EP1356243B1 - Kaltteil eines kryokühlers mit verbesserter wärmeübertragung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kaltteil eines Kryokühlers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher kaltteil ist aus Dokument
• US-A-5 113 662 Schon bekannt.
• Zur Kühlung elektronischer Bauteile - wie z.B. Infrarot Detektoren -werden häufig Miniaturkühler verwendet, die nach dem Stirling Prinzip arbeiten. Diese Miniaturkühler verwenden einen motorgetriebenen Kompressor, um eine zyklische Änderung des Arbeitsvolumen eines unter Druck stehenden, gasförmigen Kältemittels zu erzeugen. Das Kältemittel durchströmt als Teil des Arbeitsvolumens einen geschlossenen Zylinder des Kaltteils, den sogenannten Kaltfinger. Innerhalb des Kaltfingers befindet sich ein kolbenförmiger Regenerator, der an beiden Enden Öffnungen aufweist, durch die das Kältemittel hindurchströmen kann. Der Regenerator bewegt sich je nach Bauart mit einer Phasenverschiebung von ca. 45-90° zu den Kolben des Kompressors. Das Kältemittel passiert den Regenerator in wechselnden Richtungen. Dabei strömt es von der Kompressorseite des Kaltfingers durch den Regenerator in den Expansionsraum und wieder zurück. Bei dieser zyklischen Bewegung des Regenerators und des Kältemittels wird an der Kompressorseite des Kaltfingers Wärme an die Umgebung abgegeben und der Expansionsseite des Kaltfingers Wärme entzogen. Das zu kühlende Objekt, im Allgemeinen ein elektronisches Bauteil, wird auf der Außenseite des kalten Endes des Kaltfingers so angeordnet, dass die Wärmeenergie des Bauteils durch die Außenwand des Kaltfingers an das Kältemittel abgegeben wird.
• Um eine effektive Kühlung des Objektes zu erreichen, ist es notwendig den Wärmewiderstand zwischen Kältemittel und der stirnseitigen Außenwandfläche des kalten Endes des Kaltfingers zu minimieren. Betrachtet man die der Wärmeübertragung Q̇ zwischen Außenwandfläche und Kältemittel zugrundeliegende Beziehung: $$\dot{Q}=\alpha \cdot \Delta T\cdot A$$

  

  wobei: $$\left[\alpha \right]=\frac{W}{m^2\cdot K}$$

  

  so erkennt man, dass bei konstanter Temperaturdifferenz (delta T) entweder die vom Material abhängige Konstante (alpha) oder die Fläche (A) vergrößert werden muss, um die Wärmeübertragung Q̇ zu verbessern. Das Material der Außenwand ist üblicherweise so gewählt, dass die Konstante Alpha nicht weiter verbessert werden kann. Die konstruktive Vergrößerung der Fläche zieht aber i.A. eine nicht erwünschte Vergrößerung des Volumens des Expansionsraums mit sich.
• Es ist Aufgabe der Erfindung ein Kaltteil eines Kryokühlers anzugeben, bei dem die am Wärmeübergang beteiligte Fläche bei nahezu unverändertem Volumen des Expansionsraum wirksam vergrößert ist.
• Diese Aufgabe wird durch ein Kaltteil eines Kryokühlers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Vorteilhafte Ausgestaltung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
• Bei einem Kaltteil eines Kryokühlers mit einem kolbenförmigen Regenerator, der an beiden Enden Öffnungen aufweist, durch die ein Kältemittel durchströmen kann, und einem geschlossenen Zylinder, in dem sich der Regenerator zyklisch mit einer oberen und unteren Lage bewegt, mit einem stirnseitig angeordneten Wärmeübertrager, ist es vorgesehen, die Innenseite des Wärmeübertragers und das dem Wärmeübertrager zugewandte Ende des Regenerators so zu berippen, dass die Berippungen in der oberen Lage des Regenerators ineinander greifen.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Berippungen des Wärmeübertragers und des Regenerators einen Trapezförmigen Querschnitt auf
• Kurze Beschreibung der Figuren:

Figur 1

zeigt einen Split Stirling Kühler im Querschnitt.

Figur 2

zeigt das kalte Ende des Kaltteils im Detail.

• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Figuren erläutert.
• Die Figur 2 zeigt das kalte Ende 7 des Kaltteils 3 des Split Stirling Kühlers 1 der Figur 1 im Detail.
• Wie oben bereits erwähnt erzeugt ein motorgetriebenen Kompressor 2 eine zyklische Änderung des Arbeitsvolumen eines unter Druck stehenden, gasförmigen Kältemittels 11. Eine Verbindungsleitung 4 verbindet den Kompressor des Split-Stirling Kühlers mit dem Kaltteil 3. Bei anderen Baurten von Kryokühlern können Kompressor und Kaltteil auch baulich vereint sein. Das Kältemittel 11 durchströmt als Teil des Arbeitsvolumens einen geschlossenen Zylinder des Kaltteils, den sogenannten Kaltfinger 3. Innerhalb des Kaltfingers 3 befindet sich ein kolbenförmiger Regenerator 5, der an beiden Enden Öffnungen aufweist, durch die das Kältemittel 11 hindurchströmen kann. Der Regenerator 5 bewegt sich je nach Bauart mit einer Phasenverschiebung von 45 bis 90° zu den Kolben 12 des Kompressors 2 im Zylinder des Kaltfingers 3 und veranlasst damit das Kältemittel 11 den Regenerator 5 in wechselnden Richtungen zu passieren. Das Kältemittel 11 strömt also von der Kompressorseite 8 des Kaltfingers durch den Regenerator 5 in einen Expansionsraum 6 und wieder zurück. Bei dieser zyklischen Bewegung des Regenerators 5 und des Kältemittels 11 wird die Kompressorseite 8 des Kaltfingers 3 wärmer als die Umgebung und die Expansionsseite 7 des Kaltfingers kälter als die Umgebung. Das Kältemittels entzieht der Expansionsseite 7 des Kaltfingers Wärme und gibt sie an der Kompressorseite des Kaltfingers an die Umgebung ab. Das zu kühlende Objekt, beispielsweise ein elektronisches Bauteil, wird auf der Außenseite des kalten Endes des Kaltfingers so angeordnet, dass ein Wärmestrom vom Objekt durch die Außenwand des Kaltfingers vom Kältemittel aufgenommen wird. Hierzu ist der Zylinder des Kaltteils auf der Seite des Expansionsraums mit einem Wärmeübertrager 10 stirnseitig abgeschlossen.
• Um die effektive Fläche für den Wärmestrom zu vergrößern, sind an der Innenseite des Wärmeübertragers 10 und der dem Wärmeübertrager zugewandte Ende des Regenerators 5 Berippungen 9, 13 angebracht. Die Form der Berippung 9, 13 ist so gewählt, dass die Berippung 9 am Ende des Regenerators und die Berippung 13 an der Innenseite des Wärmeübertragers in der expansionsseitigen Endlage des Regenerators 5, d. h. wenn der Regenerator 5 die kleinste Entfernung zum Wärmeübertrager 10 einnimmt, ineinandergreifen, sich aber nicht berühren. Dadurch wird vermieden, dass das zwischen der Innenseite des Wärmeübertragers 10 und dem Ende des Regenerators 5 eingeschlossene Volumen des Kältemittels 11 vergrößert und so der Wirkungsgrad wieder herabsetzt würde. Mit anderen Worten: die für den Wärmestrom effektive Fläche des Wärmeübertragers 10 wird durch die Berippung wirksam vergrößert, ohne dabei das zwischen der Innenseite des Wärmeübertragers 10 und dem Ende des Regenerators 5 eingeschlossene Volumen des Kältemittels 11 ebenfalls zu vergrößern.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Querschnitte der Berippungen 9, 13 trapezförmig ausgeformt. Damit wird eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragung erzielt.
• Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung mit einem Split Stirling Kühler beschränkt. Auch für andere Kryokühler, die ein Kaltteil mit Regeneratorkolben aufweisen, ist die Erfindung geeignet

Claims (2)

1. Kaltteil (3) eines Kryokühlers (1) mit

   • einem kolbenförmigen Regenerator (5), der an beiden Enden Öffnungen aufweist, durch die ein Kältemittel (11) durchströmen kann,

   • einem geschlossenen Zylinder, in dem sich der Regenerator (5) zyklisch mit zwischen einer kompressorseitigen und eine expansionsseitigen Endlage bewegt, mit einem stirnseitig angeordneten Wärmeübertrager (10),

   dadurch gekennzeichnet, dass

   • die Innenseite des Wärmeübertragers (10) und das dem Wärmeübertrager zugewandte Ende des Regenerators so berippt sind, dass die Berippungen (9, 13) in der expansionsseitigen Endlage des Regenerators (5) ineinander greifen, sich aber nicht berühren.
2. Kaltteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berippungen (9, 13) des Wärmeübertragers (10) und des Regenerators (5) einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

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