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.
Method for expanding a gaseous medium and device for carrying out the method The main patent relates to a method for expanding a gaseous medium by the Me medium at a given temperature and under high pressure through a line to a closed, enlargeable space is supplied, with a heat exchange takes place in the pipe walls, which results in an initial temperature change in the medium,
whereupon the supply of the medium under high pressure is interrupted and the medium contained in the space mentioned expands and is then expelled from the same. This method is characterized in that the supply of the high pressure medium to the space mentioned is maintained during the initial temperature change, the pressure of the medium being kept constant during the supply until a predetermined amount of the same has flowed into the space mentioned that the expansion of the medium then takes place with the work of the same,
wherein the medium in the room cools and that finally, during the expulsion of the medium from the room, a heat exchange takes place between the cooled medium and the line, whereby the initial temperature change in the medium is reversed.
The main patent also relates to a device for carrying out this process. This device is characterized in that a thermal regenerator is arranged in the supply line.
The present invention now relates to a further development of the method according to the main patent and the device for carrying out the same, wherein all the resulting work is obtained in the form of thermal energy and wherein the fluid leaving the system has a temperature which is higher than the one with which it enters the same.
Various refrigeration methods and devices for carrying them out are already known. Many such methods are based on the use of expansion machines or turbines. Others in turn provide for the use of complicated heat exchangers, while Wei tere (although somewhat simpler in design) provide for the use of tightly fitting pistons and sealing rings, which have to work at extremely low temperatures. As will become apparent from the following description, the method according to the present invention reduces the disadvantages of the known methods.
The method according to the present invention is characterized by the release of thermal energy outside an additional closed, enlargeable space, this thermal energy originating from the fact that the fluid, which cools down while expanding within the other closed, enlargeable space, is restored a temperature is heated which is above that at which it is introduced into the additional closed, expandable space.
The working cycle according to the present method can be referred to as a non-working cycle, since it is carried out in such a way that more sensible heat is removed from the system than is introduced by the cooling fluid.
The device according to the invention for performing the method is characterized by a movable member which is arranged both in the closed, enlargeable space and in an additional closed, enlargeable space, to which additional space a fluid coming from a high-pressure fluid source is fed through a valve can be, whose actuation is coordinated with that of the movable organ by control organs such that the valve during that part of the working cycle,
while wel chem the fluid is compressed in the additional space under the action of the movable member, is held in an at least partially open Stel ment, whereby the compressed Flui dum, when it flows through a line to a thermal regenerator's, decreases in temperature by additional fluid flowing through the valve that is operatively connected to the mentioned line is supplied,
wherein the lowered temperature is higher than the temperature of the fluid before compression in the additional space and substantially equal to the temperature of the fluid reheated by said regenerator after its expansion in the additional space.
The invention will now be explained with reference to the accompanying drawing, for example. 1-4 show simplified schematic representations of an embodiment of the new device, in which the four stages of the working process are illustrated, FIG. 5 shows a schematic representation of the temperature profile, FIG. 6 shows a typical sequence of operations when carrying out the Procedure, namely the upper diagram shows the up and down movement of the displacer,
the middle diagram, the movement of the inlet valve and the lowest diagram that of the outlet valve, plotted over a handling of the displacement cam as the abscissa, FIG. 7 an example embodiment of the device in which multiple displacers are used ver, FIG further exemplary embodiment of the device partly in vertical section, FIG. 9 shows a cross section through the device according to FIG.
along the line 9-9 of Figure 8. 10 and 11 illustrate the use of external heat exchangers in connection with the variant according to FIG. 7, FIG. 12 the use of heating stations in connection with the device according to FIG. 7, FIG. 13 a cross section through an exemplary embodiment of a heating station along line 13-13 of Fig. 15,
14 shows a cross section through another embodiment of a heating station along the line 14-14 of FIG. 12, FIG. 15 shows a variant of the device according to FIG. 12, FIG. 16 shows an example embodiment of the lower displacement part and FIG. 17 shows a for example embodiment of the lower end of the inside of the cylinder wall.
To facilitate the description of the work cycle according to the invention, the system is shown in Figs. 1-4 in a simplified form. The later description and discussion of the design variants of the system will explain the same in detail.
In the cylinder 10 (Fig. 1) a displacer 12 is housed, which by suitable means, for. B. is actuated by a rod 15 or the like, which latter is guided through the cylinder base to the outside. When the displacer is displaced in the vertical direction, chambers 14 and 16 are formed, the volume of which is a function of the position of the displacer 12.
A source or reservoir 18 for a high pressure gas is connected by lines 20 and 21 to the first and upper chambers 14 in cylinder 10, respectively. The line 20 is controlled by a valve 22. In a similar manner, a low pressure vessel 24 is connected by a line 26 into which the valve 28 is inserted and the line 21 to the upper chamber 14 and by a line 32 to the regenerator 30. The lower part of the regenerator 30 is connected by a line 33 to the second or lower chamber 16 in the cylinder 10.
Between the high pressure reservoir and the low pressure reservoir 18 and 24, a compressor 25 is arranged, which is through a Lei device 27 with the containers in question in connection. The refrigeration generated in the illustrated system may be by any suitable means, e.g. B. by a pipe coil 35, are discharged.
In other exemplary embodiments, a plurality of displacers can be used who (Fig. 7) or the regenerator 30 can be housed in the middle part of the displacer (Fig. 8 and 9). When using the system described and shown in FIGS. 1-4, as can be seen from the diagrams according to FIGS. 5 and 6, four process stages can be distinguished.
These stages are described in detail below, both with reference to the way in which the refrigeration process begins and with reference to the way in which this process is continued.
During the first process stage (see FIG. 1) the displacer is in the lowest position, i.e. H. the first or upper chamber 14 has its ma ximales volume. In this stage, the valve 22 is opened, so that high-pressure fluid can flow into the chamber 14 and compress the low-pressure gas located therein, which will be returned later when describing the fourth process stage. When the gas is compressed in the chamber 14, heat is generated.
This is shown in Fig. 5, from which it can be seen that the tempera ture TSE of the gas entering the system to the temperature T i present after compression. is lifted.
From FIG. 6, which shows the movements of the various moving parts, it can be seen that in a typical work cycle, the displacer is displaced during the first process stage by about 70% of the rotary movement of the adjusting cam. The inlet valve 22 (FIG. 1) is opened in such a way that there is an essentially constant inflow of fluid from the high-pressure container 18.
During the second process stage (Fig. 2), gas is transferred into the lower, colder part of the cylinder. During this step, the displacer 12 is moved upwards at a substantially constant speed (see FIG. 6) and the hot, compressed gas is expelled through the line 32 into the regenerator 30.
At the same time, high-pressure gas continues to flow in from the high-pressure storage container 18 in that the valve 22 also remains open during this stage (see FIG. 6). This additional supply of high pressure gas to the hot compressed gas takes place at a point which is located behind the point at which the latter leaves the upper chamber 14. This additional gas supply he follows at room temperature and therefore causes the hot compressed gas to cool to an intermediate temperature TRE (see FIG. 5).
At this temperature, which is above room temperature TSE but below temperature TO, the gas enters the R generator. When the device is put into operation, the gas leaving the regenerator through the line 33 is approximately room temperature. On the other hand, when the process is in full swing, the gas leaving the regenerator has a significantly lower temperature TRO (see FIG. 5).
The additional supply of high pressure gas during this process stage is necessary to compensate for the loss of gas volume of the gas leaving the regenerator. This loss is due to the cooling of the gas and its subsequent compression. This additional supply of high pressure gas thus ensures that there is an essentially constant pressure in the system.
In addition, thorough mixing is achieved in that the additionally supplied fluid, which is at room temperature, is supplied behind the point at which the hot, compressed fluid leaves the upper chamber 14 of the cylinder. This is essential for the regenerator to work effectively, since the introduction of a gas, the temperature of which decreases, leads to losses in terms of thermal efficiency.
At the beginning of the third process stage (FIG. 3), the inlet valve 22 is closed in order to immediately and completely prevent the supply of high pressure gas. At the same time, the outlet valve 28, which connects the system to the low-pressure storage container, is slowly and gradually opened (see FIG. 6) so that the expanded, cooled gas entering the lower part of the regenerator at substantially constant temperature occurs.
This is also essential for the regenerator to work effectively.
During the third process stage, the displacer, which was raised at a substantially constant speed during the second stage (see FIG. 6), is held in this position during approximately 110-120 of the displacement cam revolution. This means, on the other hand, that the lower or second chamber 16 reaches its maximum volume during the third stage and that the cooled gas leaving the regenerator enters chamber 16 and is further cooled therein by expansion. This can be seen from FIG. 5, where the coldest or final temperature is designated by TOO.
At the end of the third stage, the valve 28 is fully open to the low-pressure reservoir. As a result, the cold expanded gas flows up through the regenerator, absorbing heat to the extent that it leaves the regenerator at substantially the same temperature as that at which the gas is introduced.
During the fourth process stage (Fig. 4), the gas is fed back through the low-pressure vessel while the displacer moves downwards. This forces the gas upward through the regenerator where a portion of it enters the upper or first chamber 14. The rest flows into the low-pressure storage tank. The valve 28 remains open during this process stage. At the end of the stage it is closed while the valve 22 controlling the flow of high pressure gas is partially opened at the beginning of the cycle (see above, description of stage 1).
During the fourth stage, the displacer is moved downwards at a substantially constant speed (see FIG. 6), whereby practically all of the cold gas is forced out of the chamber 16 through the regenerator 30.
The gas leaving the regenerator and thus also the system, which is to be returned to the circuit, has the temperature TsO (see FIG. 5), which, as can be seen, is essentially the same as that at which the gas enters the regenerator occurs and which is higher than that with which it was introduced into the system. The cooling brought about by the process mentioned can therefore be expressed by the difference TSO-TSE.
The gas leaving the system is therefore at a higher temperature than the gas entering, which is also reflected in the fact that the return line can be touched warm. The work carried out of the system, i. H. The refrigeration corresponds to the temperature difference between the gas entering the system and the gas exiting the same.
At the end of the fourth stage, the upper chamber 14 has again reached its maximum volume. It contains low-pressure gas and the whole work cycle can now begin again.
It is clear that the temperature curve indicated in FIG. 5 indicates the average temperatures that are reached during a work process. For example, part of the expanded fluid will flow back to the regenerator at a temperature above Tco, while another part will flow back with a temperature below TCo.
It follows from the description of the work process that it is necessary during stages 1 and 3 that the displacer is first in its lowest and then in its uppermost position in order to obtain a practically constant gas flow. Furthermore, it is important that additional high-pressure gas is supplied during the compression in order to achieve operation at an essentially constant pressure.
Then it is important to supply the additional high pressure gas at one point and in a manner that the efficiency of the regenerator is a maximum. Finally, the valves have to be operated in the manner mentioned in order to be able to carry out the work process described.
7, 8 and 9 illustrate two exemplary embodiments of a device that can be used to carry out the work process described above ver.
FIG. 7 shows how the method can be carried out with a refrigeration system which has a plurality of displacers which each work in a separate cylinder. The device shown in FIG. 7 comprises a housing 36 with a tubular head part 37 and two tubular or cylindrical parts 38 and 39. The latter have different diameters and they extend downward away from the head part 37.
Instead of two displacers, as shown in FIG. 7, a larger number could of course also be provided. FIGS. 10, 11 and 12 illustrate, for example, the use of three displacers.
The head part 37 is closed by a cover 40 from. Below and inside the housing 36 is the head piece 42, from which two (in other examples more) displacers 43, 44 extend downward. The same lead ren in the cylinders 38 and 39 from an up and down movement. The displacers 43, 44 are individually fastened to the head piece 42 by head screws 45. These screws run through holes in the head piece that are slightly larger than the screws.
This enables a radial adjustment of the displacers and an automatic alignment of the same in the cylinders 38 and 39.
The head piece 42 fits fairly snugly into the tubular head part 37 and forms the upper chamber 46 in the latter. This upper chamber corresponds to the first or upper chamber 14 of FIGS. 1-4. A main line 50 leads into this first chamber. The lines supplying the high-pressure fluid and the lines discharging the low-pressure fluid can communicate directly with the chamber 46.
In the preferred embodiment shown in FIG. 7, the connection with the upper chamber 46 is established by a line 43 ′ which leads through the main line 50. This arrangement enables better mixing and thus, as mentioned above, higher efficiency. In the device according to FIG. 7, the high-pressure fluid is supplied from a storage container through a line 41, which in turn is controlled by a valve 34. The latter corresponds to the valve 22 of FIGS. 1-9.
The low-pressure fluid is passed through a line 42 'which is controlled by the valve 35'. The latter corresponds to the outlet valve 28 of FIGS. 1 to 4.
The displacers, together with the cylinders in which they move, form the cooling chambers 47 and 48. The chamber 48 has a smaller volume than the chamber 47 in all positions of the displacer. This is due to the difference in the cylinder cross-sections. The two chambers 47 and 48 correspond to the second or lower chamber 16 of FIGS. 1-4. The cooling chambers are sealed against the upper chamber 46 by sealing rings 49. These sealing rings work essentially at room temperature, as will be explained later.
Below the sealing rings 49 you can have the displacers 43 and 44 have a slightly reduced diameter. This forms an annular space which is delimited by the cylinder walls 38 and 39 and the displacers 43 and 44. As a result, a heat transfer between the latter and the walls in question is avoided when the displacer moves up and down. As a variant, displacers with identical diameters can also be provided.
The connection between the upper chamber 46 and the cooling chambers 47, 48 takes place through the line 50 and the branch lines 51, 52, the latter opening into the cooling chambers. In the flow path of the flui formed by the line 50, two thermal accumulators 53 and 54 are arranged. The same are expediently regenerators on copper or bronze grids arranged one above the other or perforated disks made of a metal with a high heat capacity and which allow the fluid to flow through.
As can be seen, the regenerator 53 is arranged in the flow path upstream of the branch line 51. The regenerator 54 is arranged between the branch lines 51 and 52 in an analogous manner. The fluid leaving the cooling chamber 47 thus flows through the regenerator 53, while the fluid leaving the cooling chamber 48 flows through both regenerators 54 and 53.
Means (not shown) cause the head piece 42 to move by means of the rod 58.
It is clear that the housing, lines and regenerators below the chamber 46 are encased in suitable insulation. It is also useful in all versions of the device to isolate that part of the system that is to be kept at room temperature and below. In the branch line 52, a suitable heat exchanger 55 is arranged. This branch line 52 comes from the chamber 48 and allows the use of the cold generated by exchanging heat with a suitable heat transfer medium which is fed in and out through the lines 56 and 57.
The method according to the invention, as it is carried out in the device having a plurality of displacers according to FIG. 7, will now be described.
The displacers 43 and 44 are in FIG. 7 in that position which they assume either during the third or at the beginning of the fourth process stage (see FIGS. 3 and 4). At the beginning of the work process, i. H. At the beginning of process stage 1, the displacers 43 and 44 are in their lower position. The valve 34 is open and the Ven valve 35 'is closed. In the following description, it is assumed that suitable means are provided to operate valves 34 and 35 '.
For example, cams as described in connection with the embodiment shown in FIG. 8 can be used. Of course, different types of valves can be used to regulate the flow of the fluid in accordance with the requirements of the new refrigeration process.
As the inlet valve 34 begins to slowly open, the low pressure gas stored in the upper chamber 46 at the end of the cycle is compressed by the high pressure gas entering through line 50. The temperature of the gas in the chamber 46 -will ben by the compression, as has been explained above in connection with FIG. After the pressure has been increased to that of the high-pressure storage container, the displacers begin to rise. This begins the second stage of the procedure.
During the second process stage, the heated gas is displaced from the chamber 46. As it exits through line 50, it is mixed with an additional amount of high pressure gas. This is because the valve 34 is still open during this second process stage. The gas is then at a temperature between that of the high pressure gas entering the system and that of the hot compressed gas leaving the chamber 46; it flows through line 50 and through the regenerators 53 and 54, in which heat is stored up.
In the arrangement according to FIG. 7, part of the gas enters the cooling chamber 47 and the remaining part enters the chamber 48. In these chambers, the gas expands and it cools down. The gas in the cooling chamber 47 leaves the latter through the line 51 and the regenerator 53, while the gas coming from the cooling chamber 48 flows back through the regenerator 54.
When the displacers move downwards, the further cooled gas in the cooling chambers is transformed into low-pressure container ballast by the regenerators, specifically directly via the line 50 and without being passed through the chamber 46.
As it passes through the regenerators, the gas cools them down, although the top of the regenerator 53 remains near the temperature of the gas fed to the regenerator. This temperature is between that of the gas after compression in the upper chamber and that of the high pressure gas supplied.
After the system has been in operation and has cooled down, gas flowing into the cooling chamber 47 is only cooled by a regenerator 53, while the gas introduced into the cooling chamber 48 is cooled by both regenerators 53 and 54. After a few cycles, the chamber 48 will have a temperature which is lower than that in the chamber 47.
This temperature difference will increase until the operating conditions reach equilibrium; H. until the thermal losses plus cold load equals the cooling effect during each cycle. When the state of equilibrium has been reached, it is through that. Regenerators have a temperature gradient. The upper end of the regenerator 53 is above the reference or the relevant Tem temperature, i.e. H. to about 300 K. The lower end of the regenerator 54 has the lowest temperature, e.g. B. 15 and 80 K, if helium is used as the fluid.
If, as shown in FIGS. 7 and 10-12, multiple displacers are used, it may be desirable to design the displacers exposed to the lowest temperatures differently. For example, the regenerator 54 according to FIG. 7 and regenerator 134 according to FIGS. 10-12 can be constructed so that instead of the stacked copper or bronze grids, small lead balls, e.g.
B. from 0.25 to .0.75 mm diameter are used as filling material. The copper and bronze grids mentioned are preferred for regenerators that are kept at slightly higher temperatures. : In general, when temperatures below 50 K occur in the regenerators, the lead balls are preferred as filling material, because the lead has a high heat capacity in the range of about 15-50 K.
The work cycle according to the invention can be made more effective by arranging a plurality of displacers and cylinders. The device according to FIG. 7 has the additional advantage that the sealing rings 49 can work at room temperature and the displacers are mounted so that they can adjust themselves.
8 and 9 show a further embodiment of a device for carrying out the method according to the invention. The working cycle according to which the device according to FIG. 8 works is that according to FIGS. 1-4 and 7.
The device according to FIG. 8 can also be operated in such a way that the work processes according to FIG. 6 take place and the temperature profile corresponds to the illustration in FIG. This is done in that the positions of the valves V1 and V2 (see main patent no. 376945) with respect to the displacers 61A, 61B and 61C are controlled accordingly.
Since the remaining parts are essentially the same as that shown in Fig. 5 of the main patent No. 376945, with the exception of the thermal memory 73, reference is made to the main patent for a detailed disclosure.
The thermal storage 73 (FIG. 8) connects the upper chamber 67 with the expansion chambers. The regenerators 73 are shown as open spaces for the sake of simplicity, but of course they contain a storage material which takes up most of the spaces in question. On one side, the chamber 67 is provided with openings 74, 75 which communicate with a high-pressure expansion tank 80 and a low-pressure expansion tank 81 via lines 76 and 77, which in turn are controlled by valves 78 and 79.
The high pressure vessel 80 corresponds to the vessel 18 of Figure 1 and may be any suitable source of working fluid, e.g. B. helium gas, which is under pressure and has room temperature. The low pressure vessel 81 corresponds to the vessel 24 in FIG. 1 and can be any room or a low pressure source.
As can be seen from Fig. 8, the high and low pressure sources with a compressor 82 are seen ver. The same is connected to the low-pressure container and is connected to the high-pressure container 80 via a cooler 83 and a cleaner 84. The cooler 83 removes the compression heat generated by the compressor 82.
As shown schematically in Fig. 8, coordinated by a motor 86 driven flywheel 85, which is connected by any suitable mechanical means indicated by the dashed line 87 to the cams 88 and 89, the reciprocating movement of the displacer rod 65 and the displacer 61 with the movement of the cams 88 and 89. These latter open and close the valves 78 and 79 via the actuators 92, 93, so as to achieve the desired fixed flow of the fluid.
Separate valves 78 and 79 are shown. It goes without saying, however, that a single valve can perform the function of the two valves 78 and 79.
Useful cold can be derived directly from the floor wall. However, a heat transfer fluid is expediently passed through the pipe coil 94, which is in heat-conducting connection with the lower part of the cylinder 67. This effectively transfers heat from the cold fluid in the cooling chamber 70 to the transmission medium circulating in the walls 94.
With the refrigeration process according to the present invention, an additional heat exchange system can be combined so that even lower temperatures, e.g. B. up to the liquefaction of helium (4.2 K) can be achieved. Two ways that allow this are shown in FIGS. 10 and 11, in which the same hint signs point to corresponding parts of the system.
As can be seen from Fig. 10, the outer heat exchangers are used in conjunction with a device according to FIG. There are provided in Fig. 10 three parallel displacers. The working process is the same as that described with reference to FIG.
As can be seen from the schematic illustration in FIG. 10, a high-pressure container 102 and a low-pressure container 104 are provided, between which a compressor 106 is provided. The line 108, which is controlled by a valve 110, carries high-pressure fluid from the high-pressure container 102 via the lines 113 and 136 into the space 111, which contains three parallel displacers. The valve 110 corresponds to the valve 34 in FIG. 7.
The through the Ven valve 114 (which corresponds to valve 35 'in Fig. 7) be prevailed line 112 leads to the low-pressure container 104 and leads the low-pressure fluid from the system. The primary refrigeration device designated as a whole by 115 is provided with a head piece 116, from which three cylindrical displacers 120, 121 and 122, which work in cylinders 123, 124 and 125, continue downward.
The vertical movement of the displacers 120, 121 and 122 by means of the rod 118 and a motor (not shown) form expansion chambers 126, 127 and 128 in the corresponding cylinders. The result is essentially a device which is comparable to that of FIG. 7 and has three regenerators 130, 132 and 134.
Each of these three regenerators is arranged in a way, as described in more detail below, in such a way that it can store heat at continuously lower temperatures during the supply of high-pressure gas to the expansion chambers 126, 127 and 128. The high pressure gas supply path includes a line 136 which provides a direct connection between the three regenerators.
Under each of the regenerators branch from the line 136 branch lines 138, 140 and 142, which connect the line 136 with the chambers 126, 127 and 128 the. Above each branch line, a heat exchanger 144, 146 or 148 is angeord net in line 136, in which the heat exchange media are separated by a solid wall. The other side of the heat exchanger is described below in connection with the additional heat exchange system.
In addition to the fluid used in the working process within the multiple displacer 115, an additional heat exchange system is provided which comprises means with which a heat exchange fluid, e.g. B. helium, can be cooled to effect the final refrigeration of the system. This additional heat exchange part of the device comprises a source of high pressure heat transfer fluid which can be the same as the high pressure refrigeration fluid and which consequently can be drawn from the same source 102 (FIG. 11).
However, a special source 150 can also be provided for the high-pressure heat transfer fluid if this latter fluid is different from the cold-generating fluid (FIG. 10).
In accordance with the terminology used in refrigeration technology, the fluid circulating in the refrigeration system is referred to as cold fluid, while the fluid circulating in the additional heat exchange part is referred to as heat transfer fluid. As can be seen below, these two fluids can be identical or different from one another.
Fig. 10 shows a device which enables the use of a heat transfer fluid which is different from the refrigerant fluid circulating in the refrigeration circuit. Accordingly, a separate high pressure storage container 150, a separate low pressure container 186 and a compressor 192 are provided. Fluid is discharged from the high pressure container 150 through the line 152 controlled by the valve 153. Fluid is supplied to the low-pressure container through the line 155 controlled by a valve 157.
The high pressure heat transfer fluid, from whatever source it comes, first enters the main heat exchanger 154, through line 152, in which the necessary, not dargestell th valves can be arranged. The main heat exchanger 154 causes a Wärmeaus exchange in which the heat exchange media are separated by a solid wall, e.g. B. by a ribbed tube 156 surrounded by a channel 158. For the sake of simplicity, these parts are only indicated schematically in FIGS. 10 and 11.
However, either the high pressure or the low pressure fluid can be passed through a ribbed pipe while the other circulates around the pipe. Of course, any heat exchanger can be used in which the media do not touch one another. The fluid leaving the heat exchanger 154 through the line 160 was cooled by non-contact heat exchange with cold low-pressure gas, which will be entered in the following.
The high pressure heat transfer fluid continues to be cooled in the heat exchanger 144 by means of cold, which is given off by the cold gas entering and leaving the regenerator 130.
Analogously, further cooling takes place in the heat exchanger 162, in the heat exchanger 146 by the cold gas entering and leaving the regenerator 132, in the heat exchanger 164 and in the heat exchanger 148 by cold gas, which is contained in FIG enters and exits regenerator 134.
The heat transfer fluid, which leaves the heat exchanger 148 through the line 166, flows finally Lich through a non-contact heat exchanger 168 and from there it is through a line 170 into an expansion nozzle, for. B. a Joule-Thompson nozzle 172, where it expands and cools down further. In the container 174 it can finally be collected in liquid form.
A portion of the finally cooled or liquefied heat transfer fluid can be removed from the collecting container 174 through a line 176 and transferred to a suitable storage container 178.
The remaining liquefied heat transfer fluid in container 174 is boiled (using a heater 180, if necessary) and the cold gas is passed through line 182 out of sump 174 and passed through the device in reverse order than the high pressure heat transfer fluid introduced. So flows the cold low pressure heat transfer medium, e.g. B. helium, from line 182, in the heat exchanger 168, 164 and 162, wherein the inflowing high pressure heat transfer fluid is cooled in the manner described.
Finally, the low-pressure heat transfer fluid leaving the system flows through line 184 and heat exchanger 154 into low-pressure vessel 186.
The necessary valves, not particularly shown in the drawing, are of course provided and that part of the device which is enclosed by the dashed line 190 is isolated by suitable means, e.g. B. using radiation panels.
Fig. 11 illustrates a modified embodiment when using an additional heat exchange system. The variant according to FIG. 11 first shows how the same fluid can be used as a heat transfer fluid and also as a cooling fluid which circulates through the device. So z. B. Helium used for both purposes who the. In this embodiment, the high pressure vessel 150, the low pressure vessel 104 and the compressor 106 can be used for both fluids.
The second embodiment shown in FIG. 11 eliminates the two heat exchangers 144 and 146 of FIG. 10. In addition, however, a drain line 194 controlled by a valve 196 is provided, which establishes a connection between the cooling chamber 128 and the return line 182. This allows cold fluid to be introduced into the return line to compensate for liquefied heat transfer fluid that has been removed from the sump 174.
The heat exchange in the system is thus brought into equilibrium.
When operating the refrigeration system according to FIG. 11, the flow of the high-pressure fluid from the high-pressure reservoir 102 takes place through the heat exchanger 154, as in the system according to FIG. 10. The omission of the heat exchangers 144 and 146 in FIG the heat exchangers 162 and 164 flows.
However, it has been found appropriate to retain the heat exchanger 148 in order to further cool the high pressure heat transfer fluid by non-contact heat exchange with the coldest portion of the cooling liquid as it exits the cooling space 128.
The further cooling in the heat exchanger 168, the expansion and liquefaction in the Joule-Thompson nozzle 172 and the collection. the liquid in the vessel 174 takes place in the same way as in connection with FIG. 10 be written.
In the system according to FIG. 11, measures are taken to introduce part of the coldest cooling medium into the return of the heat exchange circuit, for the purpose of compensating for heat losses and compensating for any heat transfer fluid that may have been discharged through line 176. This is done through the discharge line 194.
The flow through the same is regulated by the one-way valve 196, which enables cold cooling fluid to flow into the return line 182 and thereby effects an additional cooling of the inflowing high-pressure heat transfer fluid.
Finally, a one-way valve 188 is provided in FIG. 11, which enables the low-pressure heat transfer fluid to re-enter the circuit, but which prevents any back flow in the low-pressure side of the heat exchanger 154.
In both embodiments with an additional heat exchange system (and in variants which are equivalent to those shown in FIGS. 10 and 11) it is possible to achieve lower temperatures than with the cooling system alone. In devices according to FIGS. 10 and 11, helium was successfully liquefied.
This means, of course, that with a suitable choice of the cooling fluid and the heat transfer fluid, any gas with a low boiling point can be liquefied.
Figs. 12-17 show embodiments designed to increase the efficiency of the process and the plant. These variants have so-called heating stations and one-way shut-off valves for the most effective line of fluids. Furthermore, the colder parts of the displacement wall and the inside of the cylinder wall are covered with a material which has a high heat capacity at the low temperatures that occur.
The use of heating stations is shown in Figures 12-15. 15 shows one-way valves and FIGS. 16 and 17 illustrate the partial occupation of the displacement walls and the cylinders. In all of these figures, the same reference symbols denote the same elements as in FIGS. 10 and 11. FIG. 12 shows a heating station 200 which is connected between the regenerator and the branch line 138 in the flow path.
The purpose of the heating station is to stabilize the regenerator by reducing temperature fluctuations in the fluid that is fed to the top of the next regenerator 132 from the cooling chambers. The reduction of these temperature fluctuations increases the effectiveness of the regenerators quite considerably, in that a correct temperature gradient is generated and maintained in them. A high efficiency of the regenerators is particularly important for relatively small facilities.
The heating stations can have the shape shown in Figures 12, 13, 14 and 15; H. they can consist of one or more sections. The simplest form is the heating station 200 of FIG. 15. It comprises a single section which is designed as a regenerator which is kept at a substantially constant temperature throughout. This is achieved in that the heating station is made of a metal, or of metals, which temperatures at low Tem, z. B. below about 50 Kelvin, have a high heat capacity.
The section has a passage for the fluid, which is formed by a stack of spaced apart perforated disks. These discs are thermally conductive with the surrounding housing a related party. The heating stations can also comprise a stack of fine wire screens, which screens are made of a material which has a high thermal capacity at temperatures below 50 K. A preferred embodiment is shown in FIGS.
An aluminum or copper block 202 is provided which comprises perforated copper plates 204 stacked on top of one another. The holes have a diameter of approximately 0.25 to 1.25 mm and the plates are connected in a thermally conductive manner by soldering. Such a block forms a section. Several such sections on their part can, as can be seen from Fig. 13, be connected Wärmelei tend; see also the heating station 203 in FIG. 15.
The section which adjoins the section through which the working cooling fluid flows can be provided with a line 208 in order to conduct the heat transfer fluid through the section and to remove cold from the system. Another embodiment of a heating station which can operate between the regenerators connected to the older cold storage rooms is shown in the form of the heating station 201 in FIGS.
In these stations, a section serves as a thermal storage area, and it can conveniently be replaced by a solid metal body 206, e.g. B. made of lead, which is thermally connected to the block of heating stations. The latter, in turn, is connected in a thermally conductive manner to another section of the heating stations.
In the device according to FIG. 12, in a typical work process with helium as a cold medium in the system, the temperature of the fluid which leaves the lower end of the regenerator 132 or enters it, be about 35 K, while the lower one At the end of the regenerator 134, fluid leaving or entering the same can have an absolute temperature of about 15K.
Since the lead block 206 in the heating station has a high heat capacity at these temperatures, it quickly assumes this temperature and serves to stabilize the temperature of the fluid flowing through the heating station, because heat is transferred from the compact lead block to the stacked disks 204 .
The efficiency of the regenerators can be further increased by controlling the flow direction through the heating station. Fig. 15 shows two ways in which this can be achieved with one-way shut-off valves. The heating station 205 shown here consists of three sections, two of which, namely sections A and B, deal with the flow of the cold fluid, while the third section C provides means for removing cold if necessary, using a heat transfer fluid if necessary. dums that is supplied from the outside.
The fluid leaving the regenerator 130 through line 136 is divided. A first part goes directly through line 210 and one-way valve 212 to cold room 126, while a second part goes via line 211, section B of the heating station and main line 136 to regenerator 132. The colder, expanded fluid which leaves the cold space 126 is forced to flow back into the main line 136 via line 214 and section A. This stabilizes the temperature in section <I> A </I>. Likewise in section <I> B, </I>, since the two sections are in a thermally conductive connection.
That part of the fluid which enters the regenerator 132 was thus not only stabilized in terms of its temperature, but it was also cooled to essentially the same temperature as the fluid leaving the space 126.
In an analogous manner, the fluid leaving the regenerator 132 can enter the cold room 127 via the line 216, the one-way valve 218 and the branch line 140, as well as via the section D of the heating station 203, the line 220 and the branch line 140. However, the cold fluid must return along a path which leads through the heating station so that the temperature of the fluid returning through the generator is stabilized.
This in turn means that the fluid of the next cycle, which leaves the lower end of the regenerator 132, has almost the lowest possible temperature. Finally, FIGS. 16 and 17 show a further variant, by means of which those parts of the displacer and the cylinder which have to be kept at very low temperatures, ie. H. at temperatures below about 50 K, better thermal properties are obtained. This is done by special design of the displacement and cylinder walls.
On the basis of practical and thermodynamic considerations, the displacers, which have room temperature above and a low tem perature below, and which should expediently allow a minimum amount of heat to pass from one end to the other, are made of materials that can be easily converted into shape the desired shape, which have a minimum coefficient of thermal expansion and which have a very low heat capacity within the temperature range to which they are exposed. A ge suitable material for the production of the displacer is such.
B. in the dense, resin-impregnated fibrous material known as Micarta.
The displacer fits loosely in the cylinder and is sealed at its top. So when the pressure of the fluid increases and decreases, fluid flows into the space between the displacer and the cylinder and out of this space. In general, this gap is relatively small compared to the expansion volume. For small facilities, however, it can be almost as big.
The fluid flowing up and down in this space would dissipate heat from the lower, colder parts and reduce the efficiency of the refrigeration system if the damping effect of the cylinder walls and the displacement surface were not present. As the fluid flows upwards through this space, it is heated by cooling the surfaces of the displacer and cylinder.
When flowing down through the space mentioned, the fluid is cooled down again by heating these surfaces. When the fluid enters the expansion space, it is therefore almost at the same temperature as that in the expansion space.
This effect cannot occur, though. the walls of the cylinder and the displacer do not have any significant heat capacity. The usual construction materials for the cylinder (e.g. stainless steel) and for the displacer (e.g.
B. Micarta) has a very small heat capacity. In order to increase the heat capacity at a lower temperature, rings or coils made of lead are embedded in the wall of the displacer or in that of the cylinder, or in both, as shown in FIGS. 16 and 17, because lead is a Has heat capacity at low temperatures. This version is only necessary if the temperature has to be reduced to below about 50 K during the cold generation.
In this case, rings, coils or strips 224 are embedded in the outer surface of the displacer 222, as shown in FIG. 16. The lead is embedded so that its surface is flush with that of the displacer; so that a smooth outer surface is obtained. In the same way, rings or coils 228 are embedded in the inner wall of the cylinder 226 (FIG. 17).
It is generally advisable to change that part of the displacers and the cylinders which, in a multi-cylinder device according to FIGS. 12 and 15, protrude beyond the length of the shortest cylinder.
From the above explanation of the invention it follows that a new method for expanding a gaseous medium, e.g. B. for refrigeration, and a device for its implementation has been created ge. When using a heat exchange unit, the invention enables a simple and effective way to liquefy helium and all low-boiling gases.
The device can just as easily be operated in one or more stages. Of course, the present invention is not limited to the device shown only for the purpose of illustration be.