DE69002783T2

DE69002783T2 - Joule-Thomson-Kühlvorrichtung.

Info

Publication number: DE69002783T2
Application number: DE90400656T
Authority: DE
Inventors: Serge Reale
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1989-03-15
Filing date: 1990-03-13
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2010-03-14
Also published as: EP0388277B1; IL93708A0; DE69002783D1; FR2645256B1; IL93708A; EP0388277A3; NO172263B; EP0388277A2; NO901131D0; FR2645256A1; US5003783A; NO172263C; NO901131L

Description

Die Erfindung betrifft einen Joule-Thomson-Kühler mit einer Hochdruckarbeitsgasleitung, welche in einer Entspannungsöffnung endet, die in einem Sitz für eine Verschlußvorrichtung ausgebildet ist und in eine Niederdruckablaßleitung mündet, mit einer Verschlußvorrichtung, die den Durchgangsquerschnitt für das entspannte Arbeitsgas am Ende der Abkühlung des Kühlers reduziert, und mit einer Betätigungseinrichtung, um die Verschlußvorrichtung aus einer ersten Stellung, in der die Entspannungsöffnung frei ist, in eine zweite Stellung, in der diese Öffnung mindestens teilweise verdeckt ist, zu bringen, wobei die Betätigungseinrichtung eine Stange, die die Verschlußvorrichtung mit einem Balg in einer Kammer verbindet, welche in dem warmen Teil des Kühlers liegt, und eine Dombetätigungsvorrichtung umfaßt, die ein Hilfsgasvolumen enthält, das in dem kalten Teil des Kühlers unter Wärmeaustausch mit einem Abschnitt der Niederdruckrückleitung des Arbeitsgases angeordnet ist und in Verbindung mit der Kammer steht.
Ein derartiger Kühler mit allmählicher Betätigung ist in der FR-A-2 039 956 beschrieben.
Die EP-A-0 245 164 der diesseitigen Inhaberin beschreibt dagegen einen Kühler mit schlagartiger Betätigung durch eine elektrische Betätigungseinrichtung.
Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Kühler mit schneller Betätigung anzugeben, der besonders zuverlässig und einfach herzustellen ist.
Gemäß der Erfindung weist die Dombetätigungsvorrichtung einen Wärmetauscher auf, der das Volumen enthält, das in der Nähe des Sitzes für die Verschlußvorrichtung angeordnet und mit der Kammer über eine Kapillare verbunden ist, und das Volumen, die Art und der Druck des Hilfsgases sind derart gewählt, daß das Gas bei einer Temperatur, die höher als die Temperatur zu Beginn der Verflüssigung des Arbeitsgases ist, verflüssigt wird und ein schneller Druckabfall in der den Balg umgebenden Kammer unter den in dem Balg herrschenden Druck erhalten werden kann, um ein schlagartiges Verschieben der Verschlußvorrichtung hervorzurufen.
Unter "relativ naher Temperatur" wird, wie nachfolgend erklärt wird, eine Temperatur verstanden, die zu einem Zeitpunkt sehr nahe desjenigen Zeitpunkts erreicht wird, zu dem das Arbeitsgas beginnt, sich zu verflüssigen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Joule-Thomson-Kühlers,
Fig. 2 die Verschlußvorrichtung aus Fig. 1 in größerem Maßstab und
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Verschlußvorrichtung.
Der in der Fig. 1 dargestellte Joule-Thomson-Kühler ist in einen Dewar 1 mit U-förmigem Querschnitt eingesetzt, der eine Außenhülle 2 und einen mittigen Schacht 3 umfaßt, welcher nach oben offen ist und an seiner Unterseite von einem zu kühlenden Element 4 verschlossen ist, das beispielsweise ein scheibenförmiger Infrarotdetektor sein kann.
Der Kühler selbst umfaßt einen Kopf 5, einen rohrförmigen Kern 6, eine Rohrschlange 7 für die Zirkulation von Arbeitsgas und ein Ventil 8 mit zwei Durchlaßöffnungen. Dieser Kühler ist sehr klein, um seine Wärmeträgheit zu verringern, wobei der Innendurchmesser des Schachts 3 ca. 4 bis 5 mm beträgt.
Der Kopf 5 bildet einen zylindrischen Behälter, der sich in Form eines Umfangskragens 9 nach unten fortsetzt, welcher auf der oberen Stirnfläche des Dewars befestigt ist. Der Behälter weist an seiner unteren Stirnseite eine mittige Öffnung 10 auf, von der der Kern 6 ausgeht, welcher an seinem unteren Ende einen Sitz 11 für eine Verschlußvorrichtung trägt.
Die Rohrschlange 7 umfaßt eine Hochdruckarbeitsgasleitung 12, deren stromaufwärtiges Ende den Kopf 5 durchquert und mit einer Hochdruckarbeitsgasquelle 13 verbunden ist und die in herkömmlicher Weise schraubenförmig zwischen dem Kern 6 und dem Schacht 13 gewickelt ist. Diese Rohrschlange 7 endet in der Nähe des unteren Endes des Kerns 6 und läßt zwischen ihren Windungen einen Rücklauf des Arbeitsgases nach dessen Entspannung frei, der über in dem Umfangskragen 9 vorgesehene Schlitze 14 in die Umgebungsatmosphäre mündet. Die Leitung 12 endet in Form eines kurzen Stückes 12', das in den Sitz 11 eingefügt ist und mit einer in dem Sitz 11 ausgebildeten Entspannungsöffnung 15 verbunden ist.
Das Ventil 8 umfaßt eine am unteren Ende einer Betätigungsstange 17 befestigte Verschlußvorrichtung 16 und eine Dombetätigungsvorrichtung 18.
In der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 umfaßt der Sitz 11 eine Querbohrung 110, in der die Entspannungsöffnung 15 mittig mündet und in die das Ende des Leitungsstückes 12' eingesteckt ist. Die Verschlußvorrichtung besteht aus einer konischen Düsennadel 16, die mit einer rohrförmigen Verlängerung 170 der Stange 17 fest verbunden ist. Das Ende der Querbohrung 110 ist mit einer Einschnürung 30 versehen, durch die ein ständiger Leckagestrom f fließt, der sehr viel kleiner (ca. 5 bis 10 mal) als der Nenndurchfluß F der Öffnung 15 ist. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Einschnürung von einer Nadel 31 erzeugt werden, die mit Spiel in ein in die Bohrung 110 eingestecktes Rohrstück 120 eingeführt ist. Wahlweise kann der Leckagestrom, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, durch einen Planschliff 32 des konischen Endstücks der Düsennadel 16 erhalten werden, wodurch ein Leckagedurchlaß j erhalten wird.
Die Stange 17 erstreckt sich durch den ganzen Kern 6 bis in den Kopf 5 nach oben, wo sie an einer horizontalen Platte 19 befestigt ist. Ein Metallbalg 20, z.B. aus rostfreiem Stahl, verbindet den Umfang dieser Platte dicht mit demjenigen der Öffnung 10. Dadurch wird eine den Balg 20 umgebende Ringkammer 21 in dem Kopf 5 gebildet.
Ein von der Kammer 21 ausgehendes Kapillarrohr 22 durchquert abgedichtet die untere Wand dieser Kammer, durchquert radial und abgedichtet eine am oberen Ende des Kerns 6 vorgesehene Öffnung 23, erstreckt sich längs dieses Kerns zwischen diesem und der Stange 17 nach unten und endet in einem einen Wärmetauscher 24 bildenden Volumen, das aus einer kleinen Anzahl von Windungen (drei Windungen im gezeigten Beispiel) besteht, die auf die Innenfläche des Kerns 6 gelötet und dem Sitz 11 benachbart sind. Das untere Ende der Kapillare 22 ist hermetisch verschlossen.
Das Volumen des Wärmetauschers 24 ist sehr viel geringer als das der Kammer 21 und beträgt beispielsweise 2 mm³ für den Wärmetauscher und 50 mm³ bis 150 mm³ für die Kammer 21. Die Kammer 21 und die Kapillare 22 sind mit einem Hilfsgas gefüllt, das folgende Bedingungen erfüllt:
- die Temperatur, bei der seine Verflüssigung beginnt, ist höher als die Temperatur des Beginns der Verflüssigung des Arbeitsgases unter Berücksichtigung der Druckverluste der Niederdruckleitung, und relativ nahe bei dieser Temperatur, und der Tripelpunkt ist relativ nahe bei der gleichen Temperatur;
- die kritische Temperatur ist niedriger als die minimale Umgebungstemperatur, beispielsweise niedriger als - 40ºC, um zu gewährleisten, daß das Hilfsgas im gasförmigen Zustand bleibt, wenn das Gerät nicht gekühlt ist;
- vorzugsweise keinerlei Toxizität, Instabilität oder Reaktion mit Helium (letzteres, um Dichtigkeitstests durchführen zu können, indem ihm einige % Helium beigemischt werden).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Balg 20 bei der Herstellung derart ausgebildet, daß er die Verschlußvorrichtung 16 elastisch in Richtung auf die Verschlußstellung belastet, wobei diese Schließkraft von dem Binnendruck des Hilfsgases auf die wirksame Oberfläche des Balges 20 kompensiert wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann, um Schwierigkeiten aufgrund von Materialfließen beim Altern des Materials des Balges zu vermeiden, die zusätzliche Beanspruchung (in der Größenordnung von 200 Gramm) von einer Feder 200 bereitgestellt werden, die den Balg 20 zwischen der Platte 19 und dem Boden der Kammer 21 umgibt. Mittels der Feder kann andererseits die Schließkraftbelastung verstärkt und somit die Verschlußgeschwindigkeit der Verschlußvorrichtung erhöht werden, und es können unterschiedliche Verschlußcharakteristika erhalten werden, indem der Binnendruck des Domes mit verschiedenen Arten von kondensierbaren Gasen verändert wird und/oder indem der Wärmetauscher 24 mehr oder weniger weit oben im Kern 6 angeordnet wird, oder indem dieser außerhalb des Kerns 6 in der Niederdruckrückleitung des Arbeitsgases in der Rohrschlange 7 angeordnet wird, was ermöglicht, den Wärmeaustausch zwischen der Tieftemperaturarbeitsflüssigkeit und dem den Dom betätigenden Hilfsgas zu verbessern.
Das Arbeitsgas ist vorzugsweise Argon oder Stickstoff, und das Hilfsgas Methan, CO&sub2;, Ethylen oder Krypton.
Der Druck des Arbeitsgases wird derart gewählt, daß die Betätigungseinrichtung 18 - wie nachstehend beschrieben wird - unabhängig von der Umgebungstemperatur und den Druckverlusten der Niederdruckleitung arbeitet, welche 6 bis 8 bar am Ende des Abkühlens erreichen können und zur Ausbildung eines entsprechenden Drucks im Inneren des Balges 20 führen. Der Binnendruck des Arbeitsgases kann je nach Temperatur zu Beginn der Verflüssigung oder Erstarrung des Arbeitsgases beispielsweise in der Größenordnung von 5 bis 30 bar Absolutdruck gewählt werden.
In Ruhestellung komprimiert das Hilfsgas den Balg, was die Stange 17 sich nach unten bewegen läßt, bis ein an ihr angebrachter Anschlag 25 auf der unteren Wand der Kammer 21 aufliegt. Die Verschlußvorrichtung 16 ist dann um einen axialen Abstand in der Größenordnung von 1/10 mm von ihrem Sitz abgehoben. Es kann angenommen werden, daß das Hochdruckgas nach seiner Entspannung frei in den dem Element 4 benachbarten Raum 26 unterhalb des Schachts 3 strömt.
Zum Abkühlen der Vorrichtung wird ein Magnetventil 27 in der Leitung 12 geöffnet. Das Hochdruckgas strömt in die Leitung 12 und wird bei großem Durchfluß beim Durchgang durch die Öffnung 15 entspannt. Das entspannte und folglich abgekühlte Gas steigt zwischen den Windungen der Rohrschlange 7 wieder empor, bis es über die Schlitze 14 in die Umgebungsatmosphäre abgelassen wird, wobei es das Hochdruckarbeitsgas im Gegenstrom kühlt. In dieser Weise fällt die Temperatur des entspannten Gases immer stärker, bis sich Flüssigkeit in der Kammer 26 bildet.
Aufgrund der Druckverluste der Niederdruckleitung beträgt die Temperatur in der Kammer 26 dann ca. 120ºK und wird nach einer Kühlzeit von ca. einer Sekunde erhalten. Sehr kurz vor diesem Zeitpunkt erreicht die Temperatur die Verflüssigungs- oder Verfestigungstemperatur des mit dem Binnendruck beaufschlagten Hilfsgases der Betätigungseinrichtung 18. Das kleine, in dem Wärmetauscher 24 enthaltene Hilfsgasvolumen verflüssigt oder verfestigt sich dann abrupt, was den Druck in der Kammer 21 unter den in der Kammer 26 und damit in dem Balg herrschenden Druck abfallen läßt, wodurch die mechanische Aktion des Balges freigegeben wird: Die Platte 19 schnellt nach oben und ruft das Anlegen der Verschlußvorrichtung 16 an ihren Sitz hervor, die die Öffnung 15 verschließt und nur einen sehr kleinen Leckagestrom beläßt. Der Gasstrom wird somit schlagartig auf einen kleinen Wert verringert, der jedoch ausreicht, die Kühlung der Vorrichtung aufrechtzuerhalten; der Druckverlust der Niederdruckleitung wird gleichfalls verringert, und die Temperatur der in der Kammer 26 enthaltenen Flüssigkeit sinkt bis auf einen Wert nahe dem Siedepunkt des Arbeitsgases unter Atmosphärendruck. Da außerdem der Gasstrom sehr schwach ist, kann die Vorrichtung lange Zeit hindurch kalt gehalten werden.
Es ist anzumerken, daß sich vor der Verflüssigung oder Verfestigung des Hilfsgases nur ein kleiner Teil dieses Gases abkühlt, was den Druck in der im warmen Teil gelegenen Kammer 21 praktisch nicht beeinflußt, so daß die Verschlußvorrichtung 16 bis dahin in voll geöffneter Stellung verbleibt.
Mit der beschriebenen Vorrichtung kann gleichzeitig
- eine sehr kurze Abkühlzeit aufgrund des starken Arbeitsgasstroms erhalten werden, der bis zum Ende des Abkühlens aufrechterhalten wird,
- eine sehr niedrige Endtemperatur aufgrund der maximalen Verminderung des Druckverlustes der Niederdruckleitung nach dem Abkühlen erreicht werden,
- eine extrem schnelle und zuverlässige Reaktion der Betätigungseinrichtung erzielt werden,
- eine sehr lange Funktionsdauer aufgrund des geringen Arbeitsgasstroms erhalten werden, der nach dem Abkühlen aufrechterhalten wird,
- mit verschiedenen Arbeitsgasen, insbesondere Argon und Stickstoff, gearbeitet werden, und zwar durch Wahl der Zustandsänderungseigenschaften des Hilfsgases, und
- andererseits die im warmen Teil gelegene Kammer 21, wie auch die Platte 19, relativ große Abmessungen besitzen, was einen weiten Wahlbereich für die Eigenschaften der Betätigungseinrichtung je nach den verwendeten Gasen ermöglicht.
In der Ausführungsform der Fig. 3 ist der am Ende der Stange 17 ausgebildete Sitz 11 kegelförmig und verbreitert sich nach unten. Das Leitungsstück 12' ist in eine Leitung 121 eingefügt, die durch einen Ansatzstutzen 122 verlängert ist, der die Einschnürung 30 ausbildet und über eine Leitung 150 mit der in der kegelstumpfförmigen Wand des Sitzes mündenden Entspannungsöffnung 15 verbunden ist. Die in der Verlängerung der Stange 17 ausgebildete Verschlußvorrichtung 16 besitzt vorteilhafterweise eine doppelt kegelstumpfartige abgestufte Form mit der gleichen Kegelneigung wie der Sitz 11, wobei der untere Teil in der gezeigten Verschlußstellung eine geringere Dicke aufweist, um ein Umfangsspiel j auszusparen, das einen Leckagestrom parallel zu dem der Einschnürung 30 beläßt und das Risiko der Blockierung der Öffnung 15 begrenzt.

Claims

1. Joule-Thomson-Kühler mit einer Hochdruckarbeitsgasleitung (12), welche in einer Entspannungsöffnung (15) endet, die in einem Sitz für eine Verschlußvorrichtung ausgebildet ist und in eine Niederdruckablaßleitung mündet, mit einer Verschlußvorrichtung (16), die den Durchgangsquerschnitt für das entspannte Arbeitsgas am Ende der Abkühlung des Kühlers reduziert, und mit einer Betätigungseinrichtung (18), um die Verschlußvorrichtung aus einer ersten Stellung, in der die Entspannungsöffnung frei ist, in eine zweite Stellung, in der diese Öffnung mindestens teilweise verdeckt ist, zu bringen, wobei die Betätigungseinrichtung (18) eine Stange (17), die die Verschlußvorrichtung (16) mit einem Balg (20) in einer Kammer (21) verbindet, welche in dem warmen Teil des Kühlers liegt, und eine Dombetätigungsvorrichtung (18) umfaßt, die ein Hilfsgasvolumen enthält, das in dem kalten Teil des Kühlers unter Wärmeaustausch mit einem Abschnitt der Niederdruckrückleitung des Arbeitsgases angeordnet ist und in Verbindung mit der den Balg (20) umgebenden Kammer (21) steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dombetätigungsvorrichtung (18) einen Wärmetauscher (24) aufweist, der das Volumen enthält, das in der Nähe des Sitzes für die Verschlußvorrichtung angeordnet und mit der Kammer (21) über eine Kapillare (22) verbunden ist, und daß das Volumen, die Art und der Druck des Hilfsgases derart gewählt sind, daß das Gas bei einer Temperatur, die höher als die Temperatur zu Beginn der Verflüssigung des Arbeitsgases ist, verflüssigt wird und ein schneller Druckabfall in der den Balg (20) umgebenden Kammer (21) unter den in dem Balg (20) herrschenden Druck erhalten werden kann, um ein schlagartiges Verschieben der Verschlußvorrichtung (16) hervorzurufen.

2. Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (24) aus einem schraubenförmig eingerollten Ende der Kapillare (22) besteht.

3. Kühler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (20) eine elastische Beanspruchung ausübt, die die Verschlußvorrichtung (16) in Richtung auf ihre zweite Stellung belastet.

4. Kühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Beanspruchung des Balges (20) mindestens teilweise durch eine Feder (200) sichergestellt wird, die in der Kammer (21) angeordnet ist.

5. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz der Verschlußvorrichtung (11) und/oder die Verschlußvorrichtung (16) eine Einrichtung (30; 32) aufweist, die den Leckagestrom des Arbeitsgases zuläßt.

6. Kühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die den Leckagestrom zuläßt, aus einer Leitung (120; 122) besteht, die mit einer parallel zu der Entspannungsöffnung (15) geschalteten Einschnürung (30) versehen ist.

7. Kühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die den Leckagestrom zuläßt, aus einer Aussparung (32) der Verschlußvorrichtung (16) besteht.

8. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußvorrichtung eine Düsennadel (16) ist.

9. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußvorrichtung (16) eine doppelt kegelstumpfartige Form aufweist und mit einem kegelstumpfförmigen Sitz (11) für eine Verschlußvorrichtung zusammenwirkt.