DE1501062C3

DE1501062C3 - Kaltgas-Kältemaschine nach dem Zweikolbenprinzip

Info

Publication number: DE1501062C3
Application number: DE1501062A
Authority: DE
Inventors: Kenneth W. Playa Del Rey Calif. Cowans (V.St.A.)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1965-01-18
Filing date: 1966-01-11
Publication date: 1974-10-31
Also published as: DE1501062B2; GB1127552A; US3334491A; SE317091B; FR1465810A; DE1501062A1

Description

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dung ist in der die in den Kondensator wieder eintre- Die Kammer 11 liegt im Innern des Kondensatende Luft führenden Leitung ein Doppelfilter an- tors 5, der von der Luft des äußeren Systems durchgeordnet und überdies ein Steuerventil vorgesehen, strömt wird. Die dem Kondensator 5 durch eine Leimittels dessen das eine oder andere Filter aus dem tung 16 zuströmende, vom äußeren System 4 kom-Kreislauf herausnehmbar und sein Einlaß mit der 5 mende, mehr oder weniger gasförmige Luft verläßt umgebenden Atmosphäre verbindbar ist, wenn in den Kondensator durch die Leitung 7. Die Leitung 7 den Kreislauf Luft von außen nachgefüllt wird. wird von der Leitung 16 in mehreren Windungen 17 Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungs- umschlungen, so daß zwischen beiden Leitungen beispiel. Es zeigt Wärmeaustausch besteht. Dies dient der Nutzbarma-F i g. 1 ein die Funktion allgemein erläuterndes io chung des Leidenfrostschen Phänomens. Die der Blockdiagramm einer erfindungsgemäß gestalteten flüssigen Luft in der Leitung 7 zugeführte, von der Kältemaschine, Leitung 16 abgegebene Wärme verwandelt die flüs-F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Kaltgas-Käl- sige Luft in der Leitung 7 demgemäß in einzelne gastemaschine und umhüllte Tröpfchen und somit in ein Medium, des-Fig. 3 ein Diagramm des äußeren Wärmeübertra- 15 sen flüssige Phase wegen der wärmeisolierenden Wirgungssystems. kung der Gasumhüllung wesentlich länger bestehen Gemäß F i g. 1 enthält die Maschine eine Kalt- bleibt, als wenn kein Wärmeaustausch zwischen den gas-Kältemaschine 1, der elektrische Energie von Leitungen 7 und 16 bestände. In den Kondensator 5 einer Quelle 2 über einen Schalter 3 zugeführt wird, gelangt die Luft von unten, nachdem sie einen Kanal und die diese Energie in Kälteenergie verwandelt. In 20 18 durchflossen hat, durchströmt dann einen schmader Kaltgas-Kältemaschine, die nach einem Stir- len Ringraum 19 und verläßt nach Verflüssigung, ling-Zyklus oder einem Ericsson-Zyklus arbeitet, also mit einer Temperatur von 78° K, den Kondenwird in bekannter Weise ein niedrigsiedendes kälteer- sator durch eine Bohrung 20, die in die Leitung 7 zeugendes Mittel, beispielsweise Helium, zwischen übergeht.

einem Verdichter und einem Entspanner hin und her 25 Das äußere Wärmeübertragungssystem 4 ist in

gefördert und liefert auf diese Weise eine Abküh- F i g. 3 schematisch als Schaltung gezeichnet, die

lung bis auf eine Temperatur unterhalb des Siede- auch den Kondensator 5 und die Last 6 enthält. In

punktes der Luft (77° K). der Last nehmen die flüssigen Tröpfchen aus dem zu

Das äußere Wärmeübertragungssystem 4 enthält kühlenden Gerät Wärme auf, so daß mindestens ein

einen Kondensator 5, der in Wärmeberührung mit 30 Teil der Luft verdampft wird und damit in den gas-

dem Kaltteil der Kaltgas-Kältemaschine 1 steht, im förmigen Zustand zurückkehrt,

normalen Betrieb nach außen abgeschlossen und ge- Die gasförmige Luft wird sodann dem einen Ver-

gen die umgebende Atmosphäre thermisch isoliert dichterteil 21 eines zweifachen, schon oben kurz er-

ist. Im äußeren Wärmeübertragungssystem 4 zirku- wähnten Kompressors 22 zugeleitet, und zwar über

liert als Kälteträger der äußeren Atmosphäre ent- 35 die Leitung 8 für etwaige Rezirkulation durch ein

nommene Luft. Die Luft wird durch Berührung mit Filter und weiter zum Kondensator 5 und wiederum

dem Kaltteil der Kaltgas-Kältemaschine 1 konden- _zur Last 6. Der andere Verdichterteil 23 saugt, wie

siert oder verflüssigt und alsdann in Tropfenform weiter unten erklärt werden wird, aus der umgeben-

einer zu kühlenden Last 6 über eine Leitung 7 züge- den Atmosphäre Luft zur Vermischung mit der sich

führt. Die Leitung 7 ist dünn und biegsam, und zwar 40 bereits im Umlauf befindlichen Luft an. Dies ge-

mit Rücksicht auf die Nutzbarmachung des Leiden- schieht, wenn der Innendruck im geschlossenen Um-

frostschen Phänomens, die unten erläutert wird. An laufkreis unter einen bestimmten Betrag sinkt. Der

der Last 6 sammelt sich die Luft in Tropfenform, Kompressor 22 arbeitet mit niedriger Verdichtung

nimmt Wärme auf und wird verdampft, so daß sie _und erzeugt genügend Druckgefälle, um Luft von der

wieder im wesentlichen in den gasförmigen Zustand 45 Last 6 abzusaugen und über den Kondensator 5 zur

übergeht. Sie wird sodann aus der Last 6 über eine Last 6 zurückzufordern.

Rückleitung 8 abgeführt. Damit die Luft im äußeren l_m Betrieb wird die gasförmige Luft durch den System zirkuliert, ist ein niedrigverdichtender Korn- Verdichterteil 21 des Kompressors 22 einem als pressor vorgesehen. Durch ihn wird die Luft dem Wahlschalter gestalteten Ventil 24 über Leitungen 25 Kondensator wieder zugeleitet. 50 und 26 zugeführt. Das Ventil 24 enthält zwei Kam-Die Kaltgas-Kältemaschine arbeitet nach dem mern 27 und 28, die durch eine Trennwand 29 geEricsson-Zyklus und erzeugt Temperaturen bis her- geneinander abgedichtet sind. Befindet sich eine unter auf mindestens 70° K, und zwar unter Ver- Ventilplatte 30 in der mit einer vollen Linie gezeichwendung von Helium als Kälteerzeugungsmittel bei neten Stellung, so schließt sie einen Auslaß 31 ab etwa 10 at. Sie besteht aus einem Gehäuse 9 mit zwei 55 und läßt einen zweiten Auslaß 32 offen. Infolgedes-Kammern 10 und 11, in denen elektromotorisch ange- sen tritt die Luft durch eine Einlaßöffnung 33 in die triebene, durch Kurbelgetriebe miteinander gekup- Kammer 28 und verläßt sie durch den Auslaß 32 und pelte Kolben 12 und 13 phasenverschoben verschieb- eine Leitung 34. Wird dagegen die Ventilplatte 30 in bar sind. Die Maschine 1 enthält ferner einen Re- die gestrichelt gezeichnete Stellung geschwenkt, so generator 14 und einen Wärmeaustauscher 15 zur 60 schließt sie den Auslaß 32 und läßt den Auslaß 31 Abführung der dem Helium entzogenen Wärme nach offen. In dieser Stellung verläßt die Luft die Kammer außen. Dabei stellt die Kammer 10 eine Verdich- 28 durch den Auslaß 31 und eine Leitung 35, fließt tungskammer und die Kammer 11 eine Entspan- also nicht durch die Leitung 34. Je nachdem, welche nungskammer dar. Solche Kaltgas-Kältemaschinen der beiden Stellungen das Ventil 24 einnimmt, gesind allgemein bekannt und bedürfen daher hier kei- 65 langt die im Umlauf befindliche Luft über eine der ner näheren Erläuterung. Für das folgende ist ledig- Leitungen 34 oder 35 in eines von zwei Absorptionslich von Bedeutung, daß die Kammer 11 den Kaltteil filtern 36 oder 37. Die Filter absorbieren und entferder Kaltgas-Kältemaschine 1 darstellt. nen damit Verunreinigungen, die sonst in den Kon-

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densator 5 treten und dort gelieren würden. Um diese Die Verunreinigungen werden dann über eine Lei-Verunreinigungen aufzuhalten, können die Absorp- tung 50, einen Einlaß 51 am Ventil 24 und durch das tionsfilter mit aktivierter Holzkohle oder anderem bereits erwähnte Ventil 49 an die umgebende Atmodazu geeigneten Material gefüllt werden. Befindet Sphäre abgegeben.

sich das Ventil 24 in der gezeichneten Stellung, so 5 Fällt der Druck des ständig im äußeren Umlauf gelangt die umlaufende Luft vom Ventil 24 über die kreis strömenden Kälteträgers unter einen bestimm-Leitung 34 zum Absorptionsfilter 35, während das ten Wert, so wird der Kreis aus der umgebenden At-Absorptionsfilter 37 nicht von Luft durchströmt mosphäre, also mit Luft, nachgefüllt. Wenn umgewird. Wird dagegen die Ventilplatte 30 in die gestri- kehrt der Innendruck des umlaufenden Kälteträgers chelt gezeichnete Stellung geschwenkt, so gelangt die io im äußeren Kreis einen bestimmten Wert überschrei-Luft vom Ventil 24 über die Leitung 34 zum Ab- tet, so wird gasförmiger Kälteträger an die Atmosorptionsfilter 36, während das Absorptionsfilter 37 Sphäre abgegeben. Beispielsweise kann der Innennicht von der zirkulierenden Luft durchströmt wird. druck im Umlaufkreis abfallen, wenn das System Rückschlagventile 38 und 39 lassen die Luft zum erstmalig in Betrieb genommen wird, und zwar als Kondensators durch, trennen aber die beiden Filter 15 Folge der Verflüssigung des Kälteträgers im Kondenvoneinander und verhindern so einen Luftrückfluß in sator 5. Die Verflüssigung des Kälteträgers vermindas jeweils unbenutzte Filter. dert, anders ausgedrückt, das Volumen und damit den Während das jeweils ausgewählte Absorptionsfilter Druck. Außerdem kann der Innendruck im Umlaufin Betrieb ist, um den umlaufenden Kälteträger von kreis während des Betriebes infolge einer Undichtig-Vemnreinigungen zu befreien, kann das andere Ab- 20 keit an irgendwelchen Abdichtungsstellen sinken,
sorptionsfilter gereinigt und von aufgefangenen Ver- Um solche Schwankungen des Innendrucks innerunreinigungen befreit werden, indem es mittels Heiz- halb des geschlossenen Umlaufs zu kompensieren, widerständen 40 erhitzt wird, so daß ein Strom aus dient die umgebende Atmosphäre als Vorrat zum der umgebenden Atmosphäre die Verunreinigungen Nachfüllen des Umlaufkreises mit Kälteträger. Der zum Schmelzen bringt und aus dem System entfernt. 25 zweite Verdichtungsteil 23 des Kompressors 22 saugt Diese Reinigung des unbenutzten Filters geschieht in Luft aus der umgebenden Atmosphäre an und förder Weise, daß Luft aus der Atmosphäre mittels des dert sie in den geschlossenen Umlaufkreis über eine zweiten Verdichterteils 23 des Kompressors 22 über Leitung 52 und ein Rückschlagventil 53. Wenn also die zweite Kammer 27 des Ventils 24 hindurchge- der vom ersten Verdichtungsteil des Kompressors gepumpt wird. Luft, die vom zweiten Verdichterteil 23 30 steuerte Druck im Umlauf unter einen bestimmten angesaugt wird, gelangt über eine Leitung 43 zu zwei Betrag fällt, so öffnet sich das Rückschlagventil 53 Rückschlagventilen 44 und 45. Befindet sich das und läßt Luft aus der umgebenden Atmosphäre in Ventil 24 in der gezeichneten Stellung, so reicht der den Kreis eintreten. Die von außen zugeführte Luft Gasdruck in der Leitung 34 aus, um das Rückschlag- wird sodann mit dem bereits im Umlauf befindlichen ventil 45 geschlossen zu halten und damit die zum 35 Kälteträger vermischt und nimmt am Umlauf teil.
Filter 36 fließende Luft von der übrigen Strömung zu Um die Strömungsgeschwindigkeit des Kälteträtrennen. Da in der Leitung 35 keine Luft fließt, ist gers im geschlossenen Umlaufkreis zu regeln, ist ein der Gasdruck in dieser Leitung recht niedrig und be- Druckausgleich- oder Regelventil 54 vorgesehen, das wirkt, daß das Rückschlagventil 44 sich öffnet und den Verdichtungsteil 21 des Kompressors überein Strom verhältnismäßig warmer Luft aus der At- 40 brückt, wenn das von diesem Teil erzeugte Druckgemosphäre durch das Absorptionsfilter 37 fließt. Mit fälle einen bestimmten Wert überschreitet. Der erste dem Ventil 24 ist ein elektrischer Schalter verbun- Verdichtungsteil 21 hat den Zweck, die Umlaufströden, der bewirkt, daß der Heizwiderstand 39 des FiI- mung des gasförmigen Kälteträgers aufrechtzuerhalters 37 eingeschaltet wird und die im Filter aufgefan- ten und dafür zu sorgen, daß die während der Kühgenen Verunreinigungen schmilzt und verdampft. 45 lung verlorene Energie im geschlossenen Umlauf Die Verunreinigungen werden dann durch Luft aus wieder zugeführt wird, so daß ein stetiger Umlauf der Atmosphäre vom Filter 37 über eine Leitung 46 von Kühlmittelträger stattfindet,
zum Einlaß 47 des Ventils 24 gefördert. Die zur FiI- Wird das System abgeschaltet, so kann es geschetersäuberung dienende und somit verunreinigte Luft hen, daß der Innendruck im geschlossenen Umlauf wird dann aus dem Ventil 24 durch einen Auslaß 48 50 ansteigt, wenn die flüssige Luft sich erwärmt, siedet und ein Druckminderventil 49 an die Umgebung ab- und expandiert. Um zu verhindern, daß die dünnen, gegeben. Befindet sich die Ventilplatte 30 in der biegsamen Leitungen infolge einer solchen Steigezweiten, gestrichelt gezeichneten Stellung, so ist das rung des Innendruckes platzen, ist ein Rückschlag-Rückschlagventil 44 geschlossen und das Rück- ventil 55 hinter der Last 6 angeordnet, das verschlagventil 45 vermöge der Wirkung der Druckdif- 55 dampfte Luft zur Atmosphäre austreten läßt. Dies ferenz zwischen den Leitungen 35 und 34 offen, so bedeutet jedoch keinen bleibenden Verlust an Luft, daß eine Strömung verhältnismäßig warmer Luft aus weil die umgebende Atmosphäre, wie bereits dargeder Umgebung durch das Absorptionsfilter 36 fließt legt, als Vorratsquelle dient, aus der der Umlaufkreis und die darin aufgefangenen Verunreinigungen zum erneut mit Luft gefüllt werden kann. Infolgedessen Verdampfen bringt. In dieser Stellung wird der Heiz- 60 wird der Betrieb des Systems auch durch lange Warwiderstand 40 dieses Filters eingeschaltet, um die tezeiten, während deren es abgeschaltet ist, nicht beVerunreinigungen zu schmelzen und zu verdampfen. einträchtigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

dung ist in der die in den Kondensator wieder eintretende Luft führenden Leitung ein Doppelfilter angeordnet und überdies ein Steuerventil vorgesehen, mittels dessen das eine oder andere Filter aus dem Kreislauf herausnehmbar und sein Einlaß mit der umgebenden Atmosphäre verbindbar ist, wenn in den Kreislauf Luft von außen nachgefüllt wird.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel. Es zeigt

F i g. 1 ein die Funktion allgemein erläuterndes Blockdiagramm einer erfindungsgemäß gestalteten Kältemaschine,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Kaltgas-Kältemaschine und

F i g. 3 ein Diagramm des äußeren Wärmeübertragungssystems.

Gemäß Fig. 1 enthält die Maschine eine Kaltgas-Kältemaschine 1, der elektrische Energie von einer Quelle2 über einen Schalters zugeführt wird, und die diese Energie in Kälteenergie verwandelt. In der Kaltgas-Kältemaschine, die nach einem Stirling-Zyklus oder einem Ericsson-Zyklus arbeitet, wird in bekannter Weise ein niedrigsiedendes kälteerzeugendes Mittel, beispielsweise Helium, zwischen einem Verdichter und einem Entspanner hin und her gefördert und liefert auf diese Weise eine Abkühlung bis auf eine Temperatur unterhalb des Siedepunktes der Luft (77° K).

Das äußere Wärmeübertragungssystem 4 enthält einen Kondensator 5, der in Wärmeberührung mit dem Kaltteil der Kaltgas-Kältemaschine I steht, im normalen Betrieb nach außen abgeschlossen und gegen die umgebende Atmosphäre thermisch isoliert ist. Im äußeren Wärmeübertragungssystem 4 zirkuliert als Kälteträger der äußeren Atmosphäre entnommene Luft. Die Luft wird durch Berührung mit dem Kaltteil der Kaltgas-Kältemaschine 1 kondensiert oder verflüssigt und alsdann in Tropfenform einer zu kühlenden Last 6 über eine Leitung 7 zugeführt. Die Leitung 7 ist dünn und biegsam, und zwar mit Rücksicht auf die Nutzbarmachung des Leidenfrostschen Phänomens, die unten erläutert wird. An der Last 6 sammelt sich die Luft in Tropfenform, nimmt Wärme auf und wird verdampft, so daß sie wieder im wesentlichen in den gasförmigen Zustand übergeht. Sie wird sodann aus der Last 6 über eine Rückleitung 8 abgeführt. Damit die Luft im äußeren System zirkuliert, ist ein niedrigverdichtender Kompressor vorgesehen. Durch ihn wird die Luft dem Kondensator wieder zugeleitet.

Die Kaltgas-Kältemaschine arbeitet nach dem Ericsson-Zyklus und erzeugt Temperaturen bis herunter auf mindestens 70° K, und zwar unter Verwendung von Helium als Kälteerzcugungsmittcl bei etwa 10 at. Sie besteht aus einem Gehäuse 9 mit zwei Kammern 10 und 11, in denen elektromotorisch angetriebene, durch Kurbelgetriebe miteinander gekuppelte Kolben 12 und 13 phasenverschoben verschiebbar sind. Die Maschine 1 enthält ferner einen Regenerator 14 und einen Wärmeaustauscher 15 zur Abführung der dem Helium entzogenen Wärme nach außen. Dabei stellt die Kammer 10 eine Verdichtungskammer und die Kammer 11 eine Entspannungskammer dar. Solche Kaltgas-Kältemaschincn sind allgemein bekannt und bedürfen daher hier keiner näheren Erläuterung. Für das folgende ist lediglich von Bedeutung, daß die Kammer 11 den Kalttcil der Kaltgas-Kältemaschine I darstellt.

Die Kammer 11 liegt im Innern des Kondensators S, der von der Luft des äußeren Systems durchströmt wird. Die dem Kondensator 5 durch eine Leitung 16 zuströmende, vom äußeren System 4 kommende, mehr oder weniger gasförmige Luft verläßt den Kondensator durch die Leitung 7. Die Leitung 7 wird von der Leitung 16 in mehreren Windungen 17 umschlungen, so daß zwischen beiden Leitungen Wärmeaustausch besteht. Dies dient der Nutzbarmachung des Leidenfrostschen Phänomens. Die der flüssigen Luft in der Leitung 7 zugeführte, von der Leitung 16 abgegebene Wärme verwandelt die flüssige Luft in der Leitung 7 demgemäß in einzelne gasumhüllte Tröpfchen und somit in ein Medium, dessen flüssige Phase wegen der wärmeisolierenden Wirkung der Gasumhüllung wesentlich länger bestehen bleibt, als wenn kein Wärmeaustausch zwischen den Leitungen 7 und 16 bestände. In den Kondensator 5 gelangt die Luft von unten, nachdem sie einen Kanal 18 durchflossen hat, durchströmt dann einen schmalen Ringraum 19 und verläßt nach Verflüssigung, also mit einer Temperatur von 78° K, den Kondensator durch eine Bohrung 20, die in die Leitung 7 übergeht.

Das äußere Wärmeübertragungssystem 4 ist in F i g. 3 schematisch als Schaltung gezeichnet, die auch den Kondensators und die Last6 enthält. In der Last nehmen die flüssigen Tröpfchen aus dem zu kühlenden Gerät Wärme auf, so daß mindestens ein Teil der Luft verdampft wird und damit in den gasförmigen Zustand zurückkehrt.

Die gasförmige Luft wird sodann dem einen Verdichterteil 21 eines zweifachen, schon oben kurz erwähnten Kompressors 22 zugeleitet, und zwar über die Leitung 8 für etwaige Rezirkulation durch ein Filter und weiter zum Kondensators und wiederum zur Last 6. Der andere Verdichterteil 23 saugt, wie weiter unten erklärt werden wird, aus der umgebenden Atmosphäre Luft zur Vermischung mit der sich bereits im Umlauf befindlichen Luft an. Dies geschieht, wenn der Innendruck im geschlossenen Umlaufkreis unter einen bestimmten Betrag sinkt. Der Kompressor 22 arbeitet mit niedriger Verdichtung und erzeugt genügend Druckgefälle, um Luft von der Last 6 abzusaugen und über den Kondensator 5 zur Last 6 zurückzufordern.

Im Betrieb wird die gasförmige Luft durch den Verdichterteil 21 des Kompressors 22 einem als Wählschalter gestalteten Ventil 24 über Leitungen 25 und 26 zugeführt. Das Ventil 24 enthält zwei Kammern 27 und 28, die durch eine Trennwand 29 gegeneinander abgedichtet sind. Befindet sich eine Ventilplatte 30 in der mit einer vollen Linie gezeichneten Stellung, so schließt sie einen Auslaß 31 ab und läßt einen zweiten Auslaß 32 offen. Infolgedessen tritt die Luft durch eine Einlaßöffnung 33 in die Kammer 28 und verläßt sie durch den Auslaß 32 und eine Leitung 34. Wird dagegen die Ventilplatte 30 in die gestrichelt gezeichnete Stellung geschwenkt, so schließt sie den Auslaß 32 und läßt den Auslaß 31 offen. Tn dieser Stellung verläßt die Luft die Kammer 28 durch den Auslaß 31 und eine Leitung 35, fließt also nicht durch die Leitung 34. Je nachdem, welche der beiden Stellungen das Ventil 24 einnimmt, gelangt die im Umlauf befindliche Luft über eine der Leitungen 34 oder 35 in eines von zwei Absorptionsfiltern 36 oder 37. Die Filter absorbieren und entfernen damit Verunreinigungen, die sonst in den Kon-

densatorS treten und dort gelieren würden. Um diese Verunreinigungen aufzuhalten, können die Absorptionsfilter mit aktivierter Holzkohle oder anderem dazu geeigneten Material gefüllt werden. Befindet sich das Ventil 24 in der gezeichneten Stellung, so gelangt die umlaufende Luft vom Ventil 24 über die Leitung 34 zum Absorptionsfilter 35, während das Absorptionsfilter 37 nicht von Luft durchströmt wird. Wird dagegen die Ventilplatte 30 in die gestrichelt gezeichnete Stellung geschwenkt, so gelangt die Luft vom Ventil 24 über die Leitung 34 zum Absorptionsfilter 36, während das Absorptionsfilter 37 nicht von der zirkulierenden Luft durchströmt wird. Rückschlagventile 38 und 39 lassen die Luft zum Kondensator 5 durch, trennen aber die beiden Filter voneinander und verhindern so einen Luftrückfluß in das jeweils unbenutzte Filter.

Während das jeweils ausgewählte Absorptionsfilter in Betrieb ist, um den umlaufenden Kälteträger von Verunreinigungen zu befreien, kann das andere Absorptionsfilter gereinigt und von aufgefangenen Verunreinigungen befreit werden, indem es mittels Heizwiderständen 40 erhitzt wird, so daß ein Strom aus der umgebenden Atmosphäre die Verunreinigungen zum Schmelzen bringt und aus dem System entfernt. Diese Reinigung des unbenutzten Filters geschieht in der Weise, daß Luft aus der Atmosphäre mittels des zweiten Vcrdichterteils 23 des Kompressors 22 über die zweite Kammer 27 des Ventils 24 hindurchgepumpt wird. Luft, die vom zweiten Verdichterteil 23 angesaugt wird, gelangt über eine Leitung 43 zu zwei Rückschlagventilen 44 und 45. Befindet sich das Ventil 24 in der gezeichneten Stellung, so reicht der Gasdruck in der Leitung 34 aus, um das Rückschlagventil 45 geschlossen zu halten und damit die zum Filter 36 fließende Luft von der übrigen Strömung zu trennen. Da in der Leitung 35 keine Luft fließt, ist der Gasdruck in dieser Leitung recht niedrig und bewirkt, daß das Rückschlagventil 44 sich öffnet und ein Strom verhältnismäßig warmer Luft aus der Atmosphäre durch das Absorptionsfilter 37 fließt. Mit dem Ventil 24 ist ein elektrischer Schalter verbunden, der bewirkt, daß der Heizwiderstand 39 des Filters 37 eingeschaltet wird und die im Filter aufgefangenen Verunreinigungen schmilzt und verdampft. Die Verunreinigungen werden dann durch Luft aus der Atmosphäre vom Filter 37 über eine Leitung 46 zum Einlaß 47 des Ventils 24 gefördert. Die zur Filtersäuberung dienende und somit verunreinigte Luft wird dann aus dem Ventil 24 durch einen Auslaß 48 und ein Druckminderventil 49 an die Umgebung abgegeben. Befindet sich die Ventilplatte 30 in der zweiten, gestrichelt gezeichneten Stellung, so ist das Rückschlagventil 44 geschlossen und das Rückschlagventil 45 vermöge der Wirkung der Druckdifferenz zwischen den Leitungen 35 und 34 offen, so daß eine Strömung verhältnismäßig warmer Luft aus der Umgebung durch das Absorptionsfilter 36 fließt und die darin aufgefangenen Verunreinigungen zum Verdampfen bringt. In dieser Stellung wird der Heizwiderstand 40 dieses Filters eingeschaltet, um die Verunreinigungen zu schmelzen und zu verdampfen.

Die Verunreinigungen werden dann über eine Leitung 50, einen Einlaß 51 am Ventil 24 und durch das bereits erwähnte Ventil 49 an die umgebende Atmosphäre abgegeben.

Fällt der Druck des ständig im äußeren Umlauf kreis strömenden Kälteträgers unter einen bestimmten Wert, so wird der Kreis aus der umgebenden Atmosphäre, also mit Luft, nachgefüllt. Wenn umgekehrt der Innendruck des umlaufenden Kälteträgers

ίο im äußeren Kreis einen bestimmten Wert überschreitet, so wird gasförmiger Kälteträger an die Atmosphäre abgegeben. Beispielsweise kann der Innendruck im Umlaufkreis abfallen, wenn das System erstmalig in Betrieb genommen wird, und zwar als

»5 Folge der Verflüssigung des Kälteträgers im Kondensator 5. Die Verflüssigung des Kälteträgers vermindert, anders ausgedrückt, das Volumen und damit den Druck. Außerdem kann der Innendruck im Umlaufkreis während des Betriebes infolge einer Undichtigkeit an irgendwelchen Abdichtungsstcllen sinken.

Um solche Schwankungen des Innendrucks innerhalb des geschlossenen Umlaufs zu kompensieren, dient die umgebende Atmosphäre als Vorrat zum Nachfüllen des Umlaufkreiscs mit Kälteträger. Der zweite Verdichtungsteil 23 des Kompressors 22 saugt Luft aus der umgebenden Atmosphäre an und fördert sie in den geschlossenen Umlaufkrcis über eine Leitung 52 und ein Rückschlagventil 53. Wenn also der vom ersten Verdichtungsteil des Kompressors gesteuerte Druck im Umlauf unter einen bestimmten Betrag fällt, so öffnet sich das Rückschlagventil 53 und läßt Luft aus der umgebenden Atmosphäre in den Kreis eintreten. Die von außen zugcfiihrte Luft wird sodann mit dem bereits im Umlauf befindlichen Kälteträger vermischt und nimmt am Umlauf teil.

Um die Strömungsgeschwindigkeit des Kälteträgers im geschlossenen Umlaufkreis zu regeln, ist ein Druckausgleich- oder Regelventil 54 vorgesehen, das den Verdichtungsteil 21 des Kompressors überbrückt, wenn das von diesem Teil erzeugte Druckgefällc einen bestimmten Wert überschreitet. Der erste Verdichtungsleil 21 hat den Zweck, die Umlaufströmung des gasförmigen Kälteträgers aufrechtzuerhalten und dafür zu sorgen, daß die während der Kühlung verlorene Energie im geschlossenen Umlauf wieder zugeführt wird, so daß ein stetiger Umlauf von Kühlmittelträger stattfindet.

Wird das System abgeschaltet, so kann es geschehen, daß der Innendruck im geschlossenen Umlauf

So ansteigt, wenn die flüssige Luft sich erwärmt, siedet und expandiert. Um zu verhindern, daß die dünnen, biegsamen Leitungen infolge einer solchen Steigerung des Innendruckes platzen, ist ein Rückschlagventil 55 hinter der Last 6 angeordnet, das verdampfte Luft zur Atmosphäre austreten läßt. Dies bedeutet jedoch keinen bleibenden Verlust an Luft, weil die umgebende Atmosphäre, wie bereits dargelegt, als Vorratsquellc dient, aus der der Umlaufkreis erneut mit Luft gefüllt werden kann. Infolgedessen

wird der Betrieb des Systems auch durch lange Wartezeiten, während deren es abgeschaltet ist, nicht beeinträchtigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kaltgas-Kältemaschine nach dem Zweikolbenprinzip mit einem äußeren Wärmeübertragungssystem, in dem ein verdampfender und kondensierender Kälteträger im Kreislauf zwischen einem mit dem Kalttcil der Kaltgas-Kältemaschine wärmeleitend verbundenen Kondensator und einem Wärme von einer zu kühlenden Last aufnehmenden Verdampfer geführt ist und das über zwei Ventile mit einem Kälteträgcr-Rescrvoir verbindbar ist, wobei eines der beiden Ventile ein bei Überschreiten eines bestimmten Drukkes des Kälteträgers im Wärmeübertragungssystern öffnendes Rückschlagventil ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungssystem (5, 19, 20,7, 16, 17, 18) als Kälteträger der Umgebung entnommene Luft führt und die Umgebung als Kälteträger-Reservoir dient, daß andere der beiden Ventile (53, 55) ein bei Unterschreiten eines bestimmten Druckes der Luft im Wärmeübertragungssystem öffnendes Rückschlagventil (53) ist und daß die verflüssigte Luft aus dem Kondensator (5) abführende Leitung (7) zwecks Bildung von dampfumhüllten Tröpfchen aus flüssiger Luft in dieser Leitung entsprechend dem Leidenfrostschen Phänomen im Wärmeaustausch mit der Leitung (16) für die Zuführung gasförmiger Luft zum Kondensator (5) steht.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der die in den Kondensator (5) wieder eintretende Luft führenden Leitung ein Doppelfilter (36, 37) angeordnet und überdies ein Steuerventil (24) vorgesehen ist, mittels dessen das eine oder andere Filter aus dem Kreislauf herausnehmbar und sein Einlaß mit der umgebenden Atmosphäre verbindbar ist, wenn in den Kreislauf Luft von außen nachgefüllt wird.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltgas-Kältemaschine nach dem Zweikolbenprinzip mit einem äußeren Wärmeübertragungssystem, in dem ein verdampfender und kondensierender Kälteträger im Kreislauf zwischen einem mit dem Kaltteil der KaItgas-Kältemaschine wärmeleitend verbundenen Kondensator und einem Wärme von einer zu kühlenden Last aufnehmenden Verdampfer geführt ist und das über zwei Ventile mit einem Kälteträger-Reservoir verbindbar ist, wobei eines der beiden Ventile ein bei Überschreiten eines bestimmten Druckes des Kälteträgers dem Wärmeübertragungssystem öffnendes Rückschlagventil ist. Bei solchen Maschinen hat das Kälteträger-Reservoir den Zweck, zu verhindern, daß der Druck im äußeren Wärmeübertragungssystem unzulässig ansteigt, was beispielsweise geschehen kann, wenn die Kaltgas-Kältemaschinc vorübergehend oder auf die Dauer zum Stillstand kommt.

Bei einer bekannten Maschine der vorstehend bezeichneten Art, die in der USA.-Patcntschrift 836 964 beschrieben ist, besteht das Reservoir aus einem Behälter, der einerseits über das Rückschlagventil und andererseits durch eine mit Absperrventil versehene Leitung an das äußere Wärmeübertragungssystem angeschlossen ist. Die Aufnahmefähigkeit des Behälters ist naturgemäß begrenzt. Wird sein Volumen nicht sehr groß bemessen, so kann bei längerem Stillstand der Kaltgas-Kältemaschine der Druck im Wärmeübertragungssystem noch immer beträchtlich ansteigen, so daß man die den Kälteträger führenden Leitungen kräftig bemessen muß, damit sie dem Überdruck standhalten. Ebenso muß sorgfältig auf gute Abdichtung im Wärmeübertragungssystem gesorgt werden, damit bei Überdruck nicht eine unzulässig große Menge an Kälteträger nach außen entweichen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesem Mangel abzuhelfen und ohne einen besonderen Behälter, als Reservoir für den Kälteträger auszukommen. Diese Aufgabe wird bei der Kaltgas-Kältemaschine nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Wärmeübertragungssystem als Kälteträger der Umgebung entnommene Luft führt und die Umgebung als Kälteträger-Reservoir dient, daß das andere der beiden Ventile ein bei Unterschreiten eines bestimmten Druckes der Luft im Wärmeübertragungssystem öffnendes Rückschlagventil ist und daß die verflüssigte Luft aus dem Kondensator abführende Leitung zwecks Bildung von dampfumhüllten Tröpfchen aus flüssiger Luft in dieser Leitung entsprechend dem Leidenfrostschen Phänomen im Wärmeaustausch mit der Leitung für die Zuführung gasförmiger Luft zum Kondensator steht. Damit entfällt ein Reservoir in Form eines geschlossenen Behälters, bei dem infolge seines begrenzten Volumens nach wie vor die Gefahr einer Drucküberlastung des Wärmeübertragungssystems besteht. Denn die die Maschine umgebende äußere Luft stellt ein Reservoir von unendlich großem Volumen dar, zu dessen Schaffung keinerlei bauliche Maßnahmen erforderlich sind. Bei Maschinen nach der Erfindung kann demgemäß das Wärmeübertragungssystem wesentlich schwächer bemessen, und es können Dichtungsfchler weit eher in Kauf genommen werden, da ein Verlust an Kälteträger stets durch Entnahme aus der das Reservoir bildenden umgebenden Luft ersetzt wird. Von besonderer Bedeutung ist alles dies, wenn außerdem in der oben angegebenen Weise das Leidcnfrostsche Phänomen nutzbar gemacht wird. Denn dann bleibt die aus dem Kondensator austretende Luft beim Durchgang durch das Wärmeübertragungssystem weitaus länger flüssig, als wenn kein Wärmeaustausch zwischen der die verflüssigte Luft aus dem Kondensator abführenden Leitung und der Leitung für die Zuführung gasförmiger Luft zum Kondensator bestände. Dadurch wird in erheblichem Maße an äußeren wärmeisolicrenden Umhüllungen gespart. Dies steht in Einklang mit dem Bestreben, die ganze aus der eigentlichen Kältemaschine und dem Wärmeübertragungssystem bestehende Anlage so klein wie möglich zu bemessen, ein Bestreben, dem schon der Fortfall eines Reservoirs in Form eines geschlossenen Behälters und die Möglichkeit Rechnung trägt, die Leitungen im Bereich des Wärmeübertragungssystems nicht übermäßig kräftig zu bemessen. Mit alledem ermöglicht es die Erfindung, das gesamte Gebilde klein zu gestalten und damit insbesondere zur Verwendung in Miniaturanlagen brauchbar zu machen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin-