DE2014536C3

DE2014536C3 - Kryogene Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE2014536C3
Application number: DE2014536A
Authority: DE
Inventors: Frank Arnold Cofton Birminghamshire Turton (Grossbritannien)
Original assignee: Hymatic Engineering Co Ltd
Current assignee: Hymatic Engineering Co Ltd
Priority date: 1969-03-25
Filing date: 1970-03-25
Publication date: 1973-11-15
Also published as: DE2014536B2; US3630047A; JPS4814904B1; FR2039093A5; DE2014536A1; GB1297131A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine kryogene Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip des Joule-Thomson-E-ffcktes arbeitet, mit einem im wesentlichen rohrförmigen Wärmelauscher, durch den ein gasförmiges Kühlmittel von einer Druckgasquellc zu einer Entspannungsdüsc und das entspannte Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung strömt, und mit einem der Düse zugeordneten Ventilkörper, der den wirksamen Düsenquerschnitt und damit den Kühlmitteldurchsatz automatisch regelt. Kryogene Kühl- ' einrichtungen dieser Art sind in den deutschen Offenlegungsschriften 1601800 und 1922 514 vorgeschlagen und durch die französische Patentschrift 550 221 bekannt.

Bei den bekannten Kühleinrichtungcn treten gelegentlich unerwünschte Schwingungen des Ventilkörpers auf, die ihre Ursache in der Anströmung durch das Hochdruckgas und der Elastizität der Steuervorrichtung des Ventilkörpers haben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unerwünschten Schwingungen des Ventilkörpers zu dämpfen, ohne dadurch den Platzbedarf der Kühleinrichtung zu vergrößern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer kryogenen Kühleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zum Dämpfen von Schwingungen des Ventilkörpers eine mit diesem bewegliche Dämpfungskammer vorgesehen ^:st, die in der Dämpfungskammer bewegliche Teilchen enthält.

Der Ventilkörper kann durch eine bewegliche Wand, z. B. die Wand eines Balgens, über ein rohrförmiges Bauteil betätigt werden, das im folgenden als hohle Kolbenstange bezeichnet werden soll und sich zumindest durch den kalten End'.eil des Wärmetauschers erstreckt. Die hohle Kolbenstange kann in diesem Falle die die Teilchen enthaltende Dämpfungskammer tragen oder bilden. Die Teilchen können kleine Kugeln, z. B aus Metall wie Phosphorbronze, oder auch ein Pulver wie z. B. Wolframkarbidpulver sein.

Eii: Vorzug der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Dämpfungseinrichtung bei der bevorzugten Ausfiihrungsform der vorliegenden Kühleinrichtung einen Raum einnimmt, der sonst nicht benötigt wird, so daß die Kühleinrichtung, die häufig möglichst klein sein soll, durch die Dämpfungskammcr nicht vergrößert wird. Die Erfindung läßt sich außerdem mit sehr geringem Aufwand realisieren.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Eifindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine nach dem Prinzip des Joule-Thomson-Effektes arbeitende Kühleinrichtung und

Fig. 2 einen von unten gesehenen Querschnitt durch die Kühleinrichtung.

Die in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte kühleinrichtung hat wie die obenerwähnten bekannten Kühleinrichtungen eine längliche Form und wird normalerweise in senkrechter Lage mit dem kalten Ende unten betrieben.

Die Kühleinrichtung enthält einen rohrförmigen Wärmetauscher mit einem inneren rohrförmigen Körper 10, um den eine gerippte Einlaßröhre oder Rohrwendel 11 wendelförmig gewickelt ist. die den F.inlaßströmungsweg des Wärmetauschers bildet. Die gerippte Rohnvendcl 11 wird von einem koaxialen äußeren rohrförmigen Bauteil 12 umgeben, das im vorliegenden Falle von der Innenwand einer Dewarflasche gebildet wird, die außerdem noch eine Außenwand 13 hat. Der Raum zwischen dem rohrförmigen Körper 10 und dem äußeren rohrförmigen Bauteil 12 bildet den zweiten oder Auslaßströniungswcg des Wärmetauschers, durch den das entspannte Gas an den Rippen vorbei abströmt und dabei das durch die Rohrwendel zugeführt, unter hohem Druck stehende Kühlmittel kühlt. Das untere Ende der Dewarflasche ist geschlossen und bildet einen Vorratsbehälter, in dem sich verflüssigtes Kühlmittel ansammeln kann. An der Außenseite des Bauteils 12 der Dewarflasche ist eine zu kühlende Anordnung, /.. B. ein Infrarotstrahlungsdetektor 15, angebracht oder gebildet

Mit dem oberen Ende des rohrförmigen Körpers 10 ist ein Kopfstück 16 verbunden, dessen unterer Teil eine Balgcnkammer 17 bildet, während der obere Teil 18 als Einlaßanschluß ausgebildet ist. Das

obere Ende der gerippten Rohrwendel 11 steht mit dem Inneren des oberen Teiles des Kopfstücks 16 in Verbindung, dem ein gasförmiges Kühlmittel, z. B. unter Druck stehender Stickstoff, mit einer unter seiner Inversionstempe.atur liegenden Temperatur zugeführt v;ird.

Der rohrförmigc Körper 10 tragt an seinem unteren Ende ein Silzteil 20 mit einem etwa zylinderförniigen Hohlkörper 26, der am oberen Ende ein im Querschnitt halbmondförmiges Öhr 21 aufweist, das von ihm exzentrisch in das untere Ende des rohrförmigen Körpe'rs 10 vorsprin J. an dem es z.B. durch Schweißen befestigt ist. Das untere Ende der gerippicn Rohrwendel Il tritt von der einen Seile in das Sitzteil 20 ein, welches ein Filter 22 enthält, durch das das Gas von der Rohrwand,:! 11 zu einer Entspannungsdüse 25 strömt, d'w im Boden des Sitzieües 10 gebildet ist.

Der wirksame Querschnitt der Entspannungsdüse s'. ird durch einen nadeiförmigen Ventiikörper 30 ge-■ r.'uert, der seinerseits durch einen in der erwähnten lialgenkammer 17 angeordneten Balgen 3i durch .■ine nach unten reichende, im Querschnitt C-förmige Kolbenstange 32 betätigt wird. Am unteren Ende der einen Teil einer Röhre bildenden Kolbenstange ist in dor Nähe des einen Randes das obere Ende eines geraden Stabes 33 angeschweißt, dessen unteres Ende mit einem hakenförmigen Stab 34 verschweißt ist, dessen unteres Ende durch einen Block 35 reicht und π'.ιί diesem verschweißt ist. In den Block 35 ist der ■;iJelförmige Ventilkörper 30 verstellbar eingeschraubt.

Das obere Ende des hakenförmigen Stabes 34 reicht von der Seite in einen Schlitz, der im öhr 21 ties S'tzteiles gebildet ist und wirkt als Anschlag, der die Abwärtsbewegung des Ventils begrenzt. Der Ventilkörper 30 ist so eingestellt, daß er in seiner untersten Stellung gerade noch in die Entspannungsdüse 25 reicht, so daß er sich selbst zentriert, wenn er sich zum Schließen der Entspannungsdüse nach obe.i bewegt.

Das obere Ende der Kolbenstange 32 ist am geschlossenen oberen Ende des Balgens 31 befestigt, dessen unteres Finde mit dem unteren Teil des die Balgenkammcr bildenden Kopfstückes 16 verbunden ist. Wenn also do Druck in der Balgenkammer außerhalb des Balgens absinkt, dehnt sich der Balgen aus und hebt die Kolbenstange, wobei dann der Ventilkörper 30 weiter in die Entspannungsdüsc eintritt, deren wirksamen Querschnitt \erringen und schließlich die Strömung durch die Düse ganz unterbindet.

Längs der hohlen Kolbenstange erstreckt sich innerhalb des rohrförmigen Körpers 10 eine Fühle rröhre 40. deren unteres Ende einen Wärmefühler bildet, in Längsrichtung durch den ganzen Wärmetauscher. Die Fühlerröhre 40 erstreckt sich am oberen Ende, durch den Boden des Kopfstücks !6, so daß ihr Inneres mit dem den Balgen 311 umgebenden Raum in Verbindung steht. Die Fühlerröhre reicht am Ventil vorbei und hat ein flachgedrücktes unteres Ende, das eine würm'.'eitende Sonde 41 darstellt. Die Füh lerröhre und der Raum zwischen der Außenwand des Balgens und der Innenwand der Balgenkammer 17 sind mit einer .Hissigkut und einem mit dieser im Gleichgewicht stehenden Dampf eines geeigneten Materials gefüllt, für das das gleiche Material wie das Kühlmittel oder ein anderes Material verwendet werden kann.

Wenn sich im Betrieb der Kühleinrichtung in bekannter Weise verflüssigtes Kühlmittel in der Dewarflasche ansammelt und der Flüssigkeilsspiegel allmählich steigt, so daß das untere Ende der Fühierröhre mehr und mehr eintaucht, sinkt die Temperatur der Fühlerröhre und damit auch der Druck auf der Außenseite des Balgens allmählich, so daß sich der Balgen ausdel nt, die hohle Kolbenstange hebt und bewirkt, daß der nadeiförmige Ventilkörper die

ίο Entspannungsdüse zu schließen und die Kühlmittel-Strömung zu drosseln beginnt.

Das Sitzteil 20 trägt ferner eine mit ihm durch Schweißen verbundene zylindrische Abschirmung, nämlich den Hohlkörper 26. der das Ventil umgibt.

so daß das aus der Düse austretende Kühlmittel nicht diiekt auf die Fühlerröhre 40 auftreffen kann.

Die beschrieb'"!;.' Kon.·..üuktion eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen ein gedrängter, schlanker Aufbau erforderlich ist. Wenn das Ventil durch einen Balgen betätigt wird. de^r sich innerhalb des Wärmetauschers befindet (wie es bei den obenerwähnten bekannten Einrichtungen der Fall ist), kann der Außendurchmesser des Wärmetauschers und damit der Innendurchmesser der üewarflasche bis auf etwa 7.5 mm verringert werden, für manche Anwendungen ist dies jedoch immer noch zu viel und der Durchmesser darf höchstens etwa 5 mm betragen. Dies kann gemäß einem anderen Vorschlag dadurch erreicht werden, daß der Balgen nicht innerhalb des Wärmetauschers, sondern koaxial zu diesem und außerhalb seines warmen Endes angeordnet wird, so daß er einen wesentlich größeren Durchmesser haben kann als der Wärmetauscher.

Es hat sich bei Kühleinrichtung.¹! des bcschriebenen Typs gezeigt, daß unter bestimmten Umständen störende Schwingungen im Ventil auftreten, die dadurch entstehen, daß die elastische und massebehaftete Balgenanordnung durch die aus der Expansionsdüse austretende Strömung zu Schwingungen angeregt wird. Um solche Schwingungen zu dämpfen, ist gemäß der Erfindung eine Dämpfungsanordnung vorgesehen. Die Kolbenstange trägt hierfür eine Kammer 50, die in ihr z. B. durch Schweißen befestigt und mit losen Teilchen 51 wie kleinen Fhosphorbronzekugcln oder Wolframkarbidpulver im wesentlichen gefüllt ist. Der Füllungsgrad ist möglichst groß, um die Masse so groß wie möglich /u machen, die Füllung darf jedoch nicht eingepreßt werden und muß für sich beweglich sein. Wenn also irgendwelche Schwingungen r.uflreteii sollten, muß die Tnlehcnmasse in der Kammer außer Phase 11111 der hohlen Kolbenstange schwingen können und dadurch die Schwingungen dämpfen.

Da es nicht einfach ist. das teiiehcnförmige Material in der erforderlichen kleinen Menge m den win/ken Hohlraum einzufüllen, kann es zweckmäßig sein, ein Bindemittel, z. B. festes Kohlendioxid oder Eis. zu verwenden, das anschließend durch Verdampfen wieder cn'fcrnt wird, und das Material zu tablettieren.

Der von der Dämpfungsanordnung eingenommene Raum wird offensichtlich nicht für andere Zwecke benöiigt. so daß die Abmessungen der Einrichtung durch die Dämpfungsanordnung nicht vergrößert werden.

Die Fühlerröhre 40 kann mit irgendeiner ge-.-ignclen ilüchligen Flüssigkeit, die im Gleichgewicht mit ihrem Dampf steht, gefüllt werden. Gemäß einem anderen, gleichzeitigen Vorschlag ist der Balgen

jedoch so ausgelegt und angeordnet, daß er sieh hei gleichem Außen- und Innendruck so weit zusammenzieht, daß das Ventil geölTnet ist und dadurch eine gewisse Störungsunempfindliehkeit erreicht wird. k'.nn wählt daher vorzugsweise zur Füllung tier Balgenkammercin Material, daß in dem herrschenden Temperaturbereich einen unter dem Atniosphärendruck liegenden Dampfdruck hat. im Falle von Stickstof! als Kühlmittel also im Hereich von etwa S5 bis 110 K. Fin geeignetes Material zur Füllung des Wärmefühlers ist in diesem Falle also Methan. Der Druck in dem außerhalb des Balgens liegenden Teil der Balgcnkammer ist dann also niedriger als der Druck im übrigen Toil des Gerätes und damit auch innerhalb des Balgens und das Ventil wird so einjustiert, daß die Elastizität des Balgens es zu öffnen strebt. Wenn dann irgendeine Undichtigkeit auftreten sollte, die den Unterdruck aiii der Außenseite des Balgens zum Verschwinden bringt, wird unter diesen Umständen das Ventil also infolge der Störung öffnen, die Kühlung wird aber trotzdem weitergehen. Bei Defekten dieser Art wird also die Kühleinrichtung weiterarbeiten, wenn auch selbstverständlich das Kühlmittel schneller verbraucht wird als bei einwandfreicr Funktion.

Wie oben erwähnt wurde, hat die Anordnung des Balgens außerhalb des Wärmetauschers den Vorteil, daß die Abmessungen des Balgens nicht durch die der Dcwarflaschc begrenzt werden, was besonders wich-

t5 tig ist, wenn das Ventil mit Unterdruck betrieben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kryogene Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip des Joule-Thomson-Effektes arbeitet, mit einem im wesentlichen rohrförmigen Wärmetauscher, durch den ein gasförmiges Kühlmittel von einer Druckgasquellc zu einer Entspannungsdüse und in entgegengesetzter Richtung entspanntes Kühlmittel strömt, und mit einem der Düse zugeordneten Ventilkörper, der den wirksamen Disenquei schnitt und damit den Kühlmitteldurchsatz automatisch regelt, gekennzeichnet durch eine mit dem Ventilkörper (30) bewegliche Dämpfungskammer (50) zum Dämpfen von Schwing"igen des Ventilkörpers, die in der Dämpfur-j>kammer bewegliche Teilchen (51) enthält.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Ventil durch eine bewegliche Wand über eine hohle Kolbenstange gesteuert wird, die sich zumindest durch den kalten Endteil des Wärmetauscheis erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Kolbenstange (32) die die Teilchen (51) enthaltende Dämpfungskammer (50) bildet oder trägt.

3. Kuh' Miirichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand die Wand eines Balgens (31) ist.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen kleine Kugeln,

z. B. aus einem Metall wie Phosphorbronze, sind.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen ein Pulver, z. B. Wolframkarbidpulver, sind.

6. Verfahren zum Einfüllen der losen Teilchen in die Dämpfungskammer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mittels eines verdampfbaren Bindemittels.

z. B. festem Kohlendioxid oder Eis, tablettiert und in dieser Form in die Dämpfungskammer eingeführt werden und daß anschließend das Bindemittel durch Verdampfen wieder entfernt wird.