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DE19755484A1 - Method for cold generation in temperature range 50.1- 63 K - Google Patents

Method for cold generation in temperature range 50.1- 63 K

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Publication number
DE19755484A1
DE19755484A1 DE1997155484 DE19755484A DE19755484A1 DE 19755484 A1 DE19755484 A1 DE 19755484A1 DE 1997155484 DE1997155484 DE 1997155484 DE 19755484 A DE19755484 A DE 19755484A DE 19755484 A1 DE19755484 A1 DE 19755484A1
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DE
Germany
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refrigerant
mixture
refrigerant mixture
cooling
evaporator
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Withdrawn
Application number
DE1997155484
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German (de)
Inventor
Alexander Dipl Ing Alexeev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
Priority to DE1997155484 priority Critical patent/DE19755484A1/en
Publication of DE19755484A1 publication Critical patent/DE19755484A1/en
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Abstract

The method involves using a coolant mixture made of the low boiling-point gases oxygen and nitrogen. The molecular proportion of nitrogen is 20-24%. The liquid coolant mixture is evaporated below atmospheric pressure in a circuit, then compressed, pre-cooled and expanded. The pre-cooling of the coolant mixture takes place at temperatures below 100 K. For the pre-cooling, a low-boiling point liquid is used, preferably liquid nitrogen. The compressed and pre-cooled coolant mixture cools down cold coolant vapor coming out of the evaporator and is then subjected to throttling. An Independent claim is given for a device for carrying out the method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 Kelvin nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The present invention relates to a method for cooling in the temperature range from 50.1 to 63 Kelvin according to the preamble of claim 1 and a device for Performing this procedure.

Temperaturen im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 Kelvin werden beispielsweise für die Ein­ satzgebiete der Hochtemperatur-Supraleitung benötigt.Temperatures in the temperature range from 50.1 to 63 Kelvin are, for example, for the Ein fields of application of high-temperature superconductivity.

Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, um im Temperaturbereich unterhalb von 77,4 Kelvin Kälte zu erzeugen. Eine Möglichkeit besteht darin, unterhalb des Atmosphären­ druckes flüssigen Stickstoff (N2) verdampfen zu lassen. Dieser diskontinuierliche, aber relativ ökonomische Verschleißprozeß zur Erzeugung tiefer Temperaturen soll anhand des Fließbildes in Fig. 2 erläutert werden.Methods are known in the prior art for generating cold in the temperature range below 77.4 Kelvin. One possibility is to let liquid nitrogen (N 2 ) evaporate below atmospheric pressure. This discontinuous but relatively economical wear process for the generation of low temperatures will be explained using the flow diagram in FIG. 2.

Der flüssige Stickstoff mit einer Normalsiedetemperatur von 77,4 K befindet sich in einem Kryostat 2 und siedet unter Aufnahme der Kälteleistung 0. Der entstehende Dampf wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe 1 abgepumpt, so daß der Dampfdruck im Kryostat 2 kleiner als der Atmosphärendruck ist. Die erreichbare Kühltemperatur ist von der Siedetemperatur des Stick­ stoffs abhängig und diese wird durch den Dampfdruck bestimmt.The liquid nitrogen with a normal boiling temperature of 77.4 K is in a cryostat 2 and boils while absorbing the cooling capacity 0 . The steam produced is pumped off with the aid of a vacuum pump 1 , so that the steam pressure in the cryostat 2 is lower than the atmospheric pressure. The achievable cooling temperature depends on the boiling point of the nitrogen and this is determined by the vapor pressure.

Die untere Einsatzgrenze dieses Verfahrens ist durch die Erstarrungs- bzw. Tripeltemperatur Ttr, des Stickstoffs gegeben und bestimmt dadurch nachteilig die minimale erreichbare Kühltem­ peratur T0 von T0 < Ttr = 63,3 K.The lower limit of use of this process is given by the solidification or triple temperature T tr , of nitrogen and thereby disadvantageously determines the minimum achievable cooling temperature T 0 of T 0 <T tr = 63.3 K.

Eine Modifikation des vorangehend beschriebenen Verschleißprozesses stellt folgender Prozeß dar, mit welchem Temperaturen unterhalb von 63,3 K erreicht werden können. An Stelle des Stickstoffs werden dazu Gemische aus Stickstoff N2 und Sauerstoff O2, als Kältemittel verwen­ det. Der Tripelpunkt Ttr dieser Gemische liegt unter dem Tripelpunkt des Stickstoffs. So friert z. B. eine eutektische Mischung von Stickstoff N2 (22%) und Sauerstoff O2 (78%) erst bei der Temperatur Ttr=50,1 K aus. Dieser Effekt wird in Ruhemann, B., Ruhemann, M., Low Tem­ perature Physics, Cambridge University Press, UK, (1937), 98-101 beschrieben.A modification of the wear process described above is represented by the following process, with which temperatures below 63.3 K can be reached. Instead of nitrogen, mixtures of nitrogen N 2 and oxygen O 2 are used as the refrigerant. The triple point T tr of these mixtures is below the triple point of the nitrogen. So freezes z. B. a eutectic mixture of nitrogen N 2 (22%) and oxygen O 2 (78%) only at the temperature T tr = 50.1 K. This effect is described in Ruhemann, B., Ruhemann, M., Low Temperature Physics, Cambridge University Press, UK, (1937), 98-101.

Die Gemische verhalten sich dabei anders als reine Stoffe. Wie bekannt unterscheiden sich Dampf und Flüssigkeitszusammensetzung eines nichtazeotropes Gemisches in zweiphasigem Zustand so, daß der Anteil der tiefsiedenden Komponente im Dampf höher ist als ihr Anteil in der Gesamtzusammensetzung und dieser wiederum höher ist als der Anteil der tiefersiedenden Komponente in der Flüssigkeit.The mixtures behave differently than pure substances. As is known, differ Vapor and liquid composition of a non-azeotropic mixture in two phases Condition such that the proportion of the low-boiling component in the steam is higher than its proportion in of the total composition and this in turn is higher than the proportion of lower-boiling ones Component in the liquid.

So ist z. B. bei einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch (N2-O2-Gemisch) die Konzentration des Stickstoffs im Dampf größer als seine Gesamtkonzentration.So z. B. in a nitrogen-oxygen mixture (N 2 -O 2 mixture), the concentration of nitrogen in the vapor is greater than its total concentration.

Das ist darauf zurückzuführen, daß beim Abpumpen des Dampfgemischs ein größerer Anteil der tiefsiedenden Komponente abgesaugt wird und sich somit die Gesamtzusammensetzung des Gemisches zu Gunsten der hochsiedenden Komponente verschiebt.This is due to the fact that a large proportion of the steam mixture is pumped out the low-boiling component is suctioned off and thus the overall composition shifts the mixture in favor of the high-boiling component.

Deshalb verschiebt sich beim Abpumpen eines zweiphasigen N2-O2-Gemisches die Gesamtzu­ sammensetzung des Kältemittelgemischs zu Gunsten des Sauerstoffs.Therefore, when pumping out a two-phase N 2 -O 2 mixture, the overall composition of the refrigerant mixture shifts in favor of oxygen.

Die Erstarrungstemperatur eines Gemischs hängt aber von der Gemischzusammensetzung ab. Verschiebt sich die Sauerstoff Konzentration des Sauerstoff-Stickstoff-Gemisches von 78% zu 85%, so nimmt die Erstarrungstemperatur des Gemisches von 50,1 K bis auf 52,3 K zu. Bei einer zu starken Verschiebung der Gemischzusammensetzung kann die gewünschte Kühltem­ peratur nicht mehr erreicht werden. Es muß ab einem bestimmten Konzentrationsverhältnis das Kühlverfahren unterbrochen und das Kältemittelgemisch gewechselt werden.The solidification temperature of a mixture depends on the mixture composition. The oxygen concentration of the oxygen-nitrogen mixture shifts by 78% 85%, the solidification temperature of the mixture increases from 50.1 K to 52.3 K. At If the mixture composition is shifted too much, the desired cooling can be achieved temperature can no longer be achieved. Above a certain concentration ratio, the Cooling process interrupted and the refrigerant mixture changed.

Die Anwendung des beschriebenen Verschleißprozesses ist in zweierlei Hinsicht problematisch. Zum einen ist es sehr schwierig eine stabile Kühltemperatur zu erreichen und über einen länge­ ren Zeitraum konstant zu halten, und zum anderen ist die diskontinuierliche Betriebsweise des Prozesses ungünstig.The application of the wear process described is problematic in two ways. On the one hand, it is very difficult to achieve a stable cooling temperature and over a long time to keep the period constant, and secondly, the discontinuous mode of operation of the Process unfavorable.

Tiefe Temperaturen im bezeichneten Temperaturbereich werden im Unterschied zu vorgenann­ tem Verschleißprozeß beim Joule-Thomson-Verfahren kontinuierlich erreicht. Dazu können ebenfalls Kältemittelgemische eingesetzt werden. Diese Kältemittelgemische sind jedoch nicht aus tiefsiedenden Gasen zusammengesetzt. Gebräuchliche Zusammensetzungen von Kältemit­ telgemischen sind in Jungnickel, H., Agsten, R., Kraus, W. E., Grundlagen der Kältetechnik, 3. Auflage, Berlin, Verlag Technik GmbH, 1990, Seite 73 Tafel 3.13.) beschrieben.In contrast to the above, low temperatures in the specified temperature range are mentioned The wear process in the Joule-Thomson process is continuously achieved. You can do this refrigerant mixtures are also used. However, these refrigerant blends are not  composed of low-boiling gases. Common compositions of refrigerant Telmixes are in Jungnickel, H., Agsten, R., Kraus, W. E., Fundamentals of Refrigeration, 3. Edition, Berlin, Verlag Technik GmbH, 1990, page 73 plate 3.13.).

Ein weiterer wesentlicher Nachteil des Joule-Thomson-Verfahrens besteht darin, daß das Käl­ temittel auf hohe Drücke verdichtet werden muß. Daraus ergeben sich erhöhte Anforderungen an die Verdichter und es besteht ein hoher Leistungsbedarf zum Antrieb der Verdichter.Another major disadvantage of the Joule-Thomson process is that the Käl must be compressed to high pressures. This results in increased requirements to the compressors and there is a high power requirement to drive the compressors.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 Kelvin konti­ nuierlich Kälte zu erzeugen und dabei die gewünschte Kühltemperatur konstant zu halten.The object of the invention is to provide conti in the temperature range from 50.1 to 63 Kelvin to generate cold and keep the desired cooling temperature constant.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den selbständigen Patentansprüchen an­ gegeben, Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.A solution to this problem according to the invention is in the independent claims given, developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Konzeption der Erfindung geht dabei vom Einsatz eines Kältemittelgemischs und von der Realisierung eines Kreislaufes für die Erzeugung der tiefen Temperaturen aus. Es wurde gefun­ den, daß das Dampfgemisch aus dem Verdampfer zur Erzeugung tiefer Temperaturen in einem Verdichter von weniger als 1 bar Absolutdruck auf einen höheren Druck verdichtet werden kann. Das Druckverhältnis des Verdichters ist dabei sehr hoch, wobei der Absolutdruck auf der Druckseite des Verdichters aber noch unterhalb des Umgebungsdrucks liegen kann. Anschlie­ ßend wird das verdichtete Dampfgemisch in einem Vorkühler vorgekühlt. Dabei ist entschei­ dend, daß die Vorkühlung das Kältemittelgemisch bereits auf tiefe Temperaturen abkühlt. Nach der Vorkühlung befindet sich das Kältemittelgemisch bereits in einem völlig oder teilwei­ se verflüssigten Zustand. Der Kältemittelgemischkreislauf schließt sich, indem das Kältemittel­ gemisch in einem Drosselorgan entspannt wird und anschließend im Verdampfer bei der ge­ wünschten Verdampfungstemperatur kontinuierlich verdampft.The concept of the invention is based on the use of a refrigerant mixture and on the Realization of a cycle for the generation of low temperatures. It was found that the vapor mixture from the evaporator to generate low temperatures in one Compressors of less than 1 bar absolute pressure can be compressed to a higher pressure can. The pressure ratio of the compressor is very high, with the absolute pressure on the Pressure side of the compressor can still be below the ambient pressure. Then The compressed vapor mixture is pre-cooled in a pre-cooler. It is crucial dend that the pre-cooling already cools the refrigerant mixture to low temperatures. After pre-cooling, the refrigerant mixture is already in one or all of it liquefied state. The refrigerant mixture cycle closes by the refrigerant mixture is relaxed in a throttle body and then in the evaporator at the ge Desired evaporation temperature evaporated continuously.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Gesamtzusammensetzung des Kältemittelgemischs im Kryostat im wesentlichen konstant ist. Durch die Kreislaufführung des Kältemittelgemischs wird der konventionell angewandte Verschleißprozeß abgelöst und der Prozeß kann kontinuierlich durchgeführt werden. Es wird damit möglich, tiefe Temperatu­ ren im Bereich von 50,1 bis 63 K kontinuierlich und stabil zu erzeugen.The advantage of the solution according to the invention is that the overall composition of the refrigerant mixture in the cryostat is essentially constant. Through the circulation of the refrigerant mixture, the conventionally used wear process is replaced and  the process can be carried out continuously. It will make deep temperatu possible Ren in the range of 50.1 to 63 K to produce continuously and stably.

Besonders hervorzuheben ist, daß bei diesem Verfahren im Unterschied zum Joule-Thomson-Ver­ fahren bei wesentlich geringeren Betriebsdrücken Kälte erzeugt werden kann. Deshalb kön­ nen für das beschriebene Verfahren herkömmliche, auch ölfrei arbeitende Vakuumpumpen ein­ gesetzt werden.It should be particularly emphasized that, in contrast to the Joule-Thomson-Ver drive can be generated at much lower operating pressures cold. Therefore, NEN for the described method, conventional, also oil-free vacuum pumps be set.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen­ den Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnun­ gen. Es zeigen:Further details, features and advantages of the invention result from the following the description of exemplary embodiments with reference to the associated drawings show:

Fig. 1 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit Verdich­ tung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches Fig. 1 shows a schematic representation of a continuous refrigeration process with compression, pre-cooling and relaxation of the nitrogen-oxygen mixture

Fig. 2 schematische Darstellung eines bewährten Verfahrens mit dem Evakuieren des flüssigen Stickstoffes Fig. 2 shows a schematic representation of a proven method with the evacuation of liquid nitrogen

Fig. 3 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit durch­ flossenem Verdampfer und Verdichtung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff Sauerstoff Gemisches Fig. 3 shows a schematic representation of a continuous refrigeration process with by flowing evaporator and compression, pre-cooling and expansion of the nitrogen-oxygen mixture

Fig. 4 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit Verdich­ tung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff Sauerstoff Gemisches mit Unterküh­ ler Fig. 4 is a schematic representation of a continuous refrigeration process with compression, pre-cooling and relaxation of the nitrogen-oxygen mixture with Unterküh ler

Fig. 5 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit Verdich­ tung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff Sauerstoff Gemisches Gegenstrom­ wärmeübertrager Fig. 5 is a schematic representation of a continuous refrigeration process with compression, pre-cooling and relaxation of the nitrogen-oxygen mixture countercurrent heat exchanger

Fig. 6 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit Verdich­ tung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff Sauerstoff Gemisches mit Gegen­ stromwärmeübertrager und Unterkühler Fig. 6 is a schematic representation of a continuous refrigeration process with compression, pre-cooling and relaxation of the nitrogen-oxygen mixture with countercurrent heat exchanger and subcooler

Fig. 7 schematische Darstellung einer Verdichtungseinrichtung mit Vorwärmung des abge­ saugten kalten Kältemittelgemischdampfes bis auf Umgebungstemperatur und Verdich­ tung bei Umgebungstemperatur Fig. 7 is a schematic representation of a compression device with preheating the suctioned cold refrigerant mixture vapor down to ambient temperature and compression at ambient temperature

Fig. 8 schematische Darstellung einer Verdichtungseinrichtung mit Vermischung des abge­ saugten Kältemittelgemischdampfes mit dem vorentspannten warmen Teilstrom aus dem Verdichter und Verdichtung bei Umgebungstemperatur Fig. 8 is a schematic representation of a compression device with mixing of the extracted refrigerant mixture vapor with the pre-expanded warm partial flow from the compressor and compression at ambient temperature

Fig. 9 schematische Darstellung einer Verdichtungseinrichtung mit Vorkomprimierung des abgesaugten kalten Kältemittelgemischdampfes in einem Injektor mit Hilfe des vorent­ spannten warmen Teilstroms aus dem Verdichter und Verdichtung bei Umgebungstem­ peratur Fig. 9 is a schematic representation of a compression device with pre-compression of the extracted cold mixed refrigerant vapor in an injector with the help of the pre-tensioned warm partial flow from the compressor and compression at ambient temperature

Fig. 10 schematische Darstellung einer Verdichtungseinrichtung mit der Vorkomprimierung des abgesaugten kalten Kältemittelgemischdampfes in mehreren Injektoren mit Hilfe des warmen Teilstroms aus dem Verdichter und Verdichtung bei Umgebungstemperatur. Fig. 10 schematic representation of a compressor device with the pre-compression of the sucked cold mixed refrigerant vapor in more injectors by means of the warm part stream from the compressor and compaction at ambient temperature.

In Fig. 1 ist ein Kältemittelgemischkreislauf dargestellt, in welchem ein N2-O2-Gemisch aus dem Kryostat 2 bei einem Druck von weniger als Umgebungsdruck abgezogen wird. Dieses Gemisch wird in einem ölfreien Verdichter 1 verdichtet. Dazu wird ein ölfreier Kolbenverdich­ ter oder ein ölfreier Membranverdichter eingesetzt. Der Verdichter 1 zeichnet sich durch eine geringe Druckerhöhung p des Dampfgemisches aber ein hohes Druckverhältnis aus. An­ schließend wird das Dampfgemisch in einem Vorkühler 3 bis auf die Temperatur Tvor vor­ gekühlt. Zur Vorkühlung wird im beschriebenen Ausführungsbeispiel flüssiger Stickstoff N2 verwendet. Dabei wird das Kältemittelgemisch völlig- oder teilweise verflüssigt. Das Kältemit­ telgemisch wird danach in einem Drosselorgan 4 auf den Verdampfungsdruck entspannt und dem Kryostat 2 wieder zurückgeführt. Damit ist der Kreislauf geschlossen und das Kältemittel­ gemisch verdampft unter Wärmeaufnahme und die Kälteleistung bei dem gewünschten Tempe­ raturniveau wird kontinuierlich erzeugt.In Fig. 1, a refrigerant mixture circuit is shown in which a N 2 -O 2 mixture of the cryostat 2 ambient pressure is taken off at a pressure of less than. This mixture is compressed in an oil-free compressor 1 . An oil-free piston compressor or an oil-free diaphragm compressor is used for this. The compressor 1 is characterized by a slight pressure increase p of the steam mixture but a high pressure ratio. At closing, the steam mixture is cooled in a precooler 3 to the temperature T before . Liquid nitrogen N 2 is used for precooling in the exemplary embodiment described. The refrigerant mixture is completely or partially liquefied. The refrigerant mixture is then relaxed in a throttle body 4 to the evaporation pressure and returned to the cryostat 2 . This closes the cycle and the refrigerant mixture evaporates with the absorption of heat and the cooling capacity at the desired temperature level is continuously generated.

Vorteilhaft ist die Ausführung des Kältemittelgemischkreislaufes mit einem Verdampfer 5 an­ stelle des Kryostaten 2, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Dies ermöglicht, das System kompakter zu gestalten. Außerdem wird das Kältemittelgemisch im Verdampfer 5 besser vermischt, so daß sich keine störende Temperaturverteilung ausbildet.It is advantageous to design the refrigerant mixture circuit with an evaporator 5 instead of the cryostat 2 , as shown in FIG. 3. This enables the system to be made more compact. In addition, the refrigerant mixture in the evaporator 5 is mixed better, so that no disturbing temperature distribution is formed.

In Fig. 4 ist eine Weiterentwicklung des Kreislaufes mit einem Unterkühler 6 dargestellt. Das kalte aus dem Verdampfer 5 austretende Kältemitteldampfgemisch kühlt im Gegenstrom das vorgekühlte teil- bzw. vollständig verflüssigte Kältemittelgemisch nach dem Austritt aus dem Vorkühler 3 und vor dem Eintritt in das Drosselorgan 4.In FIG. 4 a further development of the circuit is shown with a sub-cooler 6. The cold refrigerant vapor mixture emerging from the evaporator 5 cools the precooled partially or completely liquefied refrigerant mixture after it emerges from the precooler 3 and before entering the throttle element 4 in countercurrent.

In dem in Fig. 5 dargestellten Kreislauf durchläuft das Kältemittelgemisch vor und nach der Verdichtungseinrichtung 1 einen Gegenstromwärmeübertrager 7. Der Hochdruckstrom durch­ läuft dann den Wärmeübertrager 3 zum Vorkühlen und wird anschließend im Drosselorgan 4 entspannt. Der im Verdampfer 5 entstehende Kältemitteldampf tritt in den Gegenstromwärme­ übertrager 7 ein und der Kreislauf wird geschlossen.In the circuit shown in FIG. 5, the refrigerant mixture passes through a countercurrent heat exchanger 7 before and after the compression device 1 . The high pressure flow then runs through the heat exchanger 3 for pre-cooling and is then expanded in the throttle body 4 . The refrigerant vapor generated in the evaporator 5 enters the countercurrent heat exchanger 7 and the circuit is closed.

Vorteilhaft ist die Erweiterung des Kreislaufes aus Fig. 4 um einen Gegenstromwärmeüber­ trager 6. Dieser Kreislauf ist in Fig. 6 dargestellt und kombiniert die Kreisläufe von Fig. 5 und Fig. 4.It is advantageous to expand the circuit from FIG. 4 by a countercurrent heat exchanger 6 . This circuit is shown in Fig. 6 and combines the circuits of Fig. 5 and Fig. 4.

Die Verdichtungseinrichtung kann in Form einer Vakuumpumpe 8 mit einem vorgeschalteten Erhitzer 9, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, realisiert werden. Der ankommende kalte Dampf wird dabei im Erhitzer 9 bis auf Umgebungstemperatur erwärmt und kann danach in einer kon­ ventionellen Vakuumpumpe 8, z. B. eine Membranvakuumpumpe, verdichtet werden. Die Vor­ wärmung des kalten Kältemittelgemisches ist für den Einfrierschutz der Vakuumpumpe 8 er­ forderlich, weil die verfügbaren Verdichter meist nicht den mit diesem Kreislauf erreichten Verdampfungstemperaturen standhalten.The compression device can be implemented in the form of a vacuum pump 8 with an upstream heater 9 , as shown in FIG. 7. The incoming cold steam is heated in the heater 9 to ambient temperature and can then in a conventional vacuum pump 8 , z. B. a diaphragm vacuum pump to be compressed. The pre-heating of the cold refrigerant mixture is necessary for the freeze protection of the vacuum pump 8 because the available compressors usually do not withstand the evaporation temperatures reached with this circuit.

Das Problem zu tiefer Temperaturen des Dampfgemischs für die Vakuumpumpe 8 kann auch dadurch gelöst werden, daß ein Teil des Hochdruckstromes im Bypass geführt wird und mit der Saugseite des Verdichters gekoppelt wird. Eine Kombination aus einer Vakuumpumpe 8 mit einem Bypass 10 mit Bypassventil 10a, wie in Fig. 8 dargestellt. So wird in diesem Fall der aus dem Verdampfer 5 kommende kalte Kältemitteldampf mit dem gedrosselten warmen Gas gemischt und dadurch erwärmt. Zur Verdichtung kann in diesem Falle eine konventionelle öl­ freie Vakuumpumpe 8 verwendet werden, z. B. eine Membranvakuumpumpe.The problem of excessively low temperatures of the steam mixture for the vacuum pump 8 can also be solved in that part of the high-pressure flow is conducted in the bypass and is coupled to the suction side of the compressor. A combination of a vacuum pump 8 with a bypass 10 with a bypass valve 10 a, as shown in Fig. 8. In this case, the cold refrigerant vapor coming from the evaporator 5 is mixed with the throttled warm gas and thus heated. In this case, a conventional oil-free vacuum pump 8 can be used for compression, e.g. B. a diaphragm vacuum pump.

Die Energie des Bypass-Stromes kann man sinnvoll nutzen, indem nicht in einem Ventil, son­ dern in einem Injektor 11 entspannt wird. Wie in Fig. 9 dargestellt, wird damit der kalte Strom aus dem Verdampfer 5 im Injektor 11 vorkomprimiert, wodurch die Nachkomprimierung des Kältemittelgemischgases in der Vakuumpumpe 8 erleichtert ist. Auf diese Weise läßt sich das benötigte Druckverhältnis in der Vakuumpumpe 8 verringern.The energy of the bypass current can be used sensibly by not relaxing in a valve but in an injector 11 . As shown in FIG. 9, the cold flow from the evaporator 5 is thus pre-compressed in the injector 11 , whereby the post-compression of the mixed refrigerant gas in the vacuum pump 8 is facilitated. In this way, the required pressure ratio in the vacuum pump 8 can be reduced.

Die Entspannung des Bypass-Stromes kann auch, wie in Fig. 10 dargestellt, in mehreren Injek­ toren 11 realisiert werden. Damit kann man den kalten Strom aus dem Verdampfer 5 auf einen höheren Druck verdichten.The relaxation of the bypass flow can also be realized in several injectors 11 , as shown in FIG. 10. This allows the cold current from the evaporator 5 to be compressed to a higher pressure.

BezugszeichenlisteReference list

11

Verdichter
compressor

33rd

Kryostat
Cryostat

33rd

Vorkühler
Precooler

44th

Drosselorgan
Throttle body

55

Verdampfer
Evaporator

66

Unterkühler
Subcooler

77

Gegenstromwärmeübertrager
Counterflow heat exchanger

88th

Vakuumpumpe
Vacuum pump

99

Erhitzer
Heater

1010th

Bypass
bypass

1010th

aBypassventil
a bypass valve

1111

Injektor
Injector

Claims (24)

1. Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 K mit einem Kälte­ mittelgemisch aus den tiefsiedenden Gasen Sauerstoff und Stickstoff, wobei der molare Anteil des Stickstoffs 20 bis 24% beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kältemittelgemisch unterhalb des Atmosphärendruckes in einem Kreislauf verdampft, anschließend verdichtet, vorgekühlt und entspannt wird, wobei die Vorküh­ lung des Kältemittelgemischs bis auf Temperaturen unterhalb 100 K stattfindet.1. Process for refrigeration in the temperature range from 50.1 to 63 K with a refrigerant mixture of the low-boiling gases oxygen and nitrogen, the molar proportion of nitrogen being 20 to 24%, characterized in that the liquid refrigerant mixture below atmospheric pressure in one Circuit is evaporated, then compressed, pre-cooled and expanded, whereby the pre-cooling of the refrigerant mixture takes place to temperatures below 100 K. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorkühlung eine tiefsiedende Flüssigkeit eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a low-boiling liquid is used for pre-cooling. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorkühlung flüssiger Stickstoff eingesetzt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that liquid nitrogen is used for pre-cooling. 4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete und vorgekühlte Kältemittelgemisch von aus dem Verdampfer (5) kom­ menden kalten Kältemitteldampf abgekühlt und anschließend der Drosselung unterwor­ fen wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the compressed and pre-cooled refrigerant mixture from the evaporator ( 5 ) coming cold refrigerant vapor and then the throttling is subjected to fen. 5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Kältemittelgemisch von aus dem Verdampfer (5) kommenden kalten Käl­ temitteldampf abgekühlt und anschließend der Vorkühlung und Drosselung unterworfen wird.5. The method according to claim 1, characterized in that the compressed refrigerant mixture from the evaporator ( 5 ) coming cold Käl temmitteldampf cooled and then subjected to pre-cooling and throttling. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Kältemittelgemisch von kaltem Kältemitteldampf abgekühlt und anschlie­ ßend der Vorkühlung unterworfen wird und das danach das vorgekühlte Kältemittelge­ misch vor der Drosselung von aus dem Verdampfer kommenden kalten Kältemitteldampf gekühlt wird. 6. The method according to claim 1, characterized in that the compressed refrigerant mixture is cooled by cold refrigerant vapor and then ßend is subjected to the pre-cooling and then the pre-cooled refrigerant mix before throttling cold refrigerant vapor coming from the evaporator is cooled.   7. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemitteldampf vor der Verdichtung vorgewärmt wird.7. The method according to any one of the claims, characterized in that the refrigerant vapor is preheated before compression. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des verdichteten Kältemittelgemischs nach der Verdichtung im By­ pass geführt und entspannt wird und vor der Verdichtung mit dem Kältemitteldampf aus dem Kreislauf vereinigt wird.8. The method according to any one of the claims, characterized in that at least part of the compressed refrigerant mixture after compression in the by pass and relaxed and before compression with the refrigerant vapor the circuit is united. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des Bypassstromes mit einer Vorverdichtung des Kältemitteldampfes durch einen Injektor (11) gekoppelt wird und anschließend Bypassstrom und Kältemittel­ dampfstrom gemeinsam verdichtet werden.9. The method according to claim 8, characterized in that the expansion of the bypass flow is coupled with a pre-compression of the refrigerant vapor by an injector ( 11 ) and then bypass stream and refrigerant vapor stream are compressed together. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung von mehreren Bypassströmen mit der stufenweisen Verdichtung des Kältemitteldampfes in mehreren Injektoren (11) gekoppelt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that the relaxation of several bypass streams with the gradual compression of the refrigerant vapor in several injectors ( 11 ) is coupled. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittelgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff und zusätzlich mindestens einem der Gase Neon, Wasserstoff oder Helium besteht.11. The method according to claim 1, characterized in that the refrigerant mixture of nitrogen and oxygen and at least one the gases are neon, hydrogen or helium. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkonzentration der Gase Neon, Wasserstoff und Helium im Gemisch kleiner oder gleich 25 mol % ist.12. The method according to claim 11, characterized in that the total concentration of the gases neon, hydrogen and helium in the mixture is smaller or is equal to 25 mol%. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkonzentration der Gase Neon, Wasserstoff und Helium im Gemisch kleiner oder gleich 10 mol % ist. 13. The method according to claim 12, characterized in that the total concentration of the gases neon, hydrogen and helium in the mixture is smaller or is equal to 10 mol%.   14. Vorrichtung zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 K mit einem Käl­ temittelgemisch zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdichter (1), ein Vorkühler (3), ein Drosselorgan (4) und ein Kryostat (2) in dieser Reihenfolge zu einem Kreislauf verbunden sind, in welchem ein Kältemittelgemisch zir­ kuliert, wobei der Verdichter (1) den Kältemittelgemischdampf unterhalb des Atmosphä­ rendrucks ansaugt und die Vorkühlung bei Temperaturen unterhalb 100 K stattfindet.14. Device for refrigeration in the temperature range from 50.1 to 63 K with a refrigerant mixture for performing the method according to one of the claims, characterized in that a compressor ( 1 ), a precooler ( 3 ), a throttle element ( 4 ) and a Cryostat ( 2 ) are connected in this order to form a circuit in which a refrigerant mixture circulates, the compressor ( 1 ) drawing in the refrigerant mixture vapor below atmospheric pressure and the precooling taking place at temperatures below 100 K. 15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Kryostaten (2) im Kreislauf ein Verdampfer (5) eingesetzt wird.15. The apparatus according to claim 4, characterized in that an evaporator ( 5 ) is used in place of the cryostat ( 2 ) in the circuit. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15 zur Durchführung eines Verfahrens nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite des Unterkühlers (6) zwischen dem Vorkühler (3) und dem Drosselorgan (4) eingebunden ist und das der Ausgang aus dem Verdampfer (5) oder dem Kryostaten (2) mit der anderen Seite des Unterkühlers (6) verbunden ist.16. The apparatus according to claim 14 or 15 for performing a method according to claim 4, characterized in that one side of the subcooler ( 6 ) between the precooler ( 3 ) and the throttle element ( 4 ) is integrated and that the output from the evaporator ( 5 ) or the cryostat ( 2 ) is connected to the other side of the subcooler ( 6 ). 17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15 zur Durchführung eines Verfahrens nach An­ spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstromwärmeübertrager (7) mit der Hochdruckseite des Verdichters (1) und dem Vorkühler (3) verbunden ist und das der Ausgang aus dem Verdampfer (5) oder dem Kryostaten (2) mit der anderen Seite des Gegenstromwärmeübertragers (7) verbun­ den ist.17. The apparatus according to claim 14 or 15 for performing a method according to claim 5, characterized in that the countercurrent heat exchanger ( 7 ) with the high pressure side of the compressor ( 1 ) and the precooler ( 3 ) is connected and that the output from the evaporator ( 5 ) or the cryostat ( 2 ) with the other side of the countercurrent heat exchanger ( 7 ) is the verbun. 18. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 17 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstromwärmeübertrager (7) und der Unterkühler (6) in den Kältemittelgemisch­ kreislauf eingebunden sind. 18. The apparatus according to claim 14 to 17 for performing a method according to claim 6, characterized in that the countercurrent heat exchanger ( 7 ) and the subcooler ( 6 ) are integrated in the refrigerant mixture circuit. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Saugseite der Vakuumpumpe (8) ein Erhitzer (9) angeordnet ist und den Kälte­ mittelgemischdampf erwärmt.19. The apparatus according to claim 18 for carrying out a method according to claim 7, characterized in that a heater ( 9 ) is arranged in front of the suction side of the vacuum pump ( 8 ) and heats the mixed-medium refrigerant. 20. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kältemittelgemischs in einem Bypass (10) zur Vakuumpumpe (8) geführt wird und dazu von der Druckleitung der Vakuumpumpe (8) ein Bypass (10) mit einem Bypassventil (10a) abzweigt und das dieser Bypass (10) mit der Saugseite der Vakuum­ pumpe (8) verbunden ist.20. The apparatus according to claim 14 to 19 for performing a method according to claim 8, characterized in that a part of the refrigerant mixture in a bypass ( 10 ) to the vacuum pump ( 8 ) and for this purpose a bypass from the pressure line of the vacuum pump ( 8 ) ( 10 ) branches off with a bypass valve ( 10 a) and this bypass ( 10 ) is connected to the suction side of the vacuum pump ( 8 ). 21. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 20 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Injektor (11) den Bypass-Strom entspannt und den Kältemittelgemischdampf aus dem Kreislauf vorverdichtet und dazu mit der Saugseite der Vakuumpumpe (8) verbunden ist.21. The apparatus according to claim 14 to 20 for performing a method according to claim 9, characterized in that an injector ( 11 ) relaxes the bypass flow and pre-compresses the mixed refrigerant vapor from the circuit and is connected to the suction side of the vacuum pump ( 8 ). 22. Vorrichtung nach Anspruch 21 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Injektoren (11) mit mehreren Bypässen (10) den Kältemittelgemischdampf aus dem Kreislauf in mehreren Stufen vorverdichteten und mit der Saugseite der Vakuum­ pumpe (8) verbunden sind.22. The apparatus according to claim 21 for performing a method according to claim 10, characterized in that a plurality of injectors ( 11 ) with a plurality of bypasses ( 10 ) pre-compress the mixed refrigerant vapor from the circuit in several stages and are connected to the suction side of the vacuum pump ( 8 ) . 23. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Vorkühlung des Kältemittelgemischs eine Kältemaschine eingesetzt wird.23. The device for performing a method according to claim 1, characterized net that a refrigeration machine is used to pre-cool the refrigerant mixture. 24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorkühlung eine Joule-Thomson-Kältemaschine eingesetzt wird.24. The device according to claim 23, characterized in that a Joule-Thomson chiller is used for pre-cooling.
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