DK150668B - Cryogen koeler med termisk kompensation paa nedstroemssiden - Google Patents

Description

150668

Opfindelsen vedrører en cryogen køler med i hovedsagen konstant ønsket temperatur og omfattende en kuldemiddelkilde, en varmeveksler, der er forbundet med kuldemiddelkilden, et ekspansions-kammer, der har en kold ende, en hoveddel og en varm ende, og hvis indervæg udgøres af et cylindrisk rør, som bærer varmeveksleren, medens et langagtigt Dewarkar i afstand fra indervæggen danner ekspansionskammerets ydervæg, hvorhos der er udluftede ende-lukkeorganer, og en termisk kompensationsmekanisme til styring af kuldemiddelstrømmen fra varmeveksleren og omfattende et justeringsorgan til indstilling af den termiske kompensationsmekanismes reaktion ved brug af forskellige kuldemidler, hvilket justeringsorgan er indeholdt i det cylindriske rør.

2 150668

Kendte cryogene kølere arbejder efter Joule-Thomson princippet, dvs. at et højtrykskuldemiddel gives anledning til at ekspandere og passere over en varmeveksler til afkøling af kuldemidlet i varmeveksleren til dets kogepunkt, i hvilke kølere der bl.a. har været anvendt en bælgaktiveret nåleventil som temperaturstyremekanisme. Bælgen indeholder et gasfyldt kammer. Når gassen i bælgkammeret afkøles, trækker bælgen sig sammen til lukning af ventilen.

Der er flere ulemper ved anvendelse af en bælgstyret ventilmekanisme. Bælgene i bælgmekanismen kan f.eks. lække gas og blive uvirksomme til styring af ventilen, der styrer tilgangen af kuldemidlet til ekspansionskammeret.

Fra USA patentskrift nr. 3 320 755 kendes der en cryogen køler, hvor temperaturreguleringen foretages ved hjælp af bimetalliske elementer, der er placeret lige ud for en ekspansionsdyse ved ekspansionskammeret, og som således reagerer på ændringer i temperaturen i kølerens kolde ende. Der kan således ikke opretholdes en konstant temperatur, men derimod stadig fluktuerende temperaturer.

Med opfindelsen tilsigtes denne ulempe afhjulet, så at der kan tilvejebringes en stabil temperatur.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved en ventilmekanisme, der er forbundet med varmeveksleren og den termiske kompensationsmekanisme, hvilken sidste er placeret på nedstrømssiden af den kolde ende af ekspansionskammeret på et forud valgt sted i hoveddelen til aktivering af ventilmekanismen ved en bestemt størrelse afhoveddelens temperaturgradient og uafhængigt af kuldemid-deltrykket ved den kolde ende.

Ved stigende temperatur vil ekspansionskammeret først reagere ved den varme ende af dette, hvorefter virkningen vil passere i retning mod den kolde ende. Idet den termiske kompensationsmekanisme er placeret på nedstrømssiden af den kolde ende af ekspansionskammeret, vil kompensationsmekanismen føle varmeforøgelsen, før denne når til den kolde ende og derved justere strømmen af kuldemiddel, så at den kolde ende holdes på den ønskede temperatur uden temperaturfluktuationer.

Opfindelsen forklares i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 er et isometrisk billede af en cryogen køler med en del bortskåret for at vise den cryogene køler ifølge opfindelsen mere detaljeret, 150668 3 fig. 2 et vandret billede, delvis i snit, af den cryogene køler med den termiske kompensationsmekanisme i inaktiv stilling, fig. 3 et tværsnit i den cryogene køler efter linien A-A i fig. 1, fig. 4 et delbillede af den cryogene køler med den termiske kompensationsmekanisme i lukket stilling, fig. 5 et delbillede i snit af indstillingsmekanismen på omdrejningsaksen for den termiske kompensationsmekanisme, og fig. 6 et delbillede, delvis i snit, af indstillingsmekanismen for omdrejningsaksen for den termiske kompensationsmekanisme i tilbagetrukket stilling.

I fig. 1 er der vist en cryogen køler 10, som f.eks. kan være en Joule-Thomson cryostat. Cryostaten 10 omfatter en trykkilde 12 for kuldemiddel, som i den foretrukne udførelsesform f.eks. kan være en luftflaske under tryk på ca. 420 at. En ledning 14 forbinder trykflasken 12 med et samlehus 16. Et langstrakt Dewarkar 18 og en væg i samlehuset 16 indeslutter den cryogene kølers ar-bejdsmekanisme 20, som beskrives mere indgående i det følgende, med den ene ende i tætnet indgreb med samlehuset 16. Rummet mellem det langstrakte Dewarkar 18 og arbejdsmekanismen 20 danner en del af et ekspansionskammer 22, som det også beskrives nærmere i det følgende. Ekspansionskammeret 22 er udluftet gennem et udluftning srør 24, der er fastgjort til samlehuset 16.

I fig. 2 er den cryogene køler i fig. 1 vist med udeladelse af kuldemiddelkilden 12 og det langstrakte Dewarkar 18 (fig. 1) for mere tydeligt at vise detaljerne af samlehuset 16 og kølerens arbejdsmekanisme 20. Samlehuset 16 (fig. 2) har en tilgangsport 26, der er koblet til kuldemiddelforsyningsrøret 14, og en afgangsport 28, der er forbundet med udluftningsrøret 24. I midten af samlehuset 16 er der en gevindskåret kanal 30, der er indrettet til at optage en justeringsskrue 32 tilhørende justeringsmekanisiren,. der beskrives nærmere i det følgende, for en termisk kompenseringsmekanisme. I samlehuset 16 er der en rille 34 til en O-ring, i hvilken rille Dewarkarret 18 anbringes. Den ringformede rille 34 til en O-ring er koncentrisk med den gevindskårne kanal 30.

I siden af samlehuset 16 er der en neddrejning 36, som er kon-; centrisk med den gevindskårne kanal 30 og er indrettet til at optage et cylindrisk rør 38. Neddrejningen 36 har en kanal svarende til den gevindskårne kanal 30 og danner en forlængelse af denne ind i det cylindriske rør 38.

4 150668 Kølerens arbejdsmekanisme 20 omfatter en varmeveksler 40, hvis ene ende er forbundet til tilgangsporten 26 i samlehuset. Varmeveksleren 4 0 kan f.eks. være et kobberrør med en skrueformet flange 42 i ét stykke med dette. Den skrueformede flange 42 virker som et varmedræn for varmeveksleren 40. Varmeveksleren 4 0 er snoet omkring det cylindriske rør 38 og afsluttes i en dyse 44 i en dyseblok 46. Dyseblokken 46 er f.eks. fortrinsvis en nikkelblok, der i tværsnit har form som en afskåret halvcirkel. Dyseblokken 46 har en slids 48, der er åben i to retninger, og som er udformet i enden af blokken modsat dysen 44. En tap 50 er lejret i dyseblokkens vægge, der danner slidsen 48, og en vinkelarm 52 er monteret drejelig på tappen 50. Vinkelarmen 52 har én arm 54, der strækker sig gennem en åbning i enden af dyseblokken 46 og er indrettet til lodret bevægelse inden i det cylindriske rør 38, årsagen forklares nærmere i det- følgende, og en anden arm 56, der strækker sig opefter gennem en åbning i den største flade side af dyseblokken 46 og er indrettet til hovedsagelig vandret bevægelse inden i en slids 58 i endedelen af et vandret element 60 af en nåleventilholder 62. Wåleventilholderens element 60 har et afskåret cirkulært tværsnit med sin største flade svarende til den største flade af dyseblokken 46, som den glider på som følge af bevægelser af vinkelarmen 52. Nåleholderelementet 60 bærer ved sin ende modsat den opslidsede ende et massivt cylindrisk element 64. For at formindske den termiske masse kan der være parallelle, lodrette sider ved at fjerne dele af det cylindriske element 64. Det afskårne cylindriske element 64 har en gevindskåret kanal 66, hvori en nåleventil 68 er monteret indstilleligt i gevindet. Nåleventilen 68 er placeret således, at den kan ligge an mod dysen 44 i dyseblokken 46. Det afskårne, halvcirkulære element 60 og det afskårne, cirkulære element 64 er fabrikeret af et egnet materiale, som f.eks. rustfrit stål.

Dysen i dyseblokken 46 er i forbindelse med ekspansionskammeret 22 (fig. 1). Ekspansionskammeret 22 omfatter området mellem det langstrakte Dewarkar og det cylindriske rør 38 og en del 70 (fig. 2) inden i det cylindriske rør, som det skal beskrives nærmere i det følgende.

Ekspansionskammeret omfatter således den kolde endedel mellem de lodrette ender af det cylindriske rør 38 og det langstrakte Dewarkar 18, delen mellem de vandrette vægge af det cylindriske 5

15066E

rør 38 og Dewarkarret 18, som omslutter varmeveksleren 40 foruden den indre del 70 af det cylindriske rør. Ekspansionskammeret afsluttes med en varm ende ved afgangsporten 28 i samlehuse 16. En stigende termisk gradient strækker sig langs ekspansionskammeret mellem den kolde og den varme ende. Ekspansionskammerets del 70 inden i det cylindriske rør 38 er i forbindelse med den del af ekspansionskammeret, der afgrænses af de vandrette vægge i det cylindriske rør 38 og det langstrakte Dewarkar 18 gennem åbninger 74 (fig. 3). Åbningerne 74 er placeret på et bestemt sted på nedstrømssiden fra den kolde ende af det cylindriske rør 38 i hovedsagen på overgangspunktet (mellem væske og gas) for det højeste tilførselstryk til indføring af afkølet kuldemiddel i delen 70 af ekspansionskammeret 22 i det cylindriske rør til afkøling af en termisk kompensationsmekanisme 76. Når tilførselstrykket falder, bevæger overgangspunktet sig nærmere til den kolde ende, og temperaturen af kompensations- eller styremekanismen 76 forøges, og den kraft, som denne udøver på nåleventilen 68, formindskes til forøgelse af kuldemiddelstrømmen til opretholdelse af temperaturen ved den kolde ende.

Den termiske kompensationsmekanisme 76 er placeret inden i det cylindriske rør 38 og omfatter et bimetalbånd 78, hvis ene ende er stift fastgjort til en halvcirkulær holder 80, der er fastgjort til indersiden af det cylindriske rør 38. Bimetalbåndet 78 består af to laminerede lag af metallegering, 82 og 84, med forskellige ekspansionskoefficienter. Passende legeringer er: til laget 82 en nikkellegering med lav udvidelseskoefficient, som sælges under varmemærket INVAR af Firth Sterling Co., og til laget 84 en legering med stor udvidelseskoefficient omfattende 72% magnesium, 18% kobber og 10% nikkel. En justeringsglider 86 har en del 88 med halvcirkulært tværsnit, hvis flade side svarer til bimetalbåndet 78 og bimetalholderen 80, og en endedel 90 med et cirkulært tværsnit svarende til indersiden af det cylindrisk rør 38. Den cirkulære endedel 90 af justeringsglideren 86 afsluttes i en tap 92. Et cylindrisk, bægerformet element 94 har sin åbne del fastgjort til tappen 92, og der er en kanal udformet i bunden af dette element. En stang 96 med en flangeformet ende er fastholdt i et holdeelement 98, der er monteret inden i det cylindriske bæger 94 og er fastgjort til justeringsskruen 32, der med sit gevind er monteret i kanalen 30 i samlehuset 16.

6 150668

Enden af bimetalbåndet 78, modsat holderen for bimetalbåndet 80, er indrettet til at indgribe med vinkelarmen 52.

Til betjening af mekanismen drejes skruen 32 (fig. 5) af den termiske kompensationsmekanisme således,at stangen 96 drejes til at bringe justeringsglideren 86 i rigtig stilling under bimetalbåndet 78. Enden af justeringsglideren 86 virker som et underlag, som bevirker indstilling af fleksibiliteten af bimetalbåndet 78 for opnåelse af den ønskede temperatur i den kolde ende fer det anvendte kuldemiddel. Som vist i fig. 5 føres det glidende underlagelement 88 fremefter til formindskelse af fleksibiliteten af bimetalbåndet 78, og som vist i fig. 6 trækkes det tilbage til forøgelse af bimetalbåndets fleksibilitet. Yderligere justering gennemføres ved hjælp af nåleventilen 68 til justering af stillingen af vinkelarmen 52 i forhold til bimetalbåndet 78. Åbningerne 74 placeres ved forsøg til-opnåelse af en placering, hvor temperaturen af kuldemidlet i ekspansionskammeret i hovedsagen kun påvirkes af temperaturen ved den kolde ende i stedet for af omgivelsernes temperatur ved den varme ende. Når justeringsglideren 86 og nåleventilen er rigtigt indstillet til tilvejebringelse af den ønskede temperatur ved den kolde ende af ekspansionskammeret, (f.eks. 77°K for en kviksølv-cadmium-tellur detektor) er den cryo-gene køler klar til brug til afkøling af et Dewarkar.

Under driften føres kuldemiddel fra kilden 12 gennem tilgangsporten i samlehuset 16, til varmeveksleren 40 og til dysen. Kuldemidlets tryk tvinger nåleholderen 62 tilbage, så at nåleventilen 68 løftes fra sædet. Slidsen 48 i dyseblokken virker som et stop for vinkelarmen 52 til begrænsning af udadgående bevægelse af nåleholderen. Med nåleventilen 68 løftet fra sædet træder kuldemidlet ind i den kolde ende af ekspansionskammeret, hvor det ved ekspansion afkøles til en væske og strømmer gennem ekspansionskammeret over varmeveksleren til udtagning af varme fra kuldemidlet, der passerer gennem varmeveksleren. Efterhånden som det flydende kuldemiddel strømmer videre, passeres overgangspunktet for den termiske gradient, og kuldemidlet træder som en gas ind i delen 70 af ekspansionskammeret 22 gennem åbningerne 74 til afkøling af bimetalbåndet 78. Når bimetalbåndet 78 afkøles som følge af temperaturen af kuldemidlet, afbøjes det til indgreb og nedtrykning af armen 54 af vinkelarmen 52. Når armen 54 af vinkelarmen 52 er nedtrykket, vil den anden arm 56 bevæge sig

Claims (2)

150668 mod den ene side af nåleholderens slids 58, så at nåleventilen 68 kommer til anlæg mod sit sæde i dysen 44 i dyseblokken 46 til afskæring af kuldemiddelstrømmen ind i ekspansionskammeret 22. Når gasstrømmen er afbrudt fra ekspansionskammeret, vil temperaturen af kuldemidlet i ekspansionskammeret forøges, og med forøgelsen i temperatur vil bimetalbåndet 78 vende tilbage til sin normale eller ikke udbøjede stilling. Efterhånden som kuldemiddeltilførslen aftager, aftager trykket, og mængden af kuldemiddel til afkøling forøges. Efterhånden som mængden af kuldemiddel til afkøling forøges, vil metalbåndet indstille sig svarende hertil, og den resulterende virkning af metalbåndet er sådan, at den arbejder ved aftagende tryk i kuldemiddelkilden. Efterhånden som kuldemidlet fortsætter mod nedstrømssiden til den varme ende af ekspansionskammeret, udluftes det til atmosfæren gennem udluftningsrøret 24, der er i forbindelse med afgangsporten i samlehuset 16.

1. Cryogen køler med i hovedsagen konstant ønsket temperatur og omfattende en kuldemiddelkilde (12), en varmeveksler (40), der er forbundet med kuldemiddelkilden, et ekspansionskammer (22), der har en kold ende, en hoveddel og en varm ende, og hvis indervæg udgøres af et cylindrisk rør (38), som bærer varmeveksleren (40), medens et langagtigt Dewarkar (18) i afstand fra indervæggen danner ekspansionskammerets ydervæg, hvorhos der er udluftede endelukkeor-ganer, og en termisk kompensationsmekanisme (76) til styring af kuldemiddelstrømmen fra varmeveksleren og omfattende et justeringsorgan til indstilling af den termiske kompensationsmekanismes reaktion ved brug af forskellige kuldemidler, hvilket justeringsorgan er indeholdt i det cylindriske rør (38), kendetegnet ved en ventilmekanisme (62), der er forbundet med varmeveksleren (40) og den termiske kompensationsmekanisme (76) , hvilken sidste er placeret på nedstrømssiden af den kolde ende af ekspansionskammeret på et forud valgt sted i hoveddelen til aktivering af ventilmekanismen ved en bestemt størrelse af hoveddelens temperaturgradient og uafhængigt af kuldemiddeltrykket ved den kolde ende.

2. Køler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det cylindriske rør (38) indeholder den termiske kompensationsmekanisme (76) i forbindelse med ekspansionskammeret (22), en nåleventilhol-der (62) og en dyseblok (46) med en dyse (44), hvis ender er i for-