DE2605272A1 - Kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

PHN 7915

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LV. ■;.■ ■:.,·.·> ;.\.l,ofa 20.5· 1975

Anme^·;.-: JsJ.V. Philips G'c^iiüa'ipbnracileksB
Anmeldung νο,η;' "Vc^ ÜVJtT '' "' ^Y ' 2605272

"Kühlvorrichtung"

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen mindestens eines im Betrieb geschlossenen Raums auf eine niedrigere Temperatur, in dem mindestens ein Kühlelement angeordnet ist, das mit seinem Eintritt an eine Zuleitung für* einen Strom gekühlten 'Mediums und mit seinem Austritt an eine Mediumableitung anschliesst, welche Leitungen durch mindestens eine Begrenzungswand des Raums hindurchgeführt sind, wobei in die Zuleitung mindestens eine Drossel sowie an der dem Kühlelement abgewandten Seite der Drossel mindestens ein Wärmeaustauscher aufgenommen sind.

Eine Kühlvorrichtung der angedeuteten

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Art ist aus der offengelegten. niederländischen Patentanmeldung 73 04 884 bekannt.

Der gekühlte Raum kann beispielsweise der

Raum in einem Kryostaten, der ein verflüssigtes Gas enthält, der Raum in einer Gefriertrockenanlage oder in einem Tiefkühl-Container, ein (Hoch-)Vakuumraum, usw. sein.

Bei der bekannten Kühlvorrichtung ist der Wärmeaustauscher einerseits in die Mediumzuleitung und zum anderen in die Mediumableitung aufgenommen und er bildet mit der Drossel zusammen eine Biockiei-ungseinrichtung ohne bewegliche Teile, die bei erhöhtem Wärmelecken von der Umgebung zum Raum, wobei ein starker Temperaturanstieg in diesem Raum auftritt, die Zuführung gekühlten Mediums zum Kühlelement wenigstens zum grössten Teil blockiert. Das erhöhte Wärmelecken kann beispielsweise auftreten, wenn im Falle eines Kryostaten dieses Gerät einen undichten Vakuummantel aufweist.

Für die Wirkungsweise dieser Blockierungseinrichtung wird der durch den Temperaturanstieg im Raum auftretende starke Abfall in der Dichte umlaufenden flüssigen Mediums (Flüssigkeit-Gas-Uebergang) oder die Kombination von Abfall in'der Dichteund Anstieg in der Viskosität umlaufenden gasförmigen Kühlmediums ausgenutzt.

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Mit einer derartigen Kühlvorrichtung

bleiben namentlich andere Anlageteile bildende Räume mit ihren zugehörigen Kühlelementen, die. in dasselbe Leitungssystem als das Kühlelement im undichten Raum aufgenommen sind, gegen Wärmezuführung geschützt, die infolge des Leckens in den zuletzt genannten Raum eingeflossen ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Kühlvorrichtung der angedeuteten Art zu schaffen, die einen verbesserten, gedrängerteren Aufbau hat.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe ist die Kühlvorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher in gutem wärmeaustauschadem Kontakt mit dem Kühlelement, jedoch wärmeisoliert in bezug auf den Raum, in diesem Raum angeordnet ist.

Bei der Verwendung flüssigen Kühlmediums befindet sich darin zufolge der nicht idealen Wärmeisolierung der Mediumzuleitung immer einiges Kühlme-•dium in der Gasphase. Erfolgt bei normalem Betrieb im Wärmeaustauscher wenigstens zum grössten Teil Kondensation dieses Gases durch die Kühlung mittels des die Drossel passierten Kühlmediums mit niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur im Kühlelement,dagegen bildet sich bei erhöhter Wärmezuführung zum Raum mit Temperaturanstieg darin eben zusätzliches Gas durch Ver-

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dampfung flüssigen Kühlmediums im Wärmeaustauscher über den Wärmekontakt mit dem Kühlelement.

Zur Förderung der Bewegung der gasförmigen Kühlmediumkoniponente in Richtung der Drossel und damit nicht, wegen der niedrigeren Wichte, in der entgegengesetzten Richtung von flüssigem Kühlmedium aufsteigen kann, ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Kühlvorrichtung erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Wärmeaustauschers auf einem niedrigeren Niveau im Raum als der Ausgang angeordnet ist.

Bei Leckage erfolgt somit eine zweckmässigere und raschere Blockierung des Kühlmediumstroms und es besteht keine Gefahr der Anhäufung von Gas im Wärmeaustauscher bzw. in der Wärmezuleitung.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung ist in die Zuleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und der Drossel mindestens ein Wärmeaustauschelement aufgenommen, das in gutem wärmeaustauschendem Kontakt mit dem Raum in diesem Raum angeordnet ist.

Auf diese Weise wird eine noch schnellere Wirkung des Blockierungsmechanismus erhalten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, die schernatisch und nich massstabge-

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recht sind. Es zeigt . ■ .

Fig. 1 in einem Längsschnitt eine Kühlvorrichtung mit einem in einem geschlossenen Leitungssystem umlaufenden Kühlmedium, das einerseits Kälte aus dem Kältekopf einer Gaskältemaschine aufnimmt und zum anderen den Dampfräumen zweier Yorratsgefässe (Dewargefässe) für verflüssigtes Gas Kälte abgibt.

Fig. 2 und 3 in Längsschnitten Dewargefäse, in denen verschiedene Abwandlungen zu dem in einem Dowargefäss nach Fig. 1 angeordneten Teil der Kühlvorrichtung wiedergegeben sind.

In Fig. 1 sind mit der Bezugsziffer 1 zwei Dewargefässe bezeichnet, in denen sich in Flüssigkeitsrätimen 2a ein verflüssigtes Gas, flüssiger Wasserstoff unter atmosphärischem Druck, befindet. In den Dampfräumen 2b dieser Gefässe ist eine Kühlspirale 3 angeordnet;, deren Eintritt an eine Zuleitung h für gekühltes Medium und deren Austritt an eine Ableitung 5 angeschlos-, sen ist. Die Zuleitungen '4 schliessen sich an eine Hauptzuleitung 6 und die jtleitungen 5 an eine Hauptableitung 7 an. Ein Wärmeaustauscher 8 für Wärmeaustausch mit dem Kältekopf 9 einer Gaskältemaschine 10 schliesst sich einerseits an die Hauptzuleitung 6 und zum anderen an die Hauptableitung 7 an.

Eine Pumpeinrichtung 11, die in die Hauptzuleitung 6 aufgenommen ist, versorgt das Umlaufen eines

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Kühlmediums, flüssigen Wasserstoffs, der durch, die Pumpeinrichtung 11 unter einem höheren als der atmosphäre sehe Druck der Zuleitung k zugeführt wird.

In die in den Dampfräumen 2b befindlichen Teile der Zuleitungen k sind ein Wärmeaustauscher 12 und eine Drossel 13 aufgenommen.

Jeder der Wärmeaustauscher 12 hat einen

guten wärme ciu st au sehenden Kontakt mit der benachbarten Kühlspirale 3 über einen Metallblock 14 aus z.B. Kupfer, ist jedoch in bezug auf den Dampfraum 2b mittels einer Schicht 15 aus wärineisolierendem Matei-ial, beispielsweise Kunststoff, wäi-meisoliert.

Der Wärmeaustauscher 12 bildet in Verbindung mit der Drossel 13 in der gleichen Zuleitung h eine im nornäen Betrieb passive Blockierungseinrichtung

Beim normalen Betrieb wird vom Wärmeaustauscher 8 herrührender flüssiger Wasserstoff unter einem Druck von z.B. 1,2 ata den Wärmeaustauschern 12 zugeführt. Da der Druck des flüssigen Wasserstoffs im Wärmeaustauscher 12' vor der Drossel 13 höher ist als der Druck des flüssigen Wasserstoffes in der Kühlspirale 3 hinter der Drossel, ist auch die Temperatur im Wärmeaustauscher 12 höher als die in der Kühlspirale 3 und der Wasserstoff im Wärmeaustauscher 12 wird ifcr den Metallblock lh durch den Wasserstoff in der Kühlspirale 3 gekühlt.

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Eine möglicherweise den Wärmeaustauscher

12 durchfliessende und an anderer Stelle durch. Wärmeeinlecken gebildete gasförmige Wasserstoffkomponeiite wird in diesem Wärmeaustauscher kondensiert, so dass nur oder fast nur flüssiger Wasserstoff in die Drossel

13 eintritt. Durch die grosse Dichte des flüssigen Wasserstoffs leistet die Drossel 13 verhältnismässig wenig Widerstand gegen den Durchgang dieses flüssigen Wasserstoffs.

Neben der Kühlung des Wärmeaustauschers

12 sorgt die Kühlspirale 3 dafür, dass im Dewargefäss . 1 durch normales Wärmeeinlecken gebildeter Wasserstoffdampf erneut kondensiert wird.

Bekommt eines der beiden Dewargefässe ein

Leck im Vakuummantel, sorgt die grosse Menge hineinfliessender Wärme für einen starken Temperaturanstieg im undichten Dewargefäss, wodurch die Kühlspirale 3 erwärmt wird. Die Kühlspirale 3 erwärmt ihrerseits den Wärmeaustauscher 12. Der flüssige Wasserstoff, der den betreffenden Wärmeaustauscher 12 durchfliesst,wird jetzt erwärmt und verdampft.· Statt flüssigen Wasserstoffs wird der betreffenden Drossel 13 jetzt gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Da die Dichte gasförmigen Wasserstoffs sehr viel kleiner ist als die Dichte flüssigen Wasserstoffs, bildet die Drossel 13 ftf.*" das Wasserstoff gas

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einen derart grossen Widerstand, dasc nahezu kein Wasserstoffgas diese Drossel passiert, so dass die Zuführung von Wasserstoff zur betreffenden Kühlspirale 3 nahezu vollständig gesperrt ist. Der von der Pumpeinrichtung 11 gelieferte Strom flüssigen Wasserstoffs wird jetzt nahezu vollständig der Kühlspirale in dem entsprechenden Dewargefäss zugeführt. Letztgenanntes Dewargefäss wird also nicht durch grosses Wärmelecken im anderen Dewargefäss gestört.

Wird im geschlossenen Leitungssystem nach

Fig. 1 als Kühlmedium ein Gas, z.B. Helium unter Druck, verwendet, wird bei Leckage in einem Dewargefäss dieses Gas im betreffenden Wärmeaustauscher über die betreffende Kühlspirale 3 stark erwärmt. Hierdurch sinkt die Dichte dieses Gases stark ab und steigt seine Viskosität, was bedeutet, dass die betreffende Drossel für das erwärmte Gas jetzt einen grossen Widerstand bildet und der Gasstrom zum grössten Teil blockiert wird.

In den Fig. 2 und 3 sind für Fig. 1 entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet.

In Fig. 2 ist der Wärmeaustauscher 12 derart im Dampfraum 2b angeordnet, dass sich der Eingang 12a unten und der Ausgang 12b oben befindet. Bei der Verwendung flüssigen Kühlmediums wird eine hierin befindliche gasförmige Komponente, die aufgrund ihrer ge-

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ringeren Wichte zum Aufsteigen in der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher 12 neigt, sich jetzt in der gewünschten Richtung zur Drossel hin bewegen und nicht in Richtung der Zuleitung k. Es besteht jetzt nicht die Gefahr der Gasanhäufung im Wärmeaustauscher 12 (was die Wirkung des Blookierungsmechanismus stören würde), während ausserdem bei Leckschaden der Biockierungsmechanismus rascher anspricht. Die Wirkungsweise des Blockierungsmechanismus ist weiter der räch Fig. 1 gleich.

Fig. 3 unterscheidet sich von Flg. 2 darin, dass in der Zuleitung k zwischen dem Wärmeaustauscher 12 und der Drossel 13 ein ¥ärmeaustauschelemeiit 30 angeordnet ist, das im Dampfraum ,in gutem Wärmekontakt damit angeordnet ist. Bei einem unzulässigen Temperaturanstieg im Dewargefäss 1 wird auch im Wärmeaustauschelement 30 dem die Zuleitung h durchfliessenden Kühlmedium Wärme zugeführt. Infolgedessen wird das Wärmeaustauschelement durchfliessende Flüssigkeit auch hierin verdampft werden. Der Blockierungsmechanismus arbeitet daher noch schneller.

Obige Beschreibungen gelten selbstverständlich auch für andere gekühlte Räume als Kryostaten mit verflüssigtem Gas, z.B. für Gefrier trockenräume, Tiefkühlräume, Vakuumräume, Räume in Aufdampflagen, usw.

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Claims (2)

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   PATENTANSPRUECHE:

   Π .\ Kühlvorrichtung zum Kühlen mindestens

   eines im Betrieb geschlossenen Raums auf niedrigere
   Temperatur, in dem mindestens ein Kühlelement angeordnet ist, das mit seinem Eintritt an eine Zuleitung für einen Strom gekühlten Mediums und mit seinem Austritt
   an eine Mediumableitung angeschlossen ist, welche Leitungen durch mindestens eine Begrenzungswand des Raums hindurehgeführt sind, wobei in die Zuleitung mindestens eine Drossel sowie an der dem Kühlelement abgewandten
   Seite der Drossel mindestens ein Wärmeaustauscher aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher in gutem wärmeaustauschendem Kontakt mit
   dem Kühlelement, jedoch wärmeisoliert in bezug auf den Raum in diesem Raum angeordnet ist.
2. 2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, dass der Eingang des Wärmeaustauschers auf einem niedrigeren Niveau im Raum als sein Ausgang
   angeordnet ist.

   3« Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, dass in die Zuleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und der Drossel mindestens ein
   Wärmeaustauschelement aufgenommen ist, das in gutem
   wärmeaustauscberdem Kontakt mit dem Raum in diesem Raum angeordnet ist.

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