DE3034474C2

DE3034474C2 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE3034474C2
Application number: DE3034474A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Nagoya Aichi Sugimoto
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1979-09-17
Filing date: 1980-09-12
Publication date: 1984-05-03
Also published as: GB2073861A; GB2073861B; JPS629827B2; JPS5644555A; US4335579A; DE3034474A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 mit der 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, wie zum Beispiel Kreisprozesse nach Claude, Vuilleumier, SoI-vey, Stirling, Gifford und Gifford-McMahon. Diese bekannten Kühlsysteme sind jedoch aus praktischen Gesichtspunkten nicht befriedigend. Es hat sich auch aus theoretischen Überlegungen und experimentellen Erfahrungen ergeben, daß diese Kühleinrichtungen bei der Erzeugung von sehr niedrigen Temperaturen unterhalb K keine große Effektivität besitzen.

Aus der DE-OS 15 01 103 ist eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw 2 bekannt, mit der es möglich ist, Temperaturen bis zu

20 K und darunter zu erzeugen.

Allerdings besteht bei derartigen Kühlvorrichtungen die Gefahr, daß beispielsweise bei einer plötzlichen Änderung der Temperatur des Kühlgases ein dadurch in der Kompressionskammer erzeugter übermäßig hoher Druck in die Expansionskammer, in den Wärmeaustauscher und in den in der Kühlvorrichtung vorgesehenen Kältespeicher übertragen wird. Das Auftreten derartiger Druckstöße wirkt sich dabei nachteilig auf die Zuverlässigkeit des Kühlprozesses aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 zu schaffen, deren Arbeitszuverlässigkeit auch bei plötzlichen Temperaturänderungen des Kühlgases unverändert hoch gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß einem Lösungsvorschlag durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und gemäß einem zweiten Lösungsvorschlag durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Erfindungsgemäß wird aufgrund des in der Pufferkammer vorgesehenen Kältespeichers eine Vorkühlung des Kühlgases in der Pufferkammer ermöglicht, so daß dort ein geeigneter Temperaturgradient erzeugt werden kann. Durch die Erfindung ergibt sich der weitere zusätzliche Vorteil, daß das in der Kompressionskammer erhaltene Kühlgas über den zur Kurbelwellenkammer führenden Kapillarkanal entspannt werden kann, falls sich die erste Kühleinrichtung nicht im Einsatz befindet.

Eine vergleichbare positive Wirkung erzielt man mit dem anderen Lösungsvorschlag, gemäß dem eine automatische Regulierung des Drucks des Kühlgases in der Kompressionskammer der zweiten Kühleinrichtung erfolgt, wenn dort ein übermäßig hoher Druck, beispielsweise durch eine plötzliche Temperaturänderung des Kühlgases, erzeugt wird. Dabei wird die automatische Regulierung dadurch vorgenommen, daß der Druck in der Kompressionskammer über die Pufferkammer entlastet wird.

Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Ei findung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Kühlvorrichtung,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht, die Einzelheiten der Kühlvorrichtung gemäß F i g. 1 sowie eine Abwandlung der Pufferkammergestaltung zeigt.

Die Kühlvorrichtung nach Fig. 1 besitzt eine erste Kühleinrichtung, 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 mit großem Durchmesser und einen Abschnitt 60i> mit kleinem Durchmesser; entsprechend hat der Verdränger 4 einen Abschnitt 4a mit großem Durchmesser und einen Abschnitt 4b mit kleinem Durchmesser, die sich jeweils in dem Abschnitt 60a bzw. dem Abschnitt 60b des Zylinders 60 befinden und mit Hiife von Dichtungsringen 38a

bi bzw. 380 in den Zylinder eingepaßt sind.

In dem Abschnitt 4a des Verdrängers 4 befindet sich eine Kammer 3, die mit Hilfe einer nichtgezeigten geeigneten Ventileinrichtung mit der Kurbelwellenkam·

mer 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 des Verdrängers 4 begrenzt in dem Abschnitt 60a des Zylinders 60 eine erste Expansionskammer 5, die über Öffnungen 3a mit der Kammer 3 verbunden ist In entsprechender Weise i-=t in dem Abschnitt 46 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 des Verdrängers 4 begrenzt im Abschnitt 60b des Zylinders 60 eine zweite Expansionskammer 7, die mit der Kammer 6 des Abschnitts 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 VentileLirichtung 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 Expansionskammer 5 und 7 durch die Kammern 3 und 6 zur Kurbelwellenkammer 61 und dann zum Kompressor verdrängt. Zum Beispiel wird das Gas unter einem Druck von angenähert 20 bar geliefert und dem Kompressor unter einem Druck von angenähert 7 bar zurückgegeben. In dem Zylinder 60 befindet sich ein erster Kühlkopf 8 und ein zweiter Kühlkopf 9, die mit Kühlflächen versehen sind. 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 eine solche Kühleinrichtung für die Erzeugung von sehr niedrigen Temperaturen, d. h. Temperaturen unter 20 K, nur einen geringen Wirkungsgrad besitzt.

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 15 und ein Expansionszylinder 16, in denen sich ein Kompressionskolben 13 sowie ein Expansionskolben 14 befinden, die eine hin- und hergehende Bewegung ausführen. Um die Kompressions- und Expansionskolben 13 und 14 befinden sich jeweils Dichtungsringe 38c bzw. 38c/. Die Kolben 13 und 14 sind über Verbindungsstangen 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 Ende an dem sich die Kompressionskammer 17 befindet, mit einer Pufferkammer 23 versehen, die mit der Kammer 17 durch Ventile, d.h. durch ein Auslaßventil 25 sowie ein Einlaßventil 26, verbunden ist In der Pufferkammer 23 kann ein Kältespeicher vorgesehen 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 Wärmeaustauscher 21a, der mit dem Kühlkopf 9 der ersten Kühleinrichtung in Wärmeaustausch steht In den F i g. 1 und 2 ist ein zu kühlendes Teil mit dem Bezugszeichen 62 versehen, welches mit dem unteren Teil des Expansionszylinders 16 in Berührung steht Die Zylinder 15 und 16 stehen über eine Vorkühlplatte 24 mit dem Kühlkopf 8 in Wärmeaustausch, so daß Wärme von den Zylindern der zweiten Kühleinrichtung zur ersten Kühleinrichtung übertragen werden kann.

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 Das Kühlgas aus der Leitung 21 wird im Wärmeaustauscher 21a durch den zweiten Kühlkopf 9 der ersten Kühleinrichtung gekühlt und erfährt unter gleichzeitiger Kühlung des Teils 62 eine isothermische Expansion in der Kammer 20. Das Gas in 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 bzw. Kleisprozesses, der aus zwei isothermisehen Vorgängen und zwei isovolumetrischen Vorgängen besteht.

Der Druck in der Konipressionskammer 17 kann durch das Regulierventii 170 reguliert werden, wobei die Pufferkammer 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 HJiurn. Wasserstoff oder Neon enthält. In einem Ausführungsbeispiel wird das in der Kammer 17 komprimierte Gas. das eine Temperatur von angenähert 15 K haben kann, im Wärmeaustauscher 21a auf angenähert 13 K herabgekühlt. Das Gas wird anschließend im Speicher 19 heruntergekühlt, wobei es möglich ist, in der Expansionskammer 20 Temperaturen bis hinunter auf 2 bis 5 K zu erzeugen.

Befindet sich die erste Kühleinrichtung nicht im Einsatz, wird das Gas der Kompressionskammer 17 durch die Pufferkammer 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 der Kurbelwellenkammer zwischen 1.5 und 15 bar schwankt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung umfassend eine erste Kühleinrichtung, die mindestens eine Kühlfläche (9) und mindestens eine Expansionskammer (S) aufweist, eine zweite Kühleinrichtung, die einen Kompressions-(13) und einen Expansionskolben (14) aufweist, die mit zugeordneten Zylindern (15 bzw. 16) jeweils eine Kompressions- (17) und eine weitere Expansionskammer (20) bilden, einen Wärmeaustauscher (21, 21a;, der mit der Kühlfläche (9) der ersten Kühleinrichtung in Wärmeaustauschkontakt steht und mit der zweiten Kühleinrichtung verbunden ist, und eine Vorkühleinrichtung (24), die Wärme von der zweiten Kühleinrichtung zur ersten Kahleinrichtung überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (13) an seinem an der Kompressionskammer (17) angrenzenden Ende eine Pufferkammer (23) aufweist, die mit einem Kältespeicher versehen ist, und die -einerseits durch Kapillarkanäle (22) mit der Kompressionskammer (17) und andererseits durch einen weiteren Kapillarkanal (18) mit einer der Kompressionskammer (17) gegenüberliegenden Kurbelwellenkammer (10) verbunden ist.

2. Kühlvorrichtung umfassend eine erste Kühleinrichtung, die mindestens eine Kühlfläche (9) und mindestens eine Expansionskammer (5) aufweist, eine zweite Kühleinrichtung, die einen Kompressions-(13) und einen Expansionskolben (14) aufweist, die mit zugeordneten Zylindern (15 bzw. 16) jeweils eine Kompressions- (17) und eine weitere Expansionskammer (20) bilden, einen Wärmeaustauscher (21; 21a;, der mit der Kühlfläche (9) der ersten Kühleinrichtung in Wärmeaustauschkontakt steht und mit der zweiten Kühleinrichtung verbunden ist, und eine Vorkühleinrichtung (24), die Wärme von der zweiten Kühleinrichtung zur ersten Kühleinrichtung überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (13) an seinem an der Kompressionskammer (17) angrenzenden Ende eine Pufferkammer (23) aufweist, die einerseits über Ventile (25,26) mit der Kompressionskammer (17) und andererseits durch einen Kapillarkanal (18) mit einer der Kompressionskammer (17) gegenüberliegenden Kurbelwellenkammer (10) verbunden ist.