WO2010037364A1 - Joule-thomson-kühler - Google Patents

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Gunter Kaiser
Jürgen Klier
Stefan Oehmichen
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Institut Für Luft- Und Kältetechnik Gemeinnützige Gmbh
Vwp Maschinenbau Und Service Gmbh
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • 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
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
    • C09K5/041—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa for compression-type refrigeration systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • 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
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect

Definitions

  • the invention relates to a Joule-Thomson cooler in which a working gas is used which allows comparatively low working temperatures and high volumetric cooling powers.
  • the Joule-Thomson cooler can be used particularly advantageously as a small refrigeration machine for generating low temperatures or as a cold source for the liquefaction of permanent gases such as, for example, Nitrogen, oxygen, argon, methane or natural gas can be used.
  • cryocoolers In the 1980s, small coolers based on Joule-Thomson processes were already developed and sold commercially (Hymatic, MMR Technologies). The heat exchangers were manufactured by means of precision engineering, partly however also already by means of microstructure technology. To produce the high pressure in the cryocoolers, either multi-stage special compressors or, in particular in the military sector, cryogenic coolers with wear systems, which were operated from pressure vessels with high-purity nitrogen, were used for the pressure range of 200 to 500 bar.
  • the minimum working temperature for single-stage Joule-Thomson coolers is caused by the working gas used.
  • a working gas In order for the Joule-Thomson process to cool from ambient to working temperature, a working gas must be used whose inversion temperature is well above ambient temperature.
  • the working temperatures of Joule-Thomson coolers were further reduced by mixing inactive gas (e.g., helium or neon) for the Joule-Thomson process gas.
  • inactive gas e.g., helium or neon
  • the partial pressure and at the same time the boiling point of the active component is reduced.
  • mixing the inactive gas also reduces the gross volumetric cooling capacity of the process, i. Although lower temperatures can be achieved, the corresponding cooling capacities in comparable temperature ranges are always smaller than those of processes which are operated without adding inactive gases to the working gas.
  • the invention has for its object to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a Joule-Thomson cooler is to be created, which is operated with a working gas, which allows comparatively low working temperatures and high volumetric cooling capacities.
  • This object is achieved by the characterizing features of claim 1. Further advantageous embodiments will become apparent from the claims 2 to 13.
  • a working gas is used in the Joule-Thomson cooler, which contains at least two active with respect to the Joule-Thomson process gas components; the concentration of all active gas components is chosen so that, due to the (concentration-dependent) level of their respective partial pressure, all evaporation temperatures of the active gas components are the same.
  • Such a gas mixture acts like a single gas with a fixed evaporation temperature.
  • the evaporation temperature of the mixture is lower than the respective evaporation temperatures of the pure gas components due to the partial pressure reduction of the individual active gas components.
  • all gas components contribute to the cryogenic process, i.e., the gross volumetric cooling power of the Joule-Thomson process is higher.
  • the cooler according to the invention operates either by a pseudo-single-gas Joule-Thomson process process, this with a high-pressure compressor Pressure ratio (200..500 bar to 1..3 bar) is equipped, or the cooler operates on the mixture-Joule-Thomson process, with only a compressor with a lower pressure ratio (15..25 bar to 1..3 bar ) is required.
  • the mixture Joule Thomson coolers are preferred because they are built much simpler due to the lower demands on the compressor than single-gas Joule Thomson cooler with the same performance.
  • the Joule-Thomson cooler according to the invention can be produced using known compressor technology with cooling capacities of between a few 100 mW and a few kW.
  • the cold part of the Joule-Thomson cooler is either with precision engineering (plate heat exchanger, tube-in-tube, multi-tube) or with microstructure technology (matrix heat exchangers, etched or direct-written structures, connection by laser or electron beam welding , Vacuum brazing).
  • the high-pressure gas is pre-cooled by means of a compression refrigeration machine or a Peltier cooler and thereby lowered the recuperator inlet temperature to -25 to 0 0 C.
  • the oil recirculation Joule-Thomson cooler is equipped with one of the capillaries connecting the high pressure side to the low pressure side and an oil collector ,
  • the Joule-Thomson cooler can be designed as a simple, built-up small permanent-gas liquefier by placing it in the cryogenic system behind the Throttle of the Joule-Thomson cooler, a heat exchanger for secondary side gas liquefaction is installed.
  • the cold part of the cooler is installed in the interior of a freezer and is thermally decoupled from the ambient temperature level. This increases the efficiency of the liquefaction; In addition, compliance with the process parameters is ensured even at high outside temperatures. With sufficient dimensioning of the freezing unit, it is also possible to use the evaporator heat exchanger at the same time for pre-cooling of the high-pressure gas before the recuperator inlet.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Joule-Thomson-Kühler in dem ein Arbeitsgas eingesetzt ist, das vergleichsweise tiefe Arbeitstemperaturen und hohe volumetrische Kälteleistungen ermöglicht. Das Arbeitsgas enthält mindestens zwei hinsichtlich des Joule- Thomson-Prozesses aktive Gaskomponenten, wobei die Konzentration aller aktiven Gaskomponenten so gewählt ist, dass alle Verdampfungstemperaturen der aktiven Gaskomponenten gleich sind. Vorgesehen sind binäre oder ternäre Gemische aus den Komponenten Stickstoff, Argon und Sauerstoff. Der Kühler kann besonders vorteilhaft als Kleinkältemaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen oder als Kältequelle für die Verflüssigung permanenter Gase wie z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Methan oder Erdgas verwendet werden.

Description

Joule-Thomson-Kühler
Die Erfindung betrifft einen Joule-Thomson-Kühler in dem ein Arbeitsgas eingesetzt ist, das vergleichsweise tiefe Arbeitstemperaturen und hohe volumetrische Kälteleis- tungen ermöglicht. Der Joule-Thomson-Kühler kann besonders vorteilhaft als Kleinkältemaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen oder als Kältequelle für die Verflüssigung permanenter Gase wie z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Methan oder Erdgas verwendet werden.
In den 1980-er Jahren wurden bereits Kleinkühler auf der Basis von Joule-Thomson- Prozessen entwickelt und kommerziell vertrieben (Hymatic, MMR Technologies). Die Wärmetauscher wurden mittels Feinwerktechnik, teilweise jedoch auch schon mittels Mikrostrukturtechnik hergestellt. Zur Erzeugung des Hochdrucks in den Kryokühlern wurden für den Druckbereich 200 bis 500 bar entweder mehrstufige Spezialverdich- ter oder, insbesondere im militärischen Bereich, Kryokühler mit Verschleißsystemen eingesetzt, die aus Druckbehältern mit hochreinem Stickstoff betrieben wurden.
In den 1990-er Jahren setzten sich Kleinkühler durch, die nach dem Gemisch-Joule- Thomson-Prozess arbeiten. Bei diesen Kühlern ist der der massegetragene Enthal- piestrom im Niederdruckkanal größer als im Hochdruckkanal, wodurch die Enthalpieverluste des Rekuperators, die mit Kälteleistung aus dem Drosselprozess kompensiert werden müssen, deutlich reduziert werden. Die typischen Druckverhältnisse der bislang verwendeten Einzelgas-Joule-Thomson-Kühler, die 200 bis 500 bar (Hochdruckseite) zu 1 bis 3 bar (Niederdruckseite) betragen, lassen sich somit bei Ge- misch-Joule-Thomson-Kühlern auf ca. 15 bis 25 bar zu 1 bis 3 bar reduzieren. Kommerzielle Gemisch-Joule-Thomson-Kühler wurden unter den Handelsnamen „Cryoti- ger" (von Polycold, ehemals APD Cryogenics) und „Bio"-Serie Kryokühler (von MMR Technologies) bekannt.
Gemisch-Joule-Thomson-Kühler werden gegenwärtig für die Rückverflüssigung von permanenten Gasen (z.B. Elan 2, MMR Technologies), die Kühlung hochempfindlicher HTSL-supraleitender Sensorik (z.B. Cryotiger, Polycold) und in verschiedenen Laboranwendungen sowie in der Kryo-Vakuumtechnik eingesetzt. Der Nachteil der bekannten einstufigen Joule-Thomson-Kühler, die mit Einzelgasen bzw. Gasgemischen betrieben werden, ist die Begrenzung der minimal erreichbaren Arbeitstemperatur auf Temperaturen größer 70 K. Typischerweise erreichen die Kühler Temperaturen von 80 bis 120 K.
Diese Begrenzung der minimalen Arbeitstemperatur bei einstufigen Joule-Thomson- Kühlern wird durch das eingesetzte Arbeitsgas verursacht. Damit mit dem Joule- Thomson-Prozess von Umgebungstemperatur auf die Arbeitstemperatur abkühlt werden kann, muss ein Arbeitsgas eingesetzt werden, dessen Inversionstemperatur deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die minimale Verdampfungstemperatur (durch die die minimale Arbeitstemperatur des Joule-Thomson-Prozesses definiert wird) solcher Arbeitsgase, wie z.B. z.B. Stickstoff, Argon und Sauerstoff, liegt im Niederdruckbereich (1-3 bar) bei 77 bis 100 K.
Ende der 1990-er Jahre wurden die Arbeitstemperaturen von Joule-Thomson- Kühlern weiter gesenkt, indem dem Arbeitsgas hinsichtlich des Joule-Thomson- Prozesses inaktive Gase (z.B. Helium oder Neon) zugemischt wurden. Hierdurch wird der Partialdruck und gleichzeitig der Siedepunkt der aktiven Komponente verringert. Durch die Zumischung des inaktiven Gases wird jedoch auch die volumetrische Bruttokälteleistung des Prozesses reduziert, d.h. es lassen sich zwar tiefere Temperaturen erreichen, die entsprechenden Kälteleistungen sind jedoch in vergleichbaren Temperaturbereichen stets kleiner als die von Prozessen, die ohne Zumischung in- aktiver Gase zum Arbeitsgas betrieben werden.
Mit mehrstufigen Joule-Thomson-Kühlem, bei denen in den zusätzlichen Stufen andere Arbeitsgase, wie z.B. Wasserstoff, Neon und Helium eingesetzt werden, können zwar Temperaturen kleiner als 10 K erreicht werden, jedoch sind diese Kühler technologisch sehr aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Joule-Thomson-Kühler geschaffen werden, der mit einem Arbeitsgas betrieben wird, das vergleichsweise tiefe Arbeitstemperaturen und hohe volumetrische Kälteleistungen ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 13.
Nach Maßgabe der Erfindung ist in dem Joule-Thomson-Kühler ein Arbeitsgas eingesetzt, das mindestens zwei hinsichtlich des Joule-Thomson-Prozesses aktive Gaskomponenten enthält; die Konzentration aller aktiven Gaskomponenten ist so gewählt, dass, bedingt durch die (konzentrationsabhängige) Höhe ihres jeweiligen Par- tialdrucks, alle Verdampfungstemperaturen der aktiven Gaskomponenten gleich sind.
Eine derartige Gasmischung wirkt wie ein Einzelgas mit einer festen Verdampfungs- ternperatur. Die Verdampfungstemperatur der Mischung ist jedoch aufgrund der Par- tialdruckabsenkung der einzelnen aktiven Gaskomponenten niedriger als die jeweiligen Verdampfungstemperaturen der reinen Gaskomponenten. Im Gegensatz zur Verdünnung des aktiven Gases mit passivem Gas, tragen bei Gasmischungen aus aktiven Gaskomponenten alle Gaskomponenten zum kälteerzeugenden Prozess bei, d.h., die volumetrische Bruttokälteleistung des Joule-Thomson-Prozesses ist höher.
Es ist vorgesehen, als Arbeitsgas für den Joule-Thomson-Kühler binäre oder ternäre Gemische aus den aktiven Komponenten Stickstoff, Argon und Sauerstoff einzusetzen. Gasgemische aus diesen zwei bzw. drei Gasen, bei denen die zwei/drei Partial- drucke so eingestellt sind, dass sich die zwei/drei Verdampfungstemperaturen entsprechen, enthalten die zwei/drei Gase in ähnlich großen Konzentrationen, wodurch eine nachhaltige Verringerung der Verdampfungstemperatur der Mischung gegen- über jeweils den unverdünnten Gaskomponenten erreicht wird.
Falls es erforderlich ist, die Arbeitstemperatur noch weiter zu senken, können dem Gasgemisch aus aktiven Komponenten zusätzlich noch passive Komponenten, wie z.B. Helium oder Neon zugemischt werden. Die Absenkung der Arbeitstemperatur geht in diesem Fall jedoch zulasten der volumetrischen Bruttokälteleistung des Joule- Thomson-Prozesses im Kühler.
Der erfindungsgemäße Kühler arbeitet entweder nach einem Pseudo-Einzelgas- Joule-Thomson-Prozess Prozess, wobei dieser mit einem Verdichter mit hohem Druckverhältnis (200..500 bar zu 1..3 bar) ausgestattet ist, oder der Kühler arbeitet nach dem Gemisch-Joule-Thomson-Prozess, wobei lediglich ein Verdichter mit niedrigerem Druckverhältnis (15..25 bar zu 1..3 bar) erforderlich ist. Die Gemisch-Joule- Thomson-Kühler werden bevorzugt, da sie aufgrund der geringeren Anforderungen an den Verdichter wesentlich einfacher aufgebaut sind als Einzelgas-Joule- Thomson-Kühler mit gleicher Leistung.
Für Kühler, die nach dem Gemisch-Joule-Thomson-Prozess arbeiten, ist es erforderlich, dem Arbeitsgas zusätzlich Kohlenwasserstoffe zuzumischen, wobei hier beson- ders vorteilhaft auch höher siedende Komponenten, wie Flourkohlenwasserstoffe, Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder Polysiloxane, eingesetzt werden können.
Der erfindungsgemäße Joule-Thomson-Kühler kann unter Anwendung bekannter Verdichtertechnik mit Kälteleistungen zwischen einigen 100 mW und einigen kW hergestellt werden.
Der Kaltteil des Joule-Thomson-Kühlers ist entweder mit Feinwerktechnik (Plattenwärmeübertrager, Tube-in-Tube, Multi-Tube) oder mit Mikrostruktur-Technologie (Matrix-Wärmetauscher, geätzte oder direkt-geschriebene Strukturen, Verbindung durch Laser- oder Elektronenstrahl-Schweißen, Vakuum-Löten) gefertigt.
In einer vorteilhaften Variante wird das Hochdruckgas mittels einer Kompressionskältemaschine oder eines Peltier-Kühlers vorgekühlt und dadurch die Rekuperator- Eintrittstemperatur auf -25 bis 0 0C abgesenkt. Dies ermöglicht eine verbesserte Pro- zessführung, insbesondere können kleinere Rekuperatoren eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform mit öigeschmierten Verdichtern, die es ermöglicht, teilweise oder vollständig auf eine Einrichtung zur Ölabscheidung zu verzichten, ist der Joule-Thomson-Kühler zur Ölrückführung mit einer der Kapillare, die die Hochdruck- seite mit der Niederdruckseite verbindet, und einem Ölsammler ausgestattet.
Der Joule-Thomson-Kühler kann als einfach aufgebauter Kleinverflüssiger für permanente Gase ausgeführt werden, indem in das kälteerzeugende System hinter der Drossel des Joule-Thomson-Kühlers ein Wärmetauscher zur sekundärseitigen Gasverflüssigung eingebaut wird.
In einer Ausführungsform des Joule-Thomson-Kühlers als Gasverflüssiger ist der Kaltteil des Kühlers in das Innere eines Gefriergeräts eingebaut und damit thermisch vom Umgebungstemperaturniveau entkoppelt ist. Hierdurch wird die Effizienz der Verflüssigung erhöht; zudem wird auch bei hohen Außentemperaturen die Einhaltung der Prozessparameter sichergestellt. Bei ausreichender Dimensionierung des Gefrieraggregats ist es außerdem möglich, den Verdampfer-Wärmetauscher gleichzeitig zur Vorkühlung des Hochdruckgases vor dem Rekuperator-Eintritt zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Joule-Thomson-Kühler, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsgas ein Gemisch mit mindestens zwei hinsichtlich des Joule-Thomson-Prozesses akti- ven Gaskomponenten verwendet ist, wobei die Konzentration der mindestens zwei aktiven Gaskomponenten so gewählt ist, dass alle Verdampfungstemperaturen der aktiven Komponenten gleich sind.
2. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Arbeitsgas ein binäres Gemisch aus den aktiven Komponenten
Stickstoff, Argon und/oder Sauerstoff enthält.
3. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Arbeitsgas ein ternäres Gemisch aus den aktiven Komponenten Stickstoff, Argon und Sauerstoff enthält.
,
4. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Arbeitsgas neben den aktiven Komponenten auch mindestens eine hinsichtlich des Joule-Thomson- Prozesses passive Komponente enthält.
5. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Komponente Helium und/oder Neon ist.
6. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Arbeitsgas Kohlenwasserstoffe oder höher siedende Komponenten, wie Fluorkohlenwasserstoffe, Flourchlorkohlenwasserstoffe oder Po- lysiloxane, enthält, die die Durchführung eines Gemisch-Joule-Thomson- Prozesses ermöglichen.
7. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser über eine Einrichtung zur Vorkühlung des Hochdruckgases verfügt.
8. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vorkühlung des Hochdruckgases ein Kompressionskältemaschine ist.
9. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vorkühlung des Hochdruckgases ein Peltier-Kühler ist.
10. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Ölrückführung über eine Kapillare, die die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite des Verdichters des Joule-Thomson-Kühlers verbindet, und einen Ölsammler verfügt.
11. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das er mit einem hinter der Drossel des Joule-Thomson-Kühlers einge- bunden Wärmetauscher ausgestattet ist, der zur sekundärseitigen Gasverflüssigung dient.
12. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltteil des Joule-Thomson-Kühlers in das Innere eines Gefrierge- räts eingebracht ist.
13. Joule-Thomson-Kühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer-Wärmetauscher des Gefriergeräts gleichzeitig zur Vorkühlung des Hochdruckgases eingesetzt ist.
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