DE3034474A1

DE3034474A1 - Kuehlsystem

Info

Publication number: DE3034474A1
Application number: DE19803034474
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Be Der
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1979-09-17
Filing date: 1980-09-12
Publication date: 1981-04-02
Also published as: GB2073861A; GB2073861B; JPS629827B2; JPS5644555A; US4335579A; DE3034474C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem und insbesondere auf ein solches Kühlsystem, mit dem in effektiver Weise sehr niedrige Temperaturen erzeugt werden können.

Um eine sehr niedrige Temperatur von beispielsweise angenähert 20 K zu erzeugen, sind verschiedene Arten von Kühlsystemen bereits entwickelt worden, zum Beispiel: Kreisprozesse nach Claude, Vuilleumier, Solvey, Stirlina, Gifford und Gifford-McMaphon. Diese bekannten Kühlsysteme sind jedoch aus praktischen Gesichtspunkten nicht befriedigend. Es hat sich aus theoretischen Überlegungen und experimentellen Erfahrungen ergeben, daß diese Kühleinrichtungen bei der Erzeugung von sehr niedrigen Temperaturen unterhalb 20 K keine große Effektivität besitzten.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher·, ein Kühlsystem zu schaffen, das mit großer Effektivität und gutem Wirkungsgrad Temperaturen bis zu 20 K und niedriger erzeugen kann. c Dieses System soll im Gewicht leicht, im Aufbau einfach, nicht teuer und im übrigen sehr zuverlässig sein. Im übrigen soll das System eine erste Kühleinrichtung besitzen, die mit einer Stirling-Kreisprozeß-Kühleinrichtung kombiniert ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Kühlsystem, das eine eiste Kühleini ichtung mit Kühlfach besitzt, eine zweite Kühleinrichtung mit einer Kompressions-Kolbenzylindereiniichtung, einen Radiator , der mit der Kompressions-

ic Kolbenzylindereinrichtung zusammenarbeitet und in Wärmeaustausch mit der Kühlfläche der ersten Kühleinrichtung steht, ferner eine Expansions-Kolbenzylindereiniichtung, die mit dem Radiator verbunden ist, eine Vorkühleinrichtung für die Übertragung von Wärme der Kolben-Zylindereinrichtung der zweiten Kühleinrichtung auf die erste Kühleinrichtung. Der Kühlzyklus in der zweiten Kühleinrichtung ist theoretisch ein Stirling-Kreisprozeß, der aus zwei isothermischen Prozessen und zwei isovolumetrischen Prozessen besteht; die Expansions-Kolbenzylindereinrichtung kann eine Kolbeneinrichtung besitzen, die in der Phase um etwa 90° gegenüber der Kolbeneinrichtung der Kompressions-Kolbenzylindereinrichtung vorgestellt ist.

Die Kolbeneinrichtung in der Kompressionskolben-Zylindereinrichtung kann eine Puffereinrichtung besitzen, die mit der Kompressionskammer über ein Ventil verbunden ist, so daß der Druck in der Kompressionskammer in die Pufferkammer entlastet wird, wenn ein übermäßig hoher Druck in der Kompressionskammer erzeugt wird, wobei der Druck in der

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Kompressionskammer automatisch reguliert wird. Hierzu kann die Pufferkammer mit Hilfe eines Regulierventils geöffnet werden. Um das Kühlgas in der Pufferkammer vorzukühien können mit Hilfe geeigneter Einrichtungen wie geschichtete Metallnetze, Metallkugeln, Verbundkörper, keramische Materialien, Kunststoff und Glasfaserstoffe in der Pufferkammer Cryo- oder Kältespeicher vorgesehen werden, so daß in dieser Kammer ein geeigneter Temperaturgradient erzeugt wird. Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht, die Einzelheiten des Systems nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Das Kühlsystem nach Fig. 1 besitzt eine erste Kühleinheit, die einen Motor 1 besitzt, dessen Ausgangswelle mit einer Kurbelwelle 2 verbunden ist, die über eine Verbindungsstange 2a einen Verdränger 4 antreibt. Der Verdränger 4 hat die Form eines Kolbens, der in einem Zylinder 60 eine hin- und hergehende Bewegung ausführt. Die Kurbelwelle 2 und die Verbindungsstange 2a befinden sich in

einer Kurbelwellenkammer 61, die an dem einen Ende des Zylinders 60 ausgebildet ist. Der Zylinder hat einen Abschnitt 60a großen Durchmessers und einen Abschnitt 60b kleinen Durchmessers; entsprechend hat der Verdränger 4 einen Abschnitt 4a großen Durchmessers und einen Abschnitt

4b kleinen Durchmessers, die sich jeweils in dem

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Abschnitt 60a großen Durchmessers bzw. dem Abschnitt 60b

kleinen Durchmessers des Zylinders 60 befinden und mit Hilfe von Dichtungsringen 38a bzw. 38b in den Zylinder c eingepaßt sind.

In dem Abschnitt 4a großen Durchmessers des Verdrängers befindet sich eine Kammer 3, die mit Hilfe einer nichtgezeigten geeigneten Ventileinrichtung mit der Kurbelwellen-IQ kammer 61 verbunden ist und einen Vorrat an unter Druck stehendem Kühlgas, zum Beispiel Heliumgas aufnimmt. In der Kammer 3 befindet sich ein geeigneter Kältespeicher für die Erzeugung eines geeigneten Temperaturgradienten. Der Abschnitt 4a großen Durchmessers des Verir drängers 4 begrenzt in dem Abschnitt 60a großen Durchmessers des Zylinders 60 eine erste Expansionskammer 5, die über Öffnungen 3a mit der Kammer 3 verbunden ist. In entsprechender Weise ist in dem Abschnitt 4b kleinen Durchmessers des Verdrängers 4 eine Kammer 6 ausgebildet, in der sich ein geeigneter Kältespeicher befindet, um in dieser Kammer einen Temperaturgradienten zu erzeugen. Der Abschnitt 4b kleinen Durchmessers des Verdrängers 4 begrenzt im Abschnitt 60b kleinen Durchmessers des Zylinders 60 eine zweite Expansionskammer 7, die mit der Kammer 6 des Abschnitts kleinen Durchmessers 4b des Verdrängers 4 durch eine Öffnung 6a verbunden ist.

Von einem nichtgezeigten Kompressor wird ein unter Druck stehendes Kühlgas der Kurbelwellenkammer 61 und von dort über die vorgenannte Ventileinrichtung zu der Kammer 3 geliefert. Bei einem Aufwärtshub des Verdrängers entweicht unter Entspannung ein Anteil des Gases durch die Öffnungen 3a in die Kammer 5 und der Rest des Gases durch die Kammer 6 und die Öffnung 6a in die Kammer 7. Beim Abwärtshub des Verdrängers 4 wird das Gas der Kammern 5 und 7 durch

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die Kammern 3 und 6 zur Kurbelwellenkammer 61 und dann zum Kompressor verdrängt. Zum Beispiel wird das Gas unter

2 einem Druck von angenähert 20 kg/cm geliefert und dem

Kompressor unter einem Druck von angenähert 7 kg/cm zurückgegeben. In dem Zylinder 60 befindet sich ein erster Kühlkopf 8 und ein zweiter Kühlkopf 9. Es ist bekannt, daß eine solche Kühleinrichtung eine Temperatur von 50 bis 100 K im ersten Kühlkopf 8 und eine Temperatur von 8 bis 12°K im zweiten Kühlkopf 9 erzeugen kann. Es ist ferner bekannt, daß die Kühleinrichtung für die Erzeugung von sehr niedrigen Temperaturen, d.h. Temper ati
besitzt.

Temperaturen unter 20 K nur einen geringen Wirkungsgrad

Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist eine zweite Kühleinrichtung vorgesehen, die ein Kurbelwellengehäuse 10 besitzt, an dem sich ein Motor 11 befindet, dessen Ausgangswelle mit einer in der Kurbelwellenkammer 10 befindlichen Kurbelwelle 12 verbunden ist. An dem Kurbelwellengehäuse 10 befindet sich ein Kompressionszylinder und ein Expansionszylinder 16, in denen sich ein Kompressionskolben 13 sowie ein Expansionskolben 14 befinden, die eine hin- und hergehende Bewegung ausführen. Um die Kolben 13 und 14 befinden sich jeweils Dichtungsringe 38c bzw. 38d. Die Kolben 13 und 14 sind über Verbindungsstange mit der Kurbelwelle 12 verbunden, so daß sie durch den Motor 11 angetrieben werden.

In dem Kompressionszylinder 15 befindet sich eine Kompressionskammer 17, während der Expansionszylinder 16 eine Expansionskammer 20 begrenzt. Wie man aus Fig. 2 erkennt, ist der Kompressionszylinder an dem sich neben der Kompressionskammer 17 befindenden Ende mit einer Pufferkammer 23 versehen, die mit der Kammer 17 durch ein

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Auslaßventil 25 sowie ein Einlaßventil 26 verbunden ist. In der Pufferkammer 2 3 kann ein Kältespeicher vorgesehen c sein. Die Pufferkammer 23 wird durch einen Kapillarkanal 18 und durch ein Druckregulierventil 170 zur Kurbelwellenkammer des Kurbelgehäuses 10 geöffnet. Ferner wird die Pufferkammer 23 durch öffnungen 22 zur Seitenfläche des kolbens 13 geöffnet.

Die Kompressionskammer 17 ist über eine mit einem Kältespeicher 19 versehenen Leitung 21 mit der Expansionskammer 20 verbunden. Die Leitung 21 hat einen Radiator 21a, der mit dem Kühlkopf 9 der ersten Kühleinrichtung

ic in Wärmeaustausch steht. In den Fig. 1 und 2 ist ein zu kühlender Teil mit dem Bezugszeichen 62 versehen, der sich mit dem neben der Expansionskammer 20 befindenden Ende des Expansionszylinders 16 in Berührung steht. Die Zylinder 15 und 16 stehen mit einer Vorkühlplatte 24 in Wärmeaustausch, die von dem ersten Kühlkopf 8 weggeht.

Die Kolben 13 und 14 werden über die Kurbelwelle 12 durch den Motor 11 angetrieben, wobei der Kolben 14 gegenüber dem Kolben 13 um 90° vorläuft. Das Kühlgas der Kammer 17 wird durch den Kolben 13 komprimiert und durch die Leitung 21 sowie den Kältespeicher 19 zur Expansionskammer 20 geführt. In der Leitung 21 wird das Gas an dem Radiator 21a durch den zweiten Kühlkopf 9 der ersten Kühleinheit gekühlt und erfährt unter gleichzeitiger Kühlung des Teils 62 eine isothermische Expansion in der Kammer 20. Das Gas der Kammer 20 wird dann durch den Kältespeicher 19 und die Leitung 21 zur Kompressionskammer 17 verdrängt. Die Arbeitsweise der zweiten Kühleinrichtung ist diejenige eines Stirling-Zyklus, der aus zwei isothermischen Prozessen und zwei isovolumetrischen Prozessen besteht.

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Der Druck in der Kompressionskammer 17 kann durch das Regulierventil 170 reguliert werden, wobei die Puffarkammer 23 eine plötzliche Änderung im Druck der Kompressionskammer 17 absorbiert. Die Vorkühlplatte 24 kann aus einem wärmeleitenden Material, zum Beispiel aus Aluminium oder Kupfer bestehen und mit einem Rohr versehen sein, das ein geeignetes gasförmiges Medium wie Helium, Wasserstoff oder Neon enthält. In einem Ausführungsbeispiel wurde das in der Kammer 17 komprimierte Gas, das eine Temperatur von angenähert 15°K haben kann, an dem Radiator 21a auf angenähert 13°K herabgekühlt. Das Gas wird ferner an dem Speicher 19 heruntergekühlt, wobei es möglich ist, in der Expansionskammer 20 Temperaturen bis hinunter auf 2 bis 5 K zu erzeugen.

Befindet sich die zweite Kühleinrichtung nicht im Einsatz, wird das Gas der Kompressionskammer 19 durch die Pufferkam-⁴-mer 23 und den Kanal 18 zur Kurbelwellenkammer im Kurbelgehäuse 10 entspannt. Auf diese Weise wird der Druck in der Kurbelwellenkammer in diesem Augenblick erhöht. Die Ausgestaltung kann so getroffen sein, daß der Druck in

2 der Kurbelwellenkammer zwischen 1,5 und 15 kg/cm schwankt·

Die Ausführungsform nach Fig. 3 besitzt eine erste Kühleinrichtung, die sich von derjenigen nach den Fig. 1 und 2 unterscheidet. Bei dieser Ausführungsform besitzt die erste Kühleinrichtung einen Expansionszylinder 28, der mit einem Wärmetauscher 27 versehen ist, der seinerseits

aus einer Wicklung aus Rippenrohren oder mit Rippen versehenen Rohren 50 besteht. Im Zylinder 28 befindet sich ein Kolben 29, der in diesem Zylinder eine hin- und hergehende Bewegung ausführen kann. Für den Antrieb des

Kolbens 29 dient eine Verbindungsstange 30. Um den 35

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Kolben 29 läuft ein Dichtungsring 38. Im Zylinder 28 wird eine Expansionskammer 33 gebildet. Der Zylinder 28 hat eine Einlaßöffnung, die mit einem Einlaßventil 31 versehen ist. Das den Wärmetauscher 27 bildende Rohr 50 hat ein Einlaßende 39, an dem das Rohr 50 mit einem unter Druck stehenden Gas, zum Beispiel Helium, gespeist wird.

2 Der Einlaßdruck des Gases kann zum Beispiel 16 kg/cm sein. Das Rohr 50 ist am anderen Ende mit der Einlaßöffnung des Zylinders 28 verbunden, so daß das Eintrittsgas oder Einlaßgas aus einem Kompressor (nicht gezeigt) durch das Rippenrohr 50 des Wärmetauschers 27 und die Einlaßöffnung zur Expansionskammer 33 gelangt. Das Gas wird adiabatisch in der Kammer 33 expandiert, um eine niedrige Temperatur von zum Beispiel 8 bis 15 K zu erzeugen. In der Kammer 33 wird der Druck des Gase.s auf beispielsweise 1 bis 4 kg/cm" erniedrigt.

Der Zylinder 28 besitzt eine Auslaßöffnung, die ein Auslaßventil 32 enthält und die mit einem Kanal 40 verbunden ist, der um das Rippenrohr 50 herum ausgebildet ist und über einen Auslaß 40a des Kanals 40 zum Kompressor (nicht gezeigt) zurückkehrt. Der Auslaß des Zylinders 28 ist mit einer Leitung 34 verbunden, die mit Vorkühlplatten 35 der zweiten Kühleinrichtung in Wärmeaustausch steht, die ihrerseits einen ähnlichen Aufbau hat wie bei der vorhergehenden Ausführungsform. Die Leitung 34 besitzt ein Auslaßende 41, das mit einem Durchflußregulierventil 37 versehen ist. Die vom Kompressionszylinder 15 der

zweiten Kühleinrichtung kommende Leitung 21 hat einen Radiator 21a, der in Wärmeaustausch mit der Leitung 34 steht. Das Durchflußregulierventil 37 kann durch einen Mikroprozessor (nicht gezeigt) gesteuert werden,

so daß das Gas unter normalen Betriebsbedingungen mit 35

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Umgebungstemperatur zum Kompressor geführt wird. Wenn es erwünscht ist, die Kühlleistung des Systems zu erhöhen oder das System schnell beim Anlaufen in den normalen Betriebszustand zu bringen, kann die Gastemperatur am Auslaßende 41 auf einen niedrigeren Wert gelegt werden, so daß der Gasstrom durch das Ventil 37 vergrößert und gleichzeitig die Geschwindigkeit des Kolbens 29 erhöht wird. Ferner ist es möglich, den Gasstrom durch das Ventil 37 sowie die Geschwindigkeit des Antriebsmotors automatisch durch einen Computer (nicht gezeigt) zu steuern, so daß die Temperatur des zu kühlenden Teils 21 im wesentlichen konstant gehalten wird. Die Auslegung dieser Ausführungsform ist in Hinsicht auf den Wirkungsgrad im Vergleich zur vorhergehenden Ausführungsform darin vorteilhaft, daß die Zylinder 15 und 16 der zweiten Kühleinrichtung durch eine Vielzahl von Kühlplatten 35 mit einem geeigneten Temperaturgradient gekühlt werden können, so daß die Kühlkapazität des Kühlgases in wirkungsvoller Weise genutzt werden kann. Das Einlaßventil 31 sowie das Auslaßventil werden durch geeignete mechanische oder auch hydraulische Mechanismen (nicht gezeigt) betätigt, um den Durchfluß des gasförmigen Mediums zu steuern.

Die Erfindung liefert somit ein Kühlsystem mit einer ersten Kühleinrichtung und einer zweiten Kühleinrichtung. Die zweite Kühleinrichtung besitzt eine Kompressions-Kolbenzylindereinheit sowie eine Expansions-Kolbenzylindereinheit,· die miteinander durch eine Leitung verbunden sind, die einen Radiator und einen Kältespeicher besitzt, um einen Stirling-Kreisprozeß zu bewirken. Der Radiator der zweiten Kühleinrichtung steht in Wärmeaustausch mit dem Kühlkopf der ersten Kühleinrichtung.

Eine Vorkuhleinrichtung ist vorgesehen, um Wärme von den Zylindern der zweiten Kühleinrichtung auf die zweite Kühleinrichtung zu übertragen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Kühlsystem, gekennzeichnet durch eine erste Kühleinrichtung mit einer Kühlfläche, eine zweite Kühleinrichtung mit einer Kompressions-Kolbenzylindereinrichtung (15), einem Radiator (21), der mit der Kompressions-Kolbenzylindereinrichtung verbunden ist und sich in Wärmeaustausch mit der Kühlfläche (9) der ersten Kühleinrichtung befindet, sowie durch eine Expansions-Kolbenzylindereinrichtung (16), die mit dem Radiator (21) verbunden ist, durch eine Vorkühleinrichtung (24), die Wärme von der Kolben-Zylindereinrichtung der zweiten Kühleinrichtung zur ersten Kühleinrichtung überträgt.

Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressions-Kolbenzylindereinrichtung (15) eine Kompresslonskolbeneinrichtung und die Expansions-Kolbenzylindereinrichtung eine Expansionskolbeneinrichtung besitzt, wobei die Expansionskolbeneinrichtung in ihrer Phase um ungefähr 90 gegenüber der Kompressionskolbeneinrichtung voreilt.

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Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070

Dresdner Bank (München) Kto. 3939844

Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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3. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Radiator (21, 21a) mit der Expansions-Kolbenzylindereinrichtung durch eine Einrichtung (19) zur Erzeugung eines Temperaturgradienten verbunden ist.

4. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühleinrichtung einen eisten Kühlkopf (8) und einen zweiten Kühlkopf (9) besitzt, der eine niedrigere Temperatur als der erste Kühlkopf hat, wobei die Kühlfläche durch den zweiten Kühlkopf gebildet wird und die Vorkühleinrichtung (24) in Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlkopf steht.

5. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühleinrich-20

tung eine Auslaßleitung für die Durchführung eines Niedertemperaturkühlgases besitzt, wobei die Auslaßleitung die Kühlfläche bildet und sich in Wärmeaustausch mit der Vorkühleinrichtung befindet.

6. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkühleinrichtung eine Vielzahl von Vorkühlplatten (35) aufweist, die in Reihe in Längs-

„_ richtung der Kompression- und Expansion-Kolbenzylindereinrichtung verteilt angeordnet sind und sich in Wärmeaustausch mit der Auslaßleitung (34) der ersten Kühleinrichtung und der Kompressions- und Expansions-Kolbenzylindereinrichtung befindet.

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