DE2442556A1 - COOLING MACHINE - Google Patents
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Description
PHN. 7064 JV/VR 26.8.1974PHN. 7064 JV / VR August 26, 1974
fcl.V. Philips' Gloeilampenfabnekenfcl.V. Philips' Gloeilampenfabneken
AiUe Na-: PHN- 7064 . AiUe Na-: PHN- 7064.
'«in: 3. Sept. 1974'«In: Sept. 3, 1974
Kiihlmas chineKiihlma chine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlmaschine mit einem Kompressionsraum veränderlichen Volumens und im Betreib höherer mittlerer Temperatur und einem damit verbundenen Expansionsraum im Betrieb niedrigerer mittlerer Temperatur, dessen Volumen durch einen in einem Zylinder hin- und herbeweglichen Verdränger veränderlich ist, wobei sich in der Verbindung zwischen den genannten Räumen ein Regenerator befindet, wodurch ein Arbeitsmedium zwischen den beiden Räumen hin- und herströmen kann.The invention relates to a refrigerating machine with a compression chamber of variable volume and in operation with a higher average temperature and an associated one Expansion space in operation of lower medium temperature, its volume by one in a cylinder reciprocating displacer is variable, being in the connection between said spaces Regenerator is located, whereby a working medium can flow back and forth between the two rooms.
Kühlmaschinen der obenstehend beschriebenen Art sind bekannt. .Cooling machines of the type described above are known. .
Zu der beschriebenen Art gehören beispielsweise Maschinen, die nach dem Stirling-Zyklus (U.S. PatentschriftenThe type described includes, for example, machines that operate according to the Stirling cycle (U.S. patents
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2.907.175 und 3.4OO.544) arbeiten, Maschinen, die nach dem Vuilleumier-Zyklus (U.S. Patentschriften 1.275.507; 2.657.552 und 3.523·427) arbeiten und Maschinen vom Gifford-McMahon-Typ' (U.S. Patentschriften 2.906.101 und 2.966.O35).2,907,175 and 3,4OO,544) work, machines that are after the Vuilleumier cycle (U.S. Patents 1,275,507; 2,657,552 and 3,523 x 427) work and Gifford-McMahon-type machines' (U.S. Patents 2,906,101 and 2,966,035).
Bei derartigen Maschinen besteht der Regenerator normalerweise aus einer in ein Gehäuse aufgenommen Füllmasse aus gasdurchlässigem Material (Phosphorbronzegazeschichten; Bleikügelchen usw). Damit der Wärmetransport durch Gaslecken vom Kompressionraum höheren Temperaturpegels zum Expansionsraum niedrigeren Temperaturpegels möglichst beschrankt wird, befindet sich normalerweise eine Dichtung, meistens aus Kunststoff, zwischen dem bewegenden Verdränger und der Zylinderwand. Diese Dichtung bringt ausser Herstellungs- und Montagekosten die Nachteile, einerseits Reibungsverluste und andererseits Verschleiss, mit sich mit der Folge einer Undichtigkeit für das Gas sowie die Gefahr vor Verschmutzung des Regenerators durch infolge des Verschleisses frei gewordene Teilchen der Dichtung«In machines of this type, the regenerator normally consists of a filling compound accommodated in a housing Made of gas-permeable material (phosphor bronze layers; lead pellets, etc.). So that the heat transport through gas leaks from the compression space with a higher temperature level to the expansion space with a lower temperature level is as limited as possible, there is usually a seal, usually made of plastic, between the moving displacer and the Cylinder wall. In addition to manufacturing and assembly costs, this seal has the disadvantages of, on the one hand, friction losses and on the other hand wear, with the consequence of a leak for the gas and the risk of contamination of the regenerator due to wear and tear become particles of poetry "
Deswegen ist es ohne weiteres klar, dass es von grossem Vorteil wäre, wenn die Dichtung fortgelassen werden könnte. Letzteres ist tatsächlich der Fall bei der in der französischen Patentschrift 2.074.337 beschriebenen Kühlmaschine, wobei der Regenerator ausschliesslich durch einen , ringförmigen Spalt zwischen der Verdränger- und Zylinderwand gebildet wird, von welchem Spalt der hydraulische Durchmesser innerhalb spezifischer Grenzen liegt.It is therefore immediately clear that it would be of great advantage if the seal were omitted could. The latter is actually the case with the refrigeration machine described in French patent 2.074.337, the regenerator exclusively through an annular gap between the displacer and cylinder walls is formed, of which gap the hydraulic diameter is within specific limits.
Dies dürfte eine Lösung für kleine Maschinen'This should be a solution for small machines'
geringen Volumens sein, wobei der vollständige kleine Arbeits mediumstrom fast ohne Strömungsverlust.und in gutem Wärmekontakt mit den Spaltwänden durch den engen Spalt vom Kompressionsraum zum Expansionsraum und zurückgehen kann; fürsmall volume, with the complete small working medium flow with almost no flow loss. and in good thermal contact with the split walls through the narrow gap from the compression room can go to the expansion space and back; for
5 0 9 8 11/08445 0 9 8 11/0844
die grSsseren Kühlmaschinen verhältnismässig grosser Leistung und dadurch mit verhältnismässig grossen Arbeitsmediumströraen ist dies kein interessanter Vorschlag. Bei· grossen Arbeitsmediums trömen werden die Strömungsverluste und eine schlechte regenerative Wirkung eine zu überherrschende Rolle spielen.the larger cooling machines have a relatively high output and thus with relatively large working medium flows this is not an interesting suggestion. If there is a large working medium, the flow losses and a bad one regenerative effects play a predominant role.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, eineThe present invention now aims to provide a
Kühlmaschine der obenstehend beschriebenen Art zu schaffen, wobei nicht nur für die Kategorie geringerer Leistungen sondern auch und insbesondere für die Kategorie grösserer Leistungen ein hoher thermischer Wirkungsgrad mit 'dem Vorteil einer fehlenden Dichtung zwischen der Verdränger- und Zylinderwand einhergeht.To create a cooling machine of the type described above, and not only for the lower performance category but also and especially for the category of higher performance a high thermal efficiency with 'the advantage associated with a missing seal between the displacer and cylinder wall.
Dazu weist die erfindungs-gemässe KühlmaschineTo this end, the cooling machine according to the invention
das Kennzeichen auf, dass die Verbindung zwischen den beiden Räumen einen Hilfsregenerator enthält, der dem Regenerator parallelgeschaltet ist und durch einen ringförmigen Spalt zwischen dem Verdränger und der zusammenwirkenden Zylinderwand gebildet wird, wobei wenigstens eine der beiden einander zugewandten Oberflächen des Verdrängers und Zylinders eine grosse Wärmekapazität gegenüber dem im Betrieb durch den Spalt auftretenden Wärmemediumstrom aufweist und wobei der hydraulische Durchmesser des Spaltes der nachstehenden Beziehung entspricht:the indicator that the connection between the two rooms contains an auxiliary regenerator, the regenerator is connected in parallel and through an annular gap between the displacer and the cooperating cylinder wall is formed, with at least one of the two facing each other Surfaces of the displacer and cylinder have a large heat capacity compared to that in operation by the Has gap occurring heat medium flow and wherein the hydraulic diameter of the gap corresponds to the following relationship:
mit d. =2,8« Λ - ^ ■with d. = 2.8 « Λ - ^ ■
d = hydraulischer Durchmesser des Spaltes s = Hublänge des Verdrängersd = hydraulic diameter of the gap s = stroke length of the displacer
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ff\ = mittlere dynamische Viskosität des Arbeitsmediums im Spalt ff \ = mean dynamic viscosity of the working medium in the gap
L = Länge des SpaltesL = length of the gap
Δ.Ρ = mittlerer Druckabfall am Regenerator P '= mittlere Dichte des Arbeitsmediums im Spalt.Δ.Ρ = mean pressure drop across the regenerator P '= mean density of the working medium in the gap.
Der grosse Unterschied gegenüber der aus derThe big difference compared to the
französischen Patentschrift 2.074.337 bekannten Kühlmaschine ist, dass, wobei dieser bekannten Maschine der vollständige Arbeitsmediumstroin durch den Spaltregenerator geht, im vorliegende Fall von zwei Arbeitsmediumströmen die Rede ist und zwar von einem Hauptstrom durch den normalen.Regenerator und einem Nebenstrom durch den Spaltregenerator, der dem normalen Regenerator parallelgeschaltet ist.French patent 2,074,337 known cooling machine is that, with this known machine, the complete working medium flow goes through the gap regenerator, in the present case The case of two working medium flows and although from a main stream through the normal.Regenerator and a bypass flow through the gap regenerator, which is connected in parallel to the normal regenerator.
Im Betrieb hat der normale Regenerator wegenIn operation, the normal regenerator has because of
des Strömungsverlustes infolge des StrömungswiderStandes einen mittleren Druckabfall ΔΡ. Dieser Druckabfall ΔΡ macht sich am Spaltregenerator merkbar, wird dem Spalt "aufgeprägt". Bei der bekannten Maschine mit aussphliesslich einem von einem Spalt gebildeten Regenerator bekommt dieser Spalt nicht von aussenher einen Druckunterschied aufgeprägt sondern er weist selbst einen Druckabfall auf und zwar wegen Strömungsverluste. Die genannten konstruktiven und physikalischen Unterschiede sind die Ursache davon, dass im vorliegenden Fall der hydraulische Durchmesser des Spaltes einer Beziehung entspreche . muss, die völlig anders ist als die Beziehung nach der französischen Patentschrift 2.074.337.the flow loss due to the flow resistance mean pressure drop ΔΡ. This pressure drop ΔΡ makes itself on Gap regenerator noticeable, is "impressed" on the gap. In the known machine with exclusively one of one The regenerator formed in the gap does not have a pressure difference impressed on this gap from the outside, but rather it has even a pressure drop due to flow losses. The mentioned constructional and physical differences are the cause of the fact that in the present case the hydraulic diameter of the gap corresponds to a relationship . must, which is completely different from the relationship according to French patent 2,074,337.
Der hydraulische Durchmesser des regenerativenThe hydraulic diameter of the regenerative
5098 1 1 /084A5098 1 1 / 084A
Spaltes entspricht etwa der doppelten Spalfbreite,Gap corresponds to about twice the width of the gap,
Gilt für die Spaltbreite des Hilfsregenerators,Applies to the gap width of the auxiliary regenerator,
dass der ihr entsprechende hydraulische Durchmesser der- obenstehenden Beziehung entspricht, dann ist, wie sich herausgestellt hat, eine gute Wärmeübertragung vom Arbeitsmediumnebenstrom zu den Spaltwänden und umgekehrt gewährleistet, während der Strömungswiderstand des Arbeitsmediums im Spalt niedrig ist.that the corresponding hydraulic diameter of the above Relationship, then, as has been found, there is good heat transfer from the working medium bypass flow to the gap walls and vice versa guaranteed, while the flow resistance of the working medium in Gap is low.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, in der als Beispiel eine nach dem Stirling-Zyklus arbeitende Kühlmaschine (Gaskältemaschine) auf schematische Weise im Längsschnitt und nicht massgerecht dargestellt ist, näher erläutert.The invention is based on the drawing, in the one working according to the Stirling cycle as an example Cooling machine (gas refrigeration machine) is shown in a schematic manner in longitudinal section and not true to size, in more detail explained.
In der Figur ist mit dem Bezugszeichen 1 einIn the figure, the reference numeral 1 is a
Zylinder angegeben. In diesem Zylinder sind ein Verdränger und ein Kolben 3 hin- und herbeweglich. Der Verdränger 2 besteht aus einem die Wärme schlecht leitenden Kunststoff 2a, wobei sich um diesen Kunststoff ein dünner aus rostfreiem Stahl bestehender Mantel 2b befindet. Der Verdränger 2 ist über eine Verdrängerstange h und der Kolben 3 über eine Kolber stange 5 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dem Kolben und dem Verdränger befindet sich ein Kompressionsraum 6 mit einem Kühler 7· Über dem Verdränger befindet sich ein Expansionsraum 8 mit'einem Gefrierer 9, der ein Wärmeaustauscher ist, über den die Wärme einem zu kühlende Gegenstand mit Hilfe der im Expansionsraum 8 erzeugten Kälte entnommen werden kann.Cylinder specified. A displacer and a piston 3 are reciprocable in this cylinder. The displacer 2 consists of a plastic 2a which is poorly conductive in terms of heat, a thin jacket 2b made of stainless steel being located around this plastic. The displacer 2 is connected via a displacer rod h and the piston 3 via a piston rod 5 to a transmission, not shown. A compression space 6 with a cooler 7 is located between the piston and the displacer Cold can be taken.
Der Kompressionsraum 6 und der Expansionsraum sind einerseits über einen in eine Leitung 10 aufgenommenen Regenerator 11 mit beispielsweise Bleikügelchen als FüllmasseThe compression space 6 and the expansion space are on the one hand via a regenerator 11 accommodated in a line 10 with, for example, lead pellets as a filling compound
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11a und andererseits über einen offenen Spalt 12 zwischen dem aus rostfreim Stahl bestehenden Mantel 2b des Verdrängers 2 und der Zylinderwand 1a, die ebenfalls aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, miteinander in offener Verbindung.11a and on the other hand via an open gap 12 between the made of stainless steel shell 2b of the displacer 2 and the cylinder wall 1a, which are also made of stainless steel is established, in open communication with one another.
In der Kühlmaschine befindet sich weiter ein Arbeitsmedium, beispielsweise Helium.A working medium, for example helium, is also located in the cooling machine.
Auf dem Weg vom Kompressionsrauin 6 zum Expansion.1 raum 8 strömt das Arbeitsmedium zum grössten Teil durch den Regenerator 11 unter Abgabe von Wärme an die Regeneratorfüllmasse 11a und zum Teil durch den Spalt 12 unter Wärmeabgabe an die Metallwände 1a und 2b. Bei der Strömung in der umgekehrten Richtung nimmt das Arbeitsmedium die in der Füllmasse 11a und die in den Wänden 1a und 2b gespeicherte Wärme wieder auf.On the way from the compression area 6 to the expansion. 1 room 8, the working medium flows for the most part through the regenerator 11, releasing heat to the regenerator filling compound 11a and partly through the gap 12, releasing heat to the metal walls 1a and 2b. With the flow in the opposite direction, the working medium absorbs the heat stored in the filling compound 11a and the heat stored in the walls 1a and 2b.
Im Betrieb herrscht am Regenerator 11 im Durchschnitt ein Druckunterschied &P, der sich am Spalt 12 wirksam macht. Es hat sich herausgestellt, dass eine gut wirkende Maschine erhalten wird, wenn der hydraulische Durchmesser des Spaltes, der etwa der doppelten Spaltbreite entspricht, der nachfolgenden Beziehung entspricht:During operation, the regenerator 11 is on average a pressure difference & P, which is effective at the gap 12 power. It turns out to be a good looking one Machine is obtained when the hydraulic diameter of the gap, which corresponds to about twice the gap width, corresponds to the following relationship:
°>k\ < dh< 1'4 dh °> k \ < d h < 1 ' 4 d h
mit dh =2,8 \/ in der ο J ' ■ ■ with d h = 2.8 \ / in the ο J '■ ■
s = Hublänge des Verdrängers
O^ = mittlere dynamische Viskosität des Arbeitsmediums im Spalt
L = Länge des .Spaltes " ' ' s = stroke length of the displacer
O ^ = mean dynamic viscosity of the working medium in the gap L = length of the "gap""
β = mittlere Dichte des 'Arbeitsmediums im Spalt ΔΡ= mittlerer Druckabfall am Regenerator. β = mean density of the working medium in the gap ΔΡ = mean pressure drop across the regenerator.
5 09811/08445 09811/0844
1 .1 .
¥enn die Maschine Helium als Arbeitsmedium enthält und die Hublänge des Verdrängers s = 10.10 m ist; -wenn die Viskosität des Heliums 10 Ns/ni2 ist; die Spaltlänge L = 50.10 m; die mittlere Heliumdichte im Spalt P = k,8 kg/m3 unc: der mittlere Druckabfall am Regenerator £\P = 0,25 at. = 0,25. 105 N/m? istj___so_J^tj If the machine contains helium as the working medium and the stroke length of the displacer is s = 10.10 m; -if the viscosity of the helium is 10 Ns / ni 2 ; the gap length L = 50.10 m; the mean helium density in the gap P = k, 8 kg / m 3 unc : the mean pressure drop across the regenerator £ \ P = 0.25 at. = 0.25. 10 5 N / m? istj ___ so_J ^ tj
, „ RX . 10x10 Λχ10 ^x5Q.1O J o ό\/ 5x10 d^ - 2töNi 4,8x0,, " RX . 10x10 Λχ10 ^ x5Q.1O J o ό \ / 5x10 d ^ - 2töNi 4,8x0,
2.8 χ 10"-5V^- = 2,8^2,52IxIO"5 = 7,1x1O~5m.2.8 χ 10 "- 5 V ^ - = 2.8 ^ 2.5 2 IxIO" 5 = 7.1x1O ~ 5 m.
Der hydraulische Durchmesser d, des Spaltes muss dam sein:The hydraulic diameter d, of the gap must be dam:
2,8 χ 10~5m^dh^ 9,9 x 10"5m.2.8 χ 10 ~ 5 m ^ d h ^ 9.9 x 10 " 5 m.
5 0 9 8 1 1 / 0 8-4 A5 0 9 8 1 1/0 8-4 A
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Legal Events
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