DE202021100084U1

DE202021100084U1 - Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas und als Wärmespeichermaterial sowie einen Kryo-Kühler mit einem solchen Regenerator

Info

Publication number: DE202021100084U1
Application number: DE202021100084.8U
Authority: DE
Original assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Current assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2031-01-12
Also published as: EP4275002A1; JP2024502145A; US20230349596A1; CN116761966A; WO2022148666A1

Abstract

Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas und Wärmespeichermittel, mit
wenigstens einer Zelle (2) mit Zellwänden (4), die einen Hohlraum (6) umschließen, der mehrere Teilhohlräume (6-1) aufweist,
wobei die Teilhohlräume (6-i) über wenigstens einen Verbindungskanal (12) miteinander verbunden sind und mit Ausnahme des wenigstens einen Verbindungskanals (12) zu anderen Teilhohlräumen (6-i) von den Zellwänden (4) umschlossen sind,
wobei der Hohlraum (6) der wenigstens einen Zelle (2) mit Heliumgas als Wärmespeichermaterial gefüllt ist,
Strömungskanälen (10) für das Arbeitsgas Helium, die zwischen den einzelnen Teilhohlräumen (6-i) ausgebildet, und
einer Druckausgleichsöffnung in Form einer Kapillare (8), die die Zellwände (4) durchsetzt und eine dauernd offene Verbindung zwischen den dem Arbeitsgas Helium außerhalb des Hohlraums (6) und dem Wärmespeichermaterial Helium innerhalb des Hohlraums (6) bildet,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Teilhohlräume in (6-i) in ihrem Inneren Stützelemente (14) aufweisen, welche die einen Teilhohlraum (6-i) begrenzenden Zellwände (4) gegeneinander abstützen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas gemäß Anspruch 1 sowie einen mit einem solchen Regenerator versehenen Kryo-Kühler nach Anspruch 14.
Helium wird häufig als Arbeitsgas bei Kryo-Kühler eingesetzt. Helium besitzt in dem Temperaturbereich von 2K bis 20K eine vergleichsweise hohe Wärmekapazität, die der Wärmekapazität von seltenen Erdverbindungen in diesem Temperaturbereich gleich kommt. Daher ist vorgeschlagen worden, Helium als Regenerator-Material einzusetzen. Aus der US 2012/0304668 A1 , der DE 10319510 A1 , der DE 102005007627 A1 , CN 104197591 A , DE 19924184 A1 und der US 4359872 A sind mit Helium gefüllte geschlossene Hohlkörper aus Glas oder Metall als Regeneratorstrukturen bekannt. Diese Grundidee hat bis jetzt zu keinem fertigen Produkt geführt. Darüber hinaus führen mit Helium gefüllte Kügelchen wieder zu Abrieb, was die Einsatzdauer des Kryo-Kühlers verringert. Das Grundproblem dieser bekannten geschlossenen Hohlkörper mit Helium besteht in der aufwendigen Befüllung der Hohlkörper mit Helium unter Überdruck. Aufgrund des Überdrucks muss die Wandstärke der Hohlkörper erhöht werden, was zu einer Verschlechterung der Wärmeübergangswiderstände führt.
In dem Artikel „Heat Capacity Characterization of a 4K Regenerator with Non-Rare Earth Material“ in Cryocoolers 19, International Cryocooler Conference, Inc., Boulder, CO, 2016 wird eine Struktur mit Adsorbermaterial, das Helium absorbieren kann, als Regenerator für Kryo-Kühler vorgeschlagen. Der Aufbau des Regenerators ist kompliziert und aufwendig und es besteht die Gefahr, dass Teile des Adsorbermaterials durch den Arbeitsgasstrom mitgerissen werden. Durch die mitgerissenen Adsorberpartikel würde die Lebensdauer eines Kryo-Kühlers mit einem solchen Regenerator drastisch reduziert.
Aus der JP H07318181 ist ein Regenerator bekannt, bei dem die heliumgefüllten Hohlkörper durch thermische Schrumpfung verschlossen werden. Aus der CN 104 197 591 A ist ein Regenerator bekannt, der quaderförmige Zellen aufweist, die mit Helium als Wärmespeichermaterial gefüllt sind. Die Zellen werden nach dem Befüllen verschlossen und weisen folglich keine Druckausgleichsöffnungen auf. Aus der JP S62-233688A ist ein Regenerator bekannt, der zum Speichern von Wärme Metall als Wärmespeichermaterial aufweist; Helium wird nicht als Wärmespeichermaterial eingesetzt.
Aus der JP2011190953A ist ein Regenerator mit zweiseitig offenen Röhrchen, die Helium als Wärmespeichermaterial enthalten, bekannt. Die heliumgefüllten Röhrchen weisen damit Druckausgleichsöffnungen auf, so dass während des Betriebs des Kühlers bzw. Regenerators zwischen dem Inneren der Röhrchen und dem Arbeitsgas Helium ein Druckausgleich stattfinden kann. Nachteilig bei diesem Regenerator ist, dass benachbarte mit Helium als Wärmeträgermaterial gefüllte Zellen aufeinanderliegen und die aufeinanderliegenden Abschnitte der Zellwände nicht zum Wärmeaustausch beitragen können. Dadurch ist die Funktionalität dieses bekannten Regenerators eingeschränkt.
Aus der WO 2018/104410 A1 ist ein Regenerator bekannt, der für Helium als Arbeitsgas und Wärmespeichermaterial ausgelegt ist. Der bekannte Regenerator umfasst einen Hohlraum mit mehreren Teilhohlräumen, die rohrförmig ausgebildet und miteinander verbunden sind. Zwischen den Teilhohlräumen sind Strömungskanälen für das Arbeitsgas Helium ausgebildet. Eine Druckausgleichsöffnung in Form einer Kapillare, die die Zellwände durchsetzt, schafft eine dauernd offene Verbindung zwischen den dem Arbeitsgas Helium außerhalb des Hohlraums und dem Wärmespeichermaterial Helium innerhalb des Hohlraums. Je dünner die Zellwände, desto besser der Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsgas Helium und dem Wärmspeichermaterial Helium durch die Zellwände hindurch. Allerdings ist eine gewisse Dicke der Zellwände erforderlich, so dass diese bei den Druckschwankungen während des Betriebs des Regenerators nicht brechen oder reißen.
Es ist daher ausgehend von der WO 2018/104410 A1 Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Regenerator mit Helium als Arbeitsgas und Wärmespeichermaterial anzugeben, der im Vergleich zu der WO 2018/104410 A1 einen effektiveren Wärmeübergang durch die Zellwände ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch 1.
Durch die Kapillare in den Zellwänden füllt sich bei Inbetriebnahme des Regenerators das Innere der Teilhohlräume mit Helium als Wärmespeichermittel. Da während des Betriebs sowohl innerhalb des Hohlraums bzw. der Teilhohlräume vergleichbare Druckverhältnisse vorliegen, können die Zellwände vergleichsweise dünn ausgeführt werden. Allerdings ist eine gewisse Dicke der Zellwände erforderlich, so dass diese bei den Druckschwankungen während des Betriebs des Regenerators nicht brechen oder reißen. Dadurch, dass die Teilhohlräume in ihrem Inneren Stützelemente aufweisen, können die Zellwände noch dünner ausgeführt werden, da sich die dünnen Zellwände an den Stützelementen abstützen. Durch die dünneren Zellwände verbessert sich der Wärmeübergang durch die Zellwände. Das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Öffnungsfläche bzw. Ausströmwiderstand der Kapillare ist so gewählt, dass sich der Druck im Hohlraum bzw. in den Teilhohlräumen im Arbeitsfrequenzbereich des Kühlerbetriebs (ca. 1 bis 60 Hz) kaum oder zumindest nur wenig ändert. Diese Funktionsweise ist vergleichbar mit einem Kondensator bei hohen Frequenzen - dieser bekommt von der Änderung der Spannung quasi nichts mit, wenn die Kapazität hoch genug ist und die Spannungsänderung gering. Im typischen Anwendungsfall würde der Druck in der Zelle immer um den Mitteldruck des Kühlsystems, typischer Weise ca. 16 bar, schwanken. Der stabile Druck ist deshalb wichtig, da ansonsten das Volumen des oder der Hohlräume einen großen Beitrag zum „Totvolumen“ wäre, wenn dessen Druck bei jeder Periode zwischen z. B. 8 und 24 bar schwanken würde, ohne dass es zur Kühlung beiträgt. Die Öffnungsfläche bzw. der Ausströmwiderstand der Druckausgleichsöffnung ist so gewählt, dass vor Inbetriebnahme des Regenerators und während der Anlaufphase aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse Helium in den oder die Hohlräume eindringt. Durch den hohen Ausströmwiderstand der Druckausgleichsöffnung ergibt sich der vorstehend erläuterte „Kondensator-Effekt“ während der Druckschwankungen im Bereich des Regenerators mit der Arbeitsfrequenz eines Kühlers. In der Anlaufphase sinkt die Temperatur des Arbeitsgases Helium und auch des Heliums in den Regeneratorhohlräumen. Folglich verringert sich das Volumen des Heliums und über die Druckausgleichsöffnung strömt weiter Helium in die Regeneratorhohlräume nach. D. h. während der Anlaufphase muss Helium nachgefüllt werden, bis sich die Arbeitstemperaturen und -drücke eingestellt haben.
Die Zelle wird von Strömungskanälen durchsetzt, die von den Zellwänden begrenzt sind. Hierdurch ergibt sich eine vergrößerte Wärmeaustauschfläche und somit ein verbesserter Wärmeübergang zwischen dem Helium in den Hohlräumen und dem Arbeitsgas außen. Die Strömungskanäle sind vorzugsweise als Schlitze ausgebildet. Die schlitzförmigen Strömungskanäle für Arbeitsgas verlaufen vorzugsweise geradlinig und parallel zueinander, um zum einen den Strömungswiderstand zu minimieren und zum anderen, um die rohrförmigen Hohlräume dazwischen gleichförmig zu gestalten. Durch die Geradlinigkeit und die Parallelität ergibt sich auf einfache Weise zwischen zwei Strömungskanälen ein gleicher Abstand.
Die Druckausgleichsöffnung kann auch durch Undichtigkeiten bereitgestellt sein, die bei der Herstellung der Zellen auftreten.
Um den Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas Helium und dem in dem Hohlkörper befindlichen, Wärme speichernden Helium zu verbessern, sind die Oberflächen der Strömungskanäle mit Verwirbelungsstrukturen versehen.
Bei 3D-Druck-Verfahren können quaderförmige Hohlräume oder gerundete Hohlräume als Ganzes oder in zwei Schritten aus zwei Komponenten hergestellt werden. Öffnungen in den Teilhohlräumen die zum Ausblasen von Material nach dem 3D-Druck notwendig sind, können anschließend verschlossen werden. Da diese Öffnungen geringe Querschnittsflächen aufweisen bieten sich hierzu Schweißverfahren an.
Vorzugsweise sind die Stützelemente mit sacklochförmigen Schlitzen versehen, die für das Arbeitsgas Helium zugänglich sind. Dadurch können nach Art einer Ziehharmonika während des 3D-Drucks auftretende thermische Spannungen aufgefangen werden, so dass es nicht zu Rissen im Material kommt.
Die Regeneratoren gemäß der vorliegenden Erfindung sind besonders für insbesondere für Stirling-, Gifford-McMahon- oder Pulsrohr-Kühler geeignet.
Der gesamte Regenerator weist in Strömungsrichtung des Arbeitsgases vorzugsweise eine Dicke von 5mm bis 100mm auf.
Die Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigt:

1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des Regenerators, und
2 eine perspektivische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform.

Die 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen der Erfindung in Form eines säulenförmigen Regenerators 2 mit rundem Querschnitt, wobei jeweils nur eine Hälfte des Regenerators 2 dargestellt ist. Der Regenerator 2 umfasst eine Zelle 2 mit Zellwände 4, die einen Hohlraum 6 mit Teilhohlräumen 6-i umschließen. Die Zellwände 4 werden von einer Druckausgleichsöffnung in Form einer Kapillare 8 durchsetzt. Die Zelle 2 weist einen kreisringförmigen Querschnitt auf und ist in einem rohrförmigen Strömungskanal für das Arbeitsgas Helium angeordnet. Das Innere des Hohlraums 6 ist während des Betriebs mit Helium als Wärmespeichermaterial gefüllt. Die Teilholräume 6-i bilden plane Strukturen parallel zu der Längsachse der Zelle 2. Zwischen den planen Teilhohlräumen 6-i sind parallele schlitzförmige Stömungskanäle 10 für Helium als Arbeitsgas ausgebildet. Die Teilhohlräume 6-i sind im Randbereich des säulenförmigen Regenerators 2 durch einen Verbindungskanal 12 miteinander verbunden und bilden zusammen mit den Teilhohlräumen 6-i den Hohlraum 6. Die einzelnen planen und parallel zueinander angeordneten Teilhohlräume 6-i erstrecken sich über die gesamte Höhe oder Länge der säulenförmigen Zelle 2 und werden durch zwei im Abstand zueinander angeordnete plane Zellwände 4-1 gebildet, im Randbereich durch streifenförmige Zellwände 4-2 abgedichtet sind. Zwischen den einzelnen Teilhohlräumen 6-1 sind die schlitzförmigen Strömungskanäle 10 angeordnet, die die Zelle 2 vollständig durchsetzen.
Im Inneren der Teilhohlräume 6-1 sind Stützelemente 14 vorgesehen, die die planen Zellwände 4-1 gegeneinander abstützen. Bei der ersten Ausführungsform nach 1 sind die Stützelemente 14 al kleine Quader ausgebildet, die über das Innere der Teilhohlräume 6-i verteilt sind. Die Stützelemente 14 können auch säulenförmig oder gerundet und kugelförmig ausgebildet sein.
Bei der zweiten Ausführungsform nach 2 sind die Stutzelemente streifenförmig und erstrecken sich von den streifenförmigen Zellwänden 4-2 weg, so dass sich ein mäanderförmiger Kanal ergibt. Die streifenförmigen Stützelemente 14 sind mit nicht dargestellten sacklochförmigen Schlitzen versehen, die für das Arbeitsgas Helium zugänglich sind. Dadurch können nach Art einer Ziehharmonika während des 3D-Drucks auftretende thermische Spannungen aufgefangen werden, so dass es nicht zu Rissen im Material kommt.
Bezugszeichenliste

1: Regenerator
2: Zelle
4: Zellwand
4-1: plane Zellwände
4-2: streifenförmige Zellwände
6: Hohlraum
6-i: Teilhohlraum
8: Kapillare
10: Strömungskanal für Arbeitsgas
12: umlaufender Verbindungskanal
14: Stützelemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2012/0304668 A1 [0002]
DE 10319510 A1 [0002]
DE 102005007627 A1 [0002]
CN 104197591 A [0002, 0004]
DE 19924184 A1 [0002]
US 4359872 A [0002]
JP H07318181 [0004]
JP S62233688 A [0004]
JP 2011190953 A [0005]
WO 2018/104410 A1 [0006, 0007]

Claims

Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas und Wärmespeichermittel, mit wenigstens einer Zelle (2) mit Zellwänden (4), die einen Hohlraum (6) umschließen, der mehrere Teilhohlräume (6-1) aufweist, wobei die Teilhohlräume (6-i) über wenigstens einen Verbindungskanal (12) miteinander verbunden sind und mit Ausnahme des wenigstens einen Verbindungskanals (12) zu anderen Teilhohlräumen (6-i) von den Zellwänden (4) umschlossen sind, wobei der Hohlraum (6) der wenigstens einen Zelle (2) mit Heliumgas als Wärmespeichermaterial gefüllt ist, Strömungskanälen (10) für das Arbeitsgas Helium, die zwischen den einzelnen Teilhohlräumen (6-i) ausgebildet, und einer Druckausgleichsöffnung in Form einer Kapillare (8), die die Zellwände (4) durchsetzt und eine dauernd offene Verbindung zwischen den dem Arbeitsgas Helium außerhalb des Hohlraums (6) und dem Wärmespeichermaterial Helium innerhalb des Hohlraums (6) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhohlräume in (6-i) in ihrem Inneren Stützelemente (14) aufweisen, welche die einen Teilhohlraum (6-i) begrenzenden Zellwände (4) gegeneinander abstützen.
Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhohlräume durch die Anordnung und Form der Stützelemente und durch die Form der Zellwände rohrförmig ausgebildet sind.
Regenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhohlräume (6-i) durch die Anordnung und Form der Stützelemente (14) und die Form der Zellwände mäanderförmig ausgebildet sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (14) streifenförmig ausgebildet sind und sich von den Zellwänden weg in die Teilhohlräume (6-i) erstrecken.
Regenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Stützelemente (14) mit einem sacklochförmigen Schlitz versehen sind, der für das Arbeitsgas Helium zugänglich ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Teilhohlräume (6-i) umschließenden Zellwände (4-1,4-2) zumindest zu 50% plan ausgebildet sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhohlräume (6-i) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhohlräume (6-i) einen gerundeten Querschnitt aufweisen.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (10) zwischen den Teilhohlräumen (6-i) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Regenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (10) zwischen den Teilhohlräumen (6-i) parallel zueinander angeordnet sind.
Regenerator nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zelle (2) als Scheibe mit einem runden Querschnitt ausgebildet ist, und dass der die Teilhohlräume (6-i) verbindende Verbindungskanal (12) im Randbereich der scheibenförmigen Zelle (2) angeordnet ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kapillare (8) aufgrund von Undichtigkeiten während der Herstellung des Regenerators (1) ergibt.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Zellwände (4-1) in den Strömungskanälen (10) für das Arbeitsgas Helium Verwirbelungsstrukturen aufweisen.
Kryo-Kühler in Form eines Stirling-, Gifford-McMahon- oder Pulsrohr-Kühlers mit wenigstens einem Regenerator, gekennzeichnet durch einen Regenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13.