DE4220840C2 - Pulsationsrohr-Kühlsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälteanlage unter An­ wendung des Pulsationsrohr-Verfahrens.

Dieses Verfahren ist zuerst 1963 durch W. E. Gifford et al. vorgeschlagen worden und als ein System bekannt, das eine tiefe Temperatur unter 200 K ohne die Verwendung von be­ weglichen Teilen bei tiefen Temperatur betrieben werden kann. Diese Art eines Kältesystems ist als vorteilhaft anerkannt worden, da es sich durch eine einfache Konstruktion und eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Das Kältesystem beruht auf einem instationären Effekt des Arbeitsfluids. Deshalb ist eine Analyse der Funktionsweise des Systems durch Gleichungen ziemlich schwierig. In der Vergangenheit sind verschiedene Theorien zur Analyse des Mechanismus zur Erzeugung einer kalten Temperatur in dem Pulsationsrohr-Kühlsystem entwickelt worden, jedoch beruhen diese Theorien auf verschiedenen An­ nahmen, so daß das Arbeitsprinzip nicht klar analysiert ist.

Aus Cryogenics 1990 Vol. 30, S. 49-51 ein einstufiges Pulsa­ tionsrohr-Kühlsystem bekannt, das einen Kolbenverdichter, einen Regenerator, ein Pulsationsrohr und einen Gasspeicher aufweist, die in Serie geschaltet sind, wobei jeweils zwischen Verdichter und Regenerator, zwischen Regenerator und Pulsationsrohr und zwischen Pulsationsrohr und Gasspeicher Wärmetauscher vorgesehen sind, um die Verdichtungswärme, die Wärme am heißen Ende des Pulsationsrohrs und die Wärme an der zu kühlenden Stelle abzuführen. Zwischen dem Pulsationsrohr und dem Gasspeicher ist ein Drosselventil vorgesehen, das eine Phasenverschiebung zwischen Verdichtung und Expansion verursacht, die kleiner ist als π/2.

Ferner ist aus der US 3 431 746 ist ein Pulsationsrohr-Kühl­ system bekannt, das einen Kolbenverdichter zum Verdichten eines Arbeitsfluids, einen ersten Wärmetauscher zum Abführen der Verdichterwärme, einen Regenerator, einen zweiten Wärme­ tauscher, der am kalten Ende eines Pulsationsrohrs angeordnet ist, und einen Gasspeicher aufweist, wobei diese Elemente hintereinander angeordnet sind und der Gasspeicher derart mit dem Verdichter verbunden ist, daß der Gasspeicher wahlweise dem Verdichterraum im Expansionshub des Verdichters Gas zu­ führt.

In der JP-Abstract 1-269 874 (A) ist eine Stirling-Kälte­ maschine gezeigt, die einen Verdichterkolben und einen Ex­ pansionskolben hat, die phasengleich betrieben werden, wobei der Expansionskolben im Bereich des kalten Gases angeordnet ist.

Des weiteren ist aus der US-PS 4 717 405 ein Stirlingmotor mit einem doppeltwirkenden Kolben bekannt, wobei ein Re­ sonanzrohr als pulsierendes Antriebselement vorgesehen ist.

Ein weiteres typisches Beispiel des Pulsationsrohr- Kühlsystems ist in der beigefügten Fig. 3 gezeigt. Dieses System besteht aus einem Kompressor 1 mit einer Drucköffnung, welche mit einer Druckleitung 1a verbunden ist, und mit einer Saugöffnung, die mit einer Saugleitung 1b verbunden ist. Die Druckleitung 1a steht über ein Druckventil 2 mit einem Re­ generator 3 in Verbindung. Die Saugleitung 1b ist an den Re­ generator 3 über ein Auslaßventil 8 angeschlossen. Der Re­ generator 3 ist mit einem Wärmetauscher 4 verbunden, der mit dem einen Ende eines Pulsationsrohrs 5, das einen hohlen Innenraum 6 hat, verbunden ist. Das andere Ende des Pulsa­ tionsrohrs 5 steht mit einem Wärmetauscher geeigneter Bauart in Verbindung. Innerhalb des Systems ist ein Arbeitsfluid enthalten, wie Helium, Argon, Stickstoff, Wasserstoff oder eine Mischung von einem dieser Fluide mit Luft.

In der Druckleitung 1a wird das Arbeitsfluid durch den Kompressor 1 adiabatisch auf einen Druck von annähernd 15 bar verdichtet. In diesem Stadium wird aufgrund der adiabatischen Verdichtung die Temperatur des Arbeitsfluids erhöht. Das unter Druck gesetzte Arbeitsfluid wird dann durch ein Einlaß­ ventil 2 in den Regenerator 3 eingeführt, in welchem es seine Wärmeenergie an ein darin befindliches Medium abgibt. Auf diese Weise wird das Arbeitsfluid in seiner Temperatur im Re­ generator 3 herabgesetzt und durch den Wärmetauscher 4 in das Pulsationsrohr 5 eingeführt. Das Arbeitsfluid im Pulsationsrohr 5 wird durch den Druck im Regenerator 3 adiabatisch komprimiert, so daß ein Temperaturanstieg eintritt. Es wird dann zum Wärmetauscher 7 geführt, um Wärme an die Atmosphäre oder an ein anderes Medium abzugeben.

Anschließend wird das Auslaßventil 8 geöffnet, so daß dem Arbeitsfluid im System die Möglichkeit gegeben ist, durch die Saugleitung 1b in den Kompressor 1 zu fließen. In diesem Stadium wird das Arbeitsfluid aus dem Wärmetauscher 7 zum Pulsationsrohr 5 zurückgeführt, um dadurch das im Pulsationsrohr 5 enthaltene Arbeitsfluid zu verschieben. Das vom Wärmetauscher 7 zum Pulsationsrohr 5 zurückgeführte Arbeitsfluid wird dabei expandiert, so daß eine Temperaturabnahme eintritt. Das auf diese Weise in der Temperatur herabgesetzte Arbeitsfluid wird dem Wärmetauscher 4 zugeführt, um dort Wärme bei der tiefen Temperatur aufzunehmen. In dieser Arbeitsphase kann durch den Wärmetauscher 4 ein Medium gekühlt werden. Über die Länge des Pulsationsrohrs 5 ist von der Kühltemperatur zur Temperatur des Wärmetauschers 7 ein Temperaturgradient vorhanden. Beispielsweise ist die Temperatur im Wärmetauscher 4 annähernd 77 K, während die Temperatur im Wärmetauscher 7 annähernd 320 K beträgt.

In der Arbeitsphase, in welcher das Auslaßventil 8 geöffnet ist, besteht eine Zeitverzögerung zwischen dem Ausströmen des Arbeitsfluids aus dem Regenerator 3 und der Bewegung des Arbeitsfluids vom Wärmetauscher 7 zum Pulsationsrohr 5 hin. Damit entsteht ein Phasenunterschied zwischen der Bewegung des Arbeitsfluids durch das Auslaßventil 8 und der Bewegung des Arbeitsfluids im Pulsationsrohr 5. Dieser Phasenunterschied ist die Ursache für die Kälteerzeugung im Wärmetauscher 4.

Es hat sich herausgestellt, daß das herkömmliche Pulsations­ rohr-Kühlsystem insofern von Nachteil ist, als im Vergleich mit anderen Arten der Kälteerzeugung der Wirkungsgrad sehr niedrig ist. In einem herkömmlichen Pulsationsrohr-Kühlsystem kann mit einer Leistungsaufnahme des Verdichters von 1 kW eine Kühlleistung von 2 W bei 77K erhalten werden. Somit zeigt das herkömmliche System eine Leistungszahl von 2/1000.

Es ist deshalb die primäre Aufgabe der vorliegenden Er­ findung, den Wirkungsgrad eines Pulsationsrohr-Kühlsystems zu steigern.

Gemäß der Erfindung wird die obige Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Verdichter kann bei einer normalen Temperatur und die Ex­ pansionsmaschine kann unterhalb der Atmosphärentemperatur betrieben werden. Die Expansionsmaschine wird bezüglich des Verdichters mit einer Phasenvoreilung von etwa 50-130° betrieben.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein doppeltwirkender Kolben/Zylinder-Mechanismus derart verwendet, daß zwei Kältemaschinen miteinander verbunden werden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Pulsationsrohr- Kühlsystems in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Pulsationsrohr- Kühlsystems in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 ein Beispiel eines herkömmlichen Pulsationsrohr- Kühlsystems.

Das in Fig. 1 gezeigte Pulsationsrohr-Kühlsystem enthält einen Verdichterkolben 10, der in einem Zylinder 11 für eine Hin- und Herbewegung in diesem angeordnet ist. Der Kolben 10 und der Zylinder 11 begrenzen einen Kompressionsraum 12, welcher durch ein flexibles Rohr oder einen Metallschlauch 13 mit einem Wärmetauscher 14 verbunden ist, der seinerseits an einen Regenerator 15 angeschlossen ist. Dieser Regenerator 15 enthält ein wärmeabsorbierendes Medium, wie ein Netzwerk aus Metalldrähten, Metallkugeln, Pulver von seltenen Metallen u. dgl. Materialien.

Der Regenerator 15 steht mit einem Wärmetauscher 16 in Ver­ bindung, der mit dem einen Ende eines einen hohlen Innenraum aufweisenden Pulsationsrohrs verbunden ist. Das andere Ende des Pulsationsrohrs 17 ist an einen Wärmetauscher 18 an­ geschlossen, der wiederum über ein Durchflußregelventil 19 mit einem Wärmetauscher 20 verbunden ist. Durch ein flexibles Rohr 21 ist der Wärmetauscher 20 an einen Expansionsraum 24 angeschlossen, der von einem Kolben 23 sowie einem Zylinder 22, in welchem der Kolben 23 hin- und hergeht, bestimmt ist.

Im Betrieb ist das Arbeitsfluid im Kompressionsraum 12 auf einem vorbestimmten Druck, z. B. 15 bar, wenn der Kolben in seinem unteren Totpunkt ist, und es wird bei einer Aufwärts­ bewegung des Kolbens verdichtet. Das Arbeitsfluid im Kom­ pressionsraum 12 wird auf einen vorbestimmten Druck, z. B. 25 bar, gebracht. Die Kompression findet adiabatisch statt, so daß sich mit einem Fortschreiten der Kompression die Tempe­ ratur des Fluids erhöht. Das komprimierte Arbeitsfluid wird durch den Wärmetauscher 14, den Regenerator 15 und den Wärme­ tauscher 16 zum Pulsationsrohr 17 geführt.

Die Wärme des Arbeitsfluids wird im Wärmetauscher 14 ab­ gekühlt und im Regenerator 15 erfolgt eine weitere Abkühlung. Das in den Wärmetauscher 16 sowie in das Pulsationsrohr 17 einströmende Arbeitsfluid komprimiert das in diesen Bereichen vorhandene Arbeitsfluid in einer adiabatischen Weise. Somit wird die Temperatur des vorhandenen Arbeitsfluids erhöht und zum Wärmetauscher 18 geführt, in welchem es seine Wärme an die Atmosphäre oder ein anderes Medium abgibt, wobei seine Temperatur abgesenkt wird. Anschließend strömt das Arbeits­ fluid durch das Durchflußregelventil 19 in den Wärmetauscher 20, in welchem die Wärme des Arbeitsfluids weiter gesenkt wird. Hierauf wird das Arbeitsfluid durch das flexible Rohr 21 in den Expansionsraum 24 geführt, in welchem das Arbeits­ fluid den Kolben 23 abwärts drückt. Der Kolben 23 bewegt sich im Zylinder 22 mit einer Phase, die bezüglich der Phase des Kolbens 10 um 55-130° voreilt.

Wenn das Arbeitsfluid im Pulsationsrohr 17 komprimiert wird, hat es eine Temperatur von annähernd 350 K, und wenn es in den Expansionsraum 24 eingeführt wird, so wird die Temperatur auf die Atmosphärentemperatur abgesenkt, während der Druck auf annähernd 10 bar vermindert wird. In diesem Moment wird das Arbeitsfluid im Regenerator 15 sowie im Wärmetauscher 16 expandiert, so daß die Temperatur unter 70 K abgesenkt wird.

Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 23 bewegt sich der Kolben 10 mit einer gewissen Verzögerung abwärts. Das Arbeitsfluid im Expansionsraum 24 wird dann zwangsweise in der umgekehrten Richtung bewegt. Eine tiefe Temperatur wird im Wärmetauscher 16 erzeugt. Es wurde festgestellt, daß bei einer Verdichterdrehzahl von 350 U/min, mit einem Phasen­ unterschied von 80° und mit einer Eingangsleistung von 2 kW eine Kälteleistung von 25 W bei 77 K erhalten werden kann. Die Leistungszahl beträgt deshalb 25/2000.

Bei der oben beschriebenen Konstruktion können die Kolben 10 und 23 in irgendeiner geeigneten Weise betrieben werden. Beispielsweise können ein elektromagnetischer Antriebs­ mechanismus, ein strömungsdynamischer Antriebsmechanismus oder eine mechanische Vorrichtung zur Anwendung kommen. Es ist selbstverständlich möglich, eine Kombination eines Fluid­ drucks und einer mechanischen Feder zu verwenden.

Der Mechanismus der vorliegenden Erfindung kann als eine Abwandlung eines Kühlsystems nach dem Stirling-Kreisprozeß angesehen werden. Jedoch ist in einem Stirling-Kreisprozeß die Expansion-Kolben/Zylinder-Vorrichtung in einem Tief­ temperaturbereich angeordnet. Der vorliegende Erfindungs­ gegenstand ist gegenüber dem Kühlsystem nach dem Stirling- Kreisprozeß insofern von Vorteil, als die Expansions- Kolben/Zylinder-Vorrichtung an einem Ort angeordnet ist, an welchem die Atmosphärentemperatur vorherrscht. Es besteht die Möglichkeit, den Wärmetauscher 20 als ein einstückiges Teil des den Expansionsraum 24 begrenzenden Zylinders 22 auszu­ bilden. Wenn der Zylinder 22 und der Kolben 23 aus einem hitzebeständigen Material gefertigt werden, kann der Radiator 20 weggelassen werden. In diesem Fall kann das in den Ex­ pansionsraum 24 eingeführte Arbeitsfluid auf einer Temperatur sein, die höher ist als die Atmosphärentemperatur.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung, das ebenfalls zwei Kühlsysteme ein­ schließt. In jedem dieser Systeme werden zu Teilen der Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugszahlen unter Bei­ fügung der Ziffer 1 bzw. 2 bezeichnet. Bei dieser Aus­ führungsform haben die Kompressionsräume 12-1 und 12-2 im ersten und zweiten System einen gemeinsamen Kolben 25, wie auch die Expansionsräume 24-1 und 24-2 einen gemeinsamen Kolben 26 haben. Der Expansionskolben 26 wird mit Bezug zum Kompressionskolben 25 mit einer Phasenvoreilung von 55-130° betrieben.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, die Anzahl der Kolben nach Wunsch zu erhöhen. Durch eine Erhöhung der Anzahl der Kolben besteht die Möglichkeit, den mechanischen oder elektromagnetischen Wirkungsgrad zu steigern. Das Verhältnis des Expansionsraumes zum Kompressionsraum kann zwischen 0,4 und 1,2 liegen. Dieses Verhältnis nähert sich einander an, wenn die Temperatur im Wärmetauscher 16 abnimmt. Das Volumen­ verhältnis kann durch eine geeignete Bestimmung der Aus­ gestaltung der Kolben festgesetzt werden. Die Kolben können entweder durch mechanische Mittel, z. B. durch eine Kurbel­ welle oder durch eine Taumelscheibe bzw. durch elektro­ magnetische Mittel, wie einen elektromagnetischen Antrieb, betrieben werden.

Bei den dargestellten Ausführungsformen sind die Kolben vom hin- und hergehenden Typ. Jedoch können selbstverständlich andere Kolbentypen verwendet werden. Beispielsweise kann ohne jegliches Problem ein Drehkolben zur Anwendung kommen, wie auch ein Kompressor mit Spiralkolben verwendet werden kann.

Claims (4)

1. Kältemaschine unter Anwendung eines Pulsationsrohr- Verfahrens, mit einem Verdichter (12) zum Verdichten eines Arbeitsfluids, einem ersten Wärmetauscher (14) zum Abführen der Verdichterwärme, einem Regenerator (15), einem zweiten Wärmetauscher (16) zum Kühlen eines Mediums, einem Pulsationsrohr (17), einem dritten Wärmetauscher (18) zur Wärmeabfuhr und mit einer Expansionsmaschine (24), welche hintereinander angeordnet sind, wobei die Expansionsmaschine (24) relativ zum Verdichter (12) phasenverschoben betreibbar ist und der Verdichter (12) und die Expansionsmaschine (24) Zylinder (11, 22) mit axialverschiebbaren Kolben (10, 23) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (24) als separates Bauteil ausgebildet ist und relativ zum Kolben (10) des Verdichters (12) mit einer wählbaren Phasenvoreilung von 55°-130° betrieben wird, wobei jeweils der Verdichter (12) mit dem ersten Wärmetauscher (14) und die Expansionsmaschine (24) mit dem dritten Wärmetauscher (18) über flexible Rohrleitungen (13, 21) verbunden sind.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem dritten Wärmetauscher (18) und der Expansionsmaschine (24) ein Durchflußregelventil (19) vorgesehen ist.

3. Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Durchflußregelventil (19) und der Expansionsmaschine (24) ein vierter Wärmetauscher (20) vorgesehen ist.

4. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem ersten und einem zweiten Kältekreislauf, die jeweils einen gemeinsamen Verdichter (12-1, 12-2) und eine gemeinsame Expansionsmaschine (24-1, 24-2) besitzen, deren Kolben (25, 26) beidseitig von Arbeitsfluid beaufschlagt werden, und wobei jeweils eine Kolbenseite dem ersten Kältekreislauf und die andere Kolbenseite dem zweiten Kältekreislauf zugeordnet ist.