DE2063555A1 - Cold gas chiller - Google Patents
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Description
PHA. 20526.PHA. 20526.
kmettet: N. V» Philips' Gloeitqmpenfabriekeo kmettet: N. V »Philips' Gloeitqmpenfabriekeo
Akte ΝαΛ PHA-20.526
Anmeldung vom» 21. Des. 1970File Να Λ PHA-20.526
Registration from »21 Des. 1970
KaltgaskHltemsohine.KaltgaskHltemsohine.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltgaskttltemaaohine, die einen Kompressionaraum veränderlichen Volumens und höheres mittlerer Temperatur aowie einen mit dieaem verbundenen Expanaionsraum niedrigerer mittlerer Temperatur enthält, dessen Volumen von einem in einem Zylinder bewegbaren Verdränger geändert werden kann, wobei sich in der Verbindung zwischen den erwähnten Räumen ein Regenerator befindet, den das Arbeitsmedium auf seinem Wege vom !Compressions- zum Expansionaraum und umgekehrt durohfliesst.The invention relates to a Kaltgaskttltemaaohine, the one compression space of variable volume and higher medium temperature as well as an expansion space connected with the aem contains lower mean temperature, its volume can be changed by a displacer movable in a cylinder, whereby the connection between the spaces mentioned a regenerator is located, which the working medium on its way from the compression to the expansion room and vice versa.
KaltgaskSltemasohinen der obenerwähnten Axt sind bekannt. Der Wirkungsgrad von Maschinen dieser Art sowie die tiefeteireiohbara Temperatur hingen zu einem weaentliohen Teil von der Wärmekapazität des Regenerators und von den im Regenerator auftretenden Strömungsverluaten ab. Um eine befriedigende Wärmekapazität des Regenerators zu erhalten, werden in bekannten Regeneratoren Materialien, wie Stahlwolle, Gaze aus Phosphorbxonze oder Blei-Cold gas sutures of the ax mentioned above are known. The efficiency of machines of this type, as well as the tiefeteireiohbara Temperature depended to a large extent on the heat capacity of the regenerator and of the flow losses occurring in the regenerator. To have a satisfactory heat capacity of the regenerator, materials such as steel wool, gauze made of phosphorus oxonze or lead are used in known regenerators
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kugeln verwendet, wobei die Wärmekapazität pro Volumeneinheit von dem Grad der Kompression dieser Materialien im Gehäuse des Regenerators abhängig ist. Bei zunehmendem Kompressionsgrad nimmt jedoch der Strömungswiderstand zu, so dass beim Strömen der Druckunterschied über dem Regenerator zunimmt. Dieser Strömungswiderstand hat zur Folge, dass die höchstzulässige Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums beschränkt ist, so dass auch die Drehzahl des Antriebsmotors beschränktballs used, the heat capacity per unit volume depends on the degree of compression of these materials in the housing of the regenerator. With an increasing degree of compression, however, the flow resistance increases, so that the As the flow increases, the pressure difference across the regenerator increases. This flow resistance has the consequence that the maximum permissible Limited flow speed of the working medium is, so that the speed of the drive motor is limited
k ist. Dies bringt mit sich, dass die Üblichen Motoren verhältnismässig gross sein müssen. Ein weiterer Naohteil der Regeneratoren dieser Art ist der, dass sie infolge der verwendeten Materialien und Herstellungsverfahren kostspielig sind.k is. This means that the usual motors are relatively have to be big. Another Naohteil the regenerators this type is the one that it is a result of the materials used and manufacturing processes are costly.
Bin weiterer Nachteil, namentlich für kleine Maschinen, besteht darin, dass zwischen dem Verdränger und der Zylinderwand eine Abdichtung vorhanden sein muss, um zu sichern, dass die ganze Arbeitamediummenge durch den Regenerator hin und her strömt. Diese Abdichtung veranlasst Material- und Herstellungskosten und bringt auaserdem den Nachteil von ReibungsverlustenI'm another disadvantage, especially for small machines, is that there must be a seal between the displacer and the cylinder wall to ensure that the whole amount of working medium through the regenerator back and forth flows. This seal incurs material and manufacturing costs and also brings the disadvantage of frictional losses
P mit sich.P with itself.
SiQ Erfindung bezweckt, eine KaltgaakBltemasohine zu schaffen, bei der die obenerwähnten Nachteile vermieden werden. Um dies zu erzielen, ist die Kaltgaskältemaschine nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator durch einen ringförmigen Spalt zwischen dem Verdränger und der mit diesem zusammenwirkenden Zylinderwand gebildet wird,.wobei wenigstens eine des beiden einander zugekehrten Oberflächen des Verdrängers und dee Zylinders mit einer Oberflächenschicht hoher Wärmekapazität versehen ist, und wobei der hydraulische Durchmesser desSiQ invention aims to provide a KaltgaakBltemasohine create in which the above-mentioned disadvantages are avoided. To achieve this, the cold gas refrigerator is according to the invention characterized in that the regenerator passes through an annular gap between the displacer and the one with this cooperating cylinder wall is formed, .With at least one of the two facing surfaces of the displacer and the cylinder with a surface layer of high heat capacity is provided, and where the hydraulic diameter of the
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erwähnten ringförmigen Spaltes der Bedingung:mentioned annular gap of the condition:
entspricht, in der )Ί= Viskosität des Mediums-; O= spezifische Dichte des Mediums; M = Molargewicht des Mediums; H = Gaakonstante; T ■ mittlere Temperatur im Spalt; 1 = Länge dea Spaltes; η » Anzahl Zyklen pro Sekunde; D » Durchmesser des Verdrängers,corresponds to, in the ) Ί = viscosity of the medium; O = specific density of the medium; M = molar weight of the medium; H = Gaa constant; T ■ mean temperature in the gap; 1 = length of the gap; η »number of cycles per second; D »diameter of the displacer,
während der hydraulische Durchmesser d. etwa gleich dem Zweifachen der Spaltbreite ist.while the hydraulic diameter d. roughly equal to twice the gap width is.
Die Kaltgas kältemaschine nach der Erfindung hat den Vorteil einer einfachen und billigen Regeneratorbauart, wobei durch das Fehlen einer Abdichtung zwischen dem Verdränger und dem Zylinder auch der Reibungeverlust erheblich verringert ist.The cold gas refrigeration machine according to the invention has the advantage of a simple and cheap regenerator design, with through the lack of a seal between the displacer and the cylinder also greatly reduces the friction loss.
Der Verdränger kann dabei durch einen Körper aus Kunststoff, wie Teflon, gebildet sein, der am Aussenumfang mit einer Schicht aus Metall, z.B. rostfreiem Stahl, versehen 1st.The displacer can be formed by a body made of plastic, such as Teflon, which is attached to the outer circumference with a Layer of metal, e.g. stainless steel, provided 1st.
Es hat eich herausgestellt, dass, wenn die Spaltbreite derart gewählt wird, dass der hydraulische Durchmesser dee Spaltes innerhalb der angegebenen Grenzen liegt, eine befriedigende Wärmeübertragung von dta Arbeitsmedium auf die Spaltwände und umgekthrt gefiebert iet, wlhrend ferner der Strömungswidesstand dee Arbeitemediume im Spalt niedrig iit. Letzteres bedeutet, dasi eine grosse Strömungsgeschwindigkeit zulässig ist, so dassIt has been proven that when the gap width is chosen such that the hydraulic diameter dee Gap is within the specified limits, a satisfactory heat transfer from the working medium to the gap walls and The other way round is feverish, while also the flow resistance The working medium in the gap is low. The latter means that a high flow velocity is permissible, so that
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die Anzahl Zyklen pro Sekunde gross sein kann, wodurch die Abmeaeungen des die Maschine antreibenden Elektromotors klein aein werden.the number of cycles per second can be large, whereby the Dimensions of the electric motor driving the machine are small become a
Bei einer weiteren günstigen AuafUhrungsform ist der Füllfektor des Regenerators niedriger als 10% und vorzugsweise niedriger als 1$. Unter dem Ausdruck "Füllfaktor" iet hier das Verhältnis zwischen dem "freien Volumen" im Regenerator und dem Gesamtregeneratorvolumen zu verstehen, d.h. freies Volumen zuzüglich des vom Regeneratormaterial beanspruchten Volumens.Another favorable form of execution is the Regenerator fill factor lower than 10% and preferably less than $ 1. This is what the term "fill factor" means here To understand the relationship between the "free volume" in the regenerator and the total regenerator volume, i.e. free volume plus the volume used by the regenerator material.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the enclosed Drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 teilweise im Schnitt eine bekannte Kaltgaskaltemaschine;Fig. 1, partially in section, a known cold gas refrigeration machine;
Fig. 2 teilweise schematisch im Schnitt eine Kaltgaskältemaschine mit einem Spaltregenerator;2 shows a partially schematic section of a cold gas refrigeration machine with a gap regenerator;
Fig. 3 schematisch eine Zweistufen-Kaltgaskälteraasohine mit einem Spaltregenerator.3 schematically shows a two-stage cold gas refrigerator with a gap regenerator.
Fig. 1 zeigt teilweise eine bekannte Kaltgaskälteraaschine 10. Diese Maschine enthält einen Zylinder 10a aus rostfreiem Stahl mit einer geringen Wandstärke, damit Wärmeleitung in der Längsrichtung auf ein Mindestmass beschränkt wird. In diesem Zylinder ist ein Verdränger 14 angeordnet. Dieser Verdränger 14 enthält einen Basisteil 15 mit durch diesen Teil hindurchgeführten axialen Kanälen 16, die sich einem Regenerator 11b anschliessen, der im Verdrängerteil 11 aufgenommen ist. Der Regenerator 11 b besteht aus einem Material hoher Wärmekapazität, wie Stahlwolle, Gazen aus Phosphorbronze oder Bleikugeln. Regeneratoren dieser Art weisen ein sehr hohes regeneratives Vermögen, aber auch einenFig. 1 partially shows a known Kaltgaskkühlaaschine 10. This machine contains a cylinder 10a made of stainless steel with a small wall thickness, so that heat conduction in the The longitudinal direction is limited to a minimum. A displacer 14 is arranged in this cylinder. This displacer 14 contains a base part 15 with passed through this part axial channels 16 which adjoin a regenerator 11b which is received in the displacement part 11. The regenerator 11 b consists of a material with a high heat capacity, such as steel wool, gauze made of phosphor bronze or lead balls. Regenerators of this Art have a very high regenerative capacity, but also one
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verhältnismässig grossen Strömungswiderstand für das Arbeitsmedium auf. Bine Abdichtung 18 aus Kunststoff ist rings um den Basisteil 15 des VerdrSngars angebracht, um das Auftreten von Leckage längs des Verdrängers zu verhindern, so dass das Arbeitsmedium nur durch die Kanäle 16 und den Regenerator 11b von dem Kompressionsraum 13 zu dem Expansionsraum 19 und umgekehrt fliessen kann. Der Expansionsraum I9 ist durch eine Gefriererplatte begrenzt, durch die die erzeugte Kälte aus dem Raum 19 abgeführt werden kann. Der ganze kalte Teil ist von einer Umhüllung 21 mit einem wärme isolierenden Vakuumraum 22 umgeben*relatively large flow resistance for the working medium. A seal 18 made of plastic is around the Base part 15 of the VerdrSngars attached to the occurrence of To prevent leakage along the displacer, so that the working medium only through the channels 16 and the regenerator 11b of the Compression space 13 can flow to the expansion space 19 and vice versa. The expansion space I9 is through a freezer plate limited, through which the generated cold can be removed from the space 19. The whole cold part is covered by one envelope 21 surrounded by a heat-insulating vacuum space 22 *
Fig. 2 zeigt schematisch eine Kaltgaskältemasohine, die im grossen Ganzen der Maschine nach Fig. 1 entspricht. In dieser Kaltgaskältemaschine ist jedoch der Regenerator 11b weggelassen* Das Gehäuse 23, die Umhüllung 24 und der Kompressionsraum 25 sind denen der Fig. 1 gleich. Der Verdränger 26 ist aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff hergestellt, der von einem dünnen aus rostfreiem Stahl bestehenden Mantel 27 umgeben iflt. Zwischen dem gleichfalls aus rostfreiem Stahl bestehenden Zylinder 28 und dem Verdränger 26 ist ein offener Spalt 29 vorgesehen. Auf seinem Wege von dem Kompressionsraum 25 zu dem Expansionsraum JO strömt daa Arbeitsmedium nun durch den Spalt 29» wobei es an die MetallvKnd« 28 und 27 Wärmt abgibt. Wenn daa Arbeitsmedium in umgekehrter Richtung strömt, nimmt ea die in den Wänden 28 und 27 gespeicherte Wärme wieder auf. Um eine befriedigend« Wirkung der Maaohine zu erzielen, müeien die Abmessungen dea Spaltes 29 derart gewählt werden, dass die WärmeübertragungezahlX^.2OO und der Druckunterschied über dem Spalt infolge des Ströraungsvorlusta Λρ^Ο,Ι ρ ist, wobei ρ den, mittleren Druck inFig. 2 shows schematically a cold gas refrigeration machine, the corresponds on the whole to the machine according to FIG. In this cold gas refrigerator, however, the regenerator 11b is omitted * The housing 23, the case 24 and the compression space 25 are the same as those of FIG. The displacer 26 is made of a poorly thermally conductive plastic, which is of a thin stainless steel sheath 27 surrounded iflt. Between the cylinder, which is also made of stainless steel 28 and the displacer 26, an open gap 29 is provided. On its way from the compression space 25 to the expansion space JO, the working medium now flows through the gap 29 »whereby it gives off heat to the metal bands 28 and 27. When the working medium flows in the opposite direction, it takes the one in the walls 28 and 27 stored heat again. In order to achieve a satisfactory effect of the Maaohine, the dimensions must be dea Gap 29 can be chosen such that the heat transfer number X ^ .2OO and the pressure difference across the gap as a result of the Ströraungsvorlusta Λρ ^ Ο, Ι ρ, where ρ is the mean pressure in
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der Maschine darstellt. Ea hat sich herausgestellt, dass diese beiden Bedingungen erfüllt sind, wenn der hydraulische Durohmesser des Spaltes, der gleich dem Zweifachen der Spaltbreite ist, der Bedingung:the machine represents. Ea turned out to be this Both conditions are met when the hydraulic durometer of the gap is equal to twice the gap width is the condition:
3 3
240 η nD2 l-~ ^ d,240 η nD 2 l- ~ ^ d,
entspricht, in der?corresponds in the?
ri » Viskosität des Arbeitsmediums; ri »viscosity of the working medium;
/0" spezifische Sichte des Mediums; / 0 " specific view of the medium;
1 - Länge des Spaltes;1 - length of the gap;
η ■ Anzahl Zyklen per Sekunde;η ■ number of cycles per second;
Bei einem praktischen Beispiel, bei dem als Arbeitsmedium Helium in der Maschine unter einem mittleren Druck von 20 Atmosphären vorhanden ist und bei dem die mittlere Spalttemperatur 2000K beträgt, gibt diesi R Ri 8000 M - 4 T - 200In a practical example in which helium as the working fluid in the engine is present at an average pressure of 20 atmospheres and in which the average cracking temperature of 200 0 K, R Ri are Diesi 8000 M - 4 T - 200
η - 10~5 η - 10 ~ 5
/θ- 4.Θ,/ θ- 4.Θ,
wobei weiter der Durchmesser des VerdrHngers 10 mm beträgt und die Drehzahl η - 10 Umdrehungen/Sekunde ist, Ferner ist eine Spaltlänge 1 - 200mm gewählt. Dtr maximale hydraulische Durch«- meases dee Spaltes ist danntfurthermore the diameter of the displacer is 10 mm and the speed is η - 10 revolutions / second. Furthermore, a gap length of 1 - 200mm is selected. Dtr maximum hydraulic through «- meases dee gap is then
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4,8 x 10 χ 100 χ Bei diesen Abmessungen wird dann für die WBrmeübeιtragung erhalten!4.8 x 10 100 χ With these dimensions is then obtained for the heat transfer!
NuNu
Re.Pr * S PUr einen ringförmigen Spalt und for Pr * 0,75 gilt dann» Re.Pr * S PUr an annular gap and for Pr * 0.75 then »
7,57.5 tt 2 ^ Pl2 ^ pl mm 4040
Re. 0,75 XD.^dh ReRe. 0.75 XD. ^ D h Re
also Ae 40 Ή 3t D 1 so A e 40 Ή 3t D 1
2 /D i d. / η2 / D i d. / η
wobei i den mittleren Volumenstrom auf der kalten Seite des Regenerators darstellt, so daes i « 2nVo =where i is the mean volume flow on the cold side of the Represents regenerator, so that i «2nVo =
Für Maschinen dieser Art ist der Hub S ·"*? D, wahrend der mittlereFor machines of this type, the stroke is S · "*? D, while the middle one
Strom in dem Regenerator etwa gleich der Hälfte des Stromes am Ende ist, so dass Current is the current at the end in the regenerator is approximately equal to the half, so that
Λ 4Ο.4·η* D 1 80 η Λ 4Ο.4 η * D 1 80 η
D5 dh /OnD2 dfa D 5 d h / OnD 2 d fa
. 80 χ 10 "5 200 on_. 80 χ 10 " 5 200 on _
/\ - /· . j, ■ / \ - / ·. j, ■
4,8 χ 10 χ 100 χ 10 16 χ 10 , was eint befriedigende Wärmeübertragung sioher stellt, den Über dem Spalt auftretenden Druckunterschied glitt4.8 χ 10 χ 100 χ 10 16 χ 10, which makes a satisfactory heat transfer sioher, the pressure difference occurring across the gap slid
η 10 3^ 1Q"2 X 20° X 10"5 -8000 kg/a* η 10 3 ^ 1Q " 2 X 20 ° X 10 " 5 -8000 kg / a *
(16.10"2) 3 χ 10"9 (16.10 " 2 ) 3 χ 10" 9
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Da ρ - 20 ata - 2.1O5 kg/m2 - ^- - 0,04, was den für ein« befriedigende Wirkung einer Maschine noch zulässigen Wert von 0,1 weit unterschreitet.Since ρ - 20 ata - 2.1O 5 kg / m 2 - ^ - - 0.04, which is far below the value of 0.1 which is still permissible for a satisfactory effect of a machine.
Auf diese Weise ist also eine Kaltgaskältemaschine besonders einfacher Bauart mit einer befriedigenden Wärmeübertragung im Regenerator und sehr niedrigen Strömungsverlusten erhalten.So in this way is a cold gas refrigerator obtained particularly simple design with a satisfactory heat transfer in the regenerator and very low flow losses.
Fig. 3 zeigt eine Kaltgaskältemaschine vom Zweistufen-Typ, d.h. mit zwei Expansionsrfiumen 31 und-30, deren Volumina vom Verdränger 26 geändert werden. Dieser Verdränger besteht wieder aus einem KunststoffkSrper mit einem dünnen Metallmantel Zwischen dem Verdränger und dem Zylinder ist wieder ein offener Spalt 29 vorgesehen, der auf gleiche Weise wie bei der Kaltgaskältenaachine nach Fig. 2 als Regenerator wirkt. Die Wirkungsweise dieser Kaltgaskältemaschine geht aus obenstehender Beschreibung hervor.Fig. 3 shows a cold gas refrigerator of the two-stage type, i.e. with two expansion spaces 31 and -30, their volumes can be changed by the displacer 26. This displacer again consists of a plastic body with a thin metal jacket An open gap 29 is again provided between the displacer and the cylinder, in the same way as in the case of the Kaltgaskältenaachine acts as a regenerator according to Fig. 2. The mode of operation of this cold gas refrigerator is based on the description above emerged.
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NL7018755A (en) | 1971-07-01 |
SE353385B (en) | 1973-01-29 |
FR2074337A5 (en) | 1971-10-01 |
CA921716A (en) | 1973-02-27 |
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