DE3830907A1 - Matrixmaterial fuer regeneratoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Matrixmaterial für Regeneratoren, insbesondere für Hochleistungsregeneratoren mit Arbeitstempe­ raturen unter 70 K.

In der modernen Physik werden in zunehmendem Maße Kleinkälte­ maschinen zur Erzeugung tiefer Temperaturen (70 K bis 20 K) mit Kälteleistungen bis zu 5 W eingesetzt. Eines der wichtigsten Funktionselemente solcher Kleinkältemaschinen ist ein regene­ rativer Wärmetauscher (Regenerator).

Entsprechende Hochleistungsregeneratoren nach Gifford-McMahon nutzen in der ersten Stufe im Temperaturgebiet von 300 K bis 70 K eine Regenerator-Packung aus Drahtgewebe mit Drahtdurchmes­ sern von 0,05 bis 0,03 mm. Für die zweite Temperaturstufe mit Arbeitsgastemperaturen unter 70 K wird wegen der hohen volume­ trischen Wärmekapazität oxidfreies Bleipulver eingesetzt, da kein Bleidrahtgewebe mit den geforderten Abmessungen zur Ver­ fügung steht (Walker, Cryocoolers Part II, S. 45, Plenum Press 1983).

Das angestrebte Optimum der Porosität der Tieftemperatur- Packung liegt bei 0,05 bis 0,1 (Radebaugh, First step to the optimization of regenerator geometry, NBS-SP-698, Mai 1985). Dieses angestrebte Optimum ergibt sich aus den teilweise gegen­ läufig wirkenden einzelnen Verlustmechanismen des Wärmeüber­ gangs, der begrenzten spezifischen Wärmekapazität, der Strö­ mungsdruckverluste, des Totvolumens und axialer Wärmeleitung. Der Stand der Technik kann das angestrebte Optimum von 0,05 bis 0,1 für die Porosität mittels Bleipulverschüttung jedoch praktisch nur mit Porositäten von 0,37 bis 0,4 erreichen. Bei ideal dichten Kugelpackungen ließe sich ein Wert von 0,25 erreichen. Die eingesetzten Bleipulverpartikel mit mittleren Durchmessern von 0,1 bis 0,25 mm lassen sich jedoch nicht ideal kugelförmig herstellen. Weiterhin erfordern die Betriebsbedin­ gungen einer Kleinkältemaschine ein schnelles Umströmen des Matrixkörpers vom Arbeitsgas. Bei Verwendung herkömmlicher Kugelbettschüttungen entsteht durch den Strömungsdruckverlust an den einzelnen Partikeln ein semifluider Zustand des Festbet­ tes, da der Druckverlust in der Größenordnung des Partikelge­ wichtes pro Strömungsfläche liegt. Dies führt zu einer Ver­ wirbelung der Partikel. Aus diesem Grund muß die Kugelbett­ schüttung mechanisch unter Druck gesetzt werden; der dazu erforderliche Mechanismus erhöht das Totvolumen im Regenera­ tor, was sich negativ auf die Prozeßführung auswirkt.

In der DE-OS 30 44 427 wird für den Einsatz im Tieftemperatur­ teil des Regenerators ein Sintermetall angegeben. Mit diesem Material lassen sich zwar geringe Porositäten erzielen, jedoch besitzen diese Sintermetalle gut leitende Wärmebrücken, was zu unerwünscht hoher Wärmeleitung und damit wiederum zu gro­ ßen Effektivitätsverlusten führt.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, den Wirkungsgrad von Hochlei­ stungsregeneratoren zu verbessern und den ökonomischen Auf­ wand zu senken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bleisiebgewebe zu schaffen, mit denen im Stapel als Matrixmaterial Porositäten von kleiner als 0,25 erzielt werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung derar­ tiger Siebgewebe anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Bleisiebgewebe gelöst, welches aus einem stabilen Grundgewebe mit Draht­ durchmessern zwischen 0,005 und 0,015 mm und einer Bleiumman­ telung mit Dicken von 0,025 bis 0,075 mm besteht. Ein derar­ tiges Siebgewebe vereint die hohe mechanische Tragfähigkeit eines geeigneten Grundgewebes, z. B. Bronzedrahtgewebe, mit den gewünschten regenerativen Eigenschaften des Bleis (hohe Wär­ meleitfähigkeit und hohe volumetrische Wärmekapazität). Dieses Bleisiebgewebe läßt sich sehr einfach zu einem Ma­ trixmaterial stapeln, bei der Möglichkeit, prozeßbeeinflus­ sende Eigenschaften, wie Porosität und Wärmeübertragungs­ fläche, in weiten Grenzen zu variieren. Damit ist ein Regene­ ratormaterial gegeben, das optimal an die jeweiligen Prozeß­ bedingungen angepaßt werden kann.

Außer hinreichend geringer Wärmeleitung lassen sich Porosi­ täten unter 0,25 realisieren.

Die bleiummantelten Siebgewebepackungen gestatten auch unter Betriebsbedingungen, mechanisch und strömungstechnisch feste Matrixpackungen aufzubauen. Damit entfallen die mechanischen Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung einer stabilen Matrix­ packung, so daß im Regenerator selbst das Totvolumen minimiert wird.

Das Matrixmaterial, in Form eines Stapels des angegebenen Sieb­ gewebes, läßt sich auch weiter, je nach Anforderung, variie­ ren. So ist es möglich, das Matrixmaterial derart aufzubauen, daß zwischen einem oder mehreren bleiummantelten Siebgeweben alternierend andere Siebgewebe ähnlicher Geometrie oder Folien mit großer Gasdurchlässigkeit bei niedriger Wärmeleitung angeordnet werden. Als derartiges anderes Siebgewebe kann z. B. das "stabile Grundgewebe" eingesetzt werden.

Mit einer derartigen Variante kann insbesondere die axiale Wärmeleitung beeinflußt werden. Damit läßt sich auch eine quasikontinuierliche Verteilung obiger Eigenschaften längs der Regeneratorlängsachse erzielen, die einer optimalen Prozeß­ führung besser angepaßt ist.

Zur Herstellung des als Element des erfindungsgemäßen Matrix­ materials vorgeschlagenen bleiummantelten Siebgewebes wird nachfolgend ein spezielles Verfahren angegeben.

Verfahrensgemäß wird ein verfügbares feinmaschiges Metall­ siebgewebe, z. B. aus Messing, Bronze oder Edelstahl verwendet und naßchemisch oder elektrochemisch geätzt, bis das Gewebe auf die erforderliche Drahtstärke zwischen 0,005 bis 0,015 mm abgedünnt ist. Danach wird dieses abgedünnte Gewebe galvani­ siert mit Blei bis zur gewünschten technologischen Maschenwei­ te bzw. Bleischichtdicke von 0,025 bis 0,075 mm ummantelt.

Ein derartig hergestelltes Bleisiebgewebe weist bei ausreichen­ der mechanischer Stabilität im wesentlichen die physikalischen Eigenschaften eines originären Bleisiebes auf.

Das erfindungsgemäß hergestellte Siebgewebe kann verfahrens­ gemäß noch weiter modifiziert werden. Zum Beispiel kann eine Här­ tung, d. h. Erhöhung der mechanischen Stabilität der Bleiober­ fläche vorgenommen werden. Dazu kann eine Schutzschicht galva­ nisch oder durch vakuumtechnisches Beschichten aufgebracht werden. Desweiteren sind Ionenimplantationen mit Antimon, Zinn, Calcium, Barium, Natrium, Kalium, Lithium, Magnesium u. a. möglich. Variationen sind auch mit Legierungsbestandteilen zu erzielen.

Durch gezielte Steuerung des galvanischen Prozesses der Bleiab­ scheidung ist auch eine unterschiedliche Oberflächenrauhigkeit eingestellt worden. Damit kann die wärmetauschende Oberfläche und damit der Wärmeübergang verändert werden bei gleicher Bleimasse gleicher Porosität.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert werden. Dazu wurde erst eine verfahrensgemäße Bleisieb­ herstellung und danach dessen Einsatz beschrieben.

Als Grundgewebe wird Messingsiebgewebe verwendet mit einem Drahtdurchmesser von 0,063 mm und 110 Maschen pro cm.

In einer 6%igen FeCl₃-Lösung wurde dieses Siebgewebe auf einen Drahtdurchmesser von 0,02 mm abgedünnt und in destil­ liertem Wasser gespült.

Die Elektrolytlösung besteht aus 6,5 M-% PbO, 14 M-% HClO₄ und 79,5 M-% destilliertem Wasser mit 3 Körnern Gelatine pro 100 g Elektrolyt. Die Herstellung des Elektrolyten geschieht wie folgt: Das PbO wird unter langsamer Zusetzung von HClO₄ bei heftiger Wärmeentwicklung aufgelöst, danach werden das destillierte Wasser und die Gelatine zugegeben.

Bei einem Abstand von 3 cm zwischen der Siebkatode und der flächenhaft gestalteten Bleianode wird bei einer Stromdichte von 300 A/m² die Bleiummantelung bis etwa zu ³/₄ der erforder­ lichen Bleistärke aufgalvanisiert. Nachfolgend wird die Sieb­ katode gewendet, so daß die ursprünglich der Bleianode abge­ wandte Seite der Bleianode zugewendet ist. Bei einer Stromdich­ te von 100 A/m² wird die endgültige Bleistärke aufgalvani­ siert.

Im Beispiel wurde ein Bleisiebgewebe mit einem mittleren Gesamt-"Drahtdurchmesser" von 0,13 mm hergestellt.

In der einfachsten Form werden diese einzelnen Siebgewebe zu einem Stapel von, je nach Erfordernis, ca. 50 mm Höhe über­ einander angeordnet und als Matrixmatrial in der Tieftempera­ turstufe eines Hochleistungs-Regenerators mit Arbeitstemperatur unterhalb 70 K eingesetzt.

Weitere Variationsmöglichkeiten des Matrixmaterials wurden in der Beschreibung ausführlich angegeben und können nach Bedarf realisiert werden.

Mit dem im Beispiel angegebenen Matrixmaterial werden Porosi­ täten von etwa 0,23 realisiert.

Claims (4)

1. Matrixmaterial für Regeneratoren zur Verwendung in Refri­ geratoren mit Kühltemperaturen unter 70 K, gekennzeichnet dadurch, daß eine Vielzahl von Siebgeweben, welche aus einem stabilen Grundgewebe mit Drahtdurchmessern zwischen 0,005 und 0,015 mm und einer Bleiummantelung mit einer Dicke von 0,025 bis 0,075 besteht, zu einem Stapel geschichtet wird.

2. Matrixmaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den mit Blei ummantelten Siebgeweben alternierend anderes Siebgewebe ähnlicher Geometrie oder Folien mit größerer Gasdurchlässigkeit bei niedriger Wärmeleitung angeordnet sind.

3. Matrixmaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als anderes Siebgewebe das stabile Grundgewebe verwendet wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines feinmaschigen Bleimantel­ siebes zur Verwendung als Matrixmaterial von Regenerato­ ren, gekennzeichnet dadurch, daß ein verfügbares stabiles Drahtsiebgewebe elektro- oder naßchemisch auf eine ver­ bleibende Drahtstärke von kleiner als 0,015 mm abgedünnt und nachfolgend galvanisch mit Blei bis zur erforderlichen Schichtdicke beschichtet wird.