DE3943640C2 - Mehrstufige Gaskältemaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Gaskältemaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Gaskältemaschine dieser Art (US-PS 3 375 867) werden im Regenerator als Regeneratormaterial die Elemente Neodym, Cer, Erbium, Holmium oder Samarium aus der Gruppe der seltenen Erden eingesetzt. Hierbei konnten Temperaturen bis herab zu 5° Kelvin erreicht werden.

Bei mehrstufigen Gaskältemaschinen hat man bisher Temperaturen von 4° Kelvin nur unter Einsatz einer zusätzlichen Joule-Thomson-Stufe erzielen können (Zeitschrift "Cryogenics" 1986, Band 26, S. 341 bis 345).

Aus der DE-OS 30 46 458 ist bekannt, bei einer Gaskältemaschine ein plattenförmiges Element einzusetzen, das in wärmeleitender Verbindung mit der einen Kühlstufe steht und an dem Aktivkohle angelagert ist.

Fig. 9 zeigt eine konventionelle dreistufige GM-(Gifford-McMahon) Kältemaschine als eine mehrstufige Gaskältemaschine, wie beispielsweise in "Advances in Cryogenic Engineering, Band 15, S. 428, 1969, offenbart ist. Die Kältemaschine enthält einen dritten Regenerator 1 mit einem durch Bleikugeln gebildetes Regeneratormaterial, einen zweiten Regenerator 2 mit einem durch Bleikugeln gebildetes Regeneratormaterial, einen ersten Regenerator 3 mit einem durch Kupferdrahtnetz gebildetes Regeneratormaterial, einen dritten Verdrängerkolben 4, einen zweiten Verdrängerkolben 5, einen ersten Verdrängerkolben 6, eine dritte Dichtung 7, welche die Verluste von Heliumgas 16 von der äußeren Peripherie des ersten Verdrängerkolbens 6 mindert, einen dreifach abgestuften Zylinder 10, der aus einem gehonten Rohr gebildet ist, ein Einlaßventil 11 zum Einführen des von einem Heliumkompressor 13 komprimierten Heliumgases 16, ein Auslaßventil 12 zum Auslassen des Heliumgases 16, einen Antriebsmotor 15, einen Antriebsmechanismus 14 zum Umsetzen der Drehbewegung des Antriebsmotors 15 in eine lineare Bewegung und zum Betreiben des Einlaßventils 11 und des Auslaßventils 12 synchron mit der linearen Bewegung, eine dritte, zweite und erste Expansionskammer 17, 18, 19 zum Expandieren des Heliumgases 16, eine dritte Kühlstufe 20 zum Übertragen der in der dritten Expansionskammer 17 erzeugten Kälte zu einem Körper, der gekühlt werden soll (nicht dargestellt), eine zweite Kühlstufe 21 zum Übertragen der in der zweiten Expansionskammer 18 erzeugten Kälte auf den Körper und eine erste Kühlstufe 22 zum Übertragen der in der ersten Expansionskammer 19 erzeugten Kälte auf den Körper.

Nun wird die Betriebsweise der obigen Kältemaschine beschrieben. Fig. 10 zeigt ein pV-Diagramm in den Expansionskammern 17 bis 19, in dem auf der Ordinate der Druck in den Expansionskammern 17 bis 19 aufgetragen ist und auf der Abszisse das Volumen der Expansionskammern 17 bis 19. Unter den durch I festgelegten Bedingungen befinden sich die Verdrängerkolben 4 bis 6 in ihrer höchsten Stellung, und das Einlaßventil 11 ist offen, während das Auslaßventil 12 geschlossen ist. Dementsprechend ist der Druck in den Expansionskammern 17 bis 19 ein hoher Druck PH. Wenn sich die Bedingungen gemäß dem Übergang von I nach II ändern, sind die Verdrängerkolben 4 bis 6 abgesenkt. Heliumgas 16 unter hohem Druck wird durch die Regeneratoren 1 bis 3 in die Expansionskammer 17 bis 19 eingeführt. Währenddessen bleiben die Ventile 11 und 12 ruhend. Das Heliumgas 16 wird auf vorher bestimmte Temperaturen durch die Regeneratoren 1 bis 3 abgekühlt. Unter den Bedingungen bei II ist das Volumen jeder Expansionskammer maximal, und das Einlaßventil 11 ist geschlossen, während das Auslaßventil 12 geöffnet ist. Jetzt wird der Druck des Heliumgases 16 in jeder Expansionskammer reduziert, um Kälte zu erzeugen, und die Bedingungen verschieben sich nach III. Während sich die Bedingungen von III nach IV verschieben, werden die Verdrängerkolben 4 bis 6 angehoben und das unter niedrigem Druck stehende Heliumgas 16 wird ausgestoßen. Jetzt kühlt das Heliumgas die Regeneratoren 1 bis 3, und die Temperatur des Heliumgases 16 erhöht sich. Dann wird das Heliumgas 16 zum Heliumkompressor zurückgeführt. Unter der Bedingung bei IV das Volumen jeder Expansionskammer minimal und das Auslaßventil 12 ist geschlossen, während das Einlaßventil 11 geöffnet ist. Als Ergebnis wird der Druck in jeder Expansionskammer angehoben, um wieder die Bedingungen bei I herzustellen.

In der oben beschriebenen Kältemaschine ist der Wirkungsgrad des dritten Regenerators sehr herabgesetzt, und Temperaturen von 6.5°K oder darunter können nicht erreicht werden, weil die spezifische Wärme von Blei, welches das Regeneratormaterial des dritten Regenerators bildet, bei Temperaturen von 10°K oder darunter kleiner ist, während die spezifische Wärme von Heliumgas groß ist.

Weiterhin wird eine erzeugte Kältemenge kleiner als eine tatsächlich erforderliche Kältemenge bei einer Temperatur von 4°K, was durch einen Wechsel in den physikalischen Eigenschaften des Heliums bedingt ist. Demgemäß tritt das Problem der Wärmeerzeugung aufgrund des Reibungswiderstandes der Dichtung verstärkt auf.

Da weiterhin die spezifische Wärme der dritten Wärmestufe bei Temperaturen von etwa 4°K klein wird, nehmen die Temperaturschwankungen in einem Kühlzyklus zu und verursachen eine Herabsetzung des Wirkungsgrades.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gaskältemaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß das erzielbare Temperaturniveau ohne zusätzlichen Joule-Thomson-Teil erniedrigt wird, wobei Verunreinigungen in einfacher Weise aus dem Arbeitsgas entfernt werden sollen. Diese Aufgabe ist durch Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt eine dreistufig ausgelegte GM-Gaskältemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt den charakteristischen Verlauf der spezifischen Wärme des Kältespeicherelementes, das in der Kältemaschine eingesetzt wird, in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 3 zeigt den charakteristischen Verlauf der Temperatur der dritten Kühlstufe der Kältemaschine in Abhängigkeit vom Anteil GdRh,

Fig. 4 zeigt den charakteristischen Verlauf einer theoretisch erzeugten Kältemenge in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 5(a) und 5(c) sind vergrößerte Schnittansichten von verschiedenen Typen des Dichtungsabschnitts in der Kältemaschine,

Fig. 5(b) ist ein Querschnitt längs der Linie A-A aus Fig. 5(a),

Fig. 6 ist der charakteristische Verlauf der Temperatur der dritten Kühlstufe bei einer Änderung der Oberflächenrauhigkeit auf der Innenfläche des Zylinders,

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführung einer Gaskältemaschine nach der Erfindung,

Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der Gaskältemaschine nach Fig. 7,

Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch eine dreistufige Gaskältemaschine nach dem Stand der Technik, und

Fig. 10 zeigt ein pV-Diagramm eines Kühlzyklus der Gaskältemaschine nach Fig. 9.

Fig. 1 zeigt eine dreistufig ausgelegte Gaskältemaschine mit dem Gifford-McMahon-Zyklus (hiernach als GM-Kältemaschine bezeichnet) mit einem dritten Regenerator 1, welcher aus einem Regeneratorteil tiefen Temperaturniveaus und einem auf hohem Temperaturniveau befindlichen Regeneratorteil 23 besteht, einem auf der Außenfläche eines Zylinders angebrachten wärmeleitenden Bauteil 24 in dem Bereich, in dem eine Dichtung gleitet, ein Kältespeicherelement 25, das auf einem Ende eines dritten Verdrängerkolbens 4 angebracht ist, ein externes gleichförmig erwärmtes Kältespeicherelement 26, das an einer dritten Kühlstufe 20 angebracht ist und einen Magneten 27 zum Einfangen von Metallstaub aufweist.

In den Fig. 5(a) und 5(c) bezeichnet die Bezugsziffer 28 einen Spannungsring eines Kolbenringes 7a als eine bevorzugte Ausführungsform einer dritten Dichtung 7, und Bezugsziffer 7b bezeichnet eine Labyrinthdichtung als eine andere bevorzugte Ausführungsform der dritten Dichtung 7.

Fig. 2 zeigt die spezifischen Wärmen von Blei, den Seltenerdsubstanzen GdRh und Gd_0.5Er_0.5Rh und von Helium bei 20 bar. In der Kältemaschine aus Fig. 1 wird das Heliumgas auf etwa 20 bar kompromiert und wird beispielsweise auf 40 K in einem ersten Regenerator 3 abgekühlt; es wird dann in einem zweiten Regenerator 2 auf 11 K abgekühlt und dann im dritten Regenerator 1 weiter abgekühlt, worauf es in eine dritte Expansionskammer 17 eingeleitet wird. Wenn Blei als Regeneratormaterial des dritten Regenerators 1 verwendet wird, wird das Heliumgas nicht ausreichend abgekühlt, da die spezifische Wärme von Blei kleiner ist als die des Heliumgases, wie es aus Fig. 2 zu entnehmen ist. Demgemäß wird die Temperatur in der dritten Expansionskammer 17 erhöht und erzeugt einen Verlust. Wenn im Gegensatz dazu GdRh als Regeneratormaterial verwendet wird, können die Verluste reduziert werden und die erreichbare Temperatur kann herabgesetzt werden, weil die spezifische Wärme von GdRh größer als die von Blei ist, wie es wiederum Fig. 2 zu entnehmen ist.

Als Ergebnis eines Vergleichstests, bei dem Blei und GdRh als Regeneratormaterial des dritten Regenerators 1 verwendet wurde, ergab sich die erreichbare Temperatur bei Einsatz von Blei zu 6.5°K, während sie bei Einsatz von GdRh 5.5°K betrug. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist die spezifische Wärme von GdRh im Bereich von 20°K bis 7.5°K relativ groß, während die spezifische Wärme von Gd_0.5Er_0.5Rh im Bereich von 7.5°K oder darunter relativ groß ist. Demgemäß kann der Wirkungsgrad weiter verbessert werden, indem man GdRh für den auf hohem Temperaturniveau befindlichen Regeneratorteil 23 des dritten Regenerators 1 benutzt und Gd_0.5Er_0.5Rh für den auf niedrigem Temperaturniveau befindlichen Regeneratorteil des dritten Regenerators 1. Fig. 3 zeigt die Änderung der erreichbaren Temperatur mit der Veränderung des Verhältnisses zwischen Gd_0.5Er_0.5Rh und GdRh. Wie man aus Fig. 3 sieht, kann die erreichbare Temperatur abgesenkt werden, indem man den Gewichtsanteil von GdRh auf 45-65% setzt. Fig. 4 zeigt die Änderung der erzeugten Kältemenge in Abhängigkeit von der Temperatur, wobei isotherme Änderungen angenommen sind. Der Druckbereich geht von 20 bar bei hohem Druck hinunter zu 6 bar bei niedrigem Druck. Die erzeugte Kältemenge ist dimensionslos gemacht durch eine Bezugsgröße, die als angezeigte Kältemenge bezeichnet wird. Wenn die Temperatur hoch ist, kann man das Heliumgas als ideales Gas ansehen, und die dimensionslos gemachte erzeugte Kältemenge würde im wesentlichen eins sein. Jedoch, wie man Fig. 4 entnimmt, wird die erzeugte Kältemenge im Temperaturbereich von 7°K oder darunter plötzlich abgesenkt. Ein solcher Punkt ist bei der konventionellen mehrstufig ausgelegten Gaskältemaschine noch nicht geklärt. Zusätzlich tritt das Problem der Wärmeerzeugung aufgrund des Reibungswiderstandes der dritten Dichtung 7 auf.

Fig. 5(a) und 5(b) zeigen die Struktur der dritten Dichtung 7a in Form eines Kolbenrings. Der Kolbenring 7a wird vom Spannring 28 radial nach außen gedrückt, um dadurch einen dichten Kontakt einer äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes 7a mit einer inneren Umfangsfläche des Zylinders 10 zu geben und den Verlust von Heliumgas 16 zu verhindern. Je größer die elastische Kraft des Spannrings 28 ist, desto dichter sind die beiden Umfangsflächen in Kontakt, um die Dichtigkeit um so mehr zu verbessern. Wenn jedoch der Druck des Kolbenringes 7a größer wird, wird der Reibungswiderstand der Dichtung heraufgesetzt und verursacht eine Zunahme in der Wärmeerzeugung. Üblicherweise war der Druck auf den Spannring 28 außergewöhnlich groß. Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung die erzeugte Kältemenge berechnet, um die elastische Kraft des Spannringes 28 auszuwählen, damit der Verlust von Heliumgas reduziert und Kälte erzeugt wird. Wenn beispielsweise der Reibungswiderstand auf 4% der angezeigten Kältemenge gesetzt wurde, erhielt man eine verbesserte Dichtigkeit. Andererseits ist die Verlustmenge des Heliumgases abhängig von der Oberflächenrauhigkeit der inneren Umfangsfläche des Zylinders 10. Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Oberflächenrauhigkeit der Innenfläche des Zylinders 10 und die erreichbare Temperatur der dritten Kühlstufe 20. Bei einer Oberflächenrauhigkeit der Innenfläche des Zylinders 10 von 0.5 µm RMS wurde eine Temperatur von 3.68 K erreichbar.

Fig. 5(c) zeigt eine weitere Ausführungsform für die dritte Dichtung 7b in Form einer Labyrinthdichtung. Der Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche der Labyrinthdichtung 7b und der inneren Umfangsfläche des Zylinders 10 wird sehr eng gehalten, um dadurch den Widerstand gegen das Entweichen des Heliumgases 16 zu erhöhen und die Verlustmenge des hindurchflüchtenden Heliumgases 16 zu reduzieren. Da weiterhin der Reibungswiderstand der Labyrinthdichtung 7b klein ist, kann die Wärmeerzeugung reduziert werden.

Als Ergebnis von Versuchen mit einem die Erfindung realisierenden experimentellen System konnten die Erfinder Heliumgas allein mit der beschriebenen GM-Kältemaschine zum ersten Mal in der Welt verflüssigen. Dabei wurde eine Temperatur von 3.58°K erreicht, die wesentlich niedriger als die zur Zeit schriftlich belegte Temperatur 6.5°K ist.

Im allgemeinen ist die Seltenerdsubstanz spröde, und wenn sie über einen langen Zeitraum benutzt wird, entsteht feiner Staub aus dem Regeneratormaterial, der in die dritte Expansionskammer 17 gelangt und sich dort auf dem Dichtungsabschnitt ablagert, wodurch eine Zunahme der Leckgefahr entsteht. Die Seltenerdsubstanz, die als Regeneratormaterial benutzt wird, ist ein ferromagnetisches Material. Der Magnet 27 bindet den ferromagnetischen feinen Staub, so daß der Dichtungsabschnitt nicht von dem feinen Staub beeinflußt wird.

Obwohl die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform auf eine dreistufige GM-Kältemaschine angewendet ist, kann die vorliegende Erfindung auch auf zweistufige oder vier- oder mehrstufige GM-Kältemaschinen angewendet werden, die einen ähnlichen Effekt zeigen können. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Gaskältemaschinen angewendet werden, die den Solvayzyklus, den verbesserten Solvayzyklus, den Vuillemnierzyklus, Stirlingzyklus usw. benutzen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die vorliegende Erfindung den folgenden Effekt zeigen kann.

Da das Kältespeicherelement des Regenerators aus der Seltenerdsubstanz gebildet ist, kann ein hoher Wirkungsgrad der Kältemaschine in einem sehr niedrigen Temperaturbereich erhalten werden.

Fig. 7 zeigt eine dreistufige GM-Gaskältemaschine 101, die eine solche Kühlkapazität hat, daß Temperaturen von 4.2°K oder darunter erreichbar sind. Das Regeneratormaterial des dritten Regenerators in dieser Kältemaschine ist aus GdRh Gd_0.5Er_0.5Rh gebildet. Die Gaskältemaschine 101 umfaßt eine erste Kühlstufe 102, eine zweite Kühlstufe 103, eine dritte Kühlstufe 104, eine erste an der ersten Kühlstufe 102 angebrachte Platte 105, eine zweite an der zweiten Kühlstufe 103 angebrachte Platte 106, eine dritte an der dritten Kühlstufe 104 angebrachte Platte 107, an der dritten Platte 107 angelagerte Aktivkohle 108 und einen Vakuumbehälter 109.

Die erste Platte 105, die zweite Platte 106 und die dritte Platte 107 werden von der ersten Kühlstufe 102, der zweiten Kühlstufe 103 bzw. der dritten Kühlstufe 104 gekühlt. Die erste Kühlstufe 102 wird bei Temperaturen von etwa 50°K betrieben, um die erste Platte 105 zu kühlen, die die Funktion hat, Strahlung zu der zweiten Platte 106 abzuschirmen. Wenn Dampf gegen die Cryopumpe schlägt, wird er an der ersten Platte 105 ausgefroren. Die zweite Kühlstufe 103 wird bei Temperaturen von etwa 15 betrieben, um die zweite Platte 106 zu kühlen, die die Strahlung zur dritten Platte 107 abschirmt. Auf der zweiten Platte 106 werden Stickstoff, Sauerstoff und Argon ausgefroren. Die dritte Kühlstufe 104 wird bei Temperaturen von etwa 4°K betrieben, um die dritte Platte 107 zu kühlen, auf der Ne und H₂ ausgefroren werden. Die auf der inneren Oberfläche der dritten Platte 107 abgelagerte Aktivkohle 108 dient zum Absorbieren von He, das bei Temperaturen von etwa 4°K nicht ausgefroren wird.

Fig. 8 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform der oben beschriebenen Kryopumpe, wobei dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 dieselben oder entsprechende Teile bezeichnen. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Aktivkohle 108 sowohl auf der zweiten Platte 106 als auch auf der dritten Platte 107 abgelagert, so daß die Betriebsbelastung der Aktivkohle 108 auf der dritten Platte 107 reduziert werden kann.

Wie oben erwähnt, benutzt die Kryopumpe gemäß der vorliegenden Erfindung eine mehrstufig ausgelegte Gaskältemaschine vom Kältespeichertyp mit mehreren Kühlstufen und ist fähig, Temperaturen von 4.2°K oder darunter zu erreichen. Daher können H₂ und Ne sogar ohne die Aktivkohle ausgefroren werden, und die von der Aktivkohle absorbierte Menge kann heraufgesetzt werden, indem die Temperatur der Aktivkohle erniedrigt wird.

Claims (3)

1. Mehrstufige Gaskältemaschine mit einem bei Normaltemperatur betriebenen Kompressor, mit Heliumgas als Arbeitsfluid und mit mehreren Expansionskammern sowie diesen zugeordneten Regeneratoren, wobei im Regenerator der tiefsten Temperaturstufe zur Wärmespeicherung Metalle aus der Gruppe der Seltenen Erden verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß GdRh für den auf hohem Temperaturniveau befindlichen Regeneratorteil (23) und Gd_0.5Er_0.5Rh für den auf niedrigem Temperaturniveau befindlichen Regeneratorteil verwendet sind, und daß die Kühlstufen wärmeleitend mit plattenförmigen Elementen (105, 106, 107) verbunden sind.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem plattenförmigen Element der tiefsten Temperaturstufe Aktivkohle angelagert ist.

3. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf dem plattenförmigen Element der vorletzten Kühlstufe Aktivkohle angelagert ist.