DE69633282T2

DE69633282T2 - Tieftemperaturdampfkompressionskreislauf mit gemischten kältemitteln

Info

Publication number: DE69633282T2
Application number: DE69633282T
Authority: DE
Inventors: Ralph Cady Longsworth; Mikhail J. Boiarsky; Ajay Khatri
Original assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2016-06-22
Also published as: EP0835413B1; JP3936396B2; EP0835413A4; WO1997001737A1; EP0835413A1; US5579654A; DE69633282D1; JPH11508678A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen ein Tieftemperatursystem und einen Kryostat, und insbesondere ein Tieftemperatursystem, das in einem Bereich von 70 K bis 120 K arbeitet, wobei es gemischte Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf nutzt, der einen Dampfkompressor, einen Gegenstromwärmetauscher und eine Drosselklappeneinrichtung zum Vorsehen einer Kühlwirkung für einen Niedrigtemperaturverdampfer beinhaltet.
Wenn ein Kühlsystem darauf ausgelegt ist, sehr niedrige Temperaturen im kryogenen Bereich, etwa zwischen 70 K und 120 K, vorzusehen, umfassen die Kühlmittel Tieftemperaturgase, die normalerweise Siedetemperaturen unter 125 K aufweisen, wie etwa Stickstoff, der eine normale Siedetemperatur von 77 K auf einem Normatmosphärendruck aufweist, oder Argon, das eine normale Siedetemperatur von 87 K aufweist, oder Methan, das eine normale Siedetemperatur von 112 K aufweist. Diese Tieftemperaturgase erforderten typischerweise den Gebrauch von Gassystemen mit sehr hohem Druck, die speziell gestaltete Mehrstufenkompressoren bedingen. Derartige Systeme sind teuer in der Herstellung und im Betrieb und erfordern häufige Wartung.
Zum Vorsehen von Tieftemperatursystemen, die weniger kostspielig und wirksamer sind, wurden zahlreiche Mischgaskühlmittel zum Gebrauch im Tieftemperaturbereich vorgestellt. Diese gemischten Kühlmittel kombinieren allgemein bekannte Standardtieftemperaturkühlmittelkomponenten wie Stickstoff, Argon oder Methan und beinhalten außerdem zusätzliche Komponenten wie Ethan, Propan oder Isobutan in verschiedenen Kombinationen. Jede dieser Mischungen stellt eine spezifische Anordnung von Komponenten mit bestimmten Anteilen der verschiedenen Zutaten bereit.
Während durch die Nutzung gemischter Kühlmittel erhebliche Verbesserungen erreicht wurden, bestehen jedoch weiterhin Probleme bei den Mehrkomponenten-Kühlmittelmischungen.
Der Beharrungsbetrieb eines Kryostats beispielsweise versieht das Kühlsystem im allgemeinen mit einer konstanten thermischen Belastung. Sobald die gewünschten Beharrungsbetriebstemperaturen erreicht sind, werden sie beim Betrieb innerhalb der geplanten Leistung des Kompressors beibehalten. Während einer vorübergehenden thermischen Belastungsbedingung des Systems, wie beim Abkühlen von Raumtemperatur auf die gewünschte Beharrungsbetriebstemperatur, war die Abkühlungsschnelligkeit jedoch begrenzt. Manchmal sind zwischenliegende Kühlschritte vorgesehen, um das Abkühlen zu beschleunigen, bevor der Beharrungsbetrieb-Dampfkompressorkreislauf übernimmt. Es bestehen jedoch weiterhin in weitem Umfang Anforderungen an das Kühlvermögen, und ein schnelles Abkühlen erfordert eine Modifikation des Systems zwischen den Abkühlungs- und Beharrungsbetriebsmodi.
Bei Dampfkompressionssystemen mit geschlossenem Kreislauf zur Tieftemperaturkühlung werden niedrigere Eingangsdrücke, d.h. Kompressorausgangsdruck, genutzt, um die Verwendung eines Einstufenkompressors zu gestatten. Derartige Niederdruckkühlanlagen weisen jedoch Probleme auf, die bei früheren Betrieben auf höheren Drücken nicht deutlich wurden. 1 und 2 zeigen zum Beispiel Kühlkreislaufleistungsvermögen unter Verwendung von Kühlmittelmischungen, die zum Betrieb auf Kompressoreingangsdrücken über 5 MPa empfohlen wurden. Die Leistungsvermögen sind in hohem Maße reduziert, wenn dieselbe Kühlmittelmischung in einem System zur Anwendung kommt, das auf 2,5 MPa und darunter am Kompressorausgang arbeitet. Die Mischungen 1, 2 und 3 stellen Mischungen der Grundkomponenten Stickstoff, Methan, Ethan und Propan in verschiedenen Anteilen dar, wie in der britischen Patentschrift Nr. 1338892 an Alfeev et al. (November 1993) offenbart.
Die europäische Patentanmeldung EP 0271989 , veröffentlicht am 22. Juni 1988, offenbart Kühlmittelmischungen, die für Mikrominiaturkühlsysteme geeignet sind und im wesentlichen Stickstoff oder andere, nicht brennbare Gase wie Argon oder Neon, eine brennbare Fraktion und ein brand- oder flammenhemmendes Material wie Bromtrifluormethan umfassen. Mikrominiaturkühlsysteme leiden chronisch unter Ausfällungsproblemen, die sich von Unreinheiten im Arbeitsfluid oder Ausfällung oder anderer Spaltung vom Arbeitsfluid ableiten, die Kanäle verstopfen. EP 0271989 beschreibt ein System, das nicht verstopfend ist und keine brennbare oder explosive Mischung ausbildet. Von dieser und anderen Bezugnahmen des Stands der Technik unerkannt ist das Problem langsamen Abkühlens, das in der vorliegenden Beschreibung behandelt wird, oder die Lösung dieses Problems.
Ein weiteres Problem beim Arbeiten auf Kompressorausgangsdrücken unter 2,5 MPa ist, dass Mischungen des Stands der Technik eine regelbare Drosseleinrichtung zum Erzielen einer Abkühlung von Raumtemperatur auf Beharrungsbetrieb-Tieftemperaturkühltemperaturen in einer Minimalzeit erfordern. Es ist notwendig, die Drosseleinstellung zum Reduzieren des Kühlmittelstroms und Erzielen einer niedrigeren Betriebstemperatur im Beharrungszustand als im Vergleich zur Drosseleinstellung für angemessen schnelle Abkühlung einzustellen.
Daher war es im Stand der Technik, wann immer die praktische Erfahrung die Bedienungspersonen vor dieses Problem stellte, notwendig, eine einstellbare Drosselklappeneinrichtung zu benutzen. Dann ist bei einer Einstellung der Drosselklappeneinrichtung eine Abkühlung bewirkt und bei einer anderen Einstellung der Drossel klappeneinrichtung, die eine größere Kühlmittelstrombegrenzung vorsieht, ein Beharrungsbetrieb bewirkt.
Im allgemeinen wird das Problem ungleicher thermischer Belastung in Veröffentlichungen des Stands der Technik nicht erkannt und nicht behandelt. Viele Kreisläufe, die in solchen Veröffentlichungen auf einer prädiktiven Grundlage beschrieben und dargestellt sind, sind in Wirklichkeit wegen des verlängerten Zeitraums, der zum Kühlen des Kryostats auf die gewünschte Temperatur notwendig ist, bevor der Beharrungsbetrieb beginnt, nicht betriebsfähig oder unpraktisch, wenn eine einstellbare Ausdehnungseinrichtung fehlt.
Drosselklappeneinrichtungen werden im allgemeinen durch Vorsehen eines Durchflusswegs einstellbar im Leistungsvermögen hergestellt, der bezüglich des Durchflusswiderstands veränderbar ist, wobei z.B. der Durchflussbereich verändert ist, wenn eine Öffnung genutzt ist. Zur Bewerkstelligung dieser Veränderbarkeit werden Drosselklappeneinrichtungen aus Materialien mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt, so dass eine relative Bewegung zwischen Elementen besteht, die den Durchflussbereich verändert, wenn die Betriebstemperatur der Drosselklappeneinrichtung abfällt. Damit wird die Drosselklappeneinrichtung kompliziert. Das Erfordernis einer automatischen mechanischen Einrichtung zum Verfolgen, dass eine thermische Belastung zuverlässig und schnell bei den gewünschten Beharrungsbetriebsbedingungen zum Halten kommt, bereitet viele Schwierigkeiten beim Bauen einer automatischen Ausdehnungseinrichtung.
Externe, z.B. manuell einstellbare Einrichtungen können auch genutzt sein. Die Präzisionssteuerung einer Öffnungsgröße ist jedoch schwierig, und Wärmeentweichungsprobleme verschärfen sich, wenn Steuerelemente außerhalb des Kryostats zugänglich gemacht sein müssen. Separate Drosseln, eine zum Abkühlen und eine andere für den Beharrungsbetrieb, wurden auch benutzt.
Gebraucht wird ein Kühlsystem für einen Kryostat, das Kühlmittelmischungen zum Steigern des Leistungsvermögens ausnutzt und sowohl Abkühlungs- als auch Beharrungsbetriebsbelastungen unter Verwendung einer starren Drosselkappeneinrichtung, wie einer Öffnung oder eines Kapillarrohrs, das keine beweglichen Teile aufweist, aufnimmt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kühlsystem für Tieftemperaturen bereitzustellen, das ein schnelles Abkühlen auf Beharrungsbetriebsbedingungen vorsieht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, verbesserte Mischgaskühlmittel bereitzustellen, die einen Kryostat in einem geschlossenen Dampfkompressionskreislauf unter Verwendung einer Ausdehnungseinrichtung ohne bewegliche Elemente betreiben.
Es ist wiederum eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Kühlsystem mit einer starren Durchflussdrossel bereitzustellen, die einen Leistungs- und Kühltemperaturenumfang vorsieht.
Gemäß der Erfindung sind den herkömmlicheren Kühlmittelmischungen mit Grundkomponenten leichtere Gaskomponenten mit niedrigeren Siedepunkttemperaturen zugesetzt. Ausgewählte Anteile der Komponenten mit niedrigerem Siedepunkt reduzieren Dichteänderungen, die in dem Kühlmittel auftreten, das in die Ausdehnungseinrichtung eintritt, wenn der Kreislauf von einer Start-/Abkühlungsbetriebsphase zu einer Beharrungsbetriebsphase überleitet.
Diese leichteren Gaselemente sind den Grundmischungen zugesetzt, die ein Gas am Einlass der Ausdehnungseinrichtung (d.h. einer Drossel) beim Start und eine Flüssigkeit am Drosseleinlass beim Beharrungsbetrieb vorsehen. Es wurde herausgefunden, dass durch Reduzieren dieser Dichteänderungen eine starre Ausdehnungseinrichtung, d.h. eine Öffnung, ein eingestelltes Ventil, ein an einem Ende abgeklemmter Wärmetauscher oder ein Kapillarrohr wirksam in einem Kühlkreislauf zum Vorsehen einer Abkühlung mit angemessener Dauer gefolgt von wirksamem Beharrungsbetrieb auf Tieftemperaturen zur Anwendung kommen kann. Zumindest eines von Neon, Wasserstoff und Helium sind leichtere Kühlmittelgase, die den herkömmlicheren Grundkühlmittelmischungen zum Erzielen der gewünschten Ergebnisse zugesetzt sind.
Ein Zusatz solcher Komponenten mit niedrigerem Siedepunkt wie Neon, Wasserstoff und Helium sind zum Zweck des Reduzierens von Kühlmittelkreislaufbetriebstemperaturen bekannt. Die Nutzung dieser Komponenten als Zusatz zu Grundkühlmittelmischungen zum Zweck des Erzielens schneller Abkühlung auf niedrige, stabilisierte Betriebstemperaturen, während eine starre Drossel sowohl zur Abkühlung als auch zum Beharrungsbetrieb in Gebrauch ist, war vordem nicht bekannt oder in Anwendung. Ohne Zugabe dieser Elemente mit niedrigem Siedepunkt benötigen die Grundmischungen ein regelbares Drosselventil, um eine annehmbare Abkühlungszeit bei Eingangsdrücken unter 2,5 MPa zu erzielen.
Beim Studium des Problems kamen die Erfinder zu dem Schluss, dass die Dichte des Gases, das in die Drosselklappeneinrichtung eintritt, beim Beginn der Abkühlung bei 2, 5 MPa nur etwa die Hälfte der Dichte bei 5 MPa beträgt. Die Dichte der Flüssigkeit, die in die Drosselklappeneinrichtung nach dem Beenden der Abkühlung eintritt, ist bei den zwei Drücken etwa gleich. Infolgedessen ändert sich ein Mengendurchfluss für eine starre Öffnung und konstanten Eingangsdruck zweimal so viel beim Abkühlen bei 2,5 MPa als beim Abkühlen bei 5 MPa.
1 beinhaltet außerdem berechnete Werte der Dichtewerte für vier Mischungen Nr. 1 bis 4, die im britischen Patent des Stands der Technik an Alfeev bei Kompressoreingangsdrücken von 5 MPa und 2 MPa beansprucht sind. Diese Verhältnisse sind als eine Eingangsdruckfunktion in 2 dargestellt, wobei das Dichteverhältnis in einen Bereich von 6 bis 11 für Mischung Nr. 1 bis 4 bei 5 MPa fällt. Die Mischungen Nr. 3 und Nr.4 sind ähnlich, außer dass Mischung Nr. 4 Neon zur Darstellung von etwa 20 Molprozent zugegeben wurde. Eine gute Abkühlungsleistung wurde mit einer starren Drossel (einer Öffnung) bei einem Druck von 5 MPa gefunden.
Bei 2 MPa würden die Mischungen Nr. 1 bis 3 mit Dichteverhältnissen im Bereich von 23 bis 30 jedoch ein äußerst langsames Abkühlen aufweisen, wenn nicht eine Art regelbare Kühlmittelflussdrossel mit Einstellungen benutzt würde, die beim Abkühlen weniger Begrenzung als bei dem Beharrungsbetrieb vorsehen.
Mischung Nr. 4, der 20% Neon zugesetzt wurde, wies gute Abkühlungseigenschaften sowohl bei 2 MPa als auch bei 5 MPa ohne den Gebrauch einer einstellbaren Drossel auf. Bei 2 MPa wurde das Druckdichteverhältnis mit 11 berechnet, was dem Bereich der Dichteverhältnisse für Mischung Nr. 1 bis 3, die bei 5 MPa arbeiten, sehr nahe kommt.
Daher sind niedrigere Betriebstemperaturen erzielt, und eine Erfordernis einer regelbaren Drossel zur Erzielung wirksamer Abkühlung ist durch Einstellen der Grundkomponenten einer Kühlmittelmischung, um das Dichteverhältnis in einen bevorzugten Bereich bei niedrigen Betriebsdrücken zu bringen, beseitigt.
3 stellt die Leistung eines Kühlmittelsystems dar, das eine Kühlmittelmischung auf Stickstoffbasis nutzt und nicht durch Zusatz einer Komponente mit niedrigerer Siedetemperatur wie Helium, Wasserstoff oder Neon modifiziert ist. Verdichtungsausgangsdruck Ph, Verdampfertemperatur T und Kühlmitteldurchfluss (Gramm pro Minute) sind während und kurz nach dem Abkühlen dargestellt. Eine Zeit von 43 Minuten zum Erreichen von 100 K von einer Starttemperatur nahe 300 K mit einem einstellbaren Drosselventil, das starr auf fünf Drehungen geöffnet eingestellt ist, ist nur wenige Minuten länger als eine Minimalzeit, die durch Einstellen des Ventils während des Abkühlens erzielbar ist.
Nach dem Kühlen auf 100 K waren weitere 20 Minuten für das System zum Erreichen des Beharrungszustands erforderlich. Während dieser Zeit baut sich Flüssigkühlmittel auf der Hochdruckseite des Kühlsystems auf. Als nach etwa 68 Minuten eine Wärmebelastung von 100 Watt zugeführt wurde, verdampfte etwas von dem Flüssigkühlmittel auf der Hochdruckseite des Systems, während der Eingangsdruck vom Kompressor zunahm. Der Mengendurchfluss stieg während des Abkühlens von etwa 40 Gramm pro Minute auf 145 Gramm pro Minute an, und der Einlassdruck P1 stieg von 6 psig auf 40 psig.
Die relativ hohe Beharrungsbetriebstemperatur von 100 K war das Ergebnis der Kühlmittelmischung, der eine Leichtgasfraktion mangelte. Während andere Faktoren gleichbleiben, ist es zum Reduzieren der Betriebstemperatur nach dem Abkühlen notwendig, die Größe der Drosselklappenöffnung zu reduzieren. Das Reduzieren der Größe der Öffnung reduziert die Temperatur, reduziert aber auch den Kühlmittelmengendurchfluss, und damit ist der Maximalkühlleistungsgrad, der erzeugt sein kann, reduziert.
Kühlmittelmischungen auf Stickstoffbasis durch Zusetzen von Helium, Wasserstoff und/oder Neon im Bereich von 3 % bis 25 der neuen Mischung verbessert. Kühlmittelmischungen auf Argonbasis sind durch Zusetzen von Helium, Wasserstoff, Stickstoff und Neon im Bereich von 3 % bis 25 % der neuen Mischung verbessert. Alle Prozentwerte, die beim Beschreiben der vorliegenden Erfindung angeführt werden, stellen hierin molare Fraktionen dar.
Der Kompressor in diesem System weist einen volumetrischen Wirkungsgrad von über 0,4 auf, wenn er bei einem Druckverhältnis in einem Bereich von 5 bis 6 arbeitet. Die Beibehaltung des Kompressoreinlassdrucks über 0,1 MPa (1 Atm) und unter 0,4 MPa (4 Atm) ist für die Systemleistung über den Vermögensbereich vom Abkühlungsbetrieb bis zum Beharrungsbetrieb angemessen, wenn eine starre Drossel in dem Kreislauf zur Anwendung kommt. Im allgemeinen ist ein Kühlmitteldichteverhältnis von 7 bis 17 vom Kompressorauslass zum Drosseleinlass beim Betrieb mit 290 K Umgebungstemperatur und Halten einer Kältetemperatur von 70 K bis 120 K wünschenswert. In diesem Dichtebereich ist ein wirksames Abkühlen ohne den Einsatz einer regelbaren Drossel erzielt.
Ein guter, regenerativer Gegenstromwärmetausch zwischen Kühlmittel, das zu einer Drossel fließt, und demselben Kühlmittel, das aus dem Verdampfer eines geschlossenen Kreislaufs austritt, ist wesentlich für eine gute Kreislaufleistungsfähigkeit.
Die Erfindung umfasst dementsprechend die Merkmale von Aufbau, Kombinationen von Elementen und Anordnung von Teilen, die in den Aufbauten, die im folgenden angeführt sind, veranschaulicht werden, und der Anwendungsbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zu einem vollständigeren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen:
1 eine tabellarische Aufstellung von Vergleichsdaten für Kühlkreisläufe bei verschiedenen Hochdruckseiten;
2 eine graphische Darstellung des Dichteverhältnisses gegen den Eingangsdruck (Hochdruckseite) auf Grundlage der Daten von 1;
3 Abkühlungstestergebnisse für eine Kühlmittelmischung auf Stickstoffbasis ohne Helium;
4 eine schematische Darstellung eines Einstufen-Tieftemperaturkühlsystems gemäß der Erfindung;
5 ein Temperaturenthalpiediagramm des Kühlkreislaufs gemäß der Erfindung;
6 eine graphische Darstellung der Verdampfertemperaturen gegen die Wärmebelastung für Mischungen auf Stickstoffbasis;
7 eine graphische Darstellung, die 3 ähnelt, wobei einer Kühlmittelmischung Helium zugesetzt ist;
8 eine graphische Darstellung, die 7 ähnelt, mit zusätzlichem Helium in der Kühlmittelmischung;
9 eine tabellarische Aufstellung des Dichteverhältnisses für Kühlmittelmischungen, die Helium enthalten, gemäß der Erfindung;
10 eine graphische Darstellung des Dichteverhältnisses gegen den Heliumanteil für die Daten von 9;
11 eine tabellarische Aufstellung der Dichteverhältnisse für eine Mischung auf Argonbasis, die Helium enthält;
12 eine graphische Darstellung des Dichteverhältnisses gegen den Heliumanteil für die Daten von 11;
13 eine graphische Darstellung des Dichteverhältnisses und Flüssigkeitsgehalts gegen die Umgebungstemperatur für die Daten von 11;
14 eine tabellarische Aufstellung von Kandidatenkomponenten zum Gebrauch in Kühlmischungen in Systemen gemäß der Erfindung;
15 eine tabellarische Aufstellung von Abkühlungszeiten für Kühlmittelmischungen auf Argonbasis;
16 eine graphische Darstellung der Temperatur gegen die Wärmebelastung der Kühlmittelmischungen von 15; und
17 eine graphische Darstellung der Kompressorleistungszuführung gegen Kompressoreinlass- und – Auslassdrücke.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf 4 und 5 ist eine Kältemaschine 10 gemäß der Erfindung dargestellt, die eine verbesserte Kühlmittelmischung nutzt. Die Kältemaschine 10 nutzt einen typischen Kompressor 12, der an seinem Eingangsdruck- oder Hochdruckende 14 an einen Nachkühler 16 angeschlossen ist, dessen Auslas an einen Ölabscheider 18 angeschlossen ist. Öl von dem Ölabscheider 18 fließt durch ein Drosselventil 20 zur Niederdruckseite 22 des Kompressors 12.
Der Auslas 24 des Nachkühlers 16 ist außerdem an die Hochdruckeinlassseite eines regenerativen Wärmetauschers 26 angeschlossen. Der Auslas des regenerativen Wärmetauschers 26 ist an den Einlas einer Ausdehnungseinrichtung 28 angeschlossen, z.B. einer starren Öffnung, eines Ventils mit einer feststehenden Einstellung, eines abgeklemmten Rohrs des Wärmetauschers oder eines Kapillarrohrs. Ein Verdampfer 30 ist zwischen dem Auslas der Ausdehnungseinrichtung 28 und der Niederdruckseite des regenerativen Wärmetauschers 26 angeschlossen. Das Niederdruckeingangsende 32 des regenerativen Wärmetauschers 26 ist zur Vervollständigung des Kreislaufs an den Niederdruckeinlass 22 des Kompressors 12 angeschlossen.
Der Ölabscheider 18 ist dem Kompressor 12 nachgeschaltet zum Beseitigen von Öl, das vom Kompressor als Schmiermittel gepumpt wird, aus dem Kühlmittelstrom gebraucht, der schließlich durch den Verdampfer 30 läuft. Übermäßige Ölmengen im Verdampfer 30 beeinträchtigen die Wärmeübertragung im Verdampfer und würden die Leistung des Kreislaufs herabsetzen.
Im Betrieb empfängt der Kompressor 12 vom Verdampfer 30 ein Kühlmittel von Mischgasen und mitgeschlepptes Öl an seinem Niederdruckeinlass 22 und lässt komprimiertes Gas und mitgeschlepptes Öl an seinem Hochdruckauslass 14 ab. Das komprimierte Gas wird an den Einlass des Nachkühlers 16 geleitet, der luft- (umgebungsluft-) oder wassergekühlt sein kann und dem Entzug von Wärme, einschließlich der Kompressionswärme, aus der komprimierten Gasmischung dient.
Die Abgabe aus dem Nachkühler 16 läuft Leitung 24 entlang zum Ölabscheider 18, der ein einfacher Gas-Flüssig-Filter sein kann. Der Ölabscheider 18 empfängt die komprimierte Gasmischung und das mitgeschleppte Öl und funktioniert zum Abscheiden des Öls von dem Gas. Derartige Abscheider sind in der Technik bekannt und werden daher hierin nicht detailliert beschrieben. Öl wird als Flüssigkeit vom Niederdruckende 32 des Ölabscheiders 18 über die Drosselklappe 20 an den Niederdruck- oder Saugeinlass 22 des Kompressors 12 geleitet. Das komprimierte Kühlmittelgas, das in den Ölabscheider eintritt, verlässt den Ölabscheider an der Hochdruckseite 34 und fließt zum Hochdruckeinlass des regenerativen Wärmetauschers 26, wo es durch einen Kühlmittelgegenstrom weiter gekühlt wird, wie im folgenden erläutert.
Die Kühlmittelmischung, die die Hochdruckseite des regenerativen Wärmetauschers 26 verlässt, tritt in die Ausdehnungseinrichtung 28 als Flüssigkeit, Gas oder Zweiphasenmischung ein und dehnt sich zu einem niedrigeren Druck aus, während sie durch eine Begrenzung der Ausdehnungseinrichtung 28 fließt. Während das Kühlmittel durch die Ausdehnungseinrichtung 28 fließt, fällt seine Temperatur und es tritt auf einer niedrigen Temperatur in den Verdampfer 30 ein, die ausreichend niedrig ist, um eine Belastung (nicht gezeigt) zu kühlen, die auf dem Verdampfer 30 lastet. Wie in der Tieftemperaturtechnik bekannt, ist die Belastung häufig in einem vakuumisolierten Kryostat eingeschlossen.
Die Kühlmittelmischung, die den Verdampfer 30 verlässt, ist eine Zweiphasenmischung aus Flüssigkeit und Gas. Diese Abgabe aus dem Verdampfer 30 fließt durch die Niederdruckseite des regenerativen Wärmetauschers 26 in Gegenstromwärmetauschbeziehung mit dem Gasstrom aus dem Nachkühler 16 zur Ausdehnungseinrichtung 28, wie beschrieben. Somit wird die Niederdruck-Zweiphasen-Gas/-flüssigkeits mischung erhitzt, bis die gesamte Flüssigkeit verdampft ist. Dann wird sie bei ihrem Rücklauf zum Einlass 22 des Kompressors 12 überhitzt, während gleichzeitig der Strom von Gas-, Flüssigkeit- oder Zweiphasenkühlmittel zur Ausdehnungseinrichtung 28 weiter gekühlt wird.
5 ist ein Temperatur-Enthalpie-Diagramm des Kühlkreislaufs, das eine Aggregation der Eigenschaften einer Kühlmittelmischung wie Mischung Nr. 3 von 1 darstellt. Dabei variieren, wo innerhalb der Glocke 36 des Kühlmittelkennzeichens für ein (reines) Einkomponentenkühlmittel konstanter Druck eine konstante Temperatur repräsentieren würde, Temperaturen für die Kühlmittelmischung entlang einer Linie, die konstanten Druck darstellt.
Die Bezugszeichen 1 bis 8 sind in 4 und 5 zum Anzeigen der thermodynamischen Bedingungen an verschiedenen Punkten in der physikalischen Vorrichtung gebraucht, die in 4 dargestellt ist. In beiden Figuren tritt die kälteste Kühlmitteltemperatur Tc (3, 4) im Verdampfer 30 auf; die höchste Temperatur 7 tritt am Auslass 14 vom Kompressor 12 auf und die Umgebungstemperatur Ta ist in beiden Figuren gezeigt. Da die höchste Temperatur 7 die Umgebungstemperatur übersteigt, ist somit die Möglichkeit des Gebrauchs von Umgebungsluft oder -wasser als Kühlmittel für den Nachkühler 16 beim Gestalten eines Systems gegeben.
Ein Kompressor, der für solche Anwendungen geeignet ist, ist in US-Patentschrift Nr. 5,337,572 zu finden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Anmeldung nicht auf den Kompressor oder die Kompressorart beschränkt ist, die in der Patentschrift beschrieben sind. Die vorliegende Erfindung ist auf andere Kompressorsysteme anwendbar, die imstande sind, Gasmischungen der beschriebenen Arten von etwa 0,1 MPa bis 0,4 MPa auf der Niederdruckseite des Kompressors 12 auf 1,5 MPa bis 2,5 MPa auf der Hochdruckseite des Kompressors 12 zu komprimieren.
Im Stand der Technik muss ein Gestalter, der ein System auf 1,5 MPa bis 2,5 MPa betreibt und die Nutzung einer starren Drossel in einem System mit einer Grundkühlmittelmischung wünscht, (a) entweder eine ausreichend große Drossel zum angemessen schnellen Abkühlen mit einem/er daraus folgenden relativ hohem Druck/hoher Tieftemperatur im Verdampfer 30 nach dem Abkühlen oder (b) eine reduzierte Größe der Öffnung mit einem entsprechend langsamen Abkühlen, aber einem/er angemessen niedrigen Druck/niedriger Tieftemperatur des Verdampfers 30 nach dem Abkühlen wählen.
Gemäß der Erfindung ist der Nachteil, der mit einer starren Öffnung übernommen ist, d.h. einem Kompromiss bei der Größe der Öffnung, durch Kühlgasmischungen im wesentlichen bewältigt, die bestimmte Kennzeichen aufweisen. Die Nutzung dieser neuartigen Gasmischungen mit einer ausgewählten starren Drossel kann eine Abkühlungszeit vorsehen, die nahezu so schnell wie die schnellste Abkühlungszeit ist, die mit einer regelbaren Drossel erzielbar ist. Minimaltemperaturen im Verdampfer und Maximalleistung gleichen denen, die mit der Grundkühlmittelmischung erhalten werden.
Gemäß der Erfindung ist die Dichteänderung des Kühlmittels am Einlass zur Drossel beim Abkühlen auf einem Wert von unter etwa 17 gehalten. Dann liegt die Abkühlzeit mit einer starren Öffnung innerhalb des 1,5-fachen der Minimalabkühlzeit, die in einem gegebenen System möglich ist. Die Dichteänderung am Drosselventil beim Abkühlen ist durch Zugabe von Helium, Wasserstoff und/oder Neon zu einer Grundkühlmittelmischung reduziert. Eine Grundmischung ist eine Mischung, die 100 % Flüssigkeit am Drosseleinlass während des Beharrungsbetriebs vorsieht.
Diese Dichteänderung, hierin als „Dichteverhältnis" bezeichnet, ist das Verhältnis der Dichte des flüssigen Kühlmittels nach dem Abkühlen am Einlass zu der starren Drossel zur Dichte des gasförmigen Kühlmittels, das in die Hochdrucksseite des Wärmetauschers eindringt. Anders gesagt weicht die Dichte des Kühlmittels am Einlass zu der starren Drossel von der Dichte des Kühlgases beim Starten des Systems zur Dichte der Flüssigkeit ab, die am Einlass der Drossel nach dem Abkühlen vorhanden ist.
Bei einem Dichteverhältnis von unter etwa 17 ändert sich der Mengendurchfluss beim Abkühlen nicht so sehr, und der Druck nach dem Abkühlen ist im Verdampfer 30 im Vergleich zu Systemen, die Kühlmittel ohne Zugabe der Elemente mit niedrigerem Siedepunkt Helium, Wasserstoff und/oder Neon nutzen, niedriger. Die Zugabe von lediglich 3 % Helium, Wasserstoff und/oder Neon zur Mischung sieht einen niedrigeren Rücklaufdruck und eine niedrigere Temperatur im Verdampfer nach dem Abkühlen vor.
6 stellt die Verdampfertemperaturen, die durch einen gegebenen Kühlkreislauf gehalten sind, gegen die Wärmebelastung unter Beharrungszustandbedingungen dar. Die durchgezogenen Linien geben eine Leistung für eine Mischung auf Stickstoffbasis an, der Helium zugesetzt wurde, um das Dichteverhältnis in den gewünschten Bereich zu bringen. Die Zugabe von 6 % Helium ergibt eine im allgemeinen höhere Kühlleistung als eine 14 %-ige Heliummischung, wenn auch zu Lasten von höheren Verdampfertemperaturen.
Die Daten in der gestrichelten Linie geben die Grundkühlmittelmischung ohne Zusatz von Helium an. Eine Flattertemperatur gegen Belastungskennzeichen ist erzielt, die in bestimmten Anwendungen von Wert sein kann. Die obere gestrichelte Kurve repräsentiert eine größere Drosselöffnung; das System arbeitet auf höheren Verdampfertemperaturen als das System der unteren gestrichelten Kurve mit einer engeren Öffnung. Der Aufbau mit der höheren Temperatur und der größeren Öffnung ist jedoch zu größerer Kühlleistung imstande.
7 bzw. 8 sehen Abkühlungstestdaten, die den durchgezogenen Linien entsprechen, mit Helium von 6 vor. Mit 6 % Helium (7) ist die Abkühlung etwas geringer als die Abkühlzeit in 3, bei der kein Helium zugesetzt wurde. Es ist mit einbezogen, dass die Abkühlungszeit im wesentlichen gleich gewesen wäre, wenn die mechanischen Aufbauten für beide Test identisch gewesen wären. Tatsächlich war bei dem Test, der in 3 gezeigt ist, die kalte Masse des Verdampfers etwas geringer als in dem Test von 7.
8 stellt dar, dass der Zusatz von mehr Helium, 14 %, die Abkühlzeit verlängerte. Dies geschah, weil durch die Zugabe von Helium eine Kühlwirkung reduziert ist, jedoch, wie in 6 dargestellt, eine niedrigere Verdampfertemperatur erzeugt ist. 7 und 8 stellen außerdem dar, dass der Kühlmitteldurchfluss und die Kompressorrücklaufdrücke nicht so sehr ansteigen, wenn der Mischung Helium zugesetzt ist, wie bei der Grundmischung von 3 ohne Helium. Die Zeit, die zum Erreichen der Minimaltemperatur nach dem anfänglichen Abkühlen erforderlich ist, ist durch Zusetzen von Helium von etwa 20 Minuten für den Test in 3 auf etwa 50 Minuten für den test in 7 und 8 verlängert.
6 beweist also, dass es möglich ist, dieselbe Kühlung über denselben Temperaturbereich mit 6 % Helium und einer starren Ventileinstellung wie ohne Helium in einer Grundkühlmittelmischung in einem System mit einem regelbaren Ventil zu erhalten. Die Option, mehr Helium zuzusetzen, erbringt niedrigere Temperaturen mit einer Zunahme der Abkühlzeit und eine geringe Reduzierung des Maximalkühlvermögens.
Mit diesem deutlichen Leistungskennzeichen, das in einem starren geschlossenen Kreislaufsystem verfügbar ist, kann an dem Kühlsystem durch Vorsehen eines kleinen Heizgeräts 38 (4) in der Nähe des Verdampfers 30 in einem Kryostat und benachbart der Belastung (nicht gezeigt), die gekühlt wird, eine weitere Verbesserung vorgenommen sein. Dem Heizgerät 38 ist ein elektrischer Strom zugeführt, der in Reaktion auf die Belastungstemperatur, wie durch einen Detektor 40, der in dem Kryostat angeordnet ist, bestimmt, variiert, so dass seine temperaturreaktionsfähigen Signale die Temperatur der Verdampferbelastung repräsentieren. Daher wird unter Benutzung einer Temperatursteuerung 42, die auf die Detektorsignale reagiert, der Strom des Heizgeräts 38 automatisch variiert, um eine konstantere und präzisere Belastungstemperatur beizubehalten.
Auf diese Weise sehen die verbesserte Kühlmittelmischung und das elektrische Heizgerät 38 zusammen ohne Erfordernis einer regelbaren Ausdehnungsvorrichtung trotz jeglicher Belastungsveränderungen des Kühlkreislaufs oder jeglicher Tendenz des Kühlkreislaufs, einen exakten Betriebspunkts zu suchen, eine sehr stabile Belastungstemperatur vor. Auf diese Weise ersetzt eine rein elektrisches Temperatursteuersystem eine mechanische Steuerung der Drossel, ob sie nun manuell betätigt ist oder automatisch.
9 sieht Testergebnisse für Grundmischung Nr. 5 bis 10 vor, denen Helium in verschiedenen Molprozentanteilen zugesetzt ist. Aus der Tabelle und aus 10, in der die Daten aufgetragen sind, ist ersichtlich, dass der Zusatz von lediglich 1 1/2 % Helium eine bemerkenswerte Wirkung auf das Dichteverhältnis aufweist. 3 % Helium erzeugen jedoch eine größere Wirkung beim Reduzieren des Dichteverhältnisses; bei 20 % Helium flacht das Kennzeichen in den meisten Fällen im wesentlichen ab.
Eine Heliumkonzentration von etwa 3 % reduziert das Dichteverhältnis unter 17 für alle Grundmischungen bei 2 MPa und 290 K Umgebungstemperatur. Während eine Erhöhung der Heliumkonzentration über etwa 15 % das Dichteverhältnis in den meisten Fällen weiterhin leicht reduziert, erstreckt sich die Abkühlzeit über das 1,5-fache der möglichen Minimalabkühlungszeit hinaus, die mit einem einstellbaren Ventil ohne Helium erzielt wird. Die Abkühlzeit mit einer starren Drossel und Helium in einer Mischung bleibt innerhalb dem 1 ½-fachen der Minimalabkühlzeit für dieselbe Heliummischung, wenn ein einstellbares Ventil zur Anwendung kommt. Es besteht daher ein geringer Leistungsabzug im Austausch gegen eine wesentlich vereinfachte Kühlmittelstromsteuerungsvorrichtung.
Kurz gefasst können Konzentrationen von Helium bis zu etwa 25 % auf Kosten des Kühlvermögens beim Erzeugen von niedrigeren Temperaturen vorteilhaft sein. Die Grundmischungen, die in 9 vor dem Zusatz von He, N2 und/oder Ne aufgeführt sind, sind alle zu 100 % in gasförmigen Zustand bei 290 K und zu 100 % flüssig am Einlass zu der Drosseleinrichtung nach dem Abkühlen, wenn das System im Beharrungsbetrieb arbeitet.
Da die Konzentration von C₄H₁₀ oder C₅H₁₂ erhöht ist, ist es möglich, etwas Flüssigkeit in das warme Ende des Wärmetauschers eintreten zu lassen. Dies erfordert eine Modifikation des Kompressors. Der Ölabscheider 18 muss zwischen dem Kompressor 12 und dem Nachkühler 16 angeordnet sein. 11 gibt die Zusammensetzung einer Mischung Nr. 11 an, die eine hohe Leistungsfähigkeit zur Erzeugung von Kühlung auf etwa 120 K aufweist. Diese Mischung weist ausreichend C₄H₁₀ auf, um eine flüssige Fraktion auf 290 K und bei 2 MPa auszubilden. 12 zeigt die Beziehungen für das Dichteverhältnis und die flüssige Fraktion am warmen Hochdruckeinlassende des Wärmetauschers 26 als Funktion der Heliumkonzentration. Etwas Flüssigkeit in das warme Ende des Wärmetauschers eintreten zu lassen reduziert als solches das Dichteverhältnis oder die Abkühlungszeit nicht erheblich. Über 3 % Helium ist erforderlich, um das Dichteverhältnis auf unter 17 zu reduzieren, auch wenn 7 (Mol-) % Flüssigkeit am Einlass ist.
13 ist eine graphische Darstellung, die die Änderung des Dichteverhältnisses und der flüssigen Fraktion, die in das warme Ende des Wärmetauschers eindringt, für Mischung Nr. 11 als Funktion der Umgebungstemperatur darstellt. Der Nachkühler 16 und Hochdruckleitungen wurden mit Umgebungsluftumwälzung gekühlt. Sogar mit Mischung Nr. 11, die eine große Fraktion von Flüssigkeit, welche in den Wärmetauscher 26 eindringt, und eine minimale Heliummenge aufweist, bleibt das Dichteverhältnis in einem Bereich, der ein schnelles Abkühlen für Umgebungstemperaturen ergibt, die gut über und gut unter einer normalen Umgebungstemperatur von etwa 290 K liegen.
Die Mischungen gemäß der Erfindung sind alle jene, die normale Siedetemperaturen über 77 K aufweisen, Tripelpunkttemperaturen unter 125 K aufweisen und Kühlung in einem Temperaturbereich von 77 K bis 120 K mit einem Rücklaufdruck zum Kompressor in einem Bereich von 0,1 MPa bis 0,4 MPa und einem Ausgangsdruck am Kompressorauslass in einem Bereich von 1,5 MPa bis 2,5 MPa erzeugen, wobei der Nachkühler 16 nahe der Raumtemperatur arbeitet. Diese Mischungen bilden im Verlauf des Betriebskreislaufs keine Feststoff-Phase. Für die Kühlmittelmischungen sind Komponenten ausgewählt, die bei 120 K oder wärmer nicht ausfrieren.
Aufgrund von Testergebnissen war es möglich, die Mischungskomponenten auf Grundlage ihrer normalen Siedetemperaturen in drei Gruppen aufzuteilen.

a) 20 % bis 75 % Gase, deren normale Siedetemperatur zwischen 77 K und 120 K liegt und die eine Tripelpunkttemperatur unter 125 K aufweisen, separat oder kombiniert,
b) 10 % bis 60 % Gase, deren normale Siedetemperatur zwischen 120 K und 200 K liegt und die eine Tripelpunkttemperatur unter 125 K aufweisen, separat oder kombiniert,
c) 0 % bis 55 % Gase, deren normale Siedetemperatur über 200 K liegt und die eine Tripelpunkttemperatur unter 125 K aufweisen, separat oder kombiniert.

Diesen Grundmischungen sind 3 % bis 25 % Gase zugesetzt, die über 77 K überkritisch sind, nämlich Helium, Wasserstoff und/oder Neon.
Spezifischer ausgedrückt können Stickstoff, Kohlenmonoxid, Argon, Sauerstoff, Methan und Krypton separat oder in Kombination in einem Bereich von 20 % bis 75 % für jede Komponente zusammen mit 3 % bis 25 % der Gase Helium, Wasserstoff und Neon genutzt sein.
CF₄, C2H4, C2H6, CClF₃ und CHF₃ können separat oder kombiniert im Bereich von 10 % bis 60 % jeder Komponente mit 3 % bis 25 % Helium, Wasserstoff und/oder Neon zum Erreichen der Ziele der vorliegenden Erfindung genutzt sein.
14 sieht eine Teilliste von Gasen mit normalen Siedetemperaturen über 77 K und Tripelpunkttemperaturen unter 125 K vor, die in einer Grundkühlmittelmischung enthalten sein können, der Helium, Wasserstoff und/oder Neon gemäß der Erfindung zugesetzt sein können.
15 sieht Daten für Mischung 12 und 13 auf Argonbasis in einem starren System vor, denen Helium gemäß der Er findung zugesetzt ist, und 16 stellt eine Leistung dieser Mischungen dar.
Bezüglich der starren Drossel 28 ist ein Kapillarrohr bevorzugt, da es auf eine Verstopfung durch Schmutzstoffe im Kühlmittel am wenigsten anfällig ist. Es können jedoch eine starre Öffnung, ein einstellbares Ventil mit einer festgelegten Einstellung oder ein Hochdruckwärmetauscherrohr, das so ausgebildet ist, dass es eine Beschränkung in der Nähe des kalten Endes aufweist (nicht gezeigt), beim Implementieren der Konzepte der vorliegenden Erfindung wirksam sein.
Ein vom Kosten- und Zuverlässigkeitsstandpunkt her bevorzugter Kompressor ist ein einstufiger Kompressor mit Ölschmierung wie in der oben genannten US-Patentschrift Nr. 5,337,572. 17 ist ein Diagramm einer berechneten, isentropischen Leistungsaufnahme für diesen Kompressor als Funktion von Rücklauf- und Ausgangsdrücken. Die tatsächliche Leistungsaufnahme ist etwa 2,3 Mal größer als in 17 angegeben. In 17 ist eine Linie überlagert, die zeigt, wie sich die Leistung während und nach dem Abkühlen ändert. Im allgemeinen ist die Abkühlzeit minimiert, wenn die Leistungsaufnahme in der Nähe des maximal lieferbaren erhalten ist. Ein System mit einem Kapillarrohr als Drosselventil hat zur Folge, dass die Leistung während des Abkühlens in der Nähe des Maximums bleibt, was vorteilhaft ist.
Andere Kompressorarten (nicht gezeigt), die in dem beschriebenen Druckbereich arbeiten, können ebenfalls genutzt sein. Es können Kompressoren mit Regelantrieb oder Verstellkompressoren genutzt sein. Diese Merkmale können zur Anwendung kommen, um die Abkühlungszeit mit einem starren Drosselventil durch Erhöhen der Verstellgrads zum Verhindern, dass die Eingangs-/Rücklaufdrücke abfallen, zu reduzieren und mit einer maximalen Leistungsaufnahme zu arbeiten. Beim Beharrungsbetrieb kann ein Regel- oder Verstellkompressor zum Reduzieren einer Leistungsaufnahme bei niedriger Belastung genutzt sein.

Claims

Kühlsystem (10) mit geschlossenem Kreislauf zum Beharrungskühlen auf einer niedrigen kryogenen Temperatur und zum Abkühlen von einer erhöhten Anfangstemperatur auf die niedrige kryogene Beharrungstemperatur mit einem Verdampfer (30) zum Umwälzen eines kryogenen Kühlmittels auf niedrigem Druck und niedriger Temperatur darin, wobei der Verdampfer Wärme von einer Belastung absorbiert, wobei das Kühlmittel erhitzt und die Belastung gekühlt wird, einem Kühlmittelkompressor (12) mit einem Niedrigdruckeinlass und einem Hochdruckauslass (14), wobei der Kompressor das erhitzte Kühlmittel auf niedrigem Druck von dem Verdampfer (30) am Einlass aufnimmt und das Kühlmittel auf einen hohen Druck am Auslass komprimiert, einem Nachkühler (16) zum Aufnehmen eines Stroms von komprimiertem Kühlmittel vom Kompressor (12), Entziehen von Wärme von dem Hochdruckkühlmittel und Abweisen von zumindest einem Teil der Wärme aus dem Kühlsystem, wobei gekühltes Hochdruckkühlmittel den Nachkühler verlässt, einem regenerativen Wärmetauscher (26) mit einer Hochdruckseite (34) und einer Niederdruckseite (32), wobei die Hochdruckseite und die Niederdruckseite in wärmetauschender Beziehung stehen, wobei die Hochdruckseite zwischen einem Auslass des Nachkühlers (16) und einem Einlass der starren Drossel (28) angeschlossen ist, wobei die Niederdruckseite zwischen einem Auslass des Verdampfers (30) und dem Niederdruckeinlass des Kompressors (12) angeschlossen ist, einer starren Drossel (28) mit einem Einlass, der das gekühlte Kühlmittel vom Nachkühler (16) aufnimmt, und einem Auslass, der an einen Einlass des Verdampfers (30) angeschlossen ist, wobei die starre Drossel den Kühlmittelstrom vom Hochdruck auf den Niederdruck drosselt, wobei sich das Kühlmittel durch die Drossel ausdehnt und dadurch kalt wird, wobei die Drossel sowohl zum Abkühlen als auch zum Beharrungskühlen dimensionsgerecht und betriebsbereit befestigt ist, und einem gemischten Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkompressor (12) einen Niederdruckeinlass in einem Bereich von 1 bis 4 Bar (0,1 bis 0,4 MPa) und einen Hochdruckauslass in einem Bereich von 15 bis 25 Bar (1,5 MPa bis 2,5 MPa) aufweist und das Kühlmittel eine Mischung von Kühlmittelkomponenten ist, die zumindest eines von He, H₂ und Ne in einem Bereich von etwa 3 Molprozent bis 25 Molprozent enthält und ein Dichteverhältnis, wie durch die Kühlmitteldichte am Einlass der starren Drossel (28) bei Beharrungsbetrieb nach dem Abkühlen und am Einlass der starren Drossel beim Beginn des Abkühlens bestimmt, in einem ungefähren Bereich von 7 bis 17 beim Betrieb aufweist, während eine Verdampferbeharrungstemperatur in einem ungefähren Bereich von 70 K bis 120 K beibehalten ist, wobei das zumindest eine von He, H₂ und Ne das Dichteverhältnis regelt.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittelmischung etwa 20 % bis 75 % jeweils gasförmige Grundkomponenten mit normalen Siedetemperaturen bei 1,103 Bar (1 Atm) zwischen 77 K und 120 K und einen Tripelpunkt unter 125 K für die Komponenten separat oder kombiniert enthält.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittel etwa 10 % bis 60 % jeweils gasförmige Grundkomponenten mit einer normalen Siedetemperatur zwischen 120 K und 200 K und einen Tripelpunkt unter 125 K für die Komponenten separat oder kombiniert enthält.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittel etwa 0 % bis 55 % jeweils gasförmige Grundkomponenten mit einer normalen Siedetemperatur zwischen über 200 K und einen Tripelpunkt unter 125 K für die Komponenten separat oder kombiniert enthält.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Grundkomponenten 20 % bis 75 % von zumindest einem von N₂, CO, Ar, O₂ und Kr enthalten.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Grundkomponenten 20 % bis 75 % von zumindest einem von CF₄, C₂H₄, C₂H₆ und CClF₃ enthalten.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Grundkomponenten 0 % bis 55 % von zumindest einem von CClF₂Br, C₃H₆, C₃H₂, CHClF₂, C₃F₈, CCl₂F₂, C₄H₁₀ und C₅H₁₂ enthalten.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelkompressor (12) einstufig ist und einen volumetrischen Wirkungsgrad von über 50 % bei einem Druckverhältnis über 4 aufweist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelkompressor (12) Ölschmierung aufweist, wobei das Kühlsystem ferner einen Ölabscheider (18) auf der Hochdruckseite umfasst, wobei der Ölabscheider einen Einlass aufweist, der an einem des Kompressorauslasses (14) und des Nachkühlerauslasses (24) angeschlossen ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Kompressor (12) ein variables Pumpvermögen aufweist, wobei das Vermögen durch Ändern von zumindest einem von Kompressorgeschwindigkeit und -verstellung variiert ist, wobei der Niederdruck am Kompressoreinlass variiert ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Nachkühler (16) einen luftgekühlten Wärmetauscher zum Betrieb mit Luft auf Umgebungstemperatur beinhaltet.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittelmischung am Einlass der starren Drossel (28) beim Beginn des Abkühlens zu 100 % gasförmig ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Wärmetauschbeziehung in dem regenerativen Wärmetauscher (26) gegenströmig ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Heizgerät (38) mit variabler Ausgabe zur Positionierung nahe der Verdampferbelastung; Temperaturerkennungsmittel zur Positionierung nahe der Belastung und zum Vorsehen eines Signals, das die Belastungstemperatur anzeigt; Steuermittel (42) zum Empfangen des Signals von dem Erkennungsmittel und zum Steuern der Heizgerätausgabe in Beziehung zu dem Signal, um eine stetige Belastungstemperatur beizubehalten.