DE3140249A1

DE3140249A1 - Kuehleinrichtung

Info

Publication number: DE3140249A1
Application number: DE19813140249
Authority: DE
Inventors: Norman Henry Redditch Worcestershire Adams; David Neil King's Coughton Warwickshire Campbell
Original assignee: Hymatic Engineering Co Ltd
Current assignee: Hymatic Engineering Co Ltd
Priority date: 1980-10-10
Filing date: 1981-10-09
Publication date: 1982-08-26
Also published as: US4373357A; IL64022A0; SE8105991L; JPS5790558A; GB2085139A

Description

PATENTANWÄLTE SCHAEFER, POSTFACH 70 15 42, D-2 HAMBURG 70 IHR ZEICHEN:

THE HYMATIC ENGINEERING COMPANY LIMITED

Burnt Meadow Road, North Moons Moat, Redditch, Worcestershire, B9 8 9HJ, England

Kühleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Im Unterschied zu üblichen thermostatgesteuerten Kühleinrichtungen lassen sich Kühleinrichtungen der eingangs genannten Art, in denen gasförmiges Kühlmittel verflüssigt wird, nicht durch die Temperatur des Kühlmittels steuern, da diese solange konstant bleibt, wie flüssiges Kühlmittel mit gasförmigem Kühlmittel bei konstantem Druck in Gleichgewicht steht. Daher ist es notwendig, die Kühlung durch Veränderung der Menge flüssigen Kühlmittels in dem Behälter zu steuern, wobei das flüssige Kühlmittel als Pfütze oder in Form versprühter Tröpfchen vorliegen kann.

Daher sind bekannte Einrichtungen der eingangs genannten Art wie sie z.B. in GB-PS 1368 107 bzw» GB-PS 1 297 133 beschrieben sind, mit einem stationären Fühler in Form eines Rohres ausgebildet, das mit dem Steuerdampfraum in Verbindung steht und sich von diesem bis in den Bereich des Ventiles erstreckt. Eine derartige Anordnung gewährleistet empfindliches Ansprechen

auf die Flüssigkeitsmenge, die mit dem Fühler in Kontakt steht, gleichgültig, ob die Flüssigkeitsmenge in Form einer geschlossenen Pfütze oder in Form von Tröpfchen vorliegt. Die räumliche Unterbringung dieser Anordnung macht jedoch Schwierigkeiten, insbesondere wenn sehr kleine Kühleinrichtungen gefordert werden. «

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die kleiner als bekannte Konstruktionen ausbildbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruchs 1 gelöst.

Während des Betriebes fließt Gas durch den ersten Weg in den Wärmeaustauscher, expandiert in der Düse, wird dadurch abgekühlt und fließt dann durch den zweiten Weg zurück, wodurch'das ankommende Gas allmählich gekühlt wird. Wenn die Kühleinrichtung ihre Betriebstemperatur erreicht hat, bilden sich in dem an-der Düse entspannten Gas Tröpfchen verflüssigten Kühlmittels, die sich in dem Behälter um die Düse herum sammeln, welcher Behälter beispielsweise als Dewar-Gefäß ausgebildet ist. Über das Betätigungsglied wird dem Steuerdampf Wärme entzogen, die an' das Kühlmittel abgegeben wird. Dieser Wärmefluß ist abhängig von der vorliegenden Menge flüssigen Kühlmittels, die in Kontakt mit dem Betätigungsglied steht, da in Kontakt mit Flüssigkeit erheblich mehr Wärme übertragen wird als in Kontakt mit Gas. Der STeuerdampf spricht daher auf die Eintauchtiefe des Betätigungsgliedes in die Kühlmittelflüssigkeit an bzw. auf das Maß der Oberflächenbenetzung des Betätigungsgliedes mit Kühlmitteltröpfchen. Es ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen der vom Betätigungsglied an die Kühlmittelflüssigkeit abgegebenen Wärme und der durch das Betätigungsglied aus dem Steuerdampfraum nachfließenden Wärme. Es ergibt sich eine Selbstregelung der gebildeten Menge flüssigen Kühlmittels,

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da bei steigendem Wärmeabzug aus dem Steuerdampfraum dieser durch Verflüssigung des Dampfes kontrahiert und mit dieser ■ Bewegung das Ventil schließt, wodurch die Kühlung verringert und weniger Kühlmittelflüssigkeit erzeugt wird, bis durch Gegenregelung das Ventil wieder öffnet.

Vorteilhafte Ausführungs formen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So wird durch die Anordnung gemäß Anspruch 6 die Regelcharakteristik verlangsamt, wodurch Regelschwingungen der überempfindlichen Anordnung vermieden werden.

Die Temperatur der beispielsweise an der Behälterwand befestigten, zu kühlenden Wärmeiast' kann vorteilhaft in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsmenge im Behälter oder vom Benetzungsgrad der Behälterwand mit Kühlmitteltröpfchen eingestellt werden. Das Betätigungsglied und die gesamte Ventilsteuerung kann derart gewählt werden, daß die gewünschte Temperatur der zu kühlenden Wärmelast eingehalten wird, ohne überschüssige Kühlmittelflüssigkeit zu. erzeugen.

Bekannte Kühleinrichtungen der eingangs genannten Art können relativ schlank bis herab zu Durchmessern von etwa 5 mm hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Konstruktion vermeidet jedoch den gesondert vorzusehenden feststehenden Fühler der bekannten Konstruktionen und gestattet daher eine weitere Durchmesserverringerung. In einer bevor-³^ zugten Ausführungsform der Erfindung ist der Balg völlig außerhalb des Wärmetauschers angeordnet, so daß der gesamte Durchmesser der Kühleinrichtung auf 4 mm oder weniger verringert werden kann.

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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt: In den Figuren 1-3 sind Längsschnitte dreier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung dargestellt.

In der Grundkonstruktion entsprechen die dargestellten Kühleinrichtungen denen, die in der GB-PS 1 230 079 sowie GB-PS 1 297 133 beschrieben sind.

Zur Vereinfachung der Beschreibung ist die Kühleinrichtung in vertikaler Lage angenommen, wobei die Wärmelast am unteren Ende angeordnet ist. Der Betrieb der Kühleinrichtung ist selbstverständlich auch in anderer beliebiger Lage gewährleistet. Das obere Ende der Kühleinrichtung ist als das warme Ende bezeichnet im Gegensatz zu dem kalten Ende. Das obere warme Ende kann beispielsweise auf Umgebungstemperatur und das untere kalte Ende auf der Temperatur flüssigen Stickstoffes liegen.

Den in den Figuren 1-3 dargestellten unterschiedlichen Ausführungsformen der Kühleinrichtung ist ein rohrförmig ausgebildeter Wärmetauscher gemeinsam mit einem Innenrohr 10, um das schraubenförmig ein geripptes Einlaßrohr 11 gewunden ist, daß den Einlaßweg des Wärmeaustauschers bildet. Ein koaxiales Außenrohr 12 wird im dargestellten Falle von der Innenwand eines Dewar-Gefäßes gebildet, welches eine nur in Figur 1 dargestellte Außenwand 13 aufweist. Das Außenrohr 12 umgibt das schraubenförmige Einlaßrohr 11, wobei der Raum zwischen dem Innenrohr 10 und dem Außenrohr 12 den Rückweg des Wärmetauschers zum Auslaß des Kühlmittelgases bildet, welches an der gerippten Anordnung des Einlaßrohres 11 vorbeiströmt und dadurch das Kühlmittelgas vorkühlt, das mit hohem Druck durch die Einlaßrohrschlange 11 zuströmt.

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Das untere Ende des Dewar-Gefäßes ist geschlossen und bildet ein Reservoir aus, in dem verflüssigtes Kühlmittel sich ansammeln kann. Eine zu kühlende Wärmelast, z.B. ein Infrarotstrahlungsdetektor 15 ist auf der Außenfläche des die Innenwand des Dewar-Gefäßes bildenden Außenrohres 12 angeordnet.

Das obere Ende der Einlaßrohrschlange 11 ist am oberen Ende des Wärmetauschers mit einer Verbindungskupplung versehen, der gasförmiges Kühlmittel,wie beispielsweise Stickstoff,unter Druck bei einer Temperatur zugeführt wird, die unter der Inversionstemperatur liegt.

Am unteren Ende trägt das Innenrohr 10 einen Sitzteil 20 mit einer Expansionsdüse, die an das untere Ende der Einlaßrohrschlange 11 angeschlossen ist und einen Ventilsitz ausbildet.

Der Durchlaßquerschnitt der Expansionsdüse wird von einem Nadelventil 30 gesteuert, das von einem Balg 31 betätigt wird, der bei der Ausführungsform der Figur 1 im unteren kalten Ende des Wärmetauschers angeordnet ist. Das untere kalte Ende des Balges ist am Innenrohr 10 befestigt, während sein oberes warmes Ende mit dem oberen offenen Ende einer rohrförmigen, als Temperaturfühler dienenden Betätigungsstange 33 verbunden ist. Die Betätigungsstange 33 erstreckt sich abwärts durch das kalte Ende des Balges und ist an ihrem unteren Ende mit einem L-förmigen Ventilglied 34 verbunden, dessen einer Schenkel als Nadelventil 30 ausgebildet ist und mit dem Ventilsitz zusammenarbeitet. Das Ventilglied ist über einen Wärmeisolator 35 mit dem unteren geschlossenen Ende der Betätigungsstange 33 verbunden. Dieser Isolator reduziert den Wärmeübergang am

Nadelventil und verhindert daher ein überempfindliches 35

Reagieren des Ventiles. Die Empfindlichkeitsverringerung kann jedoch auch auf andere Weise erzielt werden, beispielsweise durch einen auf dem Nadelventil ganz oder teilweise vorgesehenen Oberzug mit Wärmeisolationsmaterial.

Der Raum im Inneren des Balges steht mit dem Kühlmittelreservoir in Verbindung, das einem Druck etwas oberhalb Atmosphärendruck aufweist. Der den Balg umgebende Raum . ist mit Steuerdampf unter einem Druck gefüllt, der derart gewählt ist, daß bei Kontakt der Betätigungsstange 33 mit einer vorgegeber en Menge flüssigen Kühlmittels ein Teil des Steuerdampfes in der Betätigungsstange kondensiert. Dadurch sinkt der Druck in dem den Balg umgebenden Raum, der mit dem Innenraum der Betätigungsstange 33 in Verbindung steht. Das Ventil wird daher allmählich geschlossen.

Die dargestellte' Anordnung ermöglicht einen äußerst kompakten Aufbau bei sehr genauer Steuerung der Ventilstellung in Abhängigkeit von der im Behälter befindlichen Menge flüssigen Kühlmittels.

Bei der Aus füh rungs form der Figur -1 ist der Steuerdampfraum außerhalb des Balges angeordnet. Gemäß der Ausführungsform der Figur 2 kann der Steuerdampfraum jedoch auch innerhalb des Balges angeordnet sein. Die Anordnung gemäß Figur 2 entspricht weitgehend derjenigen der Figur Das warme Ende 40 des Balges ist jedoch feststehend an einem Ring 41 des Innenrohres 10 des Wärmetauschers befestigt. Das untere bewegliche Ende des Balges ist an einer rohrförmigen Betätigungsstange 43 befestigt, deren Inneres dem Balginneren in Verbindung steht und mit diesem den Steuerdampfraum bildet. Das kalte Ende der Betätigungsstange 43 erstreckt sich unter das Sitzteil 20 und bildet

dort ein L~förmiges Ventilglied 34 aus. Das obere Ende des Steuerdampfraumes ist von einer Querwand 45 verschlossen.

Die Detailanordnung der einzelnen Teile der gezeigten Anordnung kann variiert werden. Insbesondere ist die Anordnung der Querwand 45 in Abhängigkeit davon wählbar, wieweit der Steuerdampfraum sich zum warmen Ende· des Wärmetauschers hin erstrecken soll. In der Ausführungsform der Figur 2 kann der Steuerdampfraum auch am Ring nach oben hin verschlossen sein.

So kann auch die Länge, über die die Betätigungsstange und somit der Steuerdampfraum sich nach unten über den Ventilsitz 20 hinab erstrecken in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen verändert werden. Figur 1 zeigt eine Anordnung, in der sich der Steuerdampfraum weiter nach unten erstreckt als bei der Anordnung der Figur 2. Unter gewissen Bedingungen kann es jedoch zulässig sein, daß der Steuerdampfraum in der Betätigungsstange bereits etwas oberhalb des Ventilsitzes endet. Bei einer derartigen Anordnung würde die Ventilöffnung und sogar das untere Ende des Wärmetauschers in Kühlmittelflüssigkeit eintauchen, wodurch der Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit der Kühleinrichtung verringert würden, was jedoch unter gewissen Umständen zulässig sein kann.

In der GB-PS 1 29 7 133 ist eine Konstruktion beschrieben, bei der zur Erzielung eines sehr geringen Durchmessers der

Kühleinrichtung der Balg oberhalb des warmen Endes des Wärmetauschers angeordnet ist. Eine derartige Anordnung kann auch bei der Erfindung gemäß der Ausführungsform der Figur 3 vorgesehen sein. Diese Ausführung entspricht wiederum weitgehend derjenigen der Figur 1. Die Betätigungsstange 33 erstreckt sich jedoch über das warme

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1 Ende des Wärmetauschers hinaus in einen Rohrraum hinein, der den Balg aufnimmt und den Steuerdampfraum ausbildet. Im übrigen entspricht diese Anordnung der Figur 3 derjenigen der Figur

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ANSPRÜCHE:

Kühlmitteleinrichtung mit einem im wesentlichen röhren-"" förmigen Wärmetauscher mit zwei Wegen, wobei durch den einen dieser Wege im Betrieb Kühlmittelgas aus einem Vorrat unter Druck einer Joule-Thomson Expansions düse zugeführt wird, um einen Teil des Gases in einem Behälter zu verflüssigen, von wo das unter niedrigem Druck stehende Gas durch den anderen Weg zurückfließt, und mit einem Ventilglied, das mit der Düse zusammenarbeitend deren effektiven Querschnitt verändert, um automatisch den Kühlmittelstrom zu steuern, wobei das Ventilglied über ein langgestrecktes Betätigungsglied von einer beweglichen Wand betätigt wird, die innerhalb oder außerhalb des Wärmetauschers angeordnet ist und auf einer Seite dem Druck eines Steuerdampfes ausgesetzt ist, der in Betrieb mit Flüssigkeit im Gleichgewicht steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (33, 43) als Rohr ausgebildet ist, dessen Inneres mit dem Raum (1O₃, 40) in Verbindung steht, der den Steuerdampf enthält, und das sich abwärts bis in den Bereich der Düse (20) erstreckt_s so daß die von dem Steuerdampf dem Betätigungsglied entnommene Wärme von der ; Menge flüssigen Kühlmediums abhängt, die mit dem Betätigungsglied in Kontakt steht.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand von einem Balg (31, 40) ausgebildet wird.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (31) an seinem kalten Ende befestigt ist und an seiner Außenseite dem Druck des Steuerdampfes und dessen Flüssigkeit ausgesetzt ist, wobei sich das Betätigungsglied (33) über die volle Länge des Balges koaxial in diesem erstreckt und mit dessen warmem Ende verbunden ist und durch dieses hindurch mit dem Steuerdampfraum in Verbindung steht.
4. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (31) an seinem warmen Ende (40) befestigt ist und mit seinem Inneren dem Druck des Steuerdampfes ausgesetzt ist, wobei das Betätigungsglied (43) am kalten beweglichen Ende des Balges befestigt ist und durch dieses hindurch mit dem den Kühldampf enthaltenden Inneren des Balges in Verbindung steht.
5. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum in dem Betätigungsglied sich bis über die Düse(20) hinaus erstreckt.
6. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (30, 34) Mittel (35) zur Verringerung des Wärmeüberganges von dem flüssigen Kühlmittel zu dem Raum in dem Betätigungsglied (33 _} 43) aufweist.
7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (31) vollständig außerhalb des

Wärmeaustauschers (11) angeordnet ist. 35