DE3401993A1 - Cooling device - Google Patents
Cooling deviceInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung, die eine Druckgasquelle, beispielsweise Argon oder Luft benutzt und aufgrund des Joule Thomson Effektes arbeitet, |um eine niedrige absolute Temperatur zu erzeugen.The invention relates to a cooling device, which is a source of pressurized gas, for example argon or Uses air and works on the basis of the Joule Thomson effect to achieve a low absolute temperature produce.
Der Joule Thomson Effekt ist als Änderung der Temperatur eines Gases definiert, das durch eine Öffnung expandiert wird, beispielsweise eine Öffnung oder einen porösen Stopfen dem Hochdruck zugeführt wird, und indem das Gas auf Niederdruck entspannt wird.The Joule Thomson effect is defined as the change in temperature of a gas that passes through an orifice is expanded, for example an opening or a porous plug is fed to the high pressure, and by the gas is expanded to low pressure.
Bei einer bekannten Kühlvorrichtung ist ein Metallrohr, das als Wärmeaustauscher wirkt, auf einem Formkörper aufgewickelt und mit einem Ende an eine Druckmittelquelle angeschlossen, während eine Öffnung am anderen Ende vorgesehen ist, durch die das Strömungsmittel ausgeblasen wird, um eine Kühlwirkung zu erzeugen. Im Betrieb wird das Strömungsmittel durch die Öffnung so ausgeblasen, daß es senkrecht auf die Oberfläche des Substrats an einer Stelle auftrifft, die jener Stelle gegenüberliegt, an der der zu kühlende Gegenstand angebracht wird, beispielsweise ein Infrarot-Detektor. Nachdem das Strömungsmittel auf das Substrat aufgetroffen ist, wird das ausgeblasene gekühlte Strömungsmittel veranlaßt, über die Wicklungen des Rohres zurückzuströmen, wodurch das unter Druck stehende Strömungsmittel stromauf der Öffnung vorgekühlt wird, wodurch sich eine regenerative Wirkung ergibt, die die Temperatur des ausgeblasenen Strömungsmittels merklich absenkt. Das Arbeitsmittel ist bei den bekannten Kühlvorrichtungen üblicherweise Argon oder Luft und es hatIn a known cooling device is a metal pipe, which acts as a heat exchanger, wound on a molded body and one end to a pressure medium source while an opening is provided at the other end through which the fluid is blown to produce a cooling effect. In operation, the fluid is blown out through the opening so that that it strikes perpendicularly to the surface of the substrate at a point that is that point opposite to which the object to be cooled is attached is, for example, an infrared detector. After the fluid impinges on the substrate, the expelled cooled fluid caused to flow back over the coils of the tube, thereby releasing the pressurized fluid is precooled upstream of the opening, which results in a regenerative effect that the Temperature of the discharged fluid noticeable lowers. In the known cooling devices, the working medium is usually argon or air and it has
sich gezeigt, daß nach einer nur kurzen Arbeitsdauer die Kühl- und regenerativen Wirkunaen der Vorrichtunq zur Folge haben, daß sich das Gas stromauf der Öffnung verflüssigt.it has been shown that after only a short period of work the cooling and regenerative effects of the Vorrichtunq have the consequence that the gas liquefies upstream of the opening.
Bei dem bekannten Stand der Technik sucht man das Substrat so klein als möglich zu gestalten, derart, daß seine kleine Oberfläche die Kühlwirkung begrenzt, und zwar sowohl in Ausdrücken der Abkühlzeit als auch im Hinblick auf die minimale erreichte Dauertemperatur. Da das Strömungsmittel normalerweise auf der Oberfläche des Substrats auftrifft, wird seine Geschwindigkeit beträchtlich vermindert und dies bewirkt, daß die Temperatur in der Nähe des Mittelbereichs des Substrats ansteigt. In the known state of the art, one seeks to make the substrate as small as possible, in such a way that that its small surface area limits the cooling effect, both in terms of cooling time and with regard to the minimum continuous temperature reached. Because the fluid is normally on the surface of the substrate, its velocity is reduced considerably and this causes the temperature increases near the central region of the substrate.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe einer verbesserten Kühlung bei einer Kühlvorrichtung gattungsgemäßer Art dadurch bewirkt, daß sie ein Substrat-Element aufweist,x um einen Gegenstand zu traqen, daß eine kontinuierlich verlaufende Wand dichtend an einer Oberfläche des Substrat-Elementes ansetzt, um eine Wirbelkammer zu schaffen, daß Mittel zur Erzeugung des Joule Thomson Effekts vorgesehen sind, die einen Kanal aufweisen, der wenigstens teilweise innerhalb der kontinuierlichen Wand eingeschlossen ist und an einem Ende mit einer unter Druck stehenden Strömungsmittelquelle verbunden ist und am anderen Ende Öffnungen trägt, die benachbart jedoch im Abstand von der einen Oberfläche des Substrates angeordnet sind, um das Strömungsmittel in die Kammer auszublasen, und daß die öffnungen derart angeordnet und ausgebildet sind, daß das austretende StrömungsmittelAccording to the invention, the object of improved cooling in a cooling device of the generic type is achieved in that it has a substrate element, x to carry an object, that a continuously extending wall attaches sealingly to a surface of the substrate element around a vortex chamber to provide that means for producing the Joule Thomson effect are provided which comprises a channel which is at least partially enclosed within the continuous wall and which is connected at one end to a source of pressurized fluid and at the other end has openings but which are adjacent are arranged at a distance from the one surface of the substrate in order to blow out the fluid into the chamber, and that the openings are arranged and designed in such a way that the escaping fluid
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in der Kammer verwirbelt wird.is swirled in the chamber.
Vorzugsweise sind die Öffnungen gegenüber dem Substrat-Element so orientiert, daß das Strömungsmittel allgemein tangential austritt.The openings are preferably opposite the substrate element oriented so that the fluid exits generally tangentially.
Zweckmäßigerweise sind zwei öffnungen in einem Endbereich des Kanals im Abstand zueinander gegenüber Seitenbereichen des Substrates angeordnet, wobei das Strömungsmittel aus den beiden Öffnungen in entgegengesetzter, allgemein tangentialer Richtung ausgeblasen wird.Expediently, there are two openings in one end area of the channel arranged at a distance from one another opposite side regions of the substrate, wherein the Fluid is blown out of the two openings in opposite, generally tangential directions will.
Zweckmäßigerweise ist eine Hülse dichtend um den Umfang des Substrat-Elementes herum angeordnet.A sleeve is expediently arranged in a sealing manner around the circumference of the substrate element.
In diesem Falle können die Randbereiche des Substrats und der Umfangswand mit einer Metallplattierung versehen werden, um die Wärmeübertragung dazwischen zu verbessern .In this case, the edge areas of the substrate and the peripheral wall is provided with a metal plating to improve the heat transfer between them.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß sie ein Substrat-Element zur Halterung eines Gegenstandes aufweist, daß eine Hülse dichtend an einer Oberfläche des Substrat-Elementes befestigt ist, daß ein Formkörper innerhalb der Hülse angeordnet ist, daß der Kanal sich schraubenlinienförmig zwischen dem Formkörper und der Hülse erstreckt, daß der Kanal mit einem Ende an eine DruckströmunqsmittelquelIe angeschlossen ist und öffnungen aufweist, um das Strömungsmittel im Bereich zwischen dem Substratelement und dem angrenzenden Ende des Formkörpers auszublasen und daß Wirbelerzeuger bewirken,According to a further feature of the invention, the object set is achieved in that it is a substrate element for holding an object has that a sleeve sealingly on a surface of the substrate element is attached that a shaped body is arranged within the sleeve that the channel is helical between the molded body and the sleeve extends that the channel with one end to a DruckströmunqsmittelquelIe is connected and has openings to the fluid in the area between to blow out the substrate element and the adjoining end of the shaped body and cause vortex generators,
daß das aus den öffnungen austretende Strömungsmittel über die Oberfläche des Substrat-Elementes verwi rbelt wird.that the fluid emerging from the openings is entwined over the surface of the substrate element.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeiqen:Embodiments of the invention are shown below described with reference to the drawing. Mark in the drawing:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer bekannten Kühlvorrichtung;1 shows a schematic side view of a known cooling device;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Kühlvorrichtung .Fig. 2 is a schematic side view of one designed according to the invention Cooling device.
Gemäß Figur 1 weist die bekannte Kühlvorrichtung ein mit Rippen versehenes Kapillarrohr 1 auf, das auf einem zylindrischen Träger 2 aufgewickelt ist, wobei das eine Ende des Rohres an eine nicht dargestellte Druckgasquelle angeschlossen ist, während das andere Ende eine einzige öffnung 3 aufweist. Das Rohr 1 und der zylindrische Formkörper 2 sind von einer Hülse 6 umschlossen, die dichtend mit einer Substrat-Scheibe aus thermisch leitfähigem Material verbunden ist, beispielsweise aus Saphir oder Aluminiumoxid. Die Hülse besteht aus einem Metall geringer Leitfähigkeit mit einem Ausdehnunqskoeffizienten, der jenem der Substratscheibe angepaßt ist. Der zu kühlende Gegenstand wird gewöhnlich in der Mitte der äußeren Oberfläche der Substratscheibe 4 untergebracht. Bei dieser Ausführungsform der Kühlvorrichtung trifft der aus der Öffnung According to FIG. 1, the known cooling device has a ribbed capillary tube 1 wound on a cylindrical support 2, wherein one end of the tube is connected to a pressurized gas source, not shown, while the other Has a single opening 3 at the end. The tube 1 and the cylindrical shaped body 2 are surrounded by a sleeve 6 enclosed, which is sealingly connected to a substrate disc made of thermally conductive material, for example made of sapphire or aluminum oxide. The sleeve is made of a metal with low conductivity an expansion coefficient equal to that of the substrate wafer is adapted. The object to be cooled is usually in the center of the outer surface of the Substrate disc 4 housed. In this embodiment of the cooling device, it hits from the opening
austretende Strömungsmittelstrahl normalerweise auf das Zentrum der inneren Oberfläche der Substratscheibe 4. Wie oben erwähnt, wird jedoch die Temperatur des Strömungsmittels in jenem Bereich ansteigen, da die Geschwindigkeit des Strömungsmittels beträchtlich vermindert wird, und zwar je nach Richtung des Aufpralls. Jener Bereich fällt gewöhnlich mit dem Bereich zusammen, wo der zu kühlende Gegenstand befindlich ist.exiting fluid jet normally on the center of the inner surface of the substrate wafer 4. As mentioned above, however, the temperature of the fluid increase in that area, since the Fluid velocity decreased considerably depending on the direction of impact. That area usually coincides with the area where the object to be cooled is located.
Nunmehr wird auf Figur 2 Bezug genommen. Bei dieser Kühlvorrichtung nach der Erfindunq ist wiederum ein mit Rippen versehenes Kapillarrohr 1 auf einem Formkörper 2 aufgewickelt. Das rechte Ende des Rohres (rechts gemäß Fig. 2) weist zwei im Abstand zueinander liegende Öffnungen 3, 3' auf, die im typischen Fall einen Durchmesser von 0,05 mm (0,002 Zoll) aufweisen und die über im Abstand zueinander liegende Seitenbereiche der Substratscheibe 4 zu liegen kommen und so orientiert sind, daß sie das Strömungsmittel in entgegengesetzten tangentialen Richtungen über das Substrat 4 ausblasen, so daß das aus dem Rohr 1 austretende Strömungsmittel über die innere Oberfläche der Substratscheibe 4 um eine Achse in Wirbelbewegung versetzt wird, die mit der Längsachse der Hülse 6 zusammenfällt. Benachbarte Umfanqsrandbereiche der Substratscheibe 4 und der Hülse 3 sind mit einem kontinuierlichen Metallüberzug 7, z.B. aus Silber, versehen, um die Wärmeübertragung zwischen dem Substrat und dem Ende des Rohres 6 zu verbessern. Der von der Metallplattierung gebildete Überzug 7 kann außen angeordnet werden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, er kann aber stattdessen und/oder zusätzlich aufReference is now made to FIG. In this cooling device according to the invention, there is again a capillary tube 1 provided with ribs wound onto a molded body 2. The right end of the pipe (on the right according to FIG. 2) has two openings 3, 3 'which are spaced apart from one another and which in the typical case 0.05 mm (0.002 inches) in diameter and over spaced side panels the substrate wafer 4 come to rest and are oriented so that they the fluid in blow out opposite tangential directions over the substrate 4, so that the exiting from the tube 1 Fluid swirls over the inner surface of the substrate wafer 4 about an axis is offset, which coincides with the longitudinal axis of the sleeve 6. Adjacent peripheral areas of the Substrate wafer 4 and the sleeve 3 are with a continuous Metal coating 7, e.g. made of silver, is provided to prevent heat transfer between the substrate and the end of the tube 6 to improve. The coating 7 formed by the metal plating can be arranged outside as shown in the drawing, but instead and / or in addition to
der Innenseite durch Elektroplattierunq aufgebracht werden .the inside can be applied by electroplating.
Der zu kühlende Gegenstand kann getrennt hergestellt und in der Mitte auf der äußeren Oberfläche der Substratscheibe 4 durch ein geeignetes Klebemittel festgelegt werden. Bei speziellen Anwendungen kann jedoch das Substrat selbst einen Teil des zu kühlenden Gegenstandes bilden.The object to be cooled can be manufactured separately and in the middle on the outer surface of the Substrate wafer 4 are fixed by a suitable adhesive. For special applications however, the substrate itself forms part of the object to be cooled.
Es wird angenommen, daß die Verwirbelung des Strömungsmittels,das aus den Öffnungen 3, 31 austritt, eine verbesserte Kühlung aus den folgenden Gründen bewirkt: Erstens steht das Strömungsmittel mit dem Substrat-Element länger in Berührung im Vergleich mit einer Anordnung, bei der es senkrecht auf das Substrat auftrifft, wodurch sich eine größere Massenströmung über das Substrat !ergibt. Zweitens wird angenommen, daß das Kühlmittel die Eckbereiche zwischen Hülse 6 und Substrat 4 erreichen kann. Dies ist ein Vorteil, da ein beträchtlicher Anteil der Kühlung des Substrates über das Ende der Hülse 6 erfolgt, und demgemäß wird dieser Vorteil durch die Plattierung 7 erreicht. Außerdem wird durch die Bewegung des Strömungsmittels ein Wirbel erzeugt, in dem die niedrigste Temperatur in der Nähe seines Zentrums auftritt und da dies mit der Stelle zusammentrifft, an der der zu kühlende Gegenstand zu liegen kommt, ergibt sich eine verbesserte Kühlung .It is believed that the turbulence of the fluid exiting from the openings 3, 3 1, an improved cooling for the following reasons effects: First, it is the fluid with the substrate element longer in contact in comparison with a configuration in which it strikes the substrate perpendicularly, resulting in a greater mass flow over the substrate! Second, it is assumed that the coolant can reach the corner regions between the sleeve 6 and the substrate 4. This is an advantage since a significant amount of the cooling of the substrate takes place via the end of the sleeve 6, and accordingly this advantage is achieved by the cladding 7. In addition, the movement of the fluid creates a vortex in which the lowest temperature occurs in the vicinity of its center and since this coincides with the point at which the object to be cooled comes to rest, there is improved cooling.
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Claims (5)
Public Limited Company
100, Pall Mall
London, SW1Y 5HR
EnglandBritish Aerospace
Public Limited Company
100, Pall Mall
London, SW1Y 5HR
England
Patentansprüche:Cooling device
Patent claims:
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB8301714 | 1983-01-21 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=10536733
Family Applications (1)
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DE19843401993 Withdrawn DE3401993A1 (en) | 1983-01-21 | 1984-01-20 | Cooling device |
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FR (1) | FR2539858A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3613395C1 (en) * | 1986-04-21 | 1987-06-19 | Bosch Siemens Hausgeraete | Compression refrigerating machine |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112097425A (en) * | 2020-08-05 | 2020-12-18 | 武汉高芯科技有限公司 | Throttling refrigerator and infrared detector |
-
1984
- 1984-01-20 FR FR8400949A patent/FR2539858A1/en active Pending
- 1984-01-20 DE DE19843401993 patent/DE3401993A1/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3613395C1 (en) * | 1986-04-21 | 1987-06-19 | Bosch Siemens Hausgeraete | Compression refrigerating machine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2539858A1 (en) | 1984-07-27 |
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Legal Events
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