EP0432583A1

EP0432583A1 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: EP0432583A1
Application number: EP90122816A
Authority: EP
Inventors: Uwe Dr. Hingst
Original assignee: Bodenseewerk Perkin Elmer and Co GmbH; Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1989-12-14
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1991-06-19
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: DE59003155D1; US5150579A; DE3941314A1; EP0432583B1

Abstract

Eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines schwenkbaren Detektors ist aufgebaut mit einem ersten Kühler (40) zum Kühlen des Detektors (80), wobei der erste Kühler (40) einen Entspannungsauslaß (52) aufweist, durch welchen unter seinen Inversionspunkt vorgekühltes, unter Druck stehendes Argon unter Abkühlung entspannt wird, und einen mit Methan arbeitenden zweiten Kühler (42), durch den eine Vorkühlung des Argons erzielbar ist. Der zweite Kühler (42) ist ein Joule-Thomson-Kühler mit einem Entspannungsauslaß (72), über welchen das unter Druck stehende Methan unter Abkühlung entspannt wird, und mit einem dem Entspannungsauslaß (72) vorgeschalteten Gegenstrom-Wärmetauscher (66), durch welchen das zugeführte Methan von dem abgekühlten, entspannten Methan vorkühlbar ist. Der erste Kühler (40) ist dagegen ein Expansionskühler mit einem Entspannungsauslaß (52) und einem dem Entspannungsauslaß (52) vorgeschalteten Wärmetauscher (51), in welchem das unter Druck stehende Argon nur in Wärmeaustausch mit dem entspannten und abgekühlten Methan ist. Das aus dem Entspannungsauslaß (52) des ersten Kühlers (40) austretende, entspannte und auf seinen Siedepunkt abgekühlte Argon wird gegen das zu kühlende Objekt (80) geleitet. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Objektes, enthaltend

(a) einen ersten Kühler zum Kühlen des Objekts, wobei der erste Kühler einen Entspannungsauslaß aufweist, durch welche ein unter seinen Inversionspunkt vorgekühltes, unter Druck stehendes erstes Gas unter Abkühlung entspannt wird, und
(b) einen mit einem zweiten Gas arbeitenden zweiten Kühler, durch den eine Vorkühlung des ersten Gases erzielbar ist.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Durch die GB-A-1 238 911 ist eine Kühlvorrichtung bekannt, bei welcher eine Kühlung durch die Entspannung eines unter Druck stehenden Gases durch eine Düse erreicht wird. Das Gas muß dabei vor der Entspannung auf einer Temperatur unterhalb seiner Inversionstemperatur sein. Die Kühlvorrichtung nach der GB-A-1 238 911 weist dabei zwei Kühler auf. In einem ersten Kühler wird ein erstes Gas von einer Druckgasquelle in gasförmiger Form über einen ersten Weg eines Gegenstrom-Wärmetauschers geleitet, durch die Düse entspannt und über einen zweiten Weg des Wärmetauschers im Gegenstrom zurückgeleitet. Damit wird das vorlaufende, unter Druck stehende Gas gekühlt. Der zweite Kühler bewirkt eine Vorkühlung des ersten Gases bevor dieses den Gegenstrom- Wärmetauscher des ersten Kühlers erreicht. Der zweite Kühler erhält dabei eine Flüssigkeit unter Druck, welche durch eine Düse in eine Kammer gesprüht wird. Dabei verdampft die Flüssigkeit, wodurch die Kühlwirkung des zweiten Kühlers erreicht wird. Der erste Kühler kühlt dabei ein Objekt in Form eines Infrarotdetektors.
Die DE-A1-36 42 683 beschreibt einen auf dem Joule-Thomson-Effekt beruhenden Kryostaten zur Kühlung eines Infrarotdetektors. Ein Gegenstrom-Wärmetauscher sitzt mit einer Vorlaufleitung in einem Dewar-Gefäß. Die Vorlaufleitung endet in einer Entspannungsdüse. Der Infrarotdetektor sitzt auf der Stirnwandung der Innenseite des Dewar-Gefäßes. Zur Verringerung der Wärmebelastung ist zwischen dem Dewar-Gefäß und einer Basis eine wärmeisolierende Schicht angeordnet. Zur Verbesserung der mit einem vorgegebenen Druckgasmassestrom erzielbaren Kühlleistung des Joule-Thomson-Prozesses wird ein Einlaßende der Vorlaufleitung durch Peltier-Elemente gekühlt.
Die DE-A-1 501 715 zeigt eine Einrichtung zum Verflüssigen von Gasen mit zwei Expansionskühlern, von denen eine erste mit Wasserstoff und ein zweiter mit Luft oder Stickstoff betrieben wird. Beide Expansionskühler sind dabei als Joule-Thomson-Kühler ausgebildet, d.h. enthalten einen Gegenstom-Wärmetauscher, in welchem das jeweilige expandierte und abgekühlte Gas mit dem vorlaufenden Gas in Wärmeaustausch tritt. Der durch den zweiten JouleThomson-Kühler erhaltene flüssige Stickstoff bzw. die flüssige Luft dienen zur Vorkühlung des Wasserstoffs in dem ersten Joule-Thomson-Kühler. Dadurch wird der Wasserstoff bis unter seine Inversionstemperatur abgekühlt. Der Stickstoff kann durch den Joule-Thomson-Kühler jedoch nur bis zu seinem Siedepunkt abgekühlt werden.
Eine ähnliche Anordnung zeigt die DE-A-1 501 106.
Die EP-A-0 271 989 beschreibt bei einem üblichen einstufigen Joule-Thomson-Kühler die Verwendung eines Kühlmittels in Form eines Gemisches aus Stickstoff, Argon oder Neon mit Methan, Ethan oder Propan unter Zusatz von verbrennungshemmenden Materialien wie Bromtrifluormethan.
Die DE-A-3 337 194, die DE-A-3 337 195, die GB-A-2 119 071 und die EP-A-0 234 644 zeigen die Verwendung einstufiger Joule-Thomson-Kühler zur Kühlung elektronischer oder opto-elektronischer Bauelemente.
Für kreiselstabilisierte Sucher mit einem bildauflösenden Detektor wird in der (nicht vorveröffentlichten) deutschen Patentanmeldung P 39 25 942.0 vorgeschlagen, den Sucher auf einem Träger anzuordnen, der zur Achse des Kreiselrotors und damit der optischen Achse des abbildenden optischen Systems ausgerichtet ist, so daß auch bei einem "Schielen" des Suchers die Ebene des flächigen Detektors stets senkrecht zu dieser optischen Achse ist. Dabei ergibt sich das Problem, den Detektor zu kühlen. Bei den zur Kühlung von Detektoren üblicherweise verwendeten Joule-Thomson-Kühlern ist ein Gegenstrom-Wärmetauscher vorgesehen, über welchen das entspannte und abgekühlte Gas zurückströmt, wobei das zuströmende Gas von dem zurückströmenden Gas vorgekühlt wird. Dabei muß das entspannte Gas möglichst vollständig für die Vorkühlung ausgenutzt werden. Gas- und Wärmeverluste sind zu vermeiden. Das läßt sich erreichen, wenn ein Detektor stationär in einem Dewar-Gefäß angeordnet ist. Es ergeben sich aber Schwierigkeiten, wenn der Detektor an einem beweglichen Träger angeordnet wird.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlleistung eines Kühlers bei im wesentlichen gleichem Gesamtgasverbrauch zu verbessern.
Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, einen Kühler zu schaffen, durch den ein Objekt gekühlt werden kann, ohne daß es notwendig ist, dieses Objekt stationär in einem Dewar-Gefäß anzuordnen.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen linearen oder flächigen Detektor in einem kreiselstabilisierten Sucher zu kühlen, in welchem der Detektor nach der optischen Achse des "schielenden" optischen Systems ausrichtbar ist.
Erfindungsgemäß werden die Aufgaben mit einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

(c) der zweite Kühler ein Joule-Thomson-Kühler ist mit einem Entspannungsauslaß, über welche das unter Druck stehende zweite Gas unter Abkühlung entspannt wird, und mit einem dem Entspannungsauslaß vorgeschalteten Gegenstrom-Wärmetauscher, durch welchen das zugeführte zweite Gas von dem abgekühlten, entspannten zweiten Gas vorkühlbar ist,
(d) der erste Kühler ein Expansionskühler ist mit einem Entspannungsauslaß und einem dem Entspannungsauslaß vorgeschalteten Wärmetauscher, in welchem das unter Druck stehende erste Gas nur in Wärmeaustausch mit dem entspannten und abgekühlten zweiten Gas ist, und
(e) das aus dem Entspannungsauslaß des ersten Kühlers austretende, entspannte und abgekühlte erste Gas gegen das zu kühlende Objekt geleitet wird.

Dabei erfolgt die Vorkühlung des durch den ersten Kühler abgekühlten Gases ausschließlich mittels des zweiten Kühlers. Für den zweiten Kühler kann ein Gas gewählt werden, das eine hohe Kühlwirkung liefert aber ggf. für die Kühlung des Detektors einen zu hohen Siedepunkt hat. Der erste Kühler arbeitet mit einem Gas mit niedrigem Siedepunkt, das nach Entspannung und Abkühlung nur auf das zu kühlende Objekt und dessen Umgebung geleitet wird und keine Vorkühlfunktion zu erfüllen braucht. Es läßt sich zeigen, daß der für eine vorgegebene Kühlleistung erforderliche Gesamtgasverbrauch an erstem und zweitem Gas nicht oder nur unwesentlich größer ist als der Gasverbrauch eines einzigen Joule-Thomson Kühlers.
Das erste Gas ist vorteilhafterweise Argon. Das zweite Gas kann Methan sein. Methan bringt eine gute Kühlleistung in einem Joule-Thomson-Kühler, die gewichtsbezogen etwa fünfmal höher ist als die mit Argon erreichbare Kühlleistung, besitzt jedoch einen relativ hohen Siedepunkt von 118 K. Das zweite Gas kann aber auch Freon (CF₄) sein. Freon liefert ebenfalls eine hohe Kühlleistung bei einem Siedepunkt von 145 bei Atmosphärendruck.
Das Objekt kann gegenüber dem Entspannungsauslaß des ersten Kühlers verschwenkbar und vorzugsweise ein Infrarotdetektor eines Suchers sein.
Eine vorteilhafte konstruktive Lösung besteht darin, daß ein an seinem objektseitigen Ende abgeschlossener Mantel vorgesehen ist, in dem Mantel objektseitig der Wärmetauscher des ersten Kühlers angeordnet ist, in dem Mantel auf der dem Objekt abgewandten Seite des Wärmetauschers des ersten Kühlers der Gegenstrom-Wärmetauscher des zweiten Kühlers angeordnet ist, von dem auslaßseitigen Ende des Gegenstrom-Wärmetauschers eine das zweite Gas führende Leitung durch den Wärmetauscher des ersten Kühlers hindurchgeführt ist, die zwischen diesem Wärmetauscher und dem geschlossenen Ende des Mantels in der Entspannungsöffnung des zweiten Kühlers endet, und von dem auslaßseitigen Ende des Wärmetauschers des ersten Kühlers eine das erste Gas führende Leitung ausgeht, welche durch das geschlossene Ende des Mantels hindurchgeführt ist und in dem Entspannungsauslaß des ersten Kühlers endet. Dabei kann der Mantel im Bereich des Wärmetauschers des ersten Kühlers einen geringeren Durchmesser haben als im Bereich des Gegenstrom-Wärmetauschers des zweiten Kühlers. Die Leitung von dem Wärmetauscher des ersten Kühlers zu dem Entspannungsauslaß des ersten Kühlers kann wärmeisoliert zu dem Objekt geführt sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig.1: zeigt schematisch einen konventionellen Joule-Thomson-Kühler in Verbindung mit einem Temperatur-Entropie-Diagramm von Argon zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung.
Fig.2: ist eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung mit einem zweiten Kühler zur alleinigen Vorkühlung des Gases in einem ersten Joule-Thomson-Kühler.
Fig.3: zeigt einen Längsschnitt durch eine konstruktive Ausführung der Kühlvorrichtung.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In Fig.1 ist schematisch ein konventioneller Joule-Thomson-Kühler 10 dargestellt. Druckgas, nämlich Argon, strömt aus einer Druckflasche 12 über einen Einlaß 14 zu dem Vorlaufweg 16 eines Gegenstrom-Wärmetauschers 18. Das Druckgas tritt durch eine Drossel oder Düse 20 in einen Entspannungsraum 22 aus. Dabei erfährt das Gas eine Abkühlung. Aus dem Entspannungsraum 22 fließt das entspannte und abgekühlte Gas über den Rücklaufweg 24 des Gegenstrom-Wärmetauschers 18 zurück und tritt an einem Auslaß 26 aus. In dem Gegenstrom-Wärmetauscher 18 wird das zuströmende Druckgas durch das rücklaufende Gas vorgekühlt. Mit 28 ist ein Infrarotdetektor bezeichnet, der durch den Joule-Thomson-Kühler 10 gekühlt werden soll. Der Infrarotdetektor 28 sitzt auf der Innenwandung 30 eines den Joule-Thomson-Kühler 10 umgebenden (nicht dargestellten) Dewar-Gefäßes.
Der Vorgang kann anhand des Temperatur-Entropie-Diagramms von Fig.1 erläutert werden. In dem Diagramm sind die an den verschiedenen Punkten des Joule- Thomson-Kühlers 10 herrschenden Zustände mit Buchstaben "a" bis "g" gekennzeichnet. Entsprechend sind in der schematischen Darstellung des Joule-Thomson-Kühlers 10 die zugehörigen Punkte markiert.
Das Druckgas ist am Eingang 14 auf einer Temperatur von etwa 350 K bei einem Druck von 500 bar. Das ist der Punkt "b" in dem Diagramm. Längs des Vorlaufweges 16 des Gegenstrom-Wärmetauschers 18 bleibt der Druck im wesentlichen konstant, jedoch sinkt die Temperatur durch die Vorkühlung mittels des rückströmenden Gases. Der Zustand ändert sich also zu dem Zustand "c" hin, der räumlich unmittelbar vor der Düse 20 herrscht längs einer Kurve 32 konstanten Drucks. An der Düse 20 erfolgt eine Entspannung des Gases. Der Zustand ändert sich in dem Diagramm längs einer Kurve 32 konstanter Enthalpie bis zum Punkt "d". Der Punkt "d" liegt auf der Naßdampfgeraden 34. Das Gas ist teilweise kondensiert, so daß ein Gemisch von Gas und Dampf auftritt. Die Temperatur bleibt dabei konstant. In den Rücklaufweg 24 des Gegenstrom-Wärmetauschers tritt Gas im Zustand "d'". Längs des Rücklaufweges 24 erwärmt sich das entspannte Gas wieder durch den Wärmeaustausch mit dem Druckgas im Vorlaufweg 16. Diese Erwärmung geschieht bei Atmosphärendruck, also P=1 bar. Der Zustand ändert sich also längs der Kurve 36 konstanten Druckes zum Punkt "a". Im Punkt "a" herrscht wieder die Umgebungstemperatur von etwa 350 K. Die Kühlleistung ist gegeben durch die Differenz der Enthalpien in den Punkten "a" und "b". Die Enthalpie im Punkt "b" ist gleich der Enthalpie im Punkt "e". Der Punkt "e" ist der Schnittpunkt der Kurve 36 konstanten Drucks mit der durch den Punkt "b" gehenden Kurve 38 konstanter Enthalpie.
Im Vergleich zu den im Gegenstrom-Wärmetauscher ausgetauschten Enthalpien ist die Enthalpiedifferenz zwischen den Punkten "a" und "e" recht gering.
In Fig.2 ist schematisch eine Kühlvorrichtung mit zwei Kühlern 40 und 42 dargestellt.
Der erste Kühler 40 wird mit Argon aus einem Argon-Druckgasbehälter 44 betrieben. Das Argon in dem Druckgasbehälter 44 hat Umgebungstemperatur und steht unter einem Druck von 200 bis 500 bar. Das Argon wird über ein Ventil 46 und eine gerade durch den Kühler 42 hindurchlaufende Leitung 48 zu einem Vorlaufweg 50 eines Wärmetauschers 51 des Kühlers 40 geleitet. Der erste Kühler 40 ist ein Expansionskühler mit einer Drossel 52. Die Drossel 52 ist mit dem Ausgang des Vorlaufweges 50 über eine Hochdruckleitung 54 verbunden. Die Hochdruckleitung 54 ist mit einer Wärmeisolation 56 versehen.
Der zweite Kühler 42 wird mit Methan CH₄ aus einem Methan-Druckgasbehälter 58 betrieben. Das Methan in dem Druckgasbehälter hat ebenfalls Umgebungstemperatur und steht unter einem Druck von 200 bis 350 bar. Das Methan wird über ein Ventil zu dem Eingang 62 eines Vorlaufweges 64 eines Gegenstrom-Wärmetauschers 66 des zweiten Kühlers 42 geleitet. Von dem Ausgang 68 des Vorlaufweges 64 des Gegenstrom-Wärmetauschers 66 geht eine Leitung 70 gerade durch den zweiten Kühler 40 hindurch zu einer Drossel 72. Die Drossel 72 sitzt an dem dem zweiten Kühler 42 abgewandten Ende des ersten Kühlers 40. Aus der Drossel 72 tritt das unter Hochdruck stehende Methan aus. Dabei entspannt sich das Methan und kühlt sich ab. Das entspannte und abgekühlte Methan fließt nun durch einen Rücklaufweg 74 des Wärmetauschers 51 des ersten Kühlers 40 im Gegenstrom zu dem vorlaufenden Argon. In dem ersten Kühler 40 wird also das Argon durch den entspannten Methan-Naßdampf vorgekühlt, nicht durch das entspannte Argon. Das entspannte Methangas fließt dann durch einen Rücklaufweg 76 des Gegenstrom-Wärmetauschers 66 des zweiten Kühlers 42. Hier wird das vorlaufende, unter Hochdruck stehende Methan durch das entspannte und abgekühlte Methan vorgekühlt. Das Methan tritt aus dem Rücklaufweg 76 an einem Auslaß 78 aus.
Das ausströmende Argon ist in einem Strahl auf einen Infrarotdetektor 80 gerichtet, der in einem beweglichen Träger 82 angeordnet ist. Das Argon tritt dann durch einen Durchbruch 84 aus dem Träger 82 aus.
Die beiden Kühler 40 und 42 sind von einem Mantel 86 umschlossen, der objektseitig durch eine Stirnwand 88 abgeschlossen ist. Die wärmeisolierte Hochdruckleitung 54 ist durch die Stirnwand 88 hindurchgeführt.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert:
Das Methan wird durch den Kühler 42 und die Drossel 72 in einem Joule-Thomson-Prozess bis auf den Siedepunkt des Methans abgekühlt. Es war schon oben erwähnt worden, daß das Methan eine wesentlich höhere Kühlleistung bringt als das Argon. Allerdings kann der Siedepunkt des Methans bei 118 K nicht unterschritten werden. In dem Mantel 86 bildet sich flüssiges Methan, wie bei 90 angedeutet ist. Durch den Wärmeaustausch mit dem Methan im Wärmetauscher 51 wird das Argon bis auf den Siedepunkt des Methans vorgekühlt. Der Zustand des Argons bewegt sich daher längs der Kurve 32 konstanten Drucks bis zum Punkt "f". Bei der Entspannung des Argons an der Drossel 52 gelangt der Zustand längs der Kurve 92 konstanter Enthalpie zum Punkt "g" auf der Naßdampfgeraden 34. Es tritt an der Drossel 52 ein Strahl mit einem Gemisch von gasförmigem und flüssigem Argon mit einer Temperatur von 87 K, dem Siedepunkt des Argons aus.
Dieses Argon braucht aber nicht wie bei dem Joule-Thomson-Prozess das vorlaufende, unter Druck stehende Argon vorzukühlen. Es verdampft, wobei sich der den Zustand darstellende Punkt längs der Naßdampfgeraden nach rechts zum Punkt "d"" bewegt. Dann erwärmt sich das Argon. Wenn das Objekt, also der Detektor 80, auf die Siedetemperatur des Argons, also 87 K abgekühlt ist, nimmt das sich erwärmende Argon dann natürlich keine Wärme mehr von dem Objekt auf. Das immer noch sehr Kalte Argon kann aber noch ausgenutzt werden, um die Umgebung des Detektors 80 und dessen Zuleitungen zu kühlen und damit die Wärmezufuhr zu dem Detektor 80 zu reduzieren. Die Kühlleistung wird aber bestimmt durch die Differenz der Enthalpien im Punkt "g" und im Punkt "d"". Diese ist um einen Faktor 2,5 höher als bei einem reinen Joule-Thomson-Prozess mit Argon, wie er im Zusammenhang mit Fig. 1 zum Vergleich beschrieben wurde. Diese höhere Kühlleistung gestattet eine Reduzierung der Gasströme, so daß trotz des zusätzlich erforderlichen Stromes von Methan die Gesamtmenge an Gas gleich oder sogar geringer ist als für einen konventionellen, nur mit Argon arbeitenden Kühler erforderlich ist. Auch brauchen die Gase bei dem beschriebenen Prozess nicht unter extrem hohen Drücken zu stehen.
Statt Methan kann auch Tetrafluorkohlenstoff CF₄ als Kühlgas verwendet werden. Dessen Siedepunkt liegt jedoch etwas höher, nämlich bei 145 K, wie in Fig. 1 dargestellt ist.
Fig.3 zeigt eine konstruktive Ausführung der Kühlvorrichtung. Der Aufbau der Kühlvorrichtung entspricht weitgehend der schematischen Darstellung von Fig.2. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig.2.
Ein Sockel 94 ist mit einem Flansch 96 an einer Struktur befestigbar. Durch den Sockel 94 sind Rohrleitungen 98 und 100 für Argon bzw. Methan geführt, die von den Druckgasbehältern 44 bzw. 58 zu den Kühlern 40 bzw. 42 geführt sind. In dem Sockel 94 ist eine Hülse 102 mit einem Fuß 104 gehaltert. Die Hülse 102 sitz koaxial in dem Mantel 86, der die Innenwandung eines Dewar-Gefäßes bilden aber auch einen Teil eines einfachen , wärmeisolierenden Gehäuses sein kann. Der Mantel 86 weist an seinem offenen Ende einen Abschnitt 106 von größerem Durchmesser und an seinem durch die Stirnwand 88 abgeschlossenen Ende einen Abschnitt 108 von kleinerem Durchmesser auf. Zwischen dem Abschnitt 106 des Mantels und der Hülse 102 ist ein Ringraum 110 gebildet.
In dem Ringraum 110 sitzt der Vorlaufweg 64 des Gegenstrom-Wärmetauschers 66. Der Vorlaufweg 64 des Gegenstrom-Wärmetauschers 66 ist von einem Rohr 112 gebildet, das sich wendelförmig um die Hülse 102 erstreckt. Das Rohr 112 ist mit Rippen 114 zur Verbesserung des Wärmeaustauschs versehen. Der Rücklaufweg 76 des Gegenstrom-Wärmetauschers 66 ist von dem Ringraum 110 gebildet. Über diesen Ringraum strömt das entspannte Methan ab. Das Rohr 112 endet in einer geraden Leitung 70 welche sich zentral durch den Abschnitt 108 des Mantels 86 erstreckt und dicht vor der Stirnwand 88 endet. Am Ende bildet die Leitung 70 eine Düse, welche die Drossel 72 (Fig.2) bildet. Das Rohr 112 ist mit der Rohrleitung 100 verbunden, wie in Fig.3 durch die gestrichelte Linie 116 angedeutet ist.
Die Rohrleitung 98 ist mit der Leitung 48 verbunden. Die Leitung 42 erstreckt sich gerade innerhalb der Hülse 102. Die Verbindung zwischen der Rohrleitung 98 und der Leitung 48 ist in Fig.3 durch eine gestrichelte Linie 118 angedeutet.
Der mit der Leitung 48 verbundene Vorlaufweg 50 des Argons ist von einem Rohr 120 gebildet. Das Rohr 120 ist innerhalb des Abschnitts 108 des Mantels 86 um die gerade Leitung 70 herum wendelförmig angeordnet. Das Rohr 120 ist ebenfalls mit Rippen 122 zur Verbesserung des Wärmeaustauschs versehen. In dem Abschnitt 108 sitzt eine Hülse 124, welche die Wendel des Rohres 120 umgibt und durch die Stirnwand 88 abgeschlossen ist. Das Rohr 120 ist mit einer Dichtung 126 abdichtend durch die Stirnwand 88 hindurchgeführt und geht in das wärmeisolierte Hochdruckrohr 54 über. Das Hochdruckrohr 54 endet in einer Düse, welche die DRossel 52 (Fig.2) bildet. Der Rücklaufweg 74 des ersten Kühlers 40 wird von dem Inneren der Hülse 124 gebildet. Durch diesen Strömt das Methan über das Argon führende Rohr 120 in Wärmeaustausch mit diesem. Dann strömt das entspannte Methan, wie durch Pfeil 128 angedeutet ist, in den Ringraum 110 und kühlt dann das Rohr 112 mit dem vorlaufenden Methan. In dem Abschnitt 108 im Wärmetauscher 51 liegt das Methan als Naßdampf teils flüssig teils gasförmig mit der Siedetemperatur des Methans vor. Beim Übergang von dem Abschnitt 108 in den Abschnitt 106 mit dem Ringraum 110 ist das Methan jedoch schon wieder gasförmig.

Claims

Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Objektes, enthaltend
(a) einen ersten Kühler (40) zum Kühlen des Objekts (80), wobei der erste Kühler (40) einen Entspannungsauslaß (52) aufweist, durch welchen ein unter seinen Inversionspunkt vorgekühltes, unter Druck stehendes erstes Gas unter Abkühlung entspannt wird, und

(b) einen mit einem zweiten Gas arbeitenden zweiten Kühler (42), durch den eine Vorkühlung des ersten Gases erzielbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

(c) der zweite Kühler (42) ein Joule-Thomson-Kühler ist mit einem Entspannungsauslaß (72), über welchen das unter Druck stehende zweite Gas unter Abkühlung entspannt wird, und mit einem dem Entspannungsauslaß (72) vorgeschalteten Gegenstrom-Wärmetauscher (66), durch welchen das zugeführte zweite Gas von dem abgekühlten, entspannten zweiten Gas vorkühlbar ist,

(d) der erste Kühler (40) ein Expansionskühler ist mit einem Entspannungsauslaß (52) und einem dem Entspannungsauslaß (52) vorgeschalteten Wärmetauscher (51), in welchem das unter Druck stehende erste Gas nur in Wärmeaustausch mit dem entspannten und abgekühlten zweiten Gas ist, und

(e) das aus dem Entspannungsauslaß (52) des ersten Kühlers (40) austretende, entspannte und abgekühlte erste Gas gegen das zu kühlende Objekt (80) geleitet wird.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet daß das erste Gas Argon ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas Methan ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas Freon ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (80) gegenüber dem Entspannungsauslaß (52) des ersten Kühlers (40) verschwenkbar ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Objekt (80) ein Infrarotdetektor eines Suchers ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) ein an seinem objektseitigen Ende abgeschlossener Mantel (86) vorgesehen ist,

(b) in dem Mantel (86) objektseitig der Wärmetauscher (51) des ersten Kühlers (40) angeordnet ist,

(c) in dem Mantel (86) auf der dem Objekt abgewandten Seite des Wärmetauschers (51) des ersten Kühlers (40) der Gegenstrom-Wärmetauscher (66) des zweiten Kühlers (42) angeordnet ist,

(d) von dem auslaßseitigen Ende des Gegenstrom-Wärmetauschers (66) eine das zweite Gas führende Leitung (70) durch den Wärmetauscher (51) des ersten Kühlers (40) hindurchgeführt ist, die zwischen diesem Wärmetauscher (51) und dem geschlossenen Ende des Mantels (86) in dem Entspannungsauslaß (72) des zweiten Kühlers (42) endet, und

(e) von dem auslaßseitigen Ende des Wärmetauschers (51) des ersten Kühlers (40) eine das erste Gas führende Leitung (54) ausgeht, welche durch das geschlossene Ende des Mantels (86) hindurchgeführt ist und in dem Entspannungsauslaß (52) des ersten Kühlers (40) endet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet daß der Mantel (86) im Bereich des Wärmetauschers (51) des ersten Kühlers (40) einen geringeren Durchmesser hat als im Bereich des Gegenstrom-Wärmetauschers (66) des zweiten Kühlers (42).
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß
(a) in dem Abschnitt (106) mit größerem Durchmesser des Mantels (86) konzentrisch zu dem Mantel eine Hülse (102) angeordnet ist, welche auf der Seite des offenen Endes des Mantels (86) abgeschlossen ist und mit dem Mantel (86) einen Ringraum (110) bildet,

(b) der Vorlaufweg (64) des Gegenstrom-Wärmetauschers (66) von einem gewendelten, mit Rippen (114) versehenen Rohr (112) gebildet ist, das in dem Ringraum (110) um die Hülse (102) herum angeordnet ist, und

(c) der Rücklaufweg (76) des Gegenstrom-Wärmetauschers (66) von dem Ringraum (110) gebildet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß
(d) die zur Einlaßseite des Vorlaufweges (50) des Wärmetauschers (51) des ersten Kühlers (40) führende, gerade Leitung (42) innerhalb der Hülse geführt ist,

(e) der Vorlaufweg (50) des Wärmetauschers (51) des ersten Kühlers (40) von einem gewendelten, mit Rippen (122) versehenen Rohr (120) gebildet ist, das innerhalb des Abschnitts (108) mit geringerem Durchmesser des Mantels (86) angeordnet ist, und

(f) die das zweite Gas unter Druck führende gerade Leitung zentral durch die von dem Rohr (120) gebildete Wendel hindurchgeführt ist und an ihrem Ende dicht vor einer den Mantel (86) abschließenden Stirnwand (88) den Entspannungsauslaß (72) bildet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das auslaßseitige Ende des Rohres (120) in eine durch die Stirnwand (88) hindurchgeführte, wärmeisolierte Hochdruckleitung (54) übergeht, die zu dem Objekt geführt ist und in dem Entspannungsauslaß (52) des ersten Kühlers (40) endet.