DE2656085C2 - Kühlvorrichtung - Google Patents
KühlvorrichtungInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B2309/02—Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect
- F25B2309/022—Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect characterised by the expansion element
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Kühlvorrichtung ist aus der DE-AS 01 889 bekannt. Diese bekannten, nach dem Joule-Thomson-Prinzip
arbeitenden kryogenen 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, machen 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, zieht sich der Baig zusammen und schließt das Ventil.
Mit der Verwendung eines von einem Faltenbalg gesteuerten Ventilmechanisraus 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 Expansionskammer steuert Ferner kann der Fakenbalgmechanismus 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 der Verwendung eines von einem Faltenbalg gesteuerten Ventilmechanisraus 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 Expansionskammer steuert Ferner kann der Fakenbalgmechanismus 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.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer
Kühlvorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die
äußerst zuverlässig arbeitet und in einfacher Weise in
verschiedene Arbeitsbedingungen angepaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst
Die durch die Erfindung geschaffene Kühlvorrichtung
weist eine Wärmekompensationseinrichtung auf, die
einfach herzustellen ist, eine reduzierte thermische
Masse aufweist und sich zur wirtschaftlichen Herstellung für Massenproduktionsverfahren eignet. Sie ist so
einstellbar, daß ein Betrieb bei einer vorgewählten Temperatur gewährleistet wird, und kann so geeicht
werden, daß sie für verschiedene Kältemittel eingesetzt werden kann. Ferner ist sie unabhängig von Druckkräften
am kalten Ende der Expansionskammer.
Die Wärmekompensationseinrichtung ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform bezüglich des
kalten Endes abströmseitig angebracht, 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.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Ansicht der kryogenen Kühlvorrichtung, wobei ein Teil weggeschnitten ist,
damit die den Gegenstand der Erfindung bildenden Einzelheiten genauer erkennbar sind,
F i g. 2 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Kühlvorrichtung mit der Wärmekompensationseinrichtung
in der unwirksamen Stellung,
F i g. 3 einen Schnitt der Kühlvorrichtung längs der Linie 3-3 von F i g. 1,
F i g. 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
F i g. 6 eine Teilschnittansicht, die die Drehpunkteinstellvorrichtung
für die Wärmekompensationseinrichtung in der zurückgezogenen Stellung zeigt
in Fig. 1 ist eine kryogene Kühlvorrichtung 10 dargestellt, die beispielsweise ein Joule- fhomson-Tieftemperatur-Thermostat,
ein sogenannter Kryostat sein kann. Die Kühlvorrichtung 10 enthält eine unter Druck
stehende Kältemittelquelle 12, die in der bevorzugten Ausführungsform beispielsweise eine unter einem
Druck von etwa 422 kg/cm2 stehende Preßluftflasche ist
Eine Leitung 14 verbindet die Preßluftfiasche 12 mit einem Anschlußteil 16. Ein Dewarzylinder 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 Dewarzylinder
18 und dem Arbeitsmechanismus 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
Dewarzylinder 18 (Fig. 1) entfernt sind, damit die Einzelheiten des Anschlußteils 15 und des Arbeitsmechanismus
20 der Kühlvorrichtung genauer erkennbar werden. Das Anschlußteil 16 (F i g. 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 Dewarzylinders 18 ist in dem Anschlußteil 16 eine O-Ring-Nut 34
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 Gewindedurchführung 30 einen Durchlaß auf, der eine Verlängerung der Gewindedurchführung in das
zylindrische Rohr 38 bildet.
Die Betätigungsvorrichtung 20 enthält einen Wärmeaustauscher 40, der mit einem Ende an dar Einlaßöffnung
26 des Anschlußteils 16 befestigt ist. Der Wärmeaustauscher 40 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 40 ist
um das zylindrische Rohr 38 gewickelt, und er endet an einer Düsenöffnung 44, die in einem Düsenblock 46
ausgebildet ist. Der Düsenblock 46 ist vorzugsweise ein Nickelblock, der im Querschnitt einen abgeschnittenen
Halbkreis bildet. Der Düsenblock weist 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 50 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 46 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 Schütz 58 im wesentlichen
horizontal bewegen kann, der in einem Endabschnitt eines horizontalen Schlittenglieds 60 des Nadelventilschlittens
62 angebracht ist
Das Schlittenglied 60 des Nadelventils hat im Querschnitt die Form eines abgeschnittenen Kreises,,
wobei seine ebene Hauptfläche der ebenen Hauptfläche des Düsenblocks 46 entspricht auf der es abhängig vcn
der Bewegung des Winkelhebels 52 gleitet Das ίο 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 22 umfaßt den Bereich zwischen dem Dewarzylinder und dem zylindrischen Rohr 38
sowie einen Abschnitt 70 (F i g. 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 Dewarzylinder 18 und den Abschnitt zwischen den horizontalen Wänden des zylindrischen
Rohrs 38 und den den Wärmeaustauscher 40 umschließenden Dewarzylinder 18 zusätzlich zum Innenabschnitt
70 des zylindrischen Rohres. Die Expansionskammer schließt mit einem heißen Ende an der
Auslaßöffnung 28 des Anschlußteils 16 ab. Längs der Expansionskammer existiert zwischen dem kalten Ende
und dem heißen Ende ein wachsender Wärmegradient. Der Abschnitt 70 der Expansionskammer innerhalb des
zylindrischen Rohrs 38 steht mit dem von den horizontalen Wänden des zylindrischen Rohrs 38 und
des Dewarzylinders 18 über öffnungen 72 und 74 (F i g. 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 Wärmekompensationsvorrichtung 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 Wärmekompensationsvorrichtung 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 für die Schicht 82 sind Nickellegie-
rungen mit niedrigem Ausdehnungskoeffizient und für die Schicht 84 eine aus 72% Magnesium, 18% Kupfer
und 10% Nickel bestehende Legierung mit hohem Ausdehnungskoeffizient. Ein Einstellschieber 86 weist
einen Abschnitt 88 mit halbkreisförmigem Querschnitt auf, dessen ebene Fläche der Fläche des Bimetallstreifens
78 und eines Bimetallstreifenhalters 80 entspricht; ferner weist der Einstellschieber einen Endabschnitt 90
mit halbkreisförmigem Querschnitt entsprechend der Innenfläche des zylindrischen Rohrs 38 auf. Der
Endabschnitt 90 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 S4 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 (F i g. 5) der Einstellvorrichtung der Wärmekompensationseinrichtung
so gedreht, daß der Stab 96 den Einstellschieber 86 in die richtige Lage unterhalb des Bimetallstreifens
78 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 F i g. 5 dargestellt ist, wird der verschiebbare Drehpunktabschnitt
88 zur Erniedrigung der Flexibilität des Bimetallstreifens 78 vorgeschoben, während er gemäß
F i g. 6 zur Erhöhung der Flexibilität des Bimetallstreifens zurückgezogen wird. Eine weitere Einstellung
erfolgt mittels des Nadelventils 68 zur Einstellung der Position des Winkelhebels 52 bezüglich des Bimetallstreifens
78. Die Anbringung der Öffnungen 72 und 74 erfolgt durch Ausprobieren, damit eine Stelle erzielt to
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 770K für einen Quecksilber-Cadmium-Tellur-Detektor)
ist die kryogene Kühlvorrichtung zur Verwendung beim Kühlen eines Dewar-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 Schlitz 58 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 74 zum Kühlen des Bimetallstreifens 78 in den Abschnitt
70 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 Winkelnebels 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 Nadelventilschlitten, 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 Konstruktionseinzelheiten
möglich sind.
Hierzu 3 Biait Zeichnungen
Claims (6)
1. Kühlvorrichtung mit einer im wesentlichen konstanten, vorgewählten Kühltemperatur, mit
einer Kältemittelquelle, einem an die Kältemittelqueile angeschlossenen Wärmetauscher, einer Expansionskammer
mit einem heißen Ende und einem kalten Ende, einem zylindrischen Rohr, das eine mit
dem Wärmetauscher in Verbindung stehende Expansionsdüse trägt, und einer innerhalb des
zylindrischen Rohres angeordneten Wärmekompensationsvorrichtung, die eine das Ausströmen des
Kältemittels aus der Expansionsdüse steuernde Absperrvorrichtung zur Aufrechterhaltung der vorgewählten
Temperatur am kalten Ende der Expansionskammer betätigt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmekompensationsvorrichtung (76) als Bimetallelement (78) ausgebildet ist,
dessen eines Ende an der Innenseite des zylindrischen Rohres (38) befestigt ist, und daß ein
Einstellschieber (86) vorgesehen ist, der mit dem einseitig befestigten Bimetallelement (78) zwischen
dessen Enden zur Einstellung seiner Beweglichkeit in Eingriff steht.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung einen
Nadelventilschlitten (62, 64) und ein einstellbares Nadelventil (68) enthält, wobei die Bewegung des
Bimetallelementes (78) zum Öffnen und Schließen der Expansionsdüse (44) auf den Nadelventilschlitten
(62, 64) und das einstellbare Nadelventil (68) übertragen wird.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Bewegung
des Bimetallelementes (78) ein Winkelhebel (52) dient, der mit dem Bimetallelement (78) und dem
Nadelventilschlitten (62, 64) in Eingriff bringbar ist.
4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellschieber
(86) durch ein am heißen Ende des zylindrischen Rohres (38) angebrachtes Anschlußteil (16) hindurch
von außerhalb der Expansionskammer (22) her einstellbar ist.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Einstellschiebers
(86) eine Schraube (32) vorgesehen ist, die mit dem Einstellschieber (86) über eine Stange (96)
verbunden ist.
6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußteil (16)
eine Einlaßöffnung (26) für den Empfang des Kältemittels aus der Kältemittelquelle (12) und eine
Auslaßöffnung (28) zum Entlüften der Expansionskammer (22) aufweist.
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