DE1501103C3 - Einrichtung zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen - Google Patents

Description

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lieh, im Expansionsraum der zweiten Kühlmaschine einen niedrigen Druck zu verwenden, so daß schädliche Effekte infolge des Nicht-Idealverhaltens des Arbeitsmittels bei der herrschenden niedrigen Temperatur verhütet werden. Das Ergebnis ist eine Einrichtung.die bei niedrigem Druck im Arbeitsraum der zweiten KaItgaskühlmaschine wegen der guten Ausbeute und des Ausgleichs der Regenerationsverluste Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen erzeugen kann.

Bei einer günstigen Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung ist die erste Kaltgaskühlmaschine als Mehrraummaschine mit mindestens einem Zwischengefrierer ausgebildet.

Unter einer Mehrraummaschine ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine Kaltgaskühlmaschine zu verstehen, die neben einem Kompressionsraum und einem Expansionsraum einen oder mehrere Zwischenexpansionsräume enthält, die hintereinander in der Verbindung zwischen Kompressions- und Expansionsraum liegen, wobei der erste Zwischenexpansionsraum über wenigstens einen Regenerator mit dem Kompressionsraum und der letzte über wenigstens einen Regenerator mit dem Expansionsraum verbunden und zwischen je zwei Zwischenexpansionsräumen auch wenigstens ein Regenerator vorhanden ist, das eine und das andere derart, daß im Betrieb die weiter vom Kompressionsraum entfernten Expansionsräume eine niedrigere Temperatur aufweisen als die näherliegenden Räume.

Eine derartige Mehrraummaschine ist bekannt aus der NL-PS 90 073. Eine solche Maschine eignet sich nicht nur zum Erreichen sehr niedriger Temperaturen, sondern bietet auch noch den Vorteil, daß ihre Anwendung die Ausbeute der Einrichtung günstig beeinflußt, weil die Regenerationsverluste auf verschiedenen Temperaturpegeln mit auf verschiedenen Temperaturen erzeugter Kälte ausgeglichen werden können.

Eine weitere günstige Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß die zweite Kaltgaskühlmaschine als Mehrraummaschine ausgebildet ist mit mindestens einem Zwischengefrierer als Wärmetauscher, zu dem die Leitung führt.

Eine andere Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Leitung eines Verdampfungs-Kondensationssystems von einem Zwischengefrierer der ersten Kaltgaskühlmaschine zu einem Wärmetauscher der zweiten Kaltgaskühlmaschine führt, der zwischen den Regeneratoren der zweiten Kaltgaskühlmaschine angeordnet ist, die sich zwischen dem Kompressionsraum und dem Zwischengefrierer der zweiten Kaltgaskühlmaschine befinden.

Nach der Erfindung kann das mit dem Gefrierer der ersten Kaltgaskühlmaschine zusammenarbeitende Verdampfungs-Kondensationssystem mit Wasserstoff gefüllt sein, während das mit dem Zwischengefrierer dieser Maschine zusammenarbeitende System mit Stickstoff gefüllt ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in denen

F i g. 1 bis 3 drei Ausführungsbeispiele von Einrichtungen zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen zeigen, die je aus zwei Kaltgaskühlmaschinen bestehen.

Die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung besitzt zwei Kaltgaskühlmaschinen A und B. Die Kaltgaskühlmaschine A enthält einen Kolben 1 und einen Verdränger 2, die durch eine Kolbenstange 3 bzw. eine Verdrängerstange 4 mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden sind. Dieses Triebwerk bewegt den Kolben und den Verdränger mit einem bestimmten Phasenunterschied.

Der Verdränger 2 ist aus zwei Teilen 5 und 6 mit verschiedenen Durchmessern aufgebaut. Der Kolben 1 und die Unterseite dee Verdrängers ändern das Volumen eines Kompressionsraumes 7. Die vom Übergang der beiden Verdrängerteile 5 und 6 gebildete Ringoberfläche 8 kann das Volumen eines Zwischen-Expansionsraumes 9 ändern. Die Oberseite des Verdrängerteiles 6 kann das Volumen des Expansionsraumes 10 ändern. Der Kompressionsraum 7 und der Zwischen-Expansionsraum 9 stehen über einen Kühler 11, einen ersten Regenerator 12 und einen Zwischengefrierer 13 miteinander in Verbindung. Der Zwischen-Expansionsraum 9 und der Expansionsraum 10 stehen über einen zweiten Regenerator 14 und einen zweiten Gefrierer 15 miteinander in Verbindung.

Die Kaltgaskühlmaschine B ist von gleicher Konstruktion mit einem Kolben 21 und einem Verdränger 22, der aus zwei Teilen 25 und 26 mit ungleichem Durchmesser besteht. Der Kolben und der Verdränger sind über eine Kolbenstange 23 bzw. eine Verdrängerstange 24 mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden. Der Kompressionsraum 27 steht über einen Kühler 31, einen in zwei Teile 32' und 32" geteilten Regenerator und einen Zwischengefrierer 33 mit dem durch die Ringoberfläche 28 veränderbaren Zwischen-Expansionsraum 29 in Verbindung. Der Zwischen-Expansionsraum ist über den Regenerator 34 und den Gefrierer 35 mit dem Expansionsraum 30 verbunden.

Der Gefrierer 15 der Maschine A steht mittels einer Leitung 40 mit dem Zwischengefrierer 33 der zweiten Maschine B in Verbindung. In den Gefrierern 15, 33 und der Leitung 40 befindet sich Wasserstoff, der im Gefrierer 15 kondensieren und im Zwischengefrierer 33 verdampfen kann.

In gleicher Weise ist der Zwischengefrierer 13 der Maschine A durch eine Leitung 42 mit einem zwischen den Regeneratorteilen 32' und 32" liegenden Wärmetauscher 43 verbunden. In dem Gefrierer 13, der Leitung 42 und dem Wärmetauscher 43 befindet sich Stickstoff, der im Zwischengefrierer 13 kondensieren und im Wärmetauscher 43 verdampfen kann.

In der Kaltgaskühlmaschine A befindet sich ein Arbeitsmittel, z. B. H2, unter einem mittleren Druck von z. B. 30 kg/cm², und in der Maschine B befindet sich ein Arbeitsmittel, z. B. He³, unter einem mittleren Druck von z. B. 3 kg/cm².

Die Kaltgaskühlmaschine erzeugt im Zwischen-Expansionsraum 9 Kälte bei etwa 70° K und im Expansionsraum 10 Kälte bei etwa 20° K.

Da der mittlere Druck des Arbeitsmittels in der Kaltgaskühlmaschine B niedrig ist, kann diese Maschine die im Regenerator 32', 32" auftretenden Regenerationsverluste nicht aufbringen. Die zum Ausgleich dieser Verluste erforderliche Kälte wird von der Maschine A geliefert. Die in der Maschine A im Zwischen-Expansionsraum 9 erzeugte Kälte wird über das Stickstoffverdampfungs-Kondensationssystem dem Wärmetauscher 43 zugeführt. Die im Expansionsraum 10 erzeugte Kälte wird über das Wasserstoffverdampfungs- Kondensationssystem dem Zwischengefrierer 33 zugeführt. Dadurch weist der Zwischengefrierer 33 eine Temperatur von etwa 20° K auf. Im Expansionsraum 30 kann daher Kälte bei einer Temperatur von etwa 4⁰K erzeugt werden. Auf diese Weise ist eine Einrichtung ent-

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standen, die mit verhältnismäßig guter Ausbeute Kälte bei 4° K erzeugt. Naturgemäß besteht die Möglichkeit, auch noch bei den in dem Zwischen-Expansionsraum 9 und dem Expansionsraum 10 herrschenden Temperaturen Kälte zu erzeugen.

Unter gewissen Verhältnissen können die Leitung 42 und der Wärmetauscher 43 weggelassen werden, so daß nur die im Expansionsraum 10 bei etwa 20° K erzeugte Kälte auf den Zwischengefrierer 33 übertragen wird. Auch eine solche Einrichtung kann auf befriedigende Weise Kälte bei etwa 4⁰K erzeugen.

In F i g. 2 ist eine abweichende Konstruktion einer Einrichtung zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen dargestellt. Auch diese Einrichtung enthält wieder zwei Kaltgaskühlmaschinen A und B. Jede Kaltgaskühlmaschine besitzt einen aus drei Teilen aufgebauten Verdränger. Bei der Kühlmaschine A sind dies die Teile 101, 102 und 103, wobei die vom Übergang dieser Teile gebildeten Ringflächen das Volumen der Expansionsräume 104, 105 und 106 ändern. Der Kompressionsraum 107 steht über den Kühler 108, den Regenerator 109 und den Zwischengefrierer 110 mit dem Expansionsraum 104 in Verbindung. Dieser Expansionsraum steht über den Regenerator 111 sowie den Zwischengefrierer 112 mit dem Expansionsraum 105 und dieser über den Regenerator 113 und den Gefrierer 114 mit dem Expansionsraum 106 in Verbindung.

Bei der Kühlmaschine B sind die gleichen Einzelteile vorhanden, die in dieser Maschine mit den Bezugszeichen 201 bis 214 bezeichnet sind. Die Gefrierer 112 und 114 sind durch Leitungen 116 bzw. 117 mit den Zwischengefrierern 210 bzw. 212 der Kühlmaschine B verbunden. Der Zwischengefrierer 110 steht durch eine Leitung 118 mit einem Wärmetauscher 119 im Regenerator 209', 209" in Verbindung. ,

Die Kaltgaskühlmaschine A erzeugt in den Expansionsräumen 104, 105 und 106 Kälte bei drei verschiedenen Temperaturen, wobei in dieser Maschine ein verhältnismäßig hoher mittlerer Druck herrscht. In der Kaltgaskühlmaschine B herrscht ein verhältnismäßig niedriger mittlerer Druck, wodurch diese Maschine die beim Passieren der verschiedenen Regeneratoren auftretenden Verluste nicht aufbringen kann. Zum Ausgleich dieser Verluste wird die in der Kühlmaschine A erzeugte Kälte auf die Kühlmaschine B übertragen. Dies erfolgt für die im Expansionsraum 106 erzeugte Kälte durch Wasserstoff, der im Gefrierer 114 kondensiert und dann durch die Leitung 117 zum Zwischengefrierer 212 strömt, in dem das Kondensat unter Aufnahme seiner Verdampfungswärme aus dem Arbeitsmittel der Kühlmaschine B wieder verdampft. Dasselbe geschieht mit der in den Expansionsräumen 105 und 104 erzeugten Kälte, die zu dem Zwischengefrierer 210 bzw. dem Wärmetauscher 119 transportiert wird. Da die Kälte in diesen Expansionsräumen bei höherer Temperatur erzeugt wird, befindet sich als Wärmeübertragungsmittel in der Leitung 116 mit dem zugehörigen Wärmetauscher Stickstoff und in der Leitung 118 mit dem zugehörigen Wärmetauscher Methan oder ein anderes Gas, das einen entsprechenden Siedepunkt hat.

Auf diese Weise ist wieder eine Einrichtung entstanden, die Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen erzeugen kann.

Schließlich ist in F i g. 3 eine weitere Einrichtung zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen dargestellt. Diese Einrichtung umfaßt eine Dreiraum-Kaitgaskühlmaschine A der Art, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist. Diese Maschine wirkt mit einer Kaltgaskühlmaschine D mit nur einem Expansionsraum zusammen. Bei dieser Einrichtung ist ein von dem Gefrierer 20, der Leitung 300 und dem Wärmetauscher 301 gebildetes Verdampfungs-Kondensationssystem vorhanden, mittels dessen die im Expansionsraum 10 der Kaltgaskühlmaschine A erzeugte Kälte auf das Arbeitsmittel der Kaltgaskühlmaschine D übertragen wird. Die Arbeitsmittel in der Kühlmaschine A steht dabei unter einem verhältnismäßig hohen Mitteldruck, so daß diese Maschine im Expansionsraum 10 bei etwa 20⁰K Kälte erzeugt. Durch diese Kälte kondensiert der Wasserstoff des Verdampfungs-Kondensationssystems im Gefrierer 20, worauf das Kondensat zum Wärmetauscher 301 strömt und dort verdampft. Hierdurch werden die Regenerationsverluste des Arbeitsmittels in der Kühlmaschine D ausgeglichen, so daß diese Maschine trotz der Tatsache, daß das Arbeitsmittel unter einem verhältnismäßig niedrigen Druck steht, bei der sehr niedrigen Temperatur von etwa 4° K Kälte liefern kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen, z.B. unter 20⁰K, die aus mindestens zwei Kaltgaskühlmaschinen besteht, die je einen Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen und mindestens einen Expansionsraum mit veränderlichem Volumen enthalten, wobei der Kompressionsraum im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur aufweist als die zugeordneten Expansionsräume, der Kompressionsraum und die Expansionsräume jeder Maschine miteinander in Verbindung stehen und sich in jeder Verbindung mindestens ein Kühler, ein Regenerator und ein Gefrierer befinden, durch weiche ein Arbeitsmittel auf seinem Weg vom Kompressionsraum zum Expansionsraum und zurück hin- und herströmen kann, und wobei zwischen dem Gefrierer der ersten Kaltgaskühlmaschine und der zweiten Kaltgaskühlmaschine eine wärmeleitende Verbindung vorhanden ist, d a durch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Verbindung aus einer zu einem zwischen den Regeneratoren (34, 32"; 213, 211) der zweiten Kaltgaskühlmaschine (B; D) angeordneten Wärmetauscher (33; 212; 301) führenden Leitung (40; 117; 300) eines Verdampfungs-Kondensationssystems mit einem Mittel besteht, das eine der Temperatur des Gefrierers (15; 114; 20) der ersten Kaltgaskühlmaschine (A) angepaßte Kondensationstemperatur aufweist, und daß der mittlere Druck in der zweiten Kaltgaskühlmaschine (B; D) denjenigen in der ersten (A) unterschreitet und das in der zweiten Kaltgaskühlmaschine (B; D) befindliche Arbeitsmittel eine niedrige kritische Temperatur aufweist als das in der ersten Kaltgaskühlmaschine (A) befindliche Arbeitsmittel.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kaltgaskühlmaschine (A) &\s Mehrraummaschine mit mindestens einem Zwischengefrierer(13; 110,112) ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kaltgaskühlmaschine (B) als Mehrraummaschine ausgebildet ist mit mindestens einem Zwischengefrierer (33; 212) als Wärmetauscher, zu dem die Leitung (40; 117) führt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Leitung (42; 118, 116) eines Verdampfungs-Kondensationssystems von einem Zwischengefrierer (13; 110, 112) der ersten Kaltgaskühlmaschine (A) zu einem Wärmetauscher (43; 119, 210) der zweiten Kaltgaskühlmaschine (B) führt, der zwischen den Regeneratoren (3Γ, 32"; 209', 209", 211) der zweiten Kaltgaskühlmaschine (B) angeordnet ist, die sich zwischen dem Kompressionsraum (27; 207) und dem Zwischengefrierer (33; 212) der zweiten Kaltgaskühlmaschine (B) befinden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Gefrierer (15; 114; 20) der ersten Kaltgaskühlmaschine (A) angeschlossene Verdampfungs-Kondensationssystem als Mittel Wasserstoff enthält.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Zwischengefrierer (13; 112) der ersten Kaltgaskühlmaschine (A) angeschlossene Verdampfungs-Kondensationssystem als Mittel Stickstoff enthält.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen, z. B. unter 20° K, die aus mindestens zwei Kaltgaskühlmaschinen besteht, die je einen Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen und mindestens einen Expansionsraum mit veränderlichem Volumen enthalten, wobei der Kompressionsraum im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur aufweist als die zugeordnten Expansionsräume, der Kompressionsraum und die Expansionsräume jeder Maschine miteinander in Verbindung stehen und sich in jeder Verbindung mindestens ein Kühler, ein Regenerator und ein Gefrierer befinden, durch welche ein Arbeitsmittel auf seinem Weg vom Kompressionsraum zum Expansionsraum und zurück hin- und herströmen kann, und wobei zwischen dem Gefrierer der ersten Kaltgaskühlmaschine und der zweiten Kaltgaskühlmaschine eine wärmeleitende Verbindung vorhanden ist.

Eine Einrichtung dieser Art ist aus der US-PS 31 47 600 bekannt.

Bei dieser bekannten Einrichtung bilden die zwei Kaltgaskühlmaschinen eine Kaskadenschaltung, d. h_ der Gefrierer der ersten Kaltgaskühlmaschine ist wärmeleitend verbunden mit dem Kompressionsraum der zweiten Kaltgaskühlmaschine. Die Kompressionsräume dieser Maschinen weisen also gegenseitig unterschiedliche Temperaturen auf.

Ein Nachteil dieser Einrichtung ist, daß die Gesamtausbeute niedrig ist. Einerseits liegt die Umrsache in der Tatsache, daß ein Teil der von der ersten Kaltgaskühlmaschine erzeugten Kälte verwendet wird zum Ausgleich der in der zweiten Kaltgaskühlmaschine entwickelten Kompressionswärme, andererseits in den auftretenden Regenerationsverlusten.

Weiter muß, wenn eine Kaltgaskühlmaschine Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen erzeugen soll, diese Maschine im Zusammenhang mit dem Nicht-Idealverhalten des Arbeitsmittels bei diesen Temperaturen und anderen schädlichen Effekten bei besonders niedrigen Drücken wirken. Bei sehr niedrigen Drücken wird aber die Ausbeute im höheren Temperaturteil der Maschine besonders niedrig.

Die Erfindung bezweckt, eine verbesserte Einrichtung zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen mit guter Ausbeute zu schaffen.

Dies wird dadurch erreicht, daß die wärmeleitende Verbindung aus einer zu einem zwischen den Regeneratoren der zweiten Kaltgaskühlmaschine angeordneten Wärmeaustauscher führenden Leitung eines Verdampfungs-Kondensationssystems mit einem Mittel besteht, das eine der Temperatur des Gefrierers der ersten Kaltgaskühlmaschine angepaßte Kondensationstemperatur aufweist, und daß der mittlere Druck in der zweiten Kaltgaskühlmaschine denjenigen in der ersten unterschreitet und das in der zweiten Kaltgaskühlmaschine befindliche Arbeitsmittel eine niedrige kritische Temperatur aufweist als das in der ersten Kaltgaskühlmaschine befindliche Arbeitsmittel.
Bei der Einrichtung nach der Erfindung befindet sich der Kompressionsraum der zweiten Kaltgaskühlmaschine auf Kühlwassertemperatur, d. h. daß zwischen dem Kompressions- und Expansionsraum dieser Maschine ein großer Temperaturunterschied vorhanden ist. Hierdurch ist die Ausbeute, die diesem Temperaturunterschied proportional ist, günstig. Die in der ersten Kaltgaskühlmaschine erzeugte Kälte wird zuni Ausgleich der in der zweiten Kühlmaschine auftretenden Regenerationsverluste benutzt. Hierdurch ist es mög-