DE2314003A1

DE2314003A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der kaelteleistung einer joule-thomsonkaeltemaschine und kaeltemaschine zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2314003A1
Application number: DE19732314003
Authority: DE
Inventors: Patrice Chovet; Honore Galasso; Roger Prost; Claude Rollin
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1972-03-23
Filing date: 1973-03-21
Publication date: 1973-10-04
Also published as: FR2176544B1; JPS4935940A; GB1431333A; FR2176544A1; US3827252A

Description

Dr. Hans-Heinrich Willrath

Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus Seiffert

PATENTANWÄLTE

23H003

W(ESPaDEN ""¹^	lan 1973	1991
Pwtrach 1327
Giuttv-Fraytaf-Stni« ff	I/Wh
* (061Ϊ1) 37(7»
TdcfniBBMdmfei WnÜWTENT	*
Serie

L¹AIr Liquide Ste. Ame. pour I¹Etude

et 1*Exploitation des Procedes Georges

Claude, 75, Quai d¹Orsay, 75 Paris,

Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Kälteleistung einer Joule-Thomson-Kältemaschine und Kältemaschine zur Durchführung des Verfahrens

Priorität; EN 72 10.139 vom 23. März 1972 in Frankreich

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Kälteleistung, die von einer Kältemaschine unter Joule-Thomson-Entspannung eines Kältemittels von Hochdruck auf Niederdruck ge fert wird, wobei das Kältemittel sich auf einer Temperatur terhalb seiner Inversionstemperatur befindet. Ferner betr die Erfindung eine Joule-Thomson-Kältemaschine zur Durchführung

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des Regelverfahrens gemäß der Erfindung. Die Kältemaschinen vom Joule-Thomson-Typ werden seit einigen Jahren für verschiedene Anwendungszwecke, insbesondere zur Kalthaltung von Vorrichtungen zur Ermittlung elektromagnetischer Strahlungen verwendet .

Eine solche Kältemaschine besitzt einen Wärmeaustauscher mit einem ersten Durchlaß für das Kältemittel unter Hochdruck und einem zweiten Durchlaß für das Kältemittel unter Niederdruck in Wärmeaustauschbeziehung miteinander, ein Entspannungsorgan, dessen AufStromseite mit dem ersten Durchlaß verbunden ist,und eine Kammer für das Kältemittel unter Niederdruck, die mit der Abstromseite des Entspannungsorgans und dem zweiten Durchlaß verbunden ist. Wenn eine Kältemaschine dieser Art benutzt wird, um eine Vorrichtung zur Ermittlung von elektromagnetischen Strahlungen kalt zu halten, ist letztere im allgemeinen auf der Außenseite der Niederdruckkammer der Kältemaschine im Wärmekontakt mit der Metallwand der letzteren gegen das Entspannungsorgan in der mittleren Ausstoßrichtung des Kältemittels angeordnet.

Wenn eine Kältemaschine dJ eser Art in permanenten Betrieb arbeitet, d.h. wenn das durch das Kältemittel unter Niederdruck in der Entspannungskammer der Kältemaschine erzielbare Temperaturniveau ziemlich konstant und ami'ihernd gleich einer kalten Bezugstemperatur bleibt, die irn wesentlichen gleich dem Siedepunkt des Kältemittels unter Niedßtö?jck ist, erzeugt man so durch Joule-Thomson~E ,t^anming des Kältemittels auf eine Temperatur unterhalb seiner Inversionstemperatur eine Kältelei-

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stung, die nominal notwendig ist, um dia in die Kältemaschine eingeführte Wärmeenergie zu kompensieren mit der Folge von Wärr.averlusten dar Kältemaschine im Dauerbetrieb, insbesondere Kaloriestreuverluste gegen das Innere der Kältemaschine, was gegebenenfalls zu einer Kalorienfreigabe einer Wärmebeladung, z.3. bei einem Detektor für elektromagnetische Strahlungen in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Niederdruckkältemittel führt. Im allgemeinen wird das Kältemittel im Gaszustand unter hohem Druck durch die Joule-Thomson-Entspannung gekühlt und mindestens teilweise verflüssigt. Man erhält so in der Entspannungskammer der Kältemaschine unter Niederdruck eine flüssige und eine gasförmige Phase des Kältemittels, die eindeutig voneinander getrennt oder in homogener oder heterogener V7eise miteinander vermischt sind und zwar je nach der Lage der Kältemaschine oder ihrer Funktionsbedingungen. Die thermische Belastung ist dann auf einem kalten Teinperaturniveau gehalten, das ungefähr gleich dem Siedepunkt des Kältemittels unter Niederdruck 1st.

Im Dauerbetrieb ist es jedoch hai einer nominalen und konstanten Strömungsmenge des entspannten Kältemittels entsprechend der nominalen Kälteleistung im allgemeinen unmöglich, die bei diesam Nominalwert abgegebene Kälteleistung aufrecht zu erhalten, weil sich folgende Störungen für die Funktion der Kältemaschine ergeben:

1. Die in die Kältemaschine eingeführte Wärmeenergie kann in gewissen Grenzen unabhängig von der entspannten Strömungsmenge schwanken. Dies kann auf einer intermittierenden Wärmeabgabe der

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ο ο i / η η ο zu kühlenden Wärmebelastung oder auf Teriperaturschwankungen in

der Umgebung außerhalb der Kältemaschine beruhen.

2. Gewisse Verunreinigungen des eingesetzten Kältemittels können sich auf dem Niveau des Entspannungsorganes kondensieren und so zu dessen Verstopfung führen, was eine Herabsetzung der abgegebenen Kälteleistung mit sich bringt.

3. Falls die Kältemaschine mit Kältemittel aus einer Hochdruckgasquelle von konstantem Volumen für einen im wesentlichen konstanten Niederdruck, z.B. Luftdruck, gespeist wird, ist zu Beginn des Dauerbetriebes infolge des erhöhten Hochdruckes die abgegebene Kälteleistung höher als die nominale Kälteleistung, während am Ende des Dauerbetriebes die abgegebene Kälteleistung infolge des schwachen Hochdruckes unter der nominalen Kälteleistung liegt. In diesem Fall verschwendet man also bei den erhöhten Drücken Kältemittel und vermindert dementsprechend die Autonomie der Kältemaschine für eine Gasquelle von gegebenem Volumen.

Aus allen diesen Gründen erscheint es beim Dauerbetrieb notwendig, die von der Kältemaschine abgegebene Kälteleistung derart zu regeln, daß man diese auf ihrem Nominalwert hält. Deshalb wählt man eine selbsttätige Regelung der Strömungsmenge des entspannten Kältemittels in Funktion der abzugebenden nominalen Kälteleistung mittels eines geeigneten Regelsystems. In ähnlicher Weise ist es beim vorübergehenden Anlaufbetrieb oder bei Abstellung der Kältemaschine mit demselben Regelsystem möglich, automatisch die abgegebene Kälteleistung zwischen der nominalen Leistung bei Dauerbetrieb und einer gegenüber dieser höheren Anfangskälteleistung entsprechend der während des Anlaufes der Kältemaschine abgegebenen Leistung zu variieren.

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Falls die eingesetzte Joule-Thomson-Kältemaschine geregelt wird, ist das Entspannungsorgan außerdem in der Lage, die Strömungsmenge des Kältemittels zu regeln und besitzt zu diesem Zweck einen Sitz, der mit einer Entspannungsöffnung und einer Nadel ausgerüstet ist, die mit der öffnung einen Entspannungskanal für Kältemittel definiert; das eine dieser Bauteile ist gegenüber dem anderen ortsfesten Teil beweglich. Das gewählte Regelsystem steuert dann die Verschiebung des beweglichen Bauteiles des Entspannungsorganes in Funktion einer ermittelten Größe, welche die von der Kältemaschine abgegebene Kälteleistung darstellt.

Die eingesetzten Regelsysteme können verschiedener Art sein:

1. Sie können von indirekter Wirkung sein. Beispielsweise besitzt das Regelsystem ein auf die Temperatur ansprechendes Detektorteil, beispielsweise ein Thermoelement, das innerhalb der Kältemaschine in der Entspannungskammer des Kältemittels in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Strom des Niederdruckkältemittels angeordnet ist, den man nach der Entspannung erhält. Das am Ausgang des Thermoelementes erhaltene elektrische Signal, das die ermittelte Temperatur in Abhängigkeit von der augenblicklich gelieferten Kälteleistung wiedergibt, wird auf ein Meßgerät außerhalb der Kältemaschine übertragen. In diesem Fall wird das übertragene elektrische Signal algebraisch zu einem Bezugssignal addiert, das der nominalen Kälteleistung entspricht, um ein Fehlersignal zu erhalten. Das so erhaltene Fehlersignal wird an einen elektropneumatischen Schieber außerhalb der Kältemaschine

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übertragen, der schließlich die Verschiebung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes in Funktion der ermittelten Temperatur steuert.

2. Regelsysteme können auch eine direkte Wirkung haben. In diesem Fall ist das Regelsystem vollständig in der Kältemaschine angeordnet und besitzt eine für die Temperatur empfindliche Kapazität, die eine unter dem Einfluß der Temperatur expandierbare Kältemittelbeladung einschließt, die zumindest teilweise von einem Balg umgrenzt ist, dessen eines Ende festliegt, während sein anderes bewegliches Ende die Verschiebung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kältemittel unter Hochdruck steuert.

In diesen beiden Fällen regelt man also die Lage des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes in Funktion der abzugebenden Kälteleistung und zwar unter dem Einfluß der Temperatur, die von dem temperaturempfindlichen Detektorte.ll, d.h. Thermoelement bei einem System mit indirekter Wirkung und Kapazität bei einem System mit direkter Wirkung, dessen Volumen sich unter dem Einfluß der Temperatur verändert, erreicht wird. Bei den vorstehend beschriebenen Regelsystemen mit direkter Wirkung ist die von der Kälteleistung der Kältemaschine abhängige und. von dem Regelsystem ermittelte Größe im allgemeinen eine Temperatur, nämlich diejenige, die vw dem temperanurempfindlichen Detektorteil, beispielsweise durch die Kapazität expandierbaren Kältemittels erreicht ist.

Es ist nämlich zu betören, daß bei I^avu-rbetrieb der Detektorteil sich nach dem vorstehenden in Wärmeaustauschbeziehung einer-

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seits mit dem entspannten Kältemittel, d.h. mit dem ganzen oder einem Teil des Niederdruckkreises dieses Kältemittels ausgehend von der Abstromseite des Entspannungsorganes (Niederdruckkammer und zweiter Durchlass des Austausches im Falle der vorstehend angegebenen Kältemaschine) und andererseits mit dem warmen Teil der Kältemaschine, besonders durch Wärmeleitung, befindet. Daraus ergibt sich, daß die von dem Regelorgan erreichte Temperatur im Gleichgewicht zwischen dem Kalorienfluß, der zu diesem Organ von dem warmen Teil der Kältemaschine gelangt, und dem Wärmefluß entspricht, der zu diesem Organ von dem Miederdruckkreis des Kältemittels gelangt. Jede Schwankung der abgegebenen Kälteleistung oder der eingegebenen Wärmeenergie oder beider überträgt sich also durch eine Veränderung der von dem Detektorteil erreichten Temperatur.

Gemäß einem ersten Vorschlag, bei dem eine Joule-Thomson-Kältemaschine mit einem Regelsystem von direkter Wirkung, wie vorstehend beschrieben, vorgesehen ist, wird die Kapazität die die abgeschlossene Beladung mit unter Tenperatureinwirkung expandierbarem Strömungsmittel einschließt, völlig von dem Balg begrenzt, und das bewegliche Ende des letzteren steuert mit seiner Verschiebung den Sitz des Entspannungsorganes. Der Balg kann sich in einer von dem Niederdruckkreis des entspannten Kältemittels im wesentlichen isolierten Umschließung ausdehen und zusammenziehen. In diesem Fall ist es bei Dauerbetrieb infolge der gesamten Trägheit des hauptsächlich thermischen Regelsystems möglich, die abgegebene Kälteleistung auf einen Nominalwert zu stabilisieren, der im wesentlichen der nominalen Kälteleistung

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entspricht, die das Kältemittel liefern soll, um mindestens die Wärmeverluste der Kältemaschine in Dauerbetrieb zu kompensieren. Es ist daher möglich, die Strömungsrienge auf einen Nominalwert zu stabilisieren, der der nominalen Kälteleistung entspricht. Diese Strömungemenge pendelt kontinuierlich um diesen Nominalwert zwischen einer Strömungsmenge O und einer maximalen Strömungsmenge, ohne gedämpft zu werden, was einer Pumperscheinung entspricht. In entsprechender Weise pendelt das Volumen des Balges in"ungenügend gedämpfter Weise zwischen einem Mindestvolumen entsprechend einem Nutzquerschnitt des Entspannungsdurchlasses gleich 0 und einem Höchstvolumen entsprechend dem größten Nutzquerschnitt dieses Entspannungsdurchlasses. Infolgedessen entspricht diesem Vorschlag die Regelung der Strömungsmenge entspannten Kältemittels demGrundsatz "alles oder nichts". Damit sind beträchtliche Mangel verbunden.

Die Menge des entspannten Kältemittels pendelt also zwischen einer größten und einer Strömungsmenge praktisch gleich 0. Entsprechende Schwingungsperiode hängt einerseits von der thermischen Trägheit und andererseits von der mechanischen Trägheit des verwendeten Regelsystems ab. In dieser Hinsicht ist zu betonen, daß der kalte Wärmeaustausch, der zwischen dem Niederdruckkältemittel und der eingeschlossenen Ladung des expandierbaren Strömungsmittel in der Regelkapazität auftritt, relativ

ist

langsam. Ein erheblicher Anteil dieses Austausches erfolgt nämlich zwischen dem Niederdruckkältemittel, das in der kalten Zone von dem zweiten Durchlaß unter Niederdruck im Austauscherkreis ist, und dem expandierbaren Strömungsmittel durch die Wand der BaIg-

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umschließung von der Gaszwischenschicht zwischen dieser Umschließung und der Balgwand und der letzteren. Dieser Beitrag zum kalten Wärmeaustausch auf die Regelkapazität ist also mangelhaft; denn die Zwischengasschicht spielt gewissermaßen die Rolle einer Wärmeisolierschicht. Daraus folgt, daß die Pendelperiode der entspannten Strömungsmenge relativ lang ist; sie beträgt 1 bis mehrere Minuten. Dies bedeutet, daß die Strömungsmenge des Kältemittels während nicht zu vernachlässigender Zeitspannen von 1 bis mehreren Sekunden praktisch O bleibt, entsprechend den "Lücken"durch Schwankungen der entspannten Strömungsmenge. Während dieser Zeitintervalle kann daher die von dem Niederdruckkältemittel erreichte Temperatur beträchtlich gegenüber der nominalen kalten Temperatur für die Funktion der Kältenaschine ansteigen. Dies bedeutet einen schweren Mangel, wenn diese Kältemaschinen dazu dienen, Detektoren für elektromagnetische Strahlungen, insbesondere Infrarotdetektoren, kalt zu halten. Man weiß nämlich, daß solche Detektoren eine Empfindlichkeit und eine maximale Selektivität für eine gegebene Wellenlänge mit einer engen Temperaturzone besitzen. Infolgedessen läßt jede Erwärmung während der Schließungsintervalle des Entspannungsorganes die Selektivität und Empfindlichkeit benutzter Detektoren unmittelbar abfallen.

Bei einem anderen Vorschlag werden verschiedene durch direkte Wirkung, wie vorstehend angegeben, geregelte Kältemaschinen beschrieben, die z.B. ähnlich der bei dem ersten Vorschlag anzutreffenden Kältemaschine sind. Nach diesem zweiten Vorschlage kann für diese Kältemaschinen die Regelkapazität mit der einge-

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schlossenen Beladung an expandiert^rem :·λ ömungsrclttel völlig durch die Balgwand oder teilweise durch diese Wand und ergänzend durch die Wand der Umschließung begrenzt sein, in welcher der Balg angeordnet ist. Die Regelkapazität kann außerdem eine einen Ansatz darstellende Verdickung umfassen, die mindestens zum Teil jenseits des Entspannungsorganes in Bezug auf den Rest der Kapazität liegt. Diese Kapazität kann für einen Teil in eine warme Zone der Kältemaschine einbezogen sein; in diesem Fall bleibt ein anderer Teil in der kalten Zone der Kältemaschine in Form einer Verdickung oder Erweiterung oder kann insgesamt in einer kalten Zone der Kältemaschine angeordnet sein. In allen Fällen steuert das bewegliche Ende des Balges bei der Verschiebung die bewegliche Nadel des Entspannungsorganes. Bei diesen Arten von Kältemaschinen wird im Betrieb das Kältemittel entspannt und

-kammer

kondensiert und dann in eine am Boden der Niederdruck aufgefangene flüssige Phase und eine den Rest der Kammer einnehmende Gasphase getrennt. Damit ist natürlich eine Funktionsweise der Kältemaschine in senkrechter Stellung und die Erzielung eines Niveaus des flüssigen Kältemittels bedingt.

Bei den in diesem zweiten Vorschlag beschriebenen Kältemaschinen ist im Gegensatz zu denen bei dem ersten Vorschlaa die Regelkapazität immer in direktem Wärmeaustauschverhältnis mit dem Niederdruckkältemittel. Da nämlich aus konstruktiven Gründen die Anordnung der Regelkapazität in direktem Kontakt mit dem Nlode.rdruckkältemittel unmöglich ist, hat man im erster, Fall/ bei cen die Kapazität in einer von der Niederdruckkammer getrennten umschließung angeordnet ist, Verbindungskanäle von dieser Kammer

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zu der Kapazität vorgesehen, die in die Wand der umschließung gebohrt sind. In einem zweiten Fall, bei dem die Regelkapazität von der Niederdruckkammer durch mindestens einen Teil ihrer eigentlichen Wand getrennt ist, ist eine Erweiterung, die einen Ansatz der Kapazität darstellt, in der Niederdruckkammer der Kältemaschine angeordnet.

In diesem Fall ergibt sich wie im vorhergehenden bei der Regelung eine Pumperscheinung. Infolgedessen ist es bei Dauerbetrieb unmöglich, die Strömungsmenge des entspannten Kältemittels auf einen Nominalwert entsprechend der nominalen Kälteleistung der Kältemaschine zu stabilisieren. Unter dem Einfluß von Schwankungen im Volumen der Regelkapazität pendelt die Strömungsmenge alsoin ungedämpfter Weise zu beiden Seiten der nominalen Strömungsmenge, d.h. zwischen einer Strömungsmenge O und einem Maximum. Die Pendelperiode ist jedoch kleiner als die Pendelperiode der Strömungsmenge, die sich bei einer Kältemaschine nach dem vorhergehenden Vorschlag ergeben. Infolge des unmittelbaren Wärmeaustausches mit der ganzen oder einem Teil der Regelkapazität ist nämlich die Gesamtträgheit des Regelsystemes weniger groß.

Andererseits ist die Pendelamplitude, d.h. die obere Grenze (größte Strömungsmenge) des entspannten Kältemittels infolge der Natur des für die Füllung der Regelkapazität gewählten expandierbaren Mittels sehr erheblich. Nach diesem zweiten Vorschlag wählt man nämlich für die Füllung der Regelkapazität ein mit dem Kältemittel identisches Mittel, z.B. Stickstoff, oder ein Mittel, z.B. Methan, dessen Siedepunkt unter dem beim Dauerbe-

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J. Δ

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trieb herrschenden Druck in dieser Kapazität mindestens gleich den Siedepunkt des Kältemittels unter deir Niederdruck der Kältemaschine ist. Daraus ergibt sich, daß die Funktionsweise der Regelkapazität derjenigen einer Ausbuchtung mit Dampfspannung gleichstellbar ist, weil das expandierbare Mittel zum Teil in kondensierter Form bei der Nominaltemperatur der Funktion der Kältemaschine vorliegt.

Wenn nach diesem zweiten Vorschlage die TemperaturSchwankungen der Regelkapazität gut die Schwankungen der abgegebenen Kälteleistung wiedergeben, entspricht die ermittelte Größe für die Regelung der abgegebenen Kälteleistuna tatsächlich einer Messung auf dem Niveau der flüssigen Phase des Kältemittels in der Niederdruckkammer. Dieses Niveau verändert sich im selben Sinn wie die abgegebene Kälteleistung. Wenn man nämlich die Funktionsweise der Kältemaschine nach dem zweiten Vorschlag prüft, stellt man fest, da8, wenn die flüssige Phase des Niederdruckkältemittels in direktem Wärmekontakt mit der ganzen oder einem Teil der Regelkapazität steht, diese die Schließung des Entspannungsorganes auslöst (entspannte Strömungsmenge gleich O), während dieses die öffnung des Entspannungsorganes auslöst (entspannte Strömungsmenge auf Maximum), wenn die Gasphase des Kältemittels im unmittelbaren Wärmekontakt mit der aanzen oder einem Teil der Regelkapazität steht.

Da die Wärmeaustauschkoeffizienten der Regelkapazität mit der Flüssigkeitsphase und der Gasphase des Kältemittels v/esentlich verschieden sind und beispielsweise in einem Verhältnis von 100 : 1 stehen, ergibt sich daraus, daß einer geringen Schwan-

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kung des Niveaus (ermittelte Größe) eine sehr große Schwankung des Volumens der Regelkapazität und damit eine sehr große Veränderung der entspannten Strömungsmenge (Regelgröße) entspricht. Für eine gleiche mechanische Trägheit des Regelsystemes ergibt sich daraus infolge der großen Empfindlichkeit der Regelung eine sehr erhebliche Durchströmungsmenge im Verhältnis zu dem vorstehenden Fall.

Gegenüber dem ersten Vorschlag bietet also im Ergebnis eine Kältemaschine nach dem zweiten Vorschlag eine Regelung der entspannten Strömungsmenge von der Art des "alles oder, nichts", die durch eine sehr kurze Periode oder eine große Frequenz und große Pendelausschläge gekennzeichnet ist. Eine solche Funktionsweise völlig diskontinuierlicher Art eignet sich keinesfalls für die Erzielung eines guten thermischen Wirkungsgrades des Austauschers der Kältemaschine. Sein Wirkungsgrad ist also mangelhaft oder anders gesprochen muß man zur Erzielung derselben nominalen Kälteleistung mehr Kältemittel verschwenden. Infolgedessen ist bei einer Kältemaschine, die mit einer Gasquelle von gegebenem Volumen vereinigt ist, ihre Autonomie gering.

Aus diesenGründen erscheint keiner der vorstehend dargelegten Regelgedanken befriedigend, wonach man das Temperaturniveau in der kalten Zone des Austauschers (erster Vorschlag) oder das Niveau des flüssigen Kältemittels (zweiter Vorschlag) abtastet.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine neue Regelmethode für eine Joule-Thomson-Kältemaschine zu entwickeln, die es gestattet, die Mängel der vorstehend erörterten Regel-

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systeme auszuschalten, die sich von einer Regelung nach dem Prinzip "alles oder nichts" der entspannten Strömungsmenge unterscheidet und insbesondere die Schwankungen der entspannten Strömungsmenge vermindert.

Der Grundgedanke des Systems und der Regelmethode nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man als Funktion der abzugebenden Kälteleistung mittels des gewählten Regelsystemes automatisch die Strömungsmenge des entspannten Kältemittels oberhalb einer Mindestströmungsmenge, die nicht gleich 0 ist, entsprechend der Mindestkälteleistung einregelt, die die Entspannung des Kältemittels bei Dauerbetrieb abgeben muß, um die thermischen Verluste der Kältemaschine für diesen Betrieb zu kompensieren.

Unter Regelsystem sind gemäß der Erfindung die vorstehend in Betracht gezogenen Regelsysteme, sei es mit indirekter oder direkter Wirkung, zu verstehen, wobei die für die Korrektur der Strömungsmenge des entspannten Kältemittels abgetastete Größe entweder das Niveau der Kältemittelflüssigkeit in der Entspannungskammer der Kältemaschine oder die in der kalten Zone des Austauschers der Kältemaschine herrschende Temperatur oder jede andere für die abgegebene Kälteleistung kennzeichnende Größe ist.

Die Wärmeverluste der Kältemaschine bei Dauerbetrieb können leicht rechnerisch oder experimentell bestimmt werden, indem man z.B. die Entspannungskammer mit einer gegebenen Menge Kältemittelflüssigkeit füllt und als Zeitfunktion die aus der Kältemaschine in Gasform entweichende Kältemittelmenge mißt. Wenn man

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die Natur des Kältemittels und die betrieblichen Hoch- und Niederdrücke der Kältemaschine kennt, ist es leicht, aus diesen Wärmeverlusten die Mindestströmungsmenge abzuleiten, die durch Entspannung die zur Kompensierung dieser Wärmeverluste erforderliche Kälteleistung erzeugt. Nach der Erfindung wird die entspannte Strömungsmenge konstant oberhalb dieser Größe geregelt.

Unter Mindestströmungsmenge ist also eine Menge des entspannten Kältemittels zu verstehen, die bei Dauerbetrieb eine Kompensierung der Wärmeverluste der Kältemaschine gestattet. Die Strömungsmenge bleibt nicht notwendigerweise konstant. Sie kann z.B. als Funktion der Schwankungen des Entspannungsgrades des Kältemittels schwanken. So entspricht einer Verminderung des Hochdruckes eine Erhöhung der Mindestströmungsmenge, Dieselben Bemerkungen gelten für den Ausdruck "Nominalströmungsmenge", soweit dieser anzutreffen ist.

In der Praxis kann ein nach der Erfindung arbeitendes Regelsystem seine Wirkung in zwei Funktionsweisen ausüben: Ein vorübergehender Anlauf- oder Abstellbetrieb der Kältemaschine, während dessen die gelieferte Kälteleistung nicht gleich bleibt, sondern im Gegenteil zwischen einer nominalen Kälteleistung oberhalb der vorstehend definierten Mindestkälteleistung und einer Anfangskälteleistung oberhalb dieser nominalen Kälteleistung entsprechend der von der Kältemaschine während deren Anlaufes gelieferten Kälteleistung schwankt. Für diesen Betriebszustand wird mittels des Regelsystems in entsprechender Weise die Menge entspannten Kältemittels zwischen der Mindest-

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strömungsmenge und reiner Anfangsströmungsmenge ob<eirJ.ÄMrM ⁷!ir.iniu"is eingeregelt.

.Tin Dauerbetrieb, während dessen die abgegebene Kälteleistung auf einem konstanten Nominalwert oberhalb der Jlindestkälteleistung erhalten wird. In diesem Fall wird in entsprechender Tⁱ⁷eise mittels das gewählten Regelsystens in Funktion von der Funktionsweise der Kältemaschine zugefügten Störungen (Schwankungen des Entspannungsgrades usw.) die Strömungsmenge des entspannten Kältemittels oberhalb der vorstehend definierten Mindestmenge derart eingeregelt, daß die abgegebene Kälteleistung auf ihrem Nominalwert gehalten wird.

Bei einer Joule-Thomson-Kältemaschine, wie sie vorstehend erörtert wurde, entspricht praktisch die Mindestströmungsmenge einer Minimumeinstellung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes, in der der Gesamtdurchlaßquerschnitt für Kältemittel durch das Entspannungsorgan ein Minimum ist. Infolgedessen entspricht also im Vergleich zu dem vorstehend erörterten Stand der Technik die Regelung der entspannten Strömungsmenge dem Prinzip "alles oder wenig". Man schaltet so die vorstehend angegebenen Mängel aus, die mit einer Regelung vcn der Art ^!!alles oder nichts" verbunden sind. Unabhängig von der Pendelperiode der geregelten Strömungemenge oder der Amplitude dieser Schwingungen und unabhängig von den Funktionsbedingungen dar Kältemaschine ist im Dauerbetrieb immer eine Mindestkälteleistung gewährleistet, die die Aufrechterhaltung der kalten Bezugstemperatur der Kältemaschine garantiert. Während das vorstehend beschriebene

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ORIGINAL INSPEC

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Regelsystem mit direkter Wirkung arbeitet und zu diesem Zweck eine für die Temperatur empfindliche Regelkapazität aufweist, von der mindestens ein Teil einer Ladung eines unter Temperatureinfluß expandierbaren Mittels in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kältemittel unter Niederdruck einschließt, wobei letzteres vorzugsweise in der kalten Zone des zweiten Durchganges des Austauschers der Kältemaschine umläuft, gestattet die Erfindung folgende bevorzugte Ausführungsweise. Man wählt die Art des expandierbaren Mittels in solcher Weise, daß dieses bei der Siedetemperatur des Kältemittels unter Niederdruck gasförmig bleibt. Wenn also das Kältemittel aus Stickstoff besteht, wählt man das expandierbare Mittel unter Wasserstoff, Helium, Neon und einem Gemisch dieser Gase aus. Infolgedessen benutzt man nach diesem v/esentlichen Merkmal der Erfindung als expandierbares Mittel ein bei der nominalen Betriebstemperatur der Kältemaschine nicht kondensierbares Gas. Die Regelkapazität verhält sich daher im Betrieb wie ein Gasthermometer und nicht wie ein Dampfspannungskolben, wie dies der Stand der Technik zeigt.

Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß bei Füllung der Kapazität mit einem Permanentgas man wechselweise eine lineare Veränderung der Verschiebung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes in Funktion der Veränderung der von der Regelkapazität erreichten Temperatur erhält. Wenn infolgedessen der nutzbare Querschnitt des Entspannungsdurchlasses linear in Funktion zu der Verlagerung des beweglichen Bauteiles schwankt, wird die Strömungsmenge des entspannten Kältemittels proportional der von der Regelkapazität erreichten Temperatur. Es wird

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dann möglich, im Dauerbetrieb eine Regelung der entspannten Strömungsmenge in proportionaler VirKing durchzuführen. Die Korrektur der entspannten Strömungsmenge ist nämlich proportional der Abweichung der gelieferten Kälteleistung gegenüber der nominalen Kälteleistung. Die Stellung des beweglichen Bauteiles des Entsoannungsorganges ist schrittweise mit der zu korrigierenden Abweichung verbunden.

Außerdem ist hervorzuheben, daß die I'Tahl eines Gases als expandierbares Mittel für die RegelkapazitSt gestattet, die Pendelamplitude des entspannten Strömungsmittels wesentlich herabzusetzen. Die Regelkapazität besitzt nämlich eine größere thermische Trägheit als bei einer Füllung mit einem Gas-Flüssigkeitsgemisch (Kolben mit Dampfspannung); Der eine Holle spielende innere Austauschkoeffizient ist kleiner als im vorhergehenden Fall. Daraus folgt, daß bei derselben äußeren Belastung (unverzögerte Temperaturschwankung infolge einer unverzögerten Schwankung der Kälteleistung) der in die Regelkapazität eingeführte Impuls kleiner ist als im vorhergehenden Fall. Bei derselben mechanischen Trägheit ergibt sich infolgedessen eine kleinere Amplitude der Ausschläge des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes und damit eine kleinere Pendelanplitude der entspannten Strömungsmenge.

Die Kältemaschinen, welche den Einsatz der Erfindung gestatten, sind den vorstehend für den ersten und den zweiten Vorschlag beschriebenen ähnlich. Gemäß der Erfindung ist der Mindestgesamtquerschnitt des Durchlasses durch das ^T:üisoannungsorgan des ersten Durchlasses des Au,;ts.u;.chers ^y, \^_ _r l;:p .-!,.■lung

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nicht bleich O. Er ist vorzugsweise mindestens gleich 2 % das Querschnittes der Sitzöffrrang des Entspannungsorganges. Dieser geringste Gesar.tquerschnitt kann durch einen kalibrierten Streuv/egdurchlaß verwirklicht werden.

Ganä3 der Erfindung kann die Regelkapazität vollständig durch die Nand des Balges oder teilweise durch die Wand des letzteren und ergänzend durch die Wand der Umschließung begrenzt werden, worin der Balg untergebracht ist.

Nachstehend wird die Erfindung in vorteilhaften Ausführungsforraen anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch den kalten Teil einer Joule-Thomson-Kältemaschine nach der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Schnitt nach Linie III-III der Fig. 1.

Fig. 4 zeigt schematisch das zu Fig. 1 bis 3 beschriebene Entspannungsorgan der Kältemaschine und erläutert eine Regelungsweise für die entspannte Strömungsmenge in diesem Organ gemäß der Erfindung.

Fig. 5 zeigt schematisch sin anderes Entspannungsorgan gemäß der Erfindung und erläutert eine Regelungsweise der entspannten Strömungsmenge nach der Erfindung.

Fig. 6 zeigt schenatisch ein anderes Entspannungsorgan nach der Erfindung und erläutert eine Regelungsweise der entspannten Strömungsmenge nach der Erfindung.

Fig. 7 zeigt in graphischer Darstellung die Schwankungen der Strömungsmenge' Q des entspannten Kältemittels als Funktion dor '-Vait t. Dia dargestellte Kurve gibt diese

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Schwankungen für eine Kältemaschine wieder, deren Strömungsmenge gemäß der Erfindung entsprechend Fig. 4 bis geregelt wird.

Die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Joule-Thomson-Kältemaschine besitzt einen Wärmeaustauscher 1, ein Entsüannungsorgan 2 und ein Regelsystem 3, das im Innern einer T'Tärmeisolierwand 4 angeordnet ist; diese weist eine Innenwand 5 und eine Außenwand auf, zwischen denen Vakuum erzeugt ist. Der Wärmeaustauscher weist ein Rohr 50 von großer Länge auf, das in Form einer Schlange zwischen der zylindrischen Innenwand 5 und einem zylindrischen Mantel 7 angeordnet ist und einen ersten Durchlaß für ein Kältemittel unter Hochdruck darstellt. Der Zwischenraum 8 zwischen den Rohr 50 der Innenwand 5 und dem Mantel 7 stellt einen zweiten Durchlaß für das Kältemittel unter Niederdruck in Wärmeaustauschbeziehung mit dem ersten vorstehend genannten Durchlaß dar.

Das Entspannungsorgan 2 zur Regelung der Strömungsmenge des entspannten Kältemittels besteht aus einem festen Sitz 9 aus nicht rostendem Stahl mit einer Entspannungsöffnung 11 und einer beweglichen Nadel 10,die zusammen mit der öffnung 11 einen Entspannungsdurchlaß für das Kältemittel bestimmt. Die Nadel besteht aus einem Saphir, der auf ein Metallstück aufgeklebt ist. Der Sitz 9 weist einen Kanal 12 auf, der aufstromseitig mit dem ersten Durchlaß 50 des Austauschers 1 und abstromseitig mit der Entspannungsöffnung 11 offen verbunden ist. Der Sitz ist an einem Kragen 13 mittels eines Vorsteckstiftes 14 befestigt. Der Kragen 13 selbst ist durch Verschweißen an einen

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Ende des Zylindermantels 7 festgelegt. Es besteht jedoch ein gewisses Spiel zwischen dem Vorsteckstift 14 und dem Sitz 9, so daß eine Selbstzentrierung der Nadel 10 in dem Sitz 9 erfolgen kann. Die Nadel 9 ist auf einem ausgebohrten Stopfen 15 befestigt, der in einem beweglichen geschlitzten Rohr 16 im Innern und am Ende eingreift. Der von der Innenwand 5 umgrenzte Innenraum ist also zum Teil von dem Austauscher 1 und dem Entspannungsorgan 2 eingenommen. Der verbleibende Teil stellt eine Kammer 17 für Kältemittel unter Niederdruck dar, das mit der Niederdruckseite der Entspannungsöffnung 11 und dem vorstehend erläuterten zweiten Durchlaß 8 des Austauschers 1.in offener Verbindung steht.

Eine thermische Belastung 18, die den empfindlichen Teil eines Detektors für elektromagnetische Strahlungen darstellt, ist auf der Außenseite der Innenwand 5 mit dieser in Wärmekontakt und dem Entspannungsorgan 2 in der mittleren Ausstoßrichtung des Kältemittels aus der Entspannungsöffnung 11 gegenüberliegend befestigt. Das Regelsystem 3 mit direkter Wirkung weist eine temperaturempfindliche Regelkapazität 19 auf, die von einem Balg 20 umgrenzt ist. Wie aus der nachstehend beschriebenen Betriebsweise ersichtlich wird, stellt diese Kapazität wie bei einem Regelsystem mit indirekter Wirkung das Detektorelement für eine Temperatur dar, welches die von der Kältemaschine abgegebene Kälteleistung überträgt. Die Kapazität 19 steht in Wärmeaustausch-Beziehung einerseits mit dem Niederdruckkältemittelkreis (Kammer 17 und zweiter Durchlaß 8 des Austauschers 1), insbesondere mit dem kalten Teil des zweiten Durch-

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lasses des Wärmeaustauschers 2 und andererseits mit dem warmen Teil der Kältemaschine durch Wärmeleitung. Sin Ende des Balges 20 ist festgelegt und an einem Zylinderstück 21 angebracht, das im Innern des Mantels 5 angeordnet ist, während das andere Ende des Balges 20 beweglich und an einem Block 22 angebracht ist, der mit dem Schlitzrohr 16 formschlüssig verbunden ist. Das mit dem Block 22 formschlüssig verbundene bewegliche Ende des Balges 20 steuert also 'bei Verlagerung die Nadel 10 des Entspannungsorganes 2 vermittels des Schlitzrohres 16, das zu beiden Seiten des Führungsstiftes 14 gleitet.

Die Kapazität 19 umschließt eine abgeschlossene Ladung eines unter Temperatureinwirkung expandierbaren Mittels, das in den Balg 20 über ein das Stück 21 durchsetzendes Rohr 23 eingeführt ist. Wie vorstehend angegeben, richtet sich die Natur dieser Ladung nach dem gewählten Kältemittel und dem in der Kammer der Kältemaschine herrschenden Niederdruck, so daß diese Ladung im Betrieb flüssig bleibt. Es handelt sich also um einen Bestandteil, der bei der Siedetemperatur des Kältemittels unter Niederdruck gasförmig bleibt. Wenn als Kältemittel Stickstoff gewählt wird, wählt man als expandierbares Mittel Helium, Wasserstoff, Neon oder ein Gemisch dieser Gase. Der Zylindermantel 7, der Kragen 8 und das Stück 21 umgrenzen ein Abteil, das den Balg 20 umschließt und im wesentlichen von der Niederdruckkammer 17 isoliert ist.

Die vorstehend beschriebene Kältemaschine bietet folgende Vorteile: Die Nadel 10 und der Sitz 9 sind dank der Gleitführung

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des Schlitzrohres 16 zu beiden Seiten des Vorsteckstiftes 14 gut zueinander zentriert; die Derbheit dieser Kältemaschine ist gewährleistet, weil die wirksamen Teile des Entspannungsorganes 2, nämlich die Nadel 10 und der Sitz 9 durch das Schlitzrohr 16 geschützt sind.

Im Dauerbetrieb fließt ein geeignetes Kältemittel, z.B. Stickstoff, bei einer Temperatur unterhalb seiner Inversionstemperatur unter Hochdruck durch den ersten Durchlaß,oder die Leitung 50 des Wärmeaustauschers 1 und wird auf tiefe Temperatur gekühlt. Anschließend wird es in dem Entspannungsorgan 2 auf Niederdruck entspannt, und die Strömungsmenge des entspannten Kältemittels liefert die notwendige Kälteleistung, um die in die Kältemaschine eingegebene Wärmeleistung zu kompensieren. Durch die Entspannung von Hochdruck auf Niederdruck wird das Kältemittel mindestens teilweise verflüssigt, und in der Kammer 17 erhält man eine flüssige Phase und eine Gasphase eindeutig voneinander getrennt oder in homogener oder heterogener Mischung je nach der Stellung der Kältemaschine oder ihren Funktionsbedingungen. In allen Fällen gestattet die Gegenwart des Kältemittels unter Niederdruck,die Kammer 17 auf einer kalten Bezugstemperatur zu halten, die praktisch konstant und gleich dem Siedepunkt des eingesetzten Kältemittels unter diesem Druck ist. Die mit diesem Kältemittel in Wäraeäuetäuschbeziehung stehende Ladung 18 wird also auf einer im wesentlichen konstanten kalten Temperatur gehalten. Das unter Niederdruck verdampfte Kältemittel fließt anschließend in den zweiten Durchlaß 8 des Austauschers 1, wo es durch Wärmeaustausch mit dem Kältemittel unter Hochdruck wieder

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erwärmt wird, während letzteres sich in dem ersten Durchlaß 50 abkühlt.

Im Dauerbetrieb ist das eingesetzte Regelsystem 3 oder insbesondere die ausdehnbare Kapazität 19 einerseits einer Wärmezufuhr, die von der warmen Seite der Kältemaschine stammt, und andererseits eine Kältezufuhr aus der unmittelbaren und kalten Umgebung dieses Organes, d.h. aus dem Niederdruckkreis des entspannten Kältemittels (Kammer 17 und zweiter Durchlaß 8 des Austauschers 1) ausgesetzt. Die Regelkapazität 19 wird also auf eine Zwischentemperatur gebracht, die oberhalb des Siedepunktes des Kältemittels unter Niederdruck liegt und dem Gleichgewicht zwischen dem Wärmefluß und dem Kältefluß entspricht, die die Kapazität 19 erreichen. Der Wärmefluß bleibt im allgemeinen ziemlich konstant. Der Kältefluß schwankt dagegen in Funktion zu den Schwankungen des Verhältnisses von Flüssigkeit zu Gas bei dem Kältemittel unter Niederdruck, das in der Kammer 17 aufgefangen ist. Je größer die von der Joule-Thomson-Entspannung gelieferte Kälteleistung ist, desto reicher ist die in der Kammer 17 erhaltene Mischung an flüssiger Phase, desto größer ist der auf das Regelsystem 3 übertragene Kältefluß und desto mehr sinkt die Temperatur der Regelkapazität 19. Die Temperaturveränderungen dieses Organes übertragen also die Schwankungen der abgegebenen Kälteleistung. Da die Kapazität 19, die eine angeschlossene Beladung eines unter Temperatureinfluß expandierbaren Gases enthält, ist es möglich, eine Regelung der abgegebenen Kälteleistung mit direkter Firkung in Funktion der auf der Höhe des Regelsystemserhaltenen Temperatur und genauer gesagt

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eine selbsttätige Regelung der entspannten Strömungsmenge in Funktion dieser Temperatur vorzunehmen.

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, gestattet die gasthermometerartige Funktion der Regelkapazität eine lineare Relation zwischen der von der Regelkapazität 19 ermittelten Temperatur und der Verlagerung des beweglichen Teiles des Entspannung sorganes (Nadel 10) zu erzielen. Da konstruktionsmäßig eine lineare Beziehung zwischen dieser Verlagerung und der Strömungsmenge des entspannten Kältemittels besteht, kann man so eine Beherrschung der Kälteleistung erhalten, die bei der durch das Regelsystem ermittelten Temperatur abgegeben wird.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 bis 7 die Funktionsweise des Regelsystems nach der Erfindung beschrieben. Die Mindestkälteleistung, die bei Dauerbetrieb von der Entspannung des Kältemittels geliefert werden soll, um die thermischen Verluste der Kältemaschine bei diesem Betrieb zu kompensieren, ist durch die Mindestströmungsmenge QMIN dargestellt. Diese Strömungsmenge ist nicht unbedingt konstant, wie im vorstehenden ausgeführt wurde, insbesondere wenn der Entspannungsgrad des Kältemittels im Verlauf der Zeit schwankt. Die Strömungsmenge QMIM entspricht der Mindeststellung 24 der Nadel 10 (siehe Fig. 4), in der der gesamte Durchlaßquerschnitt für das Kältemittel durch das Entspannungsorgan ein Mindestmaß, aber nicht ist. Vom Augenblick 0 bis zum Augenblick T arbeitet die Kältemaschine nach der Erfindung im Übergangsbetrieb des Anlaufes. Dank des eingesetzten Regelsystemes schwankt die abgegebene

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Kälteleistung während der Zeit T automatisch von einer Anfangskälteleistung, die von der Anfangsströmungsmenge Ql abgegeben wird und oberhalb der durch die Strömungsmenge QMIN abgegebenen Mindestkälteleistung liegt, bis zu der nominellen Kälteleistung der Kältemaschine, die durch die nominelle Strömungsmenge QN abgegeben wird. Die Anfangsströmungsmenge OI entspricht der während des Anlaufes der Kältemaschine abgegebenen Kälteleistung, während die Nadel 10 sich in der Ausgangsstellung 26 (siehe Fig. 4) befindet, d.h. wenn die Nadel den vollen Querschnitt der Entspannungsöffnung freilegt. Während dieses Übergangsbetriebes läßt man also die entspannte Kfe'ltemittelmenge automatisch zwischen der Anfangsströmungsmenge QI, für welche die Temperatur der Regelkapazität die Umgebungstemperatur ist, und der nominellen Strömungsmenge QN schwanken, für welche die Regelkapazität sich auf einer Temperatur nahe, aber höher der nominellen Betriebstemperatur der Kältemaschine, z.B. 77 K befindet.

Vom Augenblick T an arbeitet die Kältemaschine gemäß der Erfindung im Dauerbetrieb. Vom Augenblick T an wird die abgegebene Kälteleistung dank des eingesetzten Regelsystems auf ihrem Nominalwert gehalten. In entsprechender Weise wird in Funktion zu den der Betriebsweise der Kältemaschine zugefügten Störungen (beispielsweise Schwankungen des Entspannunasgrades) die Strömungsmenge entspannten Kältemittels auf einen Nominalwert QN automatisch eingeregelt, der oberhalb der vorstehend definiarten Mindestströmungsmenge QMIN liegt. Die Strömungsmenge QN entspricht der Sollstellung 70 der Nadel, in der der nominale Gesamtquerschnitt des Entspannungsdurchlasses größer als der

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Mindestgeseuntquerschnitt des Durchlasses ist, wie er vorstehend definiert wurde. Infolge der thermischen Trägheit des Regelsystems stabilisiert sich die entspannte Strömungsmenge nicht auf ihren Sollwert, sondern pendelt kontinuierlich um diesen Wert, d.h. zwischen einer oberen Grenze (maximale Strömungsmenge QMAX) und einer unteren Grenze. Gemäß der Erfindung wählt man als untere Grenze der Strömungsmengenschwankungen die Mindestströmungsmenge QMIN, wie sie vorstehend definiert wurde entsprechend der Mindestkälteleistung der Kältemaschine. Infolgedessen wird im Dauerbetrieb die entspannte Strömungsmenge konstant oberhalb dieser Mindestströmungsmenge QMIN eingeregelt, die nicht gleich 0 ist.

Gemäß der Erfindung wird daher im Dauerbetrieb unter dem Einfluß der von dem expandierbaren Mittel erreichten Temperatur das Volumen der Regelkapazität in Funktion der abzugebenden Kälteleistung automatisch geregelt. Genauer ausgedrückt regelt sich dieses Volumen automatisch ein zwischen einem Mindestvolumen entsprechend einer von dem expandierbaren Mittel (Gas) der Regel* kapazität erzielten Mindesttemperatur, die mindestens gleich dem Siedepunkt des Kältemittels unter Niederdruck ist, d.h. gemäß der Erfindung der vorstehend definierten Mindestkälteleistung entspricht, bei der die Nadel 10 (bewegliches Teil) des Entspannungsorganes 2 sich in der Stellung 24 entsprechend einem Mindestgesamtquerschnitt des Kältemitteldurchlasses durch das Entspannungsorgan befindet; einem Höchstvolumen entsprechend einer von dem expandierbaren Mittel erreichten Maximaltemperatur, also entsprechend einer größten Kälteleistung, bei der

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die Nadel 10 des Entspannungsorganes 2 sich in der Maximalstellung 25 befindet, die einem größten GesaTitouerschnitt des Durchlasses für das Kältemittel durch das Entspannungsorgan entspricht. Dieser größte Gesamtquerschnitt des Durchlasses ist bei Dauerbetrieb kleiner als der anfängliche Gesamtquerschnitt des Kältemitteldurchlasses durch das Fntspannungsorgan entsprechend der Anfangsstellung 26 der Nadel, bei der die abgegebene Kälteleistung der anfänglich während des Anlasses der Kältemaschine abgegebenen Leistung entspricht.

Die vorstehend beschriebene Regelungsweise im Dauerbetrieb unterscheidet sich grundsätzlich von der Pegelungsweise einer Kältemaschine bekannter Art, d.h. Kältemaschinen nach dem einleitend erörterten ersten und zweiten Vorschlag. Bei den Kältemaschinen nach dem Stande der Technik wird nämlich im Dauerbetrieb die nominale Kälteleistung auf einem ungefähr gleichen T'⁷ert wie die Mindestkälteleistung gehalten, die von der Erfindung vorgesehen wird. Infolgedessen wird die entspannte Strömungsmenge automatisch auf einen Sollwert eingeregelt, der ungefähr gleich der in Fig. 7 gezeigten Mindestströmungsmenge QMIN ist. Bei einer vorbekannten Kältemaschine pendelt also die Strömungsmenge kontinuierlich um die nominale Strömungsmenge OMIN, während sie bei einer Kältemaschine nach der Erfindung kontinuierlich um eine nominale Strömungsmenge QN pendelt, die oberhalb der Strömungsmenge QMIN liegt. Es ist zu betonen, daß die Mindestströmungsmenge OMIN immer größer ist als die restliche Leckströmungsmenge oder der Streuverlust £, der annähernd O ist und sich aus Fertigungsmängeln des Entspannunasorganes 2 ergibt,

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wenn die Nadel 10 die Entspannungsöffnung 11 vollständig verschließt, so daß der nutzbare Querschnitt des Entspannungsdurchlasses zwischen der Nadel 10 und der öffnung 11 verschwindet.

Es ist zu betonen, daß gemäß der Erfindung die abgegebene Kälteleistung sich immer im Überschuß gegenüber der genau erforderlichen Kälteleistung befindet. Trotzdem ergibt sich kein sehr großer überschüssiger Verbrauch an Kältemittel. Infolge der besonderen Wahl des expandierbaren Mittels (Gas) für die Regelkapazität, die gestattet, die Pendelamplitude der entspannten Strömungsmenge beträchtlich zu reduzieren, ist nämlich die nominale Strömungsmenge QN,die der mittleren entspannten Strömungsmenge entspricht, sehr wenig höher als die Mindestströmungsmenge OMIN. Daraus ergibt sich nach der Erfindung, daß man einen sehr guten thermischen Wirkungsgrad des Austauschers der Kältemaschine begünstigt - die entspannte Strömungsmenge wird nicht nach dem Prinzip "alles oder nichts" geregelt - indem man lediglich eine Strömungsmenge an Kältemittel verbraucht, die sehr nahe derjenigen der vorbekannten Kältemaschinen liegt. Bei einer Kältemittelcruelle von gegebenem Volumen wird daher die Autonomie einer Joule-Thomson-Kältemaschine beträchtlich verbessert.

Gercäß Fig. 4 ist der Mindestdurchlaßquerschnitt durch das Entspannungsorgan annähernd gleich dem Mindestnutzquerschnitt des Entspannungsdurchlasses, der zwischen der Nadel 10 und der Entspannungsöffnung vorhanden ist, wenn die Nadel 10 sich in der Mindeststellung 24 befindet. Man entspannt also die Gesamtmenge der Mindestströmung QMIN durch diesen Mindestnutzquerschnitt.

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Entsprechend Fig. 4 ist es möglich, den Wert dieses Mindest-

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nutzquerschnittes dementsprechend den Wert des maximalen Nutzquerschnittes entsprechend der größten Strömungsmenge auf verschiedene Weise zu regeln. Zunächst kann man auf das Niveau des Entspannungsorganes dadurch einwirken, daß man entweder die Stellung der Nadel 10 gegenüber deren Tragstopfen 15 oder die Lage des Sitzes 9 regelt. Man kann ferner auf das Niveau des Regelorgans einwirken, indem man die Stelle des festliegenden Endes des Balges am Stück 21, z.B. von der warmen Seite der Kältemaschine aus oder die Kennzeichen der dehnbaren Kapazität 19 regelt. Im letzteren Fall kann man entweder die Elastizität des Balges 20, z.B. durch Wahl des Fertigungsmaterials oder seiner Bemessung entsprechend wählen, oder auf die Kennzeichen der eingeschlossenen Ladung an expandierbarem Mittel einwirken, indem man beispielsweise einen passenden Fülldruck für das als expandierbares Mittel verwendete Gas wählt.

Nach Fig. 5 und 6 ist der entsprechende Mindestnutzquerschnitt des Entspannungsdurchlasses annähernd 0, wenn die !Tadel 10 sich in der Mindeststellung 24 befindet. Man entspannt daher die Gesamtheit der Mindestströmungsir.enge QMIN durch einen kalibrierten Sickerkanal 23. Das Entspannungsorgan besitzt einen kalibrierten Sickerdurchlaß, der sich gemäß Fig. 5 in dem Sitz 9 des Entspannungsorganes oder genäß Fig. 6 in der Nadel 10 des Entspannungsorganes befindet. Der Querschnitt des Sickerkanals 28 ist ungefähr gleich dem vorstehend definierten Mindestgesamtquerschnitt. Aus konstruktiven Gründen liegt der vorstehend definierte Mindestgesamtquerschnitt vorzugsweise zwischen 2 und 5 % des Querschnittes der Entspannungsöffnuna 11.

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Zusanmenfassend ist festzustellen, daß unabhängig von den Betriebsbedingungen der Kältemaschine die Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten und den Siedepunkt des eingesetzten Kältemittels unter Niederdruck gleichen Temperatur in der Niederdruckkammer 17 sichergestellt wird. Dies gilt unabhängig von der thermischen und mechanischen Trägheit des Regelsystems beziehungsweise der Pendelperiode der Strömungsmenge des entspannten Kältemittels.

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Claims

Patentansprüche

1./Verfahren zur Regelung der Kälteleistung, die von einer nach

dem Prinzip der Joule-Thomson-Entspannung eines Kältemittels bei einer niedrigeren Temperatur als dessen Inversionstemperatur arbeitenden Kältemaschine abgegeben wird, wobei mittels eines Regelsystems die entspannte Kältemittelströmungsmenge in Funktion der abzugebenden Kälteleistung automatisch geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ströraungemenge des entspannten Kältemittels oberhalb einer Mindestströmungsmenge einregelt, die der Mindestkälteleistung entspricht, die bei Dauerbetrieb von der Entspannung des Kältemittels geliefert werden soll, um die thermischen Verluste der Kältemaschine bei diesem Betrieb zu kompensieren.

2. Regelverfahren nach Anspruch 1, bei dem im vorübergehenden Betrieb die abgegebene Kälteleistung zwischen einer nominalen oder Sollkälteleistung größer als die Mindestkälteleistung und einer Anfangskälteleistung größer als diese nominale oder Sollkälteleistung entsprechend der während des Anlaufes der Kältemaschine abgegebenen Kälteleistung schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß man in entsprechender Weise mittels des Regelsystems die Strömungsmenge des entspannten Kältemittels zwischen der Mindestströmungsmenge und einer Anfangsströmungsmenge größer als die Mindestströmungsmenge einregelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Dauerbetrieb die abgegebene Kälteleistung auf einen höheren Sollwert als die Mindest-

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Kälteleistung festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß man in entsprechender Weise mittels des Regelsystems in Funktion von der Betriebsweise der Kältemaschine zugefügten Störungen die Strömungsmenge des entspannten Kältemittels oberhalb der Mindestmenge derart einregelt, daß die abgegebene Kälteleistung auf ihrem Sollwert gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der entspannten Strömungsmenge mit proportionaler Wirkung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kältemaschine ein zur Regelung der Strömungsmenge entspannten Kältemittels geeignetes Entspannungsorgan aufweist, das einen mit einer Entspannungsöffnung ausgerüsteten Sitz und eine Nadel aufweist, die mit der öffnung einen Entspannungsdurchlaß für Kältemittel definiert, wobei eines der beiden Teile gegenüber dem festliegenden anderen beweglich ist, ein temperaturempfindliches Detektorelement einen Teil eines die Verlagerung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes in Funktion der abgetasteten Temperatur steuernden Regelsystemes bildet, das in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kältemittel unter Niederdruck steht, das nach Entspannung von Hochdruck erhalten wurde, und wobei man die Stellung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes in Funktion der abzugebenden Kälteleistung regelt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stellung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes mittels des Regelsystemes zwischen einer Mindeststellung entsprechend der Mindestkälteleistung, bei der der Gesamtdurchlassquer-

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schnitt für Kältemittel durch das Entspannungsorgan ein Minimum ist, und einer maximalen Stellung einregelt, bei der der gesamte Durchlaßquerschnitt am größten und höchstens gleich dem anfänglichen Gesamtdurchlaßquerschnitt für Kältemittel durch das Entspannungsorgan entsprechend der anfänglich während des Anlaufes der Kältemaschine abgegebenen Kälteleistung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Minimumstellung der Nutzquerschnitt des Entspannungsdurchlasses am kleinsten und annähernd gleich dem Mindestgesamtquerschnitt ist und daß man die Gesamtmenge der Mindestströmungsmenge durch den Mindestnutzquersehnitt entspannt,

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Minimumstellung der Nutzquerschnitt des Entspannungsdurchlasses annähernd 0 ist und man die Gesamtheit der Mindestströmungsmenge durch einen kalibrierten Leckdurchlaß entspannt, dessen Querschnitt im wesentlichen gleich dem Mindestgesamtquerschnitt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Regelsystem mit direkter Wirkung arbeitet und eine temperaturempfindliche Regelkapazität aufweist, die eine Ladung eines unter Temperatureinwirkung expandierbaren Mittels umschließt, von der mindestens ein Teil in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kältemittel unter Niederdruck steht, der mindestens teilweise von einem Balg umgrenzt ist, dessen eines Ende festgelegt ist und dessen anderes bewegliches Ende die Verlagerung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes steuert, wobei unter dem Einfluß der von dem expaauier-

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baren Mittel erreichten Temperatur das Volumen der Kapazität in Funktion der abzugebenden Kälteleistung eingeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das Volumen der Regelkapazität zwischen einem Mindestvolumen entsprechend einer von dem expandierbaren Mittel erreichten Mindesttemperatur , die zumindest gleich dem Siedepunkt des Kältemittels unter Niederdruck ist und der Mindeststellung des beweglichen Teiles entspricht, und einem Höchstvolumen einregelt, das einer von dem expandierbaren Mittel erzielten Höchsttemperatur und der Maximumstellung des beweglichen Teiles entspricht.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Natur des expandierbaren Mittels derart gewählt wird, daß es bei der Siedetemperatur des Kältemittels unter Niederdruck gasförmig bleibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vervrendung von Stickstoff als Kältemittel das expandierbare Mittel aus Wasserstoff, Helium, Neon oder einer Mischung dieser Gase besteht.

11. Joule-Thomson-Kältemaschine mit Entspannung eines Kältemittels von Hochdruck auf Niederdruck, die einen Wärmeaustauscher mit einem ersten Durchlaß für Kältemittel unter Hochdruck und einen zweiten Durchlaß für Kältemittel unter Niederdruck in Wärmeaustausch miteinander, ein zur Regelung der Strömungsmenge des entspannten Kältemittels dienendes Entspannungsorgan, dessen Hochdruckseite mit dem ersten Durchlaß verbunden ist, und das einen mit einer Entspannungsöffnung ausgerüsteten Sitz und eine mit der flffnung einen Entspannungsdurchlaß für Kältemittel de-

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fintierende Nadel besitzt, wobei eines der beiden Teile gegenüber den anderen festliegenden beweglich ist, eine Kammer für Kältemittel unter Miederdruck in Verbindung mit der Miederdruckseite des Entspannungsorganes und des zweiten Durchlasses und ein Regelsystem mit direkter Wirkung aufweist, das eine tenperaturempfindliche Kapazität umfaßt, die eine Ladung eines unter Temperatureinwirkuna expandierbaren Mittels umschließt, von der mindestens ein Teil in ^r>Tärrceaustauschbeziehung mit mindestens dem zweiten Austauscherdurchlaß steht,und die Kapazität mindestens teilweise von einem Balg umgrenzt ist, dessen eines Ende festgelegt ist und dessen anderes bewegliches Ende die Verlagerung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes steuert, dadurch gekennzeichnet, daß das expandierbare Mittel aus Wasserstoff, Helium, Neon oder einer Mischung dieser Gase besteht.

12. Joule-Thomson-Kältemaschine mit Entspannung eines Kältemittels von Hochdruck auf Niederdruck, die einen Wärmeaustauscher mit einem ersten Durchlaß für Kältemittel unter Hochdruck und einen zweiten Durchlaß für Kältemittel unter Miederdruck in Wärmeaustausch miteinander, ein zur Regelung der Strömungsmenge des entspannten Kältemittels dienendes Entspannungsorgan, dessen Hochdruckseite mit der ersten Durchlaß verbunden ist, und das einen mit einer Entspannungsöffnung ausgerüsteten Sitz und eine mit der öffnung einen Entspannungsdurchlaß für Kältemittel definierende Nadel besitzt, wobei eines der beiden Teile pecenüber dem anderen festliegenden beweglich ist, eine Kammer für Kältemittel unter Niederdruck in Verbindung mit der Niederdruckseite des Entspannungsorganes und des zweiten Durchlasses und

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eintEmperaturempfindliches Detektorelement aufweist, das an ein die Verlagerung des beweglichen Teiles des Entspannungsorganes steuerndes Regelsystem angeschlossen ist, wovon mindestens ein Teil in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kältemittelniederdruckkreis steht, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Gesamtdurchlaßquerschnitt durch das Entspannungsorgan vom ersten Durchlaß zu der Kammer mindestens gleich 2 % des Querschnittes der Entspannungsöffnung ist.

13. Kältemaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Gesamtquerschnitt zwischen 2 und 5 % des Querschnittes der Entspannungsöffnung liegt.

14. Kältemaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Mutzquerschnitt des Entspannungsdurchlasses praktisch ist und daß das Entspannungsorgan einen kalibrierten Leckdurch-IaS von ungefähr gleichem Querschnitt wie der kleinste Gesamtquerschnitt aufweist.

15. Kältemaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Leckdurchlaß in der Nadel des Entspannungsorganes liegt.

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