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Dokumentenidentifikation DE102004042398B4 29.06.2006
Titel Kühlvorrichtung
Anmelder Diehl BGT Defence GmbH & Co. KG, 88662 Überlingen, DE
Erfinder Hingst, Uwe, 88094 Oberteuringen, DE
DE-Anmeldedatum 02.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004042398
Offenlegungstag 23.03.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse F25B 9/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 31/024(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F41G 7/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Detektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Detektoren, wie beispielsweise Halbleiter-Detektoren, erreichen ihre optimale Strahlungsempfindlichkeit erst bei Temperaturen weit unterhalb der Raumtemperatur. Daher ist eine Kühlung der Detektoren notwendig.

Aus der EP 0 432 583 B1 ist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Objektes bekannt, die aus zwei hintereinander geschalteten Kühlern für zwei unterschiedliche Gase aufgebaut ist. Bei dem ersten Kühler für ein erstes Gas handelt es sich um einen Gegenstromwärmetauscher, der eine Expansionsdüse aufweist, die unterhalb des Vorlaufs des zweiten Kühlers für das zweite Gas liegt. Das erste Gas wird an dieser Expansionsdüse entspannt und somit abgekühlt. Das erste Gas des ersten Kühlers kühlt im Gegenstrom sowohl den Vorlauf des zweiten Kühlers für das zweite Gas als auch seinen eigenen Vorlauf. Beide Kühler sind in einem wärmeisolierenden Gehäuse angeordnet. Die Expansionsdüse des zweiten Kühlers befindet sich außerhalb dieses Gehäuses. Das dort austretende, abgekühlte Gas dient zur Kühlung von in der Nähe befindlichen Objekten.

Aus der DE 1 501 715 A ist eine Einrichtung zur Verflüssigung von Gasen bekannt, die beispielsweise zur Kühlung von Fotozellen verwendet werden kann. Die Einrichtung umfasst zwei Gegenstromwärmetauscher in einem Dewargefäß. Dabei ist ein Gegenstromwärmetauscher innerhalb des anderen Gegenstromwärmetauschers angeordnet. Die beiden Gegenstromwärmetauscher sind durch eine Außenhülse voneinander getrennt. An den mit einer Expansionsdüse abgeschlossenen inneren Gegenstromwärmetauscher schließt sich eine Kältekammer an, in der sich das abgekühlte Gas des inneren Gegenstromwärmetauschers sammelt und im Gegenstrom den eigenen Vorlauf kühlt. Der äußere Gegenstromwärmetauscher, der um die Außenhülse herum angeordnet ist, in der sich der innere Gegenstromwärmetauscher und die Kältekammer befinden, endet in einer Expansionsdüse, in deren Nähe sich das zu kühlende Objekt befindet. Das durch die Expansionsdüse des äußeren Gegenstromwärmetauschers austretende Gas kühlt sowohl das in der Nähe der Expansionsdüse befindliche Objekt als auch seinen eigenen Vorlauf im Gegenstrom ab.

Die EP 0 447 861 B1 betrifft einen zweistufigen Joule-Thompson-Kühler, bei dem ein Gegenstromwärmetauscher innerhalb eines anderen Gegenstromwärmetauschers angeordnet ist, wobei die Gegenstromwärmetauscher durch ein leitfähiges Mantelrohr voneinander getrennt sind. Um eine schnelle Kühlung einer Last zu erreichen, fließt während einer ersten Phase ein erstes Gas durch beide Gegenstromwärmetauscher. Dadurch werden der Joule-Thompson-Kühler und die Last auf eine Zwischentemperatur abgekühlt. Wenn die Zwischentemperatur erreicht ist, wird der Fluss des ersten Gases durch den äußeren Gegenstromwärmetauscher gestoppt und ein zweites Gas durch diesen geschickt. Der Fluss des ersten Gases durch den inneren Gegenstromwärmetauscher wird jedoch aufrechterhalten. Das an einer Expansionsdüse entspannte Gas des inneren Gegenstromwärmetauschers wird in einem Schacht gesammelt und dient zur Kühlung der Last als auch zur Kühlung des zweiten Gases des äußeren Gegenstromwärmetauschers.

Die US 5,382,797 B zeigt einen zweistufigen Joule-Thompson-Kühler, bei dem ein innerer Gegenstromwärmetauscher konzentrisch zu einem äußeren Gegenstromwärmetauscher angeordnet ist. Beide Gegenstromwärmetauscher bilden im Bereich ihrer Gasexpansionsdüsen eine Stirnfläche um die herum eine Detektoranordnung angeordnet ist. Das über den inneren Gegenstromwärmetauscher expandierte Gas dient nicht nur zur Kühlung des Gases für den äußeren Gegenstromwärmetauscher, sondern auch für die Kühlung des Detektors über die Nachteiligerweise ist für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise die schnelle Abkühlung großflächiger Detektoren, das Kühlvermögen der beschriebenen Kühlvorrichtungen nicht ausreichend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, eine Kühlvorrichtung für einen Detektor zu realisieren, die ein im Vergleich zum Stand der Technik größeres Kühlvermögen aufweist.

Für eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Detektors enthaltend einen inneren und einen äußeren Gegenstromwärmetauscher für ein erstes bzw. ein zweites Gas in einem wärmeisolierenden Gehäuse, wobei der innere Gegenstromwärmetauscher innerhalb einer Teillänge des äußeren Gegenstromwärmetauschers angeordnet ist und der innere Gegenstromwärmetauscher durch eine Außenhülse von dem äußeren Gegenstromwärmetauscher räumlich getrennt ist, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

  • a) die Außenhülse eine Trennplatte zwischen einer am Ende des inneren Gegenstromwärmetauschers befindlichen Expansionsdüse für das erste Gas und dem übrigen Teil des äußeren Gegenstromwärmetauschers aufweist,
  • b) der übrige Teil des äußeren Gegenstromwärmetauschers, der über den inneren Gegenstromwärmetauscher hinausragt, innerhalb der Außenhülse angeordnet ist,
  • c) die Außenhülse unterhalb einer am Ende des äußeren Gegenstromwärmetauschers befindlichen Expansionsdüse für das zweite Gas durch eine Endplatte abgeschlossen ist,
  • d) die Außenhülse in dem Bereich, in dem sie von dem äußeren Gegenstromwärmetauscher umgeben ist, eine Anzahl von Durchbrüchen aufweist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein äußerer Gegenstromwärmetauscher für ein zweites Gas durch einen inneren Gegenstromwärmetauscher, der von dem äußeren durch eine Außenhülse räumlich getrennt ist, eine Wärmebelastung in dem Moment erfährt, in dem das zweite Gas unterhalb einer Temperatur des ersten Gases des inneren Gegenstromwärmetauschers abgekühlt ist. Dadurch wird das im Endeffekt zu erreichende maximale Kühlvermögen reduziert.

Weiter geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass sich ab diesem Moment die Wärmebelastung umso stärker auswirkt, je länger der Bereich ist, in dem der innere Gegenstromwärmetauscher und eine eventuell dahinter befindliche Kältekammer und der äußere Gegenstromwärmetauscher gemeinsam entlang der Außenhülse verlaufen und über diese in thermischem Austausch stehen. Eine Verbesserung des Kühlvermögens ist erzielbar, wenn die beiden Gegenstromwärmetauscher nur entlang einer gewissen Teillänge gemeinsam entlang der Außenhülse verlaufen und der Teil des äußeren Gegenstromwärmetauschers, der über den inneren Gegenstromwärmetauscher hinaus ragt, innerhalb der Außenhülse angeordnet ist. Eine weitere Verbesserung des Kühlvermögens ist dadurch erreichbar, dass in der Außenhülse eine Trennplatte vorgesehen ist, die den übrigen Teil des äußeren Gegenstromwärmetauschers von dem inneren Gegenstromwärmetauscher räumlich trennt. Durch die beiden zuvor angeführten Maßnahmen wird eine gewisse thermische Entkopplung zwischen dem inneren Gegenstromwärmetauscher und dem übrigen Teil des äußeren Gegenstromwärmetauschers erzielt, so dass der innere Gegenstromwärmetauscher keine oder nur noch eine geringe Wäremebelastung für den äußeren Gegenstromwärmetauscher darstellt, wenn dessen Gas bereits unterhalb einer Temperatur des ersten Gases des inneren Gegenstromwärmetauschers abgekühlt ist.

Des Weiteren geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass relativ rasch ein großes Kühlvermögen mit der Kühlvorrichtung erreicht wird, wenn der äußere Gegenstromwärmetauscher nicht nur durch sein eigenes Gas im Gegenstrom gekühlt wird, sondern noch ein weiteres Gas zur Kühlung beiträgt. Dadurch, dass die Außenhülse in dem Bereich, in dem sie von dem äußeren Gegenstromwärmetauscher umgeben ist, eine Anzahl von Durchbrüchen aufweist, wird der äußere Gegenstromwärmetauscher nicht nur durch sein eigenes Gas im Gegenstrom, sondern auch zu einem Teil über das Gas des inneren Gegenstromwärmetauschers mitgekühlt. Das Gas des inneren Gegenstromwärmetauschers kühlt somit seinen eigenen Vorlauf und, indem es durch die Durchbrüche in den Bereich austritt, in dem sich der äußere Gegenstromwärmetauscher befindet, diesen Teil des Vorlaufs des äußeren Gegenstromwärmetauschers.

Ferner geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass zu kühlende Objekte, wie beispielsweise Detektoren, beschädigt oder in ihrer Funktionstüchtigkeit – z. B. durch Beschlagen der Oberfläche des Objektes mit Feuchtigkeit – beeinträchtigt werden können, wenn sie direkt mit einem abgekühlten oder verflüssigten Gas in Berührung kommen. Dadurch, dass die Außenhülse unterhalb einer am Ende des äußeren Gegenstromwärmetauschers befindlichen Expansionsdüse für das zweite Gas durch eine Endplatte abgeschlossen ist, wird eine in sich geschlossene Kühlvorrichtung, aufgebaut aus zwei Gegenstromwärmetauschern, realisiert, die zum einen keine äußeren thermischen Belastungen mehr kompensieren muss und zum anderen keinen unmittelbaren Kontakt zwischen Gas und zu kühlendem Objekt herstellt.

Durch die Erfindung wird eine Kühlvorrichtung geschaffen, die im Vergleich zum Stand der Technik eine schnellere Abkühlung eines Detektors bei vergleichbarer Wärmekapazität erreicht oder eine vergleichbare Abkühlzeit für größere Detektoren mit höherer Wärmekapazität erzielt.

Solche Kühlvorrichtungen sind insbesondere für einen Einsatz in Flugkörpern geeignet. Je nach Anwendungsgebiet müssen Flugkörper bzw. deren Zieldetektionseinheiten äußerst schnell voll operationell, d. h. schnell heruntergekühlt sein. Zum anderen ist es wichtig, dass der Flugkörper zur Zieldetektion und -erkennung ein möglichst großes Gesichtsfeld erfasst. Die Größe des erfassbaren Gesichtsfeldes ist direkt mit der Fläche des im Flugkörper verwendeten Detektors korreliert. Je großflächiger der Detektor ist, der abhängig vom Kühlvermögen eingesetzt werden kann, desto größer ist das Gesichtsfeld, das erfasst werden kann. Die moderne Entwicklung der Zieldetektionseinheiten geht heute zu immer größeren Matrixdetektoren hin und damit zu größeren Massen mit entsprechenden Wärmekapazitäten, die eine Kühlvorrichtung herunterkühlen muss.

Dadurch, dass der innere Gegenstromwärmetauscher innerhalb des äußeren Gegenstromwärmetauschers angeordnet ist, ergibt sich eine äußerst kompakte Bauweise. Gerade dieser sehr „schlanke" Aufbau der Kühlvorrichtung macht sie geeignet zum Einsatz in Flugkörpern, da eine Kühlvorrichtung in diesem Fall im Bereich des Suchkopfs des Flugkörpers untergebracht werden muss, wo nur äußerst wenig Platz zur Verfügung steht.

Bei bestimmten militärischen Anwendungen ist nicht nur eine Abkühlung eines Detektors auf eine Temperatur von unterhalb von 100 K erforderlich, sondern auch ein besonders rasches Erreichen dieser Temperatur. Eine solche extrem schnelle Abkühlung, die nur Abkühlzeiten von ein bis zwei Sekunden in Bezug auf eine Temperatur von unterhalb 100 K betragen soll, stellt hohe Anforderungen an eine Kühlvorrichtung.

Neben dem Aufbau einer Kühlvorrichtung wird das Kühlvermögen einer Kühlvorrichtung auch direkt durch die zwei zur Kühlung eingesetzten Gase beeinflusst. Für das zweite Gas wird sinnvollerweise ein Gas ausgewählt, das bezüglich seines Kühlvermögens und seiner Siedetemperatur den anwendungsspezifischen Anforderungen in Hinsicht auf das erforderliche Kühlvermögen genügt und mit dem sich die Mindestabkühltemperatur des Detektors, mit der ein zufriedenstellender Betrieb desselbigen möglich ist, erreichen lässt.

Für Abkühlzeiten im Bereich von ein bis zwei Sekunden und eine Abkühltemperatur von 100 K gemäß zuvor genanntem militärischem Anwendungszweck bieten sich besonders die Gase Argon, Stickstoff oder Luft an, da in allen drei Fällen deren Siedetemperatur unterhalb von 100 K liegt. Das erste Gas hingegen darf eine Siedetemperatur von oberhalb von 100 K aufweisen, muss jedoch zur effektiven Kühlung des zweiten Gases ein sehr hohes Kühlvermögen aufweisen. Hier bieten sich die Gase R14 (Tetrafluormethan, CF4) oder Methan (CH4) an.

Die Kühlkapazität der „zweiten" Gase aufgrund der Hochdruckexpansion an der Expansionsdüse ist umso größer, je kühler die Gase bereits vor der Hochdruckexpansion an der Expansionsdüse sind. Bei einer zuvor beschriebenen Kühlvorrichtung wird das erste Gas teilweise auch zur Vorkühlung des zweiten Gases im Gemisch mit dem Rücklauf des zweiten Gases genutzt. Wird eine Gaskombination aus den zuvor vorgeschlagenen Gasen ausgewählt, so wird das zweite Gas, das zur Kühlung des Detektors dient, auf einen Temperaturbereich abgesenkt, der weit unterhalb der Inversionstemperatur und im Bereich knapp oberhalb seiner Siedetemperatur liegt. In diesem Temperaturbereich weist dann das zweite Gas entsprechend seiner thermodynamischen Eigenschaften eine wesentlich höhere Kühlkapazität nach seiner Expansion auf im Vergleich zu der Kühlkapazität, die über eine Vorkühlung nur mit dem zweiten Gas erreichbar wäre. Dadurch kann eine nahezu vollständige Verflüssigung des zweiten Gases erreicht werden. Mit der flüssigen Phase des zweiten Gases lässt sich dann der Detektor effektiv kühlen. Eine besonders geeignete Gaskombination stellt beispielsweise Argon als zweites Gas mit einer Siedetemperatur von 90 K und Tetrafluormethan als erstes Gas mit einer Siedetemperatur von 140 K dar.

Um zu Kühltemperaturen wesentlich unter 90 K zu kommen, bietet sich als Gaskombination die Verwendung eines Neon-Argon- oder Neon-Stickstoff-Gemisches als zweites Gas für den äußeren Gegenstromwärmetauscher und von Methan mit einer Siedetemperatur von 113 K (bei 1 bar) als erstes Gas für den inneren Gegenstromwärmetauscher an.

Für Flugkörper mit einem Infrarot-Detektor hat sich für die Kühlvorrichtung als besonders geeignete Gaskombination die Verwendung des Gases R14 (Tetrafluormethan) für den inneren Gegenstromwärmetauscher und des Gases Argon für den äußeren Gegenstromwärmetauscher herausgestellt. Es ist jedoch auch denkbar, für den inneren Gegenstromwärmetauscher das Gas Methan (CH4) und für den äußeren Gegenstromwärmetauscher die Gase Stickstoff oder Luft zu verwenden.

Wird die Kühlvorrichtung in Flugkörpern eingesetzt, ist es wichtig, dass das Gewicht, das der Flugkörper durch die Kühlvorrichtung und die Gasmengen, die während einer Flugkörpermission benötigt werden, mit sich führen muss, möglichst gering gehalten wird. Dies kann zum einen dadurch erreicht werden, dass der Durchfluss des ersten Gases für den inneren Gegenstromwärmetauscher abhängig von der Temperatur des abgekühlten zweiten Gases bis auf die Durchflussmenge Null reduzierbar ist. Ist nämlich das Gas des äußeren Gegenstromwärmetauschers bereits auf die gewünschte Temperatur abgekühlt, so kann es sich selber über seine Gegenstromkühlung auf dieser Temperatur halten, ohne dass dazu das Gas des inneren Gegenstromwärmetauschers weiter benötigt wird. Geschickterweise wird bereits vor Einsatz des Flugkörpers bzw. bereits bei der Entwicklung des Flugkörpers bestimmt, wie viel Mengen an Gas für den inneren und äußeren Gegenstromwärmetauscher benötigt werden und nicht mehr als nötig im Flugkörper mitgenommen. Praktischerweise werden auch die Kühlgasbehälter für die beiden Gase zum Betrieb der Kühlvorrichtung entsprechend klein dimensioniert und tragen dadurch zu einer Platzersparnis bei. Durch die Möglichkeit, dass das Gas für den inneren Gegenstromwärmetauscher auf die Durchflussmenge Null reduziert werden kann bzw. nach einer gewissen Betriebszeit endgültig aufgebraucht ist, wird gewährleistet, dass in dem Raum nach der Expansionsdüse des äußeren Gegenstromwärmetauschers kein Überfluss an flüssiger Phase und damit kein Temperaturstabilitätsproblem auftritt. Zwar erhöht sich dadurch die erforderliche Kühlleistung für das zweite Gas für den äußeren Gegenstromwärmetauscher, da aber nach der Abkühlphase für das zweite Gas sich die abzuführende Kühlleistung signifikant verringert, kann das zweite Gas die höhere Kühllast durch den Fortfall der Kühlleistung aus dem Kühlkreislauf mittels des ersten Gases problemlos übernehmen. Diese höhere Kühllast verhindert nämlich auch, wie bereits zuvor erwähnt, die Ausbildung eines Überflusses an flüssiger Phase des zweiten Gases im Raum nach der Expansionsdüse des äußeren Gegenstromwärmetauschers. Somit werden Temperaturstabilitätsprobleme durch flüssige Anteile des zweiten Gases im Rücklauf des äußeren Gegenstromwärmetauschers mit entsprechenden Temperatursprüngen weitgehend vermieden.

Generell muss bei den Räumen, die unterhalb der Expansionsdüsen der beiden Gegenstromwärmetauscher ausgebildet sind, auf eine entsprechende von verwendeter Kühlgaskombination, -volumina, -drücken und Einsatzdauer abhängige Dimensionierung hinsichtlich ihres Volumens geachtet werden. Diese sogenannten „Brüdenräume" müssen auch geometrisch darauf ausgelegt sein, dass sie zum einen für ein optimales Abkühlvermögen sorgen und zum anderen einen Überfluss an flüssiger Phase, die die Temperaturstabilität beeinträchtigt, verhindern. Insbesondere der Brüdenraum des inneren Gegenstromwärmetauschers zur Aufnahme des gasförmigen und fluiden Anteils muss geometrisch darauf ausgelegt sein, dass er zum einen für ein optimales Abkühlvermögen zum Detektor sorgt und zum anderen einen Rücklauf der flüssigen Phase in den äußeren Gegenstromwärmetauscher weitgehend vermeidet, da dies dort zu stark veränderlichen Gasdurchflüssen führen kann, die im Brüdenraum wiederum Druckveränderungen verursachen und damit längs der Siedepunktskurve des zweiten Gases zu Verdampfungspunkt- und Temperaturänderungen führen und damit die Temperaturstabilität des Detektors nachteilig beeinflussen.

Zweckmäßigerweise wird die Anzahl von Durchbrüchen in der Außenhülse durch eine regelmäßige Perforierung gebildet. Dadurch wird für eine besonders gute Durchmischung der beiden verwendeten Kühlgase gesorgt und damit eine kürzere Abkühlzeit und ein größeres Kühlvermögen erreicht. Der gemischte Gasrückfluss des ersten und des zweiten Gases wird direkt über die Anzahl und die Größe der durch die Perforierung gebildeten Löcher in der Außenhülse beeinflusst.

Sinnvollerweise wird die geometrische Auslegung der Perforierung in Abhängigkeit von der verwendeten Kühlgaskombination und der gewünschten Durchflussmenge gewählt.

Vorzugsweise ist an der Außenseite der Endplatte, die die Außenhülse abschließt, ein Detektor angeordnet. Die Endplatte besteht aus einem wärmeleitfähigen Material und ermöglicht dadurch einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem im Brüdenraum des äußeren Gegenstromwärmetauschers vorliegenden verflüssigten Gas und dem Detektor, ohne dass dieser dabei in direkten Kontakt mit dem verflüssigen Gas kommt. Über die thermisch leitfähige Wärmeplatte wird eine homogene Temperaturverteilung auf den ganzen Detektor erreicht. Dies gewährleistet einen fehlerfreien Betrieb des Detektors. Weiterhin wird dadurch vermieden, dass der Detektor eventuelle Schäden durch direkten Kontakt mit dem verflüssigten Gas davonträgt.

Sinnvollerweise ist das wärmeisolierende Gehäuse der Kühlvorrichtung so ausgestaltet, dass der Detektor frei nach vorne exponiert ist, also unter einem vorgegebenen Sichtwinkel „vorwärts schauen" kann. Bei dem wärmeisolierenden Gehäuse kann es sich um ein alles thermisch isolierendes Dewargefäß handeln, um die Kühlvorrichtung von der Umwelt thermisch zu isolieren.

Zweckmäßigerweise ist das wärmeisolierende Gehäuse der Kühlvorrichtung an seinem unteren Ende mit einem für den Detektor strahlungstransparenten Fenster abgeschlossen. Dadurch ergibt sich eine Kühlvorrichtung, die einen Betrieb eines fest integrierten Detektors innerhalb der Kühlvorrichtung ermöglicht. Über das Gehäuse mit dem Fenster ist der Detektor zudem vor Beschädigungen und äußeren Wärmeeinflüssen geschützt.

Weiter von Vorteil ist es, dass der Raum zwischen der Endplatte und dem Fenster evakuiert ist. Die Evakuierung bewirkt eine bessere thermische Isolation gegen thermische Einflüsse von außen. Da Vakuum ein schlechter Wärmeleiter ist, konzentriert sich die Kühlung auf den Detektor und wird nicht über diesen an die Umgebung abgegeben. Dadurch wird ein kaum von thermischem Rauschen beeinflusster, fehlerfreier Betrieb des Detektors gewährleistet. Die zu erbringende Kühlleistung der Kühlvorrichtung während des Abkühlvorgangs konzentriert sich nämlich dadurch auf die verbleibenden dissipativen Wege zum Detektor hin und auf die thermische Wämrekapazität des Detektors und seiner Befestigungen.

Weiter von Vorteil ist es, dass die Gegenstromwärmetauscher ein mit Rippen versehenes Rohr, um das Kunststofffäden gezogen sind, umfassen. Die Kunststofffäden dienen genau wie die Rippen zur weiteren Verbesserung des Wärmeübergangs durch Gasumlenkung. Die dadurch bedingte Verbesserung des Wärmeübergangs führt zu kürzeren Abkühlzeiten und damit zu einer schnelleren Einsatzbereitschaft des Detektors. Weiterhin kann damit das Kühlvermögen verbessert werden, indem niedrigere Temperaturen für das Gas des äußeren Gegenstromwärmetauschers erreicht werden. Dadurch wird auch ein Betrieb von Detektoren mit großer Fläche ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Figur der Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau einer Kühlvorrichtung mit einem inneren und einem äußeren Gegenstromwärmetauscher.

Die Kühlvorrichtung 10 besitzt einen inneren Gegenstromwärmetauscher 12 und einen äußeren Gegenstromwärmetauscher 14. Die beiden Gegenstromwärmetauscher 12, 14 sind in einem wärmeisolierenden Gehäuse 16 angeordnet. Der innere Gegenstromwärmetauscher 12, der äußere Gegenstromwärmetauscher 14 und das Gehäuse 16 liegen dabei konzentrisch zueinander. Der innere Gegenstromwärmetauscher 12 ist durch eine dünne, metallene Außenhülse 18 von dem äußeren Gegenstromwärmetauscher 14 räumlich getrennt.

Über einen Gasanschluss 20 fließt über eine Zuleitung 22 ein erstes Hochdruckgas aus einem nicht gezeigten Druckbehälter in den inneren Gegenstromwärmetauscher 12. Das erste Hochdruckgas fließt durch ein um eine thermisch schlecht leitfähige Innenhülse 24 wendelförmig angeordnetes Rohr 26 bis zu einer am Ende des Rohres 26 befindlichen Expansionsdüse 28. An der Expansionsdüse 28 wird das erste Hochdruckgas entspannt und kühlt hierdurch entsprechend seinem Joule-Thomson-Wärmekoeffizienten ab. Dadurch wird sukzessive der Vorlauf des ersten Hochdruckgases weiter abgekühlt bis sich nach der Expansionsdüse aus dem Hochdruckgas ein Fluid aus gasförmigen und flüssigen Anteilen bildet. Die flüssige Phase des abgekühlten Hochdruckgases sammelt sich in einem unterhalb der Expansionsdüse 28 befindlichen Brüdenraum 30, der durch eine in der Außenhülse befindliche Trennplatte 32 gebildet wird. Die dort bei der Siedetemperatur des ersten Hochdruckgases verdampfende Flüssigkeit strömt dann zusammen mit dem nicht verflüssigten gasförmigen Anteil als Gas im Gegenstrom um die Außenfläche des Rohres 26 und geht über einen Ausgang 34 ab. Hierdurch wird das Rohr 26 für den Vorlauf des ersten Hochdruckgases und damit das Hochdruckgas selbst durch die Kühlkapazität des ersten Hochdruckgases bis nahe zum Siedepunkt des ersten Hochdruckgases abgekühlt. Zur Verbesserung des Wärmeaustausches zwischen dem Gasvorlauf des ersten Hochdruckgases und dem Rücklauf des entspannten, abgekühlten ersten Hochdruckgases ist das Rohr 26 auf seiner Außenseite spiralförmig mit Rippen 36 versehen. Zusätzlich sind um die Außenseite des Rohres zur Verbesserung des Wärmeübergangs bzw. -austausches Kunststofffäden 37 gezogen. Die Kunststofffäden 37 führen im Rücklauf des entspannten, abgekühlten ersten Hochdruckgases zu einer turbulenten Strömung und erhöhen damit den Wärmeaustausch mit der Rohrwand und den Rippen.

Der äußere Gegenstromwärmetauscher 14 umfasst ebenfalls ein Rohr 38, das mit Rippen 40 und Kunststofffäden 41 an seiner Außenseite versehen ist. Das Rohr 38 des äußeren Gegenstromwärmetauschers 14 ist dabei bis auf die Höhe der Trennplatte 32 außen herum um die Außenhülse 18 wendelförmig gewickelt. Danach wird der äußere Gegenstromwärmetauscher 14 unterhalb der Trennplatte 32 innerhalb der Außenhülse 18 weitergeführt.

Der Bereich des äußeren Gegenstromwärmetauschers 14, der dabei innerhalb der Außenhülse 18 verläuft, ist so wie der innere Gegenstromwärmetauscher 12 um eine thermisch schlecht leitfähige Innenhülse 42 gewickelt. Das Rohr 38 des äußeren Gegenstromwärmetauschers 14 endet ebenfalls in einer Expansionsdüse 44. Unterhalb der Expansionsdüse ist eine Endplatte 46 angeordnet, die die Außenhülse 18 abschließt. Dadurch wird für das zweite Hochdruckgas für den äußeren Gegenstromwärmetauscher 14 ein Brüdenraum 48 gebildet.

Das zweite Hochdruckgas für den äußeren Gegenstromwärmetauscher 14 strömt über einen Gasanschluss 49 aus einem nicht gezeigten Druckbehälter über eine Zuleitung 50 in den äußeren Gegenstromwärmetauscher 14. Das zweite Hochdruckgas für den äußeren Gegenstromwärmetauscher 14 strömt dann durch das Rohr 38 und wird am Ende des Rohres 38 an der Expansionsdüse 44 entspannt und dadurch entsprechend seinem Joule-Thomson-Koeffizienten abgekühlt. Die flüssige Phase des zweiten Hochdruckgases sammelt sich am Boden des Brüdenraums 48 und dient dort über seine Verdampfungsenthalpie zur Abkühlung des Detektors, wobei es sich bei seinem Siedepunkt wieder in die Gasphase wandelt, d. h. verdampft. Von dort strömt das abgekühlte zweite Hochdruckgas an den Außenflächen des Rohres 38 im Gegenstrom entlang und geht über den Ausgang 34 ab.

Dadurch, dass die Außenhülse 18 eine regelmäßige Perforierung 52 in dem Bereich aufweist, in dem der innere Gegenstromwärmetauscher 12 von dem äußeren Gegenstromwärmetauscher 14 umgeben ist, tritt über die Außenhülse 18 ein Teil des abgekühlten ersten Hochdruckgases des inneren Gegenstromwärmetauschers 12 in den Außenbereich des äußeren Gegenstromwärmetauschers 14 aus. Dadurch kommt es zu einer beseren und schnelleren Kühlung des Vorlaufes des zweiten Hochdruckgases für den äußeren Gegenstromwärmetauscher 14 durch das gegenströmende zweite Hochdruckgas und einen Teil des gegenströmenden ersten Hochdruckgases des inneren Gegenstromwärmetauschers 12. Dadurch bildet sich in diesem Bereich ein mengenmäßig größeres Gasgemisch im Gegenstrom des äußeren Gegenstromwärmetauschers 14 aus den beiden Hochdruckgasen aus, das für eine besonders effektive Kühlung des Vorlaufes des zweiten Hochdruckgases sorgt. Aus dem Brüdenraum 48 wird ab dem Siedepunkt des zweiten Hochdruckgases dessen Vorlauf durch das eigene, expandierte Gas aus der Expansionsdüse 44 bis in den Bereich des Gegenstromwärmetauschers 14, ab dem der Bereich des inneren Gegenstromwärmetauschers 12 mit der perforierten Außenhülle beginnt, vorgekühlt. Ab diesem Bereich wird der äußere Gegenstromwärmetauscher 14 durch das Gasgemisch aus den beiden expandierten, abgekühlten Hochdruckgasen gekühlt. Ab der Trennplatte 32 wird durch den zusätzlichen Gasteilstrom des ersten Hochdruckgases aus der Expansionsdüse 28 bei dessen Siedetemperatur der Vorlauf des zweiten Hochdruckgases im äußeren Gegenstromwärmetauscher 14 durch diesen höheren Gesamtgasdurchsatz besonders intensiv und damit schnell heruntergekühlt. Dadurch erreicht man ein sehr schnelles Abkühlen des zweiten Hochdruckgases für die Detektorkühlung.

Bei der Endplatte 46, die die Außenhülse 18 abschließt, handelt es sich um ein gut wärmeleitfähiges Material. An dieser Endplatte 46 ist auf der Außenseite ein Detektor 52 angeordnet. Über das wärmeleitfähige Material der Endplatte 46 steht der Detektor 52 in direktem Wärmeaustausch mit der im Brüdenraum 48 gesammelten flüssigen Phase des zweiten Hochdruckgases des äußeren Gegenstromwärmetauschers 14.

Das wärmeisolierende Gehäuse 16 der Kühlvorrichtung 10 ist an seiner Bodenfläche mit einem strahlungstransparenten Fenster 54 abgeschlossen. Das Fenster 54 ist so angeordnet, dass es sich parallel mit einem gewissen Abstand gegenüber dem Detektor 52 befindet und es diesem ermöglicht, ein möglichst großes Gesichtsfeld zu erfassen. Der durch das wärmeisolierende Gehäuse 16, das Fenster 54 und die Endplatte 46 gebildete Raum 56 ist evakuiert, um einen Wärmeaustausch zwischen Detektor 52 und Umgebung zu unterbinden.

10Kühlvorrichtung 12innerer Gegenstromwärmetauscher 14äußerer Gegenstromwärmetauscher 16wärmeisolierendes Gehäuse 18Außenhülse 20Gasanschluss 22Zuleitung 24Innenhülse 26Rohr 28Expansionsdüse 30Brüdenraum 32Trennplatte 34Ausgang 36Rippen 37Kunststofffäden 38Rohr 40Rippen 41Kunststofffäden 42Innenhülse 44Expansionsdüse 46Endplatte 48Brüdenraum 49Gasanschluss 50Zuleitung 51Perforierung 52Detektor 54Fenster 56Raum

Anspruch[de]
  1. Kühlvorrichtung (10) zur Kühlung eines Detektors (52) enthaltend einen inneren und einen äußeren Gegenstromwärmetauscher (12 bzw. 14) für ein erstes bzw. ein zweites Gas in einem wärmeisolierenden Gehäuse (16), wobei der innere Gegenstromwärmetauscher (12) innerhalb einer Teillänge des äußeren Gegenstromwärmetauschers (14) angeordnet ist und der innere Gegenstromwärmetauscher (12) durch eine Außenhülse (18) von dem äußeren Gegenstromwärmetauscher (14) räumlich getrennt ist,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    a) die Außenhülse (18) eine Trennplatte (32) zwischen einer am Ende des inneren Gegenstromwärmetauschers (12) befindlichen Expansionsdüse (28) für das erste Gas und dem übrigen Teil des äußeren Gegenstromwärmetauschers (14) aufweist,

    b) der übrige Teil des äußeren Gegenstromwärmetauschers (14), der über den inneren Gegenstromwärmetauscher (12) hinausragt, innerhalb der Außenhülse (18) angeordnet ist,

    c) die Außenhülse (18) unterhalb einer am Ende des äußeren Gegenstromwärmetauschers (14) befindlichen Expansionsdüse (44) für das zweite Gas durch eine Endplatte (46) abgeschlossen ist,

    d) die Außenhülse (18) in dem Bereich, in dem sie von dem äußeren Gegenstromwärmetauscher (14) umgeben ist, eine Anzahl von Durchbrüchen aufweist.
  2. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Durchbrüchen durch eine regelmäßige Perforierung (51) gebildet ist.
  3. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite der Endplatte (46) ein Detektor (52) angeordnet ist.
  4. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeisolierende Gehäuse (16) an seinem unteren Ende mit einem für den Detektor (52) strahlungstransparenten Fenster (54) abgeschlossen ist.
  5. Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (56) zwischen der Endplatte (46) und dem Fenster (54) evakuiert ist.
  6. Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstromwärmetauscher (12, 14) ein mit Rippen (36, 40) versehenes Rohr (26, 38), um das Kunststofffäden (37, 41) gezogen sind, umfassen.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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