NO119537B - - Google Patents

Description

Kryogenisk kjøleapparat. Cryogenic cooling device.

Oppfinnelsen vedrører et kryogenisk kjøleapparat av den type som omfatter en varmeutveksler utført av et med ribber forsynt rør viklet i form av en kveil og gjennom hvilken kveil kjø-legass føres til en ekspansjonsdyse av Joule Thomson-typen, hvorfra gass med lavt trykk føres tilbake langsetter det med ribber forsynte rørs ytterflate,og hvor rørets innløpsende er i forbindelse med apparatets innløpsdel som tilføres gass under trykk. The invention relates to a cryogenic cooling apparatus of the type which comprises a heat exchanger made of a tube provided with ribs wound in the form of a coil and through which coil cooling gas is led to an expansion nozzle of the Joule Thomson type, from which low-pressure gas is led back to the setter the outer surface of the pipe provided with ribs, and where the inlet end of the pipe is in connection with the inlet part of the appliance which is supplied with gas under pressure.

Apparatet ifølge oppfinnelsen utmerker seg ved at kveilen har form av en avkortet kjegle med sin smaleste ende vendende mot ekspansjonsdysen, at kveilens kjeglevinkel er omtrent 90°, at kveilen er anbragt mellom indre og ytre kjegleformede flater samt at minst et filament er viklet i mellomrommet mellom ribbene og en av disse flater for å lede gassen til mer intim kontakt med rø-ret og ribbene. The device according to the invention is distinguished by the fact that the coil has the shape of a truncated cone with its narrowest end facing the expansion nozzle, that the cone angle of the coil is approximately 90°, that the coil is placed between inner and outer cone-shaped surfaces and that at least one filament is wound in the space between the ribs and one of these surfaces to guide the gas into more intimate contact with the pipe and the ribs.

Ved et kjøleapparat av den ovenfor nevnte type er det for oppnåelse av maksimal reduksjon av selve apparatets termiske kapa-sitet ønskelig at passasjen for kjølegassen med lavt trykk får et i strømmens retning kontinuerlig økende tverrsnitt. I denne henseende er den kjegleaktige form i samsvar med oppfinnelsen en vesentlig forbedring like overfor en kveil med form av en sylindrisk skrue. Det oppnås neppe noen vesentlig fordel i denne henseende ved økning av kjeglevinkelen, f.eks. ved å benytte en flat spiral, mens på den annen side bruken av en begrenset vinkel av størrel-sesordenen 90° i stor utstrekning forenkler (eller i det minste muliggjør) viklingen av en tråd eller et filament av f.eks. "Terylene" i det trekantaktige mellomrom med konkave sider mellom ribbene og de indre og ytre kjegleformede flater. En slik vikling er velkjent i forbindelse med skrueformede varmeutvekslere og tje-ner til å avlede gassen slik at denne passerer i intim kontakt med ribbene og røret. In the case of a cooling device of the type mentioned above, in order to achieve maximum reduction of the thermal capacity of the device itself, it is desirable that the passage for the low-pressure cooling gas has a continuously increasing cross-section in the direction of the flow. In this respect, the conical shape according to the invention is a significant improvement over a coil having the shape of a cylindrical screw. There is hardly any significant advantage in this respect by increasing the cone angle, e.g. by using a flat spiral, while on the other hand the use of a limited angle of the order of magnitude 90° greatly simplifies (or at least enables) the winding of a wire or filament of e.g. The "teryls" in the triangular space with concave sides between the ribs and the inner and outer cone-shaped surfaces. Such a winding is well known in connection with screw-shaped heat exchangers and serves to divert the gas so that it passes in intimate contact with the ribs and the tube.

Et annet karakteristisk trekk ved apparatet ifølge oppfinnelsen går ut på at apparatets innløpsdel har stor masse og en passasje for gassen med meget større tverrsnitt enn rørets, at rørets innløpsende er utført uten ribber og tett forbundet med innløpsde-len for å sikre godt varmeutvekslingsforhold mellom nevnte del og røret og at forbindelsen mellom rørets innløpsparti og apparatets innløpsdel omfatter en ytterligere masse som bidrar til varmespred-ning, f.eks. en klump av loddemateriale. Another characteristic feature of the device according to the invention is that the inlet part of the device has a large mass and a passage for the gas with a much larger cross-section than that of the pipe, that the inlet end of the pipe is made without ribs and tightly connected to the inlet part to ensure a good heat exchange ratio between said part and the pipe and that the connection between the inlet part of the pipe and the inlet part of the appliance comprises an additional mass which contributes to heat dissipation, e.g. a lump of solder.

Ønskeligheten av dette trekk kommer fra det forhold at nesten hele trykktapet på tvers av ekspansjonsdysen opptrer ved varmeutvekslerens kalde ende når apparatet er i drift. Derfor re-presenterer ladningen av røret med høytrykksgass en kompresjon når først apparatet er satt igang, og hvis gassen beholdt hele kompresjonsvarmen, ville gassens temperatur øke til et meget høyt nivå, f.eks. i størrelsesordenen 1000°K. I det med ribber forsynte parti av røret som danner varmeutveksleren absorberes varmen raskt og den resulterende temperatur av gassen og røret kan være bare noen få grader høyere enn begynnelsestemperaturen, idet varmen fjernes raskt ved hjelp av gassen med lavt trykk. The desirability of this feature comes from the fact that almost all of the pressure loss across the expansion nozzle occurs at the cold end of the heat exchanger when the apparatus is in operation. Therefore, the charging of the tube with high-pressure gas represents a compression once the apparatus is started, and if the gas retained all the heat of compression, the temperature of the gas would rise to a very high level, e.g. in the order of 1000°K. In the finned portion of the tube forming the heat exchanger, heat is rapidly absorbed and the resulting temperature of the gas and tube may be only a few degrees higher than the initial temperature, the heat being quickly removed by the low pressure gas.

På den annen side vil temperaturen av rørledningen mellom innløpskammeret og det med ribber forsynte parti som utgjør varmeutveksleren øke, og denne varme kan bare fjernes ved hjelp av høy-trykksgassen, hvorved apparatets effektivitet reduseres. Denne ulempe har man dog overvunnet ved hjelp av et foretrukket trekk av oppfinnelsen ved termisk forankring av rørpartiet mellom varmeutveksleren og innløpet i kjølerens hoveddel. On the other hand, the temperature of the pipeline between the inlet chamber and the finned part which constitutes the heat exchanger will increase, and this heat can only be removed by means of the high-pressure gas, whereby the efficiency of the apparatus is reduced. However, this disadvantage has been overcome by means of a preferred feature of the invention by thermally anchoring the pipe section between the heat exchanger and the inlet in the main part of the cooler.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere nedenfor ved hjelp av et"eksempel og under henvisning til tegningen som viser et lengde-snitt gjennom et kryogenisk apparat ifølge oppfinnelsen. The invention will be explained in more detail below by means of an example and with reference to the drawing which shows a longitudinal section through a cryogenic apparatus according to the invention.

Oppfinnelsen skal forklares i forbindelse med et kryogenisk kjøleapparat som er innrettet til å redusere temperaturen av en liten komponent eller vekt i løpet av noen få sekunder til en .størrelsesorden på 8 0°K og holde komponenten på denne temperatur i løpet av ett eller to minutter, og for å oppnå dette tilføres kjøleren en ladning kjølegass, såsom luft, oxygen, nitrogen eller argon under høyt trykk. The invention will be explained in connection with a cryogenic cooling apparatus which is adapted to reduce the temperature of a small component or weight within a few seconds to an order of magnitude of 80°K and to maintain the component at this temperature within one or two minutes , and to achieve this, a charge of cooling gas, such as air, oxygen, nitrogen or argon under high pressure, is supplied to the cooler.

Kjøleren omfatter et ytre ringformet legeme eller en hoveddel 10 som er antatt anordnet med sin akse forløpende vertikalt og hvis nedre del 11 inneholder eller er i berøring med den komponent som skal nedkjøles og som har i seg en sentral boring 12 som utgjør et samlekammer for et forråd av væskeformet kjølemiddel. Over samlekammeret er boringen utvidet slik at den danner en forsenkning 15 med form av en avkortet kjegle med.kjeglevinkel på ca. 90°. Innenfor forsenkningen, men i avstand fra dennes vegger, finnes en propp 16 utformet som en avkortet kjegle hensiktsmessig i form av et hult kammer 17 av rustfritt stål og hvis topp består av en paraplyformet koblings.del 18 med en stamme 19 som er utført som en kobling 2 0 for tilkobling til et gassinnløp og som inneholder et gassfilter 21. Et rør 2 5 med tynne ribber er viklet som en kveil på proppens kjegleformede ytterflate. Kveilens indre ende 26 er uten ribber og strekker seg diametralt over proppen og er festet til denne og lukket ved sin ytterste ende, mens et lite hull er dannet i rørets vegg og utgjør en ekspansjonsdyse. Røret er viklet som en kjegleformet kveil på den tilsvarende formede proppoverflate sammen med en tråd eller et filament 3 0 av "Terylene" som er viklet i mellomrommene mellom ribbene og tilstøtende viklinger og de tilstøtende flater av proppen. En lignende vikling 31 av "Terylene"-filament er viklet i de tilsvarende ytre spor mellom tilstøtende vindinger av det med ribber forsynte rør. Proppen innsettes i den kjegleformede forsenkning i den ytre ho- The cooler comprises an outer ring-shaped body or a main part 10 which is assumed to be arranged with its axis running vertically and whose lower part 11 contains or is in contact with the component to be cooled and which has in it a central bore 12 which forms a collecting chamber for a storage of liquid refrigerant. Above the collection chamber, the bore is extended so that it forms a recess 15 in the shape of a truncated cone with a cone angle of approx. 90°. Within the recess, but at a distance from its walls, there is a plug 16 designed as a truncated cone, suitably in the form of a hollow chamber 17 of stainless steel and whose top consists of an umbrella-shaped connecting part 18 with a stem 19 which is designed as a coupling 20 for connection to a gas inlet and which contains a gas filter 21. A tube 25 with thin ribs is wound like a coil on the plug's cone-shaped outer surface. The inner end 26 of the coil is without ribs and extends diametrically over the stopper and is attached to this and closed at its outermost end, while a small hole is formed in the wall of the tube and constitutes an expansion nozzle. The tube is wound as a conical coil on the correspondingly shaped plug surface together with a thread or filament 30 of "Terylenes" which is wound in the spaces between the ribs and adjacent turns and the adjacent surfaces of the plug. A similar winding 31 of "Terylene" filament is wound in the corresponding outer grooves between adjacent turns of the ribbed tube. The plug is inserted into the cone-shaped recess in the outer ho-

veddel. Det kveilede rørs ytre ende strekker seg radialt inn i koblingen ved hjelp av hvilken det er forbundet med en tilførsels- bet. The outer end of the coiled tube extends radially into the coupling by means of which it is connected to a supply

ledning for gass. line for gas.

Den lengde av røret som er uten ribber er innleiret i en The length of the pipe that is without ribs is embedded in a

betydelig masse 35 av loddemetall som forbinder røret med appara- considerable mass 35 of solder connecting the tube to the apparatus

tets hoveddel og tilveiebringer en termisk sammenkobling av de to deler. Et lokk 36 er ført inn på stammen 19 og hoveddelen 10 og det finnes tetningsringer 37 og 38 mellom lokket og hhv. stammen og hovedlegemet. Lokket er forsynt med en utløpsforbindelse 3 9 t's main body and provides a thermal connection of the two parts. A lid 36 is inserted onto the stem 19 and the main part 10 and there are sealing rings 37 and 38 between the lid and, respectively. the stem and the main body. The lid is provided with an outlet connection 3 9

for lavtrykksgass. for low pressure gas.

Apparatet virker på vanlig måte. Når gassen under høyt The device works normally. When the throttle under high

trykk slippes i innløpet, strømmer den langs en spiralformet bane gjennom kveilen mot kveilens indre ende hvor den slipper ut gjen- pressure is released in the inlet, it flows along a spiral path through the coil towards the inner end of the coil where it is released again

nom ekspansjonsdysen og strømmer derfra utover langs en diverge- nom the expansion nozzle and flows from there outward along a diverging

rende bane gjennom mellomrommet mellom den kjegleformede forsenk- running path through the space between the cone-shaped recess

ning og den kjegleformede propp i intim kontakt med ribbene og rø- ning and the cone-shaped stopper in intimate contact with the ribs and

ret for avkjøling av den innstrømmende gass. I løpet av få sekun- right for cooling the inflowing gas. Within a few seconds-

der begynner kjølegassen å gå over til væske, og et forråd med flytende kjølemiddel oppsamles i samlekammeret for å holde tempe- there, the refrigerant gas begins to change to liquid, and a supply of liquid refrigerant is collected in the collection chamber to maintain the temperature

raturen innenfor det forlangte område i en ytterligere tidsperiode etter at forrådet av gass er oppbrukt. rate within the required range for a further period of time after the supply of gas has been used up.

Massen 35 av loddemetall som er i forbindelse med koblings- The mass 35 of solder which is in connection with the connecting

delen 18 virker som en varmespreder som allerede forklart og hin- part 18 acts as a heat spreader as already explained and

drer utilbørlig økning av temperaturen i det med ribber forsynte parti av røret 2 5 når gassen i røret komprimeres til å begynne med. causes an undue increase in the temperature in the finned part of the pipe 2 5 when the gas in the pipe is initially compressed.

Claims (2)

1. Kryogenisk kjøleapparat omfattende en varmeutveksler ut-1. Cryogenic cooling apparatus comprising a heat exchanger ex- ført av et med ribber forsynt rør viklet i form av en kveil og gjennom hvilken kveil kjølegass føres til en ekspansjonsdyse av Joule Thomson-typen, hvorfra gass med lavt trykk føres tilbake • langsetter det med ribber forsynte rørs ytterflate, og hvor rø- rets innløpsende er i forbindelse med apparatets innløpsdel som tilføres gass under trykk, karakterisert ved at kveilen (25) har form av en avkortet kjegle med sin smaleste ende vendende mot ekspansjonsdysen, at kveilens kjeglevinkel er omtrent 90°, at kveilen er anbragt mellom indre og ytre kjegleformede flater samt at minst et filament (30) er viklet i mellomrommet mellom ribbene og en av disse flater for å lede gassen til mer intim kontakt med røret og ribbene. led by a ribbed tube wound in the form of a coil and through which coil cooling gas is fed to an expansion nozzle of the Joule Thomson type, from which low-pressure gas is fed back • extends along the outer surface of the ribbed tube, and where the inlet end of the tube is in connection with the inlet part of the device which is supplied with gas under pressure, characterized in that the coil (25) has the shape of a truncated cone with its narrowest end facing the expansion nozzle, that the cone angle of the coil is approximately 90°, that the coil is placed between the inner and outer cone-shaped surfaces and that at least one filament (30) is wound in the space between the ribs and one of these surfaces to guide the gas into more intimate contact with the tube and the ribs. 2. Apparat ifølge krav 1,karakterisert ved at apparatets innløpsdel har stor masse og en passasje for gassen med meget større tverrsnitt enn rørets (25), at rørets innløpsen-de er utført uten ribber og tett forbundet med innløpsdelen (19) for å sikre godt varmeutvekslingsforhold mellom nevnte del og rø-ret og at forbindelsen mellom rørets innløpsparti og apparatets innløpsdel omfatter en ytterligere masse som bidrar til varmespred-ning, f.eks. en klump av loddemateriale (35)..2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the inlet part of the device has a large mass and a passage for the gas with a much larger cross-section than that of the pipe (25), that the inlet end of the pipe is made without ribs and tightly connected to the inlet part (19) to ensure good heat exchange ratio between said part and the pipe and that the connection between the inlet part of the pipe and the inlet part of the appliance comprises an additional mass which contributes to heat dissipation, e.g. a lump of soldering material (35)..