Gegenstromwärmeaustauscher

Abstract

 Gegenstromwärmeaustauscher (1) einer Gaskältemaschine, bei dem an der Außenseite einer Trennwand des Gegenstromwärmeaustauschers (1), die ein einströmendes Gas und ein rückströmendes Gas mit unter­schiedlicher Temperatur trennt, Metallrippen (6) angeordnet sind.

Die Metallrippen sind derart unterschiedlich schräg gegeneinander angestellt, daß die Strömung des rückströmenden kälteren Gases turbulent verläuft.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Gegenstromwärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Gegenstromwärmeaustauscher, im folgenden abkürzend als Wärmetauscher bezeichnet, spielen eine wichtige Rolle bei vielen Kühlvorrichtungen, bei der Gasverflüssigung und bei der Gasreinigung.
Aufgabe eines Wärmetauschers ist es, Wärme von einem strömenden Medium (Gas, Flüssigkeit) auf ein anderes zu übertragen, ohne daß sich die Stoffe dabei vermischen. Man erreicht dieses Vorhaben entweder durch gut wärme­leitende Trennwände oder mit Hilfe wärmespeichender Massen Die Erfindung bezieht sich dabei auf die erst­genannten Trennwand-Wärmetauscher, bei denen ein Gas das strömende Medium bildet.

[0003] Damit der Wärmetauscher effizient mit hohem Wirkungs­grad arbeitet, muß ein guter Wärmekontakt zwischen dem warmen und dem kalten Medium über die Trennwand gegeben sein. Der Wirkungsgrad kann einerseits durch eine Ver­größerung der Kontaktfläche und andererseits durch eine Erhöhung der sehr geringen Wärmeübergangszahl zwischen der Trennwand und dem strömenden Gas verbessert werden.

[0004] Zur Vergrößerung der Kontaktfläche werden der Trennwand, die meist als Metallrohr ausgebildet ist, parallel ste­hende Rippen aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähig­keit, beispielsweise Kupfer, aufgelötet.
Die Wärmeübergangszahl kann ungefähr um den Faktor 4 gesteigert werden, wenn die Strömung des kalten Gases an der Außenseite des Rohrs nicht mehr laminar, sondern turbulent verläuft. Dies wird meist dadurch erreicht, daß zwischen den Metallrippen dünne Nylonfäden oder Turbulenzdrähte angebracht werden, die ein Abreißen der laminaren Strömung bewirken. Dies erfordert jedoch ei­nen zusätzlichen Fertigungsschritt beim Herstellungs­prozeß des Wärmetauschers, zudem sind die benötigten dünnen Drähte nur sehr schwierig herzustellen.

[0005] Eine Erhöhung der Wärmeübergangszahl zwischen Metall­rohr und strömendem Medium und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Kühlvorrichtung wird nach der Erfindung ohne zusätzliche Hilfsmittel dadurch erreicht, daß die Metallrippen derart unterschiedlich schräg ge­geneinander angestellt sind, daß die Strömung des rück­strömenden Gases turbulent verläuft.
Bei gleicher Abmessung des Wärmetauschers führt dies zu wesentlich kürzeren Abkühlzeiten bzw. bei gleicher Ab­kühlzeit kann die Abmessung der Kühlvorrichtung oder die Zahl der Kühlrippen verringert werden.

[0006] Anhand der Figuren 1, 2a und 2b soll nun, am Beispiel eines Joule-Thomson-Kühlers, das Kühlprinzip mit Hilfe des Wärmetauschers sowie die erfindungsgemäße Verbes­serung des Wärmetauschers erläutert werden.

Figur 1 zeigt im Längsschnitt den schematischen Aufbau des Joule-Thomson-Kühlers.

Die Figuren 2a und 2b zeigen Ausschnitte vom Joule-­Thomson-Kühlermantel mit dem Strömungsverlauf des kal­ten Gases, wobei Figur 2a den Stand der Technik wieder­gibt und Figur 2b die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeigt.

[0007] In Figur 1 ist der Strömungsverlauf des zu kühlenden Gases in einem Joule-Thomson-Kühler 1 dargestellt. Die­ses Gas, meist Stickstoff oder Argon, strömt mit hohem Druck, beispielsweise 100 - 300 bar, aus der Zuleitung 4a eines Hochdruckgasspeichers 4 entlang eines Edel­stahl-Hochdruckrohrs 5, das hier als Trennwand des Wär­metauschers dient; das Hochdruckrohr 5 ist üblicherwei­se spiralförmig auf einen meist aus einem dünnwandigen Metallrohr bestehenden Trägerkörper 3 aufgelötet. In einer Expansionsdüse 9 expandiert das hoch verdichtete Gas 7 adiabatisch (Drosselentspannung); dies führt zu einer Temperaturabsenkung. Das entspannte kalte Gas 8 strömt an der Außenseite des Rohrs 5 zwischen dem Dewar­gefäß 2, das zur Wärmeisolation dient, entlang der Me­tallrippen 6 am zu kühlenden Objekt 3a vorbei, das sich zusammen mit dem Joule-Thomson-Kühler 1 im Dewargefäß 3 befindet, nach unten, bevor es aus dem Joule-Thomson-­Kühler 1 austritt.
Der Betrag der Abkühlung ist von der Gasart und von der Druckdifferenz der Gase 7 und 8 abhängig.
Da durch das rückströmende kalte Gas 8 das einströmende warme Gas 7 vorgekühlt wird, ist durch sukzessives Fort­führen der Prozeßschritte Drosselentspannung und Wärme­austausch eine weitere Temperaturabsenkung des Gases bis hin zur Verflüssigung möglich, wodurch eine effek­tive Kühlung des Objekts 3a erreicht wird. Bei Stick­stoff beispielsweise beträgt diese Verflüssigungstem­peratur 77 K. Das Objekt 3a ist beispielsweise ein Glas-­ Hohlzylinder, der als Kühlfinger für ein nicht darge­stelltes CdHgTe-Infrarot-Detektorelement dient, das sich an der Stirnfläche des Joule-Thomson-Kühlers be­findet.

[0008] Figur 2a zeigt die Anordnung der Metallrippen 6 auf dem Hochdruckrohr 5 nach dem Stand der Technik. Die Metall­rippen 6 werden alle parallel zueinander in Richtung der Mantellinien 11 auf das Hochdruckrohr aufgelötet. Die Strömungsrichtung des entspannten kalten Gases zwi­schen den Metallrippen 6 verläuft in etwa parallel zur Zylinderachse bzw. zu den Mantellinien 11; man erhält eine laminare Gasströmung 10a.

[0009] In Figur 2b ist die erfindungsgemäße Anordnung der Me­tallrippen 6 gezeigt; die Rippen 6 sind unterschiedlich schräg gegeneinander angestellt, ihr lateraler Abstand entspricht vorzugsweise der Rippendicke.
Dadurch wird eine Verwirbelung des rückströmenden Gas­stroms erreicht; die Strömung 10b verläuft somit nicht mehr parallel zu den Mantellinien 11 und wird turbu­lent. Als Material für die Rippen 6 wird vorzugsweise ein Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Löt­barkeit, beispielsweise Kupfer, verwendet.

[0010] In einem Ausführungsbeispiel verlaufen auf dem metal­lischen Trägerkörper, der einen Durchmesser von 5 mm und eine Länge von 10 cm besitzt, 15 Windungen des Hoch­druckrohrs. Pro Windung sind 150 Metallrippen ange­bracht, die Höhe der Metallrippen beträgt 2 mm. Die Metallrippen sind 100 µm dick, ihr lateraler Abstand ist ebenfalls 100 µm. Die Metallrippen sind in einem Winkel von + 30° bis zu - 30° in bezug auf die Mantel­linie des Trägerkörpers angestellt.

[0011] In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungs­form, ist der Kühlkreislauf geschlossen, d. h. das rück­strömende kalte Gas geht nach dem Durchlaufen des Wärme­tauschers nicht verloren, sondern wird durch einen Kom­pressor erneut verdichtet.

[0012] Wegen ihres einfachen Funktionsprinzips, wegen ihrer guten Miniaturisierungsmöglichkeiten und da sie keine beweglichen Teile enthalten und somit keine Vibrationen verursachen, werden Joule-Thomson-Kühler zur Gasverflüs­sigung aber auch zur Kühlung von elektronischen Bauele­menten eingesetzt.

[0013] Auch bei allen sonstigen Verwendungsmöglichkeiten einer Gaskältemaschine kann der Wirkungsgrad des Wärmetau­schers gemäß der erfinderischen Maßnahme verbessert werden.

Ansprüche

1) Gegenstromwärmeaustauscher einer Gaskältemaschine (1), wobei an der Außenseite einer Trennwand (5) des Gegenstromwärmeaustauschers, die ein einströmendes Gas (7) und ein rückströmendes Gas (8) mit unterschiedlicher Temperatur trennt, Metallrippen (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallrippen (6) derart unterschiedlich schräg gegeneinander angestellt sind, daß die Strömung des rückströmenden Gases (8) turbulent (10b) verläuft.

2) Verwendung eines Gegenstromwärmeaustauschers nach Anspruch 1 in einem Joule-Thomson-Kühler zur Kühlung von elektronischen Bauelementen.

3) Verwendung eines Gegenstromwärmeaustauschers nach Anspruch 1 in einer Gasverflüssigungsmaschine.

Zeichnung