EP2593735B1

EP2593735B1 - Cooling apparatus

Info

Publication number: EP2593735B1
Application number: EP11738939.5A
Authority: EP
Inventors: Johannes Wild
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: US20130205826A1; AT510064A1; ES2717632T3; AT510064B1; WO2012006645A3; CY1121387T1; US9851126B2; PL2593735T3; EP2593735A2; HUE041997T2; LT2593735T; WO2012006645A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung mit einem geschlossenen Kühlkreislauf zum Kühlen von Objekten auf semi-kryogene bzw. kryogene Temperaturen von 230 K bis 80 K umfassend einen Kompressor zum Komprimieren eines Kühlmittels, dem das Kühlmittel in gasförmigem Zustand zugeführt ist und aus dem das Kühlmittel in verdichtetem gasförmigen Zustand austritt, einen dem Kompressor nachgeschalteten Nachkühler, einen Gegenstromwärmetauscher umfassend eine Zu- und eine Rückleitung, die derart angeordnet sind, dass das verdichtete Kühlmittel in der Zuleitung unter Erwärmung des durch die Rückleitung fließenden entspannten Kühlmittels verflüssigbar ist, und einen mit der Zu- und der Rückleitung in Verbindung stehenden, vom Kühlmittel durchströmten Kühlkopf, in dem das Kühlmittel verdampft.
Eine derartige Kühlvorrichtung ist beispielsweise dem Dokument EP 650574 A1 zu entnehmen. Die Dokumente WO 97/33671 A1 und WO 02/01123 A1 offenbaren Kühlvorrichtungen mit geschlossenen Kühlkreislauf zum Kühlen von Objekten auf semi-kryogene bzw. kryogene Temperaturen. In kommerziellen Kühlsystemen werden der Gegenstromwärmetauscher und der Kühlkopf zu einer baulichen Einheit zusammengefasst und in einer Vakuumkammer angeordnet, in der auch das zu kühlende Objekt platziert wird. Der in der Vakuumkammer angeordnete Gegenstromwärmetauscher wird dabei über flexible Gaszuleitung in den Kühlkreislauf eingebunden. Da sich das Kühlmittel in den flexiblen Gaszuleitungen auf Raumtemperatur befindet und erst in der Vakuumkammer auf semi-kryogene bzw. kryogene Temperaturen gebracht wird, entfällt das Erfordernis der Isolierung dieser Leitungen. Die mit dem Transport von auf semi-kryogene bzw. kryogene Temperaturen gekühltem Kühlmittel über flexible Leitungen verbundenen Probleme, wie z.B. das Vereisen, die Entstehung von Kondenswasser sowie das Auftreten von Wärmeverlusten, werden somit vermieden. Der Nachteil liegt aber darin, dass die Geräte eine große Vakuumkammer benötigen, die für viele Prozesse unerwünscht oder gar unbrauchbar ist. Die in solchen Geräten verwendeten Wärmetauscher sind in der Regel nämlich mehrere Meter lang und werden in einer Spirale gewickelt, um eine gewisse Kompaktheit des Kühlkopfes mit dem Wärmetauscher zu erreichen. Nichtsdestotrotz sind die Wärmetauscher schon bei kleinen Leistungen (z.B. -130°C bei 30W) relativ groß (ca. 200mm hoch mit einem Durchmesser von 80mm). Weiters erfordert ein solches Kühlungssystem ein gutes Vakuumsystem, da das Volumen der Vakuumkammer dementsprechend groß sein muss. Bei bestehenden Geräten (z.B. Polycold-Cryotiger), die das Mixed Gas Joule Thomson Verfahren nützen (siehe EP 650574 A1 ) und den Gegenstromwärmetauscher mit Kühlkopf in der Vakuumkammer haben, geht eine Erhöhung der Kühlleistung mit einer deutlichen Vergrößerung des Wärmetauschers einher. Insbesondere bei höheren Kühlleistungen (ca. >50W) sind solche Geräte wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll bzw. unattraktiv, insbesondere für wissenschaftliche Anwendungen (z.B. Hochleistungs-Laserverstärker, z.B. 150W bei 130K, Laserkristalle mit Abmessungen von z.B. 3mmx6mm), bei denen kleine Vakuumkammern erwünscht sind.The invention relates to a cooling device with a closed cooling circuit for cooling objects to semi-cryogenic temperatures of 230 K to 80 K, comprising a compressor for compressing a coolant to which the coolant is supplied in the gaseous state and from which the coolant in compressed gaseous state exits, an aftercooler downstream of the compressor, a countercurrent heat exchanger comprising a supply and a return line, which are arranged such that the compressed refrigerant in the supply line is liquefied while heating the expanded refrigerant flowing through the return line, and one with the Zu- and the return associated, cooled by the coolant cooling head in which the coolant evaporates.
Such a cooling device is for example the document EP 650574 A1 refer to. The documents WO 97/33671 A1 and WO 02/01123 A1 disclose closed circuit cooling devices for cooling objects to semi-cryogenic temperatures. In commercial cooling systems, the countercurrent heat exchanger and the cooling head are combined to form a structural unit and placed in a vacuum chamber in which the object to be cooled is also placed. The arranged in the vacuum chamber countercurrent heat exchanger is integrated via flexible gas supply into the cooling circuit. Since the coolant in the flexible gas supply lines is at room temperature and only in the vacuum chamber is brought to semi-cryogenic or cryogenic temperatures, eliminating the need for the isolation of these lines. The problems associated with the transport of refrigerants cooled to semi-cryogenic or cryogenic temperatures via flexible lines, such as icing, the formation of condensation water and the occurrence of heat losses, are thus avoided. The disadvantage, however, lies in the fact that the devices require a large vacuum chamber suitable for Many processes are undesirable or even unusable. The heat exchangers used in such devices are usually several meters long and are wound in a spiral in order to achieve a certain compactness of the cooling head with the heat exchanger. Nevertheless, the heat exchangers are relatively large even at low power (eg -130 ° C at 30W) (about 200mm high with a diameter of 80mm). Furthermore, such a cooling system requires a good vacuum system, since the volume of the vacuum chamber must be correspondingly large. For existing devices (eg Polycold Cryotiger) that use the Mixed Gas Joule Thomson method (see EP 650574 A1 ) and have the countercurrent heat exchanger with the cooling head in the vacuum chamber, is an increase in the cooling capacity associated with a significant increase in the heat exchanger. In particular, at higher cooling capacities (about> 50W) such devices are no longer economically useful or unattractive, especially for scientific applications (eg high power laser amplifiers, eg 150W at 130K, laser crystals with dimensions of eg 3mmx6mm) where small vacuum chambers are desired ,

Die Erfindung zielt daher darauf ab, eine Kühlvorrichtung derart zu verbessern, dass eine Abkühlung eines Objekts in effizienter Weise auf möglichst tiefe semi-kryogene bzw. kryogene Temperaturen gelingt, wobei die Vakuumkammer gleichzeitig möglichst klein und handlich ausgebildet sein soll und zugleich eine wesentliche Leistungssteigerung erzielt werden soll (z.B. statt 30W/140K, 200W/140K). Weiters sollen die Verluste beim Transport des Kühlmittels möglichst gering gehalten werden.The invention therefore aims to improve a cooling device such that a cooling of an object in an efficient manner to the lowest possible semi-cryogenic or cryogenic temperatures succeeds, the vacuum chamber should be designed as small and handy as possible and at the same time achieves a significant increase in performance should be (eg instead of 30W / 140K, 200W / 140K). Furthermore, the losses during transport of the coolant should be kept as low as possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß im Wesentlichen dahingehend weitergebildet, dass der Kühlkopf in einer mit einer Unterdruckquelle verbindbaren Vakuumkammer angeordnet ist, die über flexible Verbindungsleitungen mit der Zu- und der Rückleitung des Gegenstromwärmetauschers verbunden ist, sodass der Gegenstromwärmetauscher außerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist. Die Erfindung beruht also auf der Idee, das herkömmliche Mixed JT-Verfahren zu nutzen und den Prozess der Verflüssigung des Kühlmittels mittels des Gegenstromwärmetauschers abgetrennt von der Vakuumkammer durchzuführen. Die Verflüssigung des Kühlmittels erfolgt somit außerhalb der Vakuumkammer, wobei das verflüssigte Kühlmittel der Vakuumkammer über flexible Verbindungsleitungen zugeführt wird. Dabei ist lediglich dafür Sorge zu tragen, dass der Wärmetauscher und die Verbindungsleitungen in geeigneter Weise thermisch isoliert sind. Der Wärmetauscher kann beispielsweise mit Hilfe einer eigenen Vakuumkammer mit Vakuumpumpe oder einfacher mittels Dämmstoffen aus expandiertem Polystyrol (EPS), Dämmstoffen aus extrudiertem Polystyrol (XPS), Dämmstoffen aus Polyurethan (PUR) oder mittels einer Vakuumdämmplatte (VIP) isoliert werden. Da die Kühlleistungen auf Grund der erfindungsgemäßen Ausbildung vervielfacht werden können, spielen Verluste auf Grund einer allenfalls schlechteren Isolierung des Wärmetauschers nur eine untergeordnete Rolle. Es wurden z.B. Leistungen auf einem Kühlkopf mit (Zylinder: H 35mm x D 35mm) 300W/140K realisiert. Dies entspricht einer Verzehnfachung der Kälteleistung bei einer Volumenverkleinerung um das ca. 30fache. Zur besseren thermischen Isolierung, insbesondere bei tieferen Temperaturen kann in die Isolierung des Wärmetauschers eine temperaturstrahlungsreflektierende Schicht aus Aluminiumfolie oder gleichwertigem Material eingebracht werden. Es ergibt sich dabei beispielsweise ein Schichtaufbau EPS, Aluminiumfolie, EPS, Aluminiumfolie,...To solve this problem, the cooling device of the type mentioned is according to the invention substantially further developed in that the cooling head is arranged in a connectable to a vacuum source vacuum chamber, the flexible Connecting lines is connected to the inlet and the return line of the countercurrent heat exchanger, so that the countercurrent heat exchanger is arranged outside the vacuum chamber. The invention is thus based on the idea of using the conventional mixed-JT process and carrying out the process of liquefying the coolant by means of the countercurrent heat exchanger separated from the vacuum chamber. The liquefaction of the coolant thus takes place outside the vacuum chamber, wherein the liquefied coolant is supplied to the vacuum chamber via flexible connecting lines. It is only necessary to ensure that the heat exchanger and the connecting lines are suitably thermally insulated. The heat exchanger can be isolated, for example, by means of its own vacuum chamber with vacuum pump or more easily by means of expanded polystyrene (EPS), extruded polystyrene (XPS) insulation, polyurethane (PUR) insulation or by means of a vacuum insulation panel (VIP). Since the cooling performance can be multiplied due to the formation of the invention, losses due to a possibly worse insulation of the heat exchanger play only a minor role. For example, performances were realized on a cooling head with (cylinder: H 35mm x D 35mm) 300W / 140K. This corresponds to a tenfold increase in cooling capacity with a reduction in volume of approximately 30 times. For better thermal insulation, in particular at lower temperatures, a temperature radiation-reflecting layer of aluminum foil or equivalent material can be introduced into the insulation of the heat exchanger. This results, for example, in a layer structure EPS, aluminum foil, EPS, aluminum foil, ...

Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausbildung ergibt sich die Möglichkeit, das Kühlaggregat und den Kühlkopf als funktional voneinander getrennte Einheiten auszubilden, sodass im Kühlkopf selbst keine großbauenden Komponenten des Kühlaggregats, wie beispielsweise ein Gegenstromwärmetauscher od. dgl., angeordnet werden müssen. Dies ermöglicht es weiters, ein den jeweiligen Bedürfnissen entsprechendes Kühlaggregat mit der jeweils erforderlichen Kühlleistung vorzusehen, ohne dass der Kühlkopf in irgendeiner Weise angepasst werden muss und ohne dass die Handhabbarkeit des Kühlkopfes in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird.
Eine besonders einfache Handhabbarkeit wird dadurch gewährleistet, dass der Kompressor, der Nachkühler und der Gegenstromwärmetauscher gemeinsam in einem Standgerät angeordnet sind, dessen Gehäuse eine Durchführung für die den Gegenstromwärmetauscher mit der Vakuumkammer verbindenden Verbindungsleitungen aufweist.
Wesentlich beim Mixed Gas Joule Thomson Kühlaggregat ist, dass der Kühler unter Zwischenschaltung eines Drosselorgans mit der Zuleitung des Gegenstromwärmetauschers in Verbindung steht, damit die nötige Druckreduktion des Kältemittels erfolgt und das verflüssigte Kühlmittel im Kältekopf verdampfen kann. Eine besonders vorteilhafte Konstruktion sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die die Zuleitung des Gegenstromwärmetauschers mit dem Kühlkopf verbindende Verbindungsleitung das Drosselorgan bildet.
Um die thermischen Verluste beim Transport des Kühlmittels durch die Verbindungsleitungen zu minimieren, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Verbindungsleitungen eine Vakuumisolierung aufweisen. Bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass die Vakuumkammer und die Vakuumisolierung der Verbindungsleitungen miteinander unmittelbar in Verbindung stehen und mit einer gemeinsamen Unterdruckquelle verbindbar sind. Dies hat den Vorteil, dass das Vakuumsystem der Vakuumkammer genutzt wird, um in geeigneter Form das Kältemittel auf dem Transport zwischen der Vakuumkammer bzw. dem Kühlkopf und dem Kühlreservoir zu isolieren und eine Vakuumdurchführung zu gestalten. In der Vakuumkammer selbst befindet sich der an den Verbindungsleitungen angebrachte Kühlkopf (z.B. aus Kupfer), durch welchen das Kältemittel (z.B. flüssiger Stickstoff) von den Verbindungsleitungen kommend geleitet wird. Dabei wird die bestehende Vakuumkammer um das relativ geringe Volumen der Vakuumisolierung der Verbindungsleitungen erweitert und gleichzeitig eine Vakuumverbindung zwischen der Vakuumisolierung der Verbindungsleitungen und der Vakuumkammer geschaffen. Somit wird das Problem der Vakuumdurchführung und die Isolation der Verbindungsleitungen mit geringem Aufwand und Kosten gelöst. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Vakuumkammer eine Durchführung für die Verbindungsleitungen aufweist, die derart gestaltet ist, dass der Hohlraum der Vakuumisolierung der Verbindungsleitungen mit dem Innenraum der Vakuumkammer in Verbindung steht.Due to the construction according to the invention, there is the possibility to form the cooling unit and the cooling head as a functionally separate units, so that in the cooling head itself no bulky components of the cooling unit, such as For example, a countercurrent heat exchanger od. Like., Must be arranged. This makes it possible, furthermore, to provide a cooling unit, which corresponds to the respective requirements, with the required cooling power in each case, without the cooling head having to be adapted in any way and without the handling of the cooling head being impaired in any way.
A particularly simple handling is ensured by the fact that the compressor, the aftercooler and the countercurrent heat exchanger are arranged together in a stand-alone unit, whose housing has a passage for connecting the countercurrent heat exchanger with the vacuum chamber connecting lines.
Essential in the case of the Mixed Gas Joule Thomson refrigeration unit is that the radiator, with the interposition of a throttle element, is connected to the supply line of the countercurrent heat exchanger so that the necessary pressure reduction of the refrigerant takes place and the liquefied coolant can evaporate in the refrigeration head. A particularly advantageous construction in this context provides that the connecting line connecting the supply line of the countercurrent heat exchanger with the cooling head forms the throttle element.
In order to minimize the thermal losses during transport of the coolant through the connecting lines, it is provided according to a preferred development of the invention that the connecting lines have a vacuum insulation. Preferably, it can be provided that the vacuum chamber and the vacuum insulation of the connecting lines are in direct contact with each other and can be connected to a common vacuum source. This has the advantage that the vacuum system of the vacuum chamber is used to suitably the refrigerant to isolate on the transport between the vacuum chamber or the cooling head and the cooling reservoir and to make a vacuum feedthrough. In the vacuum chamber itself is located on the connecting lines mounted cooling head (eg copper) through which the refrigerant (eg liquid nitrogen) is coming from the connecting lines coming. In this case, the existing vacuum chamber is expanded by the relatively small volume of the vacuum insulation of the connecting lines and at the same time created a vacuum connection between the vacuum insulation of the connecting lines and the vacuum chamber. Thus, the problem of the vacuum feedthrough and the insulation of the connecting lines is achieved with little effort and expense. It is preferably provided that the vacuum chamber has a passage for the connecting lines, which is designed such that the cavity of the vacuum insulation of the connecting lines is in communication with the interior of the vacuum chamber.

Am anderen Ende der Verbindungsleitungen, d.h. auf der Seite des Kältereservoir, wird die kältemittelführende Leitung aus der Vakuumisolierung, wie auch bei aus dem Stand der Technik bekannten vakuumisolierten Rohren geeignet herausgeführt. Dabei ist insbesondere auf die Wärmeleitfähigkeit des Hüllrohres der Vakuumisolierung und der Wärmeübertragungsfläche zu achten. Auf eine gute Vakuumverschweißung beim Übergang ist ebenso zu achten. Dieser Übergang, der geringe Wärmeübertragungsverluste verursachen sollte, kann durch herkömmliche Isolationsmittel gegen Kondenswasser oder Eis zusätzlich geschützt werden.At the other end of the connection lines, i. on the side of the cold reservoir, the refrigerant-carrying pipe is appropriately led out of the vacuum insulation, as well as vacuum-insulated pipes known from the prior art. It is particularly important to pay attention to the thermal conductivity of the cladding tube of the vacuum insulation and the heat transfer surface. A good vacuum welding during the transition is also important. This transition, which should cause low heat transfer losses, can be further protected by conventional insulation against condensation or ice.

Auf Grund der beschriebenen Ausbildung ist es nun möglich, äußerst effizient, platzsparend (volumensparend), je nach Dimensionierung des jeweiligen Kühlaggregats beliebige Kälteleistungen in eine Vakuumkammer einzuleiten.Due to the described training, it is now possible extremely efficient, space-saving (volume-saving), depending on the dimensions of the respective cooling unit to initiate any refrigeration capacity in a vacuum chamber.

Ein besonders einfacher Aufbau der Vakuumisolierung der Verbindungsleitungen wird erreicht, wenn, wie dies einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht, die Vakuumisolierung einen die Verbindungsleitungen unter Ausbildung eines vorzugsweise im Wesentlichen ringförmigen Hohlraumes umgebenden Hüllschlauch umfasst. Der Hüllschlauch kann genau so wie die Verbindungsleitungen flexibel sein. Um zu verhindern, dass die Verbindungsleitungen den Hüllschlauch berühren, was zu einem unerwünschten Wärmeübergang führen würde, ist die Ausbildung bevorzugt derart ausgebildet, dass im Hohlraum zwischen den Verbindungsleitungen und dem Hüllschlauch wenigstens ein Abstandhalter angeordnet ist. Wenn, wie dies bevorzugt vorgesehen ist, der Abstandhalter eine gewellte Außen- und Innenkontur aufweist, wird sichergestellt, dass zwischen Abstandhalter einerseits und dem Hüllschlauch und den Verbindungsleitungen andererseits lediglich punkt- oder linienförmige Kontakte entstehen, wobei auf Grund derartiger Hertz'scher Kontakte der Wärmeintrag von außen weiter verringert werden kann.A particularly simple construction of the vacuum insulation of the connecting lines is achieved if, as is the case with a preferred development of the invention, the vacuum insulation comprises an enveloping tube surrounding the connecting lines to form a preferably substantially annular cavity. The buffer tube can be flexible as well as the connecting lines. In order to prevent the connecting lines from touching the enveloping hose, which would lead to an undesirable heat transfer, the embodiment is preferably designed such that at least one spacer is arranged in the hollow space between the connecting lines and the enveloping hose. If, as is preferably provided, the spacer has a corrugated outer and inner contour, it is ensured that between spacers on the one hand and the buffer tube and the connecting lines on the other hand only point or linear contacts arise, due to such Hertzian contacts the heat input can be further reduced from the outside.

Ein besonders einfacher Aufbau wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erreicht, wenn die gemeinsame Unterdruckquelle an die Vakuumkammer angeschlossen ist.A particularly simple structure is achieved according to a preferred embodiment, when the common vacuum source is connected to the vacuum chamber.

Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass in der Vakuumkammer ein die Durchführung umgebender, insbesondere rohrförmiger Abstandhalter angeordnet ist, der den Abstand zwischen dem Kühlkopf und der Innenwand der Vakuumkammer definiert, wobei der Abstandhalter radiale Durchbrechungen aufweist, sodass der Innenraum der Vakuumkammer mit dem Hohlraum der Vakuumisolierung der Verbindungsleitungen in Verbindung steht.Furthermore, it is preferably provided that in the vacuum chamber a surrounding surrounding, in particular tubular spacer is arranged, which defines the distance between the cooling head and the inner wall of the vacuum chamber, wherein the spacer has radial openings, so that the interior of the vacuum chamber with the cavity of the vacuum insulation the connecting lines communicates.

Bevorzugt umfasst das Kühlmittel Butan und/oder Iso-Butan und/oder Propan und/oder Propen und/oder Ethin und/oder Ethan und/oder Ethen und/oder Methan und/oder Argon und/oder Stickstoff .The coolant preferably comprises butane and / or isobutane and / or propane and / or propene and / or ethyne and / or ethane and / or ethene and / or methane and / or argon and / or nitrogen.

Die Erfindung wird nun anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigt Fig.1 einen geschlossenen Kühlkreislauf mit einem Kühlaggregat und einem Kühlkopf, Fig.2 eine Schnittansicht des Kühlkopfes mit den Verbindungsleitungen und Fig.3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III der Fig.2.The invention will now be explained in more detail with reference to embodiments shown schematically in the drawing. In this shows Fig.1 a closed cooling circuit with a cooling unit and a cooling head, Fig.2 a sectional view of the cooling head with the connecting lines and Figure 3 a section along the line III-III of Fig.2 ,

Der in Fig.1 gezeigte Kühlkreislauf wird meist als Mixed Gas Joule Thomson Kühlprozess bezeichnet und ist beispielsweise in dem Dokument EP 650574 A1 beschrieben. Der Kühlkreislauf umfasst einen Kompressor 1 zum Komprimieren des bei 2 gasförmig zugeführten Kältemittels. Das Kältemittel kann beispielsweise eine Gasmischung bestehend aus Propan, Ethan, Methan und Stickstoff sein. Das komprimierte Kältemittel wird über eine Leitung 3 einem Ölabscheider 4 zugeführt, mit dem das sich im Kompressor 1 ggf. mit dem Kältemittel vermischende Öl abgetrennt wird. Das von Öl gereinigte Kältemittel wird anschießend einem Nachkühler 5 zugeführt, in welchem die dem Kompressor 1 zugeführte Wärme dem Kältemittel entzogen wird. Das gekühlte, komprimierte, aber noch immer zumeist gasförmige Kältemittel wird anschließend über eine Leitung 6 einem Gegenstromwärmetauscher 7 zugeführt, in welchem das durch die Kältemittelzuleitung 8 fließende Kühlmittel vom in der Kältemittelrückleitung 9 fließenden Kältemittel gekühlt und verflüssigt wird. Die Kältemittelzuleitung 8 und die Kältemittelrückleitung 9 können in der Praxis mehrere Meter lang sein und werden oft schraubenlinienförmig oder spiralförmig gewickelt, um eine gewisse Kompaktheit des Wärmestromwärmetauschers zu erreichen. Das verflüssigte Kältemittel wird über eine Drossel 10 entspannt, sodass das Kältemittel im Kühlkopf 11 verdampfen und hierdurch der Umgebung Verdampfungswärme entziehen kann. Der Kühlkopf 11 wird vom Kühlmittel durchströmt und ist daher beispielsweise als hohler Zylinder ausgeführt. Das vom Kühlkopf 11 rückfließende Kältemittel wird im Gegenstromwärmetauscher 7 in der Folge bis auf Raumtemperatur erwärmt, wobei das rückfließende Kältemittel das hinfließende Kältemittel abkühlt. Zum Abkühlen eines Objekts, das schematisch mit 12 angedeutet ist, wird dieses in Kontakt mit dem Kühlkopf 11 gebracht. Der Kühlkopf 11 besteht daher aus einem thermisch leitfähigen Material wie z.B. Kupfer.The in Fig.1 The cooling circuit shown is usually referred to as the mixed gas joule Thomson cooling process and is for example in the document EP 650574 A1 described. The cooling circuit comprises a compressor 1 for compressing the gaseously supplied refrigerant in 2. The refrigerant may be, for example, a gas mixture consisting of propane, ethane, methane and nitrogen. The compressed refrigerant is fed via a line 3 to an oil separator 4, with which the possibly in the compressor 1 with the refrigerant mixing oil is separated. The oil purified by the oil is then fed to an aftercooler 5, in which the heat supplied to the compressor 1 is removed from the refrigerant. The cooled, compressed, but still mostly gaseous refrigerant is then fed via a line 6 to a countercurrent heat exchanger 7, in which the coolant flowing through the refrigerant supply line 8 is cooled and liquefied by the refrigerant flowing in the refrigerant return line 9. The refrigerant supply line 8 and the refrigerant return line 9 may in practice be several meters long and are often helically or spirally wound in order to achieve a certain compactness of the heat flow heat exchanger. The liquefied refrigerant is depressurized via a throttle 10, so that the refrigerant in the cooling head 11 evaporate and thereby escape the environment evaporation heat. The cooling head 11 is from Coolant flows through and is therefore designed for example as a hollow cylinder. The flowing back from the cooling head 11 refrigerant is heated in countercurrent heat exchanger 7 in the sequence up to room temperature, wherein the refluxing refrigerant cools the flowing refrigerant. For cooling an object, which is schematically indicated by 12, this is brought into contact with the cooling head 11. The cooling head 11 is therefore made of a thermally conductive material such as copper.

Erfindungsgemäß ist der Kühlkopf 11 über Verbindungsleitungen 13 und 14 mit dem Gegenstromwärmetauscher 7 verbunden, sodass das Kühlaggregat 15 und der in einer Vakuumkammer 16 angeordnete Kühlkopf 11 als voneinander gesonderte bauliche Einheiten realisiert werden können. Die erfindungsgemäße Ausbildung macht es erforderlich, dass das im Wärmetauscher 7 gekühlte und verflüssigte Kältemittel über die Verbindungsleitungen 13 und 14 über eine mehr oder minder lange Strecke transportiert wird, sodass eine ausreichende Isolation der Verbindungsleitungen sichergestellt werden muss.According to the invention, the cooling head 11 is connected via connecting lines 13 and 14 to the counterflow heat exchanger 7, so that the cooling unit 15 and the cooling head 11 arranged in a vacuum chamber 16 can be realized as separate structural units. The inventive construction makes it necessary that the cooled and liquefied in the heat exchanger 7 refrigerant is transported via the connecting lines 13 and 14 over a more or less long distance, so that a sufficient insulation of the connecting lines must be ensured.

In Fig.2 sind der Kühlkopf samt Vakuumkammer sowie die Verbindungsleitungen näher dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Verbindungsleitungen 13 und 14 eine Vakuumisolierung 17 aufweisen, deren evakuierter Innenraum mit dem Innenraum der Vakuumkammer 16 in Verbindung steht. Die Verbindungsleitungen 13 und 14 können dabei als flexible Rohre ausgebildet sein, um die Handhabbarkeit zu verbessern. Die Vakuumisolierung 17 der Verbindungsleitung weist einen flexiblen Hüllschlauch 18 auf, das beispielsweise als Edelstahlwellrohr ausgebildet sein kann, das bevorzugt eine Stahlummantelung aufweist. Zwischen den Verbindungsleitungen 13 und 14, die ebenfalls eine gewellte Außenkontur aufweisen können, können Abstandhalter 19 angeordnet sein, die ebenfalls flexibel ausgeführt sein können. Die Abstandhalter 19 weisen bevorzugt eine gewellte Außenkontur auf, sodass aufgrund der dadurch erzielten Linienberührungen mit dem Hüllrohr 18 bzw. den Verbindungsleitungen 13 und 14 die Wärmeübertragung minimiert wird. Der Abstandshalter 19 dient somit der mechanischen und damit thermischen Entkopplung der Verbindungsleitungen 13 und 14 zum Hüllrohr 18. Er sollte ausreichend flexibel, temperaturstabil, alterungsbeständig und ausgasungsfrei sein (z.B. Teflon, Kunststoff, Edelstahl). An der Stelle 20 sind die Verbindungsleitungen 13 und 14 aus der Vakuumisolierung 17 herausgeführt. Auf geringe thermische Verluste an der Übergangsstelle 20 ist zu achten. Dies kann durch Materialien mit geringer thermischer Leitfähigkeit und einem geringen Übergangsquerschnitt erreicht werden (z.B. Edelstahl). Zusätzlich kann die Übergangsstelle 20 durch herkömmliche Materialien zur Wärmeisolierung geschützt werden (z.B. geschäumtes Polystyrol, Amaflex).In Fig.2 the cooling head with vacuum chamber and the connecting lines are shown in detail. It can be seen that the connecting lines 13 and 14 have a vacuum insulation 17 whose evacuated interior is in communication with the interior of the vacuum chamber 16. The connecting lines 13 and 14 may be formed as flexible tubes to improve the handling. The vacuum insulation 17 of the connecting line has a flexible Hüllschlauch 18, which may be formed for example as a stainless steel corrugated pipe, which preferably has a steel jacket. Between the connecting lines 13 and 14, which may also have a corrugated outer contour, spacers 19 may be arranged, which may also be made flexible. The spacers 19 preferably have a corrugated outer contour, so that due to the line contacts achieved with the cladding tube 18 and the connecting lines 13 and 14, the heat transfer is minimized. The spacer 19 thus serves the mechanical and thus thermal decoupling of the connecting lines 13 and 14 to the cladding tube 18. It should be sufficiently flexible, temperature stable, resistant to aging and degassing (eg Teflon, plastic, stainless steel). At the point 20, the connecting lines 13 and 14 are led out of the vacuum insulation 17. Low thermal losses at the transition point 20 should be taken into account. This can be achieved by materials with low thermal conductivity and a low transition cross-section (eg stainless steel). In addition, the interface 20 may be protected by conventional thermal insulation materials (eg, foamed polystyrene, Amaflex).

Die Verbindungsleitungen 13 und 14 können thermisch gekoppelt sein. Die Verbindungsleitungen 13 und 14 können alternativ auch ineinander geführt werden. Je nach Querschnitt und Länge der Verbindungsleitung 13 kann das Kühlmittel eine Druckreduktion entlang der Zuleitung erfahren, sodass das Kältemittel wie bei Kompressionskältemaschinen im Kühlkopf verdampft und Wärme abgeführt wird. In diesem Fall ist die Zuleitung sogleich Drosselorgan.The connecting lines 13 and 14 may be thermally coupled. The connecting lines 13 and 14 can alternatively be guided into each other. Depending on the cross-section and length of the connecting line 13, the coolant may experience a pressure reduction along the supply line, so that the refrigerant is evaporated in the cooling head as in compression refrigerating machines and heat is dissipated. In this case, the supply line is immediately throttle body.

Die Vakuumisolierung 17 ist mit einem Vakuumflansch 21 verbunden, durch welchen die Verbindungsleitungen 13 und 14 hindurchgeführt und dem Kühlkopf 11 zugeführt sind. Um die mechanische Stabilität des Kühlkopfs 11 zu verbessern, ist zwischen dem Kühlkopf 11 und dem Vakuumflansch 21 ein Abstandhalter 22 angeordnet, der beispielsweise aus Teflon, Keramik oder Edelstahl bestehen kann und ausgasungsbeständig, tieftemperaturgeeignet, versprödungsbeständig und alterungsbeständig sein sollte. Dabei ist auf eine ausreichende thermische Entkopplung des Abstandshalters 22 vom Vakuumflansch 21 zu achten und auf eine gute atmosphärische Durchlässigkeit zum Hüllrohr 18. In der Querschnittsansicht gemäß Fig.3 ist ersichtlich, dass der Abstandhalter 22 mehrere radiale Durchbrechungen 24 aufwiest, damit der evakuierte Innenraum der Vakuumisolierung der Verbindungsleitungen mit dem evakuierten Innenraum der Vakuumkammer 16 in leitender Verbindung steht. Ein Flansch bzw. Anschluss zum Anschließen an eine Vakuumpumpe ist mit 23 bezeichnet.The vacuum insulation 17 is connected to a vacuum flange 21, through which the connecting lines 13 and 14 are passed and fed to the cooling head 11. In order to improve the mechanical stability of the cooling head 11, a spacer 22 is disposed between the cooling head 11 and the vacuum flange 21, which may for example consist of Teflon, ceramic or stainless steel and ausgasungsbeständig, low temperature suitable, should be resistant to embrittlement and aging. It is on a sufficient thermal decoupling of the spacer 22 from the vacuum flange 21 and a good atmospheric permeability to the cladding tube 18. In the cross-sectional view according to Figure 3 It can be seen that the spacer 22 has a plurality of radial openings 24, so that the evacuated interior of the vacuum insulation of the connecting lines with the evacuated interior of the vacuum chamber 16 is in a conductive connection. A flange for connection to a vacuum pump is indicated at 23.

Bei gleichmäßig mit Kühlmittel durchströmtem Kühlkopf und bei mechanischer Stabilisierung des Kühlkopfes mittels Abstandshalter wird der Kühlkopf äußerst vibrationsarm.When the cooling head flows through coolant evenly and when the cooling head is mechanically stabilized by means of spacers, the cooling head is extremely low in vibration.

Typische Anwendungsgebiete für die Erfindung sind die Kühlung von Hochleistungslaserverstärkern sowie verschiedene Kühlaufgaben in der analytischen Chemie, auf dem Gebiet der Supraleitung, der Astronomie sowie generell in der Forschung und Entwicklung sowie in der medizinischen Diagnostik.Typical applications for the invention are the cooling of high-power laser amplifiers and various cooling tasks in analytical chemistry, in the field of superconductivity, astronomy and in general in research and development as well as in medical diagnostics.

Claims

A cooling apparatus with a closed cooling circuit for cooling objects to semi-cryogenic or cryogenic temperatures of 230K to 80K, comprising a compressor for compressing a coolant, to which the coolant is supplied in a gaseous state, and from which the coolant exits in a compressed gaseous state, an after-cooler connected downstream from the compressor, from which the coolant exits largely in gaseous form, a counterflow heat exchanger comprising a feed line and a return line, which are arranged in such a way that the compressed coolant is liquefied in the feed line as the relieved coolant flowing through the return line is being heated, and a cooling head that is connected with the feed line and return line and has coolant flowing through it, in which the coolant evaporates, characterized in that the cooling head (11) is arranged in a vacuum chamber (16), which can be joined with a low-pressure source, and is joined by flexible connecting lines (13, 14) with the feed line and return line (8, 9) of the counterflow heat exchanger (7), so that the counterflow heat exchanger is situated outside the vacuum chamber, wherein the compressor (1), the after-cooler (5) and the counterflow heat exchanger (7) are situated together in a standing device, the housing of which exhibits a lead-through for the connecting lines (13, 14) that join the counterflow heat exchanger (7) with the vacuum chamber (16).
The cooling apparatus according to claim 1, characterized in that the cooling head (11) is connected to the feed line (8) of the counterflow heat exchanger (7) with a throttle (10) interspersed.
The cooling apparatus according to claim 2, characterized in that the connecting line (13) joining the feed line (8) of the counterflow heat exchanger (7) with the cooling head (11) forms the throttle (10).
The cooling apparatus according to one of claims 1 to 3, characterized in that the connecting lines (13, 14) exhibit vacuum insulation (17).
The cooling apparatus according to claim 4, characterized in that the vacuum insulation (17) comprises a cladding tube (18) that envelops the connecting lines (13, 14), with the formation of an essentially annular hollow space, wherein the hollow space can be joined with a low-pressure source.
The cooling apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the vacuum chamber (16) and vacuum insulation (17) for the connecting lines (13, 14) are directly joined together, and can be joined with a shared low-pressure source.
The cooling apparatus according to claim 4, 5 or 6, characterized in that the vacuum chamber (16) exhibits a lead-through for the connecting lines (13, 14), which is configured in such a way that the hollow space of the vacuum insulation (17) for the connecting lines (13, 14) is joined with the interior space of the vacuum chamber (16).
The cooling apparatus according to one of claims 5 to 7, characterized in that at least one spacer (19) is arranged in the hollow space between the connecting lines (13, 14) and the cladding tube (18).
The cooling apparatus according to claim 8, characterized in that the spacer (19) exhibits a corrugated outer and inner contour.
The cooling apparatus according to one of claims 5 to 9, characterized in that the vacuum chamber (16) exhibits a port (23) for connecting the shared low-pressure source.
The cooling apparatus according to one of claims 1 to 10, characterized in that the vacuum chamber (16) incorporates in particular a tubular spacer (22), which envelops the lead-through, and defines the distance between the cooling head (11) and the inner wall of the vacuum chamber (16), wherein the spacer (22) exhibits radial through holes (24), so that the interior space of the vacuum chamber (16) is joined with the hollow space of the vacuum insulation (17) for the connecting lines (13, 14).
The cooling apparatus according to one of claims 1 to 11, characterized in that the coolant comprises butane and/or isobutane and/or propane and/or propene and/or ethyne and/or ethane and/or ethene and/or methane and/or argon and/or nitrogen.