DE1401515A1

DE1401515A1 - Verfahren und Geraet zur Kaelteerzeugung unter Entspannung eines Kaeltemittels

Info

Publication number: DE1401515A1
Application number: DE19601401515
Authority: DE
Inventors: Gifford William Ellsworth
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1957-11-14
Filing date: 1960-06-14
Publication date: 1968-12-05
Also published as: SE304526B; GB882656A; GB938182A; NL113898C; US2966035A; NL233237A; NL252718A; FR1215279A; US2906101A; DE1282661B

Description

D. LITTLE, INC. Cambridge 4S, Hass,, Tfemorial Drive 30, V. St, A.

Yerfahren und Gerät zur Kälteerzeugung unter Entspannung eines

Kältemittels.

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Zusatr zur Patentanmeldung L 21 719 Ia/17a der gleichen Anmelderin und bezieht sich wie die frühere Anmeldung auf ein Verfahren und Gerät zur Erzeugung "usserst niedriger Temperaturen.

Die frühere Anmeldung bezieht sich cuf ein Verfahren und ein Gerät zur Erzeugung nutzbarer Kulte in einer Anlage, bei der die gesamte aus der Verdichtung, der Kühlung und der Entspannung gewonnene Arbeit als mechanische Energie auftritt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zur Erzeugung nutzbarer Kälte in einer Anlage, bei der die gesamte gewonnene Arbeit in Form von thermischer Energie auftritt, wobei das die Anlage \?rlessende Kältemittel eine höhere Temperatur als beim Eintritt in die Anlege hat.

Es sind bereits mehrere Kreisprozesse und Geräte zur Kälteerzeugung beschrieben und bekannt geworden. Viele dieser Kreisprozesse gründen sich auf die Verwendung vor Entspannungsmaschinen oder Turbinen, Andere bedürfen verwickelter WärmeaustauBchanlagen, während wieder andere (obwohl etwas einfacher in der Ausrdhrung) dichtpessende kolben und Dichtungsringe

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erfordern, die euch unter äusserst niedrigen Temperaturen arbeiten können n"ssen, Pas Verfahren und Gerät nach der Erfindung vermeidet oder vermindert wesentlich die mit den bisher bekannt gewordenen Anlagen verbundenen Nachteile. Das ergibt sich e\is ier folgenden Beschreibung,

ErfindungsgeTiäss wird ein verbessertes Verfahren geschaffen, bei dem TVärmeenergie nach aussen von einem geschlossenen, ausdehnung sfähieien !Mut;· abgegeben wird, wobei die Wärmeenergie dadurch abgeleitet wird, dass das bei Entspannung in dem genannten Haun obgekühlte !ölhlRittel wieder auf eine Temperatur oberhalb jener, mit der es-in den Laun eingetreten ist, erwärmt uir-d.

Den Kreisprozess nr:ch der Erfindung kann nan p.ls arbeitsfreihen Kreisprozess bezeichnen, da bei ihm mehr fühlbare V.'ärme aus der mlage entfernt wird, als nit dem Kühlmittel eingebracht worden ist.

iirfindungsi ecitiEs wird euch ein Geri't zur Kälteerzeugung mit einen einheitlich beweglichen Glied geschaffen, welches zusammen mit einem abgeschlossenen Kaum, wenigstens eine ausdehnungsfähige Jammer bildet, in welche ein KlUiIrJ. tt el aus einer Ho eh druckquelle über Rohrschalteinrichtungen zugeführt wird, deren Arbeitsweise durch Steuereinrichtungen rd.t dem beweglichen Glied in der Weise abgestimmt ist, um die Eohrschalteinrichtung wenigstens teilweise offen zu halten,W'hrend das Kühlrittel im Verlaufe des Kälteerzeugungskreisprozesses in der genennten Kammer unter dem Einfluss des genannten beweglichen Gliedes verdichtet wird, so dass das verdichtete Kühlmittel, während es durch eine Leitung zu einem Wärme speicher- strömt, -durch, eineiL zusätzlichen Kühlmittel strom, der durch die mit der^ genannten Leitung verbundenen Rohrschalteinrichtungen fliesst, auf eine niedrigere Temperatur gebracht

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wird, die über der Temperatur des Kühlmittels vor der Verdichtung in der genannten Kammer liegt und ir wesentlichen der Temperatur gMcht, die ass Kühlmittel durch die Rückerhitzung in der:-Wärmespeicher, nach entspannung in der genannten Keoaer erhält.

Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich nungen beschrieben. In diesen stellen dar:

Fig. 1 - 4 vereinfachte schematische Darstellungen des Gerätes nach der Erfindung zur Verenschaulichung der vier Schritte des Kreisprozesses, ein Schaubild des Temperaturverlaufes bei dem Kreisprozess nach der Irfindung, ein Schaubild des Arbeitsablaufes bei dem Kreisprozess nach der irfindung,

eine Abwandlung des Gerätes mit Tehrfachverdrängern,

eine schematische .Ansicht, teilweise im Schnitt, einer enderen Abwandlung, der Kältemaschine np.ch der Erfindung,

Fig. 9 einen Quer schnitt durch d&s Ger^;:t der Fig. 8, entlang der Linie 9-9 der Fig. 8

Fig. 10,11 Veranschaulichtungen cer Verwendung äusserer Wärmeaustauscher in Verbindung mit der .Abhandlung des Gerätes nach Fig. 7,

Flg. 12 eine Veranschaulichtung der Verwendung von Warmestctionen'in Verbindung -:1t'den GerL't der Fig. 7,

Fig. 13 einen ,uerschnitt einer " b^T.vandlüng einer ".".lirme-' ■ "· ' stetion entlang: der" linie 13-1S der Fig. 15,

Fig. 14 einen uer schnitt einer" anderen ..tv andlung eir.er

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Fig.	5
Fig.	6
Flg.	7
Fig.	8

V&ri&e st ation entlang der Linie 14-14 der Fig. 12, Fig. 15 eine Abwandlung des Gerätes nach Fig. 12, Fig. 16 eine /b*andlung des unteren Teilee eines Verdrh'ngers Fig. 17 eine Abwandlung des unteren Teiles der inneren "y-' lind' rwendung.

7ur T⁷T leichte rung der Beschreibung des Kreisprozesses nach der Lrfindung ist dps Ger'-'t in den Fig. 1-4 in vereinfachter Form dargestellt. (Die Feschreibung und Besprechung der Abwandlungen dieses "erstes, die weiter unten gegelen werden, stellen. d^s Gerrt pusf"^;hrlicher dar).

Tn Fig. 1 be fin.-et sich in einer. Zylinder 10 ein Verdränger IS, der durch geeignete Einrichtungen beispielsweise eine Bett'tigungsstr-n;-f-15 oder dgl. , die sich durch das Ende des "Zylinders 10 erstreckt, bewegt v;ird. Lurch die senkrechte Be- \*egung öes VerdrMngers, 12 werden K'ar-mern 14 und 16 geschaffen, deren Volumen ^urch die Bewegung des VerdrMngers 12 bestimmt wird.

Un ein /rbeits ittel durch eine Leitung 20 (durch einen Eohrschclter 22 überv/pcht) und eine leitung 21 der ersten oder oberen Kammer 14 des 7ylinders zuzuführen, ist eine ς^ΐβΐΐβ oder ein Vorratsbehälter f".^;r Tochdruckgas 18 vorgesehen. In ^:hnlicherv.'eise ist ein "iederdruckvorratsbehalter 24 durch eine Leitung 26 (überwacht von dem Eohrsehalter 28) und die Leitung 21 an die obere Earner 14 und eine Leitung 52 angeschlossen, die zn einen Vi: rre spei eher 30 führt. Der untere Teil des Wärmespeicher s 30 ist iiitteis cer Leitung 52 cn die untere oder zweite Kerrner 16 des Zylinders 10 angeschlossen. V/ei te rhi η

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ist ein Verdichter 25 vorhanden, der zwischen den Hoch- und Niederdruokvorratsbehaltern 34 und 18 liegt und mit diesen durch die Leitung 27 verbunden ist. Die Kühlwirkung der Anlage kann mittels geeigneter Einrichtungen,wie Rohrschlangen 35, gewonnen - werden.

Bei den abgewandelten Ausführungsformen sieht man, dass auch mehrere Verdränger verwendet werden können ( Fig. 7) oder dass der Wärmespeicher auch im T'ittelabschnitt des l/erdrängers angeordnet sein kann (Fig. 8 und 9, bei 73). ,

Es werden nun anhand des in den Fig. 1-4 gezeigten Gerätes und der Schaubilder über den Temperaturverlauf {Fig.5) und den Arbeitsablauf (Hg,β) die vier Schritte des erfindungsgemässen Kreisprozesses beschrieben werden. Diese Schritte werden weiter unten im einzelnen besprochen, wobei sowohl die jjct und Weise des Anlaufes, als auch die Betriebsweise dee kälteerzeugenden Kreisprozesses berücksichtigt wird.

Im Schritt 1 (siehe Hg. 1) befindet sich der Verdränger in seiner untersten Stellung. Des bedeutet, dess die erste oder obere Kammer 14 ihr grösstes Volumen hat. Während dieses Schrittes ist der Eohrschalter ZZ geöffnet und gestattet dem unter hohem Druck stehenden Arbeitsmittel in die Kammer 14 zu strömen, und das darin enthaltene, unter niedrigem ruck stehende Gas (Erklärung erfolgt im Zusammenhang mit dem Schritt 4) zu verdichten. Bei der Verdichtung des Gases in der Kammer 14 wird Wärme erzeugt» Das ist in Fig. 5 veranschaulicht, wo man sehen kann, dass die Temperstur T des Arbeitsmittels beim Eintritt in die Anlage auf die Tem-SE
peratur T_ß, die nach der Verdichtung herrscht, gesteigert wird.

Der in Fig. 6 flir einen typischen %eieprozesa veranschau- ■-■_ , lichte .Ar belt »ablauf zeigt, dass der Verdränger während des ersten

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Schrittes über etwa 70 der Drehung der dem Verdränger zugeordneten Kurve stillsteht. Der Einlaasrohrschalter ( Fig. 1) ist geöffnet, so dass das Arbeitsmedium im wesentlichen gleichmässig aus dem I-Iochdrucivorratsbeiialter 18 ausströmen kann.

Im Schritt 2 (Fig. 2) wird das Gas dem niedrig temperierten oder unteren Teil des Zylinders zugeführt. Während dieses Schrittes wird der Verdränger rait im wesentlich gleichbleibender Geschwindigkeit (S¹Ig. 6) nach oben geführt und das heisse, verdichtete Gas wird durch die Leitung 32 in den Speicher 30 gedrückt. Gleichzeitig fliesst auf Grund der Tatsache, dass der Rohrschalter 22 während dieses Schrittes (Fig. 6) geöffnet bleibt, das Ilochdruckgas weiterhin aus dem Hochdruckvorratsbehälter. Diese zusätzliche Zufuhr von Hochdruckgas wird dem heissen, verdichteten Gas an einer Stelle zugeführt, die neben jener liegt, wo das heisse, verdichtete Gss die obere Kammer 14 verlässt. Die zusätzliche Gaszufuhr hat Raumtemperatur und kühlt daher den Strom des heissen, verdichteten Gases, wie Fig. 5 erkennen lasst, auf eine mittlere Temperatur T . ¹¹^It dieser Temperatur, die über der Raumtemperatur, also aber T_SE, jedoch unter T_c liegt, tritt das Arbeitsmittel in den Wärmespeicher ein. Wenn das Gerilt gercde anläuft, hat das den Wärmespeicher durch die Leitung 33 verlassende Arbeitsmittel etwa Raumtemperatur, wenn jedoch der Kreisprozess schon in vollem Gange ist, ist die Temperatur T_RQ des-den Wärmespeicher verlassenden. Arbeitsmittels stark vermindert, wie Fig. 5 erkennen lässt.

Die in diesem Schritt erfolgende zusätzliche Zufuhr von Hochdruckarbeitsmittel ist zum Ersatz des Volumenverlustes erforderlich, den das den Wärme speie her verlassende Gas auf Grund seiner Abkühlung und seiner nachfolgend^ Verdichtung .erleidet. Auf diese Weise hält, die zusätzliche Zufuhr von Hochdruckgas die Anlage unter im

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wesentlich gleichbleibenden Druck*

Durch die Eufuhr der zusätzlichen Arbeitsmittelmenge von Raumtemperatur neben der Stelle, wo d>-s helsse, verdichtete ixbeitsnittel die. obere Kammer des. Zylinders verlässt, wird darüber hinaus auch eine vollständige Durchmisohung erreicht. Das ist für eine wirkungsvolle Arbeitsweise ,des Wärmespeichers wichtig, weil die Einführung von Gas, dessen Temperatur laufend absinkt ι in den Wärmespeicher zu Verlusten des thermischen Wirkungsgrades fährt. Am .Anfang des Schrittes 3 (Hg. 3) wird der Eingangsrohrschalter 22 geschlossen, um eine plötzliche und vollständige Absperrung des ankommenden Hochdruckgases zu bewirken. Gleichzeitig wird der Bohrschalter 38 (der die Anlage rdt öerr_t ^l iederdruckvorratsbeh'^:lter verbindende -tjuslassrohr se halter) langsam fortschreitend geöffnet (Fig. 6), um dem entspannten, ge^'ihlten Gas, welches in den unteren Teil des WprmeSpeichers 30 eintritt, zu gestatten, mit im wesentlichen gleichbleibender Temperatur einzutreten; Das 1st für die wirkungsvolle arbeitsweise dee Wr rme speie her ε ebenfalls wichtig.

Im Schritt 3 verweilt der im Schritt 2' nit Im wesentlichen gleichbleibender Geschwindigkeit nach oben bewegte Verdränger während etwa 110 - 120° der Umdrehung <?er Verdranperkurve in seiner Stellung (Fig. 6).

Des bedeutet, dass die untere o<3er zweite Knnmer 16 w'hrend des Schrittes 3 ihre grösste Ausdehnung hpt und dass das den Wärmespeicher verlassende k-'ihle Gas In die "Fa^.er 16 eintritt und durch intspannune weitergekühlt wird. ¹^s ist eus ?lg. 5 zu ersehen, wo die tilteste oder r_na.temperatur bei T eingezeichnet ist» Ma. Ende des dritten Schrittes wird 3er ßbhrschrlter SS zu dem

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Niederdruckvorratsbehälter hin vollkommen geöffnet. Dadurch strömt das kalte, entspannte Gas durch den Wärmespeicher nach oben. Dabei .gibt der Wärmespeicher seine Wärme so weit eb, dass das Gas ihn mit einer Temperatur verlässt, die der Temperatur des eintretenden Gases.

im wesentlichen gleicht.

Im Schritt 4 (Fig. 4) wird das Grs durch den Niederdruckvorratsbehälter zur'ckgeleitet, während der Verdränger nach unten bewegt wird mtA das ^as durch den Wärmespeicher nach oben treibt. Debei tritt ein Teil des Gases in die obere oder erste Kammer 14 ein, während der Best in den '-iederdruckvorratsbehälter strömt.

Der Tiohrschrlter 28 bleibt während dieses Schrittes offen und wird denn am linde des Schrittes geschlossen, w'-'hrend der Bohrschaltor 2P_t der den Fluss des Hochdruckes se s iiberwecht, am Beginn des Kreisprozesses teilweise geöffnet vdrd (siehe Schritt 1, oben), V.rhrend des Schrittes 4 wird der Verdränger nit im wesentlichen gleichbleibenden Geschwindigkeit nach unten bewegt (Fig.6) und treibt so dos gesamte kalte Gas von der Kcnmer 16 durch den Wärmespeicher 30.

Das den Wärmespeieher und daher die Anlage verlassende Gas, welches väeder in den Kreisprozess einzuführen ist, hat die -Teaipere-

tur T ( siehe Fig. 5), die im wesentlichen der Eintrittstempere-SO

tür in den !«armespeicher gleich ist und über der Temperatur liegt, mit der das Gas in die r.nlege eingetreten ist. Die durch den Kreisprozess erhaltene Kühlwirkung kann daher als Iqq minus Tgg ausgedrückt werden. Das die Anlage verlassende Gas ist also von höherer Temperatur als das eintretende Gas. Des ist daran zu erkennen, dass die Rückleitung sich heiss anfühlt. Die aus der Anlage gewonnene Arbeit, d.h. die Abkühlung entspricht der Temperatürdifferenz des in die Anlage eintretenden und aus der Anlage austretenden Gases.

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Am Schluss des Schrittes 4 hat die obere Kammer 14 wieder ihre grb*sste Ausdehnung erreicht, enth=⁵It Kiederdruckgas und ist bereit, den Kreisprozess Wiederbeginnen zu lassen.

Das Tenperaturverlaufsschaubild der Fig. 5 gibt die während des Kreisprozesses auftretenden Durchschnittstemperaturen wieder. So kann beispielsweise ein Teil des entspannten Arbeitsmittels zum Wärmespeicher mit einer über T liegenden Temperatur zurückkehren, während ein anderer Teil mit einer unter Tq₀ liegenden Temperatur zurückkehrt.

Aus der Beschreibung des Kreisprozesses ergibt sich, dass es für eine wirkungsvolle Arbeitsweise notwendig ist, dass der Verdränger während, der Schritte l und 3 zunächst zeitweilig in seiner untersten. Stellung unc dann in seiner obersten, Stellung verweilt, damit eine gleichmässige Strömung des Gases erreicht wird. Andere wichtige Gesichtspunkte der Erfindung betreffen, die Zufuhr von zusätzlichem Hochdruckgas während des Verdichtungsschrittes, damit unter im wesentlichen gleichbleibendem Eruck gearbeitet wird, sowie die Einführung des zusätzlichen Hochdruckgeses an einer Stelle und auf eine V.'eise, die den Wirkungsgrad des V.I-rme speichere am grössten sein lassen, und schliesslich eine bestimmte Fo?ge der Ventilbetätigung, um die Schritte des Kreislaufes in der beschriebenen Weise ablaufen zu lassen, ,

Fig. 7, 8 und 9 veranschaulichen zwei Abwandlungen des Gerätes, deren man sich bei Verwendung des Kreisprozesses der Erfindung bedienen kann. -

Fig. 7 zeigt, wie der Kreisprozess nach der 1-rfindung bei einem Kälteerzeuger mit mehreren Verdrängern, die Jeder in einer getrennten Zylinderkammer arbeiten, angewendet werden kann. Das Gerrt nach Fig.:

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7 enthält ein Gehäuse 36 mit einem rohrförmigen Kopfteil 37 und zwei rohrförmigen oder zylindrischen Absohnitten 38 und 39, die verschiedene Durchmesser haben und von dem gemeinsamen Kopfteil 37 herabhängen. Wenn Fig. 7 auch die Verwendung zweier Verdränger und der entsprechenden zylindrischen Teile zeigt, so kann das Gerät doch auch mehr als zwei Verdränger enthalten. Die Verwendung von drei Verdrängern ist in den Figuren 10, 11 und IS veranschaulicht.

Der Kopfteil 37 wird durch eine Kopfwand 40 abgeschlossen, und von einem zylindrischen Kopfblock 42 hängen zwei (oder mehrere) Verdränger 43 und 44 herab, die in auf- und niedergerichteter Bewegung in entsprechenden Zylindern 38, b?:w. 39 hin- und hergehen. Die Verdränger 43 und 44 sind unabhängig voneinander mittels Maschinenschrauben 45 am Kopfblock 42 gesichert. Die Maschinenschrauben 45 erstrecken sich durch Löcher, die etwas grosser sind, als die Schrauben. Das gestattet eine radiale Einstellung und selbststätige Ausrichtung der Verdränger in den Gehäuseabschnitten 38 und 39.

Del* Kopf block 42 passt dicht in den Kopfteil 37 und grenzt so die Kopfkammer 46 darin ab. Die Kopfkammer entspricht der oberen oder ersten 14 der Fig. 1-4, In die Kopfkammer führt eine Hauptleitung 50, Die Leitungen zur Zufuhr des Hochdruekarbeitemittels und zur Entfernung des Niederdruckarbeitsmittels können an sich unmittelbar an die Kopfkammer 46 geführt sein. Bei der bevorzugten, in Fig. 7 dargestellten Ausfuhrungsform wird die Verbindung mit der Kopfkammer _;46 ^m^tlf^ls. einer Zweigleitung 43, die in die Hauptleitung Sp ,führt,.-hergestellt. Diese Anordnung gewährleistet bessere Dur«?hmisehung und daher, wie oben erwähnt, besseren Wirkungsgrad, In Fig. 7 wird das Hochdruckarbeitemittel

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aus einen Vorratsbehälter durch eine Leitung 41, die von dem dem Bohrschalter Gf: der Fig. 1-4 entsprechenden Rohrschalter 54 überwacht wird, zugeführt, während dos Kiederdruclcarbeitsniittel durch die Leitü^r £ 42 entfernt,"wird, die von dem dem Rohrsehalter 28 der Fig. 1-4 entsprechenden Rohrschalter 35 überwacht wird. Die Verdränger bilden mit ihren zugehörigen Zylindern Kaltekammern 47 und 48. Die Kammer 48 ist bei jeder 'Verdrängerstellung kleiner als die Kammer 47, weil sie einen kleineren 7.ylinderquersohnitt hat. Die Kammern 47 und 48 entsprechen der zweiten oder untern Kammer 16 der Pig. 1-4, nie Kältekamnem sind gegen die Kopfkammer 46 mittels Dichtungsringen 49 isoliert. Wie aioh weiter unten herausstellen wird, arbeiten die Dichtungs- * ringe im wesentlichen bei Raumteriperrtur. Unterhalb der richtungsringe 4P sind die Verdränger 43 " und 44 im Furchmesser etwas verkleinert, um zwischen <3en Verdrnngern 4? und 44 und den jeweiligen Geh"usewandüngen 38 und ?9 ringförmige R'Iume *u schaffen, die eine Wärmeleitung zwischen den Yerdrh'nrern und den Uandungen während der auf- und niedergerichteten Eewe; ng der Verdränger verhindern.

Lie Verbindung zwischen der Kopfkammer 46 und den Tältekamaern 47 und 48 wird durch die leitung· 50 hergestellt, von drr Zweigleitungen 51 und 58 in die ?'air.ern 47 und 48 fJhren. In dem durch die Leitung EO gebil'..eten otrcmungsv/eg liegen ^v.-ei U&rmespeicher 5? und 54, die vorteilhnfterv.eise Begenerrtoren rdt gestapelten Kupfer- oder Bronzegittern oder gelochten .Scheiben aus einem Metall von hoher Wärmekapazität sind und das Durchströmen des Arbeitsmittels gestatten. Der Vft'rmespeicher 55 liegt oberhflb der Zweigleitung 51, und der Vfärmespeicher 54 liegt in entsprechender-

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weise zwischen den Zweigleitungen 51 und 58. Auf diese Weise durchläuft das die Kältekammer 47 verlassende kalte Arbeitsmittel den Wärme speicher 53, während das die Kältekammer 48 ver· lassende Arbeitsmittel durch die V»Mrme spei eher 54 und 53 strömt.

Die über eine Stange 58 angeschlossenen Einrichtungen zur Bewegung des Kopfblockes 48 sind nicht näher dargestellt.

Selbstverständlich sind des .GehVuse, die Leitungen und die Wärmespeicher unter der Kopfkammer 46 in geeignete Isolierungen eingeschlossen. In entsprechender Weise empfiehlt es sieh für alle Abwandlungen des Gerätes, den auf Raumtemperatur und darunter zu haltenden Teil in eine Isolierung einzuschliessen» In der von der Kammer 48 fortführenden Zweigleitung 58 befindet sich ein geeigneter V^armeaustauseher 55, um die erzeugte Krlte durch Wärmeaustausch nit einem geeigneten Vilrmeübertrfigu"gsmittel, weiches durch die Leitungen 56 und 57 eintritt und austritt,nutzen %n können.

Das KalteerTieugungsx-eriahren nach der Erfindung, so wie es r.'it einen fier^t:t nit mehreren Yer<3r^;'ngern der in Fig. 7 dargestellten Art ausgeführt v;ird, τ/ird nun besehrieben»

In Jig* 7 sind die Verdränger 45 und 44 in der Stellung dargestellt, die sie entweder während des Schrittes S oder am An· feng des Schrittes 4 (siehe Fig, S und 4) einnehmen, Am Anfang des Kreisprozesses, <3*h# am Anfang des Schrittes 1, befinden sich dl© Verdränger 42 und 44 in der unteren Stellung, wobei 4er Boiir» Schalter 34 geöffnet und der Hohrsöhc lter 25 geschlossen let· lit der folgenden Beschreibung wird unterstellt, cass geaigneifce 7'lttel 7UT Betätigung ^er Bohrseheiter M und ZB vorhanden sinfl, "Bb kanu sieh dabei beispielsweise um. solche Kurven hajiaeln, wie sie ip Verbindung mit der Abwandlung mash Fig, 8 gezeigt woä

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ben sind. Verschiedenste irten von Rohrschaltern einschliesslicn Korbenschiebern und Hähnen eignen sich zur '.berwaehung des Flü-Ssigkeitsstromes in der Weise, wie es das erfindungsgemässe Verfahren zur Kälteerzeugung erfordert. ,

Ha sich der Einlassrohrschalter 34 langsam zu öffnen beginnt, wird das in der Kopfkammer 46 am Ende des Kreisprozesses gespeicherte Niederdruckgas durch das durch die Leitung 50 ein* tretende Hoοhdruckgas verdichtet, und die Temperatur des Gases in der Kopfkammer 46 wird durch die Verdichtung erhöht« Darauf wurde bereits oben im Zusammenhang mit Fig. 5 hingewiesen. Nachdem der Druck bis auf den in dem Hockdruekvorreisbehälter herrschenden Wert gesteigert worden ist, fangen die Verdränger an, nach oben zu gehen, und der Schritt S beginnt. .

Im Schritt 2 wird des erhitzte Gas aus äer Kopfkammer 46 verdrängt und beim Austreten durch die Leitung 50 mit einer zusätzlichen Menge Hochdruckgas vermischt, da ja während des zweiten Schrittes der Bohrschalter 34 noch geöffnet ist.' Das Gas hat dann eine Temperatur, die zwischen derjenigen des in die Anlage eintretenden Hochdruckgases und derjenigen des die Kammer 46 verlassenden verdichteten Geses liegt. las Gas durchläuft dann über die Leitung 50 die Wärmespeicher 53 und 54, in denen Wärme gespeichert wird, In der Anordnung nach Fig. 7 tritt der eine Teil des Gases in die Kältekammer 47 ein, während der Rest in die Kammer 48 eintritt* In diesen Kammern entspannt das Gas und kählt ab. Das Gas aus der Kältekammer 47 triut dann durch die Zweitleitung 51 und den Wärmespeicher 53. aus, während des Gas von der Kältekammer 48 durch den Wärmespeicher 54 zurückkehrt.

Wenn sich die Verdränger nach unten bewegen, wird das weiter abgekühlte Gas aus den Kältekammern duroh die Färmesp'eieher in den

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Niederdruckballastbeh^lter verdrängt, wobei es vorzugsweise unmittelbar durch die Leitung 50 strömt, ohne die Kopfkammer 46 zu passieren.

Beim Durchströmen der Wärmespeicher kühlt das Gas dieselben ab, obwohl das obere Ende des Wärmespeiohera 53 nahe an der Temperatur des dem Wärmespeicher ^ugeführten Gases bleibt. Diese Temperatur liegt zwischen der Tervperrtur des Geses nach der Verdichtung in der Kopfkammer und der Temperatur des Hochdruckzufuhrgrrfs. Nachdem die Anlage gearbeitet und sich abgekühlt hat, wird das in die Kältekammer 47 fliessende Gas nur durch den einen Wärmespeicher 53 gekühlt, während das in die Kältekammer 48 aufgenommende Gas sowohl durch den Wärmespeicher 53, als auch durch den Viärmespeicher 54 gekühlt wird. Die letztgenannte Kammer 48 einkt naoh einigen Kreisläufen auf eine niedrigere Tenperatur als die Kamaer 47 ab. Diese Differenz vergrössert sieh, bis die Arbeitebedingungen einen Gleichgewichtszustand erreichen, bei dem die ther ischen Verluste zuzüglich der Kühlbelaetung der Kühlwirkung während eines Kreislaufes gleich sind. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, liegt über den V/ärmespeichern ein Tempernturgefälle. Das obere_;. Ende des Wnrmespeichers 53 liegt oberhalb der Bezugs«? oder Normal·^ temperatur, also oberhalb 3oo°K, und das untere Inde de» lärmespeiohere 54 hat die niedrigste Tempemtur, die zwischen 15 und 80°K liegt, wenn als Kühlmittel Helium verwendet wird.

TSb mehrfach Verdränger verwendet werden, wie beispieleweise in Pig. 7 und 10-12, kann es erwünscht sein, die den tiefsten Temperaturen ausgesetzten Wmespeicher abzuwandeln. So können beispielsweise der Wärmespeicher 54 und die Iferrne speie her 134 der Hg« 10-12 ale Füllmaterial kleine Bleikugeln (von 0.25 - 0.75 m Durchmesser) haben. Diese Bleikugeln treten dann an die Stelle der ge-

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stapelten Tupfer- oder Bronzegitter, die für unter höheren Temper a-• türen stehende Wärmespeicher bevorzugt werden, llgemein kann man . sagen« dass dort, wc in den Vrirraespeichcrn Tempern türen unter 60°F auftreten, die Verwendung von Bleikugeln als Füllmaterial vorzuziehen ist, da das Blei in dem Bereich zwischen 15 und 50⁰IC eine hohe Wärmekapazität hat.

Durch Verwendung mehrerer Verdränger und Zylinder kann <3er Kreisprozess nach der vorliegenden Erfindung wirkungsvoller gestaltet merden. Γαβ Gerät nach Fig. 7 hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Dichtungen 49 unter Kaumtemperntur arbeiten und d*ss die Verdränger selbst ausrichtend angebracht sind.

In llg· 9 und 9 ist eine weiter ^bwendlung des Gerätes zur Ausführung des erflndungsgeingssen Kreisprozesses veranschaulicht. Insgesamt ist der /rbelcskreislauf bei dem Ger"t noch Fig. 8 der gleiche, wie er für die Fig. 1-4 und 7 beschrieben wurde.

Die Irfindung kann auch mit dein in Flg. 8 dargestellten Ger^.t ausgeführt werden, indem man die in Bezug auf die Verdr'ingereinriehtung 61A, eiB und 61C eingenommene Stellung der Hohrschalter Vl und 12 so steuert, um die Arbeitsfolge der Fig. 6 und den Tenpertturablauf nach Fig. 5 zu erzielen. Du der öbrige Aufbau bis auf öle Anordnung der Äßr me speicher 73 im viesentlichen der gleiche iet wie in FIf* δ der genannten früheren Anmeldung wird zur vollständigeren Offenbarung dierer Verkörperung der iirfinclung tuf die frühere Anmeldung hingewiesen.

In jedem Falle verbinden die Terms ε pe ic her 73 der Fig. 8 die XopfkesB&er §7 und die Entspannungskammera. v.enn die V^rmespalcher 95 a»eh aus Gründen der Klarheit auch eis offene Eäume gezeichnet «orden sind» so versteht es sich doch von selbst% aess sie zum grOssten feil vor ^'rrmeepeichemdem i'aterlal eingenommen werösn. ^Tie

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Kopfkammer 67 steht weiterhin auf einer Seite mit Durchlässen

74 und 75 in Verbindung, die je für sich mittels Leitungen und 77 (überwacht durch Rohrschalter 78 und 79) an einen Hochdruckbellastbetriter 80 bzw. einen Niederdruckballastbehälter 81 angeschlossen sind. Der Hochdruckballastbehälter entspricht dem Vorratsbehälter 18 der Fig. 1 und kann irgendeine passende Arbeitsmittelquelle sein, die beispielsweise Heliumgas unter Druck und von Raumtemperatur liefert. Der Niederöruckballastbehplter entspricht dem Vorratsbehälter 24 der Fig. 1 und kann irgendein Raum oder eine sogenannte Niederdruckquelle (in Bezug auf den Hochdruckballastbehälter) sein.

Wie Fig. 8 erkennen lässt, sind die Hoch- und Hiederdruckquelle mit einem Verdichter 82 versehen, der von dem Fiederdruckballastbehf'lter 81 über einen Kühler 83 und eine Reinigungsvorrichtung 84 an den Hochdruckballastbehr-lter 80 angeschlossen ist. Der Kühler 83 führt die vom Verdichter 82 erzeugte Verdichtungswärme ab. Fig. 8 zeigt schematisch ein von einem Motor 86 angetriebenes Schwungrad 85, welches durch geeignete mechanische Zwischenglieder, die durch die gestrichelte Linie 87 angedeutet sind, mit den Kurven 88 und 89 gekuppelt ist. Diese Einrichtung stimmt die hin- und hergehende Bewegung der Verdrängerstange 65 und des Verdrängers 61 mit den Kurven 88 und 89 ab. Die Kurven 88 und 89 öffnen und schliessen mittels Verbindungsgliedern 9E und 93 die Rohrschalter 78 und 79 und steuern so in der gewünschten Weise den Fluss des Arbeitsmittels, Wenn auöh getrennte Rohrschalter 78 und 79 gezeigt sind,-so kann doch selbstverständlich auch ein einziger Rohrschalter die beiden Funktionen der Rohrschalter 78 und 79 ausführen..

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Die nutzbare Kühlleistung kann an sich unmittelbar von der Bodenwand 63 abgeführt werden· es wird Jedoch vorgezogen, ein V&rmeübertragungsffiittel durch RohrsehVngen 94, die wärmeleitend mit den unteren Teil des Zylinders 67 verbunden sind, umlaufen ■ zu lassen. Dadurch wird ein wirkungsvoller «ärmeü.bertrfigur'gsweg geschaffen, um die Wärme von dem kalten Arbeitsmittel in der Kältekammer 70 an das in den Rohrschlangen 94 umlaufende Wärmeübertragungsmittel v.eiterzuleiten.

Ilan kann mit dem Kühlkreis nach der Erfindung auch ein •zusätzliches Wärnieaustauschsy&tem. verbinden und es dadurch ermöglichen, noch niedrigere Temperaturen zu erreichen, d.h. an den Verflüssigungspunkt von Helium (4,8 K) heranzukommen, ^vei 'Vege, auf denen dies erreicht werden kann, sind in den Figuren 10 und 11 veranschaulicht In diesen !Figuren beziehen sich gleiche Ie"u^s?:eicheri ruf gleiche Teile der Ger"·te.

Es wird nunmehr auf Fig. 10 Bezug genoisaen. In e leser ist mit einem Gerät der in Fig. 7 dargestellten ,Art ein äusserer liiarmeaustauschkreis verbunden. Bei dem Gerät nach der Fig. 10 sind drei parallele Verdränger vorgesehen, wobei der Kreisprozess zur Kälteerzeugung dem in Fig. 7 beschriebenen gleicht.

In der der schematischen 'Darstellung des Kreisprozesses dienenden Fig. 10 sind ein Hochdruckvorratsbeh^;ilter 1OS und ein Niederdruckvorratsbehölter 104 vorgesehen, zwischen denen ein Verdichter !Oft liegt. Von dem flochdruckvorratsbehi-lter 102 führt eine von den Rohrsehalter 110 überwachte Leitung 108 das Hoohdruckarbeitsniittel ^;;ber Leitungen 113 und 136 zu der Kammer 111 des KVlteerfceugungsgerätes, welches in. diesem Felle drei parallele Verdränger hat. Der Rohrschalter 110 entspricht dem Rohrschslter 34 der ,

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Figur 7. Die von dem dem Rohrscheiter 35 der Fig. 7 entsprechenden

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Eohrschalter 114 überwachte Leitung 112 führt ihrerseits zu dem Niederdruckvorratsbehälter 104 und führt das unter niedrigem Druck stehende Arbeite- oder Kältemittel aus der Anlage heraus. Des Hauptgerät zur Kälteerzeugung ist allgemein mit 115 bezeichnet» und mit einem Kopf block 116 ausgerüstet, von welchem drei zylindrische Verdränger ISC, 121 und 122, die Jeweils in Zylindern 125, 124 und 125 arbeiten, herebhängen« Die senkrechte Bewegung der Verdränger 120, 121 und 122, die durch die Stenge 118 und einen nicht näher gezeigten ^otor bewirkt wird, begrenzt in den zugehörigen Zylindern die Kalteräume 126, 127 und 128. Zusammen mit den drei V&rrr.espeichern 130, 132 und 134 machen die genannten Einrichtungen des Gerät demjenigen, welches in Fig. 7 dargestellt ist, vergleichbar.

Jeder der -KVärmespeicher liegt so innerhalb eines weiter unten zu beschreibenden Strömungsweges, dass er während der Zufuhr von Hochdruekgas zn den Eritekammern 126, 127 und 128 entleng des Weges Wärme bei fortlaufend niedrigeren Tempersturen speichert. Der Strömungsweg des unter hohen Druck zugeführten Gases enthält eine Leitung 136, welche die drei Warne speicher unmittelbar miteinander verbindet. Von der Leitung 156 gehen unterhalb eines jeden Sarnie Speichers Zweigleitungen 138, 140 und 142 ab, welche die Leitung 136 mit den Kältekammern 126, 127 und 128 verbinden. Oberhalb jeder der Zweigleitungen liegen in der Leitung 136 berührungsfreie Wärmeaustauscher 144, 146 und 148. Die andere Seite dieser'Wärmeaustauscher wird weiter unten im Zusaiaaenhang mit dem zusätzlichen IVarmeaustausch&ystem beschrieben werden.

Zusätzlich von* dem" ir> !"ilteerzeugungelcreisprozess dee mit

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mehreren Verdrängen! ausgestatteten Gerätes 115 verwendeten Kältemittel ist "ein zusätzliches Warmeaustauschsystem vorgesehen, welches Einrichtingen: enthält, mittels deren ein IVarmeübertragungsmlttel, beispielsweise Helium, gekühlt werden kann, um die Schlusskiihlung der Anlage zu bewirken. Das zusätzliche IVärmeaustauschsystem enthält eine *uelle für unter hohem Druck stehendes Wärmeübertragungsmittel. Dieses kann das gleiche wie das unter hohem Druck stehende Kältemittel sein und daher von der gleichen Cuelle 1OS, stammen, die auch des Kältemittel zur Verfugung stellt (Fig. 11). Wenn das »V&rmeübertragungsmittel und das Kühlmittel verschieden voneinander sind (Fig. 10), dann kann auch eine besondere uelle 150 ftir das unter hohem Truck stehende t«'ärmeüb'ertragungsr,ü.ttel vorgesehen sein. In Übereinstimmung mit ^rJem gebräuchlichen cryogenlschen Sprachgebrauch wird das in der Kälteerzeugungsöiilage umlaufende Medium elβ Kühlmittel bezeichnet, während das in. dem zusätzlichen lA&rmeeuitausohsysteia umlaufende Medium als ÜTärmeaustauschmittel bezeichnet wird. Wie eich weiter unten ergibt, können diese beiden Mediin entweder ein und dasselbe Medium oder auch verschieden voneinander sein.

Fig. 10 zeigt eine Anlage, welche die Verwendung eines von dem Kühlmittel verschiedenen «ärmeübertragiingsraitt el^s ge stattet. Bei dieser Anordnung sind für da« Wärmeaustausche!ttel,ein getrennter Hoohdruokvorratsbehelter 150, tin getrennter ITiederdruckvorratsbehälter 186 und ein Verdichter 193 vorgesehen. Das aus dem Hochdruelevorratsbebälter 150 ftaraaende WirmeaustauBChmittel wird iron der durch den Rohr se halt er 153 überwachten Leitung 152 weitergeleitet, während eine von einem Rohrschalter 157 überwachte Leitung 150 das Ifärmeaustausehmittel dem Hiederdruckvörratsbe-

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hälter zuleitet.

Das Hochdruckwärmeaustauschmittel, egal aus welcher Quelle es stammt, kommt zuerst durch eine mit einem geeigneten Rohrschalter versehene Leitung 152 in einen Hauptwärmeaustauscher 154. Der Hauptwärmeaustauscher 154 sorgt für einen beriihrungsfreien Wärmeaustausch, wofür ein von einem Kanal 158 umgebenes, mit Lamellen versehenes Rohr 156 vorgesehen. {Zwecks Vereinfachung der Darstellung sind die Figuren 10 und 11 rein schematisch gehalten). Ss fällt jedoch auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn entweder das Hochdruck·, ärmeübertragungsmittel oder aas liiederdrucku rmeübertragungsmittel durch ein mit Lamellen versehenes Rohr fliesst, während das andere des Rohr umspült. Es kann auch jede andere ^rt von berührungsfreien Wärmeaustauschern verwendet werden. Das den Wärmeaustauscher 154 durch die Leitung 160 verlassende Wärmeübertragung^·.! vi'.l ist, wie sich aus der folgenden Beschreibung ergibt, durch berührungsfreien Wärmeaustausch nit dem kalten, Niederdruckgas geMihlt worden.

Das Hochdruckwärneübertragungsmittel wird weiter in dem Wärmeaustauscher 144 abgekühlt, der durch das den Wärmespeicher verlassende und betretende kalte Gas gekühlt wird. In entsprechender Weise erfolgen weitere Abkühlungen im Wärmeaustauscher 162, durch Gas kalte, den Wärmespeicher 132 verlassende und betretende Gas im Wärmeaustauscher 146, im Wärmeaustauscher 164 und durch des den Wärmespeicher 154 verlassende und betretende Gas im Wärmeaustauscher 148. Das den Wärmeaustauscher 148 durch eine Leitung 166 verlassende Wärmeübertragungsmittel wird schliesslich durch einen berührungsfreien Wärmeaustauscher 168 geleitet und von dort durch eine Leitung 170 in ein Entspannungsventil geschickt. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Ventil wie des

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Joule-Thomson-Yentil 172 !handeln. In diesem wird d«s Gas entspannt und "bei der Entspannung noch weiter abgekühlt und unter Umständen in der 3aranlers"ule 174 sogar verflüssigt. Ein Teil des sehr tief herabgekühlten oder verflüssigten Wärmeübertragungsmittel aU3 der Sammlersäule 174 kann aus der Anlage durch eine Leitung 176 in einen geeigneten. Vorratskessel 178 entfernt werden. Der Best des verflüssigten Wärmeubertragungsinittel in dem Samlerkessel 174 wird verdampft (wozu man sich eines Irhitzers 180 bedient, wenn notwendig), und das kalte Gas wird mittels einer Leitung 18S aus dem Flüssigkeitsvorratskessel 174 im entgegengesetzten Sinne durch den Kreis geleitet wie das eintretende Hoch-

^unt'.smittel. Dabei strömt dos kalte V&rmeubervon niedriger- Truck» beispielsweise Helium von der Leitung 182 in die Vfärmeaustauscher 168, 164 und 16S, v/o bei es des eintretende Fochdruckw^rmeübertrsgungsrrittel in cer oben angegebenen iVeise k"ihlt. Schllesslieb. ströütt des die Anlege verlassende Niederdruckwärmeübertragurrgsmittel durch die Leitung 184 und den V&rmeaustauscher 154 in den Eiederdruckvorrntsteh^lter 186. Es sind geeignete EohrschrJLter vorgesehen, und derjenige Teil der Anlage, der von der gestrichelten Linie 190 umschlossen wird, ist durch geeignete ÄÜttel, unter denen sich auch Strahlungsschutzeinrichtungen befinden können, isoliert.

Pig, 11 zeigt eine Abwandlung des zusätzlichen "»Varmeaustauschsystems. Die Abwandlung der Fig. 11 zeigt zunächst, wie dasselbe !.!edium als Wärmeübertragungsmittel und ein durch die Anlage strömende Kühlflüssigkeit verwendet werden kann, i.!an kann sich beispielsweise für beide "Verwendungszwecke des Heliumgases bedienen. In dieser Ausführungsform stellen der Bochdruckvorreisbehälter 102,

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der Niederdruckvorratsbehälter 104 und der Verdichter 106 beide Medien zur Verfügung.

Eine zweite in Fig. 11 enthaltene Abänderung besteht darin, dass die Wärmeaustauscher 144 und 146 der Fig. 10 fortgefallen sind und eine von einem Rohrschalter 196 überwachte Anzapfleitung 194 hinzugefügt ist, welche die Kältekammer 128 und die Rückleitung 18S miteinander verbindet. Dadurch kann kaltes ledium in den Rückstrom eingeführt werden, um. die Abfuhr Ton verflüssigtem Vsärmeübertragungsmittel aus dem liessei 174 auszugleichen und so den Wärmeaustausch in der Anlege im Gleichgewicht zu halten.

Im Betrieb der Kaiteerzeugungsanlage der Fig. 11 strömt das Eochdruckmedium 7or._t Ilochdruckvorratsbehälter 102 in der gleichen Weise wie in Fig. 10 durch den Viiärmesustauscher 154. Y.egen des Fortfalls der Y.ärmeaustauscher 144 und 146 der Flg. 10 strömt das Hochdruckmedium unmittelbar durch die Wärmeaustauscher 16E und 164. Ss hat sich jedoch als zweckmü-'sig erwiesen, den Wärmeaustauscher 148 beizubehalten, um das Hochdruckwärmeübertragungsmittel durch berührungsfreien Wärmeaustausch.mit dem kältesten Teil des aus der Kältekammer 128 austretenden Kältemittels weiter zu kühlen. Is erfolgt dann ei na noch weitere Abkühlung im Vfärmeaustauscher 168, Entspannung und Verflüssigung im Joule-Thomson-Ventil 17S und Ansammeln der Flüssigkeit im Kessel 174 in der gleichen Weise, wie im Zusammenhang mit Fig. 10 beschrieben.

Die Anordnung nach Fig. 11 ist für ein Verfahren und für Einrichtungen eingerichtet, um einen Teil des kältesten Kühlmittels in den Rücklauf des Wärmeaustauschkreiaes einzuführen und W&rmeverluste und den Abgang von Wärmeubertragungsmitteln durch die Leitung

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• ES *

176 auszugleichen. Bas wird durch die Anzapf leitung 194 bewirkt, die von einem Einwegrohr schalter 196 überwacht wird und das Abströmen keIten Kühlmittels in die Rückleitung 18S gestattet, so dass eine zusätzliche Kühlung oes eintretenden Hochdruokwärmetibertragungsmittels erreicht wird.

, .Schliesslieh ist in ITig. 11 ein Sinwegrohrschalter 188 vorgesehen, der das Tiedereintreten des Niederdruckw^irrneaustauschHittels in den Kreis gestattet, jedoch Jeglichen Rückdruc¹: in der ""Tiederdruckseite des T'rmeaustauschers 154 verhindert.

Bei jeder dieser Abwandlungen, die sich eines ^usfltzlichen W-'rneaustauschsystens bedient (oder in den Fig. 10 und 11 entsprechenden Abhandlungen) können niedrigere Te/uperaturen erreicht werden, als sie r.it eier K'Mteerzeugungsanlege alleine erreichbar sind. In solchen Anlr.gen, wie sie in den Fig. 10 und 11 dargestellt sind, ist Helium mit Frfolg verflüssigt worden, r^s bedeutet, dass bei passender Auswahl des Kühlmittels und des tViraeübertragungsmittels Jedes niedrig siedende Oes verflüssigt v/erden kann*

Die Fig. 18 und 17 zeigen weitere Abänderungen, die der Verbesserung des ^v.^rirkimgsgrades des Verfrhrens und des Ger" te ε noch der Erfindung tfienen. Diese Abänderungen umfassen sogenannte V,^r^rmestationen, die Verv.-endung von EinwegrückscMefventilen zur ET7ielung des wirkungsvollsten Strömungsweges für dps Tedium und eine teilweise Auskleidung der kalten Abschnitte der Terdrc^:ngervr^:nae und <?er inneren. Zylinderwg.nde it einem Γηterial, ν eiches bei den euf tretenden niedrigen Temperaturen h&he 7.^;rmekape?;!ff.t suf'.^cist. ^ie Verwendung von Wrr^estntiorLen ist in cen Fig. 12 -"15 verEnschaulicht, die Verwendung des Einwegventil es in Fig. 15 ur'd οίε teil\ eise '-uskleidung der Verdrllncerwünde und 7-ylinder in Fig. 16 und 17. In diesen Figuren zeichnen gleiche Bezugs?eichen gleiche Teile v.le In

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Fig. 10 und 11.

In Fig. 12 ist eine Y/armestation 200 gezeigt, die im "Strömungsweg liegt und zwischen dem Wärme speicher 130 und der Zweigleitung 138 eingeschaltet ist. Diese Wnrmestation hat den 7-weck, den Vfärmespeicher dadurch zu stabilisieren, dass die Temperatur Schwenkungen des an das obere Ende des nächstfolgenden 'Wärmespeichers 132 weitergegebenen Mediums und des durch diesen Wärmespeicher von den K"" lte kammern zuriickflies senden Mediums ausgeglichen werden. Wenn man diese WärmeSchwankungen möglichst klein macht, wird der Wirkungsgrad der Wärmespeicher wesentlich verbessert, in dem in ihnen ein genaues Teuroeraturgefalle erzeugt und aufrecht erhalten wird. Ein guter Wirkungsgrad der Wärmespeicher ist besonders bei solchen verh^;:ltnipra*ssig kleinen Geräten wiohtig, wie sie, wenn es erwünscht ist, nach der Erfindung gebaut werden können.

Die WärmeStationen können von dem in den Fig. 12, 13 und und 15 gezeigten Aufbau sein. D.H., sie können aus einem oder mehreren Abschnitten bestehen. Die einfachste Form ist die Wärmestation 200 der Fig. 15 mit einem einzigen Abschnitt, der als im wesentlichen unter immer gleichbleibender Temperatur gehaltener Wärmespeicher aufgebaut ist. Das wird dadurch erreicht, dass man den Wärme Stationsabschnitt aus einem retall oder l'etallen, aufbaut, die bei niedrigen Temperaturen (d.h. unter etwa 50⁰K) hohe Wgrmekapaziti'ten haben. Der Abschnitt besteht aus einem Durchgang fiir die Strömung, der aus einem Stapel von gelochten Scheiben, die sich in gewissem Abstand voneinonder befinden und in Wärmeleitung mit dem umgebenden Geh'use stehen, zusammensetzt. Andererseits können die WärmeStationen auch' Stapel von Drahtnetzen aus einem Material besitzen, welches bei Temperaturen von unter 50⁰K hohe wärmekapazität zeigt. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in den Fig.

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18 und IS dargestellt. Ein Aluminium- oder Kupferblock SOS enthält aufeinander gestapelte, gelochte Kupferplatten 204 (die Löcher messen etwa 0.25 - 1.25 mm im Durchmesser), die durch Löten wärmeleitend verbunden sind. Dieser Block stellt einen Abschnitt dar. Wie Fig. 13 zeigt, können mehrere solche /bschnitte wärmeleitend miteinander verbunden sein und als Viärme stat ion 803 in Fig. 15 verwendet werden. Der .Abschnitt, der neben dem von dem vom KUhlarbeitsmittel durchströmten Abschnitt liegt, kann mit einer Leitung 208 ausgestattet sein, die drs Wärmeübertragungsmittel durch den Abschnitt leitet, um die Kälte aus der Anlage herauszuholen.

line andere Art von Wärmestation, die zwischen den mit den kälteren Kältekammern verbundenen Wärmespeichern zusammenwirken soll, ist als Station 201 in den Fig. 12 und 14 dargestellt. In diesen Stationen dient der eine Abschnitt als" Vürme spei ehe rzone und kann einfach ein fester Körper 206 aus einem ?^Tetall wie Blei sein, der mit dem Wärnestationsblock in wärmeleitender Verbindung steht, der seinerseits mit einen anderen Y&mestationsabschnitt in wärmeleitender Verbindung steht. Ss kann beispielsweise in Fig. 12 (einem typischen Helium als Kühlmittel der.Anlage verwendenden Krei$, die Temperatur des das u- tere Ende des IVarriespeichers 152 verlassenden oder betretenden Mediums etwa! 35⁰K betragen, während das das untere Ende des Viärmespeichers 154 ■ verlassende oder betretende Medium

eine Temperatur von etwa 15 K aufweist. Ter Bleiblook 206 in der Wärmestation hat bei diesen Temperaturen eine hohe Wärmekapazität, so dass er diese Temperaturen schnell erreicht und die Temperatur des durch die MrmeStationen strömenden Fediums auf Grund dee znvi» schen dem festen Bleiblock und den gestapelten Scheiben 204 aufrechterhaltenen l/lTärmeilbertragungsweges stabilisiert.³

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Der Wirkungsgrad der Wärmespeicher kann weiter verbessert .. werden, in dem man die Strömungsrichtung durch die Wärme Stationen λ überwacht, Zwei Vfege, auf denen man dieses Mittels eines Einweg- , rückschlagventiles erreichen kann, sind in Fig. 15 dargestellt. Die Wärme station 205 ist hier als aus drei Abschnitten aufgebaut gezeigt, 7wei von diesen, d.h. A und B, führen den Strom des Kühlmittels, während der dritte, C, die Kälte unter Umstanden unter Verwendung eines von aussen zugefiihrten ^T/Va.rmeübertra£*ungsmittels , abfährt. Dasden Y»armespeicher 150 durch die Leitung 136 verlassende Medium wird aufgeteilt, wobei der erste Teil unmittelbar durch die Leitung 210 und ein Einwegventil 212 in die Kältekammer 126 geht und der zweite Teil durch die Leitung 211, den Vtärmestationsaoschnitt B und die Hauptleitung 136 zum Wärme«-· speicher 132 geht. Has die Kältekammer 126 verlassende, kältere, entspannte Medium muss zu der Hauptleitung 136 durch die Leitung 214 und den Abschnitt A zurückgehen und stabilisiert so die Temperatur im Abschnitt A und somit wegen der wärmeleitenden Verbindung zwischen den Abschnitten A und E auch in Abschnitt B. Auf diese X'.eise ist der in den Vifarme speicher 132 hineingehende Teil des Mediums nicht nur temperatur-stabillsiert worden, Bondern er ist auch erheblich bis auf die Temperatur des die Kältekammer 126 verlassenden Fediums abgekühlt worden.

In entsprechender Weise kann das den ?^armespeicher 132 verlassende Medium die Kältekammer 127 sowohl durch die Leitung 216, das Einwegventil 218 ,und die 7weigleitung I40 erreichen, als auch durch den Abschnitt D der Wärme station 203, die Leitung ESO und die Zweigleitung 140, Das abgekühlte Medium muss jedoch durch den durch die VS&rme station führenden Wegzurückkehren, wodurch die Temperatur des durch den Wärmespeicher 132 zurückkehrenden Medium

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■tabillsiert wird* riss bedeutet, dass drs Tediun, welches das ' untere:-Ende des V&rmespeIchers 132 beim nächsten Kreislauf verlässt i nahe der geringstmöglichen Temperatur ist.

Sohllesslich zeigen die Flg. 16 und 17 eine zusätzliche Abänderung der Verdränger- und Zylinderwände, durch welche die thermisohen Eigenschaften jener Teile der Verdränger und der Zylinder Terbessert werden sollen, die auf sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden* beispielsweise um 50 K.

Aus praktischen und thermodynaraischen Erwcgungen werden solche Verdränger, die am oberen Rnde unter Raumtemperatur und am unteren Ende unter sehr niedrigen Temperaturen arbeiten und'die nach Möglichkeit vom einen zum anderen Ende nur rehr wenig 'Vflrae '!bertregen sollen gus Werkstoffen hergestellt, die leicht in die gewünschte Form gebracht werden können, einen -möglichst kleinen ?£rmeausdehnungs-Koefflzienten besitzen und die eine sehr kleine Wärmekapazität über den Temperaturbereich heben, dem sie ausgesetzt werden. Als zweokmsssig für den Aufbeu der ■Verdränger het sich ein dichtes, kunsthsrzimprägniertes Faserm/iterial, wie es beispielsweise unter dem Namen '"icarta bekannt ist, herausgestellt.

Der Verdränger passt locker in den Zylinder und ist am oberen Ende abgedichtet. Auf diese Weise strömt dann, wenn der Druck ansteigt und absinkt, das Medium in den Zwischenraum zwischen Ver~ dränger und Zylinder hinein, \yvn. aus "diesem her aus. Im allgemeinen Ist dieser Zwischenraum im Verhältnis ?.u dem entspannten Volumen klein, bei kleinen Einheiten kann er jedoch nahezu Genausogrose '.-,erden. Das In diesem Zwischenraum auf- und nieaerströmende Tedium ffurde die V&rrne von den unteren, kälteren Teilen fdrtiiiiren und den Wirkungsgrad der Kälteerseugungsanlage herabsetTien, wenn nicht ein

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gewloser !WärmeSpeichereffekt der 7ylinderwMnde und der Verdr^f\ngeroberfleche bestünde. Beim Hinaufströmen durch diesen Raum wird das . Fedium erwärmt, index* es die Oberflächen von Verdränger und 7ylinder kühlt, und bein TTerobströmen durch diesen Raum wird das T'edium zuriickgekühlt, Indem es die Oberflächen erhitzt. Auf diese »eise hat drtS ^T'ediura. beim Wiedereintritt in den Entspannungsraum etwa dessen Tenperr.turpunkt.

Diese Wirkung kann sich ^v;icht ergeben, wenn die Zylinder wände und der Verdränger nicht beträchtliche »Urmekapazitäten- besitzen. Unterhalb 5O⁰K haben die normalen Konstruktionswerkstoffe der Zylinder (rostfreier Stahl beispielsweise) und der Verdränger ("icfirta beispielsweise) eine sehr kleine Wärmekapazität. Um die V.ärraekapa/.itäten bei niedrigen Temperaturen zu steigern, sind sowohl der Verdränger als auch der Zylinder von Ringen oder Windungen aus " lei umgeben, wie Fig. 16 und 17 erkennen lassen. Das wird gemacht, da Blei bei niedrigen Temperaturen eine hohe Vvärme kapazität net. riese "b'noerung Ist nur dann notwendig, wenn Temperaturen unter 50⁰I- erzeugt v;ercien. ?^fan kann leicht Ringe oder gewundene Streifen ocer Ei'.ncer ?.ΡΛ aus Blei in die "ussere Oberfläche des Verdrängers 22£ einlegen, wie rig. 16 zeigt. Daß Blei wird so eingelegt oder eingesetzt, dass eeine Oberfläche ττ-it der Fläche des Verdränger ε in eir.er Ebene liegt, sodass sich insgesamt eine glatte Verdrir.ngeroberflt.che ergibt. In entsprechender "eise kann die Innenfläche des "ylinders SSC (lig. 17} i.it Eingen oder gewundenen Streifen 2E8 ausgelegt sein. Im allgemeinen empfiehlt es sich* denj.enigen Abschnitt der Verdränger und Zylinder abzuändern, der bei Geräten mit mehreren Zylindern der in den Fig. 12 und 15 gezeigten Art bis unter den kürzesten Zylinder hinausragt.

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BIe vorstehende Beschreibung der Erfindung offenbart ein nettes Verfahren zur Kälteerzeugung und ein Oer*"· t zur Ausführung des Kreisprozesses nach der Erfindung rlt gutem Wirkungsgrad. Bei Verwendung eines V&rmeaustausehsystems bietet die Erfindung ein einfaches, wirkungsvolles Verfahren zur Verflüssigung von Helium und überhaupt aller niedrig siedenden Oase.

Das erfindungsgeriässe Ger^t ist gleicherweise f-"r einstufige, als auch für mehrstufige Arbeitsweise verwendbar. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf «?rs ~ur Veranschaulichung dargestellte Gerät, sondern umfasst vielmehr alle Abhandlungen und /quivrlente, die In den Bahmen der beigefügten /jnsprüche fallen.

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Claims

Arthur D. Little, Inc.,

Cambridge 48, Mass.,
Memorial Drive 30, Y,St.A.

jatan.tanmeldu.ng: "Verfahren und Gerät zur Kälteerzeugung unter

Entspannung eines Kältemittels"

Patentanspräche

I.' Verfahren zur Kälteerzeugung nach Anspruch 1 der' Patentanmeldung L 51 719 Ia/17a vom 14. !tavember 1958, dadurch. gekennzeichnet, dass »Värmeenergie von einem geschlossenen, auedehnungsfähigen Raum (10) nach aussen abgegeben wird, wobei die Wärmeenergie dadurch abgeleitet wird, dass das bei Entspannung in dem genannten Baum (10) bzw. (16) abgekühlte Kühlmittel wieder auf eine Temperatur oberhalb jener, mit der es in den Raum eingetreten ist, erwärmt wird.

2. Verfahren zur Kälteerzeugung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem genannten Raum (10) bzw, (14) verdichtete und auf eine erste Temperatur Tq erhitzte Kühlmittel zur Vorkühlung zusammen mit zusätzlichem Kühlmittel aus einer Hochdruckkühlmittelquelle (18), welches dae verdichtet· Kühlmittel auf eine zweite unter der genannt·», ersten Temperatur liegend· -

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^r|

Temperatur T abkühlt, einem Mrmespeioher zugeführt wird und dassdas verdichtete und des zusätzliche Kühlmittel nach Entspannung in dem genannten Raum (10) "bzw. (16) in dem genannten Wärmespeicher (30) auf eine Temperatur T_QQ rüokerhitzt wird, die mit der genannten zweiten Temperatur T_KE im wesentlichen übereinstimmt.

3. Verfahren zur Kälteerzeugung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dase das während der Entspannung in dem genannten Raum (10) bzw. (16) ahgelciihlte Kühlmittel eine Kühlleistung an eine aussere Belastung (35) abgibt.

4· Verfahren zur Kälteerzeugung nach Anspruoh S oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intspannung äes Kühlmittels nach Absperrung der Zufuhr des zusätzlichen Kühlmittels aus öer Hochdruckkuhlmittel quelle (18) gewirkt wird.

5. Verfahren zur Kälteerzeugung nach einem der Ansprüche 8-4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem geschlossenen Raum

(47) ausgestoseene Kühlmittel dadurch weitergekühlt wird, dass es eimern srweiten, geschlossenen, mit einem zweiten Mrmespeioher (54) verbundenen Raum (46) eugeführt wird, wobei in dem zweiten Raum

(48) Wärmeenergie aus dem Kühlmittel entzogen wird und das weiter abgekühlte Kühlmittel. die von den «nannten Wärme spei ehern (53, 54) gespeicherte Vfdrme empfängt, um auf eine Temperatur T₃₀ erwärmt zu werden, die der genannten zweiten Temperatur T_P1 im wesentlichen gleich ist.

.6. Verfahren zur Kälteerzeugung nech Anspruch 5, dpdurch gekennzeichnet, dass eine...Mhe von nufeinander folgender abgeschlossenen Räuraen vorgesehen sind, wobei jecer der püfr-lnender folgenden Räume pahlmitteleripfe.nßt, um es auf eine Te ρ err tür zu

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kühlen, die in jeder folgenden Stufe fortschreitend niedriger wird.

7, Verf.-hren zur Jvälteerzeugung ncch Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel im Verlaufe des die genannten Vllrriespeicher enthaltenden .Strömungsweges nit Flächen von im wesentlichen gleichbleibender Temperetür in Perährung gebracht wird, um die """r^e fus e'en "'ühlnittel wirkungsvoller zu entfernen und zu speichern.

8. Verfrhren zur nüteerzeugung nach Anspruch 5, dadurch. gekennzeichnet, dsss ein TTochdruckWrmeübertragungs^ittel aus einer TTochclruclanittelquelle (150) "br·/. (102) in ein Wärmeubertregurgssystcm eingeführt, -Jann c.urch b· rührungsfreien Tärraeaustausch rait der. i-e'·:''.hlten ^T sdiu~. aus den " .^:ir^Tv"esTieich.ern fortschreitend p"bgek'ihlt, danach ÄVJecks weiterer Fr'hlu^g entspannt (178) .und sehliesslich venigstens -iur. -Teil zum berührungsfreien Ί-'rraeaustausch T^It dem in i-.s ".l^;rneäbertr'-gu"gssystem eingeführten Tlochdruckwärmeübertrpgu\,_'S"-<ittel der.: I'Treislauf wieder zugefV.hrt v/ird,

9. Verfahren zur iailteerzeugang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil von dem T'edium, welches aus dem kältesten abgeschlossenen 2;aum (128) ausgestossen wird, dem entspannten «P.rin.eübertragü^gs-lttel 'ugesetzt wird (194, 196) , um Yolumenverluste des Yaraeübertrögungsnittels auszugleichen.

IG« Oerilt zur Ausführung des Verfahrens zur Kälteerzeugung nach irgendeinen der vorangehenden Ansprüche * gekennzeichnet durch ein einheitlichbewegliches Glied 1-8 j weiches zusanmen mit einem abgeschlossenen Aaum (10) wenigstens eine ausdehnungsfähige Katnner (14) bildet, in v.e'lche ein. F'hlv?iittel aus einer Hoehdruökqiielle über Lg hf schalte inriehturiLen (2δ) zugeführt wlröj ceren

8Ö§äi I/O 1 ti

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weise durch Steuereinrichtungen (88, Hg. 8) mit dem beweglichen Glied (12) in der Weise abges-timmt ist, um die Rohrschalteinrichtung wenigstens teilweise offenzuhalten, während das Kühlmittel im Verlaufe des K^lteerzeugungskreisprozessea in der genannten Kammer (14) unter dem Einfluss des genannten beweglichen Gliedes verdichtet wird, so dass ans verdichtete Kühlmittel, während es durch eine Leitung (58) zu einem Mrmespeicher (50) strömt, durch einen zusätzlichen Klihlnittelstrom, der durch die mit der genannten Leitung verbundenen Rohrschplteinricbtungen (22) fliesst auf eine niedrigere Temperatur T_kl gebracht wird, die über der Temperatur TßE ^4es Kühlmittels vor der Verdichtung in der genannten Kammer (14) liegt und im wesentlichen der Temperatur Tg₀ gleicht, die drs Kühlmittel durch die Rüekerhitzung in dem * armespeicher (50) nach Entspannung in der genannten Karraaer erhält»

11. Gerät nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch erste (14) und zweite (16) Kammern, deren Volumen durch die Bewegung des genannten beu-eglichen Gliedes (IS) bestinrat v/ird, sowie durch Leitungen (52, 55), die die genannte erste und zweite Kammer verbinden, und einen rdt jeder der Leitungen und jeder der Kammern verbundenen Vife rrne speie her (50), wobei die Bewegung des bewegliehen Gliedes vier Stufen umfasst, nämlich: Verweilen in der obersten Stellung, Abwärtsbewegen, Verweilen in der untersten Stellung und Aufwärtsbewegen.

18. Ger"t nech Anspruch 10 oder Ii, gekennzeichnet durch einen Hieöerdruckvorratsbehälter (S4) zur Aufnahme des entspannten Nieierdruckkühlraittels nach Rückerhitzung durch den F'lrmespeicher (50), wobei der ITiederdruckvorrctsbehe.lter riit zweiten Rohrschalteinrichtungen (2S) zusammenarbeitet, deren Arbeitsweise ebenfalls von Steuer-itteln (89, Fig. S) in 4er ..eise überwacht wird, dass die zweiten Bohrsohalteinrichtuneen (88) sich in Öffnungsstellung be-

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finden, wenn die ersten Rohrschalteinrichtungen (22) geschlossen werden, und umgekehrt.

13. Gerät nech Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch mehrere Kammern (47, 48) bzw. (126, 127, 128), die durch cas einheitlich bewegliche Glied (42) bzw, (116) begrenzt werden, und durch mehrere seitlich in gewissem, /bs-tend voneinender befindliche Gehäuse (58, 39) bzw, (12?, 124, 125) zur .Aufnahme des einheitlich beweglichen Gliedes und Bildung der abgeschlossenen Räume von veränderlichem Volumen.

14. GerLlt nech irgendeinem der Ansprache 10-13, gekennzeichnet durch in der genannten Leitung (136) liegende Wärmeaustauscher (144, 146, 148) zum /bfuhren der Kühlleistung mittels einer Yiärmeübertrr gungsflüssigkeit.

15. Ger*^;t nr;ch Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Isolierung, die wenigstens denjenigen Teil des Gerätes umgibt, der während des Tetriebes unter der Formaltemperr.tur gehalten wird.

16. Cert't nrch irgendeinem der /.n^eprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, dass von einer gemeinsamen Kopfplatte (42) bzw, (116) bewegliche Glieder (43, 44), (120, 121, 122) herabhängen, wobei die gemeinsame Kopfplatte (42) bzw, (116) rait den abgeschlossenen Bäumen (38, 39) bzw. (125, 124, 125) eine an dem den ausdehnungsfähigen Kammern gegenüberliegenden Ende der abgeschlossenen Räume liegende Kopfkammer (46) bzw, (111) bildet und Leitungen die Kopfkammern über die genannten V.ärmespeicher (53, 54) bzw, (150, 132, 154) mit den ausdehnungsfähigen Kammern verbinden, wobei weiterhin Einrichtungen zur Bewegung der Kopf- . platte und-der beweglichen Glieder in vorbestimmter ^T<ieise vorgesehen sind,

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'Ι'¹?. Gerät" nach Anspruch 16, dadurch gekennzelöhnet, deso die Wärmespeicher aus retailen aufgebaut sind, öle bei den in den Speichern auftretenden Tenper;turen hohe V.araekapa^.itüten aufweisen.

18. Ger* f nach Anspruch 16, öodurch gekennzeichnet, dass der kälteste Wärmespeicher kleine I'.lei kugele hen sis Lp eiche mittel enthalt. ^; ·

19. Ger^?:t nach Anspruch 16, -dadurch gekennzeichnet, dass die Speieher gestapelte Irähtgitter aus einem T'ateri&l enthalten, welches unter 50°Γ" eine hohe Wärmekapazität zeigt. ■

20. "Gerät nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dess "wischen den die abgeschlossenen Räume bildenden ^"andurtgen und den beweglichen Gliedern zwecks Isolierung des, in den ausdehnungsföhigen Kamera enthaltenen Tediums von der Kopfkammer gasdichte Dichtungen (49) vorgesehen sind und dass flie seitliche Ausdehnung des unter den Dichtungen (4P) gelegenen Teils der beweglichen Glieder ge-lügend viel kleiner rls Sie seitliche .Ausdehnung-der abgeschlossener. F.".u:r.& ist, u™ "wischen diesen Teilen einen ringfh'-mic-en Spalt, entsteher zu Ir ε seh ^ der genügend brei,t^;ist, um einen. vrd.r::eubergang zwisciiei?. de", fcc ve glichen Gliedern und den et erschlossenen Hi'.uE'en zu verhindern.

Sl-. Ger fit nc ch Anspruch BO, gekennzeichnet durch riit den Warme speichern in Verbindung stehende V,'i-rir-cs"fci tione η zur Verminderung der Ter_tpp.rt;tursehWankungen des die Vv" me speicher betretenden und verlas senden Tediums,

' SS. Ger t tt- eh. Anspruch El, gekennzeichnet cureh linrichtiingen «um Zirkulieren eines lB_:diuns durch einen »V&schnitt der ^rmestötiönen in beriihruhgifr-eiem ^rnepusteuseh nit cer; genannten

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S3, Geriet iu'ch Anspruch Sl oder 22, dadurch gekennzeichnet, de es die Wärme station einen Block (202) mit einem Durchlass enthält, wobei r'ex Durchlass in dem Strömungsweg des ""ediums liegt und Stapel von ::iit dem Block in wärmeleitender Verbindung stehenden gelochten Scheitel enth It, wobei der Block und die Scheiben aus '' ctallen b? stehen, di^r= bei niedrigen Te per ^r türen hohe Wärmekapazitäten hrben.

£4, Gerct n.-ch Anspruch 25, gekennzeichnet durch Einwegrohrschalteinrichtunr'en (212, 218), die einem Teil des Niederdrückte diuns die lI.Ti£~ehunc des f/er.annten Durchlasses gestatten und dps g&- snirte, öie Entspnn-.unfsknnrdern verlassende ^ieo.erdruclauedium durch den genannten Γ-urc· less treiben.

25. C(T t nf^!oh nspruch 20, gekennzeichnet durch mit <3en Wärmespeichern verbundene V'rmeaustfmsche'nrichtunren r,un Abf'hren der ^T'1ihllcistunr ittels einer getrennten V.?ir^eUbertraf:ungsmittelquelle.

26. CFrHt nrc". Anspruch 25, f-ekenr^eichnet durch vrdrmeeuitauKchriittel, die it verifstens einem der Wärme speicher in Verbindung stehen, um die Πhlleistung rlttels desselben von der Hochdruckmittelquelle -rur Verfügung gf stellten T^ediums abzuführen.

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