DE69636522T2

DE69636522T2 - Verfahren zum Betrieb einer Kälteanlage mit Drosselkreislauf

Info

Publication number: DE69636522T2
Application number: DE69636522T
Authority: DE
Inventors: Mikhail Moscow Region BOIARSKI; V. Boris YUDIN; C. Ralph Allentown LONGSWORTH; N. Ajay Allentown KHATRI
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JP2000500561A; US5706663A; JP3936399B2; AU7728796A; DE69636522D1; EP0862715A1; EP0862715A4; WO1997019302A1; EP0862715B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Kryokühlung und insbesondere eine konventionelle Kältemaschine mit Drosselkreislauf (oder Joule-Thomson-Kältemaschine). Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit geschlossenem Drosselkreislauf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Beschreibung bisheriger Entwicklungen
Tieftemperaturkreisläufe mit Drosselung, die eine Mischung aus meist als „Mischgas-Kühlmittel" oder „MK" bezeichneten Kühlmitteln verwenden, sind allgemein bekannt und in zahlreichen Literaturquellen beschrieben worden. Der Versorgungsdruck Ph dieser Kreisläufe liegt in der Regel niedriger als der bei Kryokreisläufen, die mit reinen Kühlmitteln wie Stickstoff oder Argon arbeiten, wo er meist 100 Atmosphären (atm) übersteigt. GB-PS 1,336,892 legt für ein MK einen Ablassarbeitsdruck von lediglich 50 atm offen, während US-PS 5,337,572 einen Kryokreislauf offenlegt, der auf einem einstufigen Kompressor beruht, dessen Ablassdruck weniger als 25 atm beträgt. Ein geringer Versorgungsdruck ermöglicht die Verwendung verschiedener konventioneller Industriekompressoren, damit die Kosten für die Betriebsausrüstung reduziert werden und sich der Aufbau der Kühler vereinfacht.
Gemischte Kühlmittel enthalten bekanntermaßen niedrigsiedende Bestandteile wie Stickstoff, Argon und Methan sowie hochsiedende Bestandteile wie Kohlenwasserstoffe (KW) oder deren Fluorchlor-Derivate (FCKW). Es sind einige solcher Kühlmittelbestandteile mit ausgewählten Molprozenten miteinander kombiniert worden, um die Effizienz von Kryokreisläufen zu verbessern. Insbesondere lehrt US-PS 5,441,658 die Anreicherung eines Kühlmittels auf Stickstoffbasis mit mehr als 30% Propan, um den Carnot'schen Wirkungsgrad eines Kältemaschinenkreislaufs zu verbessern, der bei einem geringen Ablassdruck arbeitet.
Im Zusammenhang mit der Beimengung eines verbrennungshemmenden Materials zu einer Kühlmittelmischung, die einen nicht brennbaren Anteil wie beispielsweise Stickstoff und einen brennbaren Anteil aus Kohlenwasserstoffen mit niedrigem Molekulargewicht umfasst, um die Sicherheit einer Kälteanlage zu erhöhen, legt EP 271 989 A1 ein Verfahren offen, das im Oberbegriff von Anspruch 1 dargelegt wird und bei dem das nicht kondensierbare Gas (Neon) beigemengt wird, um die Kühltemperatur zu reduzieren und die Eignung von Halon als verbrennungshemmendes Material selbst bei Kühltemperaturen, die unter der mit dem ursprünglichen Kühlmittel erreichbaren Kühltemperatur liegen, zu demonstrieren.
Die oben erwähnte GB-PS 1,336,892 lehrt ebenfalls die Beimengung von 5 bis 40% Neon, Wasserstoff oder Helium, um die Kühltemperatur zu reduzieren. All diese Substanzen weisen eine kritische Temperatur auf, die unterhalb der Kühltemperatur Tr liegt, und deshalb werden sie als nicht kondensierbare Bestandteile der Kühlmittelmischung bezeichnet. Solche Bestandteile werden für das Erreichen einer Kühltemperatur ausgewählt, die unter der liegt, die sich nur mit dem ursprünglichen Kühlmittel erzielen lässt. Die vorliegende Erfindung zielt auf die Steigerung der Kühlkapazität eines herkömmlichen Kühlverfahrens mit Drosselkreislauf ab. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung betrifft eine spezielle Kühlmittelmischung, die zusammen mit einem im Vergleich zum geringeren Rücklaufdruck konventioneller Systeme, die bekannte Kühlmittelmischungen verwenden, erhöhten Rücklaufdruck zum Kompressor verwendet wird. Im Stand der Technik ist keine Lehre zu finden, bei der nicht kondensierbare Kühlmittel bestandteile bei höheren Kühltemperaturen verwendet werden, als sie mit einem ursprünglichen MK auf der Basis von Stickstoff, Argon, Methan oder einer Mischung davon erzielbar sind. Unter den verschiedenen nicht kondensierbaren Bestandteilen wurde für die Erläuterung der nachfolgend dargelegten Konzepte der Erfindung Helium ausgewählt. Sämtliche dargestellten Konzepte, bei denen Helium als Beispiel verwendet wird, gelten jedoch ebenso für Wasserstoff und Neon.
Traditionellen Überlegungen folgend sollte man annehmen, dass MK wie Helium eine geringere spezifische Kühlkapazität qr besitzen, die in Joule/Mol oder Watt/Mol/min gemessen wird, als die gleichen MK ohne Helium. Somit würde man zu der Schlussfolgerung kommen, dass auch der mögliche Maximalwert des Carnot'schen Wirkungsgrades eines Kältemaschinenkreislaufs niedriger ist, wenn dem MK Helium beigemengt wird.
1 zeigt beispielsweise Daten für ein Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Kühlmittel im Vergleich mit dem gleichen Kühlmittel, das unterschiedliche Molprozente an Helium aufweist, wenn der Rücklaufdruck Pl des Kreislaufs, d.h. der Druck des vom Kryostaten zum Kompressor zurückkehrenden MK, zwischen 0,1 und 0,3 MPa atm (1 bis 3 atm) beträgt. Denkt man konventionell, so würde man eine verringerte spezifische Kühlkapazität qr erwarten, wenn der Gehalt an Helium in der Mischung erhöht wird. Ein Heliumgehalt von beispielsweise 12% im MK senkt sowohl qr als auch den Carnot'schen Wirkungsgrad um 25 bis 30% (1). Deshalb wird in der konventionellen Praxis die Verwendung von Helium nicht empfohlen, wenn bei Temperaturen gekühlt werden soll, die sich ohne die Beimengung von He, H₂ oder Ne erzielen lassen.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um ein Verfahren bereitzustellen, das Mischgas-Kühlmittel verwendet, die für eine stärkere Kühlung sorgen können als die Kühlung, die mit bestehenden Kälteanlagen bei Temperaturen über dem normalen Siedepunkt von niedrigsiedenden Bestandteilen wie Stickstoff und Argon erzielt werden kann. Diese Erhöhung der Kühlkapazität wird dadurch erreicht, dass der Kühlmittelmischung Helium beigemengt und gleichzeitig der Wert des Rücklaufdrucks des Kältemaschinenkreislaufs erhöht wird.
Statt die Bestandteile des Kühlmittels zu mischen, um die Kühltemperatur Tr zu verringern, indem der Mischung Helium beigemengt wird, wie dies bekannt ist, fügt die vorliegende Erfindung einer bestehenden Kühlmittelmischung auf solche Art und Weise Helium hinzu, dass sich die Kühlkapazität der Kälteanlage erhöht, ohne dass sich die Kühltemperatur im Vergleich zu der der ursprünglichen Mischung ändert. Dies geschieht durch Erhöhen des Wertes des Rücklaufdrucks Pl der Kälteanlage gemäß einer vorgegebenen Beziehung zwischen dem Molprozent Helium, das der Kühlmittelmischung beigemengt wird, und dem ursprünglichen beziehungsweise vorherigen Wert des Rücklaufdrucks des Kältemaschinenkreislaufs. Ein ähnliches Ergebnis wird erzielt, wenn Helium entweder mit Neon oder Wasserstoff kombiniert beziehungsweise durch diese ersetzt wird.
Indem man die Kühlkapazität der Kühlmittelmischung durch Anreicherung mit Helium oder einem anderen geeigneten Gas mit einer kritischen Temperatur unterhalb von Tr, wie beispielsweise Neon oder Wasserstoff, erhöht, wird die Stabilität und die Toleranz der Kälteanlage verbessert, so dass größeren Änderungen beim hydraulischen Druck in der Rückleitung im System Rechnung getragen werden kann. Dies erleichtert wiederum die Beibehaltung einer konstanteren Kühltemperatur Tr über einen größeren Bereich entsprechender Druckabfälle des hydraulischen Drucks im System.
Die Erfindung beruht auf einer Kältemaschine mit geschlossenem Drosselkreislauf und einer Kühlmittelmischung, die bei Kühltemperaturen zwischen 77 K und 120 K arbeitet. Eine Erhöhung der Kühlkapazität der Kältemaschine wird erreicht, indem man Helium, Wasserstoff und/oder Neon beimengt und den Rücklaufdruck Pl des Kühlmittels erhöht, so dass die Temperatur Tr die gleiche ist wie vor dem Beimengen von Helium zum Kühlmittel und ohne Erhöhung von Pl.
Bei einem gegebenen einstufigen Kompressor führt der höhere Rücklaufdruck zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit. Durch das Beimengen von Helium, Wasserstoff und/oder Neon wird die Betriebstemperatur Tr reduziert, aber die Kühlmitteldrossel kann dann weiter geöffnet werden, um Tr auf die gleiche Temperatur wie vor dem Beimengen von Helium zurückzubringen. Dadurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit und die Kühlkapazität.
Ein unerwarteter Vorteil des Beimengens von Helium oder anderer nicht kondensierbarer Gase und des gleichzeitigen Erhöhens des Rücklaufdrucks besteht in einer Erhöhung der Gesamtkühlkapazität Qr des Systems bei den Temperaturen Tr, die sich ohne diese Gase erzielen lassen. Dieses Ergebnis ließ sich aufgrund einer komplexen Interaktion der Kühlmittelmischung und des einstufigen Kompressors nicht voraussagen. Ein weiterer unerwarteter Vorteil der Beimengung von Helium und des Erhöhens des Rücklaufdrucks besteht darin, dass das System weniger empfindlich gegen Druckabweichungen auf der Niederdruckseite des Wärmetauschers sowie in der Rückleitung der Anlage wird.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Temperatur, Stabilität und Toleranz eines Kryosystems hinsichtlich Druckabweichungen in der Rückleitung zu erhöhen, indem einer Kühlmittelmischung auf eine solche Weise Helium beigemengt wird, dass die Kühltemperatur Tr der ursprünglichen Mischung gasförmiger Kühlmittel nach der Beimengung von Helium gleich bleibt. Dies wird durch die Erhöhung des Rücklaufdrucks Pl der Kälteanlage gemäß einem vorgegebenen Verhältnis zwischen dem Gehalt an Helium in dem Mischgas-Kühlmittel und dem Wert von Pl erreicht.
Die Erfindung verwendet allgemein eine Kälteanlage mit Drosselkreislauf für das Kühlen bei Tieftemperaturen Tr < 120 K unter Verwendung einer Kühlmittelmischung, die einen ersten, niedrigsiedenden Bestandteil wie Stickstoff, Argon, Methan oder eine Mischung davon enthält, dessen normale Siedetemperatur gleich der oder niedriger als die Kühltemperatur ist, und einen zweiten, hochsiedenden Bestandteil wie beispielsweise einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, der Bestandteile enthält, deren normaler Siedepunkt über der Kühltemperatur liegt.
Um die Gesamtkühlkapazität bei der Kühltemperatur, die ohne nicht kondensierbare Bestandteile wie Neon, Wasserstoff und Helium erzielt werden kann, zu erhöhen und die Toleranz des Systems im Hinblick auf mögliche Abweichungen beim Druckabfall in der Niederdruckleitung zu verbessern, wird die Kühlmittelmischung mit einem dritten Bestandteil verdünnt, der die nicht kondensierbaren Bestandteile in einer Menge von maximal 30 Molprozent enthält. Gleichzeitig muss der Rücklaufdruck des Kältemaschinenkreislaufs auf eine Weise erhöht werden, die für die gleiche Kühltemperatur sorgt wie die, die ohne den nicht kondensierbaren, dritten Kühlmittelbestandteil erzielt werden kann. Das heißt, der Rücklaufdruck wird in einem bestimmten Verhältnis zu dem Anteil der nicht kondensierbaren Bestandteile erhöht.
Auf die oben genannten Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung wird zum Teil gezielt hingewiesen, und zum Teil ergeben sie sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die ein integraler Bestandteil davon sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen zeigen Folgendes:
1 ist eine Auftragung von Daten, die Kurven der spezifischen Kühlkapazität qr und des Carnot'schen Wirkungsgrades für heliumhaltige Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Kühlmittel als Funktion des Rücklaufdrucks darstellen. 1 zeigt die berechnete Kühlkapazität qr in W/Mol/min (durchgezogene Linie) und den Carnot'schen Wirkungsgrad (gestrichelte Linie) einer Drosselkältemaschine, die auf der Grundlage von Kühlmitteln mit unterschiedlichem Heliumgehalt arbeitet, als Funktion des Rücklaufdrucks Pl. Die Kurve 1 stellt eine Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Mischung ohne Helium dar (Stickstoff-Methan-Ethan-Propan 35/15/25/25), die Kurve 2 die gleiche Mischung mit 3% Helium verdünnt und die Kurve 3 die gleiche Mischung mit 12% Helium verdünnt. Die Berechnungen wurden unter Annahme eines idealen Kreislaufs durchgeführt, das heißt, für einen Kompressor mit einem Wirkungsgrad von 100, ohne Druckabfall und ohne Temperaturdifferenz in den Wärmetauschern.
2 ist eine Auftragung von Datenkurven, die die Abhängigkeit der Kühltemperatur Tr von dem Wert des Rücklaufdrucks Pl des Kältemaschinenkreislaufs darstellen, der mit verschiedenen Kühlmittelmischungen auf der Basis von Stickstoff, Methan und anderen Kohlenwasserstoffen arbeitet. 2 zeigt minimale und maximale Kühltemperaturen, die mit Helium-Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Mischungen (wie in 1) mit unterschiedlichem Heliumgehalt erzielt werden können. Die linke Hälfte der Figur stellt die (bei fehlender Wärmlast ermittelte) minimale Kühltemperatur als Funktion des Rücklaufdrucks dar. Die rechte Hälfte der Figur stellt die (bei maximal möglicher Wärmelast ermittelte) maximale Kühltemperatur als Funktion des Rücklaufdrucks dar. Der Unterschied zwischen minimaler und maximaler Kühltemperatur ist für eine heliumfreie Mischung nahezu unerheblich und erhöht sich mit steigendem Heliumgehalt.
3 ist eine Auftragung von Datenkurven, die den Einfluss des Heliumgehaltes auf die Gesamtkühlkapazität Qr in einer Kälteanlage zeigt, die einen einstufigen Drehkolbenkompressor verwendet. 3 zeigt die Kühlkapazität der Drosselkühlmaschine bei einer gegebenen Temperatur (82 K) als Funktion des Rücklaufdrucks. Der hohe Druck beträgt 20 atm. Gestrichelte Linien stellen Berechnungen für den Betriebskreislauf mit einem idealen Kompressor dar (volumetrischer Wirkungsgrad gleich 1), durchgezogene Linien die für tatsächliche Kompressorkenndaten. Kreise entsprechen der heliumfreien Mischung, die Kurven 1, 2 der Mischung mit 3% Helium, die Kurven 3, 4 der Mischung mit 12% Helium, Kurve 5 der Mischung mit 12% Helium, jedoch geringerem volumetrischem Wirkungsgrad (Ve).
Kurven 1, 3 Ve = 1
Kurven 2, 3 Ve = 0,89 – 0,04·Ph/Pl
Kurve 5 Ve = 0,5 – 0,04·Ph/Pl
4 ist eine Auftragung von Datenkurven, die 3 ähnelt und die Kühlung mit einem einstufigen Kompressor als Funktion von Pl in einem Kältemaschinenkreislauf zeigt, in dem Kühlmittel auf Argonbasis verwendet werden. 4 zeigt die Kühlkapazität der Drosselkältemaschine bei Tr = 100 K und einer Mischung auf Argonbasis Ar-R14-R13 als Funktion des Rücklaufdrucks. Die Linie 1 entspricht der Mischung, die aus Ar-R14-R13 (40/30/30, Mol-%) besteht. Die Linie 2 stellt Daten für diese Mischung dar, wenn sie mit 3% Helium verdünnt ist. Die Figur zeigt, dass bei dieser Art Mischung durch die Beimengung von Helium auch die Kühlkapazität erhöht werden kann.
5 zeigt Versuchsdaten, die eine Kühlungsabbildung Tr (Qr) darstellen. Die Linie 1 entspricht der Kühlmittelmischung, die aus N₂/CH₄/C₂H₆/C₃H₈ (33/10/26/31, Mol-%) besteht. Die Linie 2 entspricht der Kühlmittelmischung, die mit Helium verdünnt wurde: He/N₂/CH₄/C₂H₆/C₃H₈ (3/30/11/26/30, Mol-%).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mischungen von Mischgas-Kühlmitteln (MK) auf Stickstoffbasis werden gemäß der vorliegenden Erfindung für die Tiefkühlung bei Temperaturen im Bereich von 77 bis 120 K verwendet, das heißt, bei Temperaturen über dem normalen Siedepunkt von Stickstoff. 2 zeigt, auf welche Weise die Kühltemperatur Tr in einer Kryo-Kälteanlage, die mit MK auf Stickstoffbasis arbeitet, von dem Rücklauf druck Pl abhängig ist.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen, die in der Entwicklungsphase der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, zeigen, dass Drosselkältemaschinen wie die, die einen Kryostaten mit Drosselkreislauf und einen vorhandenen einstufigen Kompressor einsetzen, unerwartete Eigenschaften aufweisen, die herkömmlichen Gedankengängen widersprechen. Durch Beimengen von Helium zu einem Kühlmittel auf Stickstoff- oder Argonbasis können die Kenndaten des Kältemaschinenkreislaufs erfindungsgemäß selbst bei einer Tr verbessert werden, die über der liegt, die mit Kühlmittelmischungen ohne Helium erzielt werden kann. Sofern Pl erfindungsgemäß gesteuert wird, verringert das Helium in diesen Fällen die Tr nicht, wie normalerweise erwartet würde. Diese Steuerung und Beibehaltung einer konstanten Tr ist aufgrund der komplexen Interaktionen der thermodynamischen Eigenschaften der einzelnen Kühlmittelbestandteile und der Betriebskenndaten eines einstufigen Kompressors möglich.
Eine Haupteigenschaft eines einstufigen Kompressors besteht darin, dass sein volumetrischer Wirkungsgrad von dem Kreislaufdruckverhältnis Ph/Pl abhängig ist. Der volumetrische Wirkungsgrad und der Massenstrom eines gegebenen Kompres sors verringern sich bei einer Erhöhung des Druckverhältnisses. Aus diesem Grund empfiehlt die eigene US-PS 5,337,572, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, für die Bereitstellung einer effizienten Kühlung die Verwendung eines Kompressors mit einem volumetrischen Wirkungsgrad von über 0,5 bei Ph/Pl = 5. Dieses Patent lehrt jedoch nicht die Verwendung von Helium als Bestandteil des MK.
3 zeigt, auf welche Weise der Heliumgehalt die Gesamtkühlkapazität Qr einer kryogenen Kälteanlage beeinflusst, die mit einem Drehkolbenkompressor arbeitet. Wie durch die Kreise gezeigt wird, sorgen die heliumhaltigen MK für größere Qr-Werte im Vergleich zu den MK ohne Helium. Die Gesamtkühlkapazität Qr, die in Watt (W) ausgedrückt wird, ist als das Produkt Qr = qr·G definiert, wobei G für einen bestimmten Massenstrom für den betreffenden Kompressor als Funktion von Ph/Pl steht. Selbst eine Anreicherung mit lediglich 3% (Mol-) Helium, die unter der in der GB-PS 1,336,892 empfohlenen liegt, dient einer Erhöhung der Kühlkapazität Qr bei Tr = 82 K. Dieses Ergebnis wird auch von Versuchsdaten unterstützt, die in 5 dargestellt sind. Ähnliche Ergebnisse wurden für Mischungen auf Argonbasis erzielt. Diese Ergebnisse sind in 4 aufgetragen.
Eine Erhöhung der Gesamtkühlkapazität Qr des Kreislaufs auf der Grundlage eines einstufigen Kompressors durch Beimengen von Helium zu einer Kühlmittelmischung, wie in 3 dargestellt, wird nicht erwartet, da sie herkömmlichen Überlegungen widerspricht. Es ist allgemein bekannt, dass eine Verdünnung eines MK mit Helium aufgrund der negativen Drosselwirkung von Helium zu einer Verringerung der spezifischen Kühlkapazität führt. In der Monografie „Cryogenic Systems" von R. Barron (zweite Ausgabe, Oxford University Press, New York, 1985) heißt es beispielsweise: „Zunächst stellen wir fest, dass die Joule-Thomson-Kältemaschine nicht zusammen mit Neon, Wasserstoff oder Helium als Ar beitsmedium verwendet werden kann, es sei denn, diese Gase werden vorher auf eine Temperatur unter ihrer maximalen Inversionstemperatur gekühlt" (Seite 246, Abschnitt 5.3).
In diesem speziellen Fall ist es notwendig, den Rücklaufdruck Pl des zum Kompressor zurückkehrenden Kühlgases zu erhöhen, um bessere Ergebnisse bei der Kühlkapazität erzielen zu können. Dies lässt sich ohne Weiteres dadurch bewerkstelligen, dass das Drosselventil der Kältemaschine weiter geöffnet wird. Der Heliumgehalt und der Pl-Wert sowie der volumetrische Wirkungsgrad des Kompressors müssen eng miteinander korreliert sein, damit bei der gleichen Kühltemperatur, d.h. Tr = 82 K, die zuvor mit dem gleichen MK ohne Beimengung von Helium zur Verfügung gestellt wurde, auf effiziente Weise gekühlt werden kann.
Die Leistungsaufnahme des Kompressors erhöht sich bei steigendem Wert des niedrigen Drucks des Kreislaufs, wie dies in der nachfolgend angeführten Tabelle 1 gezeigt wird. Aus diesem Grund wird der obere Grenzwert für den Heliumgehalt durch die Leistungsaufnahme des Kompressormotors eingeschränkt, die einen Nennwert nicht überschreiten sollte. Die nominale Leistungsaufnahme eines Drehkolbenkompressors mit einem Verdrängungsvolumen Vh = 0,0283 m³/min (1 cfm) beträgt ungefähr 500 W.
Kühlmittelmischungen, die Helium in den erfindungsgemäß angegebenen Mengen enthalten, sind bei der Verwendung in einstufigen Kompressoren mit unterschiedlichen volumetrischen Wirkungsgraden effizient. Selbst der ideale Kompressor mit einem volumetrischen Wirkungsgrad gleich 1 bietet bei einem Kühlmittel, das mit Helium versetzt worden ist, wie in 3 gezeigt, eine größere Kühlkapazität.
Ein Kompressor mit sehr geringem volumetrischem Wirkungsgrad, d.h. weniger als 0,5 bei Ph/Pl = 5, kann bei Tr = 82 K kühlen, wenn das MK 12% Helium enthält, wie durch Linie 3 in 3 dargestellt ist. Ohne die Beimengung von Helium zur Mischung wäre in diesem Fall bei 82 K keine Kühlung möglich.
Ein weiteres Ergebnis dieser Untersuchung betrifft die Stabilität der Kälteanlage hinsichtlich der Kühlung bei einer bestimmten Kühltemperatur Tr. Wenn das MK kein Helium enthält, dann korreliert wie in 2 gezeigt die Kühltemperatur Tr sehr eng mit dem Rücklaufdruck des Kältemaschinenkreislaufs: Tr(Pl). Geringe Abweichungen bei Pl führen sofort zu Änderungen der Tr. Gleichzeitig kann der Abfall des hydraulischen Drucks DPl in der Rückleitung von einem Drosselkreislaufkryostaten zum Kompressor aufgrund von Abweichungen bei der Systemfertigungstoleranz innerhalb bestimmter Grenzen abweichen. Bei praktischen Anwendungen kann eine Veränderung der Lage von Schläuchen, die den Kompressor mit dem Kryostaten verbinden, ebenfalls zu einer Abweichung beim Druckabfall führen. Aus diesem Grund muss eine Kältemaschine so anpassbar sein, dass sie Tr-Werte liefern kann, die innerhalb bestimmter Grenzwerte liegen.
Heliumhaltige Kühlmittelmischungen vertragen Abweichungen beim DPl besser. Diese Toleranz wird durch das Erhöhen des Heliumgehalts verbessert. Wenn beispielsweise DPl = 0,3 atm (DP1 = 34,47 kPa (5 psi)), dann Pl = 2,0 atm statt 1,7 atm. In diesem Fall kann die Abweichung bei der Kühlkapazität 300 erreichen, wenn das MK 3% Helium enthält (3, durchgezogene Linie 2). Durch eine Erhöhung des Heliumgehalts auf 12% verbessert sich die Systemtoleranz beträchtlich. Der Qr-Wert weicht um maximal 25 bis 30% vom Optimum ab (Linie 4, 3). Diese Abweichungen sind im Vergleich zu einem MK mit 3% Helium um ein 10-faches geringer.
Es sind Versuche durchgeführt worden, um die hohe Effizienz des vorgeschlagenen Verfahrens zur Erhöhung der Kühlkapazität nachzuweisen. Tabelle 1 präsentiert Versuchsdaten, die bei einer Drosselkältemaschine mit einem einstufigen Kom pressor gewonnen wurden, die mit Mischungen unterschiedlicher Zusammensetzung arbeitet. Um für die Kühltemperatur den gleichen Wert zur Verfügung zu stellen, wurde das Drosselventil manuell betätigt.
TABELLE 1 Versuchsdaten von einer Kältemaschine mit manuell geregeltem Drosselventil
Die experimentellen Mischungen enthielten im Gegensatz zum Stand der Technik Helium in einer Menge von weniger als 5%. Selbst eine geringe Menge He verbessert die Kühlkapazität bei den Temperaturen, die ohne He erzielt werden können. Um für Tr die gleichen Werte zur Verfügung zu stellen, wurden die Niederdruckwerte Pl durch Öffnen des Drosselventils erhöht. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Massenstroms bei einem einstufigen Kompressor, die durch die gemessene Leistungsaufnahme Pcm des Kompressors veranschaulicht wird, wenn He beigemengt wird.
In 5 werden weitere Versuchsdaten bezüglich der Abhängigkeit von Qr (Tr) präsentiert.
Das Beimengen von Helium ist nicht nur bei Systemen mit geregelter Drossel sinnvoll, sondern auch bei Systemen mit ungeregelter Drossel, wie einem Kapillarrohr oder einer Ausflussöffnung. In diesem Fall ändern sich durch Verdünnen der Kühlmittelmischung mit Helium alle Parameter der Kältemaschine. Insbesondere ändert sich sowohl der hohe Druck Ph als auch der niedrige Druck Pl. Der Massenstrom wird jedoch erhöht, damit sich auch die Gesamtkühlkapazität des Systems erhöht. Versuchsdaten von der Kältemaschine mit einem Kapillarrohr als ungeregelter Drossel sind in Tabelle 2 angegeben.
TABELLE 2 Versuchsdaten von einer Kältemaschine mit ungeregeltem Drosselventil
Die Erhöhung der Kühlkapazität Qr eines solchen Systems ist auf eine Interaktion der Kältemaschinen-Hardware und der Kühlmitteleigenschaften zurückzuführen.
Es wurde hier die beste derzeit bekannte Ausführungsform der Erfindung offengelegt. Es versteht sich jedoch, dass daran verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass von der beanspruchten Erfindung abgewichen wird. Zum Beispiel können andere nicht kondensierbare Gase wie Wasserstoff und/oder Neon in Kombination mit Helium oder anstelle von Helium verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit Drosselkreislauf unter Verwendung eines Mischgas-Kühlmittels und eines einstufigen Kompressors, der unter der Steuerung einer Drossel zwischen einem hohen Druck Ph und einem niedrigen Rücklaufdruck Pl betrieben wird, wobei das Verfahren für eine vorgegebene Kühltemperatur Tr von über 77 K und unter 120 K sorgt und das Mischgas-Kühlmittel Folgendes umfasst: – einen ersten niedrigsiedenden Bestandteil mit einem normalen Siedepunkt, der gleich Tr ist oder darunter liegt, – einen zweiten Bestandteil mit mindestens einem Kohlenwasserstoff und mit einem normalen Siedepunkt, der über Tr liegt, – und einen dritten Bestandteil, der bei der vorgegebenen Kühltemperatur Tr mindestens ein nicht kondensierbares Gas enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das System bei einer Kühltemperatur Tr und einem Rücklaufdruck Pl betrieben wird, wobei die Kühltemperatur Tr mit einer Kühltemperatur identisch ist, die bei einem Vergleichsrücklaufdruck mit einem Vergleichskühlmittel erzielt werden kann, das zwar den ersten und den zweiten Bestandteil, nicht aber den dritten Bestandteil enthält, und wobei der Rücklaufdruck Pl größer ist als der Vergleichsrücklaufdruck, wodurch die Kühlkapazität des Systems bei der Kühltemperatur Tr größer ist als die des gleichen Systems, wenn es mit dem Vergleichskühlmittel bei der Kühltemperatur Tr betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Toleranz des Kühlsystems im Hinblick auf mögliche Abweichungen beim Druckabfall in der Niederdruckleitung in Bezug auf das gleiche System, wenn es mit dem Vergleichskühlmittel bei der Kühltemperatur Tr betrieben wird, verbessert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rücklaufdruck Pl durch Öffnen der Drossel erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste niedrigsiedende Bestandteil Stickstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste niedrigsiedende Bestandteil Argon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der dritte Bestandteil Helium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der dritte Bestandteil Wasserstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der dritte Bestandteil Neon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rücklaufdruck Pl in einem bestimmten Verhältnis zu dem Anteil der nicht kondensierbaren Bestandteile erhöht wird.