WO2002063220A1 - Kaltteil eines kryokühlers mit verbesserter wärmeübertragung - Google Patents

Kaltteil eines kryokühlers mit verbesserter wärmeübertragung Download PDF

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Ingo RÜHLICH
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Aeg Infrarot-Module Gmbh
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

Definitions

  • the invention relates to a cold part of a cryocooler according to the preamble of claim 1.
  • Miniature coolers use a motor-driven compressor to create a cyclical change in the working volume of a pressurized, gaseous refrigerant. As part of the working volume, the refrigerant flows through a closed cylinder of the cold part, the so-called cold finger. Inside the cold finger is a piston-shaped one
  • Regenerator which has openings at both ends through which the refrigerant can flow.
  • the regenerator moves with a phase shift of approx. 45-90 ° to the pistons of the compressor.
  • the refrigerant passes the regenerator in alternating directions. It flows from the compressor side of the cold finger through the regenerator into the expansion space and back again. During this cyclical movement of the regenerator and the refrigerant, heat is released to the environment on the compressor side of the cold finger and heat is extracted from the expansion side of the cold finger.
  • the object to be cooled generally an electronic component, is arranged on the outside of the cold end of the cold finger in such a way that the thermal energy of the component is released to the refrigerant through the outer wall of the cold finger.
  • a cold part of a cryocooler with a piston-shaped regenerator which has openings at both ends through which a refrigerant can flow, and a closed cylinder, in which the regenerator moves cyclically with an upper and lower layer, with a heat exchanger arranged on the end it is provided that the inside of the heat exchanger and the end of the regenerator facing the heat exchanger are finned in such a way that the fins engage in the upper position of the regenerator.
  • the fins of the heat exchanger and the regenerator have a trapezoidal cross section.
  • Figure 1 shows a split Stirling cooler in cross section.
  • Figure 2 shows the cold end of the cold part in detail. The invention is explained below using an exemplary embodiment with the aid of the figures.
  • FIG. 2 shows the cold end 7 of the cold part 3 of the split Stirling cooler 1 from FIG. 1 in detail.
  • a motor-driven compressor 2 generates a cyclical change in the working volume of a pressurized, gaseous refrigerant 11.
  • a connecting line 4 connects the compressor of the split-Stirling cooler to the cold part 3.
  • the compressor and cold part can also be structurally be united.
  • the refrigerant 11 flows through a closed part of the working volume
  • Cylinder of the cold part the so-called cold finger 3.
  • a piston-shaped regenerator 5 which has openings at both ends through which the refrigerant 11 can flow.
  • the regenerator 5 moves depending on the design with a phase shift of 45 to 90 ° to the pistons 12 of the compressor 2 in the cylinder of the cold finger 3 and thus causes the refrigerant 11 to pass the regenerator 5 in alternating directions.
  • the refrigerant 11 therefore flows from the compressor side 8 of the cold flow through the regenerator 5 into an expansion space 6 and back again.
  • the compressor side 8 of the cold finger 3 becomes warmer than the environment and the
  • the refrigerant extracts heat from the expansion side 7 of the cold finger and releases it to the environment on the compressor side of the cold finger.
  • the object to be cooled for example an electronic component, is arranged on the outside of the cold end of the cold finger in such a way that a heat flow from the object is absorbed by the refrigerant through the outer wall of the cold finger.
  • the cylinder of the cold part on the side of the expansion space is closed at the end with a heat exchanger 10.
  • the shape of the fins 9, 13 is selected such that the fins 9 at the end of the regenerator and the fins 13 on the inside of the heat exchanger in the expansion-side end position of the regenerator 5, ie when the regenerator 5 is the smallest distance occupies to the heat exchanger 10, interlock, but do not touch. This avoids that between the inside of the heat exchanger
  • the effective area for the heat flow of the heat exchanger 10 is effectively increased by the fins without increasing the volume of the refrigerant 11 enclosed between the inside of the heat exchanger 10 and the end of the regenerator 5.
  • the cross sections of the ribs 9, 13 are trapezoidal. This will be another
  • the invention is not limited to the embodiment described above with a split Stirling cooler.
  • the invention is also suitable for other cryocoolers which have a cold part with a regenerator piston.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kaltteil eines Kryokühlers zur Kühlung insbesondere elektronischer Bauteile. Um eine effektive Kühlung des Bauelements zu erreichen, ist es notwendig, den Wärmewiderstand zwischen Kältemittel (11) und der stirnseitigen Aussenwandfläche des kalten Endes des Kaltfingers (3) zu minimieren. Eine Möglichkeit besteht in der konstruktiven Vergrösserung der stirnseitigen Aussenwandfläche. Um die am Wärmeübergang beteiligte Fläche bei nahezu unverändertem Volumen des Expansionsraums wirksam zu vergrössern, werden die Innenseite des Wärmeüberträgers (10) und das dem Wärmeüberträger (10) zugewandte Ende des Regenerators (5) so berippt sein, dass die Berippungen (9,13) in der Endlage des Regenerators (5) ineinander greifen.

Description

Beschreibung
Kaltteil eines Krvokühlers mit verbesserter Wärmeübertragung
Die Erfindung betrifft ein Kaltteil eines Kryokühlers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 Kaltfmgers 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 Kaltfmgers 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 Q zwischen Außenwandfläche und Kältemittel zugrundeliegende Beziehung:
r i W Q = a - ΔT - A wobei: [a\ mL - 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 Q zu verbessern. Das Material der Außenwand ist üblicherweise so gewählt, dass die Konstante Alpha nicht weiter verbessert werden kann. Die konstruktive Nergrößerung 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 Kaltfmgers 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 Kaltfmgers 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 Kaltfmgers kälter als die Umgebung. Das Kältemittels entzieht der Expansionsseite 7 des Kaltfmgers 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

Patentansprüche
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.
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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