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Kaltgaskühlmas chine
Die Erfindung betrifft eine Kaltgaskühlmaschine mit einem Raum mit veränderlichem Volumen (kalter Raum oder Expansionsraum), der mit einem Raum in Verbindung steht, der gleichfalls ein ver- änderliches Volumen hat und in dem eine höhere mittlere Betriebstemperatur herrscht als im zuerstge- nannten Raum (wärmerer Raum oder Kompressionsraum), wobei sich in der Verbindung zwischen den beiden Räumen ein Regenerator befindet und ein gasförmiges Arbeitsmittel über den Regenerator zwi- schen den Räumen hin-und herströmen kann, um Wärme von einem niedrigeren Temperaturpegel zu einem höheren zu transportieren.
In einer solchen Kaltgaskühlmaschine vollführt ein Gas, das vorzugsweise eine konstante chemische Zusammensetzung hat, wie z. B. Wasserstoff oder Helium, oder ein Gemisch dieser Gase, einen thermodynamischen Kreislauf, z. B. einen Kreislauf nach dem Stirlingvorgang oder dem sogenannten Ericsonvorgang. Der Druck im kalten Raum, manchmal als Expansionsraum bezeichnet, und der Druck im wärmeren Raum, manchmal als Kompressionsraum bezeichnet, andert sich beim Stirlingzyklus in sinusförmi - ger Weise. Beim niedrigsten Druck im kalten Raum tritt die niedrigste Temperatur auf.
Die Aussenwand des kalten Raumes wird im Betrieb sehr kalt. Diese Wand wird aber nicht so kalt wie das Gas im Raum infolge des Temperaturunterschieds zwischen dem Gas im Expansionsraum und der Wand.
Die Erfindung bezweckt, die Kälteleistung einer solchen Maschine in anderer Weise der Maschine zu entziehen, als es bisher üblich war.
Nach der Erfindung steht der kalte Raum mittels einer durch dessen Wand nach aussen führenden Leitung mit einer in einem Abstand von diesem Raum liegenden Einrichtung derart in Verbindung, dass ein Teil des Gases im kalten Raum durch diese Leitung hindurch nach aussengeführt werden kann, um der in einem Abstand liegenden Einrichtung Wärme zu entziehen.
Ein sehr wesentlicher Vorteil dieser Bauart besteht dann, dass die erzeugte Kälte in einem Abstand von der Maschine abgenommen werden kann. Die Leitung. welche kurzweg als Anzapfleitung bezeichnet werden kann, kann biegsam sein und zu einem Wärmeaustauscher führen, der eine sehr kalte, nicht an die Aufstellung der Maschine gebundene Einrichtung bilden kann. Es sind sogar mehrere, mit einer einzigen Kaltgaskühlmaschine erzielte, in einem Abstand voneinanderliegende kalte Stellen möglich.
Der bei solchen Kaltgaskuhlmaschmen normale, zwischen dem Regenerator und dem kalten Expansionsraum vorhandene sogenannte Gefrierer kann bei Anwendung der Erfindung gegebenenfalls völlig weggelassen werden.
Verschiedene Ausführungsmöglichkeiten nach dem Prinzip der Erfindung sind möglich.
Bei einer ersten Ausführungsmöglichkeit führt die Leitung über die in einem Abstand liegende kalte Stelle zurück zum kalten Raum der Maschine und bei den beiden Ausmündungen der Leitung im kalten Raum sind in dieser Leitung Ventile vorgesehen, welche sich in entgegengesetzter Richtung öffnen können.
Bei einer Abart dieser Ausführungsform führt die Leitung über die in einem Abstand liegende Enrichtung zum kalten Raum der Maschine zurück und bei einer der Ausmündungen der Leitung ist ein sich in Richtung des kalten Raumes öffnendes oder schliessendes Ventil vorgesehen und bei der andern Ausmündung besteht wenigstens ein Teil der Leitung aus einem Kapillar.
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Bei einer sehr wichtiger Ausführungsform der Erfindung führt die Leitung nach einer Einrichtung in der Maschine zurück, wo höhere Temperaturen herrschen als im kalten Raum, wie nach dem wärmeren
Raum (Kompressionsraum), dem Kühler, einer Stelle im Regenerator oder einem zwischen dem Regenera- tor und dem kalten Raum befindlichen Gefrierer.
Bei dieser Bauart kann der Regenerator völlig oder teilweise aus dem Gleichgewichtszustand gebracht werden, d. h., dass man stets eine etwas grössere Masse des gasförmigen Arbeitsmittels von "warm nach kalt"als von"kalt nach warm" strömen lässt. Durch den Regenerator hindurch kann man dann eine durch die Anzapfleitung zugeführte Gasmenge stets in Gleichströmung von einem wärmeren Raum zum kalten
Raum strömen lassen. Diese Gasmenge liefert dann die 1 < älteleistung, so dass der Gefrierer überflüssig wird.
Der Regenerationsverlust im Regenerator wird durch diesen absichtlichen Ungleichgewichtszustand des Regenerators beträchtlich herabgesetzt.
Der Auslass aus dem kalten Raum zur Leitung wird durch die Ventile vorzugsweise derart gesteuert, dass Gas aus diesem Raum zu einem Zeitpunkt ausgelassen wird, wo die Temperatur in diesem Raum am niedrigsten ist. Dies bietet den Vorteil, dass mit Hilfe der Erfindung bei einer niedrigeren Temperatur als bisher Kälte geliefert werden kann, oder v, enn die gleichen Lieferungstemperaturen wie bei den bekannten Maschinen beibehalten werden, dass im kalten Raum eine höhere Temperatur herrschen kann, was bedeutet, dass nicht nur infolge der Herabsetzung der Regenerationsverluste, sondern auch infolge der Erreichung dieser höheren Temperatur eine höhere Nutzleistung der Maschine erzielt werden kann.
Zum Auslass von Gas aus dem kalten Raum kann ein durch eine einstellbare Feder vorgespanntes Ventil vorgesehen sein, welches sich in Richtung des kalten Raumes öffnen kann.
Hiebei sei bemerkt, dass bei Maschinen, in denen ein Stirlingszyklus ausgeführt wird, infolge des Strömungswiderstandes der Mindestdruck im kalten Raum (Expansionsraum) höher ist als der Mindestdruck im wärmeren Raum. (Kompressionsraum), so dass tatsächlich etwa bei der niedrigsten Temperatur im kalten Raum angezapft werden kann.
Die Erfindung macht auch eine besondere Bauart einer Kaltgaskühlmaschine ohne Gefrierer möglich.
Bei dieser Bauart ist der Regenerator in einem hin-und herbeweglichen Verdränger eingebaut, wobei sich an einem Ende dieses Verdrängers der kalte Raum und an seinem andern Ende ein wärmerer Raum befindet, der über einen stationär angeordneten Kühler mit einem weiteren wärmeren Raum (Kompressions- raum) in Verbindung steht, der an einen in einem Zylinder hin-und herbeweglichen Kolben grenzt.
Dies ist eine Ausführungsmöglichkeit einer Maschine, die kurzweg als Dreiraummaschine bezeichnet wird.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen : Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Kaltgaskühlmaschine nach der Erfindung ; die Fig. 2 und 3 schematisch Einzelheiten, nämlich den Zylinderkopf einer Kaltgaskühlmaschine weiterer Ausführungsformen ; die Fig. 4 und 5 die Änderung der Druckwelle im kalten Raum (Expansionsraum) ; Fig. 6 ein Schema einer wichtigen weiteren Ausführungsform der Erfindung. Fig. 7 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Anzapfventils für den kalten Raum ; Fig. 8 die Druckänderung im kalten Raum der Maschine nach Fig. 6 und Fig. 9 ein Schema einer sogenannten Drefraummaschine, die durch die Erfindung ermöglicht wird.
In Fig. 1 treibt ein Motor, z. B. ein Elektromotor 1, eine Kurbelwelle 2 an, die in einem Gehäuse 3 gelagert ist und ein Schwungrad 4 trägt. Die Lager sind mit 5 und 6 bezeichnet. Die Kurbelwelle 2 hat zwei gleiche Kurbeln 7 und 8, die über Triebstangen 9 und 10 einen Kolben 11 antreiben, der eineZylin- derauskleidung 12 als Führung hat. Weiterhin besitzt die Kurbelwelle 2 eine Kurbel 13, die über eine Triebstange 14 und eine durch den Kolben 11 hindurchgeführte Kolbenstange 15 einen Verdränger 16 antreibt, der gleichfalls in der Zylinderauskleidung 12 seine Führung hat.
Die Auskleidung 12 ist in einem Zylindergehäuse 17 angeordnet, welches mit der Auskleidung 12 einen Kühlmantel 18 bildet.
Auf dem Gehäuse 17 ist ein Kühler 19 angeordnet, dem durch Anschlüsse 20 und 21 ein Kühlmittel, z. B. Wasser oder ein flüssiges Gas, zugeführt bzw. von ihm abgeführt wird.
An den Kühler 19 schliesst ein Mantel 22 an, der oben durch einen Deckel 23 geschlossen ist.
Zwischen dem Mantel 22 und der Auskleidung 12 ist ein Regenerator 24 angebracht, der z. B. aus dünnen Gazen oder einer dünnen Metalldrahtmasse besteht. Zwischen dem Deckel 23 und der Auskleidung 12 befindet sich ein Gefrierer 25, der z. B. aus Rippen gebildet wird.
Der kalte Raum 26, manchmal als Expansionsraum bezeichnet, befindet sich zwischen dem Kopf des Verdrängers 16 und dem Deckel 23. Der wärmere Raum 27, manchmal als Kompressionsraum bezeichnet, befindet sich zwischen dem unteren Ende des Verdrängers 16 und dem Kopf des Kolbens 11.
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Die Kurbeln 7. 8 und 13 sind derart angeordnet, dass der Kolben 11 und der Verdränger 16 mit einem Phasenunterschied hin-und herbewegt werden.
Im Raum 27 wird ein gasförmiges Mittel, wie Wasserstoff oder Helium, zusammengepresst. Durch die Öffnungen 28 strömt das Mittel längs des Kühlers 19 durch den Regenrator 24 und längs des Gefrierers 25 zum Raum 26, in dem das Gas expandiert und über den Gefrierer, den Regenerator und den Kühler zum
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Im kalten Raum 26 tritt während dieses Zyklus eine Druckwelle auf (s. Fig. 4,5 und 8). Eine ähn- liche Druckwelle tritt im warmen Raum 27 auf.
Im Punkt P der wellenförmigen Kurve nach den Fig. 4,5 und 8 ist der Druck minimal und die Tem- peratur des expandierten Gases am niedrigsten. Der Druck ist maximal im Punkt Q des wellenförmigen
Kurvenverlaufes nach den Fig. 4, 5 und 8.
Im Deckel 23 sind nach Fig. 1 zwei Ventile 29 und 30 vorgesehen. Das Ventil 29 öffnet sich nach aussen und das Ventil 30 öffnet sich in Richtung auf den kalten Raum 26.
Die Ventile 29 und 30 befinden sich in einer Leitung 31, die zu einer Einrichtung 32 führt, wo Käl- te abgenommen werden kann, z. B. längs eines Wärmeaustauschers. Die Einrichtung 32 kann in einem
Abstand von der Kaltgaskühlmaschine liegen. Naturgemäss muss die Leitung 31 gut isoliert werden.
Das Ventil 29 kann derart belastet und eingestellt sein, dass es sich beim Druck im Punkt Q nach
Fig. 4 öffnet, während das Ventil 30 derart eingestellt ist, dass es sich beim Druck im Punkt P nach Fig. 4 öffnet.
Soll die Kälte möglichst bei der niedrigsten Temperatur im Raum 26 entzogen werden, so ist es auch denkbar, das Ventil 29 im Punkt R (Fig. 5) und das Ventil 30 im Punkt P zu öffnen. Die Ventile können gegebenenfalls auch angetrieben werden.
In den Fig. 2 und 3 ist der Fall veranschaulicht, dass eines der Ventile 30 oder 29 durch einen Kapil- larteil 30a bzw. 29a der Leitung 31 ersetzt ist.
In Fig. 2 kann man das Kapillar 30a auf den Druck in Q (Fig. 4) berechnen, das ist der Maximal- druck, wenn Gas aus dem Raum 26 beim Höchstdruck Q (Fig. 4) ausgelassen werden soll.
In Fig. 3 kann man das Kapillar 29a auf den Mindestdruck berechnen, falls sich das Ventil 30 beim niedrigsten Druck öffnen soll.
Der Gefrierer 25 kann bei der Bauart nach Fig. 1 auch weggelassen werden.
Eine noch vorteilhaftere Bauart ist in Fig. 6 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform befindet sich im Deckel 23 nur ein Ventil 33, das in Fig. 7 detailliert dargestellt ist. Das Ventil 33 öffnet sich einwärts, vorzugsweise wenn der Druck im Expansionsraum 26 minimal ist (Punkt P in Fig. 8). Dann wird Gas mit der niedrigsten Temperatur in die Leitung 31 ausgelassen. Gegebenenfalls lässt man dieses Gas mittels eines Drosselhahns 34 weiter expandieren, so dass sich dann durch den Joule-Kelvineffekt eine sehr niedrige Temperatur ergibt.
Das kalte Gas strömt durch den Wärmeaustauscher 32 in Gegenströmung mit dem zu kühlenden Mittel in der Leitung 35 und wird dann auf die Temperatur des Kühlers 19 aufgeheizt und durch diesen hindurch zum Regenerator 24 geleitet. Auf diese Weise kommt das Gas wieder in den Kreis zurück. Bei Verwendung des Drosselhahns 34 wird das Gas mittels des Kompressors 36 zusammengepresst, bevor es in den Zyklus zurückgeführt wird.
Der Regenerator 24 oder ein Teil desselben, ist jetzt im Ungleichgewicht, was die obenbeschriebenen Vorteile bietet.
Es ist möglich, das Gas aus der Leitung 31 nach dem Wärmeaustauscher 32 an einer andern Stelle als der unteren Seite, z. B. bei W, in den Regenerator einzuführen. Es ist auch möglich, das Gas in den Ge- frierer 25 zurückzuführen, z. B. bei T. 1 Bei einem praktischen Aufbau wird ein Teil der Gesamtgasströmung etwa gleich r mittels des Ven- tils 33 angezapft und durch die Leitung 31 geschickt. Darin bezeichnet r die relative Regeneratorbelastung, das ist der Quotient der aufgespeicherten Wärme im Regenerator pro Halbperiode des Zyklus und der Kälteleistung.
Fig. 9 zeigt eine Kaltgaskühlmaschine ohne Gefrierer. Der Regenerator 24 befindet sich im Verdränger 16. Zwischen dem Verdränger 16 und dem stationären Kühler 19 liegt ein Zwischenraum 40. Der Kühler 19 steht mit dem Kompressionsraum 27 in Verbindung, der an den Kolben 11 grenzt. Es gibt in dieser Maschine also drei Räume 27,40 und 26.
In Fig. 7 ist eine mögliche Ausführungsform des Ventils 33 im Längsschnitt dargestellt.
Das Gehäuse 41 wird mittels eines Anschlussstumpfes 42 mit dem Deckel 23 verbunden.
Im Gehäuse 41 ist ein Pfropfen 43 eingeschraubt, der eine Bohrung 44 aufweist, mit der die Leitung 31 bei 45 verbunden werden kann. Der Gewindepfropfen 43 ist mittels eine O-Ringes 1, 6 abgedich -
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tet. Die Bohrung 44 mündet in einen Raum 47, in dem eine Schraubenfeder 48 zwischen einem Stellkol- ben 49, der mit einem Stellpfropfen 50 zusammenwirkt, und einem Ventilkörper 51 angeordnet ist, der auf dem Sitz 52 am Pfropfen 43 abdichten kann. Der Körper 51 hat durch einen Stift 53 Führung in einem
Kopf 54, der bei 56 auf den Pfropfen 43 geschraubt und mit Löchern 55 versehen ist, die über den
Stumpf 42 den kalten Raum 26 der Maschine mit dem Raum 57 um den Ventilkörper 51 in Verbindung bringen.
Das Ventil 51 wird durch die Feder 48 geöffnet, wenn der Druck im Raum 26 auf einen gewissen
Wert, z. B. auf P in Fig. 8, abgefallen ist. Gas mit einem hohen Druck strömt dann um den Körper 51 herum und längs des Sitzes 52. Dabei kann infolge der Durchgangsverengung im Zusammenhang mit dem
Gesetz von Bernoulli eine Druckverminderung erzeugt werden, welche das Ventil 51 gegen seinen Sitz 52 zu ziehen sucht und daher das Schliessen des Ventils erleichtert.
Der Ventilkörper 51 kann auch einen kleineren Durchmesser haben, wie bei 58 gestrichelt darge- stellt.
PATENTANSPRÜCHE-
1. Kaltgaskühlmaschine mit einem Raum mit veränderlichem Volumen (kalter Raum oder Expan- sionsraum), der mit einem Raum in Verbindung steht, der gleichfalls ein veränderliches Volumen hat und in dem eine höhere mittlere Temperatur herrscht als im zuerst genannten Raum (wärmerer oder Kompres- sionsraum), wobei sich in der Verbindung zwischen den beiden Räumen ein Regenerator befindet und ein gasförmiges Arbeitsmittel über den Regenerator zwischen den Räumen hin-und herströmen kann, um Wärme von einem niedrigeren Temperaturpegel zu einem höheren zu transportieren, dadurch gekennzeichnet, dass der kalte Raum (26) mittels einer durch dessen Wand nach aussen führenden Leitung (31) mit einer in einem Abstand von diesem Raum liegenden Einrichtung (32) in Verbindung steht, derart,
dass ein Teil des Gases im kalten Raum durch diese Leitung hindurch nach aussen geführt werden kann, um der entfernten Einrichtung (32) Wärme zu entziehen.