DE1501099C3 - Kaltgas-Kühlmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kaltgas-Kühlmaschine mit wenigstens einem Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen, der im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur aufweist und mit wenigstens einem Expansionsraum verbunden ist, der gleichfalls ein veränderliches Volumen hat und im Betrieb eine niedrigere mittlere Temperatur aufweist, wobei sich in der Verbindung zwischen den beiden Räumen wenigstens ein Wärmetauscher befindet, durch den ein Arbeitsmittel auf seinem Weg von dem einen zu dem anderen Raum hin- und herströmt, um bei Strömung in der Richtung zum Expansionsraum Wärme abzugeben und bei Strömung in der Richtung zum Kompressionsraum Wärme aufzunehmen.

Bei einer bekannten Maschine dieser Art (FR-PS 13 70 872) besteht der Wärmetauscher aus einem Regenerator. Eine gute Wirkung des Regenerators ist für die Nutzleistung der Vorrichtung wichtig. Hierfür muß das Material der Füllmasse eine hohe spezifische Wärme haben. Bei sehr niedrigen Temperaturen weist das normale Regeneratorfüllmaterial jedoch einen starken Abfall an spezifischer Wärme auf.

Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß der Wärmetauscher in an sich bekannter Weise als Rekuperator ausgebildet ist und zwei Kanäle aufweist, durch deren ersten in die Verbindung zwischen dem Kompressions- und dem Expansionsraum eingeschalteten Kanal das Arbeitsmittel und durch deren zweiten in die Verbindung zwischen zwei weiteren Räumen eingeschalteten Kanal ein anderes Mittel hin- und herströmt, wobei die Umkehr der Strömungsrichtung des anderen Mittels nahezu gleichzeitig mit der Umkehr der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels erfolgt.

Der Rekuperator ist vorzugsweise als Gegenstromrekuperator ausgebildet, da Gegenstromwärmetausch mit

einer höheren Nutzwirkung erfolgt. Unter gewissen Verhältnissen kann aber aus baulichen Gründen auch ein Kreuzstromrekuperator verwendet werden.

Das Mittel im zweiten Rekuperatorkanal dient als regenerierende Füllmasse. Das Arbeitsmittel gibt an dieses Mittel in einer Periode Wärme ab und absorbiert aus ihm nahezu den gleichen Wärmebetrag in der nächsten Periode. Dies bietet den Vorteil, daß man als Material für die Wärme absorbierende und Wärme abgebende Masse nicht mehr an Feststoffe gebunden ist Als Mittel ist vielmehr auch eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendbar; die Verwendung eines gasförmigen Mittels bietet den Vorteil, daß es bei sehr niedrigen Temperaturen noch eine größere spezifische Wärme hat, so daß noch ausreichend Wärme gespeichert werden kann.

Anhand der Zeichnung, in denen schematisch und beispielsweise zwei Vorrichtungen nach der Erfindung dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Einzylinder-Kaltgas-Kühlmaschine, bei der zwischen dem Kompressionsraum und dem Expansionsraum ein Rekuperator vorgesehen ist, in dem das Arbeitsmittel Wärme mit einem anderen Mittel tauscht.

Fig.2 zeigt eine Zweizylinder-Kaltgas-Kühlmaschine, die einen Rekuperator besitzt, in dem das Arbeitsmittel eines Zylinders mit dem Arbeitsmittel des anderen bzw. der beiden anderen Zylinder im Wärmetausch ist.

In Fi g. 1 ist mit 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem ein Kolben 2 und ein Verdrängter 3 sich phasenverschoben bewegen können. Der Kolben 2 und der Verdränger 3 sind durch eine Kolbenstange 4 bzw. eine Verdrängerstange 5 mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden. Beim Bewegen ändert das obere Ende des Kolbens 2 und das untere Ende des Verdrängers 3 das Volumen eines Kompressionsraumes 6, während die obere Fläche des Verdrängers 3 das Volumen eines Expansionsraumes 7 ändert. Der Kompressionsraum 6 und der Expansionsraum 7 stehen über einen Kühler 8, einen Rekuperator 9 und einen Gefrierer 10 miteinander in Verbindung. Der Kompressionsraum 6 und der Expansionsraum 7 enthalten ein Arbeitsmittel, das infolge der Bewegungen des Kolbens 2 und des Verdrängers 3 durch die erwähnte Verbindung abwechselnd vom Kompressionsraum zum Expansionsraum strömt und zurück. Das Arbeitsmittel gibt dabei im Kühler 8 an das durch die Kanäle 11 strömende Kühlwasser Wärme ab. Im Gefrierer 10 nimmt das Arbeitsmittel von einem durch die Kanäle 12 strömenden, zu kühlenden Mittel Wärme auf.

Der Rekuperator 9 besitzt zwei Kanäle. Durch den ersten Kanal strömt das Arbeitsmittel hin und her. Der zweite Kanal steht an einem Ende über den Kanal 13 mit dem einen Ende eines Zylinders 15 und am anderen Ende über den Kanal 16 mit dem anderen Ende des Zylinders 15 in Verbindung. Im Zylinder 15 ist ein kolbenförmiger Körper 17 derart beweglich, daß das Mittel aus dem Raum 18 in den Raum 19 gebracht wird, wenn das Arbeitsmittel vom Kompressionsraum 6 zum Expansionsraum 7 strömt, und das Mittel in umgekehrter Richtung transportiert wird, wenn das Arbeitsmittel vom Expansionsraum zum Kompressionsraum zurückströmt. Die Kanäle 13 und 16 und der Zylinder 15 sind von einer nicht dargestellten Wärmeisolierung umgeben.

Die Wirkungsweise der Maschine ist wie folgt: Das im Kompressionsraum 6 komprimierte Arbeitsmittel wird

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zum Expansionsraum 7 transportiert und gibt unterwegs zunächst im Kühler 8 seine Kompressionswärme an das Kühlwasser ab. Anschließend strömt das Arbeitsmittel in Gegenströmung mit einem anderen Mittel durch den Rekuperator 9 und gibt dabei einen Wärmebetrag an das Mittel ab, das durch den Kolben 17 aus dem Raum 18 zum Raum 19 transportiert wird. Anschließend tritt das Arbeitsmittel in den Expansionsraum ein, in dem es infolge der Expansion eine Temperaturabnahme erfährt. Im Gefrierer 10 nimmt das Arbeitsmittel von einem zu kühlenden Mittel Wärme auf, so daß das Arbeitsmittel auf seinem Rückweg zum Kompressionsraum bei der Gefriertemperatur in den Rekuperator 9 eintritt. Gleichzeitig mit dem Umkehren der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist auch die Strömungsrich- tung des Mittels in dem Zylinder 15 und den Kanälen 13 und 16 umgekehrt worden. Das Arbeitsmittel nimmt die in der vorhergehenden Periode im Mittel gespeicherte Wärme auf und wird somit von Gefrierertemperatur auf Kühlertemperatur aufgewärmt. Das Mittel in dem Zylinder 15 und den Kanälen 13 und 16 dient also als wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende Masse. Als Mittel kann besonders bei niedrigen Temperaturen ein Gas benutzt werden. Gase bieten den Vorteil einer guten spezifischen Wärme auch bei sehr niedrigen Temperaturen. Auf diese Weise ist mit verhältnismäßig einfachen Mitteln ein Rekuperator ausgebildet, der besonders bei niedrigen Temperaturen gegenüber den bekannten Regeneratoren Vorteile bietet. Durch geeignete Wahl des Durchmessers der Kolbenstange 20 lassen sich Druckänderungen in dem Zylinder 15 und den Kanälen 13 und 16 vermeiden.

Die Anlage nach F i g. 2 besitzt zwei Zylinder 21 und 31, in denen Kolben 22 bzw. 32 und Verdränger 23 bzw. 33 beweglich sind. Beim Bewegen dieser Elemente wird ^₅ das Volumen der Kompressionsräume 26 bzw. 36 und der Expansionsräume 27 bzw. 37 geändert. Der Kompressionsraum 26 und der Expansionsraum 27 stehen über einen Kühler 28, einen Wärmetauschkanal 29 und einen Gefrierer 30 miteinander in Verbindung. Der Kompressionsraum 36 und der Expansionsraum 37 stehen über einen Kühler 38, einen Wärmetauschkanal 39 und einen Gefrierer 40 miteinander in Verbindung.

In den Kühlern 28 und 38, die ggf. kombiniert werden können, tauschen die Arbeitsmittel des Zylinders 21 und des Zylinders 31 Wärme mit dem Kühlwasser.

Die Koben 22 und 32 sind durch Kolbenstangen 25

45 bzw. 35 mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden, welches diese Kolben mit einem Phasenunterschied von 180° bewegt.

Die Verdränger 23 und 33 sind durch Verdrängerstangen 24 bzw. 34 gleichfalls mit dem nicht dargestellten Triebwerk verbunden, welches die Verdränger mit einem Phasenunterschied gegenüber den Kolben bewegt, wobei der Phasenunterschied zwischen den Verdrängern gleichfalls 180° beträgt.

Infolge des Phasenunterschiedes von 180° zwischen den Kolben 22 und 32 bzw. den Verdrängern 23 und 33 wird, wenn das Arbeitsmittel vom Kompressionsraum 26 zum Expansionsraum 27 strömt, das Arbeitsmittel des anderen Zylinders gerade vom Expansionsraum 37 zum Kompressionsraum 36 strömen und umgekehrt. Dies bedeutet, daß das Arbeitsmittel in dem Kanal 29 stets mit dem Arbeitsmittel in dem Kanal 39 in Gegenströmung ist.

Das Arbeitsmittel des Zylinders 21 tritt in den Kanal 29 ein mit einer Temperatur nahezu gleich der Kühlertemperatur und verläßt den Kanal mit einer Temperatur nahezu gleich der Gefrierertemperatur. Der Wärmebetrag, den das Arbeitsmittel dabei verliert, ist gerade ausreichend zum Aufwärmen des Arbeitsmittels des Zylinders 31 von der Gefrierertemperatur auf die Kühlertemperatur.

Dabei nimmt das Arbeitsmittel des Zylinders 31 also den Wärmebetrag auf, der während einer Hälfte des Zyklus aus dem Arbeitsmittel des Zylinders 21 abgeleitet werden muß. Während der anderen Hälfte des Zyklus strömt das Arbeitsmittel des Zylinders 21 wieder zum Kompressionsraum 26 zurück und nimmt in dem Kanal 29 den gleichen Wärmebetrag wieder aus dem Arbeitsmittel des Zylinders 31 auf, welches während dieser Periode vom Kompressionsraum 36 zum Expansionsraum 37 strömt.

In den Gefrierern 30 und 40 kann ein Mittel abgekühlt werden. Die Gefrierer können ggf. kombiniert ausgebildet werden.

Es wird einleuchten, daß auch Kaltgas-Kühlmaschinen mit mehr als zwei Zylindern auf dieselbe Weise mit einem Rekuperator ausgebildet werden können. Obwohl nur Kaltgasmaschinen des Verdrängertyps gezeigt sind, wird es klar sein, daß die erfindungsgemäße Rekuperatoranordnung auch verwendbar ist bei Kaltgasmaschinen anderer Bauweise, z. B. Kaltgasmaschinen des Zweikolbentyps.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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Patentanspruch:

Kaltgas-Kühlmaschine mit wenigstens einem Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen, der im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur aufweist und mit wenigstens einem Expansionsraum verbunden ist, der gleichfalls ein veränderliches Volumen hat und im Betrieb eine niedrigere mittlere Temperatur aufweist, wobei sich in der Verbindung zwischen den beiden Räumen wenigstens ein Wärmeaustauscher befindet, durch den ein Arbeitsmittel auf seinem Weg von dem einen zu dem anderen Raum hin- und herströmt, um bei Strömung in der Richtung zum Expansionsraum Wärme abzugeben und bei Strömung in der Richtung zum Kompressionsraum Wärme aufzunehmen, d a durch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher in an sich bekannter Weise als Rekuperator (9) ausgebildet ist und zwei Kanäle aufweist, durch deren ersten in die Verbindung zwischen dem Kompressions- (6) und dem Expansionsraum (7) eingeschalteten Kanal das Arbeitsmittel und durch deren zweiten in die Verbindung zwischen zwei weiteren Räumen (18,19) eingeschalteten Kanal ein anderes Mittel hin- und herströmt, wobei die Umkehr der Strömungsrichtung des anderen Mittels nahezu gleichzeitig mit der Umkehr der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels erfolgt.