DE2048513C3 - Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen sowie Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen sowie Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen mit einem Zuführungsleitungssystem, das einen oder mehrere Gegenstromwärmeaustauscher und eine oder mehrere Vorkühlvorrichtungen enthält, in denen ein diesem Leitungssystem zugeführtes Kältemittel bis unter seine zu diesem Druck gehörende Inversionstemperatur abkühlt, und das sich an eine Drosselvorrichtung anschließt in der das Medium expandiert sowie einem sich an die Drosselvorrichtung anschließenden Abführungsleitungssystem, durch das Tiefdruckmedium über die genannten Gegenstromwärmeaustauscher wegfließen kann.
Vorrichtungen der obengenannten Art sind unter dem Namen joule-Kelvin-Systeme bekannt Die Zufuhr und Abfuhr von Hoch- bzw. Tiefdruckmedium erfolgt dabei durch eine sich an das Zuführungs- bzw. Abführungsleitungssystem anschließende Kompressionsvorrichtung. Ein Nachteil dabei ist daß eine derartige Kompresiibnsvorrichtung durch ihre beweglichen Teile Lärm und Schwingungen erzeugt, während auch ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu wünschen übrig läßt Hohen Anforderungen in bezug auf längere Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer können diese bekannten Systeme daher nicht entsprechen. Weiter sind an vielen Stellen, wo Kälte geliefert werden muß, beispielsweise in gekühlten Infrarot-Detektionssystemen, der erzeugte Lärm und die Schwingungen unzulässig.
Bekannte Kühlvorrichtungen, weiche die obengenannten Nachteile nicht aufweisen, sind die sogenannten Absorptionskältemaschinen. E-*i diesen Kältemaschinen wird ein Kältemittel höheren Drucks über eine Zuführungsleitung, die einen Kondensator enthält, in dem das Kältemittel kondensiert, einem Druckreduktionshahn zugeführt, der sich an eine Abführungsleitung anschließt, mit einem Verdampfer, in dem das Kältemittel bei niedrigerem Druck verdampft. Die Zuführungsleitung und Abführungsleitung schließen sich dabei an je einen Behälter an, in dem sich ein Stoff (Flüssigkeit oder Feststoff) befindet, der für das Kältemittel ein Absorptionsvermögen hat, wobei der Behälter, an den sich die Abführungsleitung anschließt, gekühlt und der Behälter, an den sich die Zuführungsleitung anschließt, erwärmt wird. Durch diesen Temperaturunterschied entsteht ein Druckunterschied zwischen den beiden Behältern, wobei im kalten Behälter das Kältemittel absorbiert wird und im warmen Behälter Austreibung des Kältemittels stattfindet. Ein Nachteil dieser bekannten Absorptionskältemaschine ist, daß bei den bekannten Kombinationen von Kältemittel und Absorptionsstoff der erreichbare Temperaturunterschied nur gering ist, so daß praktisch nicht viel niedrigere Temperaturen als - 70° C erreichbar sind.
Eine derartige Absorptionskühlmaschine ist beschrieben in der CH-PS 1 42 254, wobei als Kältemittel Amminiak oder Amine und als feste Absorptionsmittel u. a. Ca, Ni, Zn und Co Verwendung finden.
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der Temperaturen in der Größenordnung
von 25° K erreichbar sind und die außerdem durch das Fehlen beweglicher Teile geräuschlos, schwingungsfrei und lange Zeit sehr zuverlässig arbeiten kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dazu das Kennzeichen auf, daß das Hochdruckkältemittel Wasserstoff ist und die Vorrichtung mindestens einen Behälter mit einer Legierung von A und B enthält, wobei das Verhältnis A : B zwischen 1 :3 und 2:17 in Pulverform lierjl, wobei A bedeutet: Ca oder ein oder mehrere der Elemente der seltenen Erden, und wobei B bedeutet: Ni und/oder Co oder im wesentlichen Ni und/oder Co, wobei jeder der Behälter an das Zu- bzw. Abführungssystem anschließbar ist und wobei jeder der Behälter in bekannter Weise mit einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung versehen ist, die wechselweise umschaltbar sind.
Der Teil A der Legierung kann neben den genannten Elementen auch Th und/oder Zr umfassen. Auch Hf kann im Teil A der Legierung enthalten sein.
Es sei bemerkt, daß in diesem Zusammenhang das Element Y zu den Elementen der seltenen Erden gerechnet wird. Der Wirkungsweise der vorlegenden Erfindung liegt im wesentlichen die überraschende Eigenschaft der Legierung AB zugrunde, in kurzer Zeit sehr viel Wasserstoffgas absorbieren zu können, während sie dieses Wasserstoffgas auch wieder schnell abgeben kann. Für jede der zu der genannten Gruppe AB gehörenden Legierungen können in einem Diagramm, in dem in vertikaler Richtung der Wasserstoffgasdruck PHi und in horizontaler Richtung die aufgenommene Menge Wasserstoff Ch aufgetragen ist, Isothermen gezeichnet werden. Jede Isotherme ist bei einem bestimmten Druck einen horizontalen Verlauf — das sogenannte »Plateau« — auf. Beim Plateaudruck ist es möglich, durch eine geringfügige Druckänderung in einem reversibelen Prozeß verhältnismäßig viel Wasserstoffgas aufnehmen bzw. abgeben zu lassen.
In der graphischen Darstellung nach Fig. 1 ist der Verlauf der genannten Isothermen für LaNis angegeben.
Von groDem Vorteil bei der Verwendung dieser Materialien in der Vorrichtung nach der Erfindung ist ihr Vermögen, große Mengen Wasserstoffgap aufzunehmen. So wird von LaNis-Pulver mit einer Packungsdichte von 65% bei einem Wasserstoffgasdruck von 5 atü 0,80 g Wasserstoffgas pro cm3 aufgenommen. Die Dichte des Wasserstoffgases in diesen Materialien kann in der Größenordnung von der von flüssigem Wasserstoff und mehr liegen.
Ein zweiter Vorteil ist, daß das Wasserstoffgas sehr schnell aus dem Material wiedergewonnen werden kann.
In der graphischen Darstellung nach Fig.2 ist angegeben, wie bei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen und bei einem Außendruck von 1 at für LaNis die Menge ausgeströmten Wasserstoffgases von der Zeit abhängig ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können nun zwei Behälter mit der Legierung AB vorhanden sein, von denen der eine bis etwa 20° C gekühlt und der andere bis etwa 800C erwärmt wird. Dadurch, daß nun der erwärmte Behälter mit dem Zuführungsleitungssystem und der gekühlte Behälter mit dem Abführungsleitungssystem verbunden wird, wird im erwärmten Behälter Desorption des Wasserstoffgases bei höherem Druck (zu 800C gehörend) auftreten. Dieses Hochdruckwasserstoffgas strömt durch die Gegenstromwärmeaustauscher und an ö\:t Vorkühlvorrichtung entlang und expandiert in der Drosselvorrichtung unter weiterer Abkühlung. Das gedrosselte Gas strömt danach an einer zu kühlenden Stelle entlang und von dort durch die Gegenstromwärmeaustauscher zum gekühlten Behälter, wo es absorbiert wird. Auf diese Weise ist eine Kühlvorrichtung ohne bewegliche Teile erhalten, die Kälte bei 25° K liefern kann, sehr zuverlässig ist und keinen Lärm oder Schwingungen erzeugt Wenn nur zwei Behälter vorhanden sind, kann die
ίο erfindungsgemäße Vorrichtung nicht kontinuierlich arbeiten, da beim Umschalten der Behälter der warme Behälter bis zur Temperatur des gekühlten Behälters gekühlt werden muß, während der gekühlte Behälter auf die Temperatur des warmen Behälters gebracht werden muß.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind daher in an sich bekannter Weise mindestens drei Behälter vorhanden. Von diesen Behältern sind dann immer zwei im Betrieb, während der dritte in der Zwischenzeit a·/. die gewünschte Temperatur gebracht wird.
Es ist gegebenenfalls auch möglich, mit nur einem Behälter zu arbeiten, wobei dann das Abführungsleitungssystem ein großes Puffervolumen hat Periodisch strömt dabei das desorbierende Wasserstoffgas des Behälters durch das Zuführungsleitungssystem und über den Drosselhahn zum Puffervolumen, während nach Abkühlung des Behälters das Wasserstoffgas vom Puffervolumen wieder unmittelbar zum Behälter zu rückfließt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthalten die Behälter eine der Legierungen LaNis; Lao.eYo.2Ni5; LaoaZro.iNis; La,Cei -,N15, wobei 0,4 < χ < 1 ist; LaNi, wobei La eine Legierung ist mit 85 Gew.-°/o La, 10 Gew.-°/o Nd, 4 Gew.-% Pr und 1 Gew.-% Ce. Insbesondere diese Legierungen haben gezeigt, daß sie äußerst gute adsorbierende und desorbierende Eigenschaften für Wasserstoffgas aufweisen.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mindestens einen Behälter mit einer Legierung von A und B enthält, wobei des Verhältnis A : B zwischen 1 :3 und 2 : !7 in Pulverform
•»5 liegt, wobei A bedeutet: Ca oder ein oder mehrere der Elemente der seltenen Erden (gegebenenfalls kombiniert mit Th und/oder Zr und/oder Hf), und wobei B bedeutet: Ni und/oder Co oder im wesentlichen Ni und oder Co, wobei jeder der Behälter an eine Abfuhr für Hochdruckwasserstoffgas und an eine Zufuhr für Tiefdruckwasserstolfgas anschließbar ist wobei ferner jeder der Behälter in bekannter Weise mit einer Heiz-■jnd einer Kühlvorrichtung versehen ist, die wechselweise umschaltbar sind, und wobei im Behälter mit der höheren Temperatur Desorption von Waoserstoffgas bei höherem Druck stattfindet und im Behälter mit niedrigerer Temperatur Adsorption bei niedrigerem Druck. Auf diese Weise ist eine äußerst zuverlässige und geräuschlos arbeilende Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas erhalten.
An Hand der F i g. 3,4 und 5 wird die Erfindung noch näher erläutert.
In F i g. 3 sind mit den Bezugszeichen 31 und 32 zwei Behälter angedeutet, die mit einem sehr feinen Pulver LaNi5 gefüllt sind. An jeden dieser Behälter schließt sich eine Leitung 33 bzw. 34 an, die über einen Vierwegbahn 35 an eine Zuführungsleitung 36 bzw. eine Abführungsleitung 37 eines Joule-Kelvin-Kühlsystems anschließbar
sind. Die Zuführungsleitung 36 enthält einen Kühler 38, einen ersten Gegenstromwärmeaustauscher 39, einen Wärmeaustauscher 40, einen zweiten Gegenstromwärmeaustauscher 41 und einen Drosselhahn 42, der sich an die Abführungsleitung 37 anschließt, die auch die Gegenstromwärmeaustauscher 39 und 41 enthält. In jedem der Behälter 31 und 32 ist eine Kühlvorrichtung 44 bzw. 45 und eine Heizvorrichtung 46 bzw. 47 angeordnet, die wechselweise eingeschaltet werden können.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende. Die Vorrichtung wird auf dazu geeignete Weise mit Wasserstoff gefüllt. Danach wird der eine Behälter 31 mit Hilfe der Kühlvorrichtung 44, in dem der Hahn 48 in die richtige Stellung gebracht wird, dadurch gekühlt, daß man Kühlwasser hindurchströmen läßt, und zwar auf eine Temperatur von etwa 200C, während der
iiiie
beispielsweise einer elektrischen Widerstandsheizung, auf eine Temperatur von etwa 1100C erwärmt wird. Aus der graphischen Darstellung nach Fig. 1 ist ersichtlich, daß im Behälter 31 ein Druck von etwa 2 atü und im Behälter 32 ein Druck von etwa 50 atü herrschen wird.
Der Vierweghahn 35 wird nun derart eingestellt, daß der Behälter 32 mit der Zuführungsleitung 36 und der Behälter 31 mit der Abführungsleitung 37 verbunden ist. Desorbiertes Wasserstoffgas aus dem Behälter 32 wird nun über den Kühler 38, wo es gekühlt wird, den Gegenstromwärmeaustauscher 39, den Wärmeaustauscher 40, wo das Wasserstoffgas durch die Vorkühlvorrichtung 50, beispielsweise ein Gefäß mit flüssigem Stickstoff, weiter gekühlt wird, und über den Gegenstromwärmeaustauscher 41 zum Drosselhahn 42 fließen. Dort strömt das Gas unter gleichzeitiger Abkühlung hindurch. Nach dem Drosselhahn wird der Wasserstoff, der dann eine Temperatur von etwa 23°C aufweisen kann, mit einer zu kühlenden St ille in Kontakt gebracht, und danach fließt der Wasserstoff über die Abführungsleitung 37 und den Vierweghahn 35 zum Behälter 31, wo er adsorbiert wird. Die Desorption im Behälter 32 bzw. die Adsorption im Behälter 31 wird so lanee fortgesetzt, bis der Druck im Behälter 32 den zur Temperatur von HO3C gehörenden Plateaudruck zu unterschreiten bzw. den zur Temperatur von 200C gehörenden Plateaudruck im Behälter 31 zu überschreiten droht. Dann wird umgeschaltet, d. h. das Kühlwasser wird nun durch den Kühler 45 geführt, während die Heizvorrichtung 47 und die Heizvorrichtung 46 aus- bzw. eingeschaltet wird. Der Vierweghahn wird geschlossen. Sobald die Behälter 31 und 32 die Betriebstemperaturen von 110 bzw. 200C erreicht haben, wird der Vierweghahn 35 in eine Stellung gebracht, wobei nun der Behälter 31 mit der Zuführungsleitung und der Behälter 32 mit dei Abführungsleitung verbunden ist.
Es ist gegebenenfalls möglich, diese Diskontinuität ir der Wirkungsweise dadurch auszuschalten, daß Puffer gefäße in den Zuführungs- und AbfUhrungsleitunger angeordnet werden oder dadurch, daß mit drei odei mehr Behältern gearbeitet wird, wobei dann immer zwe mit der Zuführungs- und Abführungsleitung gekuppelt sind, während die nicht verbundenen Behälter auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden.
Anstelle eines Vierweghahnes 35 zur Steuerung de; Wasserstoffgasstromes kann, wie dies in Fig. A dargestellt ist. jeder der Behälter 31 und 32 mit einem Einlaßventil 52 bzw. 54 und einem Auslaßventil 53 bzw 55 versehen sein.
Anstelle der Ausbildung der Vorkühlvorrichtung 50 als Gefäß mit flüssigem Stickstoff kann diese auch durch cific Küliiiiiasuiiirit:, beispielsweise eine Gaskältemaschine gebildet sein. Auch ist es möglich, daß die Vorkühlung dadurch erhalten wird, daß man das Wasserstoffgas in einer Expansionsmaschine, unter Leistung von äußerer Arbeit, expandieren läßt.
Aus dem Obenstehenden folgt, daß die Erfindung eine äußerst zuverlässige ohne bewegliche Teile arbeitende Kühlvorrichtung für sehr niedrige Temperaturen schafft, die geräuschlos und schwingungsfrei arbeitet.
F i g. .'.·. zeigt eine Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas, die aus zwei mit LaNis gefüllten Behältern 61 bzw. 62 besteht. In jedem dieser Behälter ist ein Kühlvorricht'ing 64 bzw. 65 und eine Heizvorrichtung 66 bzw. 67 angeordnet. Jeder der Behälter ist mit einem Einlaßventil 68 bzw.69 und einem Auslaßventil 70 bzw. 71 versehen. Die Auslaßventile 70 und 71 schließen sich an eine Abführungsleitung 72 für Hochdruckwasserstoff an, wärend sich die Einlaßventile 68,69 an eine Zuführungsleitung 73 für Niederdruckwasserstoffgas anschließen. Durch eine wechselweise Einschaltung der Heizvorrichtung 66, 67 und der Kühlvorrichtungen 64, 65 wird einer der Behälter auf eine höhere und der andere auf eine niedrigere Temperatur gebracht, wobei im Behälter mit der höheren Temperatur Desnrntinn von Wasserstoffgas bei höherem Druck stattfindet und im Behälter mit niedrigerer Temperatur Adsorption bei niedrigerem Druck. Das desorbierte Hochdruckwasserstoffgas wird der Leitung 72 zugeführt, während das zu adsorbierende Wasserstoffgas über die Leitung 73 zugeführt wird. Auf diese Weise ist eine äußerst einfache Verdichtungsvorrichtung für Wasserstoffgas erhalten worden, die in der Lage ist, große Mengen an Wasserstoffgas aufzunehmen und diese Mengen sehr schnell als verdichtendes Wasserstoffgas wieder herzugeben.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche;
1. Sorptionsvorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen mit einem Zuführungsleitungssystem, das einen oder mehrere Gegenstromwärmeaustauscher und eine oder mehrere Vorkühlvorrichtungen enthält, in denen ein diesem System zugefübrtes Hochdruckkältemittel bis unter seine zu diesem Druck gehörende Inversionstemperatur abkühlt, und das sich an eine Drosselvorrichtung anschließit, in der das Kältemittel expandiert, sowie einem sich an die Drosselvorrichtung anschließendem Abführungsleitungssystem, durch das das Tiefdruckkältemittel über die genannten is Gegenstromwärmeaustauscher wegfließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckkältemittel Wasserstoff ist und die Vorrichtung mindestens einen Behälter mit einer Legierung von A und Se«.hält, wobei das Verhältnis A : Bzwischen 1 :3 und 2 :17 in Pulverform Hegt, wobei A bedeutet: Ca oder ein oder mehrere der Elemente der seltenen Erden, und wobei B bedeutet: Ni und/oder Co oder im wesentlichen Ni und/oder Co, wobei jeder der Behälter (31,32) an das Za- bzw. Abführungssystem anschließbar ist und wobei jeder der Behälter in bekannter Weise mit einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung (46,47 und 44,45) versehen ist, die wechselweise umschaltbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil A der Legierung neben den genannten Elementen auch Th und/oder Zr umfaßt
3. Vorrichtung nadi Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil A der Legierung auch Hf enthält
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei der genannten Behälter vorhanden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Behälter eine der Legierungen LaNi5; Lao.eYo.2Ni5; LaosZrojNis; La1Cd -,Ni5, wobei 0,4 < χ < 1 ist; LaNi, wobei La eine Legierung mit 85 Gew.-% La, 10 Gew.-% Nd, 4 Gew.-o/o Pr und 1 Gew.-% Ce ist, enthält.
6. Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens einen Behälter mit einer Legierung von A und B enthält, wobei das Verhältnis A : B zwischen 1 :3 und 2:17 in Pulverform liegt, wobei A bedeutet: Ca oder ein oder mehrere der Elemente der seltenen Erden, und wobei B bedeutet: Ni und/oder Co oder im wesentlichen Ni und/oder Co, wobei jeder der Behälter (61,62) an eine Abfuhr (•72) für Hochdruckwasserstoffgas und an eine Zufuhr (73) für Tiefdruckwasserstoffgas anschließbar ist, wobei ferner jeder der Behälter in bekannter Weise mit einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung (66, 67 und 64, 65) versehen ist, die wechselweise umschaltbar sind, und wobei im Behälter mit der höheren Temperatur Desorption von Wasserstoffgas bei höherem Druck stattfindet und im Behälter mit niedrigerer Temperatur Adsorption bei niedrigerem Druck.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Behälter eine der Legierungen LaNi5; Lao.e Yo^Ni5; La0^Zr0.! Ni5; La,Cei-,Ni5, wobei 0,4 < χ < 1 ist; LaNi, wobei La eine Legierung mit 85 Gew.-% U, 10 Gew,-% Nd, 4 Gew.-% Pr und 1 Gew.-% Ce ist, enthält.
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