CH391754A - Method for expanding a gaseous medium and device for carrying out the method - Google Patents

Method for expanding a gaseous medium and device for carrying out the method

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CH391754A
CH391754A CH682960A CH682960A CH391754A CH 391754 A CH391754 A CH 391754A CH 682960 A CH682960 A CH 682960A CH 682960 A CH682960 A CH 682960A CH 391754 A CH391754 A CH 391754A
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CH682960A
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Ellsworth Gifford William
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Little Inc A
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Description

  

      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.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Expansion eines gasförmigen Me diums nach dem Patentanspruch I des Hauptpaten tes, gekennzeichnet durch Abgabe von Wärmeener gie ausserhalb eines zusätzlichen geschlossenen, ver- grösserbaren Raumes, wobei diese Wärmeenergie da von herrührt, dass das Fluidum, das sich unter Aus dehnung innerhalb des anderen geschlossenen, ver- grösserbaren Raumes abkühlt, wieder auf eine Tem peratur erwärmt wird, die über derjenigen liegt, mit welcher es in den zusätzlichen geschlossenen, ver- grösserbaren Raum eingeführt wird. PATENT CLAIM I Method for the expansion of a gaseous medium according to claim I of the main patent, characterized by the release of heat energy outside an additional closed, expandable space, this heat energy being due to the fact that the fluid, which is expanding within of the other closed, expandable space cools, is heated again to a temperature which is above that at which it is introduced into the additional closed, expandable space. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, gekenn zeichnet durch die Abgabe des im zusätzlichen Raum komprimierten und auf eine erste Temperatur erwärm ten Fluidums an einen thermischen Regenerator zur anfänglichen Abkühlung in demselben, zusammen mit zusätzlichem Fluidum aus einer Hochdruck-Flui- dumquelle zur Herabsetzung der Temperatur des komprimierten Fluidums auf eine zweite Temperatur, die unter der erwähnten ersten Temperatur liegt, SUBClaims 1. The method according to claim I, characterized by the delivery of the compressed fluid in the additional space and heated to a first temperature th fluid to a thermal regenerator for initial cooling in the same, together with additional fluid from a high-pressure fluid source to reduce the Temperature of the compressed fluid to a second temperature which is below the mentioned first temperature, wo bei das erwähnte komprimierte und zusätzliche Flui dum im erwähnten Regenerator nachträglich wieder- erwärmt wird, nach erfolgter Expansion innerhalb des geschlossene vergrösserbaren Raumes, auf eine Tem peratur, die praktisch der zweiten erwähnten Tempera tur entspricht. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidum, das nach Ausdeh nung innerhalb des geschlossenen vergrösserbaren Raumes abgekühlt ist, Kälte abgibt. 3. where the aforementioned compressed and additional fluid is subsequently reheated in the aforementioned regenerator, after expansion within the closed, expandable space, to a temperature that practically corresponds to the second temperature mentioned. 2. The method according to claim I, characterized in that the fluid, which is cooled after expansion within the closed enlargeable space, emits cold. 3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Expansion des erwähnten Flui dums nach dem Aufhören der Zufuhr des zusätzli chen Fluidums aus der Hochdruck-Fluidumquelle erfolgt. 4. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass aus dem geschlossenen Raum aus gestossenes Fluidum in einem zweiten geschlossenen Raum weitergekühlt wird, wobei dieser zweite Raum mit einem zweiten thermischen Regenerator in Ver bindung steht. 5. Method according to dependent claim 2, characterized in that the expansion of the fluid mentioned takes place after the supply of the additional fluid from the high pressure fluid source has ceased. 4. The method according to dependent claim 1, characterized in that further cooling is carried out from the closed space of expelled fluid in a second closed space, this second space being connected to a second thermal regenerator. 5. Verfahren nach Unteranspruch 4, gekennzeich net durch eine Folge von umschlossenen Räumen, wobei jedem nachfolgenden Raum Fluidum zugeführt wird, um dasselbe auf eine Temperatur abzukühlen, welche in jeder folgenden Stufe progressiv niedriger ist. Method according to dependent claim 4, characterized by a series of enclosed spaces, fluid being supplied to each subsequent space in order to cool the same to a temperature which is progressively lower in each subsequent stage. 6. Verfahren nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidum mit einer Ober fläche von praktisch konstanter Temperatur in Be rührung kommt, und zwar längs eines Strömungs weges, der die erwähnten thermischen Regeneratoren einschliesst, zum Zwecke, Wärme in wirksamer Weise aus dem Fluidum zu entfernen und zu speichern. 7. 6. The method according to dependent claim 4, characterized in that the fluid comes into contact with an upper surface of practically constant temperature, namely along a flow path that includes the mentioned thermal regenerators, for the purpose of effectively removing heat from the fluid remove and save. 7th Verfahren nach Unteranspruch 4, gekennzeich net durch die Einführung eines Hochdruck-Wärme- übertragungsfluidums aus einer Hochdruck-Fluidum- quelle in ein Wärmeübertragungssystem, durch fort schreitende Abkühlung des erwähnten Hochdruck- Übertragungsfluidums durch berührungsfreien Wär meaustausch mit dem gekühlten Fluidum aus den thermischen Regeneratoren, und durch Ausdehnung des Hochdruck-Wärmeübertragungsfluidums, The method according to dependent claim 4, characterized by the introduction of a high pressure heat transfer fluid from a high pressure fluid source in a heat transfer system, by progressive cooling of the high pressure transfer fluid mentioned by contactless heat exchange with the cooled fluid from the thermal regenerators, and by expanding the high pressure heat transfer fluid, um es weiter abzukühlen und durch Wiedereinführen we nigstens eines Teiles des erhaltenen Niederdruck- Wärmeübertragungsfluidums in den Zyklus durch berührungsfreien Wärmeaustausch mit dem erwähn ten Hochdruck-Wärmeübertragungsfluidum, das in das Wärmeübertragungssystem eingeführt wurde. B. to cool it further and by reintroducing at least a portion of the obtained low pressure heat transfer fluid into the cycle by non-contact heat exchange with the mentioned high pressure heat transfer fluid introduced into the heat transfer system. B. Verfahren nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des aus dem geschlos senen Raum, in welchem das Fluidum die niedrigste Temperatur aufweist, ausgestossenen Fluidums dem Niederdruck -Wärmeübertragungsfluidum zugeführt wird, um Volumenverluste des Wärmeübertragungs- fluidums zu kompensieren. Method according to dependent claim 7, characterized in that part of the fluid expelled from the closed space in which the fluid has the lowest temperature is fed to the low-pressure heat transfer fluid in order to compensate for volume losses of the heat transfer fluid. PATENTANSPRUCH II Einrichtung nach dem Patentanspruch II des Hauptpatentes zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I hievor, gekennzeichnet durch ein bewegbares Organ, welches sowohl im geschlos- senen vergrösserbaren Raum als auch in einem zu sätzlichen geschlossenen vergrösserbaren Raum an geordnet ist, welchem zusätzlichen Raum ein von einer Hochdruck-Fluidumquelle kommendes Flui dum durch ein Ventil zugeführt werden kann, dessen Betätigung mit derjenigen des bewegbaren Organs durch Steuerorgane derart koordiniert ist, PATENT CLAIM II Device according to patent claim II of the main patent for carrying out the method according to patent claim I above, characterized by a movable member which is arranged both in the closed enlargeable space and in an additional closed enlargeable space, which additional space is one of a high-pressure fluid source coming fluid can be supplied through a valve, the actuation of which is coordinated with that of the movable member by control members, dass das Ventil während desjenigen Teiles des Arbeitszyklus, während welchem das Fluidum im zusätzlichen Raum unter der Einwirkung des beweglichen Organs kom- primiert wird, in. einer wenigstens teilweise geöffneten Stellung gehalten wird, wodurch das komprimierte Fluidum, wenn es durch eine Leitung zu einem ther mischen Regenerator strömt, an Temperatur ab nimmt, indem zusätzliches, durch das mit der erwähn ten Leitung in Wirkungsverbindung stehende Ventil strömendes Fluidum zugeführt wird, that the valve is held in an at least partially open position during that part of the working cycle during which the fluid in the additional space is compressed under the action of the movable member, whereby the compressed fluid, when it passes through a line to a ther mix regenerator flows, the temperature decreases by adding additional fluid flowing through the valve that is in operative connection with the mentioned line, 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 Raure. UNTERANSPRÜCHE 9. the lowered temperature being 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. SUBClaims 9. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina beider Räume durch die Bewegung des bewegbaren Organs be stimmt wird, durch Leitungen, welche beide Räume miteinander verbinden, und durch einen mit jeder Leitung und jedem Raum in Verbindung stehenden thermischen Regenerator, wobei die Bewegung des bewegbaren Organs in vier Stufen erfolgt, indem es eine oberste Lage einnimmt, sich abwärts bewegt, sich in der untersten Stellung befindet und sich wie der aufwärts bewegt. 10. Device according to claim II, characterized in that the volumes of both rooms are determined by the movement of the movable member, by lines connecting the two rooms and by a thermal regenerator connected to each line and each room, the movement of the movable organ takes place in four stages by assuming an uppermost position, moving downwards, being in the lowest position and moving upwards like the one. 10. Einrichtung nach Patentanspruch II, gekenn zeichnet durch einen Niederdruck-Vorratsbehälter zur Aufnahme des expandierten, durch den erwähnten Regenerator wiedererwärmten Niederdruck-Fluidums, welcher Behälter mit einem zweiten Ventil in Ver bindung steht, dessen Betätigung ebenfalls durch die erwähnten Steuerorgane gesteuert wird, so dass, wenn dieses Ventil geöffnet ist, das andere Ventil geschlos sen ist und umgekehrt. 11. Device according to claim II, characterized by a low-pressure storage container for receiving the expanded, low-pressure fluid reheated by the mentioned regenerator, which container is connected to a second valve, the actuation of which is also controlled by the mentioned control elements, so that, when this valve is open, the other valve is closed and vice versa. 11. Einrichtung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von in seitlichem Abstand angeordneten Behältern zur Aufnahme des bewegbaren Organs vorgesehen ist, so dass mehrere geschlossene vergrösserbare Räume mit veränderba rem Volumen gebildet werden. 12. Einrichtung nach Patentanspruch 1I, gekenn zeichnet durch einen Wärmeaustauscher, der mit der erwähnten Leitung in Verbindung steht, um Kälte mittels eines Wärmeübertragungsfluidums abzufüh ren. Device according to dependent claim 9, characterized in that a plurality of laterally spaced containers is provided for receiving the movable member, so that several closed, expandable spaces with variable volumes are formed. 12. Device according to claim 1I, characterized by a heat exchanger which is in communication with said line in order to abzufüh cold by means of a heat transfer fluid. 13. Einrichtung nach Unteranspruch 12, gekenn zeichnet durch eine Isolation, welche mindestens den jenigen Teil der Einrichtung umgibt, welcher wäh rend des Betriebes Temperaturen aufweist, die unter halb der Umgebungstemperatur liegen. 14. 13. Device according to dependent claim 12, characterized by an insulation which surrounds at least that part of the device which has temperatures during operation that are below half the ambient temperature. 14th Einrichtung nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das einheitliche, bewegbare Or gan mehrere von einem gemeinsamen Kopfstück herabhängende Teile aufweist, wobei dieses Kopf stück mit den Behältern eine obere Kammer "be- stimmt, welche einen zusätzlichen geschlossenen ver- grösserbaren Raum bildet, die den geschlossenen ver- grösserbaren Räumen gegenüberliegt, und dass Lei tungen vorgesehen sind, um die erwähnte obere Kam mer mit den vergrösserbaren Räumen zu verbinden, Device according to dependent claim 11, characterized in that the unitary, movable organ has several parts hanging down from a common head piece, this head piece defining an upper chamber with the containers, which forms an additional closed, expandable space which is opposite the closed, expandable rooms, and that pipes are provided to connect the aforementioned upper chamber with the expandable rooms, wobei die Regeneratoren zwischen der oberen Kam mer und den vergrösserbaren Räumen mit diesen Lei tungen verbunden sind und dass schliesslich Mittel vorgesehen sind, um dem Kopfstück und damit dem herabhängenden, bewegbaren Teil eine vorbestimmte Bewegung zu erteilen. 15. Einrichtung nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneratoren aus Metallen bestehen, welche im Temperaturbereich, welcher in ihnen auftritt, eine hohe Wärmekapazität aufweisen. wherein the regenerators are connected between the upper chamber and the expandable spaces with these lines and that finally means are provided to give the head piece and thus the hanging, movable part a predetermined movement. 15. Device according to dependent claim 14, characterized in that the regenerators consist of metals which have a high thermal capacity in the temperature range which occurs in them. 16. Einrichtung nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der kälteste Regenerator kleine Bleikugeln als Speichermittel aufweist. 17. Einrichtung nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Regenerator Stapel von Drahtgeflecht aufweist, welches aus einem Material besteht, welches bei Temperaturen unter 50 K eine hohe Wärmekapazität aufweist. 18. 16. Device according to dependent claim 14, characterized in that the coldest regenerator has small lead balls as storage means. 17. Device according to dependent claim 14, characterized in that each regenerator has a stack of wire mesh, which consists of a material which has a high thermal capacity at temperatures below 50K. 18th Einrichtung nach Unteranspruch 14, gekenn zeichnet durch gasdichte Dichtungsmittel zwischen einer die geschlossenen Räume begrenzenden Wand und dem bewegbaren Organ, um das Fluidum-in den erwähnten vergrösserbaren Räumen von der erwähn ten oberen Kammer zu isolieren, wobei die seitliche Ausdehnung eines Teiles des bewegbaren Organs un mittelbar unterhalb der Dichtung genügend kleiner ist als die seitliche Ausdehnung der geschlossenen Räume, so dass ein ringförmiger Raum gebildet wird, der genügend breit ist, um einen Wärmeübergang zwischen dem bewegbaren Organ und den geschlos senen Räumen zu verhindern. 19. Device according to dependent claim 14, characterized by gas-tight sealing means between a wall delimiting the closed spaces and the movable member in order to isolate the fluid in the mentioned enlargeable spaces from the mentioned upper chamber, the lateral extent of a part of the movable member being un indirectly below the seal is sufficiently smaller than the lateral extent of the closed spaces, so that an annular space is formed that is sufficiently wide to prevent heat transfer between the movable member and the closed spaces. 19th Einrichtung nach Unteranspruch 18, gekenn zeichnet durch thermische Wärmestationen, die mit den Regeneratoren in Verbindung stehen, um Tem peraturschwankungen des in die Regeneratoren ein tretenden und dieselben verlassenden Fluidums so gering wie möglich zu halten. 20. Einrichtung nach Unteranspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Zirkulation des Flui dums durch einen Teil der Wärmestationen vorgese hen sind, welche in berührungsfreiem Wärmeaus- tausch mit dem Fluidum stehen. 21. Device according to dependent claim 18, characterized by thermal heat stations which are connected to the regenerators in order to keep temperature fluctuations of the fluid entering and leaving the regenerators as low as possible. 20. Device according to dependent claim 19, characterized in that means for circulating the fluid are provided through some of the heating stations, which are in contactless heat exchange with the fluid. 21st Einrichtung nach Unteranspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestation einen Block mit einem Durchgang aufweist, welch letzterer im Strömungsweg des Fluidums liegt und aufeinander gestapelte, gelochte Scheiben enthält, die wärmelei tend mit dem Block verbunden sind, und dass der Block und die Scheiben aus Metallen bestehen, die bei niedrigen Temperaturen eine hohe Wärmekapa zität aufweisen. 22. Device according to dependent claim 19, characterized in that the heating station has a block with a passage, the latter lying in the flow path of the fluid and containing perforated disks stacked on top of one another, which are thermally connected to the block, and that the block and the disks consist of There are metals that have a high Wärmekapa capacity at low temperatures. 22nd Einrichtung nach Unteranspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass Einwegventile vorgesehen sind, mit welchen ein Teil des Niederdruckfluidums den erwähnten Durchgang umgehen kann und welche veranlassen, dass alles aus den Expansionsräumen austretendes Niederdruckfluidum durch den erwähn ten Durchgang geht. 23. Device according to dependent claim 21, characterized in that one-way valves are provided with which part of the low-pressure fluid can bypass the passage mentioned and which cause all the low-pressure fluid emerging from the expansion spaces to pass through the passage mentioned. 23. Einrichtung nach Unteranspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Regeneratoren Wärme- austauscher in Verbindung stehen, zum Zwecke, Kälte mit einem getrennten Wärmeübertragungsfluidum ab zuführen. 24. Einrichtung nach Unteranspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem der Rege neratoren ein Wärmeaustauscher in Verbindung steht, um Kälte mittels des gleichen, von der Hochdruck- Fluidumsquelle gelieferten Fluidums abzuführen. Device according to dependent claim 18, characterized in that heat exchangers are connected to the regenerators for the purpose of dissipating cold with a separate heat transfer fluid. 24. Device according to dependent claim 23, characterized in that a heat exchanger is connected to at least one of the regenerators in order to dissipate cold by means of the same fluid supplied by the high-pressure fluid source.
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