DD300655A5 - Thermischer Regenerator für Tieftemperaturkältemaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermischen Regenerator fuer eine Tieftemperaturkaeltemaschine, die nach dem Gifford/Mc Mahon- oder Stirling-Prozesz arbeitet. Erfindungsgemaesz wird zur Anpassung an den Prozeszverlauf die Regeneratormatrix abschnittsweise unterteilt und aus metallbeschichteten Polyamidfasersieben gefertigt.{Regenerator, thermisch; Tieftemperaturkaeltemaschine; Kreisprozesz; Polyamidfasersieb, metallbeschichtet; Regeneratormatrix; Gifford/Mc Mahon-Prozesz; Stirling-Prozesz; Bedampfen; Stroemungskanaele}

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Maschinen, die nach einem thermodynamischen Kreisprozeß (Gifford/Mc Mahon-Prozeß, Stirling-Prozeß) arbeiten, sind z. B. aus der US-PS 2906101 bekannt. Ein Split-StirPng-Refrigenerator, auf den sich das Ausführungsbeispiel bezieht, wird in der US-PS 4,543,792 und der US-PS 4,713,939 beschrieben. Diese Maschinen bestehen im wesentlichen aus der, Baueinheiten Verdichter und Kaltkopf. Der Verdichter sorgt für das notwendige, periodische Verdichten und Entspannen des Arbeitsgases. Der Kaltkopf ist mit dem Verdichter über eine Kapillare verbunden. Er besteht aus einem Gehäuse, in dem sich ein Verdränger bewegt. Im Inneren des Verdrängers befindet sich der Regenerator. Der thermodynamische Kreisprozeß wird über die gegeneinander abgestimmten Bewegungen des Verdichterkolbens und des Verdrängers realisiert. Das Arbeitsgas durchläuft dabei einen geschlossenen Kreislauf. Der Regenerator hat im Kreisprozeß die Aufgabe, die Wärmt des Arbeitsgases kurzzeitig zu speichern. Er muß darum zum einen gute wärmespeichernde Eigenschaften besitzen, um einen möglichst großen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas und der Regeneratormatrix zu ermöglichen. Zum ande.cn sollte der Regenerator schlecht wärmeleitend sein, da Wärmeleitung zum kalten Ende des Kaltkopfes den Wirkungsgrad des Regenerators und damit c\sr Gesamtmaschine wesentlich verringert. Die den Verdränger antreibende Kraft ergibt sich bei Split-Stirling-Kältemaschinen aus der Druckdifferenz über dem Verdränger. Die Druckdifferenz resultiert aus dem Druckverlust des Arbeitsgasas beim Durchströmen des Regenerators und ist somit abhängig vom mittleren Durchmesser der Strömungskanäle. Aus der DE-PS 3044427 ist bekannt, die Regeneratormatrix aus gesinterten Metallscheiben, vorzugsweise gesinterten Bronzekugeln, aufzubauen. Die Jintermetallscheiben werden voneinander beabstandet angeordnet, um die axiale Wärmeleitung zu reduzieren. Diese Regeneratoren haben den Nachteil, daß sich geforderte mittlere Durchmesser der Strömungskanäle nur sehr schwer realisieren lassen. Weiterhin wird nicht die gesamte Matrix zum Wärmeaustausch mit dem Arbeitsgas nutzbar, da die Wärme während der, bei einem Arbeitsspiel zur Verfügung stehende Zeit (bekannte Maschinen laufen mit Frequenzen zwischen 30 und 50Hz), nur bis zu einer bestimmten Tiefe in das Matrixmaterial eindringen kann. Aus der US-PS 4,724,676 ist bekannt, den Regenerator abschnittsweise aus Kugelschüttungen oder Drahtsieben zusammenzusetzen. Dieser Aufbau berücksichtigt das große Temperaturgefälle zwischen dem kalten und dem warmen Ende des Regenerators, hat aber, bei Verwendung reiner Memügazematrix den Nachteil, hoher axialer Wärmeleitung und großer Masse des Regenerators. Somit werden durch das schwingende Feder-Masse-System Schwingungsamplituden auf das Kaltkopfgehäuse und ebenfalls auf die Kaltfläche übertragen, die nur durch aufwendige Schwingungsausgleichsysteme vermindert werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung Die Erfindung hat die Aufgabe, dje Matrix eines Regenerators von Kältemaschinen, die nach Art des Gifford/Mc Mahon oder Stirling-Prozesses arbeiten, dem Prozeßverlauf möglichst gut anzupassen. Dazu ist es notwendig, sowohl den mittleren Durchmesser der Strömungskanäle und damit das freie Gasvolumen in Regenerator und den Druckverlust über dem Regenerator, als auch die Wärmespeicherfähigkeit der Regeneratormatrix in Abhängigkeit von der Teroperaturdifferenz des Arbeitsgases zu variieren. Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe ein Regenerator verwendet, dessen Matrix abschnittsweise unterteilt ist und aus

metallbeschichtetem Polyamidfasergewebe besteht. Entsprechend der Schichtdicke des aufgedampften Metalls kann bei

Berücksichtigung der Maschenweite der Polyamidfaser-Grundmatrix der mittlere Durchmesser der Strömungskanäle und die Wärmespeicherfähigkeit der Matrix eingestellt werden. Dabei wird die Wärmespeicherfähigkeit des Metalls durch die gute Wärmespeicherfähigkeit des Polyamidfaserstoffes ergänzt. Das abschnittsweise Bedampfen der Grnndmatrix mit unterschiedlichen Metallen bzw. mit Metallschichten unterschiedlicher Stärke erhöht das Wärmespeichervermögen des Regenerators. Zum Bedampfen können alle Metalle mit guten

wärmespeicherden Eigenschaften, wie z. B. Blei und Kupfer verwendet werden.

Im Vergleich zu reiner Metallgazematrix verringert der Einsatz von Polyamidfasern die axiale Wärmeleitung und die damit

verbundenen Verluste. Ebenfalls der Verminderung axialer Wärmeleitungsverluste dienen die Kunststofflochscheiben, durch die die einzelnen Regeneratorabschnitte voneinander beabstandet sind.

Der erfindungsgemäße Regenerator weist vergleichsweise zum Regenerator mit Metallmatrix eine geringere Masse auf. Damit

vermindert sich die, vom schwingenden System auf das Kaltkopfgehäuse und die Kaltfläche übertragene

Schwingungsamplitude. Ausführungsbeispiel Die Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer einstufigen Stirling-Kieinkältemaschine mit frei schwingendem Verdränger. Erkennbar sind die beiden wesentlichen Baugruppen:

der Vordichter mit Linearantrieb 1 und der Kaltkopf 2, die über die Kapillare 3 miteinander verbunden sind. Der Kaltkopf 2 en: nalt einen Verdränger 4, der Schwingungen ausführt, die allein durch den Druckverlust des überströmenden Arbeitsgases (Hellum) hervorgerufen werden.

Im Inneren des Verdrängers befindet sich der Regenerator 5. Der Regenerator 5 ist ein periodisch, mit wechselnder Richtung durchströmter Wärmetauscher. Er hat die Aufgabe, dem komprimierten warmen Gas möglichst viel Wärmeenergie zu entziehen, diese Wärmeenergie kurzzeitig zu speichern und sie sodann beim Wechseln der Durchströmungsrichtung an das kalte, expandierte Gas wiader abzugeben. Aus der Funktionsbestimmung des Regenerators ergibt sich, daß seine Matrix β eine große spezifische Wärmekapazität besitzen muß, ebenso ist guter Wärmeübergang zwischen Arbeitsgas und Matrix angestrebt. In der Fig. 2 Ist der schematische Aufbau des Verdrängers 4 dargestellt. Er besteht aus einer zylindrischen Hülse 7, die die Regeneratormatrix 6 enthält. Die Regeneratormatrix 6 ist in 3 Abschnitte geteilt, die durch Lochscheiben 8 aus schlecht wärmeleitendem Material voneinander getrennt sind. Als Material kommen isolierende Materialien, wie Keramiken und Kunststoffe, zum Einsatz. Im ausgeführten Beispiel wurden PTFE-Scheiben verwendet. Der Bohrungsdurchmesser der Lochscheiben 8 wird durch den notwendigen Druckabfall über dem Regenerator und dem notwendigen Massestrom bestimmt. Die Scheiben 8 haben die Aufgabe, den axialen Wärmestrom zu verringern. Es können noch weitere Scheiben in den einzelnen Abschnitten angeoidnet werden. Ebenfalls zur Verringerung der Verluste durch den axialen Wärmestrom wurde die Hülse 7 aus Keramik ode: dünnwandigem rostfreiem Stahl gefertigt. Die Regeneratormatrix besteht erfindungsgomäß aus Polyamidfasersieben (PA 6,6-Nylon), die mit einer Kupferschicht bedampft wurden. Die Stärke der aufgedampften Kupferschicht richtet sich sowohl nach der im Abschnitt des Regenerators notwendigen Speichermasse, die sich aus der mittleren Abschnittstemperaturdifferenz, der realisierbaren Eindringtiefe bei der Arbeitsfrequenz von 50Hz, als auch dem zulässigen Druckverlust übir dem Regenerator, als antreibende Verdrängerkraft und damit dem zulässigen notwendigen Strömungskanaldurchmesser ergibt.

Claims (1)

1. Thermischer Regenerator für Tieftemperatur-Kältemaschinen mit abschnittsweise unterteilter Regeneratormatrix, gekennzeichnet dadurch, daß die Regeneratormatrix aus metallbeschichteten Polyamidfasersieben besteht.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung bezieht sich auf einen Regenerator für eine Tieftemperatur-Kältemaschine, die nach dem Gifford/Mc Mahon- oder Stirling-Prozeß arbeitet.