DE1139516B - Kaltgaskuehlmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kaltgaskühlmaschine mit einem Raum mit veränderlichem Volumen (kalter Raum oder Expansionsraum), der mit einem Raum in Verbindung steht, der gleichfalls ein veränderliches Volumen hat und in dem eine höhere mittlere Betriebstemperatur herrscht als im zuerstgenannten Raum (wärmerer Raum oder Kompressionsraum), wobei sich in der Verbindung zwischen den beiden Räumen ein Regenerator befindet und ein gasförmiges Arbeitsmittel über den Regenerator zwischen den Räumen hin- und herströmen kann, um Wärme von einem niedrigeren Temperaturpegel zu einem höheren zu transportieren.

In einer solchen Kaltgaskühlmaschine vollführt ein Gas, das vorzugsweise eine konstante chemische Zusammensetzung hat, wie z. B. Wasserstoff oder Helium oder ein Gemisch dieser Gase, einen thermodynamischen Kreislauf, z. B. einen Kreislauf nach dem Stirlingvorgang oder dem sogenannten Ericsonvorgang. Der Druck im kalten Raum, manchmal als Expansionsraum bezeichnet, und der Druck im wärmeren Raum, manchmal als Kompressionsraum bezeichnet, ändert sich beim Stirlingzyklus in sinusförmiger Weise. Beim niedrigsten Druck im kalten Raum tritt die niedrigste Temperatur auf.

Die Außenwand des kalten Raumes wird im Betrieb sehr kalt. Diese Wand wird aber nicht so kalt wie das Gas im Raum infolge des Temperaturunterschieds zwischen dem Gas im Expansionsraum und der Wand.

Die Erfindung bezweckt, die Kälteleistung einer solchen Maschine in anderer Weise der Maschine zu entziehen, als es bisher üblich war.

Nach der Erfindung steht der kalte Raum mittels einer durch dessen Wand nach außen führenden Leitung mit einer in einem Abstand von diesem Raum liegenden Stelle derart in Verbindung, daß ein Teil des Gases im kalten Raum durch diese Leitung hindurch nach außen geführt werden kann, um der in einem Abstand liegenden Stelle Wärme zu entziehen.

Ein sehr wesentlicher Vorteil dieser Bauart besteht darin, daß die erzeugte Kälte in einem Abstand von der Maschine abgenommen werden kann. Die Leitung, welche kurzweg als Anzapfleitung bezeichnet werden kann, kann biegsam sein und zu einem Wärmeaustauscher führen, der eine sehr kalte, nicht an die Aufstellung der Maschine gebundene Stelle bilden kann. Es sind sogar mehrere, mit einer einzigen Kaltgaskühlmaschine erzielte, in einem Abstand voneinanderliegende kalte Stellen möglich.

Der bei solchen Kaltgaskühlmaschinen normale, zwischen dem Regenerator und dem kalten Expan-Kaltgaskühlmaschine

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Zoepke, Patentanwalt,
ίο München 5, Erhardtstr. 11

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 27. Juni 1960 (Nr. 253 140)

Herre Rinia und Roelf Jan Meijer, Eindhoven

(Niederlande),
sind als Erfinder genannt worden

sionsraum vorhandene sogenannte Gefrierer kann bei Anwendung der Erfindung gegebenenfalls völlig weggelassen werden.

Verschiedene Ausführungen des Prinzips der Erfindung sind möglich.

Bei einer ersten Ausführungsmöglichkeit führt die Leitung über die in einem Abstand liegende kalte Stelle zurück zum kalten Raum der Maschine, und bei den beiden Ausmündungen der Leitung im kalten Raum sind in dieser Leitung Ventile vorgesehen, welche sich in entgegengesetzter Richtung öffnen können.

Bei einer Abart dieser Ausführungsform führt die Leitung über die in einem Abstand liegende Stelle zum kalten Raum der Maschine zurück, und bei einer der Ausmündungen der Leitung ist ein sich in Richtung des kalten Raumes öffnendes oder schließendes Ventil vorgesehen, und bei der anderen Ausmündung besteht wenigstens ein Teil der Leitung aus einem Kapillar.

Bei einer sehr wichtigen Ausführungsform der Erfindung führt die Leitung nach einer Stelle in der Maschine zurück, wo höhere Temperaturen herrschen als im kalten Raum, wie dem wärmeren Raum (Kompressionsraum), dem Kühler, einer Stelle im Regenerator oder einem zwischen dem Regenerator und dem kalten Raum befindlichen Gefrierer.

Bei dieser Bauart kann der Regenerator völlig oder teilweise aus dem Gleichgewichtszustand gebracht werden, d. h., daß man stets eine etwas größere Masse

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des gasförmigen Arbeitsmittels von »warm nach kalt« In Fig. 1 treibt ein Motor, z. B. ein Elektromotor 1, als von »kalt nach warm« strömen läßt. Durch den eine Kurbelwelle 2 an, die in einem Gehäuse 3 geRegenerator hindurch kann man dann eine durch die lagert ist und ein Schwungrad 4 trägt. Die Lager sind Anzapfleitung zugeführte Gasmenge stets in Gleich- mit 5 und 6 bezeichnet. Die Kurbelwelle 2 hat zwei strömung von einem wärmeren Raum zum kalten 5 gleiche Kurbeln 7 und 8, die über Triebstangen 9 Raum strömen lassen. Diese Gasmenge liefert dann und 10 einen Kolben 11 antreiben, der eine Zylinderdie Kälteleistung, so daß der Gefrierer überflüssig auskleidung 12 als Führung hat. Weiterhin besitzt die wird. Kurbelwelle 2 eine Kurbel 13, die über eine Trieb-

Der Regenerationsverlust im Regenerator wird stange 14 und eine durch den Kolben 11 hindurchdurch diesen absichtlichen Ungleichgewichtszustand io geführte Kolbenstange 15 einen Verdränger 16 an-

des Regenerators beträchtlich herabgesetzt. treibt, der gleichfalls in der Zylinderauskleidung 12

Der Auslaß aus dem-kalten Raum zur Leitung ist Führung hat.

vorzugsweise derart ausgebildet, daß Gas aus diesem Die Auskleidung 12 ist in einem Zylindergehäuse 17

Raum in einem Zeitpunkt ausgelassen wird, in dem angeordnet, welches mit der Auskleidung 12 einen

die Temperatur in diesem Raum am niedrigsten ist. 15 Kühlmantel 18 bildet.

Dies bietet den VorteiL daß" mit HiHe der Erfindung Auf dem Gehäuse 17 ist ein Kühler 19 angeordnet,

bei einer niedrigeren Temperatur als bisher Kälte ge- dem durch Anschlüsse 20 und 21 ein Kühlmittel, z. B.

liefert werden kann, oder, wenn die gleichen Liefe- Wasser oder ein flüssiges Gas, zugeführt wird bzw.

rungstemperaturen wie bei den bekannten Maschinen von ihm abgeführt wird.

beibehalten werden, daß im kalten Raum eine höhere 20 An den Kühler 19 schließt ein Mantel 22 an, der

Temperatur herrschen kann, was bedeutet, daß nicht oben durch einen Deckel 23 geschlossen ist.

nur infolge der Herabsetzung der Regenerations- Zwischen dem Mantel 22 und der Auskleidung 12

Verluste, sondern auch, infolge der Möglichkeit dieser ist ein Regenerator 24 angebracht, der z. B. aus

höheren Temperatur eine höhere Nutzleistung der dünnen Gazen oder einer dünnen Metalldrahtmasse

Maschine erzielt werden kann. 25 besteht. Zwischen dem Deckel 23 und der Ausklei-

Zum Auslaß von Gas aus dem kalten Raum kann dung 12 befindet sich ein Gefrierer 25, der z. B. von

ein durch eine einstellbare Feder beanspruchtes vor- Rippen gebildet wird.

gespanntes Ventil vorgesehen sein, welches sich in Der kalte Raum 26, manchmal als Expansions-Richtung des kalten Raumes öffnen kann. raum bezeichnet, befindet sich zwischen dem Kopf

Hierbei sei bemerkt, daß bei Maschinen, in denen 30 des Verdrängers 16 und dem Deckel 23. Der wärmere

ein Stirlingzyklus ausgeführt wird, infolge des Strö- Raum 27, manchmal als Kompressionsraum bezeich-

mungswiderstandes der Mindestdruck im kalten net, befindet sich zwischen dem unteren Ende des

Raum (Expansionsraum) höher ist als der Mindest- Verdrängers 16 und dem Kopf des Kolbens 11.

druck im wärmeren Raum (Kompressionsraum), so Die Kurbeln 7, 8 und 13 sind derart angeordnet,

daß tatsächlich etwa bei der niedrigsten Temperatur 35 daß der Kolben 11 und der Verdränger 16 mit einem

im kalten Raum angezapft werden kann. Phasenunterschied hin- und herbewegt werden.

Die Erfindung macht auch eine besondere Bauart Im Raum 27 wird ein gasförmiges Mittel, wie

einer Kaltgaskühlmaschine ohne Gefrierer möglich. Wasserstoff oder Helium, zusammengepreßt. Durch

Bei dieser Bauart ist der Regenerator in einem hin- die Tore 28 strömt das Mittel längs des Kühlers 19,

und herbeweglichen Verdränger eingebaut, wobei sich 40 durch den Regenerator 24 und längs des Gefrierers 25

an einem Ende dieses Verdrängers der kalte Raum und zum Raum 26, in dem das. Gas expandiert und

und an seinem andereren Ende ein wärmerer Raum über den Gefrierer, den Regenerator und den Kühler

befindet, der über einen stationär angeordneten Küh- zum Raum 27 zurückströmt,

ler mit einem weiteren wärmeren Raum (Kompres- Im kalten Raum 26 tritt während dieses Zyklus

sionsraum) in Verbindung steht, der an einen in 45 eine Druckwelle auf (s. Fig. 4,5 und 8). Eine ähn-

einem Zylinder hin- und herbeweglichen Kolben liehe Druckwelle tritt im warmen Raum 27 auf.

grenzt. Im Punkt P der Welle nach den Fig. 4, 5 und 8 ist

Dies ist eine Ausführungsmöglichkeit einer Ma- der Druck minimal und die Temperatur des expan-

schine, die kurzweg als Dreiraummaschine bezeichnet dierten Gases am niedrigsten. Der Druck ist maximal

wird. so im Punkt Q der Welle nach den Fig. 4, 5 und 8.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen Im Deckel 23 sind nach Fig. 1 zwei Ventile 29

näher erläutert. Es zeigt und 30 vorgesehen. Das Ventil 29 öffnet sich aus-

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine wärts, und das Ventil 30 öffnet sich in Richtung auf

erste Ausführungsform einer Kaltgaskühlmaschine den kalten Raum 26.

nach der Erfindung, " 55 Die Ventile 29 und 30 befinden sich in einer Lei-

Fig. 2 und 3 schematisch Einzelheiten, nämlich den tung 31, die längs einer Stelle 32 führt, wo Kälte ab-Zylinderkopf einer Kaltgaskühlmaschine weiterer genommen werden kann, z. B. längs eines Wärme-Ausführungsformen, austauschers. Die Stelle 32 kann in einem Abstand

Fig. 4 und 5 die Änderung der Druckwelle im kai- von der Kaltgaskühlmaschine liegen. Naturgemäß

ten Raum (Expansionsraum) * 60 muß die Leitung 31 gut isoliert werden.

Fig. 6 ein Schema einer sehr wichtigen weiteren Das Ventil 29 kann derart belastet und eingestellt

Ausführungsform der Erfindung, sein, daß es sich beim Druck im Punkt Q nach Fig. 4

Fig. 7 einen Längsschnitt durch ein Ausführungs- öffnet, während das Ventil 30 derart eingestellt ist,

beispiel eines Anzapfventils für den kalten Raum, daß es sich beim Druck im Punkt P nach Fig. 4

Fig. 8 die Druckänderung im kalten Raum der 65 öffnet.

Maschine nach Fig. 6 und Soll die Kälte möglichst bei der niedrigsten Tem-

Fig. 9 ein Schema einer sogenannten Dreiraum- peratur im Raum 26 entzogen werden, so ist es auch

maschine, die durch die Erfindung ermöglicht wird. denkbar, das Ventil 29 in Punkt R (Fig. 5) und das

Ventil 30 im Punkt P zu öffnen. Die Ventile können gegebenenfalls auch angetrieben werden.

In den Fig. 2 und 3 ist der Fall veranschaulicht, daß eines der Ventile 30 oder 29 durch einen Kapillarteil 30 α und 29 α der Leitung 31 ersetzt ist.

In Fig. 2 kann man das Kapillar 30 a auf den Druck in Q (Fig. 4) berechnen, das ist der Maximaldruck, wenn Gas aus dem Raum 26 beim Höchstdruck Q (Fig. 4) ausgelassen werden soll.

In Fig. 3 kann man das Kapillar 29 a auf den Mindestdruck berechnen, falls sich das Ventil 30 beim niedrigsten Druck öffnen soll.

Der Gefrierer 25 kann bei der Bauart nach Fig. 1 auch weggelassen werden.

Eine noch vorteilhaftere Bauart ist in Fig. 6 dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform befindet sich im Deckel 23 nur ein Ventil 33, das in Fig. 7 detailliert ist. Das Ventil 33 öffnet sich einwärts, vorzugsweise wenn der Druck im Expansionsraum 26 minimal ist (Punkt P in Fig. 8). Dann wird Gas mit der niedrigsten Temperatur in die Leitung 31 ausgelassen. Gegebenenfalls läßt man dieses Gas mittels eines Drosselhahns 34 weiter expandieren, so daß sich dann durch den Joule-Kelvin-Effekt eine sehr niedrige Temperatur ergibt.

Das kalte Gas strömt durch den Wärmeaustauscher 32 in Gegenströmung mit dem zu kühlenden Mittel in der Leitung 35 und wird dann auf die Temperatur des Kühlers 19 aufgeheizt und durch diesen hindurch zum Regenerator 24 geleitet. Auf diese Weise kommt das Gas wieder in den Kreis zurück. Bei Verwendung des Drosselhahns 34 wird das Gas mittels des Kompressors 36 zusammengepreßt, bevor es in den Zyklus zurückgeführt wird.

Der Regenerator 24 oder ein Teil desselben ist jetzt in Ungleichgewicht, was die oben beschriebenen Vorteile bietet.

Es ist möglich, das Gas aus der Leitung 31 nach dem Wärmeaustauscher 32 an einer anderen Stelle als der unteren Seite, z. B. bei W, in den Regenerator einzuführen. Es ist auch möglich, das Gas in den Gefrierer 25 zurückzuführen, z. B. bei T.

Bei einem praktischen Aufbau wird ein Teil der

Gesamtgasströmung etwa gleich — mittels des Ven-

tils 33 angezapft und durch die Leitung 31 geschickt. Darin bezeichnet r die relative Regeneratorbelastung, das ist der Quotient der aufgespeicherten Wärme im Regenerator pro Halbperiode des Zyklus und der Kälteleistung.

Fig. 9 zeigt eine Kaltgaskühlmaschine ohne Gefrierer. Der Regenerator 24 befindet sich im Verdränger 16. Zwischen dem Verdränger 16 und dem stationären Kühler 19 liegt ein Zwischenraum 40. Der Kühler 19 steht mit dem Kompressionsraum 27 in Verbindung, der an den Kolben 11 grenzt. Es gibt in dieser Maschine also drei Räume 27, 40 und 26.

In Fig. 7 ist eine mögliche Ausführungsform des Ventils 33 im Längsschnitt dargestellt.

Das Gehäuse 41 wird mittels eines Anschlußstumpfes 42 mit dem Deckel 23 verbunden.

Im Gehäuse 41 ist ein Pfropfen 43 eingeschraubt, der eine Bohrung 44 aufweist, mit der die Leitung 31 bei 45 verbunden werden kann. Der Gewindepfropfen 43 ist mittels eines O-Ringes 46 abgedichtet. Die Bohrung 44 mündet in einem Raum 47, in dem eine Schraubenfeder 48 zwischen einem Stellkolben 49, der mit einem Stellpfropfen 50 zusammenwirkt, und einem Ventilkörper 51 angeordnet ist, der auf dem Sitz 52 am Pfropfen 43 abdichten kann. Der Körper 51 hat durch einen Stift 53 Führung in einem Kopf 54, der bei 56 auf den Pfropfen 43 geschraubt und mit Löchern 55 versehen ist, die über den Stumpf 42 den kalten Raum 26 der Maschine mit dem Raum 57 um den Ventilkörper 51 in Verbindung bringen.

Das Ventil 51 wird durch die Feder 48 geöffnet, wenn der Druck im Raum 26 auf einen gewissen Wert, z. B. auf P in Fig. 8, abgefallen ist. Gas mit einem hohen Druck strömt dann um den Körper 51 herum und längs des Sitzes 52. Dabei kann infolge der Durchgangsverengung im Zusammenhang mit dem Gesetz von Bernouilli eine Druckermäßigung erzeugt werden, welche das Ventil 51 gegen seinen Sitz 52 zu ziehen sucht und daher das Schließen des Ventils erleichtert.

Der Ventilkörper 51 kann auch einen kleineren Durchmesser haben, wie bei 58 gestrichelt dargestellt.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kaltgaskühlmaschine mit einem Raum mit veränderlichem Volumen (kalter Raum oder Expansionsraum), der mit einem Raum in Verbindung steht, der gleichfalls ein veränderliches Volumen hat und in dem eine höhere mittlere Temperatur herrscht als im zuerst genannten Raum (wärmerer oder Kompressionsraum), wobei sich in der Verbindung zwischen den beiden Räumen ein Regenerator befindet und ein gasförmiges Arbeitsmittel über den Regenerator zwischen den Räumen hin und her strömen kann, um Wärme von einem niedrigeren Temperaturpegel zu einem höheren zu transportieren, dadurch gekennzeichnet, daß der kalte Raum mittels einer durch dessen Wand nach außen führenden Leitung mit einer in einem Abstand von diesem Raum liegenden Stelle in Verbindung steht, derart, daß ein Teil des Gases im kalten Raum durch diese Leitung hindurch nach außen geführt werden kann, um der entfernten Stelle Wanne zu entziehen.

2. Kaltgaskühlmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung über die in einem Abstand liegende Stelle zum kalten Raum der Maschine zurückführt und bei den beiden Ausmündungen der Leitung im kalten Raum in dieser Leitung Ventile vorgesehen sind, welche sich in entgegengesetzten Richtungen öffnen können.

3. Kaltgaskühlmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung über die in einem Abstand liegende Stelle zum kalten Raum der Maschine zurückführt und bei einer der Ausmündungen der Leitung ein in Richtung auf den kalten Raum sich öffnendes oder schließendes Ventil angebracht ist und bei der anderen Ausmündung wenigstens ein Teil der Leitung aus einem Kapillar besteht.

4. Kaltgaskühlmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung nach einer Stelle in der Maschine zurückführt, wo höhere Temperaturen herrschen als im kalten Raum, wie dem wärmeren Raum (Kompressionsraum), dem Kühler, einer Stelle im Regenerator oder einem zwischen dem Regenerator und dem kalten Raum angebrachten Gefrierer.

5. Kaltgaskühlmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß aus dem kalten Raum in die Leitung derart ausgebildet ist, daß Gas aus diesem Raum in einem Zeitpunkt ausgelassen wird, in dem die Temperatur in diesem Raum am niedrigsten ist.

6. Kaltgaskühlmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslaß ein durch eine einstellbare Feder vorgespanntes Ventil vorgesehen ist, welches sich in Richtung des kalten Raums öffnen kann.

7. Kaltgaskühlmaschine nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regene-

rator in einem hin und her beweglichen Verdränger eingebaut ist, wobei sich an einem Ende dieses Verdrängers der kalte Raum und an dessen anderem Ende ein wärmerer Raum befindet, der über einen stationär angeordneten Kühler mit einem weiteren wärmeren Raum (Kompressionsraum) in Verbindung steht, der an einen in einem Zylinder hin und her beweglichen Kolben grenzt.

8. Kaltgaskühlmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kalte Gas in der Leitung durch einen Wärmeaustauscher in Gegenströmung mit abzukühlendem Mittel strömt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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