DE2605272C2 - Kühlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen mindestens eines im Betrieb geschlossenen Raumes auf niedrige 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 Raumes hindurchgeführt sind, wobei in die Zuleitung mindestens eine Drossel, sowie an der dem Kühlelement abgewandten Seite der Drossel mindestens ein Wärmetauscher aufgenommen ist, der mit dem aus dem zu kühlenden Raum abgeführten, verdampften Kühlmedium in Wärmetausch steht.

Eine Kühlvorrichtung dieser Art ist aus der NL-OS 04 884 bekannt.

Der zu kühlende 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: er bildet mit der Drossel zusammen eine Blockierungsein· richtung ohne bewegliche Teile¹, die bei erhöhtem Wärmelecken Von der Umgebung zürn 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 der Vakuummantel undicht ist.

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

Mit einer derartigen Kühlvorrichtung bleiben andere Anlageteile bildende Räume mit ihren zugehörigen Kühlelementen, die in dasselbe Leitungssystem wie das Kühlelement im undichten Raum aufgenommen sind, gegen Wärmezufuhr 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

Diese Aufgabe wird bei einer Kühlvorrichtung eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher ebenfalls innerhalb des zu kühlenden Raumes angeordnet ist und über einen Metallblock in gut wärmetauschendem Kontakt mit dem Kühleiement steht, jedoch in bezug auf die Atmosphäre in diesem Raum wärmeisoliert ist.

Sei Verwendung eines flüssigen Kühlmediums befindet sich darin zufolge der nicht idealen Wärmeisolieruni¹, der Mediumzuleitung immer einiges Kühlmedium in oer Gasphase. Erfolgt bei normalem Betrieb im Wärmeaustauscher wenigstens zum größten Teil eine Kondensation dieses Gases durch die Kühlung mittels des die Drossel passierten Kühlmediums mit niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur im Kühlelement, so bildet sich dagegen bei erhöhter Wärmezufuhr zum Raum mit Temperaturanstieg darin zusätzliches Gas durch Verdampfung flüssigen Kühlmediums in

)5 Wärmeaustauscher über den Wärmekontakt mit dem Kühlelement.

Zur Förderung der Bewegung der gasförmigen Kühlmediumkomponente in Richtung der Drossel und damit es nicht, wegen der niedrigeren Dichte, in der entgegengesetzten Richtung des flus: igen Kühlmediums aufsteigen kann, ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Kühlvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Wärmeaustau schers auf einem niedrigeren Niveau im Raum als sein Ausgang angeordnet ist. Bei Leckage erfolgt somit eine zweckmäßigere und raschere Blockierung des Kühlmediumstromes und es besteht keine Gefahr der Anhäufung von Gas im Wärmeaustauscher b/w in der Wärmezuleitung.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist in die Zuleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und der Drossel mindestens ein Wät Tieaustauschelement aufgenommen, das in gutem wärmeaustauschendem Kontakt mit der Atmosphäre in diesen; Raum angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine noch schnellere Wirkung des Block lerungsmechanismus erhalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispicle näher erläutert, die schematisch und nicht maßstabgerecht 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 Vorratsgefäße (Dewäfgefäße) für Verflüssigtes Gas Kälte abgibt,
Fig,2 und 3 in Längsschnitten Dewäfgefäße, in

denen verschiedene Abwandlungen zu dem in einem Dewargefäß nach Fig. 1 angeordneten Teil der Kühlvorrichtung wiedergegeben sind.

In Fig. 1 sind mit der Bezugsziffer 1 zwei Dewargefäße bezeichnet, in denen sich in Flüssigkeitsräumen 2a ein verflüssigtes Gas, flüssiger Wasserstoff unter atmosphärischem Druck, befindet In den Dampfräumen 2b dieser Gefäße ist ein als Kühlspirale ausgebildetes Kühlelement 3 angeordnet, dessen Eintritt an eine Zuleitung 4 für gekühltes Medium und ι ο dessen Austritt an eine Ableitung 5 angeschlossen ist Die Zuleitungen 4 schließen sich an eine Hauptzuleitung 6 und die Ableitungen 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 Kühlmediums, flüssigen Wasserstoffs, der durch die Pumpeinrichtung 11 unter einem höheren als der atmosphärische Druck der Zuleitung 4 zugeführt wird.

In die in den Dampfräumen 2b befindlichen i eile der Zuleitungen 4 sind ein Wärmeaustauscher 12 rad eine Drossel 13 aufgenommen.

Jeder der Wärmeaustauscher 12 hat einen guten wärmeaustauschenden Kontakt mit dem benachbarten Kühlelement 3 über einen MetaHblock 14 aus z. B. Kupfer, ist jedoch in bezug auf den Dampfraum 2b mittels einer Schicht 15 aus wärmeisolierendem Material, beispielsweise Kunststoff, wärmeisoliert.

Der Wärmeaustauscher 12 bildet in Verbindung mit der Drossel 13 in der gleichen Zuleitung 4 eine im normalen Betrieb passive Blockierungseinrichtung.

Beim normalen Betrieb wird vom Wärmeaustauscher » S herrührender flüssiger Wasserstoff unter einem Druck von z. B. \2 bar den Wärmeaustauschern 12 zugeführt. Da der Druck des flüssigen Wasserstoffs im Wärmeaustauscher 12 vor der Drossel 13 hoher ist als der Druck des flüssigen Wasserstoffes im Kühlelement 3 hinter der 4η Drossel, ist auch die Temperatur im Wärmeaustauscher 12 höher als die im Kühlelement 3 und der Wasserstoff im Wärmeaustauscher 12 wird über den MetaHblock 14 durch den Wasserstoff im Kühlelement 3 gekühlt.

Eine möglicherweise den Wärmeaustauscher 12 4i durchfließende und an anderer Stelle durch Wärmeeinlecken gebildete gasförmige Wasserstoffkomponente wird in diesem Wärmeaustauscher kondensiert, so daß nur oder fast nur flüssiger Wasserstoff in die Drossel 13 eintritt. Durch die große Dichte des flüssigen Wasser Stoffs leistet die Drossel H verhältnismäßig wenig Widerstand gegen den Durchgang dieses flüssigen Wasserstoffs.

Neben der Kühlung des Wärmeaustauschers 12 sorgt das Kühlelement 3 dafür, daß im Dewargefäß 1 durch normales Wärmeeinlecken gebildeter Wasserstoff dampf erneut kondpnsiert wird.

Bekommt eines der beiden Dewargefäße ein Leck im Vakiiumteil, sorgt die große Menge hineinfließender Wärme für einen starken Temperaturanstieg im undichten Dewargefäß, wodurch das Kühlelement 3 erwärmt wird. Das Kühlelement 3 erwärmt seinerseits den Wärmeaustauscher 12. Der flüssige Wasserstoff, der den betreffenden Wärmeaustauscher 12 dtirchfließs, 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 für das Wasserstoffgas einen derart großen Widerstand, daß nahezu kein Wasserstoffgas diese Drossel passiert, so daß die Zuführung von Wasserstoff zum betreffenden Kühlelement 3 nahezu vollständig gesperrt ist. Der von der Pumpeinrichtung 11 gelieferte Strom flüssigen Wasserstoffs wird jetzt nahezu vollständig dem Kühlelement in dem entsprechenden Dewargefäß zugeführt Letztgenanntes Dewargefäß wird also nicht durch großes Wärmelecken im anderen Dewargefäß gestört

Wird im geschlossenen Leitungssystem nach F i g. 1 als Kühlmedium ein Gas, z. B. Helium unter Druck, verwendet, wird bei Leckage in e^; ^.m Dewargefäß dieses Gas irr betreffenden Wärmeaustauscher über das betreffende Kühlelement 3 stark erwärmt Hierdurch sinkt die Dichte dieses Gases stark ab und steigt seine Viskosität, was bedeutet daß die betreffende Drossel für das erwr.-mte Gas jetzt einen großen Widerstand bildet und der Gasstrom zum größten Teil blockiert wird.

In den F i g. 2 und 3 sind für F i g. 1 entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet.

In Fig. 2 ist der Wärmeaustausche. 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 geringeren Wichte rum Aufsteigen in der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher 12 neigt, sich jetzt in der gewünschten Richtung zur Drossel hin bewegen und nicht in Richtung der Zuleitung 4. Es besteht jetzt nicht die Gefahr der Gasanhäufung im Wärmeaustauscher 12 (was die Wirkung des Blockierungsmechanismus stören würde), während außerdem bei Leckschaden der BlocAierungsmechanismus rascher anspricht Die Wirkungsweise des Blockierungsmechanismus ist weiter der nach F i g. 1 gleich.

F i g. J unterscheidet sich von F i g 2 darin, daß in der Zuleitung 4 /wischen dem Wärmeaustauscher 12 und der Drossel 13 ein Wärmeaustauschelement 10 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 4 durchfließenden Kühlmedium Wärme zugeführt Infolgedessen wird das Wärmeaustauschelement durchfließende i-'üsMgkeit auch hierin verdampft werden. Der Blockierungsmechanismus arbeitet daher noch schneller.

Obige Beschreibungen gelten selbstverständlich auch für andere gekühlte Räume als Kryostaten mit verflüssigtem Gas. 7. B für Gefriertrockenräume. Tiefkühlräume. VaMJiimräume, Räume in Aufdampfla gen, usw.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung zum Kühlen mindestens eines im Betrieb geschlossenen Raumes auf niedrige 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, weiche Leitungen durch mindestens eine Begrenzungswand des Raumes hindurchgeführt sind, wobei in die Zuleitung mindestens eine Drossel, sowie an der dem Kühlelement abgewandten Seite der Drossel mindestens ein Wärmetauscher aufgenommen ist, der mit dem aus dem zu kühlenden Raum abgeführten, verdampften Kühlmedium in Wärmetausch steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (12) ebenfalls innerhalb des zu kühlenden Raumes angeordnet ist und über einen Metallblock (14) in gut wärmetauschendem Kontakt mit dem Kühlelement (3) steht, jedoch in bezug auf die Atmosphäre in diesem Raum wärmeisoliert ist.

Z Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (12a,? des Wärmeaustauschers (12) auf einem niedrigeren Niveau im Raum (2b) als sein Ausgang (12b) angeordnet ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuleitung (4) zwischen dem Wärmeaustauscher (12) und der Drossel (13) mindestens ein Wärmeaustauschelement (30) aufgenommen ist, das in gutem wärmeaustauschendem Kontakt mit der Atmosphäre in diesem Raum(2£>Jangecrdnet ü