DE3943641C2 - 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 als Regenerator-Material 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 dieser Literaturstelle, wie auch aus der DE-OS 30 46 458, ist auch bekannt, Wärmestrahlugsschilde zum Abschirmen der Gaskältemaschine einzusetzen, die in wärmeleitender Verbindung mit den jeweiligen Kühlstufen stehen.

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 gebildeten Regeneratormaterial, einen zweiten Regenerator 2 mit einem durch Bleikugeln gebildeten Regeneratormaterial, einen ersten Regenerator 3 mit einem durch Kupferdrahtnetz gebildeten 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 vermindert, 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 ist 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 erforderlich 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 und dabei die Wärmeverluste verringert werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben, der eine weitere Verringerung der Wärmeverluste bezweckt.

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

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer dreistufig ausgelegten GM-Gaskältemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung

Fig. 2 zeigt den charakteristischen Verlauf der spezifischen Wärme des Regeneratormaterials, 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 zeigt eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführung einer erfindungsgemäßen Gaskältemaschine als Kühleinrichtung für supraleitende Magnete gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6, 7, und 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gaskältemaschine als Kühleinrichtung für supraleitende Magnete,

Fig. 9 ist ein senkrechter Schnitt der dreistufigen GM-Kältemaschine des Standes der Technik,

Fig. 10 ist ein pV-Diagramm eines Kühlzyklus in der Kältemaschine aus 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 an einem Ende eines dritten Verdrängerkolbens 4 angebracht ist, ein externes Kältespeicherelement 26, das an einer dritten Kühlstufe 20 angebracht ist und einen Magneten 27 zum Einfangen von Metallstaub aufweist.

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 komprimiert 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 Vergleichstestes, 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 angesehen, und die dimensionslos gemachte erzeugte Kältemenge würde im wesentlich 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.

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 Vuillenmierzyklus, Stirlingzyklus usw. benutzen.

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

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

Die Fig. 5 bis 8 zeigen einige bevorzugte Ausführungsformen der Gaskältemaschine als Kühleinrichtung für supraleitende Magnete, wobei dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen durchgängig dieselben oder entsprechende Teile bezeichnen.

Wie zunächst Fig. 5 zeigt, enthält die Kühleinrichtung einen Vakuumtank 201 für einen supraleitenden Magneten 205, ein erstes Wärmestrahlungsschild 202, ein zweites Wärmestrahlungsschild 203, einen Heliumtank 204 zum Aufnehmen des supraleitenden Magneten 205, flüssiges Helium 206 zum Kühlen des supraleitenden Magneten 205, verdampftes Gas 207 des flüssigen Heliums 206, Flüssigkeitstropfen 208, die durch Wiederabkühlen des verdampften Gases 207 erzeugt sind, eine Trägereinrichtung 209 zum Tragen des Heliumtanks 204, so daß er thermisch vom Vakuumtank 201 isoliert ist, eine mit dem Heliumtank 204 in Verbindung stehende Öffnung 210, einen Vakuumbereich 215 zur Wärmeisolation, einen Vierschicht-Wärmeisolator 214 zur Wärmeisolation, eine dreistufige GM-Kältemaschine 220, Stellschrauben 230 zum Verbinden des ersten Wärmestrahlungsschildes 202 mit einer ersten Wärmestufe der dreistufigen GM-Kältemaschine 220, Stellschrauben 231 zum Verbinden des zweiten Wärmestrahlungsschildes 203 mit einer zweiten Wärmestufe der GM-Kältemaschine 220, Stellschrauben 232 zum Verbinden des Heliumtanks 204 mit einer dritten Wärmestufe der GM-Kältemaschine 220, Bolzen 229 zum Verbinden der GM-Kältemaschine 220 mit dem Vakuumtank 201, eine Vakuum-Dichtung 228, einen Kompressor 221 zum Komprimieren von Heliumgas, einen Hochdruckschlauch 222 zum Leiten des komprimierten Heliumgases zur GM-Kältemaschine 220, und einen Niederdruckschlauch 223 zum Zurückführen des unter niedrigem Druck stehenden Heliumgases, welches in der GM-Kältemaschine 220 expandiert ist, zum Kompressor 221.

Die dritte Wärmestufe der dreistufigen GM-Kältemaschine ist mit Hilfe der Stellschrauben 232 am Heliumtank 204 in einer solchen Weise angebracht, daß der therimische Widerstand so klein wie möglich wird. Die von der dritten Wärmestufe erzeugte Kälte wird durch eine Trennwand des Heliumtanks 204 zum verdampften Helium im Heliumtank 204 geleitet, um so dieses Gas wieder zu verflüssigen.

Die erste Wärmestufe und die zweite Wärmestufe der GM-Kältemaschine 220 sind am ersten Wärmestrahlungsschild 202 bzw. am zweiten Wärmestrahlungsschild 203 angebracht, um die Schilde 202 und 203 auf etwa 80° K bzw. etwa 20° K zu kühlen.

Obwohl die von der dritten Wärmestufe erzeugte Kälte durch die Trennwand des Heliumtankes 204 zum verdampften Gas geleitet wird, kann die dritte Wärmestufe in den Heliumtank 204 hineinragen, wie in Fig. 6 gezeigt ist. In diesem Fall ist eine Vakuum-Dichtung 236 notwendig.

Fig. 7 zeigt eine Modifikation, bei der eine Öffnung 240 zum Einführen der GM-Kältemaschine 220 vorgesehen ist. Das verdampfte Helium wird durch die dritte Wärmestufe wieder verflüssigt, und die Wärmestrahlungsschilde werden durch die erste Wärmestufe und die zweite Wärmestufe durch eine Trennwand der Öffnung 240 hindurch gekühlt.

Alternativ kann, wie in Fig. 8 gezeigt, die Öffnung 240 in einer vielfach abgestuften Struktur ausgebildet sein, so daß der thermische Kontakt zwischen den Wärmestufen und den Wärmestrahlungsschilden erhöht wird.

Obwohl die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen bei einem speziellen supraleitenden Magneten angewendet werden, kann die vorliegende Erfindung auch für andere supraleitende Magnete angewendet werden, die eine Kältelast von einigen Watt bei 4.2° K haben, wie supraleitende Magnete für magnetisches Schweben und supraleitende Magnete für Teilchenbeschleuniger.

Eine konventionelle Kühleinrichtung für supraleitende Magnete (z. B. der Kühleinrichtung für supraleitende Magnete wie in dem "1st Cryogenic Engineering Summer Seminar Text" (1988) p. 14, veröffentlich durch Cryogenic Engineering Association, und dem "34th Cryogenic Engineering Seminar Text" (1985), p. 88, veröffentlicht durch Cryogenic Engineering Association, gezeigt) enthält einen Heliumverflüssiger, einen Wärmetauscher und ein Joule-Thomson-Ventil. Daher ist eine solche Kühleinrichtung von komplexer Struktur und teuer. Weiterhin ist der Betrieb störanfällig. Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung die mehrstufig ausgelegte Gas-Kältemaschine vom Kältespeichertyp, die Temperaturen von 4.2° K oder darunter erreichen kann, zur Kühlung eines supraleitenden Magneten verwendet, wobei das verdampfte Heliumgas wieder verflüssigt wird und gleichzeitig die Wärmestrahlungsschilde gekühlt werden. Dementsprechend kann die Kühleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei niedrigen Kosten vereinfacht und die Zuverlässigkeit verbessert werden.

Claims (2)

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, daß das in der Gaskältemaschine verflüssigte Helium in einem Heliumtank (204) gesammelt wird, der zur Kühlung eines supraleitenden Magneten (205) dient, und daß die Gaskältemaschine und der Heliumtank in einem Vakuumbehälter (201) angeordnet sind.

2. Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskältemaschine und der Heliumtank (204) von Wärmestrahlungsschilden (202, 203) umgeben sind, die von den jeweiligen Kühlstufen der Gaskältemaschine gekühlt werden.