DE3812427A1

DE3812427A1 - METHOD FOR PRODUCING A REGENERATOR FOR A DEEP-TEMPERATURE REFRIGERATOR AND REGENERATOR PRODUCED BY THIS METHOD

Info

Publication number: DE3812427A1
Application number: DE19883812427
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Strasser
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1988-04-14
Filing date: 1988-04-14
Publication date: 1989-10-26
Also published as: JPH01305271A; EP0339298A1

Description

Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen zur Erzeugung der Kälte thermodynamische Kreisprozesse ablaufen (vgl. z. B. die US-PS 29 06 101), werden häufig auch als Refrigeratoren bezeich net. Ein einstufiger Refrigerator umfaßt im wesentlichen eine Kammer mit einem Verdränger. Die Kammer wird in bestimmter Weise alternierend mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Gasquelle verbunden, so daß während der Hin- und Herbewegung des Verdrän gers der thermodynamische Kreisprozeß (Sterling-Prozeß, Gifford Mac Mahon-Prozeß usw.) abläuft, wobei das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Die Folge ist, daß einem bestimmten Bereich der Kammer Wärme entzogen wird. Mit zweistu figen Refrigeratoren dieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich z. B. Temperaturen bis unter 10 K erzeugen.Low temperature chillers in which to generate the cold thermodynamic cycles (see e.g. the US-PS 29 06 101), are often referred to as refrigerators net. A single stage refrigerator essentially comprises one Chamber with a displacer. The chamber is in a certain way alternating with a high pressure and a low pressure gas source connected so that during the reciprocation of the displacement gers the thermodynamic cycle (Sterling process, Gifford Mac Mahon process, etc.) takes place, the working gas in one closed circuit is performed. The result is that one certain area of the chamber is extracted from heat. With two doors Leave refrigerators of this type and helium as the working gas z. B. generate temperatures below 10 K.

Wesentlicher Bestandteil eines Refrigerators ist der Regenerator, durch den das Arbeitsgas vor und nach der Entspannung strömt. Der Regenerator kann in einem separaten Gehäuse oder - wie es die DE-AS 13 01 343 zeigt - innerhalb des zylindrisch gestalteten Verdrängers angeordnet sein. Der Regenerator soll eine möglichst hohe Wärmespeicherkapazität und eine möglichst große innere Oberfläche zum Wärmetausch haben. Die Wärmeübergangsverhältnisse müssen ebenfalls gut sein. Gleichzeitig soll aber der Regenerator eine schlechte Wärmeleitung in Durchflutungsrichtung haben, d. h. der Temperaturgradient soll groß sein, so daß ein Wärmeaustausch zwischen den Enden des Refrigerators weitestgehend vermieden ist. The regenerator is an essential component of a refrigerator, through which the working gas flows before and after relaxation. The Regenerator can be in a separate housing or - as is the DE-AS 13 01 343 shows - within the cylindrical Displacer can be arranged. The regenerator should be one if possible high heat storage capacity and the largest possible internal Have a surface for heat exchange. The heat transfer conditions must also be good. At the same time, however, the regenerator have poor heat conduction in the direction of flow, d. H. the temperature gradient should be large, so that heat exchange is largely avoided between the ends of the refrigerator.

Es ist bekannt, als Regeneratormaterialien Bronzewolle oder Kugeln aus Bronze oder Blei zu verwenden. Das Füllen der Regene rator-Gehäuse mit diesen Materialien ist aufwendig. Bronzewolle erlaubt keinen definierten Durchsatz und damit keinen definierten Wärmeübergang. Kugeln haben ebenfalls diesen Nachteil, da sie untereinander keine mechanische Verbindung haben. Bei Bleikugeln besteht die Gefahr der Deformation, die zu einer Durchlaßredu zierung führen würde. Weiterhin besteht die Gefahr, daß diese Regeneratormaterialien in den Verdrängerraum austreten und dort Schäden an den Gleitflächen verursachen.It is known as bronze wool or regenerator materials Use bronze or lead balls. Filling the rain rator housing with these materials is expensive. Bronze wool does not allow a defined throughput and therefore no defined Heat transfer. Bullets also have this disadvantage as they have no mechanical connection with each other. With lead balls there is a risk of deformation leading to a reduction in passage ornament would lead. There is also a risk that this Leaving regenerator materials in the displacement space and there Cause damage to the sliding surfaces.

Aus der DE-OS 30 44 427 ist es bekannt, zylindrische Sintermate rialkörper zu verwenden. Diese sind relativ aufwendig in der Herstellung.From DE-OS 30 44 427 it is known cylindrical sintered mate rial body to use. These are relatively complex Manufacturing.

Schließlich ist es bekannt, zylindrische Regeneratoren aus Stapeln von kreisförmig geschnittenen Bronze-Netzen aufzubauen. Die Herstellung dieser Netze ist mit einem relativ hohen Sieb verschnitt verbunden, der in der Größenordnung von 40% liegt. Außerdem ist der Montage- und Füllaufwand hoch. Die Gefahr, daß kurze Rand-Drahtabschnitte in den Verdrängerraum gelangen und dort Schäden verursachen, ist noch vorhanden.Finally, it is known to be cylindrical regenerators Build up stacks of circular cut bronze nets. The manufacture of these nets is with a relatively high sieve waste that is on the order of 40%. In addition, the assembly and filling work is high. The danger that short edge wire sections get into the displacement space and cause damage is still there.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Regenerators anzugeben, das einfach ist und bei dem die Gefahr des Austretens von Verdrän germaterial nicht mehr besteht.The present invention is based on the object Specify a method of manufacturing a regenerator that is simple and at the risk of leakage germ material no longer exists.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Regenerator durch einen Wicklungsprozeß hergestellt wird. Zweck mäßig besteht ein nach diesem Verfahren hergestellter Regenerator aus gewickelten Fäden, einem gewickelten Gewebeband oder sogar aus gewickelten perforierten Blechen. Ein in dieser Weise ausge bildeter Regenerator kann verlustfrei aus einem Gewebeband hergestellt werden. Er ist nach seiner Herstellung einstückig, so daß die Gefahr des Austretens von Regeneratormaterial aus dem Regeneratorraum nicht mehr besteht. Dennoch sind die dem Wärme übergang zur Verfügung stehenden Oberflächen relativ groß.According to the invention this object is achieved in that the Regenerator is produced by a winding process. Purpose There is a moderate regenerator produced by this method from wound threads, a wound fabric tape or even from wound perforated sheets. One out in this way formed regenerator can be lossless from a fabric tape getting produced. It is in one piece after its manufacture, so that the risk of leakage of regenerator material from the Regenerator room no longer exists. Still they are warm available surfaces are relatively large.

An das Material, aus dem das der Herstellung des Regenerators durch Wickeln dienende Gewebeband besteht, ist nur die Forderung zu stellen, daß es für Regeneratorzwecke geeignet ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Gewebebändern aus Kupfer, Bronze, Aluminium, Edelstahl, Blei oder dergleichen. Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, ein Mischgewebe zu verwen den, und zwar derart, daß die sich parallel zur Achse des zylin drischen Regenerators erstreckenden Fäden aus schlecht wärmelei tendem Material und die sich senkrecht dazu erstreckenden Fäden aus gut wärmeleitendem Material bestehen. Dadurch wird eine gleichmäßige Belastung des Regenerators bei gleichzeitig schlechter Wärmeleitung in Durchflutungsrichtung erreicht.To the material from which the regenerator is made by wrapping serving fabric tape is only the requirement to make it suitable for regenerative purposes. Especially it is advantageous to use fabric strips made of copper, Bronze, aluminum, stainless steel, lead or the like. Another An advantageous measure is to use a mixed fabric the, in such a way that the parallel to the axis of the cylin the regenerator threads stretching from poor heat material and the threads extending perpendicular to it consist of good heat-conducting material. This will make one uniform load on the regenerator at the same time poor heat conduction in the direction of flow reached.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.Further advantages and details of the invention will be shown in the illustrated embodiments in the figures will.

In der Fig. 1 ist ein zweistufiger Refrigerator 1 teilweise im Schnitt dargestellt. Im Gehäuse 2 ist in nicht näher darge stellter, an sich bekannter Weise, ein Ventilsystem unterge bracht, das in einer bestimmten Reihenfolge eine Hochdruck- und eine Niederdruck-Gasquelle, die an den Anschlußstutzen 3 und 4 angeschlossen sind, mit den Kanälen 5, 6 und 7 verbindet. Der Kanal 6 mündet in einen Zylinder 8, in dem sich ein mit dem Verdränger 9 der ersten Stufe 11 des Refrigerators befindliche Antriebskolben 12 befindet. Ein den Kolben 12 gegenüber der Innenwand des Zylinders 8 abdichtender Ring ist mit 13 bezeich net. Mit Hilfe dieses Antriebes wird der Verdränger 9 in der vom zylindrischen Gehäuse 14 gebildeten Kammer 15 hin- und herbewegt. An dem Verdränger 9 der ersten Stufe ist der Verdränger 17 der zweiten Stufe 18 des Refrigerators befestigt, so daß auch der Verdränger 17 in der vom zylindrischen Gehäuse 19 gebildeten Kammer 21 eine Hin- und Herbewegung ausführt. Die Achse des gesamten Systems ist mit 10 bezeichnet.In FIG. 1, a two-stage refrigerator 1 is partially shown in section. In the housing 2 is presented in a not known Darge, known manner, a valve system, which in a certain order a high-pressure and a low-pressure gas source, which are connected to the connecting pieces 3 and 4 , with the channels 5 , 6th and 7 connects. The channel 6 opens into a cylinder 8 , in which a drive piston 12 is located with the displacer 9 of the first stage 11 of the refrigerator. A piston 12 against the inner wall of the cylinder 8 sealing ring is designated 13 with net. With the aid of this drive, the displacer 9 is moved back and forth in the chamber 15 formed by the cylindrical housing 14 . The displacer 17 of the second stage 18 of the refrigerator is fastened to the displacer 9 of the first stage, so that the displacer 17 also executes a reciprocating movement in the chamber 21 formed by the cylindrical housing 19 . The axis of the entire system is labeled 10 .

Die Verdränger 9 und 17 sind im wesentlichen zylindrisch gestal tet. Ihre inneren Hohlräume 22 und 23 dienen der Unterbringung der im einzelnen noch genauer zu beschreibenden Regeneratoren.The displacers 9 and 17 are substantially cylindrical gestal tet. Their inner cavities 22 and 23 serve to accommodate the regenerators to be described in more detail.

Über die Kanäle 5 und 7 wird das Arbeitsgas zu- bzw. abgeführt. Es strömt über die Bohrungen 24 durch den Regenerator des Ver drängers 9 in den Expansionsraum 25, welcher der untere Teil der Kammer 15 ist. Dort expandiert das Arbeitsgas und entzieht diesem Bereich der ersten Stufe 11 des Refrigerators Wärme. Das vorge kühlte Gas strömt weiter durch die Bohrung 27 in den Verdränger 17 der zweiten Stufe 18, durch den im Innenraum 23 dieses Ver drängers 17 liegenden Regenerator und durch die Bohrung 28 am unteren Ende des Verdrängers 17 in den Expansionsraum 29 der zweiten Stufe 18. Dort erfolgt eine weitere Expansion mit diesen Bereich der zweiten Stufe abkühlender Wirkung. Auf dem gleichen Weg strömt das Gas zurück und kühlt die Regeneratormaterialien ab, so daß die im nächsten Zyklus wieder einströmenden Gase im Regenerator vorgekühlt werden.The working gas is supplied or discharged via channels 5 and 7 . It flows through the bores 24 through the regenerator of the displacer 9 in the expansion space 25 , which is the lower part of the chamber 15 . There the working gas expands and extracts heat from this area of the first stage 11 of the refrigerator. The pre-cooled gas continues to flow through the bore 27 in the displacer 17 of the second stage 18 , through the regenerator 17 located in the interior 23 of this Ver displacer and through the bore 28 at the lower end of the displacer 17 in the expansion space 29 of the second stage 18 . There is a further expansion with this area of the second stage cooling effect. In the same way, the gas flows back and cools the regenerator materials, so that the gases flowing in again in the next cycle are pre-cooled in the regenerator.

Zur Abdichtung der Verdränger 9 und 17 gegenüber ihren zugehö rigen Kammerwandungen 14 und 19 dienen Dichtringe 31 und 32, die in Außennuten 33 und 34 untergebracht sind.To seal the displacer 9 and 17 against their zugehö ring chamber walls 14 and 19 sealing rings 31 and 32 are used , which are housed in outer grooves 33 and 34 .

In den Hohlräumen 22 und 23 der Verdränger 9 und 17 befinden sich die Regeneratoren 35 und 36. Diese sind aus einem Gewebebandab schnitt 37 (Fig. 2) gewickelt. Beim Verdränger 9 der ersten Stufe ist dazu ein zentraler Dorn 38 vorgesehen, der an der Unterseite 39 des Verdrängergehäuses befestigt ist und in den Hohlraum 22 hineinragt.The regenerators 35 and 36 are located in the cavities 22 and 23 of the displacers 9 and 17 . These are cut from a Gewebebandab 37 ( Fig. 2). In the displacer 9 of the first stage, a central mandrel 38 is provided for this purpose, which is attached to the underside 39 of the displacer housing and projects into the cavity 22 .

Im Hohlraum 23 des Verdrängers 17 der zweiten Stufe 18 befindet sich ein ebenfalls zu einer Rolle gewickelter Regenerator 36. Ein Dorn ist nicht vorhanden. Da sich als Regeneratormaterial der zweiten Stufe der Werkstoff Blei besonders eignet, besteht das Gewebe, aus dem der Regenerator 36 gewickelt ist, zweckmäßig aus Bleifäden.In the cavity 23 of the displacer 17 of the second stage 18 there is a regenerator 36 which is also wound into a roll. There is no thorn. Since the material lead is particularly suitable as the second stage regenerator material, the fabric from which the regenerator 36 is wound advantageously consists of lead threads.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Gewebebandes 37, bei dem sich parallel zur Wickelachse erstreckende Fäden mit 41 und senkrecht dazu verlaufende Fäden mit 42 bezeichnet sind. Dargestellt ist ein einfaches Leinengewebe. Auch andere Gewebe arten, Körpergewebe, Tressengewebe oder dergleichen können verwendet werden. FIG. 3 shows an enlarged section of the fabric band 37 , in which threads extending parallel to the winding axis are designated 41 and threads perpendicular to them are designated 42 . A simple linen fabric is shown. Other types of tissue, body tissue, braid tissue or the like can also be used.

Die das Gewebe bildenden Fäden können aus Metall (Kupfer, Bronze, Aluminium, Edelstahl, Blei o. dgl.) oder aus Kunststoff (Nylon, Teflon, Polyester o. dgl.) bestehen. Besonders zweckmäßig ist ein Mischgewebe, bei dem die sich parallel zur Wickel- bzw. Zylin derachse 10 erstreckenden Fäden 41 aus schlecht wärmeleitendem Material (z. B. Kunststoff) und die sich senkrecht dazu erstrec kenden Fäden aus gut wärmeleitendem Material (z. B. Metall) bestehen. Ein gleichmäßiger Durchsatz bei gleichzeitig schlechtem Wärmedurchgang in Durchflutungsrichtung wird dadurch erreicht.The threads forming the fabric can consist of metal (copper, bronze, aluminum, stainless steel, lead or the like) or of plastic (nylon, teflon, polyester or the like). A mixed fabric is particularly expedient, in which the threads 41 made of poorly heat-conducting material (e.g. plastic) and the threads 41 extending parallel to the winding or cylinder axis 10 and the threads which are perpendicular to it first are made of good heat-conducting material (e.g. Metal). A uniform throughput with poor heat transfer in the direction of flow is achieved.

Die Stärke der das Gewebeband bildenden Fäden liegt in der Größenordnung von 0,04 bis 0,1 mm. Dieses hat eine relativ große innere Oberfläche des erfindungsgemäßen Regenerators zur Folge.The strength of the threads forming the fabric tape lies in the On the order of 0.04 to 0.1 mm. This has a relatively large one inner surface of the regenerator according to the invention.

Dargestellt wurde die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles mit einem Gewebeband 37. Anstelle des Gewebebandes ist auch der Einsatz von perforierten Blechen, z. B. aus Kupfer, Bronze oder dergleichen möglich.The invention has been illustrated on the basis of an exemplary embodiment with a fabric tape 37 . Instead of the fabric tape, the use of perforated sheets, eg. B. made of copper, bronze or the like.

Claims

1. A method for producing a regenerator for a low-temperature refrigerator ( 1 ), characterized in that it is produced by a winding process.

2. According to a method according to claim 1 Regene rator for a cryogenic refrigerator ( 1 ), characterized in that it consists of wound threads, a wound fabric tape or a perforated sheet.

3. A regenerator according to claim 2, characterized in that it has a substantially cylindrical shape and that a fabric strip ( 37 ) or a perforated sheet metal strip is wound around its cylindrical axis ( 10 ).

4. A regenerator according to claim 2 or 3, characterized in that the fabric tape ( 37 ) is wound around a central mandrel ( 38 ).

5. A regenerator according to claim 4 for a displacer with a cylindrical regenerator space, characterized in that the central mandrel is attached to a part ( 39 ) of the displacer housing.

6. A regenerator according to claim 3, 4 or 5, characterized in that the fabric tape ( 37 ) contains metal threads.

7. Regenerator according to one of the 6 preceding claims, characterized in that the band forming the regenerator ( 37 ) is a metal mesh, the threads of which consist of copper, bronze, aluminum, stainless steel, lead and / or the like.

8. Regenerator according to one of claims 2 to 7, characterized in that the parallel to the cylinder axis ( 10 ) extending threads ( 41 ) of the wound regenerator made of poorly heat-conducting material and the perpendicular to the cylinder axis extending threads ( 42 ) of the regenerator from good consist of thermally conductive material.

9. regenerator according to claim 8, characterized records that the parallel to the cylinder axis extending threads of plastic or stainless steel and the threads extending perpendicular to the cylinder axis Metal.

10. Regenerator according to one of claims 3 to 9, characterized in that the regenerator is wound from a fabric tape ( 37 ) which is designed as a linen, body or braid fabric.