DE2424693A1 - REFRIGERATION SYSTEM - Google Patents
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Description
Ladd Research Industries, Inc., . Burlington, Ladd Research Industries, Inc .,. Burlington,
CVerm. , USA)CVerm. , UNITED STATES)
KühlanlageCooling system
Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage, insbesondere zur Verwendung mit einer Diffusionspumpe für Vakuumverdampfer, Elektronenmikroskope oder sonstigen Einrichtungen mit einem hohen Vakuum.The invention relates to a cooling system, in particular for use with a diffusion pump for vacuum evaporators, Electron microscopes or other devices with a high vacuum.
Ein erster-Zweck der Erfindung besteht darin, eine, selbstregulierbare Kühlanlage zu schaffen, welche eine thermische Last auf einer praktisch konstanten Temperatur hält. Ein zweiter Zweck besteht darin, eine Kühlanläge zu schaffen, welche ein Kühlaggregat erfordert, das eine kleinere Kapazität, kleinere Abmessung sowie ein niedrigeres Gewicht im Verhältnis zur thermischen Last aufweist, und infolgedessen mit niedrigeren Entstehungskosten verbunden ist, als bei bestehenden Ausführungen der Fall ist.A first purpose of the invention is to provide a, To create a self-regulating cooling system which keeps a thermal load at a practically constant temperature. A The second purpose is to create a refrigeration system which requires a refrigeration unit that has a smaller capacity, smaller ones Dimension and weight in relation to the thermal load, and consequently lower Development costs is connected than is the case with existing designs.
Ein dritter Zweck der Erfindung besteht darin, eine Kühlanlage zu schaffen, die nicht einfrieren kann, keine Frostbzw. Glasbildung an den Leitungen oder ein übermässiges Kühlen oder Erwärmen der Last bewirkt.A third purpose of the invention is to create a cooling system that cannot freeze, does not provide frost or Glass formation on the lines or excessive cooling or heating the load.
Ein vierter Zweck der Erfindung besteht darin, eine Kühlanlage zu schaffen, welche ein Kühlmittel verwendet, das weder korrosionsfördernd noch brennbar ist und zudem }eine Ablagerung in den Leitungen und den Bauteilen der Anlage verursacht, damit sie während längerer Zeit ohne Unterhalt betriebenA fourth purpose of the invention is to provide a refrigeration system using a refrigerant that is neither corrosive nor flammable and also} a deposit caused in the lines and the components of the system so that they operated for a long time without maintenance
Ld/nac 4098 50/086 1 31 92]Ld / nac 4098 50/086 1 31 92]
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werden kann, Πcan be, Π
Ein fünfter Zweck der Erfindung besteht darin, eine Kühlanlage zu schaffen, deren bewegliche Teile sich ohne Ein-. Stellvorrichtungen kontinuierlich bewegen, so dass eine Abnutzung und ein Austausch derartiger Vorrichtungen entfallen.A fifth purpose of the invention is to create a cooling system, the moving parts of which move without a. Moving adjusting devices continuously, so that there is no wear and tear or replacement of such devices.
Ein sechster Zweck der Erfindung besteht darin, eine Kühlanlage zu schaffen, die im Aufbau und Betrieb einfach ist und weniger bewegliche Teile aufweist, als dies bei bestehenden Ausführungen der Fall ist, so dass die Lebensdauer erhöht, der Betrieb zuverlässiger und die Herstellung einfacher wird.A sixth purpose of the invention is to provide a refrigeration system which is simple in construction and operation and has fewer moving parts than is the case with existing designs, so that the service life is increased Operation becomes more reliable and manufacture becomes easier.
Ein siebter Zweck der Erfindung besteht darin, eine thermische Last zu schaffen, die mit der Abkühlvorrichtung verträglich ist, eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsmedium aufweist, und ferner mit einem kalten Kühlmittel zusammen am besten arbeitet. Die Kühlanlage ist beispielsweise für eine thermische Last in Form einer flüssigkeitsgekühlten Hochvakuum-Diffusionspumpe zur Verwendung in Vakuumverdarnpfer, Elektronenmikroskope und anderen Hochvakuumeinrichtungen besonders gut geeignet. Derartige Pumpen sind normalerweise mit einer von einer Flüssigkeit gekühlten Sperre ausgestattet, die eine Rückdiffusion des geförderten, gasförmigen Mediums zum Arbeitsraum verhindert. Die Kühlanlage nach der Erfindung kann sehr kalte Medien für Dampfsperren liefern, und somit die Reinheit und die Pumpgeschwindigkeiten der Vakuumanlage verbessern.A seventh purpose of the invention is to provide a thermal load compatible with the cooling device is, has a relatively high temperature difference between the input and the output medium, and further with a cold coolant works best together. The cooling system is in shape for a thermal load, for example a liquid-cooled high vacuum diffusion pump for use in vacuum evaporators, electron microscopes and others High vacuum equipment particularly well suited. Such pumps are usually liquid cooled Equipped with a barrier that prevents back diffusion of the pumped, gaseous medium to the work area. The cooling system according to the invention can provide very cold media for vapor barriers, and thus the purity and pumping speeds improve the vacuum system.
Da das zugeführte Kühlmittel ferner kalter sein kann, als dies bei bestehenden Ausführungen der Fall ist, kann die Diffusionspumpe mit einem leicht erhöhten Kühlausgang be- ' ~ trieben werdenSince the supplied coolant can also be colder, than is the case with existing designs, the diffusion pump can operate with a slightly increased cooling output be driven
In der Praxis macht dies es möglich, die Pumpgeschwindigkeit einer Diffusionspumpe mit flüssiger Kühlung zu erhöhen.In practice this makes it possible to increase the pumping speed of a diffusion pump with liquid cooling.
Da die Kühlanlage mit Lasten der beschriebenen Art besonders gut arbeitet, wirkt die Kühlanlage sogar mit thermischen Lasten anderer Art in hohem Masse selbstregulierend, undSince the cooling system works particularly well with loads of the type described, the cooling system even works with thermal loads Highly self-regulating loads of other kinds, and
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die Kühlanlage ist nicht auf Verwendung mit Lasten zusammen beschränkt, die einen grösseren Temperaturunterschied zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsmedium aufweisen.the cooling system is not limited to use with loads, which have a greater temperature difference between the input and output medium.
Die viskositätsregulierte Kühlanlage nach der Erfindung umfasst eine geschlossene Umlaufvorrichtung, die ein Kühlmittel enthält, dessen Viskosität sich mit der Temperatur* umgekehrt verändert, wobei die Umlaufvorrichtung eine Pumpvorrichtung für die Einführ und den Umlauf eines Kühlmittels durch die Kühlanlage und ferner eine Abkühlvorrichtung für das Kühlmittel sowie eine Lastvorrichtung.einschliesst, die das Kühlmittel nach dem Abkühlen in der Abkühlvorrichtung in ein Wärmeabsorptionsverhältnis mit der zu kühlenden Lastvorrichtung bringt, wobei sich.flussabwärts von dar Lastvorrichtung und flussaufwärts von der Umlaufvorrichtung eine Vorrichtung zum Drosseln des Kühlmittelflusses in Abhängigkeit von seiner Viskosität befindet.The viscosity-regulated cooling system according to the invention comprises a closed circulation device, which is a Contains coolant, the viscosity of which changes inversely with temperature *, the circulation device being a pumping device for the introduction and circulation of a coolant through the cooling system and also a cooling device for the coolant as well as a load device, which includes the coolant after cooling in the cooling device into a heat absorption ratio with the load device to be cooled brings, where. downstream of the load device and upstream of the circulation device, a device for throttling the coolant flow as a function of its viscosity is located.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform schliesst die Kühlanlage ferner eine zur Normalisierung der Temperatur dienende Vorrichtung ein, Vielehe flussabwärts von der Drosselvorrichtung angeordnet ist, damit die Temperatur des Kühlmittels nach dem. Durchfluss durch die Lastvorrichtung, sich der Umgebungstemperatur nähert, v.'obei die Viskosität des Kühlmittels über den Betriebs-Temperaturbereich der Kühlanlage mindestens um den Faktor 4 variiert. Dieser Temperaturbereich ist als die Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels am Eingang und am Ausgang der Lastvorrichtung definiert.In a preferred embodiment, the cooling system also includes one for normalizing the temperature Serving device a, many is arranged downstream of the throttle device to keep the temperature of the coolant after this. Flow through the load device, feel the ambient temperature approaches, v. where the viscosity of the coolant over the operating temperature range of the cooling system is at least varied by a factor of 4. This temperature range is defined as the difference between the temperature of the coolant at the inlet and defined at the output of the load device.
Bei relativ kleinen Kühlanlagen, deren Lastvorrichtung Leitungen einen Aussendurchmesser von etwa 6,35 mm aufweisen, hat das Kühlmittel vorzugsweise eine maximale Viskosität von 5 00 cSt bei der Temperatur des Kühlmittels am Eingang zur Lastvorrichtung und einen Gefrier- oder Glaspunkt von mindestens -5,6 C unterhalb der tiefsten erreichbaren Temperatur im Wärmeaustauscher, infolge Verdampfung des Kühlmittels im Verdampfer.In the case of relatively small cooling systems whose load device lines have an outside diameter of about 6.35 mm, the coolant preferably has a maximum viscosity of 500 cSt at the temperature of the coolant at the inlet to the Load device and a freezing or glass point of at least -5.6 C below the lowest achievable temperature in the heat exchanger, as a result of evaporation of the coolant in the evaporator.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Kühlanlage anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:An exemplary embodiment of the inventive Cooling system explained in more detail with reference to the drawing. They represent:
Fig. 1 ein Prinzipschema einer Kühlanlage j undFig. 1 is a schematic diagram of a cooling system j and
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Viskosität und der Temperatur für verschiedene Kühlmittel.Figure 2 is a graph showing the relationship between viscosity and temperature for various Coolant.
In Fig. 1 ist eine Kühlanlage 10 gezeigt, welche aus zwei Teilen, nämlich einer Umlaufvorrichtung 12 für ein Kühlmittel und einer Abkühlvorrichtung 14 zusammengesetzt ist.In Fig. 1, a cooling system 10 is shown, which consists of two parts, namely a circulation device 12 for a coolant and a cooling device 14 is composed.
Die Abkühlvorrichtung 14 ist üblicher Bauart und umfasst eine aus einem Kompresser 16 und einem Kondensator 18 bestehende· Abkühleinheit. Von ihr fliesst ein Kühlmittel, z.B·. Freon der Firma Du Pont, durch ströinungsbegrenzende Kapillarrohre 20 zu einem Verdampfer 22, wonach das verdampfte Abkühlmittel zur Abkühleinheit 16, 18 zurückkehrt. Die Abkühleinheit 16, 18 ist eine geschlossene, gebläsegekühlte Ausführung üblicher Bauart zur Verwendung in Kühl- und Gefrieranlagen, und weist keine Druckknöpfe, Thermostaten oder sonstige Regelgeräte auf. Die thermische Lastkapazität der Abkühleinheit 16, , 18 entspricht beinahe derjenigen der zu kühlenden, thermischen Last. So wurde beispielsweise für eine zu kühlende Last von 400 V/ ein 0,2 PS-Kompressor normaler Ausführung mit gutem Resultat verwendet.The cooling device 14 is conventional and includes one of a compressor 16 and a condenser 18 existing · cooling unit. A coolant flows from it, e.g. Freon from Du Pont, through flow-limiting capillary tubes 20 to an evaporator 22, whereupon the evaporated cooling agent returns to the cooling unit 16, 18. The cooling unit 16, 18 is a closed, fan-cooled design Conventional design for use in refrigeration and freezing systems, and has no push buttons, thermostats or other control devices on. The thermal load capacity of the cooling unit 16, 16, 18 almost corresponds to that of the thermal one to be cooled Load. For example, for a load to be cooled of 400 V / a 0.2 HP compressor of normal design with good Result used.
Die Umlaufvorrichtung 12 umfasst einen Behälter 34 für das Kühlmittel sowie eine Pumpe 24, welche zusammen eine Umlaufvorrichtung für die Zufuhr des Kühlmittels zu einem Wärmeaustauscher 26 bilden. Der Wärmeaustauscher 26 dient mit der Abkühlvorrichtung 14 zusammen zum Kühlen des Kühlmittels, das danach zu einer Lastvorrichtung 31 fliesst. Die Lastvorrichtung 31 kann z.B. aus Kanälen oder Spulen bestehen, welche mit einer Last 28 in Berührung sind. In der Lastvorrichtung 31 wird Wärme von der Last 28 absorbiert und das erwärmte Kühlmittel fliesst zu einer Drossel 3 0 und von dort zu einemThe circulation device 12 comprises a container 34 for the coolant and a pump 24, which together form a circulation device for supplying the coolant to a heat exchanger 26. The heat exchanger 26 is used with the Cooling device 14 together for cooling the coolant, which then flows to a load device 31. The load device 31 can for example consist of channels or coils which are in contact with a load 28. In the load device 31, there is heat absorbed by the load 28 and the heated coolant flows to a throttle 3 0 and from there to one
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Zwischenkühler 32 zur Normalisierung der Temperatur auf diejenige der Umgebungstemperatur, bevor das Kühlmittel einen nochmaligen Umlauf durch die Umlaufsvorrichtung ausführt.Intercooler 32 to normalize the temperature to that the ambient temperature before the coolant circulates through the circulation device again.
Das fliessfähige Kühlmittel (Fig.2) zur Verwendung in der Umlaufvorrichtung 12 kann entsprechend den Anforderungen der zu kühlenden Last gewählt v/erden, wobei aber die primäre Bedingung immer darin besteht, dass die Viskosität des Kühlmittels im Bereich der Betriebstemperatur rasch sinkt, wenn die Temperatur des Kühlmittels ansteigt. Der Bereich der Betriebstemperatur ist als die Differenz zwischen den Temperaturen des Kühlmittels am Eingang und am Ausgang der Lastvorrichtung 31 definiert. Ein Viskositätsverhältnis über den gesamten Betriebstemperaturbereich von 2 : 1 bis 300 : 1 ist möglich, wobei das -Viskosi'tätsverhältnis in der beschriebenen Ausführung H : 1 über einen Temperaturbereich von -100C bis + 60°C.reicht.The flowable coolant (Fig.2) for use in the circulation device 12 can be selected according to the requirements of the load to be cooled, but the primary condition is always that the viscosity of the coolant decreases rapidly in the operating temperature range when the The temperature of the coolant rises. The operating temperature range is defined as the difference between the temperatures of the coolant at the inlet and outlet of the load device 31. A viscosity ratio over the entire operating temperature range of 2: 1 to 300: 1 is possible, wherein the -Viskosi'tätsverhältnis in the described embodiment, H: 1 over a temperature range of -10 0 C to + 60 ° C.reicht.
Eine weitere Bedingung ist von der Ausführung der Lastvorrichtung abhängig und besteht darin, dass die Viskosität des Kühlmittels bei der untersten Betriebstemperatur nicht so gross sein soll, dass sie. die Strömung durch die Lastvorrichtung beeinträchtigt. Another condition is dependent on the design of the load device and is that the viscosity of the Coolant at the lowest operating temperature should not be so large that it. affects the flow through the load device.
Bei einer relativ' kleinen Ausführung der Lastvörrichtung mit Rohren mit einem Aussendurchmesser von etwa 6,35 mm sollte die Viskosität des Kühlmittels bei -MO C nicht mehr als 300 - 500 cSt betragen, wenn Freon 12 für die Abkühlvorrichtung verwendeiswird, wobei 30OcSt etwa der Viskosität von 30 wt Motorenoelen bei Raumtemperatur entspricht. Aus diesem Grunde ist ein Motorenoel mit einer Viskosität von 2O1OOO cSt bei -2 9 C nicht als Kühlmittel geeignet. Ferner muss der GeffLer- oder Glaspunkt des Kühlmittels deutlich unter der untersten Temperatur liegen, auf welcher es gekühlt werden kann bei bestimmten Verwendungen.In the case of a relatively small version of the load device with pipes with an outside diameter of about 6.35 mm, the viscosity of the coolant at -MO C should not be more than 300 - 500 cSt if Freon 12 is used for the cooling device, with 30 ° C being about the viscosity of 30 wt motor oils at room temperature. For this reason, a motor oil with a viscosity of 2O 1 OOO cSt at -2 9 C is not suitable as a coolant. Furthermore, the GeffLer point or glass point of the coolant must be well below the lowest temperature at which it can be cooled for certain uses.
Ferner ist es zweckmässig, obschon es für den Betrieb der Kühlvorrichtung nicht unbedingt notwendig ist, in bevorzugten Ausführungen ein Kühlmittel zu verwenden, das un-It is also useful, although it is for operation the cooling device is not absolutely necessary to use a coolant in preferred versions that is un-
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giftig ist, keine Reizungen hervorruft, und sofern es ausflies- \ een sollte, einen hohen Entflammungspunkt aufweist. So wurde z.B. Isopropyl-Alkohol mit gutem Resultat als Kühlmittel verwendet, wobei aber diese Flüssigkeit wegen der Feuergefahr in derPraxis z.B. nicht zur Kühlung einer Lastvorrichtung, z.B. einerPumpe, geeignet ist, die eine Zeizvorrichtung einschliesst.is toxic, does not cause irritation, and if it flows out- \ een should have a high flash point. For example, isopropyl alcohol has been used as a coolant with good results, however, because of the fire hazard in practice, this liquid is not used, for example, to cool a load device, e.g. a pump, which includes a pointing device.
Schliesslich sind auf Wasser basierte oder mit Wasser vermischte Kühlmittel verwendbar, obschon sie wegen der Korrosionsgefahr für eine längere Betriebsdauer nicht geeignet sind. So ist beispielsweise eine in Kühlanalagen überlicherweise verwendete Lauge korrosionsfördernd, und sie kann zudem bei Temperaturen oberhalb der überhaupt möglichen Betriebstemperaturen des Wärmeaustauschers der Umlaufvorrichtung 12 frieren. Ferner ist dieses Kühlmittel, obschon die beschriebene Ausführung mit einer Halb-Halb-Mischung aus Aethylenglycol und Wasser arbeitet, korros ionsfördernd und hat einen Gefrierpunkt von -3Ί C j weil das Kühlmittel im Wärmeaustauscher, im Falle einer niedrigeren Umgebungstemperatur kombiniert mit einem unbelasteten Zustand oder einem unterbrochenden Kühlmittelfluss 13, auf -40°C gekühlt werden kann. Dieser Gefrierpunkt macht in der Praxis die Mischung unbrauchbar. Finally, water-based or water-mixed coolants can be used, although because of the risk of corrosion are not suitable for a longer period of operation. For example, one is commonly used in cooling systems Lye is corrosive, and it can also be used at temperatures above the operating temperatures of the The heat exchanger of the circulation device 12 freeze. Furthermore, this coolant, although the embodiment described with a Half-half mixture of ethylene glycol and water works, corrosive promotes ions and has a freezing point of -3Ί C j because that Coolant in the heat exchanger, in case of a lower ambient temperature combined with an unloaded state or an interrupted coolant flow 13, can be cooled to -40 ° C can. This freezing point makes the mixture unusable in practice.
Es wurde auch festgestellt, dass viele Silicon-Flüssigkeiten des Typs 200 der Firma Dow Corning für die beschriebene Kühlanlage befriedigent sind. Dabei hat es sich gezeigt, dass insbesondere Flüssigkeiten mit einer Viskosität von 5,10 und cSt den Bedingungen der Kühlanalge erfüllen. Flüssigkeiten mit höheren Viskositäten von,z.B. 100 cSt habend eine zuhohe Viskosität im unteren Bereich der Betriebstemperatur, um zweckmässig durch die meisten Lastvorrichtungen fliessen zu können.It has also been found that many silicone fluids of the type 200 from Dow Corning are satisfactory for the cooling system described. It has been shown that in particular liquids with a viscosity of 5.10 and cSt meet the requirements of the cooling system. Liquids with higher Viscosities of, e.g. 100 cSt has too high a viscosity in the lower range of the operating temperature to be useful to be able to flow through most loading devices.
Die genannten -Silicon-Flüssigkeiten der Firma Dow vom Typ 200 haben ferner den Vorteil, dass sie keine Ablagerung in den Leitungen und den Bauteilen der Kühlanlage verursachen. Ferner dient diese Flüssigkeit als Schmiermittel, so dass die Kühlanlage selbstschmierend ist. Infolgedessen kann die Kühl-The above-mentioned silicone fluids from Dow of the type 200 also have the advantage that they do not deposit in the lines and components of the cooling system. This liquid also serves as a lubricant, so that the Cooling system is self-lubricating. As a result, the cooling
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anlage verriegelt werden, so dass weder ein Verlust noch eine Verunreinigung des Kühlmittels möglich ist. Eine solche Kühlanlage kann somit während 10 oder 15 Jahren ohne Unterhalt betriehen werden.system can be locked so that neither a loss nor a Contamination of the coolant is possible. Such a cooling system can therefore be used for 10 or 15 years without maintenance will.
In der beschriebenen Ausführung wurde eine Silicon-Flüssigkeit mit einer Viskosität von 0,5 cSt und einem Entflammungspunkt von 13 5°C verwendet, der bei Flüssigkeiten mit niedrigerer Viskosität tiefer liegt, was aber für den Fall, dass die Flüssigkeit irgendwie ausfliessen sollte, unerwünscht ist. Diese Flüssigkeit hat ein Viskositätsverhältnis von 7 : 1 im Temperaturbereich von -400C bis 5U,U°C, während bei -kO°C die Viskosität 3ScSt beträgt und der Gefrierpunkt bei -100°C liegt.In the embodiment described, a silicone liquid with a viscosity of 0.5 cSt and an ignition point of 13 5 ° C. was used, which is lower for liquids with a lower viscosity, but this is undesirable in the event that the liquid should somehow flow out is. This fluid has a viscosity ratio of 7: 1 in the temperature range from -40 0 C to 5U, U ° C, while in -kō ° C, the viscosity and the freezing point is 3ScSt at -100 ° C.
Es wird darauf hingewiesen, dass das beschriebene Kühlmittel für die vorgesehene Anwendung des bevorzugten Ausführungsbeispieles gewählt wurde. Das erfindungsgemässe Prinzip, kann aber auch auf Kühlanlagen mit anderen Betriebstemperaturbereichen angewendet werden, für welche andere Kühlmittel entsprechend den obigen Kriterien, gewählt werden können.It should be noted that the described coolant for the intended application of the preferred embodiment was chosen. The principle according to the invention, but can also be used on cooling systems with other operating temperature ranges for which other coolants are used accordingly the above criteria can be selected.
Der Verdampfer 22 und der Wärmeaustauscher 26 bilden zusammen eine Austauscheinheit 27, in welcher das flüssige Abkühlmittel in der Abkühlvorrichtung IU, das von der Einheit 16,18 gehalten wird, verdampft, um Wärme vom in der Umlaufvorrichtung 12 fliessenden, flüssigen Kühlmittel zu absoi^bieren. Die Kühlkanäle im Wärmeaustauscher 2 6 sind relativ gross, damit trotz erhöhter Viskosität des Kühlmittels, ein ausreichender Kühlfluss bei tiefen Temperaturen erreicht wird.The evaporator 22 and the heat exchanger 26 together form an exchange unit 27 in which the liquid cooling agent in the cooling device IU used by the unit 16,18 is kept evaporated to remove heat in the circulation device 12 to absorb flowing, liquid coolant. The cooling channels in the heat exchanger 26 are relatively large, so despite the increased viscosity of the coolant, a sufficient cooling flow is achieved at low temperatures.
Die Strömungsrichtung des Kühlmittels in der Austauscheinheit 2 7 ist derjenigen des Abkühlmittels entgegengerichtet, damit die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Abkühlmittel möglichst gross wird. Die Leistungsfähigkeit der Austauscheinheit 27 ist bei dieser Anordnung besonders hoch, und zudem wird gewährleistet, dass die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang einen Mindestwert erreicht. Vorzugsweise hat die Austauscheinheit zwei oder mehr thermisch von-The direction of flow of the coolant in the exchange unit 2 7 is opposite to that of the coolant, so that the temperature difference between the coolant and the coolant is as large as possible. The efficiency the exchange unit 27 is particularly high in this arrangement, and it is also ensured that the temperature of the Coolant reached a minimum value at the outlet. The exchange unit preferably has two or more thermally
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einander getrennte Teile, damit verhinder wird, dass infolge einer metallischen Berührung zwischen aneinander anschliessenden Rohrspulen oder Kanälen ein thermischer Kurzschluss entsteht, wenn bei der Austauscheinheit eine grosse Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels am Eingang und am Ausgang vorhanden ist.separated parts, so that it is prevented that as a result of a metallic contact between adjoining Coils or ducts a thermal short circuit occurs if there is a large difference in the replacement unit between the temperature of the coolant at the inlet and the outlet.
Eine Pumpe 24 mit konstantem Druck und variablem Volumen, die vom Centrifugaltyp sein kann und mit sehr kleiner Last betrieben wird, liefert ein Kühlmittel mit konstantem Druck zur Austauscheinheit 27. Der teilweise gefüllte, verschlossene Behälter 34 dient als Vorratskammer für das Kühlmittel, ferner als thermische Puffervorrichtung und als Raum für die thermische Expansion des Kühlmittels.A constant pressure, variable volume pump 24, which can be of the centrifugal type and of very high volume is operated with a low load, a coolant with constant pressure supplies to the exchange unit 27. The partially filled, sealed container 34 serves as a storage chamber for the coolant, also as a thermal buffer device and as Space for the thermal expansion of the coolant.
Eine fest eingestellte oder einstellbareFixed or adjustable
Drossel 30, z.B. in Form eines Nadelventils oder einer anderen, die Strömung begrenzende Vorrichtung, mit einer Strömungskapazität, die im Vergleich zu den Leitungen für das flüssige Kühlmittel und der Kapazität der Pumpe 24 klein ist, ist unmittelbar stromabwärts von der Lastvorrichtung 31 angeordnet.Throttle 30, e.g. in the form of a needle valve or other flow-limiting device, with a flow capacity, which is small compared to the liquid coolant lines and the capacity of the pump 24 is immediate arranged downstream of the load device 31.
Ein mittels eines Gebläses gekühlter Wärmeaustauscher bzw. Zwischenkühler 32, welcher der Umgebungsluft ausgesetzt ist, nimmt von ihr Wärme auf, sofern die Temperatur des Kühlmittels unterhalb derjenigen der Umgebungstemperatur liegt, und strahlt Wärme in die Luft aus, wenn die Temperatur des Kühlmittels oberhalb derjenigen der Umgebungsluft liegt. Der Zwischenkühler 32 könnte auch wassergekühlt sein, indem er von Wasser umulossen wird, dessen Temperatur derjenigen der Umgebungsluft entspricht. Der Zwischenkühler 32 muss derart gross bemessen sein, dass er die Abkühlvorrichtung 14 thermisch belastet, sofern keine externe thermische Last vorhanden ist, was z.B. dann der Fall ist, wenn die zu kühlende Last 28 nicht im Betrieb ist. In solchen Fällen wird das Kühlmittel von der Lastvorrichtung 31 erwärmt, so dass esA heat exchanger or intercooler 32, cooled by means of a fan, which the ambient air is exposed to, absorbs heat from it, provided that the temperature of the coolant is below that of the ambient temperature and radiates heat into the air when the temperature of the coolant is above that of the ambient air. The intercooler 32 could also be water-cooled in that it is circulated by water, the temperature of which corresponds to the ambient air. The intercooler 32 has to be dimensioned so large that it supports the cooling device 14 thermally loaded, provided there is no external thermal load, which is the case, for example, if the Load 28 is not operating. In such cases, the coolant is heated by the load device 31 so that it
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die Temperatur der Umgebungsluft beinahe oder ganz erreicht, wodurch sichergestellt wird, dass das Kühlmittel am Eingang zum Wärmeaustauscher 26 nicht kälter ist, als irgendeine vorgewählte Temperatur.the temperature of the ambient air is almost or completely reached, which ensures that the coolant is at the inlet to the heat exchanger 26 is not colder than any preselected temperature.
Bei einer Ausführungsform wurde die KühlanlageIn one embodiment, the cooling system was
in einer Umgebung betrieben, deren Temperatur zwischen 21 C und 29,5 C lag. Dabei bestand die Last 28 aus einer Diffusionspumpe an einem Vakuumverdampfer, welche von einer Heizvorrichtung mit einer Leistung von 400 Watt erwärmt wurde. Als Kühlmittel wurde die bereits erwähnte Silikonflüssigkeit·vom Typ 200 der Firma Dow mit einer Viskosität von 5 cSt verwendet, und die Lastvorrichtung 31 bestand aus einem Kupferrohr mit einem Aussendurchmesser von 6,3 5 mm, das rund um die Aussenseite der Lastpumpe gewickelt war. Die Einheit 16,18 bestand aus einer 0,2 PS-Einheit, die von der Firma Tecumseh Products Co., Tecumseh, Michigan/USA hergestellt ist. Der Zwischenkühler 32 bestand aus 4,5 Windungen eines Kupferrohres mit einem Aussendurchmesser von 7,94 mm', wobei die Gesamtlänge des Kupferrohres 3,96 m betrug. Die Pumpe war eine Ausführung der Serie 3MD mit magnetischem Antrieb, die von der Firma Little Giant Corporation, Oklahoma City, Oklahoma/USA hergestellt wird. Der Behälter war aus Kupfer hergestellt und hatte einen Durchmesser von etwa 7 6,2 mm und eine Länge von 152,4 mm. Im Betrieb betrug die Temperatur des Kühlmittels am Eingang zur Pumpe (Last) -10 C, und Am Ausgang 54,4 C. Als Drossel 30 wurde ein Nadelventil verwendet, das auf eine Durchflussmenge von 16 5 cm /Min. eingestellt war.operated in an environment with a temperature between 21 C and 29.5 C. The load 28 consisted of a diffusion pump on a vacuum evaporator, which is powered by a heating device was heated with a power of 400 watts. As a coolant, the aforementioned silicone liquid was used 200 from Dow with a viscosity of 5 cSt used, and the load device 31 consisted of a copper pipe with an outside diameter of 6.3 5 mm, around the outside the load pump was wound. The unit 16,18 consisted of a 0.2 horsepower unit made by Tecumseh Products Co., Tecumseh, Michigan / USA. The intercooler 32 consisted of 4.5 turns of a copper pipe an outside diameter of 7.94 mm ', the total length of the copper pipe being 3.96 m. The pump was an execution of the 3MD series with magnetic drive, made by Little Giant Corporation, Oklahoma City, Oklahoma / USA will be produced. The container was made of copper and was about 7.2 mm in diameter and 6.2 mm in length 152.4 mm. During operation, the temperature of the coolant at the inlet to the pump (load) was -10 C, and at the outlet 54.4 C. Als Throttle 30, a needle valve was used, which was set to a flow rate of 165 cm / min. was set.
Im folgenden wird der Betrieb der Kühlanlage, deren Viskosität regulierbar ist, beschrieben.The operation of the cooling system, the viscosity of which can be regulated, is described below.
Im Normalbetrieb ändert sich die ViskositätThe viscosity changes in normal operation
des Kühlmittels umgekehrt und rasch zur Temperatur über den gesamten Betriebstemperaturbereich. Falls die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang von der Last 28 ansteigt, sinktof the coolant reverses and rapidly to temperature over the entire operating temperature range. If the temperature of the coolant at the outlet from the load 28 increases, decreases
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die Viskosität des Kühlmittels und infolge dessen nimmt der Kühlmittelfluss durch die Drossel 3o zu. Der erhöhte Kühlmittelfluss durch die Last entfernt mehr Wärme und die Temperatur der Last kehrt zu einer niedrigen Temperatur zurück, oder umgekehrt .the viscosity of the coolant and, as a result, the coolant flow through the throttle 3o increases. The increased coolant flow the load removes more heat and the temperature of the load returns to a low temperature, or vice versa .
Durch Verwendung eines Zwischenkühlers 32 in der Kühlanlage wird ihre Leistungsfähigkeit verbessert. Im Normalbetrieb übersteigt die Temperatur des Kühlmittels immer diejenige der Ümgebungsluft. Deshalb dient der Zwischenkühler 32 als Hilfe für die Abkühlvorrichtung 14, indem Wärme vom Kühlmittel direkt zur Umgebungsluft ausgestrahlt wird.By using an intercooler 32 in the cooling system, its efficiency is improved. in the During normal operation, the temperature of the coolant always exceeds that of the ambient air. That is why the intercooler is used 32 as an aid to the cooling device 14 by radiating heat from the coolant directly to the ambient air.
Wenn die Kühlanlage im Betrieb ist, arbeitet die Abkühlvorrichtung 14 ununterbrochen. Wenn deshalb die thermische Last 2 8 entfernt wird oder ihre Wärmeabgabe klein ist, kann die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang der Last sinken. In diesem Falle arbeitet aber der Zwischenkühler 32 als eine Last an der Abkühlvorrichtung 14, weil der Zwischenkühler Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt, sofern die Temperatur des Kühlmittels tiefer liegt als diejenige der Umgebungsluft. Der Zwischenkühler ist derart gross bemessen, dass er eine bedeutende Last an der Abkühlvorrichtung darstellt, wodurch gewährleistet ist, dass die Temperatur des Kühlmittels nicht einen im voraus eingestellten Pegel unterschreiten kann.When the cooling system is in operation, the cooling device 14 works continuously. If that's why the thermal load 2 8 is removed or its heat dissipation is small, the temperature of the coolant at the outlet of the load sink. In this case, however, the intercooler 32 works as a load on the cooling device 14 because the intercooler Absorbs heat from the ambient air, provided that the temperature of the coolant is lower than that of the ambient air. The intercooler is so large that it is a represents significant load on the cooling device, thereby ensuring is that the temperature of the coolant cannot fall below a preset level.
In unbelastetem Zustand ist die ViskositätThe viscosity is in the unloaded state
des Kühlmittels an der Drossel sehr hoch, und infolge dessen fliesst das gekühlte Kühlmittel nur in kleinen Mengen zur Last. Daraus folgt, dass die Temperatur einer nicht im Betrieb stehenden Last, welche der Umgebungsluft ausgesetzt ist, nicht nennenswert unter der Temperatur der Umgebungsluft sinkt.of the coolant at the throttle is very high, and as a result the cooled coolant only flows in in small quantities Load. It follows that the temperature of a non-operating load that is exposed to the ambient air, does not drop significantly below the temperature of the ambient air.
Falls die Abkühlvorrichtung 14 während desIf the cooling device 14 during the
Betriebs der Kühlanlage ausfällt, während die Last im Betrieb ist und Wärme abgibt, wird das erwärmte Kühlmittel von der Last im Zwischenkühler gekühlt, welcher Wärme zur Umgebungs-If the cooling system fails while the load is operating and releasing heat, the heated coolant is removed from the Load is cooled in the intercooler, which heats to the ambient
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luft ausstrahlt. Die Abnahme der Viskosität des Kühlmittels in der Drossel bewirkt eine starke Zunahme des Kühlmittelkreislaufes. Diese Wirkungen verhindern eine schädliche Ueberhitzung der Last, falls die Abkühlvorrichtung ausfallen sollte.air radiates. The decrease in the viscosity of the coolant in the throttle causes a sharp increase in the coolant circuit. These effects prevent harmful overheating of the load if the cooling device should fail.
Da der Komressor der Kühlanlage dauernd imSince the compressor of the cooling system is constantly in
Betrieb ist, und die Kühlanlage am Anfang ohne ein verdichtetes Abkühlmittel in der Austauscheinheit 27 anläuft, wird eine Ueberlastung des Kompressors sowie des Motors des Kompressors verhindert, Somit sind Ueberlastvorrichtungen, welche normalerweise für die Motoren solcher Kompressoren vorgesehen sind, bei der beschriebenen Kühlanlage nicht erforderlich. Dies ist ein Vorteil, weil sich solche Ueberlastvorrichtungen abnützen und zudem Funken erzeugen.Is in operation, and the refrigeration system is initially started up without a compressed refrigerant in the exchange unit 27, becomes a Overloading of the compressor as well as the motor of the compressor are prevented, thus overloading devices are normally used for the motors of such compressors are provided, not required in the cooling system described. This is an advantage because such overload devices wear out and also generate sparks.
Die beschriebene Kühlanlage hat weniger bewegliche Teile als viele bestehende Ausführungen, wobei die Teile bei der vorliegenden Erfindung nicht immer ein- und ausgeschaltet werden, sondern dauernd in Bewegung sind. Die beschriebene Kühlanlage bedeutet eine Reduktion der Gestehungskosten sowie der Auslagen für Unterhalt und Reparaturen, verglichen mit bestehenden Ausführungen. Die beschriebene Kühlanlage arbeitet zudem ohne Unterhalt während längerer Zeit zuverlässig.The cooling system described has fewer moving parts than many existing designs, with the Parts are not always switched on and off in the present invention, but are constantly in motion. The described Cooling system means a reduction in the production costs as well as the expenses for maintenance and repairs, compared with existing designs. The cooling system described also works without maintenance for a long time Reliable.
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Claims (1)
mit geschlossenem Kühlkreislauf mit einer Umlaufvorrichtung für die Zufuhr und die Bewegung eines Kühlmittels in einem Kreislauf, ferner mit einer Vorrichtung zum Abkühlen des Kühlmitteis sowie mit einer Last zum Bringen des Kühlmittels in ein Wärmeabsorptionsverhältnis mit der Lastvorrichtung, nachdem das Kühlmittel von der Abkühlvorrichtung abgekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Kühlmittels sich zu dessen
Temperatur Umgekehrt verhält, und der Kühlkreislauf eine Drosselvorrichtung aufweist, die flussabwärts von der Lastvoxtrichtung und flussaufwärts von der Umlaufvorrichtung angeordnet ist und zur Begrenzung des Kühlmittelflusses in Abhängigkeit von der in der Lastvorrichtung ermittelten Viskosität dient.(1.) Adjustable viscosity cooling system for one load,
with a closed cooling circuit with a circulation device for the supply and movement of a coolant in a circuit, further with a device for cooling the cooling medium and with a load for bringing the coolant into a heat absorption ratio with the load device after the coolant has been cooled by the cooling device, characterized in that the viscosity of the coolant increases to its
Temperature behaves inversely, and the cooling circuit has a throttle device which is arranged downstream of the load vox direction and upstream of the circulation device and serves to limit the coolant flow depending on the viscosity determined in the load device.
ist, wobei der Betriebstemperaturbereich als die Differenz
zwischen den Temperaturen des Kühlmittels am Ein - und am Ausgang der Lastvorrichtung definiert ist.2. Cooling system according to claim 1, characterized in that the viscosity of the coolant can be changed by at least a factor of 2 over the intended operating temperature range
where the operating temperature range as the difference
is defined between the temperatures of the coolant at the inlet and the outlet of the load device.
liegt.U. Cooling system according to claim 1, characterized in that the freezing point of the coolant is at least 5.55 C (10 F) below its temperature at the entrance to the load device
lies.
Wärme abhängig ist, und dass man schliesslich den Kühlmittelfluss flussabwärts von der Last in Abhängigkeit von der ermittelten Viskosität steuert.conversely, changes that one cools the coolant and then brings it to the load in an absorbent vehicle, and one further brings the coolant out of the load with a certain viscosity, which viscosity is different from that absorbed by the load
Heat is dependent, and that one finally controls the coolant flow downstream of the load as a function of the viscosity determined.
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