DE2014502A1 - Kryogene Kühleinrichtung - Google Patents

Description

GB-PA 15606/69 - 25.3.1969
GB-PA 19182/69 - 15.4·1969

THE HYMATIC ENGINEERING COMPANY LIMITED, Glover Street, Redditch, Worcestershire, England.

Kryogene Kühleinrichtung.,

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kryogene Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip des Joule-Thomson-Effektes arbeitet, mit einem Wärmetauscher, durch ein gasförmiges Kühlmittel von einer Druckgasquelle zu einer Entspannungsdüse und das entspannte Kühlmittel im Gegenstrom zurückströmt, einem mit der Düse zusammenarbeitenden, den wirksamen Düsenquerschnitt steuernden Ven'tilkörper, der zum automatischen Regeln des Kühlmitteldurchsatzes dient und in Öffnungsrichtung vorgespannt ist, und einer mit dem Ventil zu dessen Betätigung verbundenen beweglichen Wand.

Kühleinrichtungen der obengenannten Art sind aus den DT-OS 1 601 889 und 1 922 514 bekannt.

Bei Kühleinrichtungen der obengenannten Art besteht die Gefahr, daß das den Kühlmitteldurchsatz regelnde Ventil im Falle einer Undichtigkeit schließt und die Kühlung dadurch vollständig aussetzte Dies ist dann meistens mit einem Ausfall der gekühlten Vorrichtung verbunden.

Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Naohteil der bekannten Kühleinriohtungen daduroh vermieden, daß die. bewegliche Wand dem Dampfdruck eines Materials ausgesetzt ist, der beim Absinken der Temperatur und des Kältebedarfs unter den Umgebungsdruck in der Einrichtung fällt, und so ausgebildet ist, daß der resultierende Unterdruck das Ventil gegenäLe Wirkung der Vorspannung zu sohliessen strebt.

Die bewegliche Wand kann durch einen Balgen gebildet werden und die Vorspannung kann wenigstens teilweise durch die Elastizität des Balgens erzeugt werden.

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Bei der vorliegenden Kühleinrichtung öffnet das Ventil also im Störungsfalle automatische Wenn also eine Undichtigkeit auftreten sollte, schließt das Ventil nicht, wodurch die Kühlung unterbrochen würde, sondern das Ventil bleibt offen und die Kühlung geht, wenn auch ungeregelt, weiter solange der Druckgasvorrat reichte

Zum Beispiel liegt bei einer Kühleinrichtung zum Erzeugen von flüssigem Stickstoff oder flüssiger luft mit einer Temperatur von etwa 8O⁰K die effektive Temperatur des Wärmefühlers der Einrichtung zwischen etwa 85°K und 11O⁰K. Der Umgebungsdruck in der Einrichtung wird gewöhnlich etwas über dem Atmosphärendruck liegen, so daß man dann ein Material verwenden wird, das in dem obenangegebenen Bereich einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Dampfdruck hat* Ein geeignetes Material ist z.B. Methan, dessen Dampfdruck im obengenannten Temperaturbereich zwischen 0,21 und O₉84 kp/cm liegt. Das Ventil ist also so ausgebildet, daß es durch eine Saugwirkung oder einen Unterdruck im Dampfraum geschlossen und durch die Elastizität der Balgen geöffnet werden kann, so daß eine ^MStörungsöffnung¹¹ des Ventils eintritt und die Kühlung weitergeht, wenn die Einrichtung undicht wird und der Unterdruck dadurch verschwindet.

Im großen und ganzen kann der Aufbau der vorliegenden Kühleinrichtung dem der obenerwähnten bekannten Kühleinriohtungen entsprechen

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeiohnung näher erläutert, es zeigen:

Flg. 1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispielea einer Kühleinrichtung, die naoh dem Prinzip des Joule-Thomson-Effektes arbeitet und

Pig. 2 einen von unten gesehenen Querschnitt der Kühleinrichtung gemäß Fig. 1.

Die in der Zeichnung als Ausführungebeispiel der Erfindung dargestellte Kühleinrichtung hat wie die meisten der obenerwähnten bekannten Einrichtungen eine längliohe Form und wird

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normalerweise in senkrechter lage mit nach unten weisendem kalten Ende "betrieben·

Die Kühleinrichtung enthält einen rohrförmigen Wärmetauscher mit einem rohrförmigen inneren Bauteil 10, um das eine gerippte Rohrwendel 11 gewickelt ist, die den Einlaßströmungsweg des Wärmetauschers bildet· Die gerippte Rohrwendel 11 wird von einem koaxialen äusseren rohrförmigen Bauteil 12 umgeben, das im vorliegenden lalle von der Innenwand einer Dewar-3?lasehe, deren Aussenwand mit 13 bezeichnet ist, gebildet.wird· Der Raum zwischen dem rohrförmigen Bauteil 10 und dem äusseren rohrförmigen Bauteil 12 bildet den zweiten oder Auslaßströmungsweg des Wärmetauschers, durch den das entspannte Gas an den Rippen vorbei abströmt und daa durch die Rohrwendel zugeführt e, unter hohem Druck stehende Kühlmittel kühlt* Das untere Ende der Dewar-llasche ist geschlossen und bildet einen Vorratsbehälter, in dem sich verflüssigtes Kühlmittel ansammeln kann· An der Aussenseite derinnenwand 12 der Dewar-Flasöhe ist eine zu kühlende Anordnung, Z₀B. ein Infrarot-Strahlungsdetektor 15 angebracht oder gebildet_t

Hit dem oberen Ende des rohrförmigen Bauteils 10 ist ein Kopfstück 16 verbunden, dessen unterer Teil eine Balgenkammer 17 bildet, während der obere Teil 18 als Einlaßanschluß ausgebildet ist« Das obere Ende der gerippten Rohrwendel 11 steht mit dem Inneren des oberen Teils des Kopfstücks 16 in Verbindung, dem ein gasförmiges Kühlmittel, z.B. unter Druck stehender Stickstoff, mit einer untir seiner Inversionstemperatur liegenden Temperatur zugeführt wird·

Der rohrförmige Körper 10 tragt an seinem unteren Ende ein Sitzteil 20 in Form eines etwa zylinderförmigen Hohlkörpers 26, der am oberen Ende ein im Querschnitt halbmondförmiges öhr 21 aufweist, das von ihm exzentrisch in das untere Ende des rohrförmigen Bauteils 10 vorspringt, an dem es z.B. durch Schweissen befestigt ist. Das untere Ende der gerippten Rohrwendel 11 tritt seitlich in das Sitzteil 20 ein, welohes ein Pilter 22 enthält, durch das das Gas von der Rohrwendel 11

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zu einer Intspannungsdüse 25 strömt, die im Boden des Sitzteils 20 gebildet ist.

Der wirksame Querschnitt der Entspannungsdüse 25 wird durch einen nadeiförmigen Ventilkörper 30 gesteuert, der seinerseits durch einen in der Balgenkammer 17 angeordneten Balgen 31 über ein nach unten reichendes, im Querschnitt O-förmiges Bauteil 32, das im folgenden als Betätigungsstange bezeichnet wird, betätigt wird. Am unteren Ende der einen Teil einer Röhre bildenden Betätigungsstange ist in der Nähe des einen Randes das obere Ende eines geraden Stabes 33 angeschweißt, dessen unteres Ende mit einem hakenförmigen Stab 34 rerschweißt ist, dessen unteres Ende durch einen Block 35 reicht und mit diesem rerachweißt ist. In den Block 35 ist der nadeiförmige Ventilkörper 30 rersteilbar eingeschraubt. Das obere Ende des haken- ι förmigen Stabes 34 reicht von der Seite in einen Schlitz, j der im öhr 21 des Sitzteiles gebildet iet und wirkt als An- ;

schlag, der die Abwärtsbewegung des Ventils begrenzt» Der i Ventilkörper 30 ist so eingestellt, daß er in seiner untersten Stellung gerade noch in die Düse 25 reioht, so daß er sich selbst zentriert, wenn er zum Schiitssen der Entspannungsdüse naeh oben bewegt wird. j

Das obere Ende der Betätigungsstange 32 ist am geschlossenen ^! oberen Ende des Balgens 31 befestigt, dessen unteres Ende mit α dem unteren Heil der Balgenkammer 16 rerbunden ist« Wenn also der Druck in der Balgenkammer ausserhalb des Balgens auefallen sollte, wird sich der Balgen ausdehnen und die Betätigungsstange anheben, wobei dann der Ventilkörper 30 welter in die Expansionsdüse eingeführt wird und deren wirksamen Querschnitt Terringert, bis die Strömung schließlich unterbrochen wird·

Länge der hohlen Betätigungeetange 32 erstreckt sich innerhalb des inneren rohrförmigen Bauteils des Wärmetauschers über dessen ganze Länge eine Fühlerröhre 40, deren unteres, flachgedrücktes Ende 41 einen Wärmefühler bildet· Das obere Ende der Fühlerröhre 40 reioht duroh den Boden der Balgenkammer 17t ^{s0 daß} ihr Inneres mit dem den Balgen 31 umgebenden Raum

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in Verbindung steht β Die Fühl err öhre reicht unten am Ventil vorbei und endet in dem flachgedrückten Teil 41. Die Fühlerröhre 40 und der ausserhalb des Balgens 31 liegende Raum der Balgenkammer 17 sind mit einer Flüssigkeit und dem mit dieser im Gleichgewicht stehenden Dampf eines geeigneten Materials gefüllt.

Wenn sich im Betrieb der Kühleinrichtung in bekannter Weise verflüssigtes Kühlmittel in der Dewar-Flasche ansammelt und der Flüssigkeitsspiegel allmählich steigt, so daß das untere Ende der Fühlerröhre mehr und mehr eintaucht, sinkt die Temperatur der Fühlerröhre und damit auch der Druck, der auf die Aussenseite des"Balgens wirkt, allmählich, so daß sich der Balgen aus den^oft, die hohle Betätigungsstange hebt und bewirkt, daß der nadeiförmige Ventilkörper allmählich die Entspannungsdüse schließt und die Kühlmittelströmung drosselt₉ Am Sitzteil 20 ist ausserdem eine zylinderische Abschirmung 26 angeschweißt, die das Ventil umgibt, so daß das aus der Düse austretende Kühlmittel nicht direkt auf die Fühlerröhre 40 auftreffen kann*·

Die beschriebene Konstruktion eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen ein sehr gedräi^er und schlanker Aufbau erforderlich ist. Wenn das Ventil durch einen Balgen betätigt wird, der sich innerhalb des Wärmetauschers befindet (wie es bei den obenerwähnten bekannten Kühleinrichtungen der Fall ist), kann der Aussendurchmesser des Wärmetauschers und damit der Innendurchmesser der Dewar-Flasche mit vertretbarem Aufwand bis auf etwa 7,5 mm verringert werden» Bei manchen Anwendungen ist dies jedoch immer noch zu viel und der Durohmesser darf höchstens etwa 5 mm betragen« Dies kann gemäß einem anderen Vorschlag dadurch erreioht werden, daß der Balgen nich innerhalb des Wärmetauschers, sondern koaxial ausserhalb von diesem hinter seinem warmen Ende angeordnet wird, so daß er einen wesentlich grösaeren Durchmesser haben kann als der Wärmetauscher· .

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Bei Kühleinrichtungen des beschriebenen Typs können unter bestimmten Umständen störende Schwingungen des Ventilkörpers auftreten, die ihre Ursache in der Elastizität und der Masse der Balgenanordnung haben und durch die aus der Entspannungsdüse austretende Strömung angeregt werden. Gemäß einem anderen Vorschlag werden solche Störschwingungen dadurch vermieden, daß an der Innenseite der Betätigungsstange 32 eine Kammer 50 befestigt, 'z*B_e angeschweißt ist, die im wesentlichen mit losen Teilchen 51, z.B. kleinen Phosphorbronze-Kugeln oder Wolframkarbid-Pulver, gefüllt ist<, Der Füllungsgrad ist möglichstt groß, um die Masse so groß wie möglich zu machen, die Füllung darf jedoch nicht eingepresst werden und muß für sich beweglich sein« Beim Auftreten von Schwingungen muß also die Teilchenmasse in der Kammer 50 ausser Phase mit der hohlen Betätigungsstange schwingen und dadurch die Schwingungen dämpfen können_e

Da es nioht einfach ist, das teilchenförmige Material in der erforderlichen kleinen Menge in den winzigen Hohlraum einzufüllen, kann es zweckmässig sein, die Teilchen mit einem Bindemittel, z.B. festem Kohlendioxyd oder Eis, das später durch Verdampfen wieder entfernt werden kann, zu tablettieren·

Der von der Dämpfungsanordnung eingenommene Raum wird offen- I sichtlioh nicht für andere Zwecke benötigt, so daß die Abmessungen der Kühleinrichtung durch die Dämpfungsanordnung nicht Vergrößert werden.

Die Fühlerröhre 40 kann mit irgendeiner geeigneten flüchtigen Flüssigkeit, die im Gleichgewicht mit ihrem Dampf steht, gefüllt sein* Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Balgen jedooh so ausgelegt und angeordnet, daß er sioh bei gleichem Aussen- und Innendruck soweit zusammenzieht, daß das Ventil geöffnet und dadurch eine öffnung im Störungsfalle gewährleistet ist. Man wird dann zur Füllung der Balgenkammer ein Material wählen, dessin Dampfdruck im Betriebstemperaturbereioh, der bei Stioketoff als Kühlmittel etwa 85 bis 11O⁰K betragen kann, unterhalb des Atmoephärendruokes liegt· Ein geeignetes Füllmaterial ist also z.B. Methan» Der Druck in dem ausserhalb dee

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Balgens liegenden Teil der Balgenkammer ist dann' niedriger als der Druck in dem übrigen Teil der Kühleinrichtung und damit auch niedriger als innerhalb des Balgens, und das Ventil wird so einjustiert, daß die Elastizität des Balgens es zu öffnen strebte Wenn unter diesen umständen eine Undichtigkeit auftreten und den Unterdruck auf der Aussenseite des Balgens aufheben sollte, wird eine Störungsöffnung des Ventils eintreten und die Kühlung wird weitergehene Mit anderen Worten gesagt, wird die Kühleinrichtung bei einer solchenStörung weiterarbeiten, wenn auch selbstverständlich der Kühlmittelvorrat rascher erschöpft sein wird alä bei einwandfreier Funktion*

Wie oben erwähnt wurde, hat die Anordnung der Balgenausserhalb des Wärmetauschers den Vorteil, daß die Abmessungen des Balgens nicht durch die der Dewar-Flasche begrenzt werden^ : was besonders wichtig ist, wenn das Ventil durch Unterdrück betätigt wird. ^

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Claims (1)

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   Patentansprüche ,

   Kryogene Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip des

   Joüle-Thomson-Effektes arbeitet, mit einem Wärmetauscher, durch den ein gasförmiges Kühlmittel von einer Druckgasquelle zu einer Entspannungsdüse und das entspannte Kühlmittel im G-egen^ ; strom zurückströmt, einem mit der Düse zusammenarbeitenden, den wirksamen Düsenquerschnitt steuernden Ventilkörper, der zum automatischen Regeln des Kühlmitteldurchsatzes dient und in Öffnungsrichtung vorgespannt ist, und einer mit dem Ventilkörper zu dessen Betätigung verbundenen beweglichen Wand, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliehe Wand (31) dem Dampfdruck eines Materials ausgesetzt ist, der beim Absinken der Temperatur und des Kältebedarfes unter den Umgebungsdruck der Einrichtung fällt, und so ausgebildet ist, daß der resultierende Unterdruck das Ventil (25,30) gegen die Wirkung der Vorspannung zu schliessen strebt.

   2 ο Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand durch einen Balgen (31) gebildet ist und daß die Vorspannung mindestens zum Teil auf der Elastizität des Balgens beruht«

   3c Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, zum Erzeugen von flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff mit einer Temperatur von etwa 80⁰K, dadurch gekennzeichnet, daß das Material," dessen Dampfdruck auf die bewegliche Wand wirkt, Methan enthält,,

   4o Kühleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3| dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (30) ausserhalb des Wärmetauschers (10,11,12) und hinter dessen kaltem Ende angeordnet ist und daß die bewegliche Wand (31) ausserhalb des Wärmetauschers und hinter dessen warmem Ende angeordnet und mit dem Ventilkörper durch eine Betätigungsstange (32) verbunden ist, die sich durch den Wärmetauscher erstreckt.

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