DE855010T1 - Miniatur-mischgaskältesystem - Google Patents
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Claims (15)
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 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,
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 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 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,
Il I 1
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.
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,
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,
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,
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.
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