DE2801215A1

DE2801215A1 - Kryogenes kuehlgeraet

Info

Publication number: DE2801215A1
Application number: DE19782801215
Authority: DE
Inventors: David Nell Campbell
Original assignee: Hymatic Engineering Co Ltd
Current assignee: Hymatic Engineering Co Ltd
Priority date: 1977-01-13
Filing date: 1978-01-12
Publication date: 1978-07-20
Also published as: IL53786A; JPS5389057A; GB1557922A; FR2377588A1; FR2377588B1; JPS6140901B2; US4177650A; DE2801215C2; IL53786A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kryogenes Kühlgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein kryogenes Kühlgerät mit einem im wesentlichen rohrförmigen Wärmeaustauscher, der ein warmes sowie ein kaltes Ende und zwei Strömungskanäle aufweist, von denen der eine von gasförmigem Kältemittel auf dessen Wege von einer Druckmittelquelle zu einer in eine Kühl- oder Verflüssigungskammer mündenden Drossel- oder Entspannungsdüse durchströmt wird und der andere von entspanntem gasförmigen Kühlmittel unter Kühlung des zugeführten Kühlmittels durchströmt wird, und mit einem Ventil, das die Kühlmittelströmung durch Änderung des effektiven Querschnittes der Entspannungsdüse regelt.

Kühlgeräte dieser Art sind z.B. aus der DE-PS 16 Ol 889 und der DE-AS 19 22 514 bekannt.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Kühlgerät dieser Art angegeben werden, das sich durch eine einfache und kompakte Konstruktion auszeichnet und auf die Menge verflüssigten Kühlmittels in der Verflüssigungskammer, also sozusagen auf den 'Kältevorrat" stetig und gleichmässig aber trotzdem empfindlich

809829/0833

anspricht. Das verflüssigte Kühlmittel kann in Form eines Tümpels, dessen Tiefe sich ändert, oder in Form eines Nebels oder Sprays mit sich änderdem Anteil an Flüssigkeitströpfchen vorliegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zwischen der Temperatur des unter hohem Druck stehenden gasförmigen Kühlmittels, das an der Expansionsdüse ankommt, und der Temperatur des verflüssigten Kühlmittels ein erheblicher Unterschied bestehen kann. Beispielsweise kann bei einem mit Luft als Kühlmittel arbeitenden Kühlgerät der hier interessierenden Art das sich der Düse nähernde Gas eine Temperatur von etwa 50 bis 70 ⁰C und darüber haben während der Siedepunkt der Luft beim Atmosphärendruck nur etwa 78 K beträgt. Weder die eine noch die andere Temperatur ändert sich dabei wesentlich in Abhängigkeit von der Menge des vorhandenen verflüssigten Kühlmittels. Die Temperatur der mit Dampf im Gleichgewicht stehenden Flüssigkeit kann sich nicht nennenswert ändern und die Temperatur des an der Entspannungsdüse ankommenden Gases wird durch die Menge der vorhandenen Flüssigkeit (nachdem das Kondensieren von Flüssigkeit einmal begonnen hat) kaum beeinflußt, solange der untere Teil des Wärmeaustauschers nicht zu stark überflutet wird. Wenn der untere Teil des Wärmeaustauschers von Flüssigkeit überflutet wird, nehmen der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers und der des Verflüssigungsprozesses ab.

Die Expansionsdüse kommt in der Praxis kaum mit der Flüssigkeit in Berührung, so daß ihre Temperatur ziemlich nahe bei der des Hochdruckgases am kalten Ende des Wärmeaustauschers liegt; der Ventilkörper wird andererseits im allgemeinen von Tröpfchen flüssigen Kühlmittels getroffen und sich daher auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur befinden.

Das Ventil und das kalte Ende des Wärmeaustauschers können daher als Bereiche im wesentlichen konstanter Temperaturen angesehen werden, die sich jedoch erheblich unterscheiden

809829/0833

2001215

und beide wenig durch die vorhandene Flüssigkeitsmenge beeinflußt werden. Die bekannten Kühlgeräte der angegebenen Art sprechen im allgemeinen auf eine Temperatur an, die im wesentlichen von dem einen oder dem anderen der beiden erwähnten Teile abhängt und daher kein empfindliches Maß für die vorhandene Flüssigkeitsmenge darstellt.

Die Erfindung beruht ferner auf den Erkenntnissen, daß die Temperatur eines temperaturempfindlichen Elementes oder Wärmefühlers von dem Gleichgewicht zwischen der Wärme, die vom Wärmeaustauscher in den Wärmefühler strömt und der Wärme, die vom Wärmefühler in das Kühlmittel abfließt, abhängen sollte und daß die Wärmeübergangsrate zwischen dem Wärmefühler und Dampf gegenüber der zwischen dem Wärmefühler und Flüssigkeit vernachlässigbar ist.

Um die Konstruktion einfach und kompakt zu halten, macht die Erfindung ferner von einer Betätigung des Ventils durch ein Expanderelement (das einen hohen Temperaturexpansionskoeffizienten hat) Gebrauch, das seinen eigenen Wärmefühler bildet, d.h. daß die Expansion von der Temperatur des Expanderelements selbst abhängt und die Anordnung so gewählt ist, daß sich diese Temperatur in der gewünschten Weise in Abhängigkeit von der Menge der vorhandenen Flüssigkeit ändert.

Bei gewissen bekannten Konstruktionen wird das Ventil durch einen Balgen gesteuert, dessen Innen- oder Außendruck nicht durch die Temperatur des Balgens selbst sondern durch die eines getrennten Fühlers bestimmt wird, der die Form eines Kolbens hat, in dem sich ein mit Flüssigkeit im Gleichgewicht stehender Dampf befindet. Solche Konstruktionen lassen sich jedoch bei Kühlgeräten mit sehr kleinen Abmessungen, wie sie oft gefordert werden, schlecht realisieren.

Die obige Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Kühlgerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen

809829/0833

Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem Kühlgerät gemäß der Erfindung wird das Ventil also durch die Expansion bzw, Kontraktion eines Expanders gesteuert, welche durch die Temperatur des Expanders selbst verursacht werden. Der Expander hat vorzugsweise eine langgestreckte Form und hat ein verankertes Ende, das am kalten Ende des Wärmeaustauschers befestigt, thermisch von diesem jedoch durch einen Weg geringer Wärmeleitfähigkeit isoliert ist. Der Expander erstreckt sich vom warmen Ende des Wärmeaustauschers weg zu einem freien Ende, welches das Ventil betätigt, und hat ein warmes Endteil hoher Wärmeleitfähigkeit, das sich vom befestigten Ende in einen Bereich erstreckt, der zwischen der Düse und dem Wärmeaustauscher liegt und sich nicht in der direkten Linie des von der Düse ausgehenden Sprühnebels befindet. Der Expander hat ferner ein kaltes Endteil geringer Wärmeleitfähigkeit, das sich von dem erwähnten Bereich in die Nähe des Ventils erstreckt.

Bei einer bevorzugten Konstruktion ist das verankerte oder befestigte Ende des Expanders an einem Ende eines zurück- oder einspringenden Expanderträgers befestigt, dessen anderes Ende am kalten Ende des Wärmeaustauschers angebracht ist, von wo er sich auf das warme Ende des Wärmeaustauschers erstreckt; der Träger hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Eine Ausführungsform des vorliegenden kryogenen Kühlgerätes enthält also einen im wesentlichen rohrförmigen Wärmeaustauscher mit einem warmen Ende und einem kalten Ende, einen Führungs- oder Lagerungsträger, der am kalten Ende des Wärmeaustauschers befestigt ist und sich von dessen warmem Ende zu einem kalten Ende erstreckt, das einen Sitz trägt, weiterhin mit einem Expanderträger, der mit einem Ende an oder in der Nähe des kalten Endes des Wärmeaustauschers befestigt ist und

609829/0833

r -

sich von dort in Richtung auf das wanne Ende des Wärmeaustauschers zu einem zweiten Ende erstreckt, weiterhin mit einem Expander oder Expansionsglied länglicher Form, das ein am zweiten Ende des Expanderträgers befestigtes warmes Ende hat und sich von dort am kalten Ende des Wärmeaustauschers vorbei zu einem kalten Ende bei dem Sitz erstreckt, ferner mit einem Ventilkörper, der vom kalten Ende des Expanders getragen wird und mit dem Sitz so zusammenwirkt, daß er die Düse zu schließen strebt, wenn sich der Expander zusammenzieht, und mit einer Anordnung zum Leiten von gasförmigem Kühlmittel unter hohem Druck durch einen Strömungsweg des Wärmeaustauschers von

dessen warmem Ende, von dort durch den Sitz, der als Drosselstelle oder Joule-Thomson-Expansionsdüse wirkt, und dann zurück durch einen zweiten Weg des Wärmeaustauschers um das ankommende Kühlmittel zu kühlen; der Expander hat dabei einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Expanderträger und ist aus zwei Teilen gebildet, einem warmen Endteil und einem kalten Endteil, von denen der wärme Endteil eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit hat als der Expanderträger und der kalte Endteil, so daß der Temperaturabfall in Längsrichtung des Expanders vorwiegend in seinem kalten Endteil stattfindet.

Der Expandertrager hat vorzugsweise die Form eines Rohres oder eines Teils eines Rohres, das den warmen Endteil des Expanders umgibt und diesen gegen Wärme vom Wärmeaustauscher abschirmt. Der Expander kann ebenfalls im wesentlichen rohrförmig sein und sein kaltes Ende kann so ausgesetzt sein, daß es vom Kühlmittel getroffen wird, das aus der Düse ausgestoßen wird.

Die Begriffe "kaltes Ende" und "warmes Ende" sind hier lediglich als Vergleich zu verstehen und es sei darauf hingewiesen, daß das wärme Ende eines Bauteiles unter Umständen

809829/0833

- X AO

kälter sein kann als das kalte Ende eines anderen Bauteiles.

Der warme Teil des Expanders kann sich über das kalte Ende des Wärmeaustauschers hinaus in die Verflüssigungskammer erstrecken.

Der Expander kann die verschiedensten Formen annehmen. Er kann einen mit Gas und/oder Flüssigkeit gefüllten Balgen enthalten, deren Ausdehnung sich mit der Temperatur des Balgens ändert. Man kann andererseits auch einen Stapel von gekrümmten Bimetallscheiben verwenden, die mit wechselseitig entgegengerichteten Krümmungen aufeinander gestapelt sind und die ihre Krümmung mit der Temperatur ändern. Ferner kann der Expander ein Gitter oder einen Rost von Stäben oder einen Satz von koaxialen Röhren mit abwechselnd hohem und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient enthalten, die jeweils mit einem Ende mit dem einen Machbarelernent und mit dem anderen Ende mit dem anaeren tlachbarelement so verbunden sind, daß sich ihre Wärmeausdehnungsdifferenzen addieren.

Am bequemsten und einfachsten ist es jedoch, als Expander einen einfachen Stab oder ein einfaches Rohr zu verwenden, das im Vergleich zu anderen Teilen des Gerätes einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.

Im folgenden wird ein in der Zeichnung im Längsschnitt dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, dabei werden noch weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zur Sprache kommen.

Das in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Kühlgerät hat wie die meisten bekannten Kühlgeräte dieser Art, die in den eingangs genannten Veröffentlichungen beschrieben sind, eine langgestreckte Gestalt und obgleich es in den unterschiedlichsten Lagen betrieben werden kann, soll es im folgenden im Bezug auf die üblichste Betriebslage beschrieben werden, bei der die Geräteachse senkrecht

809829/0833

lon ι Ο 1C

4 I' v.^; ι .·_ i ^j

verläuft und das kalte Ende des Gerätes sich unten befindet.

Das dargestellte Kühlgerät enthält einen im wesentlichen rohrförmigen Wärmeaustauscher mit einem inneren rohrförmigen Körper 2, der durch einen Spund 3 verschlossen und mit einer gerippten Einlaßröhre 4 umwickelt ist, welche den Einlaßkanal des Wärmeaustauschers bildet. Die wendelförmig gewickelte Einlaßröhre 4 ist von einem koaxialen Außenrohr umgeben, das durch die Innenwand 6 einer Dewar-Flasche 8 gebildet wird, und der Raum zwischen dem inneren rohrförmigen Körper 2 und dem Außenrohr 8 bildet den zweiten oder Auslaß-Strömungsweg des Wärmeaustauschers durch den entweichendes Gas an den Rippen der Einlaßröhre 4 vorbeiströmt und dabei das unter hohem Druck stehende zugeführte Kältemittel in der den Einlaßweg bildenden, wendelförmig gewickelten Röhre 4 kühlt. Das untere Ende der Dewar-Flasche 8 ist geschlossen und bildet eine Kühl- oder Verflüssigungskammer 10, die einen Behälter darstellt, in dem sich flüssiges Kältemittel ansammeln kann. An der Außenseite der Innenwand der Dewar-Flasche 8 ist eine zu kühlende Last oder Einrichtung 12 gebildet oder befestigt, z.B. ein Infrarotstrahlungsdetektor .

Der Körper 2 des Wärmeaustauschers besteht aus einem Material niedriger Wärmeleitfähigkeit. An seinem unteren, kalten Ende trägt der Körper des Wärmeaustauschers einen T-förmigen Sitzträger 14, der einen Kopf 16 und einen Stiel umfaßt. Der Kopf 16 erstreckt sich über das untere, kalte Ende des Wärmeaustauscherkörpers und ist an diesem befestigt. Der Stiel des Sitzträgers 14 ist hohl und bildet an seinem unteren Ende eine Drossel- oder Expansionsdüse mit einem sich nach unten öffnenden Sitz 18.

Am unteren Ende des Wärmeaustauscherkörpers 2 ist ferner das untere Ende eines rohrförmigen Expanderträgers 20 verbur-

809829/0833

den, der sich koaxial im Wärmeaustauscher eine beträchtliche Strecke nach oben erstreckt und einen oberen Teil eines rohrförmigen Expanders umgibt, mit dem sein oberes Ende verbunden ist. Der Expanderträger hat am unteren Ende einen Außenflansch 24 und am oberen Ende einen mit dem oberen Ende des oberen Teiles 22 des Expanders verbundenen Innenflansch, so daß der Körper 2 des Wärmeaustauschers, der Expanderträger 20 und der obere Teil 22 des Expanders drei mit Zwischenräumen ineinander verschachtelte koaxiale Röhren bilden, die durch die Flansche 24 und 26 miteinander verbunden sind.

Der Expander besteht aus zwei Teilen, dem oberen, warmen Teil 22, der sich vom oberen Ende des Expanderträgers 20 nach unten bis etwas unter das untere oder kalte Ende des Wärmeaustauschers erstreckt, so daß er ein kleines Stück in den oberen Teil der Verflüssigungskammer reicht. Der obere Teil ist mit einem unteren, kalten Teil 28 verbunden, der nach unten über den Sitz 18 hinaus reicht und am unteren Ende eine Ventilnadel 32 trägt, welche nach oben vorspringt und ein mit dem Sitz 18 zusammenwirkendes konisches Ende aufweist. Die Ventilnadel 32 kann in den Expander eingeschraubt sein, so daß man sie justieren kann. Der untere Teil 28 des Expanders weist zwei große Längsschlitze 30 auf, durch die der Sitzträger 14 zugänglich ist, so daß sein Kopf 16 seitlich herausreichen und am unteren Bnde des Wärmeaustauscherkörpers 2 befestigt werden kann.

Ein wesentlicher Aspekt der beschriebenen Konstruktion ist die Verwendung von Materialien unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Teile 22 und 28 des Expanders haben beide einen hohen Ausdehnungskoeffizienten und der obere, wärme Teil hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit während der untere, kalte Teil eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Infolge der unter-

809829/0833

28Ü1215

/13

schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und Temperaturen des Expanders, des Wärmeaustauscherkörpers, des Sitzträgers und des Expanderträgers wird die Ventilnadel 32 in bekannter Weise in Schließrichtung des Ventils verstellt, wenn die mittlere Temperatur des Expanders sinkt.

Um einen Expander ausreichender Länge, wie er für eine einwandfreie Ventilbetätigung erforderlich ist, in einem kompakten Kühlgerät unterbringen zu können, ist es wünschenswert, daß der Expander nach oben in den Wärmeaustauscher hineinreicht, gleichzeitig soll jedoch um den Vorteil einer solchen Ausgestaltung ausnutzen zu können, der Expander über seine ganze Länge einen hohen Ausdehnungskoeffizienten haben, während gleichzeitig der Exρandertrager einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben soll, da seine Expansion der des Expanders entgegenwirkt, d.h. z.B. das Ventil bei Erwärmung schließt anstatt es zu öffnen.

Hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit soll bei dem vorliegenden Kühlgerät erreicht werden, daß der Expander in erster Linie in Abhängigkeit von der Temperatur arbeitet, welche an einem Punkt oben in der Verflüssigungskammer in der Nähe des kalten Endes des Wärmeaustauschers herrscht. Wenn der Expander zu stark auf die Temperatur des Wärmeaustauschers anspricht, wird die Regelung zu unempfindlich während andererseits das Ventil bei zu starker Ansprache auf den Flüssigkeitsspray in der Nähe der Düse schon bei Beginn der Erzeugung von Flüssigkeit zu schließen beginnt, so daß die weitere Kühlung zur Bildung eines Vorrates an verflüssigtem Kältemittel unnötig langsam verläuft.

In der folgenden Tabelle 1 sind die bei einer speziellen Ausführungsform für die verschiedenen Bauteile verwendeten Materialien, die Eigenschaften dieser Materialien und gegebenenfalls die Eigenschaften des Bauteils als Ganzes, soweit dies wichtig ist, angegeben.

809829/0833

TABELLE Materialeigenschaften

Eigenschaften des Bauteils als Ganzes

Bauteil

Material

Wärmeau sdehnung s- Wärmeleitfähigkeit Wärmewider- Wärmedehnung ^Γ"^1λ (W/CmK)

Körper des Austenitischer 18 χ 10 Wärmeaus- rostfreier tauschers Stahl

koeffizient (K ) -6

Invarstahl

Expanderträger

Warmer Teil Kupfer

2 χ 10

-6

19 χ 10

-6

^₀ des Expanoo der s

^ Kalter Teil Monelmetall 18 χ ίο"⁶ ^ des Expan_o ders

Γ: Ventilnadel Austenitischer 18 χ 10

rostfreier Stahl

-6

Sitzträger Stahl und Messing

18 χ 10

0,13

0	,1	5
2	,0	3
0	/1	,8
0	rl
0,2-0

stand K/W (io"³m K^-1)

2820

1430
164

1470

110 550

163

193

/IS

Die thermischen Eigenschaften und Dimensionen der verschiedenen Teile sind unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen gewählt.

Der obere Teil 22 des Expanders ist also nicht an dem benachbarten warmen Teil des Körpers 2 des Wärmeaustauschers befestigt sondern an dem unteren, kalten Ende des Wärmeaustauschers über den Expanderträger 20, der den oberen Teil des Expanders nicht nur gegen Wärmestrahlung abschirmt sondern auch aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit besteht. Die Wärmeleitung vom Wärmeaustauscher zum Expander wird dadurch soweit verringert, daß sich ein empfindliches Ansprechen ergibt, ohne daß das Ventil dadurch zu langsam anspricht, wenn eine stärkere Kühlung erforderlich ist.

Um im Bedarfsfalle eine schnelle Kühlung zu gewährleisten, insbesondere wenn die Bildung flüssigen Kältemittels gerade begonnen hat, ist die starke Kühlwirkung des Flüssigkeitströpfchenstrahles auf den Bereich in der Nachbarschaft des Nadelventils begrenzt, d.h. auf das untere Ende des kalten Teiles 28 des Expanders. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit dieses Teiles des Expanders bleibt der obere warme Teil 22 des Expanders als Ganzes verhältnismäßig warm, das Ventil bleibt daher im wesentlichen offen und die Kühlung erfolgt dadurch mit beträchtlicher Geschwindigkeit.

Mit zunehmender Kühlwirkung der Flüssigkeit in Form eines Tümpels, dessen Spiegel zunehmend steigt, oder in Form von Tröpfchen, deren Anteil bezüglich des Gases zunimmt, wird die Temperatur des warmen Endes des unteren Teiles 28 des Expanders zunehmend verringert. Diese verringerte Temperatur teilt sich dem unteren Ende des oberen, warmen Teiles 22 des Expanders mit und da dieser Teil eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, beeinflußt die verringerte Temperatur die ganze Länge dieses Teiles, wodurch das Ventil zunehmend geschlossen wird.

809829/0833

In der Praxis wird der Stand des flüssigen Kältemittels zwischen einem niedrigen Niveau A und einem hohen Niveau B schwanken. In Abhängigkeit von dem Stand des flüssigen Kältemittels werden sich dann auch die Temperaturen der verschiedenen Bauteile des Kühlgerätes ändern. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ergaben sich für die verschiedenen Bauteile des Kühlgerätes beim niedrigen bzw. hohen Niveau des flüssigen Kältemittels die folgenden Temperaturen:

Tabelle 2 Bauteil Temperatur (K) Niedriges Niveau A Hohes Niveau B

Spundabdichtung 3 290 290

Wärmeaustauscher;

Innenflansch 26 156 115

oben am Expanderträger 20

Außenflansch 24 153 152

unten am Expanderträger 20

Oberer Bereich des unteren 152 1Ol

Teiles 28 des Expanders

Ventilsitz 18 153 152

Unterer Bereich des unteren 80 77

Teiles 28 des Expanders

Bei der Auslegung der Bauteile des Kühlgerätes ist es wichtig, daß sichergestellt ist, daß der obere Teil 22 des Expanders so weitgehend wie praktikabel gegen den Tröpfchenstrahl aus der Düse abgeschirmt ist. Das untere Ende des kalten Teiles 28 des Expanders sollte andererseits nennenswert mit der Flüssigkeit im Tümpel oder Flüssigkeitströpfchen in Berührung kommen, nachdem die zu kühlende Einrichtung die gewünschte Temperatur entweder durch Kontakt oder Wärmeaustausch mit einer nennenswerten Menge an Flüssigkeit oder Flüssigkeitströpfchen erreicht hat. Die Werte für die Wärmeleitfähigkeit,

809829/0833

den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Wärmekapazität der beiden Teile 22 und 28 des Expanders und des Expanderträgers sollten so gewählt sein, daß a) das Nadelventil während der Abkühlperiode in der Nähe seiner voll geöffneten Stellung gehalten wird, b) die Temperatur des Expanders schnell geändert wird, wenn der benetzte Bereich des unteren, kalten Endes sich zu der Verbindung mit dem warmen Ende erstreckt, so daß eine empfindliche Regelung gewährleistet ist, und c) eine optimierte Wärmeleitfähigkeit vom oberen, warmen Ende des Expanders zum Wärmeaustauscher gewährleistet ist, so daß einerseits eine übermäßige Wärmeleitfähigkeit vermieden wird, die die Regelung unempfindlich machen würde, und andererseits so viel Wärmeleitung stattfindet, daß sich der Expander erwärmen und das Ventil mit vernünftiger Ansprechzeit betätigen kann, wenn der Flüssigkeitsspiegel oder der Tröpfchenanteil unter den Sollwert fallen.

809829/0833 _0R1Q1NAL1NSPECTED

Le At r s e

i te

Claims

Patentansprüche

Kryogenes Kühlgerät mit einem im wesentlichen rohrförmigen Wärmeaustauscher, der ein warmes sowie ein kaltes Ende und zwei Strömungskanäle auf v/eist, von denen der eine von zugeführtem Kältemittel auf dessen Wege von einer Druckmittelquelle zu einer in eine Kühlkammer mündenden Entspannungsdüse durchströmt wird und der andere von entspanntem gasförmigen Kältemittel unter Kühlung des zugeführten Fältemittels durchströmt wird, und mit einem Ventil, das mit der Entspannungsdüse zusammenwirkt und die Kältemittelströmung durch die Entspannungsdüse regelt, dadurch gekennzeichnet , daß das Ventil (18, 32) durch die Expansion und Kontraktion eines Expanders, die durch die Temperatur des Expanders selbst verursacht werden, betätigt wird; daß der Expander (22, 28) eine langgestreckte Form oder ein verankertes Ende hat, das am kalten Ende des Wärmeaustauschers (2, 4) befestigt, gegen dieses jedoch durch einen Weg niedriger Wärmeleitfähigkeit thermisch isoliert ist; daß sich der Expander (22, 28) in Richtung vom warmen Ende des Wärmeaustauschers zu einem freien Ende erstreckt, das das Ventil (18, 32) betätigt; daß der Expander ein warmes Endteil (22) hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, das sich vom verankerten Ende des Expanders in einen zwischen der Düse (18) und dem Wärmeaustauscher (2, 4) gelegenen Bereich erstreckt, der sich nicht in der direkten Linie eines von der Düse ausgehenden Tröpfchenstrahles befindet, und daß der Expander einen kalten Endteil (28) niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist, der sich von dem erwähnten Bereich bis in die Nähe des Ventils (18, 32) erstreckt.
2.) Kühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das verankerte Ende des Expanders (22, 28) an einem Ende eines zurückspringenden Expanderträgers (20)

8 0 9 8 2 9/0833 _{0R1G1NAL 1NS}PECTED

befestigt ist, dessen anderes Enüe am kalten Ende des Wärmeaustauschers (2, 4) befestigt ist, von wo sich der Expanderträger in Richtung auf das wärme Ende des Wärmeaustauschers erstreckt; und daß der Expanderträger (20) eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.
3.) Kühlgerät mit einem im wesentlichen rohrförmigen Wärmeaustauscher (2, 4) , der ein warmes und ein kaltes Ende aufweist; einem Sitzträger (14) , der am kalten Ende des Wärmeaustauschers angebracht ist und sich vom warmen Ende des Wärmeaustauschers weg zu einem kalten Ende erstreckt, das einen Sitz trägt; weiterhin mit einem Expanderträger (20) , der mit einem Ende am Wärmetauscher bei dessen kalten Ende angebracht ist und sich von dort in Richtung auf das warme Ende des Wärmeaustauschers zu einem zweiten Ende erstreckt; einer langgestreckten Expandiervorrichtung (22, 28) mit einem warmen Ende, das am zweiten Ende des Expanderträgers (20) befestigt ist und sich von dort über das kalte Ende des Wärmeaustauschers hinaus zu einem in der Nähe des Sitzes (18) gelegenen kalten Ende erstreckt; einem am kalten Ende der Expandiervorrichtung angebrachten Ventilkörper (32) , der mit dem Sitz derart zusammenwirkt, daß er eine Entspannungsdüse zu schließen strebt, wenn sich die Expandiervorrichtung zusammenzieht; mit einer Vorrichtung, die gasförmiges Kältemittel unter hohem Druck vom warmen Ende des Wärmeaustauschers durch einen ersten Strömungskanal (4) des Wärmeaustauschers und dann durch den als Drosselstelle dienenden Sitz strömen läßt, der insbesondere als Joule-Thomson-Entspannungsdüse wirkt, von wo das Kältemittel dann durch einen zweiten Strömungskanal des Wärmeaustauschers unter Kühlung des zugeführten Kältemittels zurückströmt, wobei die Expandiervorrichtung einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als der Expanderträger und aus zwei Teilen gebildet ist, nämlich einem warmen Endteil und einem

ORIGINAL INSPECTED 809829/0833

ο η -ι η ι ς 3

kalten Endteil, von denen der warme Endteil eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als der Expandertrager und der kalte Endteil hat, so daß der Temperaturabfall längs der Expandiervorrichtung überwiegend in deren kalten Endteil stattfindet.
4.)Kühlgerät nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Expandertrager (20) im wesentlichen die Form eines Rohrs oder eines Teiles eines Rohres hat und den warmen Endteil (22) des Expanders (22, 28) im wesentlichen umgibt und thermisch gegen den Wärmeaustauscher (2, 4) abschirmt.
5.) Kühlgerät nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Expander (22, 28) eine im wesentlichen rohrförmige Gestalt hat und mit seinem kalten Ende so angeordnet ist, daß auf ihn Kühlmittel, das aus der Düse (18) ausgestoßen wird, auftreffen kann.
6.) Kühlgerät nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wärme Teil (22) des Expanders über das kalte Ende des Wärmeaustauschers hinaus in die Kühlkammer reicht, so daß er in Berührung mit flüssigem Kühlmittel oder mit einem hohen Anteil an Flüssigkeitströpfchen im Gegensatz zu Gas kommen kann, wenn die Menge der Flüssigkeit in der Kühlkammer einen Wert erreicht, bei der die Zufuhr von Kältemittel gedrosselt oder unterbrochen werden kann.
7.) Kühlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Expander einen mit Gas und/oder Flüssigkeit gefüllten Balgen aufweist, deren Expansion von der Temperatur des Balgens selbst abhängt«
8.) Kühlgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Expasider einen Stapel gekrümmter Bimetallscheiben aufweist, die

809829/0833

ORIGINAL INSPECTED

- yf -

mit abwechselnd entgegengesetzter Krümmungsrichtung so aufeinandergestapelt und so ausgebildet sind, daß sich ihre Krümmung in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
9.) Kühlgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Expander ein Gitter oder einen Rost aus Stäben oder einen Satz koaxialer Röhren abwechselnd hoher und niedriger Wärmedehnung enthält, die jeweils mit einem Ende mit dem einen Nachbarelement und mit dem anderen Ende mit einem anderen Nachbarelement so verbunden sind, daß sich die differenziellen Wärmedehnungen addieren.
10.) Kühlgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Expander einen einfachen Stab oder ein einfaches Rohr enthält, dessen Wärmeausdehnung groß im Vergleich zu zugehörigen anderen Teilen des Gerätes ist.
11.) Kühlgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der eine Strömungskanal (4) des Wärmeaustauschers (2, 4) mit einer Quelle für ein unter Druck stehendes gasförmiges Kältemittel verbunden ist, das mittels des Joule-Thomson-Effektes verflüssigbar ist.

809829/0833