DE3544853A1 - Tieftemperaturkuehlvorrichtung - Google Patents

Description

THE HYMATIC ENGINEERING COMPANY LIMITED

Burnt Meadow Road, North Moons Moat, Redditch, Worcestershire B98 9HJ, England

Tieftemperaturkühlvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung nach dem Ober-15 begriff des Anspruchs 1.

Solche Kühleinrichtungen dienen der Kühlung einer Wärmelast, beispielsweise zum Kühlen des aktiven Elementes eines Infrarotdetektors auf tiefe Temperaturen.

Die Erfindung bezieht sich auf solche Kühleinrichtungen, die einen Joule-Thomson-Kühler verwenden. Dabei wird Kühlmittel über Leitungen einer Joule-Thomson-Expansionsdüse zugeführt, wobei die Ab- sowie Zuführung zur Düse in gegenseitigem

25 Wärmeaustausch stehen.

Solche Joule-Thomson-Kühler können auch von einem Druckvorrat, beispielsweise einer Vorratsflasche mit unter Druck stehendem Gas,versorgt werden, beispielsweise mit Stickstoff unter einem 30

COMMERZBANK HAMBURG 22/58226 (BLZ 20040000) S.W.I.F.T.-CODE: COBADE HH POSTGIRO HAMBURG 225058-208 (BLZ200I0020)

Druck von 400 bar, wobei der Kühler in einem offenen Kreislauf betrieben wird, das Gas also nach Durchlaufen des Kühlers in die Atmosphäre abgeblasen wird. Alternativ kann der Kühler von einem Kompressor mit Gas versorgt werden, wobei ein offener oder auch ein geschlossener Kreislauf vorgesehen sein kann. In letzterem Falle ist der Auslaß des Kühlers mit dem Einlaß des Kompressors verbunden.

Die vorliegende Erfindung betrifft solche Kühlvorrichtungen, die von einem Kompressor m gescnlossenem Kreislaut betrieben werden. Der Kühler ist häufig selbstregelnd ausgebildet, weist- also ein Drosselventil auf, das automatisch den Gasdurchfluß in Abhängigkeit von der Wärmebelastung regelt. Dabei ist es jedoch stets notwendig, die Abgabeleistung des Kompressors dem Durchfluß des Kühlers entsprechend zu regeln und sicherzustellen, daß der dem Kühler zugeführte Druck innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches bleibt. Der Kompressorausgang wird normalerweise durch Regelung der Kompressorleistung in Abhängigkeit vom Kompressorausgangsdruck geregelt.

Derartige Regelungen reichen aus für den Betrieb unter gleichbleibenden Umgebungsbedingungen. Wenn aber als thermische Last das aktive Element eines Infrarotdetektors vorgesehen ist, der im Flugbetrieb eingesetzt wird, so kann Betrieb bei Umgebungstemperaturen erforderlich sein, die bis 100° C reichen oder beispielsweise zwischen +70° C und -40° C schwanken. Derartige Temperaturschwankungen ergeben jedoch wesentliche Schwankungen im mittleren Systemdruck, sogar dann, wenn die Durchflußrate im wesentlichen konstant gehalten wird. Die Kühlrate schwankt daher wesentlich. Um auch bei hoher Umgebungstemperatur, also bei geringerer Gasdichte eine ausreichende Kühlrate vorzuhalten, müssen Puffervolumina vor und/oder hinter dem Kühler vorgesehen werden,oder es muß in Kauf genommen werden, daß der Kühler bei niedrigen Umgebungstemperaturen mehr

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Kühlflüssigkeit produziert als erforderlich ist.

Derartige nach dem Stand der Technik gegebenenfalls erforderliche Maßnahmen resultieren in einem hohen Maße an Komplexität, Gewicht und Größe der Kühlvorrichtung, was insbesondere dann nachteilig ist, wenn die Vorrichtung für den Flugeinsatz vorgesehen ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Tieftemperaturkühlvorrichtung der eingangs genannten Art, mit der die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, und bei der Umgebungstemperaturschwankungen wenigstens teilweise automatisch kompensiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Kompressoreinlaßdruck in einem vorbestimmten .Bereich oder im wesentlichen konstant gehalten. Der Auslaßdruck kann daher seinen natürlichen Wert annehmen. Da ein geschlossenes System vorliegt, in dem eine bestimmte Masse an Kühlmittelgas vorliegt, schwankt der Auslaßdruck des Kompressors im wesentlichen mit der Umgebungstemperatur und ist bei höheren Umgebungs temperaturen sehr viel größer als bei niedrigen Umgebungs temperaturen. Der Kühler arbeitet bei niedrigeren Temperaturen mit größerem Wirkungsgrad als bei höheren Temperaturen, da der Joule-Thomson-Koeffizient mit steigender Temperatur kleiner wird, aber mit wachsendem Druck größer. Somit wird der bei steigender Umgebungstemperatur anwachsende Druck an der Auslaßseite des Kompressors zumindest teilweise durch die temperaturabhängige Veränderung des Kühlerwirkungsgrades kompensiert. Es ist daher nicht notwendig, Puffervolumina oder dergleichen am Einlaß oder Auslaß des Kompressors vorzusehen oder die Mündung der Joule-Thomson-üxpansionsdüse

überzudimensionieren, um sicherzustellen, daß der Kühler bei allen Umgebungstemperaturen das erforderliche Minimum an Kühlleistung aufbringt. Es ergeben sich somit erhebliche Verringerungen der Komplexität, des Gewichtes und der Kosten der gesamten Kühlvorrichtung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So sind vorteilhaft Drucksensoren am Kompressoreinlaß vorgesehen und Regeleinrichtungen, um die Kompressorleistung in deren Abhängigkeit zu regeln. Vorzugsweise ist ein Regler für den Kompressor vorgesehen, der dessen Leistung einlaßdruckabhängig regelt.

Der Einlaßdruck am Kompressor kann auf verschiedene Weise konstant gehalten werden, beispielsweise durch Vorsehen einer Verbindung zwischen dem Kompressoreinlaß und -auslaß, die dem Einlaß Gas zuführt, wenn der Einlaßdruck unter einen vorgegebenen Wert sinkt. Dies erfordert jedoch, daß der Kompressor ständig mit maximaler Leistung läuft. Bevorzugt wird daher eine Ausführungsform, bei der die Kompressorleistung in Abhängigkeit vom Einlaßdruck des Kompressors geregelt wird. Damit wird erreicht, daß der Durchsatz des Kompressors dem des Joule-Thomson-Kühlers angepaßt wird und der Energieverbrauch verringert wird.

Obwohl die Kühlvorrichtung ein geschlossenes System aufweist, können vorzugsweise Überdruckventile an der Einlaß- und/oder Auslaßseite des Kompressors vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß der Einlaß- und/oder Auslaßdruck vorgegebene Werte nicht über- bzw. unterschreitet, da es beim Starten des Kompressors vorkommen kann, daß die Regeleinrichtung die Drücke nicht innerhalb der vorgegebenen Betriebswerte halten kann.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kühlvorrichtung schematisch dargestellt.

Die dargestellte Vorrichtung weist einen Kompressor 2 auf, dessen Hochdruckauslaß 4 über eine Leitung 5 mit dem Einlaß 6 eines Joule-Thomson-Kühlers 8 verbunden ist, dessen Auslaß 10 über eine Leitung 11 mit dem Niederdruckeinlaß 12 des Kompressors verbunden ist. Als Kompressor kann jeder geeignete elektrisch betriebene Kompressor verwendet werden. Der Kompressor wird von einem Regler 14 geregelt.

Die Details des Kühlers 8 sind nicht dargestellt. Er weist eine erste Leitung auf zur Verbindung seines Einlasses 6 mit der Joule-Thomson-Expansionsdüse. Diese Leitung besteht aus einem gerippten Rohr, das um einen rohrförmigen Kern gewickelt ist und innerhalb eines Dewar-Behälters angeordnet ist. Eine zweite Leitung wird durch den Raum zwischen der Behälterwand und dem gerippten Rohr ausgebildet und ist an den Auslaß 10 angeschlossen. Durch diesen Raum strömt im Betrieb Kühlmittelgas und kühlt das ankommende Gas. Der Kühler erzeugt verflüssigtes Gas und ist zur Kühlung einer thermischen Last ausgebildet, die in diesem Falle auf der Innenwand des Dewar-Behälters befestigt ist.

Der Kühler ist selbstregulierend ausgebildet, d.h. er weist ein Drosselventil auf, das den Gasfluß in Abhängigkeit von dem im Dewar-Behälter vorhandenen Kühlmittelvolumen regelt bzw. in Abhängigkeit von der Anzahl von Kühlmitteltröpfchen, die von dem Gas mitgerissen werden, das durch die Expansionsdüse strömt. Der Kühler kann gemäß GB-PS 2085139 ausgebildet sein.

Die Niederdruckleitung 11 weist einen Drucksensor 16 in Form eines druckabhängigen Schalters auf, der mit dem

Regler 14 verbunden ist und dessen Kontakte bei 0,8 bzw. 1 bar öffnen bzw. schließen. Ferner ist ein Überdruckventil 18 vorgesehen, das bei 1,1 bar öffnet.

Die Hochdruckleitung 5 weist einen Druckschalter 20 auf, dessen Kontakte bei 210 bzw. 190 bar öffnen bzw. schließen und der an den Regler 14 angeschlossen ist. Ferner ist ein Überdruckventil 22 vorgesehen, welches Gas in die Niederdruckleitung 11 abläßt, wenn der Druck in der Hochdruckleitung 250 bar überschreitet. Die vorgenannten Druck- . werte sind Absolutdruckwerte.

Der Kompressor und die zugehörigen Regler und Ventile sind in einem nicht dargestellten abgeschlossenen Metallgehäuse vorgesehen, mit Ausnahme des in beiden Richtungen arbeitenden Überdruckventiles 18. Der Druck in dem Gehäuse darf 1,1 bar nicht überschreiten und 0,8 bar nicht unterschreiten. Zu diesem Zweck sind entsprechende Ventile gegenüber der umgebenden Atmosphäre vorgesehen.

Die Vorrichtung ist als geschlossenes System ausgebildet. Das Überdruckventil 18 tritt daher nur unter Extrembedingungen in Aktion. Bei Verwendung von Luft als Kühlmedium kann das Überdruckventil 18 in beiden Richtungen wirkend ausgebildet sein. Bei der Verwendung von Argon oder Stickstoff sollte das Ventil 18 nur noch außen abblasend ausgebildet sein.

Die Hochdruckleitung weist ferner ein Rückschlagventil auf, einen Gasreiniger 26 mit austauschbaren Patronen zum Entfernen von Wasserdampf- und ölspuren aus dem komprimittierten Gas sowie ein Magnetventil 28. Die Hochdruck- und Niederdruckleitungen sind an den Kühler über eine kardanische Kupplung 30 angeschlossen. 35

Während des Betriebes liefert der Kompressor unter Druck gesetztes Gas an den Kühler, welches nach Entspannung zum Kompressor zurückkehrt. Die Kompressorleistung wird durch den Drucksensor-Schalter 16 geregelt, so daß der Druck in der Leitung 11 zwischen 0,8 und 1 bar bleibt. Wenn daher der Druck in der Leitung 11 1 bar erreicht, schließen die Kontakte des Schalters 16 und der Kompressor erhöht allmählich seine Leistung, bis der Einlaßdruck 0,8 bar erreicht. Die Schalterkontakte öffnen dann,und der Kompressor verringert seine Leistung allmählich.

Im Dauerbetrieb enthält die Vorrichtung stets dieselbe Menge an Kühlmittel, z.B. Luft, Stickstoff oder Argon, da sie ein geschlossenes System ausbildet. Der Druck auf der Niederdruckseite ist geregelt. Folglich können wesentliche Druckänderungen auf der Hochdruckseite auftreten. Bei einer Umgebungstemperatur von 7O⁰C. kann beispielsweise der Druck in der Leitung 5 200 bar betragen, während er bei -40⁰C auf 100 bar absinkt. Das Ansteigen des Joule-Thomson-Koeffizienten mit steigendem Druck kompensiert dabei im wesentlichen die Verringerung dieses Koeffizienten mit wachsender Temperatur. Die Kühlleistung des Kühlers bleibt dabei im wesentlichen konstant trotz Änderungen der Umgebungstemperatur.

Die Oberdruckventile 18 und 22 sind normalerweise geschlossen und dienen nur zur Behebung vorübergehender Betriebszustände, die beim Starten des Kompressors auftreten können. Der Druckschalter 20 ist vorgesehen zum Abregein des Kompressors, wenn der Druck in der Leitung über 210 bar ansteigt, ist also während des Dauerbetriebes außer Aktion.

Die Regelung des Druckes auf der Einlaßseite des Kompressors durch Veränderung der Kompressorleistung, also der Arbeitsgeschwindigkeit des Kompressors,ist vorzugsweise ausreichend genau, um den Druck auf der Auslaßseite des

Kühlers und somit die Temperatur des verflüssigten Kühlmittels auf einem brauchbaren Wert zu halten. Wenn dies nicht zweckmäßig ist, kann ein Druckregelventil in der Leitung zwischen dem Kühlerauslaß und dem Kompressoreinlaß vorgesehen sein, das beispielsweise den Druck am Kühlerauslaß anhebt, wodurch die Temperatur des flüssigen Kühlmittels angehoben wird.

Claims (7)

1. P Δ T P? XT T Δ ΚΙΛΑ/ Δ ί T⁵ " ^D-²⁰⁰⁰Hamburg70,gehölzweg20

   r Ι\ 1 H IN 1 J\l\ y\:J\L·^ : postfach(p.o. box) 701542

   DIPL. PHYS. K. SCHAEFER telefon:(O₄O)_6562051

   (DIPL. ING. H. SCHAEFER 1978 ) Telegrammadresse: pate ν τι we

   datum/date: 18· Dezember 1985

   PATENTANWALT SCHAEFER. POSTFACH 70 15 42, D-2000 HAMBURG 70 UNSERZEICHEN/OURREF: KSLH/N

   IHR ZEICHEN/YOUR REF:

   35U853 THE HYMATIC ENGINEERING COMPANY LIMITED

   Burnt Meadow Road, North Moons Moat, Redditch, Worcestershire B98 9HJ, England

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   ANSPRÜCHE

   V.J Tieftemperaturkühlvorrichtung mit einem Kompressor, dessen Auslaß mit dem Einlaß eines Joule-Thomson-' Kühlers und dessen Einlaß mit dem Auslaß des Kühlers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (16, 14) vorgesehen sind, die den Druck am Einlaß (12) des Kompressors (2) im wesentlichen in einem vorbestimmten Bereich halten.
2. 2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (16) vorgesehen ist, der den Druck am Einlaß (12) des Kompressors (2) ermittelt und dessen Leistung in Abhängigkeit vom Druck regelt.
3. 3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (2) einen Regler (14) aufweist, der an den Drucksensor (16) angeschlossen und derart ausgebildet ist, daß er bei Überschreiten eines ersten Druckwertes die Kompressorleistung erhöht und bei Unterschreiten eines zweiten Druckwertes die Kompressorleistung erniedrigt.

   COMMERZBANK HAMBURG 22/58226 (BLZ 20040000) S.W.1.F.T.-CODE: COBADE HH · POSTGIRO HAMBl IBf? 9i<av«.9ns tm τ -wviw

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4. 4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (2) und der Drucksensor (16) derart ausgebildet sind, daß im Dauerbetrieb der Druck am Einlaß (12) des Kompressors (2) zwischen 0,5 und 2 bar liegt.
5. 5. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden
   Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dais ein Oberdruckventil (22) vorgesehen ist, das Kühlmittelgas von

   IQ der Auslaßseite des Kompressors (2) zu dessen Einlaßseite abbläst, wenn der Druck auf der Auslaßseite einen vorbestimmten Wert überschreitet.
6. 6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden

   IQ Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (6) des Kühlers (8) mit einer ersten Leitung in
   Verbindung steht, die zur Joule-Thomson-Expansionsdüse führt, von wo eine zweite Leitung, welche in Wärmeaustausch mit der ersten Leitung steht, zum

   Auslaß (10) des Kühlers (8) führt.
7. 7. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden
   Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (8) selbstregelnd ausgebildet ist.