Verfahren zur Expansion eines gasförmigen Mediums und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zur Ex pansion eines gasförmigen Mediums, indem das Me dium bei einer gegebenen Temperatur und unter ho hem Druck durch eine Leitung einem geschlossenen, vergrösserbaren Raum zugeführt wird, wobei an den Leitungswandungen ein Wärmeaustausch stattfindet, was eine anfängliche Temperaturänderung des Me diums zur Folge hat,
worauf die Zufuhr des unter hohem Druck stehenden Mediums unterbrochen und das im erwähnten Raum enthaltene Medium expan diert und anschliessend aus demselben ausgestossen wird. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Zufuhr des unter hohem Druck stehenden Mediums zum erwähnten Raum während der anfäng lichen Temperaturänderung aufrechterhalten wird, wobei der Druck des Mediums während der Zufuhr konstant gehalten wird, bis eine vorbestimmte Menge desselben in den genannten Raum eingeströmt ist, dass sodann die Expansion des Mediums unter Ar beitsleistung desselben erfolgt,
wobei das Medium im Raum sich abkühlt und dass schliesslich während des Ausstossens des Mediums aus dem Raum ein Wärme austausch zwischen dem gekühlten Medium und der Leitung stattfindet, wodurch die anfängliche Tempe raturänderung im Medium umgekehrt wird.
Das Hauptpatent betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Diese Einrich tung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Zufüh rungsleitung ein thermischer Regenerator angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Wei terentwicklung des Verfahrens nach dem Hauptpa tent und der Einrichtung zur Durchführung dessel ben, wobei alle sich ergebende Arbeit in Form von thermischer Energie erhalten wird und wobei das die Anlage verlassende Fluidum eine Temperatur auf- weist, die höher ist als diejenige, mit welcher es in dieselbe eintritt.
Es sind bereits verschiedene Kälteerzeugungsver- fahren und Einrichtungen zu ihrer Durchführung be kannt. Zahlreiche derartige Verfahren beruhen auf der Verwendung von Expansionsmaschinen oder Tur binen. Andere wiederum sehen die Verwendung von komplizierten Wärmeaustauschern vor, während wei tere (allerdings in der Ausführung etwas einfacher) die Verwendung von dicht passenden Kolben und Dichtungsringen vorsehen, welche bei extrem niedri gen Temperaturen arbeiten müssen. Das Verfahren gemäss vorliegender Erfindung vermindert, wie sich aus der, folgenden Beschreibung ergeben wird, die Nachteile der bekannten Verfahren.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zeichnet sich aus durch Abgabe von Wärmeenergie ausserhalb eines zusätzlichen geschlossenen, vergrö- sserbaren Raumes, wobei diese Wärmeenergie davon herrührt, dass das Fluidum, das sich unter Ausdeh nung innerhalb des anderen geschlossenen vergrösser- baren Raumes abkühlt, wieder auf eine Temperatur erwärmt wird, die über derjenigen liegt, mit welcher es in den zusätzlichen geschlossenen, vergrösserbaren Raum eingeführt wird.
Der Arbeitszyklus gemäss dem vorliegenden Ver fahren kann als arbeitsfreier Zyklus bezeichnet werden, da er so durchgeführt wird, dass mehr fühl bare Wärme aus dem System abgeführt als durch das kühlende Fluidum eingeführt wird.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein be wegbares Organ, welches sowohl im geschlossenen vergrösserbaren Raum als auch in einem zusätzlichen geschlossenen vergrösserbaren Raum angeordnet ist, welchem zusätzlichen Raum ein von einer Hoch- druck-Fluidumquelle kommendes Fluidum durch ein Ventil zugeführt werden kann, dessen Betätigung mit derjenigen des bewegbaren Organs durch Steueror gane derart koordiniert ist, dass das Ventil während desjenigen Teiles des Arbeitszyklus,
während wel chem das Fluidum im zusätzlichen Raum unter der Einwirkung des beweglichen Organs komprimiert wird, in einer wenigstens teilweise geöffneten Stel lung gehalten wird, wodurch das komprimierte Flui dum, wenn es durch eine Leitung zu einem thermi schen Regenerator strömt, an Temperatur abnimmt, indem zusätzliches, durch das mit der erwähnten Lei tung in Wirkungsverbindung stehende Ventil strö mendes Fluidum zugeführt wird,
wobei die herab gesetzte Temperatur höher ist als die Temperatur des Fluidums vor der Kompression im zusätzlichen Raum und im wesentlichen gleich der Temperatur des durch den erwähnten Regenerator wiedererwärmten Flui dums nach seiner Expansion im zusätzlichen Raum.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beispielsweise erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1-4 vereinfachte schematische Darstellungen einer Ausführungsform der neuen Einrichtung, wo bei die vier Stufen des Arbeitsverfahrens illustriert sind, Fig. 5 eine schematische Darstellung des Tempe- raturverlaufes, Fig. 6 eine typische Folge von Arbeitsgängen bei der Durchführung des Verfahrens, und zwar zeigt das obere Diagramm die Auf- und Abwärtsbewe gung des Verdrängers,
das mittlere Diagramm die Bewegung des Einlassventils und das unterste Dia gramm diejenige des Auslassventils, aufgetragen über einen Umgang der Verdrängernocke als Abszisse, Fig. 7 eine beispielsweise Ausführungsform der Einrichtung, bei welcher Mehrfach-Verdränger ver wendet werden, Fig. 8 eine schematische Darstellung einer wei teren beispielsweisen Ausführungsform der Einrich tung teilweise im Vertikalschnitt, Fig. 9 einen Querschnitt durch die Einrichtung gemäss Fig.8,
nach der Linie 9-9 der Fig.8. Fig. 10 und 11 illustrieren die Verwendung von externen Wärmeaustauschem in Verbindung mit der Variante gemäss Fig. 7, Fig. 12 die Verwendung von Wärmestationen in Verbindung mit der Einrichtung gemäss Fig. 7, Fig. 13 einen Querschnitt durch eine beispiels weise Ausführungsform einer Wärmestation nach der Linie 13-13 der Fig. 15,
Fig. 14 einen Querschnitt durch eine andere bei spielsweise Ausführungsform einer Wärmestation nach der Linie l4-14 der Fig. 12, Fig. 15 eine Variante der Einrichtung gemäss Fig. 12, Fig. 16 eine beispielsweise Ausführungsform des unteren Verdrängerteiles und Fig. 17 eine beispielsweise Ausführungsform des unteren Endes der Innenseite der Zylinderwand.
Zur Erleichterung der Beschreibung des Arbeits zyklus gemäss der Erfindung ist die Anlage in den Fig. 1-4 in vereinfachter Form dargestellt. Die spä tere Beschreibung und Diskussion der Ausführungs varianten der Anlage werden dieselbe im Detail er läutern.
Im Zylinder 10 (Fig. 1) ist ein Verdränger 12 untergebracht, der durch geeignete Mittel, z. B. durch eine Stange 15 oder dergleichen betätigbar ist, welch letztere durch den Zylinderboden hindurch nach aussen geführt ist. Bei einer Verschiebung des Ver- drängers in vertikaler Richtung werden Kammern 14 und 16 gebildet, deren Volumen eine Funktion der Stellung des Verdrängers 12 ist.
Eine Quelle oder ein Vorratsbehälter 18 für ein Hochdruckgas ist durch Leitungen 20 und 21 mit der ersten, bzw. oberen Kammer 14 im Zylinder 10 verbunden. Die Leitung 20 wird durch ein Ventil 22 beherrscht. In ähnlicher Weise ist ein Nieder druckbehälter 24 durch eine Leitung 26, in welche das Ventil 28 eingesetzt ist und die Leitung 21 mit der oberen Kammer 14 und durch eine Leitung 32 mit dem Regenerator 30 verbunden. Der untere Teil des Regenerators 30 ist durch eine Leitung 33 mit der zweiten oder unteren Kammer 16 im Zylinder 10 verbunden.
Zwischen dem Hochdruckvorratsbehälter und dem Niederdruckvorratsbehälter 18 bzw. 24 ist ein Kompressor 25 angeordnet, der durch eine Lei tung 27 mit den fraglichen Behältern in Verbindung steht. Die im dargestellten System erzeugte Kälte kann durch irgendwelche geeignete Mittel, z. B. durch eine Rohrschlange 35, abgeführt werden.
Bei anderen beispielsweisen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl von Verdrängern verwendet wer den (Fig. 7) oder der Regenerator 30 kann im mitt leren Teil des Verdrängers untergebracht sein (Fig. 8 und 9). Bei Verwendung der beschriebenen und in den Fig. 1-4 dargestellten Anlage können, wie sich aus den Diagrammen gemäss den Fig. 5 und 6 ergibt, vier Verfahrensstufen unterschieden werden.
Diese Stufen werden im folgenden im einzelnen genau be schrieben, und zwar sowohl unter Bezugnahme auf die Art und Weise des Beginnes des Kälteerzeugungs- vorganges, wie auch unter Bezugnahme auf die Art und Weise, in welcher dieser Vorgang weitergeführt wird.
Während der ersten Verfahrensstufe (siehe Fig. 1) befindet sich der Verdränger in der untersten Stellung, d. h. die erste oder obere Kammer 14 weist ihr ma ximales Volumen auf. In dieser Stufe wird das Ventil 22 geöffnet, damit Hochdruckfluidum in die Kam mer 14 strömen und das darin befindliche Nieder druckgas komprimieren kann, worauf später, bei Be schreibung der vierten Verfahrensstufe zurückzukom men sein wird. Bei der Kompression des Gases in der Kammer 14 wird Wärme erzeugt.
Dies ist in Fig. 5 dargestellt, aus der ersichtlich ist, dass die Tempera tur TSE des in das System eintretenden Gases auf die nach der Kompression vorhandene Temperatur T,. gehoben wird.
Aus der die Bewegungen der verschiedenen be weglichen Teile darstellenden Fig. 6 ist .ersichtlich, dass bei einem typischen Arbeitszyklus der Verdrän- ger während der ersten Verfahrensstufe etwa über 70 der Drehbewegung des Verstellnockens verscho ben wird. Das Einlassventil 22 (Fig. 1) wird so ge öffnet, dass ein im wesentlichen konstanter Zustrom von Fluidum aus dem Hochdruckbehälter 18 erfolgt.
Während der zweiten Verfahrensstufe (Fig. 2) wird Gas in den unteren, kälteren Teil des Zylinders übergeführt. Während dieses Schrittes wird der Ver- dränger 12 mit einer im wesentlichen konstanten Ge schwindigkeit (siehe Fig. 6) nach oben bewegt und das heisse komprimierte Gas wird durch die Leitung 32 in den Regenerator 30 ausgestossen.
Gleichzeitig strömt weiter Hochdruckgas aus dem Hochdruckvor- ratsbehälter 18 zu, indem das Ventil 22 auch wäh rend dieser Stufe offenbleibt (siehe Fig.6). Diese zusätzliche Zufuhr von Hochdruckgas zu dem heissen komprimierten Gas erfolgt an einer Stelle, die hinter der Stelle liegt, an welcher das letztere die obere Kammer 14 verlässt. Diese zusätzliche Gaszufuhr er folgt bei Raumtemperatur und bewirkt daher eine Abkühlung des heissen komprimierten Gases auf eine Zwischentemperatur TRE (siehe Fig. 5).
Mit dieser Temperatur, welche über der Raumtemperatur TSE aber unter der Temperatur TO liegt, tritt das Gas in den R-.generator ein. Bei der Inbetriebsetzung der Einrichtung weist das den Regenerator durch die Lei tung 33 verlassende Gas etwa Raumtemperatur auf. Wenn sich hingegen das Verfahren in vollem Lauf befindet, weist das den Regenerator verlassende Gas eine wesentlich niedrigere Temperatur TRO (siehe Fig. 5) auf.
Die zusätzliche Zufuhr von Hochdruckgas wäh rend dieser Verfahrensstufe ist nötig, um den Verlust an Gasvolumen des den Regenerator verlassenden Gases auszugleichen. Dieser Verlust ist bedingt durch das Abkühlen des Gases und durch seine nachfol gende Verdichtung. Diese zusätzliche Zufuhr von Hochdruckgas sorgt somit dafür, dass in dem System ein im wesentlichen konstanter Druck vorhanden ist.
Überdies wird eine gründliche Mischung dadurch bewirkt, dass das zusätzlich zugeführte Fluidum, wel ches Raumtemperatur besitzt, hinter der Stelle zu geführt wird, an welcher das heisse komprimierte Fluidum die obere Kammer 14 des Zylinders ver lässt. Dies ist für ein wirksames Arbeiten des Rege- nerators wesentlich, da die Einführung eines Gases, dessen Temperatur abnimmt, zu Verlusten hinsicht lich des thermischen Wirkungsgrades führt.
Bei Beginn der dritten Verfahrensstufe (Fig. 3) ist das Einlassventil 22 geschlossen, um die Zufuhr von Hochdruckgas sofort und vollständig zu ver hindern. Gleichzeitig wird das Auslassventil 28, wel ches das System mit dem Niederdruck-Vorratsbehäl- ter verbindet, langsam und allmählich geöffnet (siehe Fig. 6), damit das expandierte abgekühlte Gas, wel- ches in den unteren Teil des Regenerators eintritt, bei im wesentlichen konstanter Temperatur eintritt.
Auch dies ist für ein wirksames Arbeiten des Rege- nerators wesentlich.
Während der dritten Verfahrensstufe wird der Verdränger, der während der zweiten Stufe mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit angehoben wurde (siehe Fig. 6), während etwa 110-120 der Verdränger-Nockenumdrehung in dieser Lage gehal ten. Das bedeutet anderseits, dass die untere oder zweite Kammer 16 während der dritten Stufe ihr maximales Volumen erreicht und dass das den Rege nerator verlassende, abgekühlte Gas in die Kammer 16 eintritt und darin durch Expansion weiter ab gekühlt wird. Dies ist aus Fig. 5 ersichtlich, wo die kälteste oder Endtemperatur mit TOO bezeichnet ist.
Am Ende der dritten Stufe ist das Ventil 28 gegen den Niederdruck-Vorratsbehälter voll geöffnet. In folgedessen strömt das kalte expandierte Gas nach oben durch den Regenerator, wobei es Wärme in dem Ausmass aufnimmt, dass es den Regenerator im wesentlichen mit der gleichen Temperatur verlässt, mit welcher das Gas eingeführt wird.
Während der vierten Verfahrensstufe (Fig. 4) wird das Gas durch den Niederdruckbehälter zurück geführt, während sich der Verdränger abwärts be wegt. Dadurch wird das Gas nach oben durch den Regenerator gedrückt, wo ein Teil desselben in die obere oder erste Kammer 14 eintritt. Der Rest strömt in den Niederdruck-Vorratsbehälter. Das Ventil 28 bleibt während dieser Verfahrensstufe offen. Am Ende der Stufe wird es geschlossen, während das die Strömung des Hochdruckgases beherrschende Ventil 22 zu Beginn des Zyklus teilweise geöffnet wird (siehe oben, Beschreibung der Stufe 1).
Während der vierten Stufe wird der Verdränger mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit nach unten bewegt (siehe Fig. 6), wodurch .praktisch alles kalte Gas aus der Kammer 16 durch den Regenerator 30 gedrückt wird.
Das den Regenerator und damit auch das System verlassende Gas, das in den Kreislauf zurückgebracht werden soll, besitzt die Temperatur TsO (siehe Fig. 5), welche, wie ersichtlich, im wesentlichen gleich derjenigen ist, mit welcher das Gas in den Regenera- tor eintritt und welche höher ist als diejenige, mit welcher es in das System eingeführt wurde. Die durch den erwähnten Prozess herbeigeführte Abküh lung kann daher durch die Differenz TSO-TSE aus gedrückt werden.
Das das System verlassende Gas weist somit eine höhere Temperatur auf als das ein tretende Gas, was auch dadurch zum Ausdruck kommt, dass die Rückführleitung sich warm anrüh ren lässt. Die aus dem System abgeführte Arbeit, d. h. die Kälteerzeugung, entspricht dem Temperatur unterschied zwischen .dem in das System ein- und aus demselben austretenden Gas.
Am Ende der vierten Stufe hat die obere Kam mer 14 wieder ihr maximales Volumen erreicht. Sie enthält Niederdruckgas und der ganze Arbeitszyklus kann nun von neuem beginnen.
Es ist klar, dass der in Fig. 5 angegebene Tem peraturverlauf die mittleren Temperaturen angibt, die während eines Arbeitsprozesses erreicht werden. Es wird aber beispielsweise ein Teil des expandierten Fluidums mit einer über Tco liegenden Temperatur zum Regenerator zurückfliessen, während ein anderer Teil mit einer unter TCo liegenden Temperatur zu rückströmen wird.
Es ergibt sich aus der Beschreibung des Arbeits prozesses, dass es während den Stufen 1 und 3 nötig ist, dass sich der Verdränger zuerst in seiner untersten und dann in seiner obersten Stellung befindet, um einen praktisch konstanten Gasstrom zu erhalten. Im weiteren ist es wichtig, dass während der Kompression zusätzliches Hochdruckgas zugeführt wird, um ein Arbeiten bei im wesentlichen konstantem Druck<B>zu</B> erreichen.
Sodann ist es wichtig, das zusätzliche Hoch druckgas an einer Stelle und in einer Weise zuzufüh ren, dass der Wirkungsgrad des Regenerators ein Maximum wird. Schliesslich müssen die Ventile in der erwähnten Weise betätigt werden, um den beschrie benen Arbeitsprozess durchführen zu können.
Die Fig. 7, 8 und 9 illustrieren zwei beispielsweise Ausführungsformen einer Einrichtung, die zur Durch führung des oben beschriebenen Arbeitsprozesses ver wendet werden kann.
Die Fig. 7 zeigt, wie das Verfahren mit einer Kälteerzeugungsanlage durchgeführt werden kann, welche mehrere Verdränger aufweist, die je in einem getrennten Zylinder arbeiten. Die in Fig. 7 dar gestellte Einrichtung umfasst ein Gehäuse 36 mit einem rohrförmigen Kopfteil 37 und zwei rohrförmi- gen oder zylindrischen Teilen 38 und 39. Diese letz teren besitzen verschiedene Durchmesser und er strecken sich vom Kopfteil 37 weg nach unten.
An statt zwei Verdrängem, wie in Fig. 7 dargestellt, könnte natürlich auch eine grössere Anzahl vorgese hen sein. Die Fig. 10, 11 und 12 illustrieren bei spielsweise die Verwendung von drei Verdrängern.
Der Kopfteil 37 ist durch einen Deckel 40 ab geschlossen. Darunter und innerhalb des Gehäuses 36 befindet sich das Kopfstück 42, von welchem weg sich zwei (bei anderen Beispielen mehr) Ver- dränger 43, 44 nach unten erstrecken. Dieselben füh ren in den Zylindern 38 und 39 eine auf und ab gehende Bewegung aus. Die Verdränger 43, 44 sind durch Kopfschrauben 45 einzeln am Kopfstück 42 befestigt. Diese Schrauben verlaufen durch Löcher des Kopfstückes, die um ein geringes grösser sind als die Schrauben.
Dies ermöglicht eine radiale Verstel lung der Verdränger und ein automatisches Ausrich ten derselben in den Zylindern 38 und 39.
Das Kopfstück 42 passt ziemlich satt in den rohr- förmigen Kopfteil 37 und bildet in letzterem die obere Kammer 46. Diese obere Kammer entspricht der ersten oder oberen Kammer 14 der Fig. 1-4. In diese erste Kammer führt eine Hauptleitung 50. Die das Hochdruckfluidum zuführenden und die das Nieder- druckfluidum abführenden Leitungen können direkt mit der Kammer 46 kommunizieren.
Bei der in Fig. 7 dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird die Verbindung mit der oberen Kammer 46 durch- eine Leitung 43' hergestellt, welche durch die Hauptlei tung 50 führt. Diese Anordnung ermöglicht ein bes seres Vermischen und damit, wie oben erwähnt, einen höheren Wirkungsgrad. Bei der Einrichtung gemäss Fig." 7 wird das Hochdruckfluidum aus einem Vor ratsbehälter durch eine Leitung 41 zugeführt, die ihrerseits durch ein Ventil 34 beherrscht wird. Dieses letztere entspricht dem Ventil 22 der Fig. 1-9.
Das Niederdruckfluidum wird durch eine Leitung 42' ab geführt, welche durch das Ventil 35' beherrscht wird. Letzteres entspricht dem Auslassventil 28 der Fig. 1 bis 4.
Die Verdränger, zusammen mit den Zylindern, in welchen sie sich bewegen, bilden die Kühlkam mern 47 und 48. Die Kammer 48 besitzt bei allen Stellungen der Verdränger ein kleineres Volumen als die Kammer 47. Dies ist auf den Unterschied der Zylinderquerschnitte zurückzuführen. Die beiden Kammern 47 und 48 entsprechen der zweiten oder unteren Kammer 16 der Fig. 1-4. Die Kühlkam mern sind durch Dichtungsringe 49 gegen die obere Kammer 46 abgedichtet. Diese Dichtungsringe ar beiten im wesentlichen bei Raumtemperatur, wie spä ter noch erläutert werden wird.
Unterhalb den Dich tungsringen 49 können die Verdränger 43 und 44 einen leicht verminderten Durchmesser aufweisen. Dadurch wird ein Ringraum gebildet, der durch die Zylinderwände 38 und 39 sowie die Verdränger 43 und 44 begrenzt ist. Dadurch wird bei der Auf- und Abbewegung der Verdränger ein Wärmeübergang zwischen den letzteren und den fraglichen Wänden vermieden. In Variante können auch Verdränger von einander gleichen Durchmessern vorgesehen werden.
Die Verbindung zwischen der oberen Kammer 46 und den Kühlkammern 47, 48 erfolgt durch die Leitung 50 und die Zweigleitungen 51, 52, welch letztere in die Kühlkammern münden. In dem durch die Leitung 50 gebildeten Strömungsweg des Flui dums sind zwei thermische Speicher 53 und 54 an geordnet. Dieselben sind zweckmässig Regeneratoren reit übereinander angeordneten Kupfer- oder Bronze- Gittern oder gelochten Scheiben aus einem Metall mit hoher Wärmekapazität und welche den Durchfluss des Fluidums zulassen.
Wie ersichtlich, ist der Regenera- tor 53 im Strömungsweg vor der Zweigleitung 51 angeordnet. Der Regenerator 54 ist in analoger Weise zwischen den Zweigleitungen 51 und 52 angeordnet. Das die Kühlkammer 47 verlassende Fluidum strömt somit durch den Regenerator 53, während das die Kühlkammer 48 verlassende Fludium durch beide Regeneratoren 54 und 53 strömt.
Nicht dargestellte Mittel bewirken die Bewegung des Kopfstückes 42 vermittels der Stange 58.
Es ist klar, dass das Gehäuse, die Leitungen und die Regeneratoren unterhalb der Kammer 46 in eine geeignete Isolation eingehüllt sind. Es ist auch bei allen Ausführungen der Einrichtung zweckmässig, denjenigen Teil der Anlage, die auf der Raumtem peratur und darunter gehalten werden soll, zu isolie ren. In der Zweigleitung 52 ist ein geeigneter Wärme austauscher 55 angeordnet. Diese Zweigleitung 52 kommt von der Kammer 48 und erläubt die Ver wendung der erzeugten Kälte durch Wärmeaustausch mit einem geeigneten Wärmeübertragungsmedium, das durch die Leitungen 56 und 57 zu- bzw. ab geführt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren, so wie es in der mehrere Verdränger aufweisenden Einrichtung gemäss Fig. 7 durchgeführt wird, soll nunmehr be schrieben werden.
Die Verdränger 43 und 44 befinden sich in Fig. 7 in derjenigen Lage, welche- sie entweder während der dritten oder zu Beginn der vierten Verfahrensstufe einnehmen (siehe Fig. 3 und 4). Zu Beginn des Ar beitsprozesses, d. h. zu Beginn der Verfahrensstufe 1, befinden sich die Verdränger 43 und 44 in ihrer unteren Lage. Das Ventil 34 ist offen und das Ven til 35' ist geschlossen. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass geeignete Mittel vorgesehen sind, um die Ventile 34 und 35' zu betätigen.
Es können beispielsweise Nocken verwendet werden, wie sie in Verbindung mit der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform beschrieben sind. Selbstverständ lich können verschiedene Ventilarten verwendet wer den, um die Strömung des Fluidums entsprechend den Anforderungen des neuen Kälteerzeugungsver- fahrens zu regeln.
Wenn sich das Einlassventil 34 langsam zu öff nen beginnt, wird das am Ende des Zyklus in -der oberen Kammer 46 aufgespeicherte Niederdruckgas durch das durch die Leitung 50 eintretende Hoch druckgas komprimiert. Die Temperatur des Gases in der Kammer 46 -wird durch die Kompression geho ben, wie dies oben in Verbindung mit Fig. 5 erläutert worden ist. Nachdem der Druck bis auf denjenigen des Hochdruck-Vorratsbehälters gesteigert worden ist, beginnen sich die Verdränger anzuheben. Damit be ginnt die zweite Verfahrensstufe.
Während der zweiten Verfahrensstufe wird -das erwärmte Gas aus der Kammer 46 verdrängt. Wenn es durch die Leitung 50 austritt, wird es mit einer zusätzlichen Menge von Hochdruckgas vermischt. Dies deshalb, weil das Ventil 34 während dieser zwei ten Verfahrensstufe immer noch offen ist. Das Gas befindet sich dann auf einer Temperatur, die zwi schen derjenigen des in das System eintretenden Hochdruckgases und derjenigen des heissen kompri mierten, die Kammer 46 verlassenden Gases liegt; es strömt durch die Leitung 50 und durch die Rege neratoren 53 und 54, in welchen Wärme aufgespei chert wird.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 7 tritt ein Teil des Gases -in die Kühlkammer 47 und der ver bleibende Teil in die Kammer 48 ein. In diesen Kam mern expandiert sich das Gas und es kühlt sich ab. Das in der Kühlkammer 47 befindliche Gas verlässt die letztere durch die Leitung 51 und den Regenera- tor 53, während das aus der Kühlkammer 48 kom mende Gas durch den Regenerator 54 zurückströmt.
Wenn sich die Verdränger nach unten bewegen, wird das weiter abgekühlte Gas in den Kühlkam mern durch die Regeneratoren zum Niederdruckbe- hälter-Ballast, und zwar zweckmässig direkt über die Leitung 50 und ohne Durchleitung durch die Kam mer 46.
Beim Durchgang durch die Regeneratoren kühlt das Gas dieselben ab, obwohl das obere Ende des Regenerators 53 in der Nähe der Temperatur bleibt, welche das dem Regenerator zugeführte Gas aufweist. Diese Temperatur liegt zwischen derjenigen des Ga ses nach erfolgter Kompression in der oberen Kam mer und derjenigen des zugeführten Hochdruckgases.
Nachdem das System in Betrieb war und sich ab- gekühlt hat, wird in die Kühlkammer 47 strömendes Gas nur durch einen Regenerator 53 abgekühlt, wäh rend das in die Kühlkammer 48 eingeführte Gas durch beide Regeneratoren 53 und 54 gekühlt wird. Die Kammer 48 wird nach einigen wenigen Zyklen eine Temperatur aufweisen, die niedriger ist als die jenige in der Kammer 47.
Diese Temperaturdifferenz wird zunehmen, bis die Betriebsbedingungen einen Gleichgewichtszustand erreichen, d. h. bis die thermi- schen Verluste plus Kältebelastung gleich der Kühl wirkung während eines jeden Zyklus ist. Wenn der Gleichgewichtszustand erreicht worden ist, ist durch die. Regeneratoren ein Temperaturgradient vorhan den. Das obere Ende des Regenerators 53 befindet sich über der Bezugs- oder der massgebenden Tem peratur, d. h. auf etwa 300 K. Das untere Ende des Regenerators 54 weist die niedrigste Temperatur auf, z. B. 15 und 80 K, wenn Helium als Fluidum verwendet wird.
Wenn, wie in den Fig. 7 und 10-12 dargestellt, mehrfache Verdränger verwendet werden, kann es wünschenswert sein, die den niedrigsten Temperatu ren ausgesetzten Verdränger anders auszubilden. Bei spielsweise kann der Regenerator 54 gemäss Fig. 7 und Regenerator 134 gemäss den Fig. 10-12 so kon struiert werden, dass .anstelle der aufeinander gesta pelten Kupfer- oder Bronzegitter kleine Bleikugeln, z.
B. von 0,25 bis .0,75 mm Durchmesser als Füll material verwendat werden. Die erwähnten Kupfer- und Bronzegitter werden dagegen für Regeneratoren bevorzugt, welche auf etwas höheren Temperaturen gehalten werden. :Im allgemeinen, wenn Temperatu ren unter 50 K in den Regeneratoren auftreten, werden die Bleikugeln als -Füllmaterial vorgezogen, weil das Blei im Bereich von .etwa 15-50 K eine hohe Wärmekapazität aufweist.
Durch Anordnung einer Mehrzahl von Verdrän- gern und Zylindern kann der erfindungsgemässe Ar beitszyklus wirksamer gestaltet werden. Die Einrich tung gemäss Fig. 7 -hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Dichtungsringe 49 bei Raumtemperatur -arbeiten können -und -die Verdränger so montiert sind, dass sie sich selbst einstellen können.
Die Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Ausfüh rungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Der Arbeitszyklus, nach welchem die Einrichtung gemäss Fig. 8 arbeitet, ist derjenige nach den Fig. 1-4 und 7.
Die Einrichtung gemäss Fig. 8 kann auch so 'be trieben werden, dass sich die Arbeitsvorgänge gemäss Fig. 6 abspielen und der Temperaturverlauf der Dar stellung in Fig. 5 entspricht. Dies geschieht dadurch, dass die Stellungen der Ventile V1 und V2 (siehe Hauptpatent Nr. 376945) in bezug auf die Verdrän- ger 61A, 61B und 61C entsprechend gesteuert wer den.
Da die übrigen Teile im wesentlichen die glei chen sind wie die in Fig. 5 des Hauptpatentes Nr. 376945 dargestellt, mit Ausnahme des thermi schen Speichers 73, wird bezüglich einer detaillier ten Offenbarung auf das Hauptpatent verwiesen.
Der thermische Speicher 73 (Fig. 8) verbindet die obere Kammer 67 mit den Expansionskammern. Die Regeneratoren 73 sind einfachheitshalber als offene Räume dargestellt, aber sie enthalten selbst verständlich ein Speichermaterial, welches den grössten Teil der fraglichen Räume einnimmt. Auf einer Seite ist die Kammer 67 mit Öffnungen 74, 75 versehen, welche über Leitungen 76 und 77, die ih rerseits durch Ventile 78 und 79 beherrscht werden, mit einem Hochdruck-Ausgleichbehälter 80 und einem Niederdruck-Ausgleichbehälter 81 kommunizieren.
Der Hochdruckbehälter 80 entspricht dem Behälter 18 der Fig. 1, und er kann irgendeine geeignete Quelle für ein Arbeitsfluidum, z. B. Heliumgas, sein, das unter Druck steht und Raumtemperatur auf weist. Der Niederdruckbehälter 81 entspricht dem Behälter 24 in Fig. 1 und kann irgendein Raum oder eine Niederdruckquelle sein.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich, sind die Hoch- und Niederdruckquellen mit einem Kompressor 82 ver sehen. Derselbe ist mit dem Niederdruckbehälter ver bunden und steht über einen Kühler 83 und einen Reiniger 84 mit dem Hochdruckbehälter 80 in Ver bindung. Der Kühler 83 führt die durch den Kom pressor 82 erzeugte Kompressionswärme ab.
Wie schematisch in Fig. 8 dargestellt, koordiniert ein durch einen Motor 86 angetriebenes Schwungrad 85, das durch irgendwelche geeignete, durch die ge strichelte Linie 87 angedeutete mechanische Mittel mit den Nocken 88 und 89 verbunden ist, die Hin- und Herbewegung der Verdrängerstange 65 und der Verdränger 61 mit der Bewegung der Nocken 88 und 89. Diese letzteren öffnen und schliessen die Ventile 78 und 79 über die Betätigungsorgane 92, 93, um so die gewünschte festgelegte Strömung des Fluidums zu erreichen.
Es sind getrennte Ventile 78 und 79 dargestellt. Es ist aber selbstverständlich, dass ein einziges Ventil die Funktion der beiden Ventile 78 und 79 ausführen kann.
Nützliche Kälte kann direkt von der Bodenwan dung abgeleitet werden. Zweckmässig wird jedoch ein Wärmeübertragungsfluidum durch die Rohrschlange 94 geleitet, die in wärmeleitender Verbindung mit dem unteren Teil des Zylinders 67 steht. Dadurch wird in wirksamer Weise Wärme vom kalten Flui dum in der Kühlkammer 70 an das in den Wandun gen 94 zirkulierende Übertragungsmedium übertra gen.
Mit dem Kälteerzeugungsverfahren gemäss vor liegender Erfindung kann ein zusätzliches Wärme austauschsystem kombiniert werden, so dass noch niedrigere Temperaturen, z. B. bis zur Verflüssigung von Helium (4,2 K) erzielt werden können. Zwei Möglichkeiten, welche dies gestatten, sind in den Fig. 10 und 11 dargestellt, in welchen gleiche Hin weiszeichen auf entsprechende Teile der Anlage hin weisen.
Wie aus Fig. 10 ersichtlich, werden die äusseren Wärmeaustauscher in Verbindung mit einer Einrich tung nach Fig. 7 verwendet. Es sind in Fig. 10 drei parallele Verdränger vorgesehen. Der Arbeits- prozess ist der gleiche, wie er unter Bezugnahme auf die Fig. 7 beschrieben wurde.
Wie aus der schematischen Darstellung in Fig. 10 ersichtlich, sind ein Hochdruckbehälter 102 und ein Niederdruckbehälter 104 vorgesehen, zwischen wel chen ein Kompressor 106 vorgesehen ist. Die durch ein Ventil 110 beherrschte Leitung 108 führt Hoch- druckfluidum vom Hochdruckbehälter 102 über die Leitungen 113 und 136 in den Raum 111, der drei parallele Verdränger enthält. Das Ventil 110 ent spricht dem Ventil 34 in Fig. 7.
Die durch das Ven til 114 (welches Ventil 35' in Fig. 7 entspricht) be herrschte Leitung 112 führt zum Niederdruckbehälter 104 und führt das Niederdruckfluidum aus dem System ab. Die als Ganzes mit 115 bezeichnete pri märe Kälteerzeugungseinrichtung ist mit einem Kopf stück 116 versehen, von welchem weg sich drei zylindrische Verdränger 120, 121 und 122, die in Zylindern 123, 124 bzw. 125 arbeiten, nach unten fortsetzen.
Durch die vertikale Bewegung der Ver- dränger 120, 121 und 122 vermittels der Stange 118 und einen nicht dargestellten Motor werden in den entsprechenden Zylindern Expansionskammern 126, 127 und 128 gebildet. Es ergibt sich somit im we sentlichen eine Einrichtung, die mit derjenigen der Fig. 7 vergleichbar ist und drei Regeneratoren 130, 132 und 134 aufweist.
Jeder dieser drei Regenerato- ren ist in weiter unten näher beschriebener Weise in einem Weg so angeordnet, dass er während der Zu fuhr von Hochdruckgas zu den Expansionskammern 126, 127 und 128 Wärme bei kontinuierlich niedri geren Temperaturen speichern kann. Der Weg des zugeführten Hochdruckgases umfasst eine Leitung 136, welche eine direkte Verbindung zwischen den drei Regeneratoren bewerkstelligt.
Unter jedem der Regeneratoren zweigen von der Leitung 136 Zweig leitungen 138, 140 und 142 ab, welche die Leitung 136 mit den Kammern 126, 127 und 128 verbin den. über jeder Zweigleitung ist in der Leitung 136 ein Wärmeaustauscher 144, 146 bzw. 148 angeord net, bei welchem die Wärmeaustauschmedien durch eine feste Wand getrennt sind. Die andere Seite der Wärmeaustauscher wird weiter unten in Zusammen hang mit dem zusätzlichen Wärmeaustauschsystem be schrieben.
Zusätzlich zu dem im Arbeitsverfahren innerhalb des Mehrfachverdrängers 115 verwendeten Fluidum ist ein zusätzliches Wärmeaustauschsystem vorgesehen, welches Mittel umfasst, mit welchen ein Wärme austauschfluidum, z. B. Helium, abgekühlt werden kann, um die letzte Kälteerzeugung des Systems zu bewirken. Dieser zusätzliche Wärmeaustauschteil der Einrichtung umfasst eine Quelle von Wärmeübertra- gungs-Hochdruckfluidum, welches das gleiche sein kann, wie das Hochdruckkälteerzeugungsfluidum und das demzufolge der gleichen Quelle 102 (Fig. 11) entnommen werden kann.
Es kann aber auch eine besondere Quelle 150 für das Hochdruck-Wärme- übertragungsfluidum vorgesehen sein, wenn dieses letztere Fluidum ein anderes ist, als das Kälteerzeu- gungsfluidum (Fig. 10).
Entsprechend der in der Kältetechnik üblichen Terminologie wird das im Käl- teerzeugungssystem zirkulierende Fluidum als Kälte fluidum bezeichnet, während das im zusätzlichen Wärmeaustauschteil zirkulierende Fluidum als Wär- meübertragungsfluidum bezeichnet wird. Wie unten ersichtlich, können diese beiden Fluide identisch oder verschieden voneinander sein.
Die Fig. 10 zeigt eine Einrichtung, welche die Verwendung eines Wärmeübertragungsfluidums er möglicht, das von dem im Kälteerzeugungs-Kreislauf zirkulierenden Kältefluidum verschieden ist. Es sind demgemäss ein getrennter Hochdruckvorratsbehälter 150, ein getrennter Niederdruckbehälter 186 und ein Kompressor 192 vorgesehen. Aus dem Hochdruck behälter 150 wird Fluidum durch die durch das Ventil 153 beherrschte Leitung 152 abgeleitet. Dem Niederdruckbehälter wird Fluidum durch die durch ein Ventil 157 beherrschte Leitung 155 zugeführt.
Das Hochdruck-Wärmeübertragungsfluidum, von welcher Quelle es auch komme, tritt zuerst in den Hauptwärmeaustauscher 154, und zwar durch die Leitung 152, in welcher die nötigen, nicht dargestell ten Ventile angeordnet sein können. Der Haupt- wärmeaustauscher 154 bewirkt einen Wärmeaus tausch, bei welchem die Wärmeaustauschmedien durch eine feste Wand getrennt sind, z. B. durch ein von einem Kanal 158 umgebenes geripptes Rohr 156. Einfachheitshalber sind diese Teile in den Fig. 10 und 11 nur schematisch angedeutet.
Es kann aber auch entweder das Hochdruck- oder das Nie- derdruckfluidum durch ein geripptes Rohr geleitet werden, während das andere um das Rohr zirkuliert. Selbstverständlich kann irgendein Wärmeaustauscher verwendet werden, bei welchem sich die Medien nicht gegenseitig berühren. Das den Wärmeaustauscher 154 durch die Leitung 160 verlassende Fluidum wurde durch berührungsfreien Wärmeaustausch mit kaltem Niederdruckgas abgekühlt, worauf im folgenden noch eingetreten werden soll.
Das Abkühlen des Hochdruck-Wärmeübertra- gungsfluidums erfolgt weiterhin im Wärmeaustau- scher 144 durch Kälte, welche durch das in den Regenerator 130 eintretende und denselben verlas sende kalte Gas abgegeben wird.
Analog erfolgt eine weitere Abkühlung im Wärmeaustauscher 162, im Wärmeaustauscher 146 durch das kalte, in den Rege nerator<B>132</B> eintretende und denselben verlassende kalte Gas, im Wärmeaustauscher 164 und im Wärme- austauscher 148 durch kaltes Gas, das in den Regene- rator 134 eintritt und denselben verlässt.
Das Wärme übertragungsfluidum, welches den Wärmeaustauscher 148 durch die Leitung 166 verlässt, strömt schliess lich durch einen berührungsfreien Wärmeaustauscher 168 und von dort wird es durch eine Leitung 170 in eine Expansionsdüse, z. B. eine Joule-Thompson- Düse 172 geleitet, wo es expandiert und sich dabei weiter abkühlt. Im Behälter 174 kann es schliesslich in flüssiger Form gesammelt werden.
Ein Teil des endgültig abgekühlten oder verflüssigten Wärmeüber- tragungsfluidums kann aus dem Sammelbehälter 174 durch eine Leitung 176 entfernt und in einen geeig neten Vorratsbehälter 178 überführt werden.
Das verbleibende verflüssigte Wärmeübertragungsfluidum im Behälter 174 wird abgekocht (unter Verwendung eines Erhitzers <B>180,</B> wenn nötig) und das kalte Gas wird durch eine Leitung 182 aus dem Sammelbehäl- ter 174 geleitet und in umgekehrter Reihenfolge durch die Einrichtung geführt als das eingeführte Hochdruck-Wärmeübertragungsfluidum. So strömt das kalte Niederdruck-Wärmeübertragungsmedium, z. B. Helium, aus der Leitung 182, in die Wärme austauscher 168, 164 und 162, wobei das einströ mende Hochdruck-Wärmeübertragungsfluidum in der beschriebenen Weise gekühlt wird.
Schliesslich strömt das das System verlassende Niederdruck-Wärmeüber- tragungsfluidum durch die Leitung 184 und den Wärmeaustauscher 154 in den Niederdruckbehälter 186.
Die erforderlichen, in der Zeichnung nicht be sonders dargestellten Ventile sind selbstverständlich vorgesehen und derjenige Teil der Einrichtung, der von der gestrichelten Linie 190 umschlossen ist, wird durch geeignete Mittel isoliert, z. B. unter Verwen dung von Strahlungsplatten.
Fig. 11 illustriert eine geänderte Ausführungsform bei Verwendung eines zusätzlichen Wärmeaustausch systems. Die Variante gemäss Fig. 11 zeigt zuerst, wie das gleiche Fluidum als Wärmeübertragungsflui- dum wie auch 'als Kühlflüssigkeit verwendet werden kann, welche durch die Einrichtung zirkuliert. So kann z. B. Helium für beide Zwecke verwendet wer den. Bei dieser Ausführungsform können der Hoch druckbehälter 150, der Niederdruckbehälter 104 und der Kompressor 106 für beide Fluide verwendet werden.
Die zweite, in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform eliminiert die beiden Wärmeaustauscher 144 und 146 der Fig. 10. Zusätzlich ist dagegen eine durch ein Ventil 196 beherrschte Ablaufleitung 194 vorgese hen, welche eine Verbindung zwischen dem Kühl raum 128 und der Rückführleitung 182 herstellt. Dadurch kann kaltes Fluidum in die Rückführlei- tung eingeführt werden, um verflüssigtes Wärme übertragungsfluidum zu kompensieren, das aus dem Sammelbehälter 174 entfernt wurde.
Der Wärmeaus tausch im System wird damit ins Gleichgewicht ge bracht.
Beim Betrieb der Kälteerzeugungsanlage gemäss Fig. 11 erfolgt der Strom des Hochdruckfluidums aus dem Hochdruckvorratsbehälter 102 durch den Wärmeaustauscher 154, wie bei der Anlage gemäss Fig. 10. Das Weglassen der Wärmeaustauscher 144 und 146 der Fig. 10 bedeutet, dass das Hochdruck fluidum direkt durch die Wärmeaustauscher 162 und 164 strömt.
Es wurde jedoch als zweckmässig erach tet, den Wärmeaustauscher 148 beizubehalten, um das Hochdruck-Wärmeübertragungsfluidum durch berührungsfreien Wärmeaustausch mit dem kältesten Teil der Kühlflüssigkeit weiter zu kühlen, wenn es den Kühlraum 128 verlässt.
Das weitere Kühlen im Wärmeaustauscher 168, die Expansion und Verflüs sigung in der Joule-Thompson-Düse 172 und das Einsammeln. der Flüssigkeit im Gefäss 174 erfolgt in gleicher Weise wie in Verbindung mit Fig. 10 be schrieben.
Bei der Anlage gemäss Fig. 11 sind Massnahmen getroffen, um einen Teil des kältesten Kühlmediums in die Rückführung des Wärmeaustausch-Kreislaufes einzuführen, zum Zwecke, Wärmeverluste zu kom pensieren und jegliches Wärmeübertragungsfluidum auszugleichen, welches eventuell durch die Leitung 176 abgeführt wurde. Dies geschieht durch die Ab laufleitung 194.
Der Durchfluss durch dieselbe wird durch das Einwegventil 196 geregelt, welches das Einströmen von kaltem Kühlfluidum in die Rück- führleitung 182 ermöglicht und dadurch eine zusätz liche Abkühlung des einströmenden Hochdruck- Wärmeübertragungsfluidums bewirkt.
" Schliesslich ist in Fig. 11 noch ein Einwegventil 188 vorgesehen, welches es dem Niederdruck- Wärmeübertragungsfluidum ermöglicht, wieder in den Kreislauf einzutreten, welches aber jegliche Rück strömung in der Niederdruckseite -des Wärmeaustau- schers 154 verhindert.
Bei beiden Ausführungsformen mit einem zusätz lichen Wärmeaustauschsystem (sowie in Varianten, welche den in den Fig. 10 und 11 dargestellten äquivalent sind) ist es möglich, niedrigere Tempera- turen zu erreichen als mit dem Kühlsystem allein. In Einrichtungen gemäss den Fig. 10 und 11 wurde Helium mit Erfolg verflüssigt.
Das heisst natürlich, dass bei geeigneter Wahl des Kühlfluidums und des Wärmeübertragungsfluidums jedes Gas mit niedrigem Siedepunkt verflüssigt werden kann.
Die Fig. 12-17 zeigen Ausführungsformen, die entworfen wurden, um die Wirksamkeit des Verfah rens und der Anlage zu erhöhen. Diese Varianten weisen sogenannte Wärmestationen und Einweg- Absperrventile zur -wirksamsten Leitung des Flui dums auf. Weiterhin sind die kälteren Teile der Ver- drängerwand und die Innenseite der Zylinderwand mit einem Material belegt, welches bei den niedrig auftretenden Temperaturen eine hohe Wärmekapazi tät aufweist.
Die Verwendung von Wärmestationen ist in den Fig. 12-15 gezeigt. Fig. 15 zeigt Einweg ventile und Fig. 16 und 17 illustrieren das teilweise Belegen der Verdrängerwände und der Zylinder. In allen diesen Figuren bezeichnen die gleichen Hin weiszeichen die gleichen Elemente wie in den Fig. 10 und 11. Fig. 12 zeigt eine Wärmestation 200, die zwi schen dem Regenerator und der Zweigleitung 138 in den Strömungsweg geschaltet ist.
Der Zweck der Wärmestation ist, den Regenerator zu stabilisieren, in dem Temperaturschwankungen des Fluidums, wel ches der Oberseite des nächstfolgenden Regenerators 132 aus den Kühlkammern zugeführt wird, vermin dert werden. Die Verkleinerung dieser Temperatur schwankungen erhöht die Wirksamkeit der Regenera- toren ganz erheblich, indem in denselben ein richtiger Temperaturgradient erzeugt und aufrechterhalten wird. Ein hoher Wirkungsgrad der Regeneratoren ist besonders bei verhältnismässig kleinen Einrichtungen wichtig.
Die Wärmestationen können die in den Fig. 12, 13, 14 und 15 gezeigte Form aufweisen, d. h. sie können aus einem oder mehreren Abschnitten beste hen. Die einfachste Form besitzt die Wärmestation 200 der Fig. 15. Sie umfasst einen einzigen Ab schnitt, der als Regenerator ausgebildet ist, welcher durchwegs auf einer im wesentlichen konstanten Tem peratur gehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wärmestation aus einem Metall, bzw. aus Metallen hergestellt wird, welche bei niedrigen Tem peraturen, z. B. unter etwa 50 Kelvin, eine hohe Wärmekapazität aufweisen.
Der Abschnitt weist einen Durchlass für das Fluidum auf, der durch einen Sta pel von im Abstand voneinander angeordneten ge lochten Scheiben gebildet wird. Diese Scheiben sind wärmeleitend mit dem sie umgebenden Gehäuse ver bunden. Die Wärmestationen können aber auch einen Stapel von feinen Drahtsieben umfassen, welche Siebe aus einem Material bestehen, welches bei Tempera turen unter 50 K eine hohe Wärmekapazität auf weist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt.
Es ist ein Aluminium- oder Kupferblock 202 vorgesehen, welcher aufeinan- dergestapelte gelochte Kupferplatten 204 umfasst. Die Löcher weisen einen Durchmesser von etwa 0,25 bis 1,25 mm auf und die Platten sind durch Löten wärmeleitend verbunden. Ein solcher Block bildet einen Abschnitt. Mehrere derartige Abschnitte ihrer seits können, wie aus Fig. 13 ersichtlich, wärmelei tend verbunden sein; siehe auch die Wärmestation 203 in Fig. 15.
Derjenige Abschnitt, welcher an den Abschnitt angrenzt, durch welchen das Arbeits-Kühl- fluidum hindurchfliesst, kann mit einer Leitung 208 versehen sein, um das Wärmeübertragungsfluidum durch den Abschnitt zu leiten und um Kälte aus dem System abzuführen. Eine andere Ausführungsform einer Wärmesta tion, die zwischen den mit den älteren Kühlräumen in Verbindung stehenden Regeneratoren arbeiten kann, ist in Form der Wärmestation 201 in den Fig. 12 und 14 gezeigt.
Bei diesen Stationen dient ein Abschnitt als thermische Speicherfläche, und er kann zweckmässig durch einen festen Metallkörper 206, z. B. aus Blei, ausgebildet sein, der wärmeleitend mit dem Block der Wärmestationen verbunden ist. Dieser letztere seinerseits ist wärmeleitend mit einem anderen Abschnitt der Wärmestationen verbunden.
In der Einrichtung gemäss Fig. 12 kann bei einem typischen Arbeitsprozess, mit Helium als Kälteme dium im System, die Temperatur des Fluidums, wel ches das untere Ende des Regenerators 132 verlässt oder in dasselbe eintritt, etwa 35 K betragen, wäh rend das das untere Ende des Regenerators 134 ver lassende, bzw. in denselben eintretende Fluidum eine absolute Temperatur von etwa 15 K aufweisen kann.
Da der Bleiblock 206 in der Wärmestation bei diesen Temperaturen eine hohe Wärmekapazität aufweist, nimmt er rasch diese Temperatur an und dient dazu, die Temperatur des durch die Wärmestation strömen den Fluidums zu stabilisieren, weil ein Wärmeüber gang vom kompakten Bleiklotz zu den gestapelten Scheiben 204 stattfindet.
Der Wirkungsgrad der Regeneratoren kann da durch weiterhin erhöht werden, dass die Strömungs richtung durch die Wärmestation gesteuert wird. Die Fig. 15 zeigt, zwei Möglichkeiten, wie dies mit Ein weg-Absperrventilen erreicht werden kann. Die hier gezeigte Wärmestation 205 besteht aus drei Abschnit ten, von welchen zwei, nämlich die Abschnitte A und B, sich mit der Strömung des Kältefluidums befassen, während der dritte Abschnitt C Mittel vor sieht, um nötigenfalls Kälte abzuführen, nötigenfalls unter Verwendung eines Wärmeübertragungsflui- dums, das von aussen zugeführt wird.
Das den Rege nerator 130 durch die Leitung 136 verlassende Flui dum wird aufgeteilt. Ein erster Teil geht direkt durch die Leitung 210 und das Einwegventil 212 zum Kälteraum 126, während ein zweiter Teil über die Leitung 211, den Abschnitt B der Wärmestation und die Hauptleitung 136 zum Regenerator 132 geht. Das kältere expandierte Fluidum, welches den Kälteraum 126 verlässt, wird gezwungen, über die Leitung 214 und den Abschnitt A in die Hauptleitung<B>136</B> zurück zufliessen. Dadurch wird die Temperatur im Ab schnitt<I>A</I> stabilisiert. Desgleichen im Abschnitt<I>B,</I> da die beiden Abschnitte in wärmeleitender Verbin dung stehen.
Derjenige Teil des Fluidums, welcher in den Regenerator 132 eintritt, wurde somit nicht nur hinsichtlich seiner Temperatur stabilisiert, sondern er wurde im wesentlichen auf die gleiche Temperatur abgekühlt, wie das den Raum 126 verlassende Flui dum.
In analoger Weise kann das den Regenerator 132 verlassende Fluidum über die Leitung 216 das Ein- wegventil 218 und die Zweigleitung 140, sowie über den Abschnitt D der Wärmestation 203, die Leitung 220 und die Zweigleitung 140 in den Kälteraum 127 eintreten. Das Kältefluidum muss jedoch längs eines Weges zurückkehren, welcher durch die Wärmesta tion führt, so dass die Temperatur des durch den Re generator zurückkommenden Fluidums stabilisiert wird.
Das bedeutet seinerseits wieder, dass das Flui dum des nächsten Zyklus, welches das untere Ende des Regenerators 132 verlässt, nahezu die niedrigst- mögliche Temperatur aufweist. Schliesslich zeigen die Fig. 16 und 17 eine weitere Variante, durch welche denjenigen Teilen der Ver- dränger und der Zylinder, welche auf sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden müssen, d. h. auf Temperaturen unter etwa 50 K, bessere thermische Eigenschaften erhalten. Dies geschieht durch spezielle Ausbildung der Verdränger- und der Zylinderwände.
Auf Grund von praktischen und thermodynami schen Überlegungen werden die Verdränger, welche oben Raumtemperatur und unten eine niedrige Tem peratur aufweisen, und welche zweckmässig ein Mi nimum an Wärmemenge vom einen Ende zum an deren gelangen lassen sollen, aus Materialien her gestellt, welche sich leicht in die gewünschte Form formen lassen, welche einen minimalen thermischen Expansionskoeffizienten aufweisen und welche inner halb des Temperaturbereiches, dem sie ausgesetzt sind, eine sehr niedrige Wärmekapazität besitzen. Ein ge eignetes Material für die Herstellung der Verdränger ist z.
B. in dem dichten, mit Kunstharz imprägnierten faserigen Material, das unter der Bezeichnung Micarta bekannt ist.
Der Verdränger passt lose in den Zylinder und ist an seinem oberen Ende abgedichtet. Wenn also der Druck des Fluidums zu- und abnimmt, fliesst Fluidum in den Zwischenraum zwischen Verdränger und Zylinder und aus diesem Raum heraus. Im all gemeinen ist dieser Zwischenraum im Vergleich zum Expansionsvolumen verhältnismässig klein. Bei klei nen Einrichtungen kann er aber fast ebenso gross sein.
Das in diesem Zwischenraum auf- und abwärts fliessende Fluidum würde von den unteren, kälteren Teilen Wärme abführen und den Wirkungsgrad der Kälteerzeugungsanlage vermindern, wenn nicht die dämpfende Wirkung der Zylinderwände und der Ver- drängeroberfläche vorhanden wäre. Beim Aufwärts strömen durch diesen Zwischenraum wird das Flui dum erwärmt, indem es die Oberflächen von Ver- dränger und Zylinder kühlt.
Beim Abwärtsfliessen durch den erwähnten Zwischenraum wird das Flui dum durch Erwärmen dieser Oberflächen wieder ab gekühlt. Wenn das Fluidum in den Expansionsraum eintritt, besitzt es deshalb nahezu die Temperatur, die im Expansionsraum herrscht.
Diese Wirkung kann nicht auftreten,, wenn. die Wände des Zylinders und des Verdrängers keine nennenswerte Wärmekapazität aufweisen. Unter etwa 50 K besitzen die üblichen Konstruktionsmaterialien für den Zylinder (z. B. rostfreier Stahl) und für den Verdränger (z.
B. Micarta ) eine sehr kleine Wärme- kapazität. Um die Wärmekapazität bei einer niedri geren Temperatur zu erhöhen, werden in die Wand des Verdrängers oder in diejenige des Zylinders, oder in beide, Ringe oder Wendel aus Blei eingebettet, wie dies in den Fig. 16 und 17 dargestellt ist, weil nämlich Blei eine Wärmekapazität bei niedrigen Tem peraturen besitzt. Diese Ausführung ist nur dann nötig, wenn bei der Kälteerzeugung auf eine unter etwa 50 K liegende Temperatur gegangen werden muss.
Hierbei werden in die Aussenfläche des Ver- drängers 222 Ringe, Wendel oder Streifen 224 ein gebettet, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist. Das Blei wird so eingebettet, dass seine Oberfläche bündig mit derjenigen des Verdrängers ist; so dass eine glatte äussere Oberfläche erhalten wird. In die Innenwand des Zylinders 226 werden in gleicher Weise Ringe oder Wendel 228 eingebettet (Fig. 17).
Es ist im allgemeinen zweckmässig, denjenigen Teil der Ver- dränger und der Zylinder zu ändern, welche bei einer mehrzylindrigen Einrichtung gemäss den Fig. 12 und 15 über die Länge des kürzesten Zylinders hinaus ragen.
Aus der vorstehenden Erläuterung der Erfindung ergibt sich, dass ein neues Verfahren zur Expansion eines gasförmigen Mediums, z. B. zur Kälteerzeugung, und eine Einrichtung zu seiner Durchführung ge schaffen worden ist. Bei Verwendung eines Wärme austauschaggregates ermöglicht die Erfindung einen einfachen und wirksamen Weg, um Helium und alle niedrig siedenden Gase zu verflüssigen.
Die Einrichtung kann ebensogut einstufig oder mehrstufig betrieben werden. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die nur zum Zwecke der Illustration gezeigte Einrichtung be schränkt.