DE2656085A1 - Kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung und insbesondere auf eine solche Kühlvorrichtung, die mit einer einstellbaren, abströmseitig angebrachten Wärmekompensationseinrichtung ausgestattet ist.

Nachdem Joule-Thomson-Prinzip arbeitende kryogene Kühlvorrichtungen, d.h. Kühlvorrichtungen, bei denen ein unter hohem Druck stehendes Kältemittel expandiert wird und über einen Wärmeaustauscher zur Abkühlung auf seinen Siedepunkt geleitet wird, machten bisher als Temperatursteuermechanismus von einem mittels eines Faltenbalgs betätigten Nadelventil Gebrauch. Der Faltenbalg enthält eine mit Gas gefüllte Kammer. Wenn sich das Gas in der Balgkammer abkühlt,

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zieht sich der Balg zusammen und schließt das Ventil.

Mit der Verwendung eines von einem Faltenbalg gesteuerten Ventilmechanismus sind mehrere Nachteile verbunden. Beispielsweise kann der Balg des Mechanismus Gas ausströmen lassen, so daß er das Ventil nicht mehr betätigen kann, das den Eintritt des Kältemittels in die Expansionekammer steuert. Ferner kann der Faltenbalgmechanismus von Druckschwankungen am kalten Ende der Expansionskammer beeinflußt werden; solche Druckschwankungen beeinflussen das dynamische Verhalten der Gasströmung, und sie reduzieren den Wirkungsgrad der kryogenen Kühlvorrichtung. Außerdem kann der Faltenbalgmechanismus nicht ohne Zerlegen der Kühlvorrichtung auf verschiedene Kältemittel geeicht werden; die Einstellung des Faltenbalgmechanismus ist schwierig und zeitraubend. Ferner ist die Herstellung eines geeigneten Faltenbalgs, beispielsweise eines solchen Balgs, der bei sehr tiefen Temperaturen richtig arbeitet, relativ teuer und kompliziert.

Mit Hilfe der Erfindung soll daher eine kryogene Kühlvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften geschaffen werden. Insbesondere soll eine verbesserte Wärmekompensationseinrichtung für einen kryogenen Kühler geschaffen werden. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Wärmekompensationseinrichtung für eine kryogene Kühlvorrichtung soll einfach heraustellen sein, eine reduzierte thermische Masse aufweisen und sich zur wirtschaftlichen Herstellung für Massenproduktionsverfahren eignen. Die zu schaffende Wärmekompensationseinrichtung für eine kryogene Kühlvorrichtung soll so einstellbar sein, daß ein Betrieb bei

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einer vorgewählten Temperatur gewährleistet wird; sie soll so geeicht werden können, daß sie für verschiedene Kältemittel eingesetzt werden kann. Ferner soll die zu schaffende Wärmekompensationseinrichtung unabhängig von Druckkräften am kalten Ende der Expansionskammer sein. Undichtheiten, die ein Ausströmen von Gas ergeben könnten, sollen bei der mit Hilfe der Erfindung zu schaffenden Wärmekompensationseinrichtung nicht auftreten. Die zu schaffende Wärmekompensationseinrichtung soll bezüglich des kalten Endes abströmseitig angebracht sein, damit der Wärmeaustauscher zur Erzielung einer größeren Wärmeempfindlichkeit, zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades und zur Erzielung einer im wesentlichen konstanten Temperatur am kalten Ende näher an das kalte Ende herangebracht werden kann.

Die erfindungsgemäße cryogene Kühlvorrichtung enthält eine unter Druck stehende Kältemittelquelle, die an einen Wärmeaustauscher angeschlossen ist. Eine am Wärmeaustauscher

befestigte, von einem Nadelventil gesteuerte Öffnung läßt das unter Druck stehende Kältemittel in eine Expansionskammer eintreten. Eine mechanisch betätigte Absperrvorrichtung dosiert das durch die Öffnung in die Expansionskammer gelangende Kältemittel abhängig von einer einstellbaren thermischen Einrichtung. Die einstellbare thermische Einrichtung ist in ausgewählter Weise bezüglich des kalten Endes abströmseitig in der Expansionskammer angebracht, wo sie auf die Temperatur des expandierten Kältemittels nur an diesem Punkt anspricht, damit «das kalte Ende der Kühlvorrichtung auf einer vorgewählten Temperatur gehalten wird.

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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Ansicht der kryogenen Kühlvorrichtung, wobei ein Teil weggeschnitten ist, damit die den Gegenstand der Erfindung bildenden Einzelheiten genauer erkennbar sind,

Fig.2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Kühlvorrichtung mit der Wärmekompensationseinrichtung in der unwirksamen Stellung,

Fig„3 einen Schnitt der Kühlvorrichtung längs der Linie 3-3 von Fig.1,

Fig.4 eine Teilansicht der Kühlvorrichtung, die die Wärmekompensationseinrichtung in der geschlossenen Stellung zeigt,

Fig.5 eine teilweise geschnittene Ansicht, die die Drehpunkteinstellvorrichtung für die Wärmekompensationseinrichtung in der vorgeschobenen Stellung zeigt, und

Fig.6 eine Teilschnittansicht, die die Drehpunkteinsteilvorrichtung für die Wärmekompensationseinrichtung in der zurückgezogenen Stellung zeigt.

In Fig.1 ist eine kacyogene Kühlvorrichtung 10 dargestellt, die beispielsweise ein Joule-Thomson-Tieftemperatur-Thermostat, ein sogenannter Kryostat sein kann. Die Kühlvorrichtung 10 enthält eine unter Druck stehende Kältemittelquelle 12, die in der bevorzugten Ausführungsform

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beispielsweise eine unter βΛηβπι Druck von etwa 422 kg/cm (6000 psi) stehende Preßluftflasche ist. Eine Leitung 14 verbindet die Preßluftflasche 12 mit einem Anschlußteil Ein Devarzylinder 18 und eine Fläche des Anschlußteils 16 umschliessen den noch zu beschreibenden Arbeitsmechanismus 20 der Kühlvorrichtung, wobei ein Ende abgedichtet in das Anschlußteil 16 eingreift. Der Raum zwischen dem Devarzylinder 18 und dem Afbeitsmechanismus 20 bildet ein Teil einer Expansionskammer 22, die ebenfalls noch genauer beschrieben wird. Die Expansionskammer 22 ist durch ein Entlüftungsrohr 24 entlüftet, das am Anschlußteil 16 befestigt ist.

Fig.2 zeigt die kryogene Kühlvorrichtung von Fig.1, wobei die Kältemittelquelle 12 und der Devarzylinder 18 (Fig.1) entfernt sind, damit die Einzelheiten des Anschlußteils 16 und des Arbeitsmechanismus 20 der Kühlvorrichtung genauer erkennbar werden. Das Anschlußteil 16 (Fig.2) weist eine mit der Kältemittelzufuhrleitung 14 verbundene EingangsÖffnung 26 und eine an das Entlüftungsrohr 24 angeschlossene Auslaßöffnung 28 auf. In der Mitte des Anschlußteils 16 ist eine .Gewindedurchführung 30 angebracht, die eine Stellschraube 32 einer noch zu beschreibenden Einstellvorrichtung für eine Wärmekompensationseinrichtung aufnimmt. Zur Aufnahme des Devarzylinders 18 ist in dem Anschlußteil 16 eine O-Ring-Nut gebildet. Die ringförmige O-Ring-Nut 34 verläuft konzentrisch zur Gewindedurchführung 30. Ein abgestufter Vorsprung 36 ist an der Oberfläche des Anschlußteils 16 konzentrisch zur Gewindedurchführung 30 zur Aufnahme eines zylindrischen Rohrs 38 gebildet. Der abgestufte Vorsprung 36 weist entsprechend der GewindedurchfUhrung 30 einen Durchlaß auf,

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der eine Verlängerung der Gewindedurchführung in das zylindrische Rohr 38 bildet.

Die Betätigungsvorrichtung 20 enthält einen Wärmeaustauscher 40, der mit einem Ende an der Einlaßöffnung 26 des Ans&hlußteils 16 befestigt ist. Der Wärmeaustauscher kann beispielsweise aus einem Kupferrohr bestehen, an dem ein spiralenförmiger Flansch 42 einstückig angeformt ist. Der spiralenförmige Flansch 42 wirkt als Wärmeableitkörper für den Wärmeaustauscher 40. Der Wärmeaustauscher ist um das zylindrische Rohr 38 gewickelt, und er endet an einer Düsenöffnung 44, die in einem Düsenblock 46 gebildet ist. Der Düsenblock -46 ist vorzugsweise ein Nickelblock, der im Querschnitt einen abgeschnittenen Halbkreis bildet. Der Düsenblock waist einen sich in zwei Richtungen öffnenden Schlitz 48 auf, der in einem der Öffnung 44 gegenüberliegenden Abschnitt angebracht ist. In den"Wänden des Düsenblocks die den Schlitz 48 bilden, ist ein Stift gelagert; ein Winkelhebel 52 ist um den Stift 50 drehbar angebracht. Ein Armabschnitt 54 des Winkelhebels 52 erstreckt sich durch eine öffnung im Ende des Düsenblocks 56 aus einem noch zu erläuternden Zweck vertikal beweglich im zylindrischen Rohr 38, und ein zweiter Armabschnitt 56 des Winkelhebels erstreckt sich durch eine öffnung in der ebenen Hauptfläche des Düsenblocks 46 nach oben, so daß er sich in einem Schlitz 58 im wesentlichen horizontal bewegen kann, der in einem Endabschnitt eines horizontalen Glieds 56 des Nadelventilschlittens 62 angebracht ist.

Das Schlittenglied 60 des Nadelventils hat im Querschnitt die Form eines abgeschnittenen Kreises, wobei sein© ebene

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Hauptfläche der ebenen Hauptfläche des Düsenblocks 46 entspricht, auf der es abhängig von der Bewegung des Winkelhebels 52 gleitet. Das Schlittenglied 60 trägt an seinem dem geschlitzten Ende gegenüberliegenden Ende ein festes Zylinderglied 64. Zur Reduzierung der thermischen Masse können einandergegenüberliegende vertikale Seiten dadurch gebildet werden, daß Teile des Zylinderglieds 64 entfernt werden. Das beschnittene Zylinderglied 64 weist eine Gewindedurchführung 66 auf, in die ein Nadelventil 68 zur Erzielung einer Einstellung eingeschraubt ist. Das Nadelventil 68 ist so angebracht, daß es in der Öffnung 44 des Düsenblocks 46 sitzt. Das Schlittenglied 60 und das Zylinderglied 64 sind aus irgendeinem geeigneten Material, beispielsweise Edelstahl, hergestellt.

Die Öffnung im Düsenblock 46 steht mit der Expansionskammer 22 in Verbindung (Fig.1). Die Expansionskammer umfaßt den Bereich zwischen dem Devarzylinder und dem zylindrischen Rohr 38 sowie einen Abschnitt 70(Fig.2) innerhalb des zylindrischen Rohrs, wie noch erläutert wird. Die Expansionskammer enthält somit den kalten Endabschnitt zwischen den vertikalen Enden des zylindrischen Rohrs 38 und dem Devarzylinder 18 und den Abschnitt zwischen den horizontalen Wänden des zylindrischen Rohrs 38 und den den Wärmeaustauscher 40 umschliessenden Devarzylinder 18 zusätzlich zum Innenabschnitt 70 des zylindrischen Rohres. Die Expansionskammer schließt mit einem heißen Ende an der Auslaßöffnung 68 des Anschlußteils 16 ab. Längs der Expansionskammer existiert zwischen dem kalten Ende und dem heißen Ende ein wachsender Wärmegradient. Der Abschnitt 70 der Expansionskammer

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innerhalb des zylindrischen Rohrs 38 steht mit dem von den horizontalen Wänden des zylindrischen Rohrs 38 und des Devarzylinders 18 über Öffnungen 72 und 74 (Fig.3) in Verbindung. Die Öffnungen 72 und 74 sind in ausgewählter Weise abströmseitig bezüglich des kalten Endes des zylindrischen Rohrs im wesentlichen dort angebracht, wo sich der Übergangspunkt von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase für den höchsten Versorgungsdruck befindet, damit das gekühlte Kältemittel in den Abschnitt 70 der Expansionskammer im zylindrischen Rohr zum Abkühlen der Wärmekompensationseinrichtung 76 eingelassen wird. Wenn der Versorgungsdruck abnimmt, verschiebt sich der Übergangspunkt näher zum kalten Ende, wobei sich die Temperatur der Wärmekompensationseinrichtung 76 erhöht und die Kraft, die die Kompensationseinrichtung auf das Nadelventil 68 ausübt, zur Erhöhung der Kältemittelströmung für die Aufrechterhaltung der Temperatur des kalten Endes reduziert wird.

Die Wärmekompensationseinrichtung 76 ist innerhalb des zylindrischen Rohrs 38 angebracht; sie enthält einen Bimetallstreifen 78, der mit einem Ende starr an einem halbkreisförmigen Block 80 befestigt ist, der seinerseits starr an der Innenfläche des zylindrischen Rohrs 38 befestigt ist. Der Bimetallstreifen 78 besteht aus zwei Metallegierungsschichten 82 und 84 mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Geeignete Metallegierungen sind für die Schicht BZ eine von der Firma Firth Sterling Co. unter der Bezeichnung INVAR vertriebene Nickellegierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizient und für die Schicht 84 eine aus 72% Magnesium, I896 Kupfer und 10% Nickel bestehende Legierung mit hohem

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Ausdehnungskoeffizient. Ein Einstellschieber 86 weist einen Abschnitt 88 mit halbkreisförmigem Querschnitt auf, dessen ebene Fläche der Fläche des Bimetallstreifens und eines Bimetallstreifenhalters 80 entsprichtj ferner weist der Einstellschieber einen Endabschnitt 90 mit halbkreisförmigem Querschnitt entsprechend der Innenfläche des zylindrischen Rohrs 38 auf. Der Endabschnitt des Einstellschiebers 86 endet mit einem Vorsprung 92. An dem Vorsprung 92 ist eine zylindrische Kappe 94 mit ihrem Randabschnitt starr befestigt, die in ihrem Boden eine Durchführung aufweist. Ein Stab 96, der mit einem Flanschende starr in einem Halteglied 98 befestigt ist, das seinerseits starr innerhalb der zylindrischen Kappe befestigt ist, ist mit der Einstellschraube 32 verbunden, die in die Durchführung 30 des Anschlußteils 16 geschraubt ist. Das vom Bimetallstreifenhalter.80 abgewandte Ende des Bimetallstreifens 78 ist so angebracht, daß es auf den Winkelhebel 52 einwirkt.

Für den Betrieb wird die Einstellschraube 32 (Fig.5) der Einstellvorrichtung der Wärmekompensationseinrichtung so gedreht, daß der Stab 96 den Einstellschieber, 86 in die richtige Lage unterhalb des Bimetallstreifens bringt. Das Ende des Einstellschiebers 86 wirkt als Drehpunkt, dessen Wirkung darin besteht, die Flexibilität des Bimetallstreifens 78 zur Erzielung der gewünschten Temperatur des kalten Endes für das verwendete Kältemittel einzustellen. Wie in Fig.5 dargestellt ist, wird der verschiebbare Drehpunktabschnitt 88 zur Erniedrigung der Flexibilität des Bimetallstreifens 78 vorgeschoben, während er gemäß Fig.6 zur Erhöhung der Flexibilität des Bimetallstreifens zurückgezogen wird. Eine weitere

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Einstellung erfolgt mittels des Nadelventils 68 zur Einstellung der Position des Winkelhebels 52 bezüglich des Bimetallstreifens 78. Die Anbringung der Öffnungen und 74 erfolgt durch Ausprobieren, damit eine Stelle erzielt wird, an der die Temperatur des Kältemittels in der Expansionskammer im wesentlichen nur durch die Temperatur des kalten Endes und nicht durch die Umgebungstemperatur des heißen Endes beeinflußt wird. Bei richtiger Einstellung des Einstellschiebers 86 und des Nadelventils zur Erzielung der gewünschten Temperatur am kalten Ende der Expansionskammer (beispielsweise 77°K für einen Quecksilber-Cadmium-Tellur-Detektor) ist die kryogene Kühlvorrichtung zur Verwendung beim Kühlen eines Devar-Gefässes bereit.

Im Betrieb wird das Kältemittel aus der Quelle 12 durch die Einlaßöffnung des Anschlußteils 16 und den Wärmeaustauscher 40 zur Düsenöffnung 44 geleitet.Der Druck des Kältemittels drückt den Nadelventilschlitten 62 zurück, so daß das Nadelventil 68 vom Ventilsitz abhebt. Der SchlitE 48 im Düsenöffnungsblock wirkt als Anschlag für den Winkelhebel 52 zur Begrenzung der nach außen gerichteten Bewegung des Nadelventilschlittens. Bei abgehobenem Nadelventil 68 dringt das Kältemittel in das kalte. Ende der Expansionskammer ein, wo es nach der Expansion zu einer Flüssigkeit abgekühlt wird und längs der Expansionskammer über den Wärmeaustauscher strömt, damit dem durch den Wärmeaustauscher fliessenden Kältemittel Wärme entzogen wird. Wenn das flüssige Kältemittel abfließt, wird der Übergangspunkt des thermischen Gradienten durchlaufen, und das Kältemittel dringt gasförmig über die Öffnungen 72 und

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zum Kühlen des Bimetallstreifens 78 in den Abschnitt der Expansionskammer 22 ein· Wenn sich der Bimetallstreifen 78 abhängig von der Temperatur des Kältemittels abkühlt, verbiegt er sich so, daß er auf den Arm 54 des Winkelhebels 52 einwirkt und diesen Arm niederdrückt. Wenn der Arm 54 des Winkelhebels 52 niedergedrückt wird, bewegt sich der andere Arm 56 gegen eine Seite des Schlitzes im Ventilnadelschlitten, so daß sich das Nadelventil 68 auf die Düsenöffnung 44 des Düsenöffnungsblocks 46 aufsetzt und das Strömen des Kältemittels in die Expansionskammer 22 unterbricht. Wenn die Gasströmung aus der Expansionskammer unterbrochen ist, steigt die Temperatur des Kältemittels in der Expansionskammer an, und bei einem Temperaturanstieg entspannt sich der Bimetallstreifen 78, so daß er in seine normale, nicht ausgelenkte Position zurückkehrt» Es ist zu erkennen, daß bei einer Abnahme der Kältemittelzufuhr der Druck absinkt und die Menge des Kältemittels zum Kühlen zunimmt. Wenn die Menge des Kältemittels zum Kühlen zunimmt, stellt sich das Ansprechverhalten des Bimetallstreifens entsprechend ein, und die daraus resultierende Wirkung des Bimetallstreifens besteht darin, daß seine Arbeitsweise entsprechend dem sinkenden Druck des Kältemittels aufrechterhalten wird. Wenn das Kältemittel weiter zum heißen Ende der Expansionskammer abströmt, wird es über das Entlüftungsrohr 24 zur Umgebungsatmosphäre abgelassen, das an der Auslaßöffnung des Anschlußteils 16 befestigt ist.

Es ist hier zwar nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden, doch ist für den Fachmann offensichtlich, daß im^Rahmen der Erfindung auch weitere Abwandlungen der KonstruktionsBinzelheiten möglich sind.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. ijCühlvorrichtung mit einer im wesentlichen konstanten vorgewählten Kühltemperatur mit einer Kältemittelquelle, einem an die Kältemittelquelle angeschlossenen Wärmeaustauscher, einer Expansionskammer mit einem kalten Ende, einem Kammerkörper und einem heißen Ende und mit einer Wärmekompensationseinrichtung zur Steuerung der Strömung des Kältemittels aus dem Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß am Wärmeaustauscher (40) und an der Wärmekompensationseinrichtung (76) eine Absperrvorrichtung (62) befestigt ist und daß die Wärmeaustauscheinrichtung (76) abströmseitig bezüglich des kalten Endes der Expansionskammer an einer vorgewählten Stelle im Kammerkörper zur Betätigung der Absperrvorrichtung abhängig von einer vorgewählten Temperatur des Wärmegradienten desKammerkörpers und unabhängig von Kältemitteldruckkräften am kalten Ende angebracht ist.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekompensationseinrichtung eine Einstellvorrichtung zum Einstellen ihres Ansprechverhaltens für die Verwendung mit verschiedenen Kältemitteln enthält.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskammer aus einem die Kammerinnenwand bildenden zylindrischen Rohr, einem im Abstand von der Innenwand liegenden Devarzylinder zur Bildung der Kammeraußenwand und einer entlüfteten Endverschlußvorrichtung besteht.

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4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher innerhalb der Expansionskammer von dem zylindrischen Rohr getragen ist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zylindrischen Rohr die Wärmekompensationseinrichtung in einer Austauschverbindung mit der Expansionskammer, ein Nadelventilschlitten und ein Düsenöffnungsblock mit einer Düsenöffnung untergebracht sind, wobei die Düsenöffnung in einer Verbindung mit dem Wärmeaustauscher und der Expansionskammer endet.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zylindrischen Rohr ferner die Einstellvorrichtung für die Wärmekompensationseinrichtung untergebracht ist.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung in einem Endabschnitt des zylindrischen Rohrs angebracht ist, daß die Wärmekompensationseinrichtung im zylindrischen Rohr angrenzend an den Endabschnitt der Einstellvorrichtung angebracht ist und daß der Nadelventilschlitten und der Düsenöffnungsblock im Endabschnitt des zylindrischen Rohrs gegenüber den die Einstellvorrichtung für die Wärmekompensationseinrichtung enthaltenden Endabschnitt angebracht ist.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftete Endversöhlußvorrichtung der Expansionskammer ein Anschlußteil aufweist, das eine zur Aufnahme des Devarzylinders und des offenen Endes des zylindrischen Rohrs geeignete Fläche hat, daß eine Einlaßöffnung des Anschlußteils vorgesehen ist, die aus einer Kältemittel-

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quelle das Kältemittel empfängt, daß eine Auslaßöffnung zum Entlüften der Expansionskammer vorgesehen ist, daß im Anschlußteil eine Gewindedurchführung angebracht ist, und daß in die Gewindedurchführung des Anschlußteils eine Einstellschraube eingeschraubt ist, die mit der Ein-. Stellvorrichtung der Wärmekompensationseinrichtung verbunden ist.

9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekompensationseinrichtung ein freitragendes Bimetallglied enthält, das sich abhängig von Temperaturänderungen biegt, und daß die Wärmekompensationseinrichtung ferner ein einstellbares Drehpunktglied aufweist, das so angebracht ist, daß es auf das freitragende Bimetallglied zwischen dessen Enden zur Einstellung seiner Flexibilität einwirkt.

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