DE2801215C2 - Kühlvorrichtung für tiefe Temperaturen - Google Patents

Kühlvorrichtung für tiefe Temperaturen

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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer aus der US-PS 40 02 039 bekannten Vorrichtung dieser Gattung besteht das expansionsfähige Steuerglied aus teilzylindrischen Schalenteilchen, die an ihrem oberen, warmen Ende im oberen Ende einer Hülse befestigt sind, welche ih'rerseits koaxial zu den Röhren des Wärmetauschers an dessen kaltem Ende angebracht ist Sowohl die Hülse als auch die beiden Schalenteile sollen aus Werkstoff mit relativ hoher spezifischer Wärmeausdehnung bestehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlvorrichtung so auszubilden, daß ihr Ventil unempfindlicher wird gegenüber Temperaturschwankungen am warmen Ende des Wärmetauschers sowie in der Kühlkammer.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Da das aus zwei Teilen bestehende Steuerglied zwar insgesamt eine hohe spezifische Wärmeausdehnung haben kann, wegen der Werkstoff mit geringerer Wärmeleitfähigkeit aber nur verzögert seine Temperatur ändert, verlaufen seine Bewegungen in der gewünschten Weise träger als bisher.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zwischen der Temperatur des unter hohem Druck stehenden gasförmigen Kältemittels, das an der Expansionsdüse des Ventils ankommt, und der Temperatur des verflüssigten Kühlmittels ein erheblicher Unterschied bestehen kann. Beispielsweise kann bei einem mit Luft als ! Kältemittel arbeitenden Kühlgerät der hier interessierenden Art das sich der Düse nähernde Gas etwa 50 bis
700C und wärmer sein als der Siedepunkt der Luft, die bei Atmosphärendruck nur etwa 78 K beträgt. Weder die eine noch die andere Temperatur ändert sich dabei wesentlich in Abhängigkeit von der Menge des vorhandenen verflüssigten Kältemittels. Die Temperatur der mit Dampf im Gleichgewicht stehenden Flüssigkeit kann sich nicht nennenswert ändern, und die Temperatur des an der Düse ankommenden Gases wird durch die Menge der . vorhandenen Flüssigkeit (nachdem das Kondensieren von Flüssigkeit einmal begonnen hat) kaum beeinflußt, solange der untere Teil des Wärmeaustauschers nicht zu stark überflutet wird. Wenn der untere Teil des Wärmeaustauschers von Flüssigkeit überflutet wird, nehmen der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers und der des Verflüssigungsprozesses ab.
Das Ventil und das kalte Ende des Wärmetauschers können daher als Bereiche im wesentlichen konstanter Temperaturen angesehen werden, die sich jedoch erheblich unterscheiden und beide wenig durch die vorhandene Flüssigkeitsmenge beeinflußt werden. Bekannte Kühlgeräte sprechen im allgemeinen auf eine Temperatur an, die im wesentlichen von dem einen oder dem anderen der beiden erwähnten Teile abhängt und daher kein empfindliches Maß für die vorhandene Flüssigkeitsmenge darstellt.
Die Erfindung beruht ferner auf der Erkenntnis, daß die Temperatur eines temperaturempfindlichen Steuerelementes von dem Gleichgewicht zwischen der vom Wärmetauscher in das Steuerelement strömenden Wärme und der vom Steuerelement in das Käiiemiiiei abfließenden Wärme abhängt und daß die Wärrneübergangsratc zwischen dem Steuerelement und dem Dampf gegenüber derjenigen zwischen dem Steuerelement und der Flüssigkeit vernachlässigbar ist.
An dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.
Die dargestellte Kühlvorrichtung hat, wie die meisten bekannten Kühlgeräte dieser Art, eine langgestreckte Gestalt, und obgleich sie in den unterschiedlichsten Lagen betrieben werden kann, soll sie im folgenden in Bezug auf die übliche Betriebslage beschrieben werden, bei der die Geräteachse senkrecht verläuft und das kalte Ende
28 Ol 215
des Gerätes sich unten befindet
Das dargestellte Kühlgerät enthält einen im wesentlichen rohrförmigen Wärmeaustauscher mit einem inneren rohrförmigen Körper 2, der durch einen Spund 3 verschlossen und mit einer gerippten Einlaßröhre 4 umwickelt ist, welche den Einlaßkanal des Wärmetauschers bildet Die wendelförmig gewickelte Einlaßröhre 4 ist von einem koaxialen Außenrohr umgeben, (ias durch die Innenwand 6 einer Dewar-Flasche 8 gebildet wird, und der Raum zwischen dem inneren rohrförmigen Körper 2 und der Flasche 8 bildet den zweiten oder Auslaß-Strömungsweg des Wärmeaustauschers, durch den entweihendes Gas an den Rippen der Einlaßröhre 4 vorbeiströmt und dabei das unter hohem Druck stehende zugeführte Kältemittel in der den Einlaßweg bildenden, wendelförmig gewickelten Röhre 4 kühlt Das untere Ende der Dewar-Flasche 8 ist geschlossen und bildet eine Kühl- oder Verflüssigungskammer 10, die einen Behälter darstellt in dem sich flüssiges Kältemittel ansammeln kann. Ao der Außenseite der Innenwand der Dewar-Flasche 8 ist eine Kühlstelle 12 gebildet oder befestigt, z. B. ein Infrarotstrahlungsdetekior.
Der Körper 2 des Wärmeaustauschers besteht aus einem Material niedriger Wärmeleitfähigkeit An seinem unteren, kalten Ende trägt der Körper des Wärmetauschers einen T-förmigen Sitzträger 14, der einen Kopf 16 und einen Stiel umfaßt Der Kopf 16 erstreckt sich über das untere, kalte Ende des Wärmeaustauscherkörpers und ist an diesem befestigt Der Stiel des Sitzträgers 14 ist hohl und bildet an seinem unteren Ende eine Drosseloder Expansionsdüse eines Ventils 18 mit sich nach unten öffnendem Sitz.
Am unteren Ende des Wärmeaustauscherkörpers 2 ist ferner das untere Ende eines rohrförmigen Trägers 20 verbunden, der sich koaxial im Wärmeaustauscher eine beträchtliche Strecke nach oben erstreckt und einen oberen Teil eines rohrförmigen, expansionsfähigen Steuergliedes 22, 28 umgibt, mit dem sein oberes Ende verbunden ist Der Expanderträger hat am unteren Ende einen Außenflansch 24 und am oberen Ende einen mit dem oberen Ende des oberen Teiles 22 des Expanders verbundenen Innenflansch, so daß der Körper 2 des Wärmeaustauschers, der Träger 20 und der obere Teil 22 des Steuergliedes drei mit Zwischenräumen ineinander verschachtelte koaxiale Röhren bilden, die durch die Flansche 24 und 26 miteinander verbunden sind.
Das Steuerglied besteht aus zwei Teilen, dem oberen, warmen Teil 22, der sich vom oberen Ende des Trägers 20 nach unten bis etwas unter das untere oder kalte Ende des Wärmeaustauschers erstreckt so daß er ein kleines Stück in den oberen Teil der Verflüssigungskammer reicht. Der obere Teil 22 ist mit einem unteren, kalten Teil 28 verbunden, der nach unten über den Sitz 18 hinaus reicht und am unteren Ende eine Ventilnadel 32 trägt, welche nach oben vorspringt und ein mit dem Sitz des Ventils 18 zusammenwirkendes konisches Ende aufweist. Die Ventilnadel 32 kann in das Steuerglied eingeschraubt sein, so daß man sie justieren kann. Der untere Teil 28 des Steuergliedes weist zwei große Längsschlitze 30 auf, durch die der Sitzträger 14 zugänglich ist, so daß sein Kopf 16 seitlich herausreichen und am unteren Ende des Wärmeaustauscherkörpers 2 befestigt werden kann.
Ein wesentlicher Aspekt der beschriebenen Konstruktion ist die Verwendung von Materialien unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Teile 22 und 28 des Steuerglieds haben beide einen hohen Ausdehnungskoeffizienten, und der obere, warme Teil hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, während der untere, kalte Teil eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und Temperaturen des Steuergliedes, des Wärmeaustauscherkörpers, des Sitzträgers und des Trägers wird die Ventilnadel 32 in bekannter Weise in Schließrichtung des Ventils verstellt, wenn die mittlere Temperatur des Steuergliedes sinkt.
Um ein Steuerglied ausreichender Länge, wie es für eine einwandfreie Ventilbetätigung erforderlich ist, in einem kompakten Kühlgerät unterbringen zu können, ist es wünschenswert, daß das Steuerglied nach oben in den Wärmeaustauscher hineinreicht; gleichzeitig soll jedoch, um den Vorteil einer solchen Ausgestaltung ausnutzen zu können, das Steuerglied über seine ganze Länge einen hohen Ausdehnungskoeffizienten haben, während gleichzeitig der Träger einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben soll, da seine Expansion der des Steuergliedes entgegenwirkt, d. h. z. B. das Ventil bei Erwärmung schließt, anstatt es zu öffnen.
Hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit soll bei dem vorliegenden Kühlgerät erreicht werden, daß das Steuerglied in erster Linie in Abhängigkeit von der Temperatur arbeitet, welche an einem Punkt oben in der Verflüssigungskammer in der Nähe des kalten Endes des Wärmeaustauschers herrscht. Wenn das Steuerglied zu stark auf die Temperatur des Wärmetauschers anspricht, wird die Regelung zu unempfindlich, während andererseits das Ventil bei zu starker Ansprache auf den Flüssigkeitsspray in der Nähe der Düse schon bei Beginn der Erzeugung von Flüssigkeit zu schließen beginnt so daß die weitere Kühlung zur Bildung eines Vorrates an verflüssigtem Kältemittel unnötig langsam verläuft.
In der folgenden Tabelle 1 sind die bei einer speziellen Ausführungsform für die verschiedenen Bauteile verwendeten Materialien, die Eigenschaften dieser Materialien und gegebenenfalls die Eigenschaften des Bauteils als Ganzes, soweit dies wichtig ist, angegeben.
10
15
20
25
30
35 40 45 50
Material 28 01 215 Wärmeleit Eigenschaften des Wärme
Tabelle 1 fähigkeit Bauteils als Ganzes dehnung
Materialeigenschaften (W/Cm K) Wärmewider (10"3InK-1)
stand K/W
Bauteil Austenitischer Wärme 0,13
rostfreier ausdehnungs-
Stahl koeffizient 2820
Invars tahl (K.-') 0,1 110
Körper des Kupfer 18xlO-6 2,0 550
Wärmeaus 1430
tauschers Monelmetall 0,15 164 163
Träger 2xiO-6
Warmer Teil Austenitischer 19x10-6 0,13 1470 46
des Steuergliedes rostfreier
Kalter Teil Stahl 18XlO-6 —
des Steuergliedes Stahl und 0,20-0,8 193
Ventilnadel Messing 18x10-6
—
Sitzträger 18x10-6
Die thermischen Eigenschaften und Dimensionen der ver schiedenen Teile sind unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen gewählt.
Der obere Teil 22 des Steuergliedes ist also nicht an dem benachbarten warmen Teil des Körpers 2 des Wärmeaustauschers befestigt, sondern an dem unteren, kalten Ende des Wärmeaustauschers über den Träger 20, der den oberen Teil des Steuergliedes nicht nur gegen Wärmestrahlung abschirmt, sondern auch aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit besteht Die Wärmeleitung vom Wärmeaustauscher zum Steuerglied wird dadurch soweit verringert, daß sich ein empfindliches Ansprechen ergibt, ohne daß das Ventil dadurch zu langsam anspricht, wenn eine stärkere Kühlung erforderlich ist.
Um im Bedarfsfall eine schnelle Kühlung zu gewährleisten, insbesondere wenn die Bildung flüssigen Kältemittels gerade begonnen hat, ist die starke Kühlwirkung des Flüssigkeitströpfchenstrahles auf den Bereich in der Nachbarschaft des Nadelventils begrenzt, d. h. auf das untere Ende des kalten Teiles 28 des Steuergliedes. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit dieses Teiles des Steuergliedes bleibt der obere Teil 22 des Steuergliedes als Ganzes verhältnismäßig warm, das Ventil bleibt daher im wesentlichen offen und die Kühlung erfolgt dadurch mit beträchtlicher Geschwindigkeit.
Mit zunehmender Kühlwirkung der Flüssigkeit, die beispielsweise in Form eines Bades vorliegt, dessen Spiegel zunehmend steigt, oder aus Tröpchen besteht, deren Anteil bezüglich des Gases zunimmt, wird die Temperatur des warmen Endes des unteren Teiles 28 des Steuergliedes zunehmend verringert Diese verringerte Temperatur teilt sich dem unteren Ende des oberen, warmen Teiles 22 des Steuergliedes mit, und da dieser Teil eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat beeinflußt die verringerte Temperatur die ganze Länge dieses Teiles, wodurch das Ventil zunehmend geschlossen wird.
!n der Praxis wird der Stand des flüssigen Kältemittels zwischen einem niedrigen Niveau A und einem hohen Niveau B schwanken. In Abhängigkeit von dem Stand des flüssigen Kältemittels werden sich dann auch die Temperaturen der verschiedenen Bauteile des Kühlgerätes ändern. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ergaben sich für die verschiedenen Bauteile des Kühlgerätes beim niedrigen bzw. hohen Niveau des flüssigen Kältemittels die folgenden Temperaturen:
Tabelle 2
Bauteil Temperatur (K)
niedriges Niveau A
Spund 3 290
Wärmeaustauscher:
Innenflansch 26 oben am Träger 20 156
Außenflansch 24 unten am Träger 20 153
Oberer Bereich des unteren Teiles 28 152
des Steuergliedes
Ventilsitz 18 153
Unterer Bereich des unteren Teiles 28 80
des Steuergliedes
hohes Niveau B
55 60 65
290
115 152 101
152 77
Bei der Auslegung der Bauteile des Kühlgerätes ist es wichtig, daß sichergestellt ist daß der obere Teil 22 des Steuergliedes so weitgehend wie praktikabel gegen den Tröpfchenstrahl aus der Düse abgeschirmt ist Das
28 Ol 215
untere Ende des kalten Teiles 28 des Steuergliedes sollte andererseits nennenswert mit der Flüssigkeit im Bad oder Flüssigkeitströpfchen in Berührung kommen, nachdem die zu kühlende Einrichtung die gewünschte Temperatur entweder durch Kontakt oder Wärmeaustausch mit einer nennenswerten Menge an Flüssigkeit oder Flüssigkeitströpfchen erreicht hat. Die Werte für die Wärmeleitfähigkeit, den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Wärmekapazität der beiden Teile 22 und 28 des Steuergliedes und des Trägers 20 sollten so gewählt sein, daß a) das Nadelventil während der Abkühlperiode in der Nähe seiner voll geöffneten Stellung gehalten wird, b) die Temperatur des Steuergliedes schnell geändert wird, wenn der benetzte Bereich des unteren, kalten Endes sich zu der Verbindung mit dem warmen Ende erstreckt, so daß eine empfindliche Regelung gewährleistet ist, und c) eine optimierte Wärmeleitfähigkeit vom oberen, warmen Ende des Steuergliedes zum Wärmeaustauscher gewährleistet ist, so daß einerseits eine übermäßige Wärmeleitfähigkeit vermieden wird, die die Regelung unempfindlich machen würde, und andererseits so viel Wärmeleitung stattfindet, daß sich das Steuerglied erwärmen und das Ventil mit vernünftiger Ansprechzeit betätigen kann, wenn der Flüssigkeitsspiegel oder der Tröpfchenanteil unter der Sollwert fallen.
Das Steuerglied, welches das Ventil betätigt, besteht zweckmäßig aus einem einfachen Rohr oder Stab. Stattdessen sind aber auch verschiedene andere Ausbildungen möglich. Beispielsweise kann er einen mit Gas und/oder Flüssigkeit gefüllten Balgen enthalten, dessen Ausdehnung sich mit der Temperatur des Balgens ändert. Man kann andererseits auch einen Stapel von gekrümmten Bimetallscheiben verwenden, die mit wechselseitig entgegengerichteten Krümmungen aufeinandergestapelt sind und ihre Krümmung mit der Temperatur ändern. Ferner kann das Steuerglied ein Gitter oder einen Rost von Stäben oder einen Satz von koaxialen Röhren mit abwechselnd hohem und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient enthalten, die jeweils mit einem Ende mit dem einen Nachbarelement und mit dem anderen Ende mit dem anderen Nachbarelement so verbunden sind, daß sich ihre Wärmeausdehnungsdifferenzen addieren.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

28 Ol 215 Patentansprüche
1. Kühlvorrichtung für tiefe Temperaturen, mit einem zum Verflüssigen eines tiefsiedenden Gases dienenden Wärmetauscher, dessen erster Strömungskanal sich in einer wendeiförmigen Rohrschlange befindet, und dessen zweiter Strömungskanal durch den Zwischenraum zweier koaxialer Rohre gebildet ist,
wobei ein gasförmiges, unter Druck stehendes Kältemittel am warmen Ende in den Wärmetauscher eintritt, von entspanntem Kältemittel im Gegenstrom gekühlt wird, am kalten Ende des Wärmetauschers austritt, mit Hilfe eines temperaturgesteuerten Ventils entspannt und zu einer kalten Kammer mit flüssigem Kältemittel geleitet wird,
ίο mit einem langgestreckten, insbesondere hülsenartigen Träger, der mit seinem einen Ende am kalten Ende
des Wärmetauschers befestigt und an seinem anderen Ende mit einem langgestreckten expansionsfähigen Steuerglied verbunden ist, welches das Ventil betätigt,
wobei das Steuerglied aus einem Werkstoff mit hoher spezifischer Wärmedehnung besteht, sich von dem anderen Ende des Trägers bis in die kalte Kammer erstreckt und beim Erwärmen das Ventil mit Hilfe einer Ventilnadel zu öffnen vermag,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Träger in Richtung zum warmen Ende des Wärmetauschers erstreckt
daß das Steuerglied (22,28) im Bereich der kalten Kammer (10) sowie sein Träger (20) jeweils aus einem Werkstoff bestehen, welcher eine niedrigere spezifische Wärmeleitfähigkeit besitzt als der übrige Teil (2) des Steuer gliedes, welches wärmer ist,
und daß das Steuerglied im Bereich des Trägers außerhalb des Tröpfchenstrahls liegt, welcher von dem Ventil (19) ausgeht
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (20) aus einem Werkstoff besteht, der eine niedrigere spezifische Wärmeausdehnung hat als das Steuerglied (22,28).
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, daß der übrige Teil (22) des Steuergliedes über das kalte Ende des Wärmeaustauschers hinaus in die kalte Kammer (10) reicht
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