DE4235752A1 - Kryogene Kühlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kryogene Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Kühlvorrichtungen werden auch Joule-Thomson-Küh­ ler genannt und vielfach zur Kühlung elektrischer Bauele­ mente, wie z. B. Infrarotdetektoren verwendet. Sie sind z. B. aus den DE-OS 21 30 008, 22 43 599 und 22 59 807 be­ kannt.

Diese Kühlvorrichtungen weisen zur Regelung der gewünsch­ ten kryogenen Temperatur ein regelbares Ventil auf, dessen Ventilöffnung im Durchflußquerschnitt durch mehr oder we­ niger tiefes Eintauchen einer Ventilnadel veränderbar ist. Im Bereich der Ventilöffnung findet die Entspannung des unter Druck stehenden gasförmigen Kühlmit­ tels statt, was bedeutet, daß auf der einen Seite der Ven­ tilöffnung Hochdruck und auf deren anderen Seite Nieder­ druck herrscht.

Üblicherweise taucht die Ventilnadel von der Niederdruck­ seite her in die Ventilöffnung ein. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Anordnung bei der die Spitze der Ventilna­ del dem unter Druck aus strömenden Kühlmittel entgegenge­ richtet ist bezüglich Temperaturstabilität, Regelverhalten und Stoßunempfindlichkeit den Anforderungen häufig nur un­ genügend gerecht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine eingangs genannte Kühlvorrichtung insbeson­ dere bezüglich der Stabilität des Regelverhaltens, der Temperaturstabilität und der Stoßunempfindlichkeit zu ver­ bessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Anordnung der Ventilnadel auf der Hochdruckseite der Ventilöffnung trägt zu einer verbesserten, druckunabhängi­ geren Regelstabilität bei. Sie ermöglicht weiterhin in einfacher Weise eine mechanisch stabile Halterung bzw. Führung der Ventilnadel, so daß eine hohe Schockunempfind­ lichkeit erreichbar ist.

Anhand der in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestell­ ten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

In den Figuren sind gleiche Teile mit den den gleichen Ziffern versehen.

Der Regelmechanismus des in der Fig. 1 des Ausführungs­ beispiels weist ein Ventil auf, bei dem der effektive Querschnitt der Ventilöffnung 1 durch die konische Spitze 3 einer Ventilnadel 2 verändert werden kann. Das unter Hochdruck bei 4 am warmen Ende des Wärmetauschers 5 einge­ leitete Gas gelangt nach Durchlaufen des Wärmetauschers 5 in einen Hohlraum 6 des rohrförmigen Ventilträgers 7. Der Hohlraum 6 ist mittels eines plattenförmigen Ventilkopfes 8 mit der Ventilöffnung 1 abgeschlossen. Durch Drehen der Ventilnadel 2, die mit einem in das Innengewinde des Ven­ tilträgers 7 passenden Außengewindes versehen ist, läßt sich die Ventilnadel 2 in Axialrichtung bewegen und damit der Querschnitt der Ventilöffnung 1 verändern. Eine Dich­ tung 9 verhindert, daß das unter Hochdruck stehende Gas über das Gewinde der Ventilnadel 2 unerwünscht entweichen kann.

Das Drehen der Ventilnadel 2 kann im einfachsten Fall, z. B. für Laboranwendungen, von Hand erfolgen. Es kann je doch auch zweckmäßig z. B. über einen Stellmotor 17 von ei­ ner Elektronik durchgeführt werden. Zur Bildung einer ge­ schlossenen Regelstrecke können die Eingangsgrößen einer Regelelektronik die Kaltteiltemperatur oder der Gasdurch­ satz durch den Kühler oder eine Kombination aus beiden sein. Ein Temperaturfühler 10 kann dabei sowohl am kalten Ende des Kühlers wie gezeigt, als auch direkt am zu küh­ lenden Bauelement, z. B. einem Infrarot-Detektorelement an­ geordnet sein.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform beruht auf einem ähnlichen Funktionsprinzip wie der in Fig. 1 beschriebene Regelmechanismus mit der Ausnahme, daß die Ventilnadel 2 nicht mittels eines Gewindemechanismus axial bewegt werden kann, sondern mittels eines Gehäuses 11 mit Faltenbalg 12, das eine Flüssigkeit wie z. B. Silikonöl enthält, die z. B. mittels einer Heizwendel 13 erwärmt und ausgedehnt werden kann. An die Anschlüsse 14 der Heizwendel 13 kann dann eine elektrische Stellgröße eines Regelkreises angelegt werden, wodurch dann ebenfalls eine z. B. von dem Meßwert des Temperatursensors 10 abhängige Querschnittsänderung der Ventilöffnung möglich ist. Die Ventilnadel 2 ist in einer Gleitlagerung 17 geführt. Die Abdichtung hochdruck­ seitig erfolgt über den Faltenbalg.

In Fig. 3 ist ein Regelmechanismus gezeigt, der zunächst eine Vorjustierung der Ventilnadel 2 durch eine Gewinde­ halterung wie in Fig. 1 ermöglicht.

Die zur automatischen Regelung erforderliche Bewegung zur Veränderung des Querschnitts der Ventilöffnung 1 wird hier durch ein Material bewirkt, das bei der gewünschten kryo­ genen Temperatur einen Phasenübergang verbunden mit einer Volumenkontraktion aufweist. Ein solches Material kann Cer sein das in einem Temperaturbereich zwischen 105 und 77 Kelvin eine Volumenkontraktion von 10% aufweist. Dieses Material ist als Ring 15 ausgebildet und ist fest zwischen den plattenförmigen Ventilkopf 8 mit der Öffnung 1 und den Ventilträger 7 eingefügt. Bei Regelvorgängen verschiebt sich hier also der Ventilkopf 8 in axialer Richtung wäh­ rend die Ventilnadel bezüglich des Ventilträgers 7 keine Bewegung ausübt. Aus Gründen des Korrosionsschutzes wird der Ring 15 aus Cer mit einer Lotschicht überzogen, die z. B. eine Indiumschicht sein kann.

Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Ventil­ kegel 3 der Ventilnadel 2 auf der Hochdruckseite der Ven­ tilöffnung 1 angeordnet.

Claims (7)

1. Kryogene Kühlvorrichtung, bei der ein unter Druck ste­ hendes gasförmiges Kühlmittel sich beim Verlassen einer Ventilöffnung durch Expansion abkühlt und verflüssigt, mit einem die Ventilöffnung aufweisenden Ventilkopf und einer Ventilnadel, die in Abhängigkeit von der erreichten kryo­ genen Temperatur die Ventilöffnung bezüglich der Durch­ strömmenge mehr oder weniger verringert, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilnadel auf der Hochdruckseite der Ventilöffnung auf die Menge des in die Ventilöffnung ein­ strömenden Kühlmittels einwirkt.

2. Kryogene Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein rohrförmiger Ventilträger vorgesehen ist, an dessen einen Ende der Ventilkopf befestigt ist und in dessen Höhlung axial beweglich und druckdicht die Ven­ tilnadel angeordnet ist.

3. Kryogene Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel in die Höh­ lung eingeschraubt ist und eine Axialbewegung der Ventil­ nadel durch Drehen derselben bewirkt wird.

4. Kryogene Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drehung der Ventilnadel mittels ei­ ner, von dem Grad der kryogenen Temperatur beeinflußten Regeleinrichtung gesteuert wird.

5. Kryogene Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine, mit einer Ausdeh­ nungsflüssigkeit gefüllte und mit einer flexiblen Wandung versehene Dose zur Axialbewegung der Ventilnadel vorgese­ hen ist und daß eine Vorrichtung zur Erwärmung der Ausdeh­ nungsflüssigkeit in Abhängigkeit von der kryogenen Tempe­ ratur vorgesehen ist.

6. Kryogene Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkopf mit der Ven­ tilöffnung unter Zwischenfügung eines Materials mit star­ ker wärmeabhängender Volumenänderung an dem Ventilträger befestigt ist.

7. Kryogene Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Material mit starker Wärmeausdehnung ein Material ist, das im Bereich der gewünschten kryogenen Temperatur einen Phasenübergang verbunden mit einer Volu­ menkontraktion aufweist, insbesondere Cer ist.