandung (32) mit guter Wärmeleitfähigkeit und geringer thermischer Masse mit dem in einer die Temperaiurabfühikammer (35, 35', 72, 118) umgebenden Kammer (30) im Betrieb sich ansammelnden Kühlmittel thermisch in Kontakt ist.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, das einen vcn dem Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher umfaßt, dadurch gekennzeichnet, Haß die Temperaturabfühlkammer (35, 35', 72, 118) zwischen dem kalten und dem warmen Ende des Wärmetauschers *o (14) in einem Abstand von seinem kalten Ende angeordnet ist, der 5 bis 30% des Abstandes zwischen dem ka:".en und dem warmen Ende beträgt.

3. Kühlsystem nach Anspruch ' oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (34, 50, 78, 116) einen Steuerungshub zwischen 0,Hb mir» und 0,238 mm aufweist.

4. Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Wandung (32) der Temperaturabfühlkammer (35, ·»<> 35', 72, 118) eine Wandstärke von etwa 0,076 mm aufweist.

5. Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium in dem Balg (35,50, 78,116) Stickstoff *5 ist und in solcher Füllmenge vorhanden ist, daß bei Betriebsdrücken von etwa 21 bar die Temperatur des Stickstoffs etwa 140 K beträgt.

6. Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (50) im Abstand von der Temperaturfühlkammer (35') angeordnet und durch ein Kapillarrohr (38') mit ihr für das gasförmige Medium in Verbindung ist.