DE1426975A1

DE1426975A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen tiefer Temperaturen

Info

Publication number: DE1426975A1
Application number: DE19631426975
Authority: DE
Inventors: Hogan Walter Henry
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1963-11-12
Filing date: 1963-12-23
Publication date: 1969-03-20
Also published as: FR1397209A; GB1050270A; US3188819A

Description

DR. ING. P. WFBSTHOPF DIPL. ING. G. PULS 8HÜNGHSN9 DR.E.T.PKOHMANN . schweioebstmsse

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zu der Patentanmeldung

AHTHOR B. LITTIE, INC., Cambridge, Massachusetts, U.S.A.

betreffend
Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen tiefer Temperaturen.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen tiefer Temperaturen.

Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen, die insgesamt die Erzeugung von Kälte in einem System ermöglichen, bei dem ein Teil der durch Verdichten, Kühlen und Entspannen eines Strömungsmittels gewonnenen Arbeit in Form von Wärmeenergie anfällt, wobei sich das aus dem System austretende Strömungsmittel auf einer höheren Temperatur befindet als beim Eintreten in das System.

In dem U.S.^Α.-Patent 2 966 035 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von Kälte beschrieben, bei denen mit einem sogenannten arbeitsfreien Zyklus gearbeitet wird, um eine Kiih-

to lung dadurch zu erreichen, daß einem System mehr fühlbare Wärme

to entzogen wird, als diesem durch das verwendete Kühlmittel zuge-

-* führt wird. Zwar ermöglicht der in dem TJ.S.A.-Patent 2 966 035 beschriebene Kreisprozeß die Erzeugung tiefer Temperaturen bis

herab zu 10 K, doch besteht ein Nachteil bei den Verfahren un Vorrichtungen für diesen Kreisprozeß darin, daß sich die Ein-

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richtungen zum Regeln des Strömens des Strömungsmittels und somit zur Erzeugung von Kälte mit Hilfe des genannten Verfahrens und Kreisprozesses nur mit hohen Kosten und unter großen Schwierigkeiten zusammenbauen lassen.

In der U.S.A.-Patentanmeldung ist eine Kühleinrichtung beschrieben, die eine Verbesserung gegenüber dem Grundgedanken der Anwendung einer arbeitsfreien Phase darstellt» ·

Funmehr hat es sich gezeigt, daß sich die.se arbeitsfreie Phase und die Vorrichtung nach dem U.S.A.-Patent 2 966 035 sowie die Vorrichtung nach der genannten U.S.a.-Patentanmeldung erheblich verbessern lassen, wenn man in das Kühlsystem eine dritte Kammer mit variablem Volumen einschaltet und diese dritte Kammer als Bestandteil des gesamten Kreislaufs verwendet, um den Verdränger zu steuern und anzutreiben, mittels dessen die erforderlichen Välumenänderungen herbeigeführt werden und die Kälte einer äußeren Last zugeführt wird. Die Verwendung einer dritten Kammer zum Steuern und Antiäben der Kühlkammern ermöglicht die Benutzung eines automatischen Segelventilsystems derart, daß man unter Verwendung pneumatischer Antriebsmittel eine relativ einfache, billig herstellbare Kühlvorrichtung konstruieren kann, die entweder mit offenem Kreislauf oder mit geschlossenem Kreislauf arbeitet. Bei den Verfahren und Vorrichtungen sind verschiedene Abänderungen möglich, die es gestatten, die erreichbaren tiefen Temperaturen zu regeln sowie das Verfahren und die Vorrichtung verechiedenen Verwendungzwecken anzupassen.

Nachstehend seien einige Beispiele für die Verwendung einer kleinen billigen Kühleinrichtung genannt, die gegebenenfalls zum Betrieb an eine vorhandene Druckluftleitung angeschlossen werden kann. In den meisten medizinischen und biologischen

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Laboratorien benötigt man in geringem Umfang tiefe Temperaturen, z.B. zum Präparieren von Geweben für die mikroskopische Untersuchung und zum Einfrieren von Lösungen. Gewöhnlich wird hier die Kälte mit Hilfe von flüssigem Stickstoff oder Kohlensäureschnee gewonnen. Wenn ständig große Kältemengen benötigt werden, macht die Beschaffung einer passenden Kühlanlage keine großen Schwierigkeiten. Dagegen ist es nicht leicht, z.B. nur ein Liter flüssigen Sauerstoff oder ein Kilogramm Kohlensäureschnee zu beschaffen, und wenn z.B. eine Kühlung in geringem Umfang, jedoch von wochenlanger Dauer benötigt wird, ist es schwierig, dies unter Verwendung von Kälte erzeugenden flüssigen oder festen Stoffen zu ermöglichen. Zahlreiche Versuche, die Temperaturen unter 233° K (-40° G) erfordern, wobei diese Temperatur praktische als Untergrenze für die Kühlung mittels Freon anzusehen ist, müssen bei Temperaturen durchgeführt werden, die durch das verwendete Kühlmittel festgelegt sind, z.B. durch flüssigen Stickstoff (etwa 77° K) oder GO₂ (etwa 195° K). Temperaturen zwischen 100 und 230° K lassen sich experimentell nur schwer erzielen.

Es wäre daher sehr erwünscht, ein kleines selbständiges Aggregat zur Verfügung zu haben, das" man an das Stromnetz oder die Drufökluftleitung eines Laboratoriums oder einer Werkstatt anschließen könnte, und das kleine Kältemengen bei jeder ge-

wünschten Temperatur bis herab zu 100 K jederzeit liefern und co

*■? erforderlichenfalls mehrere Wochen hindurch aufrechterhalten

_< könnte. Die erfinuungsgemäße Kühlvorrichtung entspricht diesen

^ Forderungen, denn sie kann mit Druckluft von geringem Druck be-

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*- trieben werden, wobei die Druckluft sowohl die Antriebskraft

—* liefert als auch die Kühlung bewirkt. Die VoxTichtung ist trans-

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portabil, sie ist an eine Druckluftleitung anschließbar, und sie ist innerhalb weniger Minuten betriebsbereit. Ferner kann die Vorrichtung mit zur Kälteerzeugung dienenden Strömungsmitteln, z.B. Stickstoff und Helium, betrieben werden, und sie kann einen Bestandteil eines geschlossenen Systems bilden und sehr tiefe Temperaturen erzeugen.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht somit darin, Kühlverfahren und Kühlvorrichtungen vorzusehen, die zum Betrieb an eine Quelle für ein verdichtetes Strömungsmittel angeschlossen werden können, die sich mit' geringen Kosten herstellen und betreibenlassen, und bei denen sich gleichzeitig die Vorteile bes Betriebs mit einer arbeitsfreien Phase ergeben. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer derartigen Vorrichtung von kleinen Abmessungen, die mit hohem Wirkungsgrad arbeitet, die sich zu den verschiedensten Zwecken verwenden läßt, z.B. in Verbindung mit einer Kältefalle, der Kühlung von Detektorvorrichtungen, sowie als Laboratoriumsgerät.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 bis 4 sind vereinfachte Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen und veranschaulichen die Schritte des grundsätzlichen Arbeitsprozesses.

Fig. 5 zeigt eine typische Folge von Arbeitsschritten bei dem Arbeitsprozeß nach der Erfindung und läßt die Wirkungsweise des Verdrängers und der Ventile sowie die Druckänderungen in der Kühlvorrichtung erkennen.

Figi. 6 bis 9 zeigen schematisoh verschiedene Abwandlungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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Fig. 10 zeigt im Längsschnitt eine typische Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.

In Fig. 1 bis 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vereinfachung der Beschreibung des Arbeitsprozesses in vereinfachter Form dargestellt; auf die verschiedenen möglichen Ausbildungsformen sowie die Einzelheiten eines typischen Ausführungsbeispiels wird weiter unten eingegangen. In Figl 1 bis 4 bezeichnen die Bezugszahlen die nachstehend beschriebenen Schritte des Arbeitsprozesses. Um die Zeichnungen und die Darstellung des Arbeitsprozesses zu vereinfachen, sind die jeweiäiä geschlossenen Ventile als diagonal durchkreuzte Kreise und die jeweils offenen Ventile durch einfache Kreise wiedergegeben und mit geeigneten Bezeichnungen versehen. Beispielsweise ist aus Pig. 2 ers*ichtlich, daß die beiden Hochdruckventile offen sind.

An Hand von Fig. 1 lassen sich die Teile einer typischen erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung identifizieren. Ein nach außen abgedichteter, insgesamt mit 10 bezeichneter Raum setzt sich aus einem unteren Kühlabschnitt 11 und einem oberen Antriebsabachnitt 12 zusammen. Es sei bemerkt, daß die Ausdrücke "oben" und "unten" nur relative Bedeutung haben, daß die Kühlvorrichtung in beliebiger ./eise angeordnet werden kann, und daß die genannten Ausdrücke nur im Hinblick auf die Figuren gelten. In dem nach außen abgedichteten Raum 10 befindet sich ein Verdränger 13» welcher der Form des abgeschlossenen Raums angepaßt ist und sich darin so bewegen kann, daß eine erste Kammer 14» eine zweite Kammer und eine dritte Kammer 16 - jeweils von variablem Volumen - abgegrenzt werden. Man kann die Kammern 14 und 15 als Teile dea KUhI-aystema betrachten, wähfcend die Kammer 16 die Antriebskammer • bildet. Da zwi»ehen den Räumen 14 und 16 ein Druckunterschied vorhanden sein muß, iat es erforderlich, die bei 17 angedeutete

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Abdichtung vorzusehen. 142697ζ

Tatsächlich handelt es sich bei dem Verdränger 13 um eine Kombination eines Verdrängers mit einem Kolben, doch wird er der Einfachheit halber im folgenden kurz als Verdränger bezeichnet. Ferner sei bemerkt, daß die Vorrichtungen nach Fig. 1 bis 4, 6, 7 und 9 zwar nach dem Prinzip der arbeitsfreien Phase arbeiten/ doch daß auch die beabsichtigte Leistung nicht-thermischer Arbeit außeerhalb des Systems vorgesehen ist, wobei an die Verwendung pneumatischer Antriebsmittel für das «$stem gedacht ist. Bei der Vorrichtung nach Fig. 8 ist dagegen Sie Anwendung der pneumatischen Betätigung bei einer im wesentlichen keine Arbeit leistenden Vorrichtung vorgesehen. Da jedoch bei allen diesen Abwandlungen das Prinzip der arbeitsfreien Phase während mindestens eines Teils des Arbeitsspiels angewendet wird, kann man die Vorrichtungen als keine Arbeit leistende Vorrichtungen betrachten, die mit einem arbeitsfreien Prozeß arbeiten.

Der Kühlvorrichtung ist eine Quelle 18 für ein unter hohem Druck stehendes Strömungsmittel zugeordnet, z.B. für ein verdichtetes Gas wie luft oder Helium, sowie ein Behälter 20 für ein unter niedrigem Druck stehendes Strömungsmittel, der einen Teil eines geschlossenen Kreislaufs bilden oder bei einem offenen Kreislauf eine Entlüftung zur Atmosphäre bewirken kann. In Fig. 1 ist ein geschlossener Kreislauf dargestellt, und um diesen Kreislauf zu vervollständigen, sind eine leitung 21 zwischen der Hochdruckquelle 18 und dem Mederdruckbehälter 20 und als bestandteil dieser Leitung ein Kühler 22, ferner gegebenenfalls ein Reinigungssystem sowie ein Verdichter 23 vorgsehen. Von der Hochdruckquelle 18 führt eine Hochdruckleitung 25 mit einem Regelventil 26 zu einer Leitung 27» die an die erste Kammer 14 angeschlossen ist. Vom Niederdruckbehälter 20 führt ein· Leitung

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29 mit einem Ventil 30 zu der Leitung 27· Die Leitungen 27 und 32 bilden einen Strömungsweg zwischen der ersten Kammer 14 und . der zweiten Kammer 15· Ein Teil dieses Strömungswegs wird durch. Wärmespeichermittel 34 gebildet, bei denen es sichin einem typischen Falle um einen Regenerator handelt. In der Leitung 32 liegt ein Kälteverbraucher 36, bei dem es sich um eine Erhitzungsstation (heat station) oder einen Wärmeaustauscher handeln kann, mittels dessen es möglich ist, ein. Wärmeübertragungsmittel in einer Leitung 37 zirkulieren zu lassen, um ohne direkte Berührung einen Wärmeaustausch mit einem gekühlten Strömungsmittel zu bewirken, das das System über die zweite Kammer 15 verläßt und zum Niederdruckbehälter 20 strömt.

Das temperaturgeschichtliche Diagramm des keine Arbeit leistenden Teils des in .dieser Vorrichtung ablaufenden Kreisprozesses entspricht im wesentlichen der Darstellung in dem U.S.A.-Patent 2 966 035. Das Arbeitsfolgediagramm für die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt auch das Antriebsvolumen 16 und ist in Fig. 5 wiedergegeben. Mit Hilfe von I'ig. 5 ist es an Hand von Fig. 1 bis 4 möglich, den sich in der Vorrichtung abspielenden Kühl- und Antriebsprozeß zu beschreiben und das erfindungegemäße Kühlverfahren zu erläutern.

Fig. 1A zeigt die Stellung des Verdrängers und der Ventile am Beginn eines Arbeitsprozesses. Der Verdränger 13 nimmt hierbei seine höehstB Stellung ein. Das dem Antriebsvolumen 16 zugeordnete Hochdruckventil ist ebenso geöffnet wie das dem Kühlteil zugeordnete Niedurdruckventil, so daß der Verdränger nach unten gedruckt wird, um das gekühlte entspannte Strömungsmittel aus der kalten Kammer 15 über den Regenerator zum Niederdruokbehälter zurückzufordern. Hierbei kühlt das Kühlmittel den

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Regenerator, wobei das Kühlmittel auf eine Temperatur oberhalb derjenigen erwärmt wird, bei welcher das unter hohem Druck stehende Strömungsmittel ursprünglich zugeführt wurde. !Dieser Temperaturunterschied entspricht der Kühlung des Strömungsmittels. Sobald der Verdränger seine tiefste Stellung erreicht hat, wie in S¹Ig. 1B gezeigt, beginnt der zweite Schritt, bei dem das zum Kühlsystem führende Hochdruckventil geöffnet wird, damit das. unter hohem Druck stehende Strömungsmittel zu dem Raum 14-strömen kann, um das darin noch verbliebene Strömungsmittel zu verdichten. Durch diese Verdichtung wird das noch vorhandene Strömungsmittel erwärmt. Während dieses Schrittes.verweilt dar Verdränger kurzzeitig in seiner unteren Stellung, da. das Hochdruckventil offen ist und eine Verbindung zu der dritten Kammer, d.h. der Antriebskammer 16 herstellt.

Der dritte Schritt beginnt mit dem Schließen des Hochdruckventils und dem öffnen des dem Antriebsraum 16 zugeordneten Uiederdruckventils, so daß der Druck im Raum 16 herabgesetzt wird und die Aufwärtsbewegung des Verdrängers beginnen kann. Während des dritten Schrittes bleibt das dem Kühlteil der Vorrichtung zugeordnete Hochdruckventil offen, so daß sich eine weitere Menge des unter hohem Druck stehenden Strömungsmittels mit dem aus dem Raum 14 kommenden erwärmten, unter hohem Druck stehenden Strömungsmittel mischen kann. Auf diese Weise erhält man ein unter hohem Druck stehendes Strömungsmittel mit einer mittleren Temperatur, das den Regenerator durchströmt, wo es infolge der dort während des ersten Schrittes gespeicherten Kälte gekühlt wird, um dann in die kalte Kammer 15 als unter hohem Druck stehendes, vorbereitend gekühltes Strömungsmittel einzutreten. Wie in Fig. 5 im Diagramm für das Einlaßventil der Kühleinrichtung dargestellt und mit gestrichelten Linien

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angedeutet, ist es möglich, dieses Hochdruckventil während des dritten Schrittes kurze Zeit vor dem Ende dieses Schrittes zu schließen, d.h. einige Zeit später, als die Kammer 15 mindestens die Hälfte ihres größten Volumens erreicht hat. Zwar führt das Offenhalten des Hochdruckventils während der ganzen Hubbewegung insgesamt zur größten Kühlwirkung, doch 3ind hierbei die Regeneratorverluste am größten. Schließt man das Hochdruckventil 26 vor dem Ende des dritten Schrittes, erhält man zwar eine geringere Kühlwirkung, doch verringern sich die Regeneratorverluste, und hierbei erhält man häufig eine größere nutzbare Kältemenge bei geringerer Strömungsmittelumwälzung. Hieraus ergibt sich die erwähnte Alternative bezüglich der Betätigung des Hochdruckventils während des&ritten Schrittes. Die Wirkung, die diesee frühzeitige Schließen des den Kühlmittelstrom regelnden Hochdruckventils auf den Druck in der Kühlvorrichtung ausübt, ist in Fig. 5 durch die gestrichelte Linie dargestellt. Es sei bemerkt, daß nach dem frühzeitigen Schließen des Hochdruckventils das Strömungsmittel in der kalten Kammer 15 entspannt und während der abschließenden Phase des dritten Schrittes weiter gekühlt wird.

Am Ende des dritten Schrittes befindet sich der Verdränger in seiner höchsten Stellung, das Antriebsvolumen und das Volumen der Kammer H haben ihren kleinsten Wert, während die kalte Kammer 15 ihr größtes Volumen erreicht hat und das anfänglich gekühlte und gegebenenfalls weiter gekühlte, unter hohem Druck stehende Strömungsmittel enthält, wobei sich Druck und Temperatur nach dem Zeitpunkt des Schließena des Hochdruckventils während des dritten Schrittes richten.

Der vierte Schritt umfaßt das öffnen des dem Kühlteil

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zugeordneten Nie der druckventil« zum Hiederdruekbenälter und das nachfolgende Entspannen und weitere Kühlen des Strömungamittela in der Kammer 15 und im "Regenerator derart» daß am gewünschten Punkt längs des Strömungswega Kälte abgegeben wird. Nach Ab— schluß des vierten Schrittes wird das dem Antriebsvolumen 16 zugeordnete Hochdruckventil geöffnet, woraufhin das nächste Arbeitsspiel mit dem an Hand von Fig. 1 beschriebenen ersten Schritt begonnen werden kann.

Fig. 6 bis 9 zeigen vier mögliehe Abwandlungen der beschriebenen Vorrichtung, die nach dem dargestellten Kreisprozeß arbeiten. Gemäß Fig. 6 ist ein gesondertes Strömungsmittelsystem für das Antriebsvolumen 16 vorgesehen. Dieses getrennte System umfaßt eine Hochdruckquelle 40 mit einer Hochdruckleitung 41, in die ein Ventil 42 eingeschaltet ist, sowie einen Wiederdruckbehälter 45 mit einer durch ein Ventil 45 gesteuerten Miederdruckleitung 44. Fig. 6 wie auch Fig*. 8A zeigen die Verwendung eines zweiten Strömungsweges 46, in den ein zweiter Regenerator eingeschaltet ist. Wenn man diesen zweiten Strömungsweg bei der Anordnung nach Fig. 8 vorsieht, steht die leitung 27 nicht mit der Kammer 14 in Verbindung.

In Fig. 7 ist dar Verdränger durch einen gesonderten Verdränger 48 ersetzt, der dem Kühlteil der Vorrichtung zugeordnet ist, und ferner ist ein Kolben 49 vorgesehen; der Kolben ist mit dem Verdränger z.B. durch eine Stange 50 verbunden.

In ^ig. 8 ist eine zusätzliche ringförmige Dichtung 51 vorgesehen, um §&e die Kammern 14 und 16 voneinander zu trennen, wobei gleichzeitig eine erste Hilfskammer 14a vorhanden ist. Beim Betrieb dieser' Kühlvorrichtung kommen die Räume 14a und 16 abwechselnd zur Wirkung, und wenn sie gerade nicht ihre an Hand

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von Fig. 1 bis 4 beschriebene Aufgabe erfüllen, dienen sie als Pufferräume, um die Bewegungen des Yerdrängers und des Kolbens in der Vorrichtung abzupuffern.

Schließlich zeigt Pig. 9 eine Abwandlung dieser Vorrichtung mit einem Satz von aufeinander folgenden, immer kalter werdenden Kammern, die praktisch der Kammer 15 nach Fig. 1 entsprechen. Der Kühlteil der Vorrichtung umfaßt einen abgestuften, nach außen abgeschlossenen Raum 53» der einen geeigneten abgestuften Verdränger 54 enthält. Durch die Bewegung dieses Verdrängere^ werden drei aufeinander folgende, immer kalter werdende Kammern 55? 56 und 57 abgegrenzt. Der Strömungsweg von der ersten Kammer 14 zu dem Satz von zweiten Kammern besteht aus den Leitungen 60, 61, 62 und 63, in die drei Regeneratoren oder Wärmespeicher 65, 66 and 67 eingeschaltet sind. Der Kälteverbraucher 36 ist der letzten Leitung 63 zugeordnet, die natürlich vom kälteeten Strömungsmittel durchströmt wird. Der oder die Regeneratoren brauchen nicht außerhalb des Zylinders angeordnet zu sein, sondern sie können sich durch α^.-,ι Verdränger erstrecken oder durch ringförmige Kanäle innerhalb des Zylinders gebildet werden, die sich um den Verdränger herum erstrecken. Bei der Abwandlung nach Fig. 9 kann man natürlich ebenfalls die ringförmige Dichtung 51 nach Fig. 8 vorsehen.

Fig. 9 und 10 zeigen eine Ausbildungsform einer erfindungs-. gemäßen Vorrichtung in Gestalt eines zweckmäßigen Laboratoriums-Kühlgeräts nebst der Abwandlung nach Fig. 7, wobei jedoch nur eine einzige Quelle für ein unter Druck stehendes Strömungsmittel für die Kühl- und Antriebskammern verwendet wird, und wobei eine Entlüftung zur Atmosphäre vorgesehen ist. Es sei bemerkt, daß man bei dieser Vorrichtung die verschiedensten Abänderungen vor-

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sehen kann, und daß sich für den Fachmann die verschiedensten Möglichkeiten zur Ausbildung der Ventilmittel ergeben.

Bei der Vorrichtung nach Pig. 10 ist der zum Kühlen dienende Teil in einen Zylinderblock 70 eingeschlossen, der eine Trennwand 71 enthält, so daß ein Kühlzylinder 72 vorhanden ist, der eine Verkleidung 73 aufweist, sowie ein Raum für den Regenerator 34, der im vorliegenden lalle aus aufeinander geschichteten Kupfersieben 75 besteht. Ein Stopfen 77 verschließt das untere Ende des Kühlteils; der obere Abschnitt 78 enthält einen Zylinder 79, in dem ein Kolben 49 arbeitet und die Antriebskammer 16 abgrenzt. Der Regenerator 34 endet in einer geriffelten Wärmestation 82. Ein ringförmiger Verteiler 83, eine Stange 84, ein Gewindeabschnitt 85 und eine Stange 86 bilden die Mittel zum Abgeben der Kälte an das Kühlgut. Der Regenerator ist in den Hauptzylinder mittels eines Stopfens 87 mit abdichtender Wirkung eingebaut. Ein Kanal 88, der in diesem Palle dem Strömungsweg 32 in Pig. 1 entspricht, verbindet die kalte zweite Kammer 15 mit dem Verteiler 83, so daß das kälteste Strömungsmittel in dem System mit der Stange 84 in Berührung gebracht wird, um die äußere Stange 86 durch Wärmeleitung zu kühlen.

Das Strömungsmittel wird der Vorrichtung sowohl zur Verwendung im Kühlteil als auch in der Antriebskammer über einen Kanal 92 zugeführt, der über hier nicht gezeigte Kanäle in dem Klotz 91 mit dem Kanal 27 in Verbindung steht, der zu der ersten ECammer 14 führt, flerner über einen Kanal 28, welcher zu der äritten Kummer bzw. der Antriebskammer 16 führt. Von dem Kolben i-9 aus ragt nach oben eine Stange 93 zum Betätigen eines nicht läher beschriebenen Ventilsystems. Die Stange 93 ist mit dem Colben 49 durch einen Puffer 94 verbunden und erstreckt sich

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durch Dichtungsmittel 95. Das obere ünde der Stange trägt eine Ventilbetätigungsscheibe 96»

Man kann Flach- oder Kolbenschieberventile, Drehschieber oder Tellerventile vorsehen, oder der Kolben 49 kann durch äußere Mittel angetrieben werden. Die Vorrichtung nach Fig. 10 bietet den besonderen Vorteil, daß sie 3ich selbsttätig regelt und ohne äußere Regelorgane betriebsfähig ist.

Die Erfindung sieht somit ein neuartiges Kühlverfahren und Vorrichtungen zur wirtschaftlichen Durchführung desselben vor. Die Vorrichtung läßt sich leicht und mit geringen Kosten herstellen, sie kann leicht den verschiedensten Verwendungszwecken angepaßt werden, und sie bietet in dieser Hinsicht VortdLe, wie sie bei bekannten Kühlvorrichtungen normalerweise nicht gegeben sind. Die Vorrichtung ermöglicht sowohl einen einstufigen als auch einen mehrstufigen Betrieb, sie kann mit dem vollen Hochdruck oder unter frühzeitigem Absperren des Hochdrucks wie beschrieben betrieben werden, und sie ist leicht in andere Vorrichtungen einzubauen, bei denen eine Kühlung erforderlich ist.

Es sei bemerkt, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungebeispielen die verschiedensten Abänderungen und Abwandlungen vorsehen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

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Patentansprüche;

Claims

if 1A-27 187 PAf EIISilPSiJCHE (Amerikanische Form)

1. Verfahren zum Erzeugen von Kälte in einem abgeschlossenen Raum, der in eine erste und eine zweite Kühlkammer und eine dritte Antriebskammer von jeweils variablem Volumen unterteilt ist,- gekennzeichnet durch die Schritte, daß ein unter hohem Druck stehendes Strömungsmittel aus einer geeigneten Quelle in die dritte Kammer eingeleitet wird, während gleichzeitig eine Vergrößerung des Volumens der ersten und der dritten Kammer und eine Verkleinerung des Volumens der zweiten Kammer erfolgt, wobei die erste Kammer mit der zweiten durch einen dtrömungsweg verbunden ist, daß das unter hohem Druck stehende .Strömungsmittel der ersten Kammer von der Quelle aus zugeführt wird, während das unter hohem Druck stehende Strömungsmittel weiterhin der dritten Kammer zugeßhrt wird, wobei das Strömungsmittel in der ersten Kammer verdichtet wird, um eine iemperaturerhöhung des restlichen Strömungsmittels in der ersten Kammer zu bewirken» daß das Hochdruckströmungsmittel aus der dritten Kammer in einen ETiederdruckbehälter abgezogen wird, während gleichzeitig das Volumen der ersten und der dritten Kammer verkleinert wird, wobei das Volumen der zweiten Kammer vergrößert wird, wobei das Hochflruckströmungsmittel weiterhin zugeführt wird, so daß es sich mit dem Hochdruckströmungsmittel won höherer Temperatur aus der ersten Kammer mischt, und wobei äas erhaltene Gemisch von mittlerer Temperatur über den Ströaungsweg der zweiten Kammer zugeführt wird, und daß das Strömungsmittel aus der zweiten Kammer über den Strömungsweg in den fiederdruckbehälter abgezogen wird, um so eine Entspannung und iühlung des Strömungsmittels in der zweiten Kammer und dem Strörmngsweg zu bewirken. 90 9 812/04»!

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Fortsetzen der Zufuhr des Hoch- ; druckströmungsniittels durchgeführt wicd, bis das Volumen der zweiten Kammer mindestens die Hälfte seines maximalen Wertes erreicht hat.

3. Verfahren zum Erzeugen von Kälte in einem abgeschlossenen Raum, der in eine erste und eine zweite Kühlkammer und eine dritte Antriebskammer von jeweils f&uiablem Volumen unterteilt ist, gekennzeichnet durch die Schritte, daß ein Hochdruckströmungsmittel aus einer geeigneten Quelle in die dritte Kammer eingeleitet wird, während gleichzeitig das Volumen · der ersten und der dritten Kammer vergrößert und das Volumen der zweiten Kammer verkleinert wird, wobei die erste Kammer mit der zweiten durch einen Strömungsweg verbunden ist, daß das Hochdruckströmungsmittel der ersten Kammer aus der Quelle zugeführt wird, während das Hochdruckströmungsmittel weiterhin der dritten Kammer zugeführt wird, wobei das Strömungsmittel in der ersten Kammer verdichtet wird, um so eine Temperaturerhöhung des restlichen Strömungsmittels in der ersten Kammer zu bewirken, daß das Hochdruckströmungsmittel aus der dritten Kammer in einen Biederdruckbehälter abgezogen wird, während gleichzeitig das Volumen der ersten und der dritten Kammer verkleinert wird, wobei das Volumen der zweiten Kammer vergrößert wird, daß fortgefahren wird, das Hochdruckströmungsmittel zuzuführen, um es mit dem Hochdruckströmungsmittel von erhöhter Temperatur aus der ersten Kammer zu mischen, wobei das erhaltene Gemisch von mittlerer Temperatur über den Strömungsweg in die zweite Kammer eingeleitet wird, während im Verlauf dieses Überströmens Wärme aus dem Strömungsmittel entfernt und gapeichert wird, daß das Strömungsmittel aus der zweiten Kammer über den Strömungsweg abgezogen und dem

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KTiederdruckbehälter zugeführt wird, um eine Entspannung und Kiih--^{V :} lung des Strömungsmittels in der zweiten Kammer und dem Strö— mungsweg zu bewirken, wobei das Strömungsmittel während des Anziehens vorher in dem Strömungsweg gespeicherte Wärme aufnimmt.

4. Verfahren zum Erzeugen von Kälte in einem abgeschlossenen Raum, der in eine erste warme Kammer, einen Satz von zweiten kalten Kammern und eine dritte Antriebskammer Jeweils von variablem Volumen unterteilt ist, ge k e η η ζ e i ohne t durch die Schritte, daß ein Hochdruckströmungsmittel aus einer geeigneten Quelle in die dritte Kammer eingeleitet wird, während gleichzeitig das Volumen der ersten und der dritten Kammer vergrößert und das Volumen der verschiedenen zweiten Kammern verringert wird, wobei die erste Kammer mit den zweiten Kammern durch einen Strömungsweg verbunden ist, daß das Hochdruckströmungsmittel der ersten Kammer von der Quelle aus zugeführt wird, während fortgefahren wird, das Hochdruckströmungsmittel der dritten Kammer zuzuführen, wobei das Strömungsmittel in der ersten Kammer verdichtet wird, um die'Temperatur des restlichen Strömungsmittels in der ersten Kammer zu erhöhen, daß das Hochdruckströmungsmittel aus der dritten Kammer in einen Maler druckbehälter abgezogen wird, während gleichzeitig das Volumen der ersten und der dritten Kammer verkleinert und das Volumen der zweiten Kammern vergrößert wird, wobei fortgefahren wird, das Hochdruckströmungsmittel zuzuführen und es mit dem Hochdruckströmungsmittel von höherer Temperatur aus der ersten Kammer zu nischen, wobei das Gemisch von mittlerer Temperatur über den 3trömungsweg in die zweiten Kammern überführt wird, während Lm Verlauf dieser Überführung Wärme aus dem Strömungsmittel abgeführt und gespeichert wird, und daß das Strömungsmittel aus äen aweiten Kammern über den Strömungsweg zu dem Mederdruck-

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behälter abgezogen wird, um so eine Entspannung und Kühlung des Strömungsmittels in den zweiten Kammern und dem Strömungsweg zu bewirken, wobei das Strömungsmittel während des Abziehens vorher in dem Strömungsweg gespeicherte Wärme aufnimmt.

5. Strömunysmittel-Kühlverfahren, gekennzeichnet durch die Schritte, daß eine anfängliche Menge eines Hochdruck-Kühlmittels in einen ersten abgeschlossenen Raum eingeleitet wird, dessen Volumen variabel ist, um den Strömungsmitteldruck in dem Raum zu erhöhen und die anfängliche Strömungsiiiittelmenge zu erwärmen, während gleichzeitig ein Hochdruckströmungsmittel in einem dritten, zur otrömungsmittel-Volumenregelung dienenden abgeschlossenen Raum von variablem Volumen gehalten.vwird, welcher dem ersten abgedchlossenen Raum und einem zweiten abgeschlossenen Raum von variablem Volumen zugeordnet ist, daß das Hochdruckströmungsmittel aus der dritten Kammer in einen Hiederdruckbehälter abgezogen wird, wobei gleichzeitig das Volumen der ersten und der dritten Kammerverringert und das Volumen der zweiten Kamm er vergrößert wird, wobei fortgefahren wird, das Hochdruckströmungsmittel zuzuführen, um es mit der erhaltenen erwärmten anfänglichen Strömungsmittelmenge zu mischen, so daß man ein Gemisch mit einer Temperatur zwischen derjenigen der erwärmten anfänglichen Menge und der zusätzlichen Menge erhält, wobei das Volumen des dritten abgedchlossenen Raums weiter verringert wird, daß das Strömungsmittelgemisch dem zweiten abgeschlossenen Raum zugeführt wird, wobei dem Gemisch längs einea Strömungswegs während des Zuführens zu dem zweiten abgeschlossenen Raum Wärme entzogen und gespeichert wird, um eine anfängliche Kühlung des Strömuncsmittels zu bewirken, wobei das Volumen des dritten abgeschlossenen Raums weiter verkleinert wird, daß fortgefahren wird, das otrömun,.;umittelgemisch während der ganzen anfänglichen

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Kühlung zuzuführen, um den hohen Druck durch Zuführen des Hochdruckströmungsmittels aufrechtzuerhalten, bis eine endgültige Menge des gekühlten Strömungsmittels unter dem hohen Druck dem zweiten abgeschlossenen Raum zugeführt wird, wobei das Volumen des dritten abgeschlossenen Raums auf ein Minimum verringert wird, daß. die Zufuhr des Hochdruckströmungsmittels zu dem ersten und dem zweiten abgeschlossenen Raum untertrochen wird, daß eine- Entspannung der endgültigen Strömungsmittelmenge in dem zweiten abgeschlossenen Raum bewirkt wird, um eine weitere Kühlung zu bewirken und dem Strömungsmittel indiesem Raum weitere Energie zu entziehen, und daß das weiter gekühlte Strömungsmittel aus dem zweiten abgeschlossenen Raum über den Strömungsweg abgezogen wird, während das Volumen des ersten und des dritten abgeschlossenen Raums durch Zuführen des Hochdruckströmungsmittels zu dem dritten Raum vergrößert wird, wobei das weiter gekühlte Strömungsmittel, das aus dem zweiten abgeschlossenen Raum abgezogen wird, längs des Strömungswegs vorher gespeicherte Wärme aufnimmt und den Strömungsweg mit einer Temperatur verläßt, die sehr nahe bei der Temperatur des Strömungsmittels und oberhalb derjenigen der anfänglichen Strömungsmittelmenge liegt, so daß mehr Wärme abgeführt wird, als durch die anfängliche Menge und die zusätzliche Menge des Strömungsmittels zugeführt wurde.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch . gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Hochdruckströmungsmittels bei der fortgesetzten Zufuhr des Strömungsmittelgemisches durchgeführt wird, bis das Volumen des zweiten abgeschlossenen Raums mindestens die Hälfte seines maximalen Wertes erreicht hat.

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7. Strömung smittel-Külilverfahr en, gekennzei chnet durch die. Schritte, daß eine anfängliche Menge eines Hochdruck-Kühlmittels einem ersten abgeschlossenen Raum von variablem Volumen zugeführt wird, um den Strömungsmitteldruck darin zu erhöhen und die anfängliche Strömungsmittelmenge zu erwärmen, während das Hochdruekströmungsmittel in einem dritten,, zur Volumenregelung dienenden abgeschlossenen Raum von variablem Volumen gehalten wird, welcher dem ersten abgeschlossenen Raum und einem Satz von zweiten abgeschlossenen .Räumen von variablem Volumen zugeordnet ist, daß das Hochdruekströmungsmittel aus der dritten Kammer in einen Niederdruckbehälter abgezogen wird, während gleichzeitig das Volumen der ersten und der dritten Kammer verringert und das Volumen der zweiten Kamm rn vergrößert wird, wobei fortgefahren wird, das Hochdruekströmungsmittel zuzuführen, um es mit der erhaltenen erwärmten anfänglichen Strömungsmittelmenge zu fischen, so da;3 man ein Gemisch erhält, dessen Temperatur zwischen derjenigen der erwärmten anfängliehen Menge und derjenigen der zusätzlichen Menge liegt, wobei das Volumen des dritten abgeschlossenen Raums weiter verringert wird, daß das Strömungsmittelgemisch den zweiten abgeschlossenen Räumen zugeführt wird, wobei dem Strömungsmittelgemisch während des Zuführens zu den zweiten abgeschlossenen Räumen län-;s eines Strömungswegs Wärme entzogen und gespeichert wird, um eine anfängliche Kühlung des Strömungsmittels zu bewirken, wobei das Volumen des dritten abgeschlossenen Raums weiter verkleinert wird, daß das Zuführen des Strömungsmittelgemisches währen der ganzen anfänglichen Kühlung fortgesetzt wird, um den hohen Druck durch watere Zufuhr des Hochdruckströmungsmittels aufrechtzuerhalten, bis eine endgültige Menge des gekühlten Strömungsmittels unter dem hohen Druckden zweiten abgeschlossenen Räumen zugefiührt wird,

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wobei das Volumen des dritten abgeschlossenen Raums auf ein Minimum verkleinert wird, daß die Zufuhr des Hochdruckströmungsmittels zu dem ersten abgeschlossenen Raum und den zweiten abgeschlossenen Räumen untabrochen wird, daß eine Entspannung der endgültigen Strömungsmittelmenge in den zweiten abgeschlossenen Räumen bewirkt wird, um das Strömungsmittel in diesen Räumen weiter zu kühlen und ihm Energie zu entziehen, und daß das weiter gekühlte Strömungsmittel aus den zweiten abgeschlossenen Räumen über den Strömungsweg abgezogen wird, während das Volumen des ersten und des dritten abgeschlossenen Raums durch Zuführen des Hochdruckströmungsmittels zu dem dritten Baum vergrößert wird, wobei das weiter gekühlte, aus den zweiten abgeschlossenen Räumen abgezogene Strömungsmittel längs des Strömungswegs vofeiier gespeicherte Wärme aufnimmt und den Strömungsweg mit einer Temperatur verläßt, die sehr nahe bei der Temperatur des Strömungsmittels und oberhalb der Temperatur der anfänglichen Strömungsmittelmenge liegt, so- daß mehr Wärme abgeführt wird, als durch die anfängliche und die zusätzliche Strömungsmittelmenge zugeführt wurde.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichne t f daß die Zufuhr des Hochdruckströmungsmittels bei der fortgesetzten Zufuhr des Strömungsmittelgemisches durchgeführt wird, bis das Volumen der zweiten abgeschlossenen Räume mindestens die Hälfte seines maximalen Wertes erreicht hat.

9. Kühlvorrichtung, gekennzeichnet durch Zylindermittel, in den ^ylindermitteln bewegliche Verdrängermittel, eine erste und eine zweite Kühlkammer und eine dritte Antriebskammer, deren Rauminhalte durch die Bewegung der Verdrängermittel so bestimmt werden, daß dann, wenn der Hauminfefelt der ersten und der dritten Kammer zunimmt, der Rauminhalt der

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zweiten Kammer abnimmt, und daß bei abnehmendem Rauminhalt der ersten und der flritten Kammer der Rauminhalt der zweiten Kammer zunimmt, einen die erste Kammer mit der zweiten verbindenden Strömungsweg, dem Strömungsweg zugeordnete Wärmespeichermittel, Mittel zum Zu- und Abführen eines Strömungsmittels zu und von der dritten Antriebskammer, damit den Verdrängermitteln eine« vorbestimmte Bewegung erteilt werden kann, wobei die Verdrängermittel vier Bewegungsschritte ausführen, nämlich das Verweilen in einer obersten Lage, eine Abwärtsbewegung, ein Verweilen in einer untersten Lage und eine Aufwärtsbewegung, Behältermittel zum Zuführen des Hochdruckströmungamittels zu den Kammern, Behältermittel zum Aufnehmen des üfiederdruckströmungamittels aus den Kammern, den Zuführungs- und Aufnahmebehältermitteln zugeordnete erste Ventilmittel, die so gesteuert werden, daß das Hochdruckströmungsmittel in die erste Kammer und den Strömungsweg während des dritten und des vierten Schrittes der Verdrängerbewegung eintritt und das Hiederdruckströmungsmittel während des ersten and des zweiten Schrittes der Verdrängerbewegung abgezogen wird, sowie den Zuführungs- and Aufnahmebehältermitteln zugeordnete zweite Ventilmittel, die so gesteuert werden, daß das Niederdruckströmungsmittel aus dar dritten Kammer während des ersten und des vierten Schrittes der Verdrängerbewegung abgezogen und das Hochdruckströmungsmittel zum AntieLben der dritten Kammer während des zweiten und des dritten Schrittes der Verdrängerbewegung zugeführt wird.

10. Kühlvorrichtung nauh Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungs- und Aufnahmebehältermittel, die der ersten und der zweiten Kammer zugeordnet sind, von dein der dritten Kammer zugeordneten Zuführungs- und Auf nähme-

getrennt sind. 909B12/0481

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11. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, gekennaaichn e t durch dem Strömungsweg zugeordnete Wärmeaustauschermittel zum Entnehmen von Kälte aus der Vorrichtung.

12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrgngermittel einen Verdränger ind .einen mit ihm mechanisch verbundenen Kolben umfassen. ■

13. Kühlvorrichtung, gekennzeichnet durch Zylindermittel, in den Zylindermitteln bewegbare. V er dräng er mi tt el, 3ine erste Kammer, einen Satz von zweiten Kammern und eine dritte dammer, wobei die erste Kammer und der Satz von zweiten Kammern len Kühlteil der Vorrichtung bilden, während die dritte Kammer len Antriebsteil bildet, wobei das Volumen jeder Kammer durch lie Bewegung der Verdrängermittel so bestimmt wird, daß bei einer ^rolumenvergrößerung der ersten und der dritten Kammer das Volumen ler zweiten Kammern abnimmt und bei einer Volumenverkleinerung Ler ersten und der dritten Kammer das Volumen der zweiten Kammern iunimmt, einen die erste Kammer mit jeder der zweiten Kammern ■erbindenden Strömungsweg, dem Strömungsweg zugeordnete Wärmespeichermittel, Mittel zum Zu- und Abführen eines Strömungsmit- ;els zu und von der dritten Kammer, damit den Verdrängermitteln ine vorbestimmte Bewegung erteilt werden kann, wobei die Ver- ^rängerbewegung in vier Schritten erfolgt, nämlich einem Verweien in der obersten Stellung, einer Abwärtsbewegung, einem Vereilen in der untersten Stellung und einer AufwäBtsbewegung, -ehältermittel zum Zuführen eines Hochdruckströmungsmittels zu en Kammern, Behältermittel zum Aufnehmen des Wiederdruckströungsmittels aus den Kammern, den Zuführungs- und Aufnahmebehälermitteln zugeordnete erste Ventilmittel, die so gesteuert erden, daß das Hochdruclcströmungeinittel in die erste Kammer

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und den Strömungsweg während des dritten und des vierten Schritts der Verdrängerbwegung eintritt, und daß das Mederdruckströmungsmittel während des ersten und des zweiten Schritts der Verdrän- ' gerbewegung abgeführt wird, sowie den Zuführungs- und Aufnahmebehältermitteln zugeordnete zweite Ventilmittel, die so gesteuert werden, daß das Nieddrdruckströmungsmittel aus der dritten Kammer während des ersten und des vierten Schritts der VerdrängerbewBgung abgeführt und das Hochdruckströmungsmittel als Antriebsmittel der dritten Kammer während des zweiten und des dritten Schritts der Verdrängerbewegung zugeführt wird.

1$. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch dem Strömungsweg zugeordnete Wärmeaustauschermittel zum Entnehmen von Kälte aus der Vorrichtung.

15· Kühlvorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängermittel einen Verdränger und einen mit ihm mechanisch verbundenen Kolben umfassen.

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