DE7514081U - Nach dem joule-thomson-prinzip arbeitende verfluessigungsvorrichtung - Google Patents

Description

9628-75/H/Elf

The Hymatic Engineering Company Limited, Redditch, Worcestershire (England)

Nach dem Joule-Thomson-Prinzip arbeitende Verflüssigungsvorrichtung ■>>

Die für eine Kühleinrichtung bestimmte Verflüssigungsvorrichtung gemäß der Neuerung enthält einen Wärmetauscher mit zwei Strömungswegen, über den einen Strömungsweg strömt Kühlgas von einer Vorratsquelle unter hohem Druck zu einer Entspannungsdüse, bei deren Durchströmung es sich auf einen mittleren Druck oberhalb des Umgebungsdrucjices entspannt, wodurch ein Teil des Kühlgases sich in einer Verflüssigungskammer verflüssigt, während das restliche Kühlgas über den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers zurückströmt und dabei das einströmende Kühlgas kühlt. Dicht bei dem zu kühlenden Gerät in Warmeaustauschbeziehung mit diesem ist ein Kühlmittel-Verdampfer angeordnet. Durch ein die Verflüssigungskammer mit dem Verdampfer verbindendes überleitungsrohr strömt flüssiges Kühlmittel infolge des in der Verflüssigungskammer herrschenden mittleren Druckes aus dieser zum Verdampfer.

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Für die Drosselung des Strömungsdurchsaxzes von der Verflüssigungskammer zum Verdampfer auf einen gewünschten Wert kann eine Düse vorgesehen sein. Stattdessen oder zusätzlich dazu kann im Rücklaufweg des über den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers zurückströmenden Kühlmittels ein Drosselungsorgan angeordnet sein, um die Differenz zwischen dem mittleren und dem umgebungsdruck einzustellen. Um nämlich sicherzustellen, daß nur !flüssigkeit in das Überleitvmgsrohr eingespeist wird» ist es wünschenswert, daß der mittlere Druck in der Verflüssigungskasim«r, in Abhängigkeit von der Einströmung durch die Entspannungsdüse und der Ausströmung über den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers, in einer solchen Beziehung zur Verflüssigungsgeschwindigkeit und zur Drosselung der KühlmittelBtrömung durch den Auslaß steht, daß diese Strömung etwas geringer ist als die Verflüssigungsgeschwindigkeit oder -rate.

In manchen Fällen, besonders wenn das Überleitungsrohr von beträchtlicher Länge ist, kann die Strömung durch dieses Rohr durch Leidenfrost-Wirkung erfolgen. In solchen Fällen ist es vorzuziehen, daß lediglich Flüssigkeit durch den Auslaß aus der Verflüssigungskammer ausströmt, wobei das Trägergas für den Leidenfrost-Vorgang durch Rückverdampfung erzeugt wird.

Das Überleitungsrohr kann, da es nur niedrigem Druck ausgesetzt ist, aus biegsame« Kunststoffmaterial bestehen.

Dem Verdampfer kann laufend Flüssigkeit zugeführt werden, um den wegsiedenden Anteil zu ergänzen. Stattdessen kann, wenn das zu kühlende G-erät für einen oder mehrere Arbeitsgänge begrenzter Dauer betrieben werden soll, der Verdampfer einen Flüsaigkeitsvorrat aufnehmen, der ausreicht, um die Kühlung des Gerätes für die Dauer eines Arbeitsganges ohne weitere Zufuhr von außen aufrechtzuerhalten. In letzterem Fall kann der Verflüssigungsapparat so an das Überleitungsrohr angeschlossen sein, daß er ohne weiteres vom Rohr abnehmbar oder ist, und der Verflüssigungsapparat kann so eingerichtet

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sein, daß er in Betrieb gesetzt wird, wenn er für eine Zeitspanne, die ausreicht, um den Verdampfer mit einem Vorrat an flüssigem Kühlmittel zu versorgen, mit komprimiertem Kühlgas gespeist wird, wonach der Verflüssigungsapparat abgeschaltet wird.

Nachstehend wird ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen zweier bekannter Vorrichtungen zum Bereitstellen von flüssigem Kühlmittel für die Kühlung eines Gerätes?

Fig. 3 eine entsprechende schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung; und

Pig. 4 eine Seitenschnittdarstellung eines in der Vorrichtung nach Fig. 3 verwendeten Flüssigkeitsausteilers.

Fig. 1 zeigt eine allgemein bekannte Vorrichtung zum Kühlen eines kleinen Gerätes, wie z.B. eines Infrarot-Detektors 10, mittels eines sogenannten Kleinkühlers 11, der aus einem Verflüssigungsapparat in Verbindung mit einem in Wärmeaustauschbeziehung zum zukühlenden Gerät 10 angeordneten Verdampfer 15 besteht. Der Kleinkühler enthält einen Wärmeaustauscher in Form einer Rippenrohrschlange 12, die einen ersten Strömungsweg bildet, über welchen Kühlgas unter hohem Druck zu einer Enäspaimungsdüse 13 strömt, bei deren Durchströmen es sich ausdehnt und in einen den Verdampfer 15 bildenden Behälter entspannt, wo ein Teil des Kühlgases sich verflüssigt. Das zu kühlende Gerät 10 befindet sich dicht bei einem Bad von flüssigem Kühlmittel im Behälter 10, das Wärme vom Gerät entfernt und dabei fortschreitend verdampft.

In Fig. 1 wird der Kleinkühjar mit Hochdruckluft, beispielsweise mit einem Druck von etwa 200 atm, aus einem Zylinder 20 über ein Druckgasrohr 21, das einen Hochdruckanschluß 22 an einer Stelle, wo es in eine Umhüllung, beispiels-

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weise eine Flugzeug-Oberschale 23 eintritt, aufweist, sowie über ein weiteres Druckgasrohr 24 mit einem weiteren Hochdruck anschluß 25 an der Stelle, wo es durch eine Umhüllung 26, beispielsweise das Gehäuse eines Infrarotgerätes hindurclitritt, gespeist. Die Rohre 21 und 24 sowie die Anschlüsse 22 und 25 müssen sehr hohen Drücken, in der Größenordnung von 200 atm, standhalten können.

Konstruktionen derartiger Kleinkühler sindbeispielsweise in den British Patent Specifications Nos. 1095991, 863961, 1164276, 1230079, 1297133, 1297132 und 1 216 189 der gleichen Anmelderin beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine andere bekannte Vorrichtung, bei der flüssiges Kühlmittel von einem Mengenvorratsbehälter 30, beispielsweise einem Dewar-Gefäß erheblicher Größe, in einen kleinen Verdampfer 31, ebenfalls in Form eines Dewar-Gefässes, im Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden Gerät 10 eingespeist wird. Das Kühlmittel wird über ein Rohr 32 geliefert, das Flüssigkühlmittel enthält, welches mit verhältnismäßig niedrigem Druck, normalerweise weniger als 1atm über dem Umgebungsdruck, direkt zum Verdampfer 31 strömt. Das Rohr 32 kann Niederdruckanschlüsse 33 und 34 an den Stellen aufweisen, wo es durch die Oberschale 23 des Flugzeuges bzw. durch das Gehäuse 25 des Infrarotgerätes hindurchtritt.

Obwohl in manchen Fällen der Verdampfer über eine längere Betriebsdauer kontinuierlich mit Flüssigkühlmittel gespeist werden kann, sei hier angenommen, daß, wie es gewöhnlich der Fall ist, das zu kühlende Gerät nur für einen oder mehrere Zyklen oder Arbeitsgänge begrenzter Dauer betrieben werden soll und daß der Verdampfer einen für die Dauer eines solchen Arbeitsganges ausreichenden Vorrat an Flüssigkeit aufnehmen kann. In diesem Fall kann der Vorratsbehälter 30, wenn die Anlage in einen Bereitschaftszustand gesetzt werden soll, mit dem Anschluß 33 verbunden werden, und wenn der Verdampfer 31 aufgefüllt ist und bevor der betreffende Arbeitsgang oder

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Betrieb einsetzt, wieder abgeschaltet werden.

Die Überleitung des Kühlmittels kann nach dem Leidenfrost-Phänomen erfolgen, wobei Tröpfchen der Kühlflüssigkeit durch einen Strom von Kühlgas vorangetrieben werden, in welchem Fall ein biegsames Kunststoffrohr verwendet werden kann. Derartige Anordnungen sind beispielsweise in der British Patent Specification No. 1298553 oder No. 1293401 der gleichen Anmelderin beschrieben. Andernfalls kann es notwendig sein, ein isoliertes Metallrohr zu verwenden, um ein übermäßiges Wegsieden von Flüssigkeit zu vermeiden.

Es gibt jedoch gewisse Umstände„ unter denen keines dieser beiden bekannten Systeme völlig zufriedenstellend ist und die vorliegende Erfindung, die praktisch die beiden Systeme vereinigt oder teleskopartig zusammenfügt, erhebliche Vorteile bietet.

Figur 3 zeigt ein erfindungsgemißes System, bei welchem die Teile innerhalb der Flugzeug-Oberschale 23 sowie ihre Wirkungsweise mit denen nach Fig. 2 identisch und mit den gleichen Bezugsnummem versehen sind. So führt vom Niederdruckanschluß 33, wo das Förderrohr durch die Flugzeug-Oberschale hindurchtritt, das Rohr 32 über den weiteren Niederdruckanschluß 34 zum Verdampfer 31, der im Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden Gerät 10 angeordnet ist.

Dagegen wird der außerhalb der Flugzeug-Oberschale befindliche Teil des Systems aus einer Hochdruckquelle 20 von gasfömigem Kühlmittel gespeist, das nominell Umgebungstemperatur hat und einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausteiler 40 zugeleitet wird. Erfolgt die Speisung aus einem Zylinder, so kann infolge von Ausdehnung die Kühlgastemperatur etwas unter der Umgebungstemperatur liegen, während bei Speisung aus einem Verdichter die Temperatur über der Umgebungstemperatur liegt, wenn die Kühlung nach der Verdichtung nicht 100 $ beträgt.

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Der in Pig. 4 gezeigte Flüsslgkeitsausteiler 40 arbeitet nach dem gleiohen Prlnaip wie die in der ersten Gruppe der oben genannten Literaturstellen beschriebenen Kleinkühler.

Das Hochdruckgas tritt bei einer Einlaßkupplung 41 ein und strömt durch ein Rohr 42 zu einem Einlaßkopf 43 im oberen Teil des Austeilers, von wo es über einen ersten Strömungsweg eines Wärmeaustauschers, der durch zwei parallel geschaltete schraubenförmige Hippenrohrschlangen 44 zu einer Entspannungsdüse 45 nach unten strömt.

Von der Entspeinnungsdüse tritt das Kühlgas in eine konische, mit ihrem Scheitelpunkt nach unten gewandte Verflüssigungskammer 46 aus, wo ein Teil des Kühlgases verflüssigt wird, während der Rest über den zweiten Strömungsweg dea Wärmeaustauschers, der durch den Raum um die Rohrschlangen 44 herum gebildet wird, unter Kühlung des einströmenden Kühlgases zurückströmt und anschließend in die Atmosphäre austritt. Der Verflüssigungsapparat ist von Isoliermatarial 47 in einem Außengehäuse 43 umgeben.

Die Konstruktion nach Pig. 4 unterscheidet sich von den bekannten Kleinkühlern darin, daß, während letztere keinen Auslaß für die Flüssigkeit aus dem Behälter haben, so daß der einzige Auslaß der zweite Strömungsweg des Wärmeaustauschers ist, über welchen das verdampfende Kühlmittel entweicht, bei dem in Pig. 4 gezeigten erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausteiler die konische Verflüssigungskammer 46, in die das Kühlmittel aus der Entspannungsdüse 45 eintritt, an ihrem unteren Ende eine Flüssigkeitsförderdüse 50 aufweist, die in eine Überleitungsrohrkupplung 51 führt.

Die Überleitungsrohrkupplung 51 besteht aus einer festen Muffe 52, die von einer drehbaren Muffe 53 umgeben ist, welche mit Dichtringen 54 versehen und in den zum Verdampfer 31 führenden Niederdruckanschluß 33 einschraubbar ist. Die Kupplung ist mit einem Knopf oder einer Mutter 55 versehen,

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so daß sie ohne weiteres in den Anschluß 33 eingeschraubt werden kann.

Wie bei der bekannten Anordnung nach S¹Ig. 1 wird gasförmiges Kühlmittel unter hohem Druck, beispielsweise 200 atm, am Gaseinlaß 41 in den Fltissigkeitsausteiler eingeleitet, von wo es den ersten Strömungsweg des Wärmeaustauschers durchströmt und sich beim Durchströmen der Entspannungsdüse 45 ausdehnt und in die Verflüssigungskammer 46 entspannt. Ein Teil des Kühlmittels verflüssigt sich, während der Rest über den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers entweicht.

In der schematischen Darstellung der Anordnung in Fig. erfolgt die Speisung aus einem Druckgaszylinder (beispielsweise mit Stickstoff oder luft), sie kann jedoch ebenso gut auch (normalerweise mit Luft) aus einem Verdichter erfolgen, der im !fahrzeug oder anderweitigen Gerät, au dem der Kühler gehört, eingebaut ist. Beispielsweise wird bei einer bestimmten Ausführungsform der Verflüssigungsapparat wirksam, wenn er mit Luft unter einem Druck von 200 atm gespeist wird, beispielsweise wenn der Motor eines Abschußkörpers oder -fahrzeuge angelassen wird, und er liefert innerhalb von 5 Minuten 20 Milliliter flüssiger Luft an den Verdampfer, was ausreicht, um das zu kühlende Gerät über eine Dauer von 40 Minuten bei Normaltemperaturen zu kühlen.

Es kann also die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie der Kleinkühler, für praktisch unbegrenzte Dauer in einem Bereitschaftszustand bleiben, ohne daß dafür irgendwelcher zusätzlicher Geräteaufwand nötig ist oder ein zusätzlicher Raumoder Gewichtsbedarf besteht. Der Verflüssigungsapparat wird wirksam, wenn er mit Kühlgas unter Druck und mit Umgebungstemperatur gespeist wird.

Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber der Vorrichtung nach Pig. 2, die mit Flüssigkeit aus einer Vorratsquelle an vom zu kühlenden Gerät entfernter Stelle arbeitet. Wenn in

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dieoem Fall die Vorrichtung für lange Zeit in einem Warteoder Bereitschafts zustand bleiben soll, so ks-jn der Verlust an Plüseigkühlmittel durch Wegsieden ein untragbares Ausmaß annehmen oder die Verwendung einer unmäßig großen Vorratsquelle an I¹IUssigkelt erforderlich machen. Außerdem können sich Betriebsschwierigkeiten durch Einfrieren infolge der Mitnahme von atmosphärischem Wasserdampf beimAnschließen der Vorratsquelle an das tiberleitungsrohr ergeben. Andererseits gibt es Umstände, unter denen es aus betrieblichen oder installation smäßigon Gründen nicht zweckmäßig ist, den Verflüssigungsapparat in Kontakt mit dem zu kühlenden Gerät anzuordnen, oder wo es erwünscht ist, das zu kühlende Gerät zu kapseln oder mit einer Ummantelung zu versehen, wobei der Kleinkühler den entsprechenden Anforderungen nicht genügt.

Insbesondere gibt es Geräte, die ursprünglich für die Verwendung eines leidenfrost- oder anderweitigen Plüssigkühlmittelsystems konstruiert sind und die sich nicht ohne weiteres für die Verwendung des bekannten Kleinkühlersystems nach Pig, einrichten bzw. umrichten lassen.

Die schematisch in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung kann anstelle der bekannten Vorrichtung nach Pig. eingesetzt werden, ohne daß diejenigen Teile, die als innerhalb der Plugzeug-Oberschale befindlich dargestellt sind, irgendwie geändert zu werden brauchen. So können in vielen Päll3n der Verdampfer und das zu kühlende Gerät inmitten einer komplizierten Apparatur angeordnet sein, und irgendwelche Änderung an dem das Kühlmittel anliefernden Rohr, insbesondere der Ersatz des Niederdruckrohres 32 nach Pig. 2 durch das Hochdruckrohr 21 nach Pig. 1, kann mit Schwierigkeiten verbunden sein. Dagegen wird bei Anwendung der Erfindung die abgewandelte Vorrichtung einfach am vorhandenen Püllanschluß 33 angebracht, ohne daß irgendwelche Änderung erforderlich ist.

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Die Erfindung ist nicht auf die spezielle Ausbildung nach Pig. 4 beschränkt. Beispielsweise kann der Verflüssigung^ apparat entsprechend irgendeiner der Literaturstellen der oben zuerst genannten Gruppe ausgebildet sein, mit geeigneten Abwandlungen.

Zu beachten ist, daß der Verflüssigungsapparat nach Fig. 3 und 4, obwohl oberflächlich den bekannten Kleinkühlerr nach Pig. 1 ähnlich, davon insofern grundlegend sich unterscheidet, als, während beim bekannten Kleinkühler das Kühlmittel lediglich in Gasform aus dem Behälter auszutreten hat, es im Falle des Flüssigkeitsausteilers wesentlich ist, daß ein Ausgleich oder Gleichgewicht erhalten bleibt zwischen dem Kühlmittel, das in Gasform über den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers austritt, und dem Kühlmittel, das in flüssigem Zustand dem Verdampfer angeliefert wird, wo es verdampft und dann in Gasform entweicht, ohne durch den Wärmeaustauscher zu strömen. Ferner sollte die Geschwindigkeit oder Menge des Austritts dieser beiden Kühlmittelanteile aus dem Austeiler der Geschwindigkeit oder Menge der Kühlmittelanlieferung über die Entspannungsdüse angeglichen sein. Insbesondere sollte die Flüssigkeitsförderdüse 50 so dimensioniert sein, daß sie das Kühlmittel an den Verdampfer mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit oder Durchflußmenge liefert, als das Kühlmittel sich verflüssigt. Die Durchflußmenge oder Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Düse 50 hängt ferner vom Druck innerhalb der konischen Verflüssigungskammer 46 ab, der seinerseits durch den Strömungswiderstand beeinflußt wird, den das über den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers entweichende Gas vorfindet. Unter bestimmten Umstände:.! kann es daher wünschenswert sein, nicht nur die Düse 50 für die Zumessung der Zuflußmenge an den Verdampfer vorzusehen, sondern auch das Entweichen des gasförmigen Kühlmittels über den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers oder den Abgaeauslaß von ihm zu beschränken. Andererseits kann es sich herausstellen, daß der Strömungswiderstand des Gases im Abgasweg des Wärme-

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austauschers einen mittleren oder Zwischendruck in der Verflüssigungskammer liefert, der ausreicht, um die Kühlflüssigkeit zum Verdampfer zu treiben.

Bei einer speziellen Ausführungsform wird das Hochdruckgas vom Kompressor eines Abschußgerätes oder -fahrzeuge mit einem Druck von ungefähr 200 atm geliefert, während der Druck in der Verflüssigungskammer ungefähr 0,5 bis 1,0 atm über dem Druck im Verdampfer, der normalerweise unter Umgebungsdruck steht, liegen kann.

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Claims (5)

Neue Schutzansprüche

1.) Nach dem Joule-Thomson-Prinzip arbeitende Verflüssigungevorrichtung zum Anschließen eines ein unter hohem Druck stehendes Kühlmittelgas enthaltenden Vorratsbehälters an einen Verdampfer, der in HärmetauschbeZiehung mit einem zu kühlenden Gerät steht, mit einem Wärmetauscher, der einen ersten, das Kühlmittelgas von dem Vorratsbehälter zu einer an einer Verflüssigungskammer angeordneten Expansionsdüse leitenden Strömungsweg enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigungskammer (46) an ihren* einen Ende einen Flüssigkeltsausaaß (50) , an den eine Verbindungsleitung (52,32) anschließbar ist, und an ihrem anderen Ende einen Gasauslaß hat, durch den ein bei der Expansion durch die Expansionsdüse (45) in der Verflüssigungskammer (46) nicht verflüssigter Teil des Kühlmittelgases unter Kühlung des ankommenden Kühlmittelgases durch einen zweiten Strömungsweg des Wärmetauschers (44) zurückgeleitet wird.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der Flüssigkeitsauslaß (50) als eine die ausströmende Flüssigkeitsmenge begrenzende Düse ausgebildet ist.

3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,gekennzeichne t durch eine im Rückflußweg des durch den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers (44) zurückströmenden Kühlmittels vorgesehene Droöseleinrichtung zum Einstellen der Differenz zwischen dem mittleren Druck und dem Umgebungsdruck.

4.) Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Flüssig-

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auslaß (50) am Scheitelpunkt einer trichterförmigen Verflüssigungskanuner (46) befindet.

5.) Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche« dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsauslaß (50) von der Verbindungsleitung leicht ablösbar ausgebildet ist.

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