DE1401515C - Vorrichtung zur Kälteerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung bo trifft eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mittels Verdichtung und Entspannung eines Gases unter Verwendung eines Verdrängers, tier in einem Zylinder verschiebbar ist, dessen beide durch die Stirnllächen des Verdrängers begrenzten Endkamniern, von denen in der einen das Gas verdichtet und in der anderen das Gas entspannt wird, über einen Regenerator in Verbindung stehen und mit dem über ein Einlaßorgan eine Ciasquelle konstanten hohen Druckes und über ein Auslaßorgan eine Gasquelle konstanten niedrigen Druckes in Verbindung stehen, wobei die Gasc|iielle konstanten hohen Druckes und die Gasquelle konstanten niedrigen Druckes im Bereich zwischen der zur Verdichtung dienenden Endkammer und dem Regenerator angeschlossen sind.

Es ist bereits eine Kälteerzeugungsvorrichtung der vorgenannten Art bekannt (USA.-Patentschrift 2 567 454), bei der periodisch die der Verdichtung dienende Endkammer mit unter hohem Druck stehendem Gas gefüllt und anschließend die eingefüllte abgeschlossene Ciasmenge durch Verschieben des Verdrängen über den Regenerator in die andere Endkammer gebracht und dabei durch die auftretende Expansion gekühlt wird, worauf das expandieite Gas durch Verschieben des Verdrängers über ilen Regenerator in die Gasquelle konstanten niedrigen Druckes \erdrängt wird. Die eine Abkühlung der abgeschlossenen Gasnienge bewirkende Expansion ist darauf zurückzuführen, daß bei Durchgang lies unter hohem Druck stehenden Gases durch den Regenerator die Gastemperatur und damit der Gasdruck verringert wird, so daß sich die abgeschlossene Gasnienge expandieren kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß unter vollständiger Ausnutzung des Druckunterschieiles zwischen der Gasquelle konstanten hohen Druckes und der Gasquelle konstanten niedrigen Druckes ein möglichst günstiger Wirkungsgrad erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe eilindungsgemäß dadurch, daß die periodische Betätigung des Verdrängen, des l'.inlaßoigans und des Auslaßorgans zeitlich derail aufeinander abgestimmt ist, daß zunächst das Einlaßorgan geöli'iiei wird, wenn der Verdränger in der Endlage ruht, in welcher die der Verdichtung dienende Endkammer ihr größtes Volumen hat. dann bei geöffnetem Einlaßorgan der Verdränger in die andere Endlage bewegt und daraufhin das Einlaßoij'an geschlossen, anschließend bei in der alliieren I milage ruhendem Verdränger das Auslaßorgan genll'nvl und schließlich der Verdränger bei geöffnetem /NtislaßiiiL'an wieilei in die erstgenannte Endlage z.unickbewi-jil iiinl daraufhin das Auslaßorgan geschlossen wird.

Die erliiidun!".j.'.cniäß aufeinander abgestimmte SlcuiTiiiiji sun Verdränger. Einlaßoigau sowie Auslaf'iiiit'an eimögliclil bei jedem Ailvilsspiel eine optimale Ausnutzung des liruckuulerschieiles zwischen fio den beiden Gasquellen für Kühl/wecke. Da bei der Vi.'iu-hichuii;.¹ des Verdrängen aus der Eiitspan-".Ι-.;ιΐιιιΐΗΊ in die Veidichluiigskaminer das der Ii lnilun Diuckrs zugeordnete Einlaßorgan j'eollinl Meilii. wird j;ewäluleislcl. daß die ExpanmmiisIm'iiiiiiK'I Uni/ KnliliiM'.' und daliei I )ruckabfall di¹. dasi.·^ In i I )uii lii'aiif dmch ilen Regeneialm mit i'.-kiihlieiii das uelulll wild, das iinlei einem dem Druck der Gasquelle hohen Druckes entsprechenden Druck steht. Die durch Abkühlung im Regenerator entstehenden Druckverluste werden also durch Nachlieferung von unter hohem Druck stehendem Gas kompensiert. Das in der Entspannungskamnier befindliche gekühlte Gas wird somit beim Öffnen des Auslaßorgans vom höchstmöglichen Druck entspannt, wodurch maximale Abkühlung erzielt wird. Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung zur Kälteerzeugung nach der Erfindung derart ausgestaltet, daß mehrere Zylinder vorgesehen sind, deren Verdränger starr miteinander verbunden sind und die eine gemeinsame zur Verdichtung dienende Endkammer aufweisen, während die aufeinanderfolgenden zur Entspannung dienenden Endkammern über einen Regenerator miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise ist zur periodischen Betätigung des Verdrängers, des Einlaßorgans und des Auslaßorgans eine Nockensteuerung vorgesehen.

Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen

F i g. 1 bis 4 vereinfachte schematische Darstellungen einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 5 ein Schaubild des Temperaturverlaufes bei einem Arbeitsspiel der Ausführungsform nach Fig. I. Fi g. (S ein Schaltbild zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform.

Fig. 8 teilweise im Schnitt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform,

Fig. ⁽) einen Schnitt entlang der Linie 9-9 in F i g. 8.

Fig. I(i. 11 die Verwendung äußerer Wärmeaustauscher in Verbindung mit der Ausführungsform nach F i g. 7,

Fig. 12 die Verwendung von Wärmespeichern zur Temperaturstabilisierung bei der Ausführungsform nach F i g. 7.

Fi s. 13 einen Schnitt entlang der Linie 13-13 in Fig. "Ϊ5.

Fi«. 14 einen Schnitt entlaim der Linie 14-14 in Fig. 12.

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer gegenüber Fig. 12 abgeänderten Ausführungsform,

Fig. Ι(Ί eine Ansieht des unteren Teiles eines Verdrängers,

Fig. 17 eine Darstellung des unteren Teiles der Zylinderinnenwandung.

F i g. I zeigt einen Zylinder 10, in dem ein Verdränger 12 durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise eine Betätigungsstange 15 oder dergleichen die sich durch das Ende des Zylinders 10 erstreckt, verschiebbar ist. Durch Verschieben des Verdrängers 12 werden Kammern 14 und 16 geschaffen, deren Volumen von der Lage des Verdrängeis 12 abhängt.

nine Gasquelle IH konstanten hohen Druckes i>x über eine Leitung 20 mit einem Einlaßventil 22 und eine Leitung 21 an die Kammer 14 des Zylinders angeschlossen. In ähnlicher Weise ist eine Gasquelle 24 konstanten niederen Druckes über eine Leitung 26 mit einem Auslaßventil 28 und die Leitung 21 an die obere Kammer 14 sowie über eine Leitung 32 an das obere Ende eines Regenerators 30 angeschlossen. Das innere Ende des Regenerators 30 ist mittels der Leitung 33 an die untere Kammer 16 des Zylinders Kt angeschlossen. Weiterhin ist ein Verdichter 25 in

der Verbindungsleitung 27 zwischen den Gasquellen 24 und 18 vorgesehen. Kälte kann mittels geeigneter Einrichtungen, beispielsweise der Rohrschlange 35, abgeführt werden.

Es können auch mehrere Verdränger verwendet werden (F i g. 7) oder der Regenerator kann auch im Mittelabschnitt des Verdrängers angeordnet sein (Fig. 8 und 9, bei 73).

Die Arbeitsweise einer Kälteerzeugungsvorrichtung nach der Erfindung wird nun näher an Hand von Fig. 5 und 6 erläutert. Jedes Arbeitsspiel besteht aus vier Schritten. Beim ersten Schritt (siehe Fig. 1) befindet sich der Verdränger in seiner untersten Stellung. Das bedeutet, daß die obere Kammer 14 ihr größtes Volumen hat. Während dieses Schrittes ist das Einlaßventil 22 geöffnet, so daß unter hohem Druck stehendes Gas in die Kammer 14 strömt und das darin befindliche, unter niedrigem Druck stehende Gas (Erklärung erfolgt im Zusammenhang mit dem Schritt 4) verdichtet wird. Bei der Verdichtung des Gases in der Kammer 14 wird Wärme erzeugt. Wie in F i g. 5 dargestellt, steigt daher die Temperatur T_s,._: des Gases beim Eintritt in den Zylinder auf die Temperatur T_c an, die nach der Verdichtung herrscht.

Fig. 6 zeigt, daß der Verdränger während des ersten Schrittes über etwa 70° seiner ihm zugeordneten Arbeitsspielkurve stillsteht.

Im weiteren Schritt (F i g. 2) wird das Gas dem kälteren unteren Teil des Zylinders zugeführt. Während dieses Schrittes wird der Verdränger mit im wesentlichen gleichmäßiger Geschwindigkeit (F i g. 6) nach oben geführt, und das warme verdichtete Gas wird durch die Leitung 32 in den Regenerator 30 gedrückt. Das Einlaßventil 22 bleibt während dieses Schrittes (Fig. 6) geöffnet, so daß weiterhin unter hohem Druck stehendes Gas einströmen kann. Das einströmende, unter hohem Druck stehende Gas, das Raumtemperatur hat, wird dem aus der oberen Kammer 14 verdrängten Gas zugemischt, wodurch das verdichtete Gas, wie F i g. 5 erkennen läßt, auf eine mittlere Temperatur T_l{,._: abgekühlt wird. Mit dieser Temperatur, die über der Raumtemperatur, also über T_S!._:, jedoch unter T_(: liegt, tritt das Gas in den Regenerator ein. Bei Inbetriebnahme hat das den Regenerator durch die Leitung 33 verlassende Gas etwa Raumtemperatur, wenn jedoch die Kälteerzeugung schon in vollem Gange ist, ist die Temperatur T_R0 des aus dem Regenerator austretenden Gases stark vermindert, wie Fig. 5 zeigt.

Durch die in diesem Schritt erfolgende zusätzliche Zufuhr von unter hohem Druck stehendem Gas wird der infolge der Abkühlung des Gases im Regenerator erfolgende Druckabfall kompensiert, so daß der Gasdruck im wesentlichen konstant bleibt.

Da das auf Raumtemperatur befindliche Gas dem warmen, verdichteten Gas zugemischt wird, wenn letzteres die obere Kammer des Zylinders verläßt, wird eine vollständige Durchmischung erreicht. Das ist für eine wirkungsvolle Arbeitsweise des Regenerators wichtig, weil die Einführung von Gas, dessen Temperatur laufend absinkt, in den Wärmespeicher zu Verlusten beim thermischen Wirkungsgrad führt.

Zu Beginn des dritten Schrittes (Fig. 3) wird das Eingangsventil 22 geschlossen. Gleichzeitig wird das Auslaßventil 28 langsam fortschreitend geöffnet (Fig. 6), damit das entspannte, gekühlte Gas, das in Jen unteren Teil des Regenerators 30 eintritt, mit im wesentlichen gleichbleibender Temperatur eintreten kann. Das ist für die wirkungsvolle Arbeitsweise des Regenerators ebenfalls wichtig.

Im Schritt 3 verweilt der im Schritt 2 mit im wesentlichen gleichbleibender Geschwindigkeit nach oben bewegte Verdränger von etwa 110 bis 120° in seiner Stellung (Fig. 6).

Das bedeutet, daß die untere Kammer 16 während des Schrittes 3 ihr größtes Volumen hat und das den Regenerator verlassende kühle Gas in die Kammer 16 eintritt und durch Entspannung weitergekühlt wird. Das ist aus Fig. 5 zu ersehen, wo die Endtemperatur bei T_co eingezeichnet ist. Am Ende des dritten Schrittes wird das Auslaßventil 28 vollkommen geöffnet. Dadurch strömt das kalte, entspannte Gas durch den Regenerator nach oben. Dabei gibt der Regenerator seine Wärme so weit ab, daß das Gas ihn mit einer Temperatur verläßt, die im wesentlichen der Temperatur des eintretenden Gases entspricht.

Im Schritt 4 (Fig. 4) wird das Gas in die Gasquelle konstanten niederen Druckes zurückgeleitet, indem der Verdränger nach unten bewegt wird und das Gas durch den Regenerator nach oben getrieben wird. Dabei tritt ein Teil des Gases in die obere Kammer 14 ein, während der Rest in die Gasquelle niederen Druckes strömt.

Das Auslaßventil 28 bleibt während dieses Schrittes offen und wird dann am Ende des Schrittes geschlossen, während das Einlaßventil 22 zu Beginn des folgenden Arbeitsspiels geöffnet wird (siehe Schritt 1).

Das aus dem Regenerator austretende Gas hat die Temperatur T_so (siehe F i g. 5), die im wesentlichen der Eintrittstemperatur in den Regenerator entspricht und über der Temperatur liegt, mit der das Gas in die Kammer 14 eingetreten ist. Die durch den Kreisprozeß erhaltene Kühlwirkung kann daher als T"_so minus T_sl._: ausgedrückt werden.

Am Ende des Schrittes 4 hat die obere Kammer 14 wieder ihr größtes Volumen erreicht und unter niederem Druck stehendes Gas ist in ihr enthalten.

Aus der Beschreibung des Kreisprozesses ergibt sich, daß es für eine wirkungsvolle Arbeitsweise notwendig ist, daß der Verdränger während der Schritte 1 und 3 zunächst zeitweilig in seiner untersten Stellung und dann in seiner obersten Stellung verweilt, damit eine gleichmäßige Strömung des Gases erreicht wird.

F i g. 7 zeigt eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit mehreren Verdrängern, von denen jeder in einer getrennten Zylinderkammer arbeitet. Die Vorrichtung nach F i g. 7 enthält ein Gehäuse 36 mit einem rohrförmigen Kopfteil 37 und zwei zylindrischen Abschnitten 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 Fig. 10, 11 und 12 veranschaulicht.

Der Kopfteil 37 wird durch eine Kopfwand 40 abgeschlossen; von einem zylindrischen Kopfblock 42 hängen zwei (oder mehrere) Verdränger 43 und 44 herab, die in entsprechenden Zylindern 38 bzw. 39 verschiebbar sind. Die Verdränger 43 und 44 sind unabhängig voneinander mittels Maschinenschrauben 45 am Kopfblock 42 gesichert. Die Maschinen-

schrauben 45 erstrecken sich durch Löcher, die etwas größer sind als die Schrauben. Das gestattet eine radiale Einstellung und selbsttätige Ausrichtung der Verdränger in den Gehäuseabschnitten 38 und 39.

Der Kopfblock 42 paßt dicht in den Kopfteil 37 und grenzt so die Kopfkammer 46 darin ab. Die Kopfkammer entspricht der oberen oder ersten (14) der F i g. 1 bis 4. In die Kopfkammer führt eine Hauptleitung 50. Die Leitungen zur Zufuhr von unter hohem Druck stehendem Gas sowie zur Entfernung von unter niederem Druck stehendem Gas können unmittelbar an die Kopfkammer 46 geführt sein. Bei der bevorzugten, in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform wird die Verbindung mit der Kopfkammer 46 mittels einer Zweigleitung 43, die in die Hauptleitung 50 führt, hergestellt. Diese Anordnung gewährleistet bessere Durchmischung und daher, wie oben erwähnt, besseren Wirkungsgrad. In F i g. 7 wird das unter hohem Druck stehende Gas aus einem Vorratsbehälter über eine Leitung 41 mit einem Einlaßventil 34 zugeführt, während das unter niederem Druck stehende Gas über die Leitung 42 mit einem Auslaßventil 35 entfernt wird.

Die Verdränger bilden mit ihren zugehörigen Zylindern Kältekammern 47 und 48. Die Kammer 48 ist bei jeder Verdrängerstellung kleiner als die Kammer 47, weil sie einen kleineren Zylinderquerschnitt hat. Die Kammern 47 und 48 entsprechen der unteren Kammer 16 der Fig. 1 bis 4. Die Kältekammern sind gegen die Kopfkammer 46 mittels Dichtungsringen 49 isoliert. Die Dichtungsringe befinden sich im wesentlichen auf Raumtemperatur. Unterhalb der Dichtungsringe 49 sind die Verdränger 43 und 44 im Durchmesser etwas verkleinert, um zwischen den Verdrängern 43 und 44 und den jeweiligen Gehäusewandungen 38 und 39 ringförmige Räume zu schaffen, die eine Wärmeleitung zwischen den Verdrängern und den Wandungen während der Verschiebung der Verdränger verhindern.

Die Verbindung zwischen der Kopfkammer 46 und den Kältekammern 47 und 48 wird durch die Leitung 50 hergestellt, von der Zweigleitungen 51 und

52 in die Kammern 47 und 48 führen. In dem durch die Leitung 50 gebildeten Strömungsweg liegen zwei Regeneratoren 53 und 54. Der Regenerator 53 liegt oberhalb der Zweigleitung 51, und der Regenerator 54 liegt in entsprechender Weise zwischen den Zweigleitungen 51 und 52. Auf diese Weise durchläuft das die Kältekammer 47 verlassende kalte Gas den Regenerator 53, während das die Kältekammer 48 verlassende Gas durch die Regeneratoren 54 und

53 strömt.

Die über eine Stange 58 angeschlossenen Einrichtungen zur Bewegung des Kopfblockes 42 sind nicht näher dargestellt.

Selbstverständlich sind das Gehäuse, die Leitungen und die Regeneratoren unter der Kopfkammer 46 in geeigneten Isolierungen eingeschlossen. In der von der Kammer 48 fortführenden Zweigleitung 52 befindet sich ein geeigneter Wärmeaustauscher 55, um die erzeugte Kälte durch Wärmeaustausch mit einem geeigneten Wärmeübertragungsmittel, welches durch die Leitungen 56 und 57 eintritt und austritt, nutzen zu können.

In Fig. 7 sind die Verdränger 43 und 44 in der Stellung dargestellt, die sie entweder während des Schrittes 3 oder am Anfang des Schrittes 4 (siehe F i g. 3 und 4) einnehmen. Am Anfang des Kreisprozesses, d. h. am Anfang des Schrittes 1, befinden sich die Verdränger 43 und 44 in der unteren Stellung, wobei das Einlaßventil 34 geöffnet und das Auslaßventil 35 geschlossen ist.

Da sich das Einlaßventil 34 langsam zu öffnen beginnt, wird das in der Kopfkammer 46 am Ende des vorherigen Kreisprozesses gespeicherte Gas, das unter niedrigem Druck steht, durch das durch die Leitung 50 eintretende Gas hohen Druckes verdichtet, und die Temperatur des Gases in der Kopfkammer 46 wird durch die Verdichtung erhöht. Nachdem der Druck bis auf den Druck der Gasquelle konstanten hohen Druckes gestiegen ist, beginnt die Verschiebung der Verdränger nach unten und damit der Schritt 2.

Im Schritt 2 wird das erhitzte Gas aus der Kopfkammer 46 verdrängt und beim Austreten durch die Leitung 50 mit einer zusätzlichen Menge Hochdruckgas vermischt, da ja während des zweiten Schrittes das Einlaßventil 34 noch geöffnet ist. Das Gas hat dann eine Temperatur, die zwischen derjenigen des eintretenden Hochdruckgases und derjenigen des die Kammer 46 verlassenden verdichteten Gases liegt. Das Gas durchläuft dann über die Leitung 50 die Regeneratoren 53 und 54. Ein Teil des Gases tritt in die Kältekammer 47 ein, während der Rest in die Kammer 48 eintritt. In diesen Kammern entspannt sich das Gas und kühlt ab. Das Gas aus der Kältekammer 47 tritt dann durch die Zweigleitung 51 und den Regenerator 53 aus, während das Gas von der Kältekammer 48 durch den Regenerator 54 zurückkehrt.

Wenn sich die Verdränger nach unten bewegen, wird das weiter abgekühlte Gas aus den Kältekammern durch die Regeneratoren in die Niederdruckgasquelle verdrängt, wobei es vorzugsweise unmittelbar durch die Leitung 50 strömt, ohne die Kopfkammer 46 zu passieren.

Beim Durchströmen der Regeneratoren kühlt das Gas dieselben ab, wobei jedoch das obere Ende des Regenerators 53 nahe an der Temperatur des dem Regenerator zugeführten Gases bleibt. Diese Temperatur liegt zwischen der Temperatur des Gases nach der Verdichtung in der Kopfkammer und der Temperatur des Hochdruckgases. Das in die Kältekammer 47 fließende Gas wird nur durch den Regenerator 53 gekühlt, während das in die Kältekammer 48 aufgenommene Gas sowohl durch den Regenerator 53 als auch durch den Regenerator 54 gekühlt wird. Die Temperatur der Kammer 48 sinkt nach einigen Kreisläufen auf einen niedrigeren Wert als die der Kammer 47. Diese Differenz vergrößert sich, bis die Arbeitsbedingungen einen Gleichgewichtszustand erreichen, bei dem die thermischen Verluste zuzüglich der Kühlbelastung gleich der Kühlwirkung während eines Kreislaufes sind. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, liegt über den Regeneratoren ein Temperaturgefälle. Das obere Ende des Regenerators 53 liegt oberhalb der Bezugs- oder Normaltemperatur, also oberhalb 300° K, und das untere Ende des Regenerators 54 hat die niedrigste Temperatur, die zwischen 15 und 80° K liegt, wenn als Kühlmittel Helium verwendet wird.

Wo mehrere Verdränger verwendet werden, wie beispielsweise in Fig. 7 und 10 bis 12, kann es erwünscht sein, die den tiefsten Temperaturen ausgesetzten Regeneratoren abzuwandeln. So können beispielsweise der Regenerator 54 und der Regenerator

134 der Fig. 10 bis 12 als Füllmaterial kleine Bleikugeln (von 0,25 bis 0,75 mm Durchmesser) haben. Diese Bleikugeln treten dann an die Stelle von gestapelten Kupfer- oder Bronzegittern, die für unter höheren Temperaturen stehende Regeneratoren bevorzugt werden. Allgemein kann man sagen, daß dort, wo in den Regeneratoren Temperaturen unter 50° K auftreten, die Verwendung von Bleikugeln als Füllmaterial vorzuziehen ist, da das Blei in dem Bereich zwischen 15 und 50° K eine hohe Wärmekapazität hat.

Durch Verwendung mehrerer Verdränger und Zylinder kann der Kreisprozeß nach der vorliegenden Erfindung wirkungsvoller gestaltet werden. Das Gerät nach F i g. 7 hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Dichtungen 49 unter Raumtemperatur arbeiten und daß die Verdränger selbstausrichtend angebracht sind.

Die Erfindung kann auch mit der in F i g. 8 dargestellten Vorrichtung ausgeführt werden, indem man die in bezug auf die Verdrängereinrichtungen 61 A, 61 B und 61C eingenommene Stellung der Ventile Vl und V 2 so steuert, um die Arbeitsfolge der Fig. 6 und den Temperaturablauf nach Fig. 5 zu erzielen. Regeneratoren 73 liegen zwischen den Kopfkammern 67 und den Entspannungskammern. Die Kopfkammer 67 steht mit Durchlässen 74 und 75 auf einer Seite in Verbindung, die jeweils mittels Leitungen 76 und 77 (mit Ventilen 78 und 79) an die Hochdruckgasquelle 80 bzw. die Niederdruckgasquelle 81 angeschlossen sind.

Wie F i g. 8 zeigt, ist ein Verdichter 82 vorgesehen, der die Niederdruckgasquelle 81 über einen Kühler 83 und eine Reinigungsvorrichtung 84 mit der Hochdruckgasquelle 80 verbindet. Der Kühler 83 führt die vom Verdichter 82 erzeugte Verdichtungswärme ab. F i g. 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 92 und 93 die Ventile 78 und 79 und steuern so in der gewünschten Weise die Gasströmung.

Die nutzbare Kühlleistung kann unmittelbar von der Bodenwand 63 abgeführt werden; es wird jedoch vorgezogen, ein Wärmeübertragungsmittel durch Bohrschlangen 94, die wärmeleitend mit dem unteren Teil des Zylinders 67 verbunden sind, umlaufen zu lassen. Dadurch wird ein wirkungsvoller Wärmeübertragungsweg geschaffen, um die Wärme von dem kalten Gas in der Kältekammer 70 an das in den Rohrschlangen 94 umlaufende Wärmeübertragungsmittel weiterzuleiten.

Man kann mit dem Kühlkreis nach der Erfindung auch ein zusätzliches Wärmeaustauschersystem verbinden und es dadurch noch ermöglichen, noch niedrigere Temperaturen zu erreichen, d. h. an den Verflüssigungspunkt von Helium (4,2° K) heranzukommen. Zwei Wege, auf denen dies erreicht werden kann, sind in den Fig. 10 und 11 veranschaulicht.

Es wird nunmehr auf Fig. 10 Bezug genommen. In dieser ist an eine Vorrichtung der in F i g. 7 dargestellten Art ein äußerer Wärmeaustauschkreis angeschlossen. Bei dem Gerät nach der Fig. 10 sind drei parallele Verdränger vorgesehen, wobei der Kreisprozeß zur Kälteerzeugung wie bei Fig. 7 abläuft. Es ist eine Hochdruckgasquelle 102 und eine Niederdruckgasquelle 104 vorgesehen, zwischen denen ein Verdichter 106 liegt. Von der Hochdruckgasquelle 102 führt eine mit einem Ventil 110 versehene Leitung 108 das Hochdruckgas über Leitungen 113 und 136 zu der Kammer 111. Das Ventil 110 entspricht dem Ventil 34 in F i g. 7. Das Ventil 35 in F i g. 7 entspricht dem Ventil 114, das in der Leitung 112 zur Niederdruckgasquelle 104 liegt. Die Vorrichtung zur Kälteerzeugung ist allgemein mit 115 bezeichnet und mit einem Kopfblock 116 ausgerüstet, von welchem drei zylindrische Verdränger 120,121 und 122, die jeweils in Zylindern 123,124 und 125 arbeiten, herabhängen. Die senkrechte Bewegung der Verdränger 120,121 und 122, die durch die Stange 118 und einen nicht näher gezeigten Motor bewirkt wird, begrenzt in den zugehörigen Zylindern die Kälteräume 126, 127 und 128. Es sind drei Regeneratoren 130,132 und 134 vorgesehen.

Jeder der Regeneratoren liegt so innerhalb eines weiter unten beschriebenen Strömungsweges, daß er während der Zufuhr von Hochdruckgas zu den Kältekammern 126,127 und 128 Wärme bei fortlaufend niedrigeren Temperaturen speichert. Der Strömungsweg des unter hohem Druck zugeführten Gases enthält eine Leitung 136, welche die drei Regeneratoren unmittelbar miteinander verbindet. Von der Leitung 136 gehen unterhalb eines jeden Regenerators 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 Wärmeaustauscher 144,146 und 148.

Das zusätzliche Wärmeaustauschsystem enthält eine Quelle für unter hohem Druck stehendes Wärmeübertragungsmittel. Dieses kann dem unter hohem Druck stehenden Kühlgas entsprechen und daher von der Hochdruckquelle 102 stammen. Wenn Wärmeübertragungsmittel und Kühlgas verschieden sind (Fig. 10), dann kann auch eine besondere Quelle 150 für das unter hohem Druck stehende Wärmeübertragungsmittel vorgesehen sein. Das in der Kälteerzeugungsanlage umlaufende Gas wird als Kühlmittel bezeichnet, während das in dem zusätzlichen Wärmeaustauschsystem umlaufende Medium als Wärmeaustauschmittel bezeichnet wird.

Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung, welche die Verwendung eines von dem Kühlmittel verschiedenen Wärmeübertragungsmittels gestattet. Bei dieser Vorrichtung sind für das Wärmeaustauschmittel ein getrennter Hochdruckvorratsbehälter 150, ein getrennter Niederdruckvorratsbehälter 186 und ein Verdichter 192 vorgesehen. Das aus dem Hochdruckvorratsbehälter 150 stammende Wärmeaustauschmittel wird von der durch das Ventil 153 überwachten Leitung 152 weitergeleitet, während eine von einem Ventil 157 überwachte Leitung 150 das Wärmeaustauschmittel dem Niederdruckvorratsbehälter zuleitet.

Das Hochdruckwärmeaustauschmittel kommt zuerst durch eine mit einem geeigneten Ventil versehene Leitung 152 in einen Hauptwärmeaustauscher 154. Der Hauptwärmeaustauscher 154 weist ein von einem Kanal 158 umgebenes, mit Lamellen versehenes Rohr 156 auf. Das den Wärmeaustauscher 154 durch die Leitung 160 verlassende Wärmeübertra-

109 517/6

gimgsmittel ist, wie sich aus der folgenden Beschrei- Ein Teil des kältesten Kühlmittels wird in den

bung ergibt, durch berührungsfreien Wärmeaustausch Rücklauf des Wärmeaustauschkreises eingeführt, um

mit dem kalten Niederdruckgas gekühlt worden. Wärmeverluste und die über die Leitung 176 abge-

Das Hochdruckwärmeübertragungsmittel wird zogene Gasmenge auszugleichen. Das wird über die weiter im Wärmeaustauscher 144 abgekühlt, der 5 Anzapfleitung 194 durchgeführt, die ein Einwegvendurch das den Regenerator 130 durchströmende kalte til 196 enthält, über das kaltes Kühlmittel in die Gas gekühlt wird. In entsprechender Weise erfolgen Rückleitung 182 strömen kann, so daß eine zusätzweitere Abkühlungen im Wärmeaustauscher 162, im liehe Kühlung des eintretenden Hochdruckwärme-Wärmeaustauscher 146 durch das kalte den Regene- Übertragungsmittels erreicht wird.
ratorl32 durchströmende Gas, im Wärmeaustau- io Schließlich ist in Fig. 11 ein Einwegventil 188 scher 164 und Wärmeaustauscher 148 durch das vorgesehen, über das unter niedrigem Druck stehenden Regenerator 134 verlassende und betretende des Wärmeübertragungsmittel in den Wärmeaus-Gas. Das den Wärmeaustauscher 148 durch eine tauschkreis einströmen kann.

Leitung 166 verlassende Wärmeübertragungsmittel Bei den Ausführungsformen mit einem zusätz-

wird schließlich durch einen Wärmeaustauscher 15 liehen Wärmeaustauschsystem können sehr tiefe

168 geleitet und von dort über eine Leitung Temperaturen erreicht werden und sogar Helium

170 einem Entspannungsventil 172 zugeführt. In verflüssigt werden.

diesem wird das Gas entspannt und bei der Ent- Die Verwendung von Wärmespeichern zur Temspannung noch weiter abgekühlt und unter Umstän- peraturstabilisierung ist in den Fig. 12 bis 15 verden in der Sammlersäule 174 sogar verflüssigt. Ein 20 anschaulicht, die Verwendung eines Einwegventils in Teil des sehr tief herabgekühlten oder verflüssigten Fig. 15 und die teilweise Auskleidung der Verdrän-Wärmeübertragungsmittels aus der Sammlersäule gerwände und Zylinder in Fig. 16 und 17.
174 kann durch eine Leitung 176 in einen geeigneten In Fig. 12 ist ein Wärmespeicher200 gezeigt, der Vorratskessel 178 entfernt werden. Der Rest des ver- im Strömungsweg liegt und zwischen dem Regeneflüssigten Wärmeübertragungsmittels in dem Samm- 25 rator 130 und der Zweigleitung 138 eingeschaltet ist. lerkessel 174 wird verdampft, (wozu man sich ge- Dieser Wärmespeicher dient zum Ausgleich von gebenenfalls eines Erhitzers 180 bedient) und das Temperaturschwankungen des in das obere Ende kalte Gas wird mittels einer Leitung 182 aus dem des nächstfolgenden Regenerators 132 einströmenden Flüssigkeitsvorratskessel 174 im entgegengesetzten sowie des durch diesen Regenerator von den Kälte-Sinne durch den Wärmeaustauschkreis geleitet. Da- 30 kammern zurückströmenden Gases. Wenn man diese bei strömt das kalte, unter niedrigem Druck stehende Temperaturschwankungen möglichst klein macht. Wärmeübertragungsmittel, beispielsweise Helium, wird der Wirkungsgrad der Regeneratoren wesentlich von der Leitung 182 in die Wärmeaustauscher 168, verbessert, da dann in den Regneratoren ein genaues 164 und 162, wobei es das eintretende, unter hohem Temperaturgefälle erzeugt und aufrechterhalten wird. Druck stehende Wärmeübertragungsmittel kühlt. 35 Die Wärmespeicher können den in den Fig. 12. Schließlich strömt das Wärmeübertragungsmittel 13, 14 und 15 gezeigten Aufbau aufweisen. Die eindurch die Leitung 184 und den Wärmeaustauscher fachste Form ist der Wärmespeicher 200 in Fig. 15. 154 in den Niederdruckvorratsbehälter 186. der einen einzigen Bereich mit im wesentlichen

Derjenige Teil der Vorrichtung, der von der ge- immer gleichbleibender Temperatur aufweist. Das

strichelten Linie 190 umschlossen wird, ist durch 40 wird dadurch erreicht, daß man den Bereich aus

geeignete Mittel isoliert. einem Metall oder Metallen aufbaut, die bei niedri-

Fig. 11 zeigt eine Abwandlung des zusätzlichen gen Temperaturen (d.h. unter etwa 50⁰K) hohe

Wärmeaustauschsystems nach Fig. 10. Es wird da- Wärmekapazitäten haben.

bei dasselbe Gas als Wärmeübertragungsmittel und Eine bevorzugte Ausführungsform ist in den

als Kühlgas verwendet. Man kann beispielsweise 45 Fig. 12 und 13 dargestellt. Ein Aluminium- oder

Helium verwenden. Kupferblock 202 enthält aufeinandergestapelte, ge-

Die Wärmeaustauscher 144 und 146 der Fig. 10 lochte Kupferplatten 204 (die Löcher messen etwa

sind nicht vorhanden. Zusätzlich ist eine ein Ventil 0,25 bis 1,25 mm im Durchmesser), die durch Löten

196 enthaltende Anzapfleitung 194 vorgesehen, wärmeleitend verbunden sind. Dieser Block stellt

welche die Kältekammer 128 und die Rückleitung 50 einen Bereich dar. Wie Fig. 13 zeigt, können mehrere

182 miteinander verbindet. Dadurch kann kaltes Gas solcher Bereiche wärmeleitend miteinander verbun-

in die Rückleitung eingeführt werden, um die Abfuhr den sein und als Wärmespeicher203 in Fig. 15 ver-

von verflüssigtem Wärmeübertragungsmittel aus dem wendet werden. Der Bereich, der neben dem von dem

Kessel 174 auszugleichen und so den Wärmeaustausch vom Kühlmittel durchströmten Bereich liegt, kann

in der Vorrichtung im Gleichgewicht zu halten. 55 mit einer Leitung 208 ausgestattet sein, über die das

Bei Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 11 strömt Wärmeübertragungsmittel durch den Bereich geleitet

das Hochdruckgas vom Hochdruckvorratsbehälter wird, um Kälte abzuführen.

102 in der gleichen Weise wie in F i g. 10 durch den Eine andere Art von Wärmespeicher 201 ist in den

Wärmeaustauscher 154 und dann unmittelbar durch Fig. 12 und 14 dargestellt. Dabei ist der als Wärme-

die Wärmeaustauscher 162 und 164. Es hat sich je- 60 speicherzone dienende Bereich ein Block 206 aus

doch als zweckmäßig erwiesen, den Wärmeaustau- einem Metall wie Blei. Es kann beispielsweise in

scher 148 beizubehalten, um das Hochdruckwärme- Fig. 12 die Temperatur des das untere Ende des

übertragungsmittel durch berülirungsfreien Wärme- Regenerators 132 verlassenden oder betretenden

austausch mit dem kältesten Teil des aus der Kälte- Gases etwa 35° K betragen, während das das untere

kammer 128 austretenden Kältemittels weiter zu 65 Ende des Regenerators 134 verlassende oder betrc-

kühlen. Es erfolgt dann eine noch weitere Abkühlung tende Gas eine Temperatur von etwa 15⁰K auf-

im Wärmeaustauscher 168 und Entspannung und weist. Der Bleiblock 206 hat bei diesen Temperaturen

Verflüssigung im Ventil 172. eine hohe Wärmekapazität, so daß er diese Tcmpe-

raturen schnell erreicht und die Temperatur des durch die Wärmestation strömenden Gases auf Grund des zwischen dem festen Bleiblock und den gestapelten Scheiben 204 vorhandenen wärmeleitenden Verbindung stabilisiert.

Der Wirkungsgrad der Regeneratoren kann weiter verbessert werden, indem man die Strömungsrichtung durch die Wärmespeicher überwacht. Zu diesem Zweck ist in Fig. 15 der Wärmespeicher205 aus drei Bereichen aufgebaut. Durch zwei Bereiche A und B strömt das Kühlmittel, während in den dritten Bereiche Kälte, gegebenenfalls unter Verwendung eines von außen zugeführten Wärmeübertragungsmittels, abgeführt wird. Das den Regenerator 130 durch die Leitung 136 verlassende Gas wird aufgeteilt, wobei der erste Teil unmittelbar durch die Leitung 210 und ein Einwegventil 212 in die Kältekammer 126 strömt und der zweite Teil durch die Leitung 211, den Wärmespeicherbereich B und die Hauptleitung 136 zum Regenerator 132 strömt. Das die Kältekammer 126 verlassende, kältere, entspannte Gas muß zu der Hauptleitung 136 durch die Leitung 214 und den Bereiche zurückströmen und stabilisiert so die Temperatur im Bereich A und somit wegen der wärmeleitenden Verbindung zwischen den Bereichen A und B auch die Temperatur im Bereich B. Auf diese Weise wird der in den Regenerator 132 hineinströmende Teilstrom nicht nur temperaturstabilisiert, sondern auch bis auf die Temperatur des die Kältekammer 126 verlassenden Gases abgekühlt.

In entsprechender Weise kann das den Regenerator 132 verlassende Gas die Kältekammer 127 sowohl durch die Leitung 216, das Einwegventil 218 und die Zweigleitung 140 erreichen, als auch durch den Bereich D des Wärmespeichers 203 die Leitung 220 und die Zweigleitung 140. Das abgekühlte Gas muß jedoch durch den durch die Wärmespeicher führenden Weg zurückkehren, wodurch die Temperatur des durch den Regenerator 132 zurückkehrenden Gases stabilisiert wird. Das bedeutet, daß die Temperatur des Gases, welches das untere Ende des Regenerators 132 beim nächsten Kreislauf verläßt, nahe der geringstmöglichen Temperatur liegt.

Schließlich zeigen die Fig. 16 und 17 eine zusätzliche Abänderung der Verdränger- und Zylinderwände, durch welche die thermischen Eigenschaften jener Teile der Verdränger und der Zylinder verbessert werden sollen, die auf sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden, beispielsweise bei 50° K.

Aus praktischen und thermodynamtschen Erwägungen werden solche Verdränger, die am oberen Ende bei Raumtemperatur und am unteren Ende bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten und die nach Möglichkeit vom einen zum anderen Ende nur sehr wenig Wärme übertragen sollen, aus Werkstoffen hergestellt, die leicht in die gewünschte Form gebracht werden können, einen möglichst kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen und die eine sehr kleine Wärmekapazität über den Temperaturbereich haben, dem sie ausgesetzt werden. Ein geeigneter Werkstoff ist dichtes, kunstharzimprägniertes Fasermaterial.

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 Gas in den Zwischenraum zwischen Verdränger und Zylinder hinein bzw. aus diesem heraus. Im allgemeinen ist dieser Zwischenraum im Verhältnis zu dem entspannten Volumen klein, bei kleinen Aggregaten kann er jedoch nahezu genauso groß werden. Das in diesem Zwischenraum strömende Gas würde die Wärme von den unteren, kälteren Teilen fortführen und den Wirkungsgrad herabsetzen, wenn nicht ein gewisser Wärmespeichereffekt der Zylinderwände und der Verdrängeroberfläche bestünde. Dadurch wird beim Hinaufströmen durch diesen Raum das Gas erwärmt und beim Herabströmen durch diesen Raum wird das Gas zurückgekühlt. Auf diese Weise hat das Gas beim Wiedereintritt in den Entspannungsraum etwa dessen Temperatur.

Diese Wirkung kann sich nur ergeben, wenn die Zylinderwände und der Verdränger beträchtliche Wärmekapazitäten besitzen. Unterhalb 50⁰K haben die normalen Konstruktionswerksoffe der Zylinder und der Verdränger eine sehr kleine Wärmekapazität. Um die Wärmekapazitäten bei niedrigen Temperaturen zu steigern, sind sowohl der Verdränger als auch der Zylinder von Ringen aus Blei umgeben, wie Fig. 16 und 17 erkennen lassen, da Blei bei niedrigen Temperaturen eine hohe Wärmekapazität hat. Diese Abänderung ist nur dann notwendig, wenn Temperaturen unter 5O⁰K erzeugt werden. Man kann leicht Ringe oder Streifen oder Bänder 224 aus Blei in die äußere Oberfläche des Verdrängers 222 einlegen, wie Fig. 16 zeigt. Das Blei wird so eingelegt oder eingesetzt, daß seine Oberfläche mit der Fläche des Verdrängers in einer Ebene liegt, so daß sich insgesamt eine glatte Verdrängeroberfläche ergibt. In entsprechender Weise kann die Innenfläche des Zylinders 226 (Fig. 17) mit Ringen oder gewundenen Streifen 228 ausgelegt sein. Im allgemeinen empfiehlt es sich, denjenigen 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.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Kälteerzeugung mitteis Verdichtung und Entspannung eines Gases unter Verwendung eines Verdrängers, der in einem Zylinder verschiebbar ist, dessen beide durch die Stirnflächen des Verdrängers begrenzten Endkammern, von denen in der einen das Gas verdichtet und in der anderen das Gas entspannt wird, über einen Regenerator in Verbindung stehen und mit dem über ein Einlaßorgan eine Gasquelle konstanten hohen Druckes und über ein Auslaßorgan eine Gasquelle konstanten niedrigen Druckes in Verbindung stehen, wobei die Gasquelle konstanten hohen Druckes und die Gasquelle konstanten niedrigen Druckes im Bereich zwischen der zur Verdichtung dienenden Endkammer und dem Regenerator angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Betätigung des Verdrängers (12), des Einlaßorgans (22) und des Auslaßorgans (28) zeitlich derart aufeinander abgestimmt ist, daß zunächst das Einlaßorgan geöffnet wird, wenn der Verdränger in der Endlage ruht, in welcher die der Verdichtung dienende Endkammer (14) ihr größtes Volumen hat, dann bei geöffnetem Einlaßorgan der Verdränger in die andere Endlage bewegt und daraufhin das Einlaßorgan ge-

schlossen, anschließend bei in der anderen Endlage ruhendem Verdränger das Auslaßorgan geöffnet und schließlich der Verdränger bei geöffnetem Auslaßorgan wieder in die erstgenannte Endlage zurückbewegt und daraufhin das Auslaßorgan geschlossen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder (36, 38) vorgesehen sind, deren Verdränger (43, 44) starr miteinander verbunden sind und die eine ge- ίο

meinsame zur Verdichtung dienende Endkammer (46) aufweisen, während die aufeinanderfolgenden zur Endspannung dienenden Endkammern (47, 48) über einen Regenerator (54) miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur periodischen Betätigung des Verdrängers (12), des Einlaßorgans (22) und des Auslaßorgans (28) eine Nockensteuerung (85 bis 93) vorgesehen ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen