DE2006907A1

DE2006907A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen

Info

Publication number: DE2006907A1
Application number: DE19702006907
Authority: DE
Inventors: Johan Adriaan Eindhoven Rietdijk (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-03-06
Filing date: 1970-02-14
Publication date: 1970-09-24
Also published as: GB1305606A; DE2006907B2; BE746842A; NL6903436A; US3638441A; FR2037606A5; SE356358B

Description

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.1970

"Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen, die mindestens eine Gaskältemaschine enthält mit mindestens einem Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen und höherer mittlerer Temperatur, sowie mindestens zwei Expansionsräumen mit ebenfalls veränderlichem Volumen und niedrigerer mittlerer Temperatur als die des Kompressionsraumes, wobei diese Räume miteinander in Verbindung stehen und wobei sich in jeder der Verbindungen ein Regenerator befindet und wobei das Volumen der genannten Expansionsräume durch einen kolbenförmigen Körpei* änderbar ist, der aus Teilen unterschiedlichen Durch» messers aufgebaut ist und in der Wand des Expansionsraumes

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mit im Betrieb der niedrigsten mittleren Temperatur ein Auslassventil angeordnet ist, das sich öffnet, wenn der Druck in diesem Raum höher ist als der minimale Druck, vorzugsweise nahezu dem maximalen Druck entspricht, der in der Gaskältemaschine auftritt, an welches Ventil sich eine Leitung anschliesst, die sich über die Dochdruckseite eines oder mehrerer Wärmeaustauscher an eine Expansionsvorrichtung anschliesst, in der das Arbeitsmedium expandiert, wonach dieses Arbeitsmedium mit einer zu kühlenden Stelle in Wärmeaustausch ist, von welcher Stelle das Arbeitsmedium über die Niederdruckseite des genannten Wärmeaustauscher und eine Kompressionsvorrichtung zum Einlassventil zurückfliesst, das sich an einen der genannten Räume der Gaskältemaschine anschliesst.

Vorrichtungen der obenstehend beschriebenen Art sind bekannt. Das aus dem Expansionsraum mit der niedrigsten Temperatur ausgelassene Arbeitsmedium wird dabei nach Durchgang der genannten Wärmeaustauscher, in einem Joule-Kelvin-Hahn, einem Drosselejektor oder einer anderen Expansionsvorrichtung in seinem Druck erniedrigt. Damit eine angemessene Kälteerzeugung bzw. eine niedrige Temperatur erreicht wird ist es dabei notwendig, bis Drücke unterhalb des in der Gaskältemaschine auftretenden minimalen Drucks zu expandieren. Das bedeutet, dass das expandierte Arbeitsmedium für seine Zurückführung zur Gaskältemaschine mit einem Kompressor bis mindestens den genannten minimalen Druck der Gaskältemaschine verdichtet werden muss. Damit die Verluste klein gehalten werden, arbeitet dieser Kompressor dabei bei Zimmer-

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temperatur. Das bedeutet, dass zwischen dem Kompressor und demjenigen Teil der Vorrichtung, der eine niedrige Temperatur hat, Wärmeaustauscher vorhanden sein müssen. Der zusätzliche Kompressor und die erforderlichen Wärmeaustauscher machen die bekannte Vorrichtung verwickelt und teuer.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der

obengenannten Art und einer einfachen gedrängten Konstruktion zu schaffen, wobei die Anzahl erforderlicher Wärmeaustauscher m gegenüber bekannten Vorrichtungen wesentlich verringert ist.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist dazu das Kennzeichen auf, dass die Kompressionsvorrichtung durch einen in den kolbenförmigen Körper, der die Volumen der Expansionsräume ändern kann, aufgenommenen Zylinder gebildet ist, in welchem Zylinder ein fester mit der Wand eines der Expansionsräume verbundener hohler, weiterer kolbenförmiger Körper bewegen kann, dies und jenes derart, dass die Mittellinie des Zylinders und des weiteren kolbenförmigen Körpers mit der , Mittellinie des betreffenden kolbenförmigen Körpers fluchtet oder sich parallel zu derselben erstreckt, wobei sich der weitere kolbenförmige Körper an seiner mit der Wand verbundenen Seite an die Leitung anschliesst, durch die Tiefdruckarbeitsmedium von der Expansionsvorrichtung zur Gaskältemaschine fliessen kann und der an seiner anderen Seite mit einem Saugventil versehen ist, durch das Arbeitsmedium in den Zylinder fliessen kann, wobei der Zylinder an seiner dem Inneren des kolbenförmigen Körpers zugewandten Seite durch eine Platte abgeschlossen ist, in der ein Druckventil

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angeordnet ist, das sich öffnet, wenn der Druck im Zylinder höher ist als der minimale Druck, der im genannten Expansionsraum auftritt, welches Druckventil eine Verbindung zwischen dem Raum im Zylinder und einem ebenfalls im kolbenförmigen Körper vorhandenen Pufferraum bildet, der über ein Ruckschlagventil mit einem Expansionsraum mit einer höheren mittleren Temperatur als im Expansionsraum mit der im Betrieb niedrigsten mittleren Temperatur in Verbindung steht, wobei sich dieses Rückschlagventil in der Richtung Jenes Expansionsraumes öffnen kann.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung ist der Kompressor also als Teil der Gaskältemaschine ausgebildet, so dass diese sehr leicht bei niedriger Temperatur arbeiten kann. Da es nun keiner Wärmeaustauscher zwischen einem auf Zimmertemperatur arbeitenden Kompressor und der Gaskältemaschine mehr bedarf, ist eine wesentliche Vereinfachung erhalten worden. Da der Kompressor in der Gaskältemaschine angeordnet ist, bieten sich keine zusätzlichen Dichtungsprobleme nach aussen dar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei schematische und nicht massgerechte Darstellungen von Einrichtungen zum Erzeugen von Kälte,

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder angedeutet. In diesem Zylinder sind ein Kolben 2 und ein aus zwei Teilen 3 und k bestehender Verdränger aufgenommen.

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Der Kolben und der Verdränger sind mittels einer Kolbenstange 5 bzw. einer Verdrängerstange 6 mit einem nicht-dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben 2 und dem Teil 3 des Verdrängers befindet sich ein Kompressionsraum 7· Der Kompressionsraum 7 steht über einen Kühler 8, einen Regenerator 9 und einen Gefrierer 10 mit einem Zwischenexpansionsraum 11 in Verbindung. Das Volumen des Zwischenexpansionsraumes 11 wird im Betrieb durch die Ringfläche 12 geändert, die infolge A des Durchmesserunterschiedes zwischen den Teilen 3 und k des Verdrängers entstanden ist. Der Zwischenexpansionsraum 11 steht über einen Regenerator 13 und einen Gefrierer 14 mit dem Endexpansionsraum 15 in Verbindung. Der Endexpansionsraum 15 steht über ein federbelastetes Auslassventil 16 mit einer Leitung 17 in Verbindung, die sich über den Wärmeaustauscher 18 an einen Drosselhahn 19 anschliesst. Der Druck, bei dem Medium aus dem Expansionsraum 15 in das Leitungssystem eingelassen wird, lässt sich durch eine geeignete Wahl des Auslassventils 16 regeln. Nachdem das Medium im Drossel- ™ hahn 19 expandiert ist, wird es an einer zu kühlenden Stelle 20 entlang geführt, wonach das in Druck herabgesetzte Medium über den Wärmeaustauscher 18 über die Gaskältemaschine zurückfliesst. Da der Druck des Mediums nun niedriger sein wird als der minimal in der Gaskältemaschine auftretende Druck, muss dieses Medium zunächst auf etwa diesen minimalen Druck verdichtet werde::.. Dazu ist die nachstehende Vorkehrung getroffen worden. Im Verdränger ist ein Zylinder 21 angeordnet. In diesem Zylinder ist ein kolbenförmiger Körper 22 angeord-

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net, der hohl ist und mit seiner oberen Seite an der Wand des Expansionsraumes 15 befestigt ist. An seiner Unterseite ist dieser Körper abgeschlossen und mit einem Saugventil 23 versehen. An der Stelle 29 steht das Innere des kolbenförmigen Körpers mit der von dem Drosselhahn herrührenden Leitung 25 in offener Verbindung. Der Zylinder 21 ist an seiner Unterseite durch eine Platte 26 abgeschlossen, in der ein Druckventil 27 angeordnet ist. Über dieses Ventil 27 kann der Raum 28 im Zylinder 21 mit einem Pufferraum 29 verbunden werden. Der Pufferraum 29 steht über eine Leitung 30 und ein Rückschlagventil 31 mit dem Zwischenexpansionsraum 11 in Verbindung.

Die Wirkungsweise der Gaskältemaschine an sich wird als bekannt vorausgesetzt. Weiter ist die Wirkungsweise wie folgt. Wenn der Druck in der Kältemaschine einen bestimmten Wert erreicht hat, öffnet sich das Auslassventil 16 und es fliesst Arbeitsmedium in die Leitung 17· Dieses Medium passiert den Wärmeaustauscher 18 und expandiert dann im Drosselhahn 19 bis zu einem Druck, der niedriger ist als der minimale in der Gaskältemaschine auftretende Druck. Das expandierte sehr kalte Medium wird dann an der zu kühlenden Stelle 20 entlang geführt, wo es sich wieder verflüchtigt. Wenn nun ' der Druck im Raum 28 im Zylinder 21 niedriger ist als der Druck in der Leitung 25, in der sich das expandierte Medium befindet, öffnet sich das Ventil 23 und dieses expandierte Medium wird angesaugt. Fängt der Druck wieder zu steigen an, so schliesst sich das Ventil 23. Entspricht der Druck im

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Raum 28 dem minimalen in der Gaskältemaschine auftretenden Druck, so öffnet sich das Druckventil 27 und es fliesst Medium in den Pufferraum 29. Im Pufferraum ist also Medium unter einem Druck vorhanden, der den minimalen Druck in der Kältemaschine entspricht. Sinkt der Druck in der Kältemaschine, infolge der Tatsache, dass Medium abgelassen wird, bis etwas unter diesen Druck, so öffnet sich das Rückschlagventil 21 und es fliesst Medium aus dem Pufferraum in den Zwischen- %

expansionsraum 31· Die Kompression im Raum 28 erfolgt adiabatisch, so dass das Arbeitsmedium aufwärmen wird, bis etwa die Temperatur des Zwischenexpansionsraumes 11, wonach das komprimierte Medium diesem Raum zugeführt wird.

Auf diese Weise ist eine Vorrichtung erhalten, mit der bei sehr niedrigen Temperaturen Kälte erzeugt werden kann ohne dass ein zusätzlicher bei Zimmertemperatur arbeitender Kompressor und viele zusätzliche Wärmeaustauscher erforderlich sind. j

Da die Kompression bei der erfindungsgemässen Vorrichtung völlig innerhalb der Gaskältemaschine erfolgt, bieten sich bei dieser Vorrichtung auch keine zusätzlichen Dichtungsprobleme dar.

Obschon im Ausführungsbeispiel die Expansion in einem Drosselhahn erfolgt, dürfte es einleuchten, dass diese gegebenenfalls auch in einer anderen Expansionsvorrichtung, wie einem Drosselinjektor, einer Kolbenexpansionsmaschine oder in einer Expansionsturbine stattfinden kann.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, die

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in grossen Zügen der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht. Die Gaskältemaschine ist dabei als eine Maschine mit drei Expansionsräumen, nämlich dem Endexpansionsraum 15 und den zwei Zwischenexpansionsräumen 11 und 51 ausgebildet. Diejenigen Teile, die denen aus Fig. 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen angedeutet. Der Verdränger ist nun aus drei Teilen 3» 52 und k mit unterschiedlichen Durchmessern aufgebaut, wobei die Ringflächen 12 und 53 das Volumen der Zwischenexpansionsräume 11 und 51 ändern. Zwischen diesen Expansionsräumen liegen der Regenerator ^k und der Gefrierer 55· Der weitere kolbenförmige Körper ist nun aus zwei Teilen 22 und 56 mit unterschiedlichem Durchmesser aufgebaut. Die Ringfläche 57 ändert das Volumen eines ersten Kompressionsraumes 581 der über ein Einlassventil 23 mit dem Innern des Kolbenteils 22 verbunden ist. Die Endfläche des Kolbenteils 56 ändert das Volumen des Kompressionsraumes 28, der über das Auslassventil 2~ mit dem Pufferraum 29 verbunden ist, der über die Leitung 30 und das darin aufgenommene Auslassventil 31 in den Zwischenexpansionsraum 11, der dem Kompressionsraum 7 am nächsten liegt, mündet. Die Kompressionsräume 58 und 29 sind durch eine Leitung 59 mit einem darin vorhandenen Pufferraum 60 in Reihe geschaltet. Die Leitung 59 ist an der Stelle 6i mit dem Gefrierer 55 in Wärmeaustausch.

Bei dieser Vorrichtung wird Medium, das im Hahn 19 expandiert ist, zunächst im Kompressionsraum 58 komprimiert, darauf an der Stelle 61 bis zur Temperatur des Zwischenexpansioiisraumes 51 zwischengekühlt und danach in Ex-

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pansionsraum 28 weiter bis nahezu den minimalen im Arbeitsraum der Kältemaschine auftretenden Druck komprimiert. Danach wird dieses Medium im Expansionsraum 11 der Kältemaschine zugeführt.

Es dürfte einleuchten, dass wenn die Kältemaschine noch mehr Zwischenexpansionsräume aufweist, auch der Kompressor vergrössert werden kann.

Auf diese Weise ist eine äusserst zuverlässige und gut funktionierende Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen erhalten worden.

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Claims

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1 . ) Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen, die mindestens eine Gaskältemaschine enthält mit mindestens einem Kompressionsraum mit veränderlichem Volumen und höherer mittlerer Temperatur, sowie mindestens zwei Expansionsräumen mit ebenfalls veränderlichem Volumen und niedrigerer mittlerer Temperatur als die im Kompressionsraum, wobei diese Räume miteinander in Verbindung stehen und wobei sich in jeder der Verbindungen ein Regenerator befindet, wobei das Volumen der genannten Expansionsräume durch einen kolbenförmigen Körper änderbar ist, der aus Teilen mit unterschiedlichem Durchmesser aufgebaut ist und in der Wand des Expansionsraumes mit im Betrieb der niedrigsten mittleren Temperatur ein Auslassventil angeordnet ist, das sich öffnet, wenn der Druck in diesem Raum höher ist als der minimale Druck, vorzugsweise dem maximalen Druck nahezu entspricht, an welches Ventil sich eine Leitung anschliesst, die sich über die Hochdruckseite eines oder mehrerer Wärmeaustauscher an eine Expansionsvorrichtung anschliesst, in der das Arbeitsmedium expandiert und danach mit einer zu kühlenden Stelle in Wärmekontakt ist, von welcher Stelle das Arbeitsmedium durch eine Leitung, die sich über die Tiefdruckseite der genannten Wärmeaustauscher und eine Kompressionsvorrichtung an ein Ventil anschliesst, durch das das Arbeitsmedium wieder einem der Räume der Gaskältemaschine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsvorrichtung durch einen in den kolbenförmigen Körper, der die Volumen der Expansions-

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räume ändern kann, aufgenommenen Zylinder gebildet ist, in welchem Zylinder ein fester mit der Wand eines der Expansionsräume verbundener hohler, weiterer kolbenförmiger Körper bewegen kann, dies und jenes derart, dass die Mittellinie des Zylinder-Kolbengefüges mit der Mittellinie des betreffenden kolbenförmigen Körpers fluchtet oder sich parallel zu derselben erstreckt, wobei der weitere kolbenförmige Körper an seiner mit der Wand verbundenen Seite mit der Lei- M tung in Verbindung steht, durch' die Tiefdruckarbeitsmedium von der Expansionsvorrichtung zur· Gaskältemaschine fliesst und an seiner anderen Seite mit einem Saugventil versehen ist, durch das Arbeitsmedium in den Zylinder fliessen kann, wobei der Zylinder an seiner dem Innern des kolbenförmigen Körpers zugewandten Seite durch eine Platte abgeschlossen ist, in der ein Druckventil angeordnet ist, das sich öffnet, wenn der Druck im Zylinder höher ist al ^ dor minimal im genannten Expansions- und Kompressionsraum auftretende Druck, welches Ventil in einen Pufferraum mündet, der über ein Rückschlagventil mit einem Zwischenexpansionsraum mit einer höheren mittleren Temperatur als die des l'ndexpansionsraumes in Verbindung steht, welches Rückschlagventil sich in Richtung jenes Zwischenexpansionsraumes öffnet.
2. Vorrichi ...ig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskältemaschine mehr als zwei Expansionsräume enthält und der weitere kolbenförmige Körper aus einer Anzahl Teile aufgebaut ist, die, von d:r Befestigung jenes Körpers an der U. .d der Gas, .sternat-.-hine gesehen, einen

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abnehmenden Durchmesser aufweisen und wobei jede der Ringflächen, die durch den Übergang zweier benachbarter Teile gebildet werden, das Volumen eines Kompressionsraumes beeinflusst, wobei die unterschiedlichen Kompressionsräume durch Leitungen mit gegebenenfalls darin aufgenommenen Pufferräumen in Reihe geschaltet sind und wobei sich der Einlass des ersten Kompressionsraumes an die Tiefdruckseite des genannten Wärmeaustauschers anschliesst und der Auslass des letzten Kompressionsraumes über ein Auslassventil und gegebenenfalls einen Pufferraum an ein Einlassventil anschliesst, das in den Zwischenexpansionsraum mündet, der dem Kompressionsraum am nächsten liegt, wobei jede der Leitungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kompressionsräumen mit dem Medium in einem zugehörenden Zwischenexpansionsraum in Wärmeaustausch ist.

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