DE102011006165B4

DE102011006165B4 - Kühlvorrichtung mit einstellbarer Verdampfungstemperatur

Info

Publication number: DE102011006165B4
Application number: DE102011006165.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Mayer; Franco Sestito
Original assignee: Bruker Biospin SAS
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: US20120240609A1; GB201204718D0; GB2489564A; GB2489564B; DE102011006165A1

Abstract

Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Messprobe, mit mindestens zwei Kühlkaskadenstufen, welche jeweils mindestens eine Kältemittelleitung, einen Verdichter (1.1, 2.1), eine Entspanndrossel (1.4, 2.4), einen Verdampfer (6, 7) und einen Verflüssiger (3, 6) umfassen, wobei zwischen dem Verdampfer (7) der letzten Kühlkaskadenstufe und dem Verdichter (2.1) der letzten Kühlkaskadenstufe eine zusätzliche Entspanndrossel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Entspanndrossel zweistufig als Parallelanordnung von einem Bypassventil (2.7) und einer invariablen Entspanndrossel (2.6) ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Messprobe, mit mindestens zwei Kühlkaskadenstufen, welche jeweils mindestens eine Kältemittelleitung, einen Verdichter, eine Entspanndrossel, einen Verdampfer und einen Verflüssiger umfassen, wobei zwischen dem Verdampfer der letzten Kühlkaskadenstufe und dem Verdichter der letzten Kühlkaskadenstufe eine zusätzliche Entspanndrossel angeordnet ist.
Eine Kühlvorrichtung mit diesen körperlichen Merkmalen ist aus US 5,669,234 A bekannt.
Vorrichtungen, die ähnliche Eigenschaften aufweisen, sind etwa der NMR90 der Firma Millrock Technology, Kingston, NY, USA, der ULSP90 der Firma ULSP bv, Ede, NL und der FTS XR Air Jet der Firma RototecSpintec GmbH, Biebesheim, D.
Bei verschiedenen Analyseverfahren ist es notwendig, die zu analysierenden Proben zu kühlen. In ausgewählten Fällen, wie der Magnetischen Kernresonanzspektroskopie oder der Röntgenkristallographie, geschieht dies häufig dadurch, dass die Probe in einen kalten Gasstrom (Kühlgas), vorzugsweise Stickstoff oder Helium gebracht wird.
Dieser kalte Gasstrom kann beispielsweise durch Verdampfen von Flüssiggasen oder durch Kühlen eines warmen Gases mittels in Flüssiggas getauchten Wärmetauschern realisiert werden. Dabei muss jedoch eine aufwändige Logistik zur Beschaffung oder Erzeugung sowie zur Lagerung dieser Flüssiggase betrieben werden.
Alternativ dazu kann die Abkühlung des warmen Gases auch mittels Kältemittelkreisprozess durchgeführt werden. Dabei wird in einem Kreisprozess ein geeignetes Kältemittel in einem Verdichter auf einen höheren Druck gebracht und dadurch erhitzt, in einem Wärmetauscher unter Abgabe von Wärme unter die beim erzielten Druck herrschende Verflüssigungstemperatur gekühlt (enthitzt) und unter Abgabe weiterer Wärme verflüssigt, durch eine geeignete Drossel auf einen tieferen Druck entspannt und in einem zweiten Wärmetauscher unter Aufnahme von Wärme aus dem zu kühlenden Gas auf der tiefen Verdampfungstemperatur wieder verdampft.
Zur Einstellung der gewünschten Kühltemperatur sind Anordnungen von Kältemittelkreisprozessen mit einstellbarem Verdampfungsdruck mit verstellbarer Drossel zwischen dem ersten (Kältemittelverflüssiger) und zweiten Wärmetauscher (Kältemittelverdampfer) bekannt. Technisch aufwändig ist diese Anordnung dann, wenn der zu variierende Kreisprozess in einer Kaskade von Kreisprozessen bereits mit einer sehr tiefen Verflüssigungstemperatur arbeitet und damit diese einstellbare Drossel ebenfalls sehr kalt wird.
Deshalb wird derzeit weitgehend auf eine Einstellung der gewünschten Kühltemperatur verzichtet. Beispielsweise gilt dies für die Geräte der Firmen Bruker (Typ „BCU-X”), ULSP Typ „90 Immersion Probe Cooler” und Milrock Typ „NMR90 sample cooler”. Alternativ wird der auf eine fest eingestellte Temperatur gekühlte Gasstrom mit einer eingebauten Heizung auf eine gewünschte, höhere Temperatur erwärmt. Ein Beispiel dafür sind die Geräte der Firma RototecSpintec FTS „XR Air-Jet Cooler”.
Bei der Kühlvorrichtung gemäß US 5,669,234 A wird das verdampfte Kältemittel nach dem zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) ein weiteres Mal entspannt. Dadurch teilt sich die gesamte Entspannung zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite des Verdichters auf zwei Teilentspannungen auf, wobei der dazwischen entstehende Druck im Verdampfer durch die verstellbare Drossel der zweiten Teilentspannung beeinflusst wird. Die Verdampfung des Kältemittels erfolgt unter Erbringung der gewünschten Kühlleistung im zweiten Wärmetauscher, welcher zwischen den beiden Drosseln liegt, bei der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei diesem beeinflussbaren Druck und somit ist die Kühltemperatur ebenfalls beeinflussbar.
Im Gegensatz zum den üblicherweise verwendeten Verfahren, wird so vermieden, dass die Drossel selber einstellbar sein muss, was bei einem zu variierende Kreisprozess in einer Kaskade von Kreisprozessen mit einer sehr tiefen Verflüssigungstemperatur und damit tiefer Drossel-Temperatur nur unter großem technischem Aufwand möglich wäre.
Ein weiterer Vorteil dieser speziellen Kühlvorrichtung ergibt sich daraus, dass bei höherer gewünschter Temperatur und damit höherem gewünschtem Verdampfungsdruck im zweiten Wärmetauscher durch die dazu notwendige stärkere Entspannung an der zweiten Drossel ein tieferer Saugdruck im Verdichter resultiert, was in diesem zu geringerer Leistungsaufnahme führt. Demgegenüber würde eine kalt verstellbare Drossel zwischen erstem und zweitem Wärmetauscher beim Einstellen einer höheren Verdampfungstemperatur und damit einem geringerem Kühlleistungsbedarf einen höheren Saugdruck und damit eine größere Leistungsaufnahme des Verdichters bewirken.
Damit lässt sich eine einfache Möglichkeit zur Einstellbarkeit der Kühltemperatur schaffen, wobei auf kalt zu verstellende Ventile verzichtet werden kann, da diese aufwendig und teuer sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, mit einfachen und kostengünstigen Mitteln bei der aus US 5,669,234 A bekannten, speziellen Kühlvorrichtung eine variable Entspanndrossel zu schaffen.
Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache und dennoch wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass die zusätzliche Entspanndrossel zweistufig als Parallelanordnung von einem Bypassventil und einer invariablen Entspanndrossel ausgeführt ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer der letzten Kühlkaskadenstufe als Wärmetauscher ausgeführt ist, dass ein Kühlgas durch einen Gaseintritt in den Wärmetauscher eintritt, Wärme abgibt und durch einen Gasaustritt aus dem Wärmetauscher wieder austritt, und dass das abgekühlte Kühlgas zur Messprobe geleitet wird, um diese zu kühlen. Durch diesen Aufbau ist der Wärmetauscher gleichzeitig Transferlinie für das Kühlgas und die Vorrichtung kann einfach und platzsparend ausgeführt werden.
Die Vorteile der Erfindung kommen besonders gut zur Geltung, wenn die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur der magnetischen Kernresonanzspektroskopie ist, da hier der gekühlte Gasstrom auf die gewünschte Temperatur geheizt wird und für höhere Temperaturen weniger gekühlt und damit auch weniger geheizt werden muss, was die Regelung vereinfacht.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann alternativ dazu auch Teil einer Apparatur der Röntgenspektroskopie ist. Speziell bei der Röntgenkristallographie müssen die Messproben oft gekühlt werden.
Alternativ ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auch vorteilhaft, wenn sie Teil einer Apparatur der EPR ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschliessende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung.
Die in 1 beispielhaft gezeigte erfindungsgemässe Kühlvorrichtung beinhaltet eine erste Kühlkaskadenstufe mit Verdichter 1.1, Sicherheitsdruckschalter 1.2, Filter 1.3, Entspanndrossel 1.4, und Druckausgleichsgefäss 1.5 sowie eine zweite Kühlkaskadenstufe mit Verdichter 2.1, Sicherheitsdruckschalter 2.2, Filter 2.3, Entspanndrossel 2.4, und Druckausgleichsgefäss 2.5.
Beispielsweise ein kombinierter Luft-Wärmetauscher mit Gebläse 5 dient als Verflüssiger 3 für die erste Kühlkaskadenstufe und als Enthitzer 4 für die zweite Kühlkaskadenstufe.
Ein Wärmetauscher 6 dient als Verdampfer für die erste Kühlkaskadenstufe und als Verflüssiger für die zweite Kühlkaskadenstufe.
Ein Verdampfer (Wärmetauscher) 7, beispielhaft dargestellt als Transferline des Kühlgases, dient als Verdampfer für die zweite Kühlkaskadenstufe zur Erbringung der gewünschten Kälteleistung, in dem das Kühlgas von Eintritt 7.1 zum Austritt 7.2 geführt wird.
Die erfindungsgemässe Einstellung der gewünschten Temperatur durch die Veränderung des Verdampfungsdruckes des Kältemittels in der hier beispielhaft dargestellten zweiten Stufe einer Kühlkaskade erfolgt durch eine variable Drossel auf dem Rückweg des Kältemittels vom Verdampfer 7 zum Einritt in den Verdichter 2.1. Dargestellt ist diese variable Drossel in 1 beispielhaft durch eine invariable Entspanndrossel 2.6 und einem Bypassventil 2.7 zur Umgehung dieser Drossel. Damit resultiert bei offenem Bypassventil 2.7 ein tieferer Entspanndruck und bei geschlossenem Bypassventil ein höherer Entspanndruck im Verdampfer 7 und damit eine tiefere oder eine höhere Verdampfungstemperatur.
Obwohl hier die Erfindung an einer Kühlvorrichtung nach dem Prinzip der Kompressionskältemaschine mit zweistufiger Kühlkaskade dargestellt wurde, ist die Einstellbarkeit der Verdampfungstemperatur durch eine variable Drossel zwischen dem Kältemittelverdampfer und dem Verdichtereingang auch bei einstufigen Kühlvorrichtungen nach diesem Prinzip genau so möglich wie auch bei Kühlkaskaden mit mehr als zwei Stufen.
Bezugszeichenliste

1.1: Verdichter der ersten Kühlkaskadenstufe
1.2: Sicherheitsdruckschalter derselben
1.3: Filter derselben
1.4: Entspanndrossel derselben
1.5: Ausgleichsgefäss derselben
2.1: Verdichter der zweiten Kühlkaskadenstufe
2.2: Sicherheitsdruckschalter derselben
2.3: Filter derselben
2.4: Entspanndrossel derselben
2.5: Ausgleichsgefäss derselben
2.6: Entspanndrossel zur Einstellung eines höheren Verdampfungsdruckes der zweiten Kühlkaskadenstufe
2.7: Bypassventil zum Umgehung der Entspanndrossel 2.6 zur Einstellung eines tieferen Verdampfungsdruckes der zweiten Kühlkaskadenstufe
3: Verflüssiger der ersten Kühlkaskadenstufe
4: Enthitzer der zweiten Kühlkaskadenstufe
5: Ventilator für Verflüssiger 3 und Enthitzer 4
6: Wärmetauscher als Verdampfer der ersten und Verflüssiger der zweiten Kühlkaskadenstufe
7: Wärmetauscher als Verdampfer der zweiten Kühlkaskadenstufe zur Erbringung der Kühlleistung durch Abkühlen eines Gases
7.1: Eintritt des zu kühlenden Gases
7.2: Austritt des gekühlten Gases

Claims

Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Messprobe, mit mindestens zwei Kühlkaskadenstufen, welche jeweils mindestens eine Kältemittelleitung, einen Verdichter (1.1, 2.1), eine Entspanndrossel (1.4, 2.4), einen Verdampfer (6, 7) und einen Verflüssiger (3, 6) umfassen, wobei zwischen dem Verdampfer (7) der letzten Kühlkaskadenstufe und dem Verdichter (2.1) der letzten Kühlkaskadenstufe eine zusätzliche Entspanndrossel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Entspanndrossel zweistufig als Parallelanordnung von einem Bypassventil (2.7) und einer invariablen Entspanndrossel (2.6) ausgeführt ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (7) der letzten Kühlkaskadenstufe als Wärmetauscher ausgeführt ist, dass ein Kühlgas durch einen Gaseintritt (7.1) in den Wärmetauscher eintritt, Wärme abgibt und durch einen Gasaustritt (7.2) aus dem Wärmetauscher wieder austritt, und dass das abgekühlte Kühlgas zur Messprobe geleitet wird, um diese zu kühlen.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur der magnetischen Kernresonanzspektroskopie ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur der Röntgenspektroskopie ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung Teil einer Apparatur der EPR ist.