DE855010T1 - Miniatur-mischgaskältesystem - Google Patents

Miniatur-mischgaskältesystem

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DE855010T1
DE855010T1 DE0855010T DE96936309T DE855010T1 DE 855010 T1 DE855010 T1 DE 855010T1 DE 0855010 T DE0855010 T DE 0855010T DE 96936309 T DE96936309 T DE 96936309T DE 855010 T1 DE855010 T1 DE 855010T1
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low pressure
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DE0855010T
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English (en)
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John D. Iii Del Mar Ca 92014 Dobak
Marcia L. Louisville Co 80027 Huber
Eric D. Lakewood Co 80215 Marquardt
Ray Louisville Co 80027 Radebaugh
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US Department of Commerce
Laserscope Inc
Original Assignee
Cryogen Inc
US Department of Commerce
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Claims (15)

PATENTANSPRÜCHE
1. Miniaturkühlsystem, aufweisend:
Einen Verdichter zum Unterdrucksetzen eines Gasgemisches auf einen Druck von ungefähr 420 psia, wobei der Verdichter einen Einlaß und einen Auslaß aufweist,
ein hohles längliches Zufuhrrohr, wobei das Zufuhrrohr ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei das proximale Ende des Zufuhrrohrs mit dem Auslaß des Verdichters verbindbar ist,
ein hohles längliches Rückführrohr, welches im wesentlichen koaxial über dem Zufuhrrohr angeordnet werden kann, wobei das Rückführrohr ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei das proximale Ende des Rückführrohrs mit dem Einlaß des Verdichters verbindbar ist,
einen Gegenstrom-Mehrschichtenwärmetauscher, welcher in dem Rückführrohr benachbart zu dem distalen Ende desselben angebracht ist, wobei der Wärmetauscher einen Hochdruckdurchlaß und einen Niederdruckdurchlaß aufweist, wobei der Hochdruckdurchlaß zumindest eine proximale Anschlußöffnung und zumindest eine distale Anschlußöffnung aufweist, wobei die zumindest eine proximale Anschlußöffnung des Hochdruckdurchlasses mit dem distalen Ende des Zufuhrrohrs verbunden ist, wobei der Niederdruckdurchlaß zumindest eine distale Anschlußöffnung und zumindest eine proximale Anschlußöffnung aufweist, wobei die zumindest eine proximale Anschlußöffnung des Niederdruckdurchlasses mit einem Lumen des Rückführrohrs verbunden ist,
ein Joule-Thomson-Expansionselement, das in dem Rückführrohr angebracht ist, wobei das Expansionselement mit der distalen Anschlußöffnung des Hochdruckdurchlasses des Wärmetauschers zum Expandieren des Gasgemisches von einem höheren Druck auf einen niedrigeren Druck mit konstanter Enthalpie, wobei das expandierte Gasgemisch dadurch auf eine Temperatur nicht größer als 183 K abkühlt, wobei das expandierte Gasgemisch in Fluiddurchflußverbindung mit der zumindest einen distalen Anschlußöffnung des Niederdruckdurchlasses steht, und
einen Wärmeübertragungskörper, der an dem distalen Ende des Rückführrohrs benachbart zu dem Expansionselement angebracht ist, wobei der Körper eine Innenseite aufweist, welche dem expandierten Gasgemisch ausgesetzt ist, und eine Außenseite, die der Umgebung ausgesetzt ist, um Wärme von der Außenseite des Körpers zur Innenseite des Körpers zu übertragen.
2. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Expansionselement aufweist:
Einen im wesentlichen zylindrischen metallischen Behälter, der beidendig offen ist, und
mehrere mikroskopische metallische Kügelchen, die in das Innere des metallischen Behälters gesintert sind, um eine permeable Strömungsimpedanz auszubilden.
3. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine zweite Expansionsstufe an dem Expansionselement zum zusätzlichen isothermischen Expandieren des expandierten Gasgemisches zur Absorption von Wärme.
4. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 3, wobei das Expansionselement aufweist:
Einen ersten im wesentlichen zylindrischen metallischen Behälter mit einem ersten Durchmesser, wobei der erste Behälter beidendig offen ist,
eine erste Mehrzahl von mikroskopischen metallischen Kügelchen, die in das Innere des ersten Behälters gesintert sind, um eine erste permeable Strömungsimpedanz auszubilden, wobei die erste Mehrzahl von Kügelchen so bemessen ist, daß das Gasgemisch mit konstanter Enthalpie expandiert wird,
einen zweiten im wesentlichen zylindrischen metallischen Behälter mit einem zweiten Durchmesser größer als der erste Durchmesser, wobei der zweite Behälter beidendig offen ist, und
eine zweite Mehrzahl von mikroskopischen metallischen Kügelchen, die in das Innere des zweiten Behälters gesintert sind, um eine zweite permeable Strömungsimpedanz auszubilden, wobei die zweite Mehrzahl von metallischen Kügelchen so bemessen ist, daß das Gasgemisch isothermisch expandiert wird.
5. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher eine Mehrzahl von laminierten bzw. mehrfach beschichteten Elementen aufweist, wobei die mehrfach beschichteten Elemente so aufgebaut und angeordnet sind, daß sie den Hochdruckdurchlaß und den Niederdruckdurchlaß bilden.
6. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 5, wobei die mehrfach geschichteten Elemente aufweisen:
Eine Mehrzahl von flachen Platten und eine Mehrzahl von flachen Abstandhaltern, die axial entlang des Wärmetauschers übereinander bzw. gestapelt angeordnet sind, wobei die Platten sich mit den Abstandhaltern abwechseln,
eine erste Mehrzahl von Öffnungen, welche durch die Platten und die Abstandhalter gebildet sind, um den Hochdruckdurchlaß festzulegen, wobei die proximale Hochdruckanschlußöffnung an einem proximalen Ende des Stapels und die distale Hochdruckanschlußöffnung an einem distalen Ende des Stapels angeordnet sind, und
eine zweite Mehrzahl von Öffnungen, welche durch die Platten und die Abstandhalter gebildet sind, um den Niederdruckdurchlaß festzulegen, wobei die proximale Niederdruckanschlußöffnung am proximalen Ende des Stapels und die distale Niederdruckanschlußöffnung am distalen Ende des Stapels vorliegen.
7. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 6, wobei die erste Mehrzahl von Öffnungen im wesentlichen axial ausgerichtet sind, um einen im wesentlichen axialen Hochdruckdurchlaß festzulegen, und wobei die zweite Mehrzahl von Öffnungen im wesentlichen axial ausgerichtet sind, um einen im wesentlichen axialen Niederdruckdurchlaß festzulegen.
8. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 7, wobei der Hochdruckdurchlaß im wesentlichen entlang der Achse des Wärmetauschers angeordnet ist, und wobei der Niederdruckdurchlaß im wesentlichen den Hochdruckdurchlaß umgebend angeordnet ist, wodurch ein radialer Wärmeströmungspfad erzeugt ist.
9. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 6, wobei die erste Mehrzahl von Öffnungen im wesentlichen nicht axial ausgerich-
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tet sind, wodurch der Hochdruckdurchlaß veranlaßt ist, einem wiederholt umkehrenden im wesentlichen querverlaufenden Pfad durch den Stapel ausgehend von der proximalen Hochdruckanschlußöffnung zu der distalen Hochdruckanschlußöffnung zu folgen, und wobei die zweite Mehrzahl von Öffnungen im wesentlichen axial nicht ausgerichtet sind, wodurch der Niederdruckdurchlaß veranlaßt ist, einem wiederholt umkehrenden im wesentlichen querverlaufenden Pfad durch den Stapel ausgehend von der distalen Niederdruckanschlußöffnung zu der proximalen Niederdruckanschlußöffnung zu folgen, wodurch ein axialer Wärmeströmungspfad erzeugt ist.
10. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 5, wobei die mehrfach beschichteten Elemente aufweisen:
Eine erste Lage mit einem ersten Strömungskanal, der darin geätzt ist, um den Hochdruckdurchlaß zu bilden, wobei die proximale Hochdruckanschlußöffnung an einem proximalen Rand der ersten Lage und die distale Hochdruckanschlußöffnung an einem distalen Rand der ersten Lage zu liegen kommen, und
eine zweite Lage mit einem zweiten darin geätzten Strömungskanal, um den Niederdruckdurchlaß zu bilden, wobei die proximale Niederdruckanschlußöffnung an einem proximalen Rand der zweiten Lage und die distale Niederdruckanschlußöffnung an einem distalen Rand der zweiten Lage zu liegen kommen,
wobei die ersten und zweiten Lagen in eine zylindrische Form gerollt sind, welche die proximalen Anschlußöffnungen an einem proximalen Ende und die distalen Anschlußöffnungen an einem distalen Ende aufweisen.
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11. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmeübertragungskörper ein metallisches Element aufweist, das in einer Öffnung durch eine Wand des Rückführrohrs montierbar ist, um die Innenseite des metallischen Elements dem Innern des Rückführrohrs auszusetzen, und um die Außenseite des metallischen Elements dem Äußern des Rückführrohrs auszusetzen.
12. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 11, wobei das metallische Element einen metallischen Stopfen aufweist, der so geformt und bemessen ist, daß er das distale Ende des Rückführrohrs verschließt.
13. Miniaturkühlsystem nach Anspruch 11, wobei das metallische Element einen länglichen metallischen Streifen aufweist, der so geformt und bemessen ist, daß er in eine längliche Öffnung durch eine Seitenwand des Rückführrohrs dichtend einsetzbar ist.
14. Miniaturkühlsystem, aufweisend:
Einen Verdichter zum Unterdrucksetzen eines Gasgemisches auf einen Druck von ungefähr 420 psia, wobei der Verdichter einen Einlaß und einen Auslaß aufweist,
ein hohles längliches Gasgemischzufuhrrohr, wobei das Zufuhrrohr ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei das proximale Ende des Zufuhrrohrs mit dem Auslaß des Verdichters verbindbar ist,
ein hohles längliches Gasgemischrückführrohr, welches im wesentlichen koaxial über dem Zufuhrrohr angeordnet werden kann, wobei das Rückführrohr ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei das proximale Ende des Rückführrohrs mit dem Einlaß des Verdichters verbindbar ist,
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einen im wesentlichen zylindrischen Gegenstromwärmetauscher, der in dem Rückführrohr benachbart zu dem distalen Ende des Rückführrohrs angebracht ist, wobei der Wärmetauscher mehrere laminierte bzw. mehrschichtig angeordnete Elemente aufweist, wobei die laminierten Elemente einen ersten Schikanenpfad für das Zufuhrgasgemisch und einen zweiten Schikanenpfad für das Rückführgasgemisch festlegen, wobei der Zufuhrpfad zumindest eine proximale Anschlußöffnung und zumindest eine distale Anschlußöffnung aufweist, wobei die zumindest eine proximale Anschlußöffnung des Zufuhrpfads mit dem distalen Ende des Zufuhrrohrs verbunden ist, wobei der Rückführpfad zumindest eine distale Anschlußöffnung und zumindest eine proximale Anschlußöffnung aufweist, wobei die zumindest eine proximale Anschlußöffnung des Rückführpfads mit einem Lumen des Rückführrohrs verbunden ist,
ein zweistufiges Joule-Thomson-Expansionselement, welches in dem Rückführrohr anbringbar ist, wobei das Expansionselement einen mit der distalen Anschlußöffnung des Zufuhrpfads des Wärmetauschers verbundenen Einlaß aufweist, wobei das Expansionselement einen Auslaß aufweist, um das Gasgemisch in die distale Anschlußöffnung des Rückführpfads des Wärmetauschers benachbart zu dem distalen Ende des Rückführrohrs eintreten zu lassen,
eine erste Expansionsstufe mit konstanter Enthalpie in dem Expansionselement zum Expandieren des Gasgemisches von dem Zufuhrdruck auf einen niedrigeren Druck, wobei das expandierte Gasgemisch dadurch auf eine Temperatur nicht höher als 183 K abkühlt, um es dem expandierten Gasgemisch zu ermöglichen, Wärme von umgebenden Komponenten aufzunehmen, eine zweite isothermische Expansionsstufe in dem Expansionselement, stromabwärts von der ersten Stufe zum
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zusätzlichen Expandieren des Gasgemisches um zusätzliche Wärme von umgebenden Komponenten aufzunehmen, und
ein metallisches Wärmeübertragungselement, welches durch eine Öffnung in einer Wand des Rückführrohrs benachbart zu dem Expansionselement dichtend angebracht ist, wobei das Wärmeübertragungselement eine Innenseite aufweist, welche dem zweimal expandierten Gasgemisch ausgesetzt ist, und eine Außenseite, die der Umgebung ausgesetzt ist, um Wärme von der Umgebung zu dem Gasgemisch zu übertragen.
15. Verfahren zum Kühlen eines entfernt angeordneten Körpers, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Gasgemisches, welches in der Lage ist, sich auf eine Temperatur unter 183 K ausgehend von einem Druck von nicht mehr als 420 psia mit konstanter Enthalpie zur expandieren,
Bereitstellen eines Miniaturkühlsystems mit einem Verdichter zum Unterdrucksetzen des Gasgemisches auf einen Druck von nicht mehr als 420 psia, einem Zufuhrrohr mit einem Einlaßende, das mit einem Auslaß des Verdichters verbunden ist, und einem Rückführrohr, das koaxial über dem Zufuhrrohr angeordnet ist, und einen Auslaß aufweist, der mit einem Einlaß des Verdichters verbunden ist,
Bereitstellen eines Gegenstromwärmetauschers mit Mehrschichtaufbau in einem distalen Abschnitt des Rückführrohrs, wobei der Wärmetauscher einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt aufweist, wobei der Hochdruckabschnitt einen Einlaß aufweist, der mit einem Auslaß des Zufuhrrohrs verbunden ist, und wobei der Niederdruckabschnitt einen Auslaß aufweist, der mit einem Einlaß des Rückführrohrs verbunden ist,
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Bereitstellen eines zweistufigen Joules-Thomson-Expansionselements mit einem Einlaß, der mit einem Auslaß des Hochdruckabschnitts des Wärmetauschers verbunden ist und einen Auslaß benachbart zu einem metallischen Wärmeübertragungselement sowie benachbart zu einem Einlaß des Niederdruckabschnitts des Wärmetauschers aufweist,
Anordnen des Wärmeübertragungselements in Kontakt mit dem entfernt angeordneten zu kühlenden Körper,
Verdichten des Gasgemisches auf nicht mehr als 420 psia,
Leiten des komprimierten bzw. verdichteten Gasgemisches zu dem Hochdruckeinlaß des Wärmetauschers über das Zufuhrrohr,
Vorkühlen des komprimierten Gasgemisches in dem Hochdruckabschnitt des Wärmetauschers durch Übertragen von Wärme zu dem Niederdruckabschnitt des Wärmetauschers,
Expandieren des Gasgemisches mit konstanter Enthalpie in einer ersten Stufe des Expansionselements zum Kühlen des Gasgemisches auf weniger als 183 K, wodurch das expandierte Gasgemisch Wärme von umgebenden Komponenten zu absorbieren vermag,
isothermisches Expandieren des Gasgemisches in einer zweiten Stufe des Expansionselements, wodurch das zusätzliche expandierte Gasgemisch zusätzliche Wärme von umgebenden Komponenten aufzunehmen vermag,
Absorbieren von Wärme von dem Wärmeübertragungselement durch Kontakt mit dem zusätzlichen expandierten Gasgemisch, um das Wärmeübertragungselement auf weniger als 180' K abzukühlen, und
Absorbieren von Wärme von dem zu kühlenden Teil durch Kontakt mit dem Wärmeübertragungselement.
DE0855010T 1995-10-12 1996-10-09 Miniatur-mischgaskältesystem Pending DE855010T1 (de)

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US08/542,123 US6151901A (en) 1995-10-12 1995-10-12 Miniature mixed gas refrigeration system
PCT/US1996/016197 WO1997014005A1 (en) 1995-10-12 1996-10-09 Miniature mixed gas refrigeration system

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DE855010T1 true DE855010T1 (de) 1999-06-10

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