DE4242642A1 - Wärmepumpverfahren sowie Wärmepumpe zur Erzeugung kryogener Temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpverfahren, insbeson­ dere zur Erzeugung kryogener Temperaturen, sowie eine Wärmepumpe mit einem kaltseitigen ersten Raum und einem warmseitigen zweiten Raum, zwischen denen ein Regenerator angeordnet ist, sowie mit einer Vorrichtung zur zyklischen Verlagerung eines Arbeitsmediums von einem Raum in den anderen.

Für eine Anzahl von Anwendungen, z. B. für die Raumfahrt, werden extrem zuverlässige und wirtschaftlich durchführ­ bare Wärmepumpverfahren zur Erzeugung von kryogenen Tempe­ raturen, insbesondere im Bereich unterhalb von 150 Kelvin, benötigt, die mittels Wärmepumpen durchführbar sind, die sich durch eine hohe Lebensdauer auszeichnen.

Bei der Entwicklung derartiger Verfahren ist man bestrebt, mit möglichst wenigen mechanisch bewegten und daher der Abnutzung unterliegenden Teilen auszukommen; weiter ist man bestrebt, die Geschwindigkeit, mit der sich diese Teile bewegen, möglichst gering zu halten, was jedoch eine Verringerung der mit solchen Verfahren erreichbaren Kühl­ leistung bedeutet, weshalb diese Verfahren bevorzugt im Bereich geringer, einige Watt betragender Kühlleistung Anwendung finden.

Während bei einem für die Raumfahrt entwickelten und nach einem inversen Sterlingprozeß arbeitenden bekannten Wärme­ pumpverfahren ein Arbeitsmedium bei Raumtemperatur iso­ therm komprimiert, an einen zu kühlenden Ort verlagert, dabei entsprechend einem bereits bestehenden Temperatur­ gradienten abgekühlt, an dem zu kühlenden Ort expandiert und anschließend wieder entsprechend dem Temperaturgra­ dienten aufgewärmt und zurückverlagert wird, was einen erheblichen apparativen Aufwand durch eine Vielzahl von gegeneinander bewegter Teile erfordert, nämlich zumindest eine bei Raumtemperatur arbeitende Kompressionsvorrich­ tung, eine Verlagerungsvorrichtung und eine bei tiefer Temperatur arbeitende Expansionsvorrichtung, wird zur Durchführung eines von Gifford und McMahon entwickelten Wärmepumpverfahrens neben einer Verlagerungsvorrichtung für das Arbeitsgas lediglich eine bei Raumtemperatur ar­ beitende Kompressionsvorrichtung sowie ein gleichfalls bei Raumtemperatur angeordnetes Einlaß- und ein Auslaß- oder Entspannungsventil benötigt. Zur Durchführung dieses Wärmepumpverfahrens, das sich eng an einen in umgekehrter Richtung zu durchlaufenden Sterlingprozeß anlehnt und das im einzelnen in dem Buch von G.G. Haselden, Cryogenic Fundamentals, P. 752, Academic Press London 1971, be­ schrieben ist, werden also keine bei tiefen Temperaturen unter hohen Belastungen bewegte Vorrichtungsbestandteile benötigt; trotzdem ist dieses Verfahren angesichts der Notwendigkeit der Kompressionsvorrichtung immer noch sehr störanfällig und die zur Durchführung des Verfahrens be­ nötigte Anlage sehr wartungsintensiv.

Zur Durchführung eines weiteren bekannten Verfahrens, das sich der sogenannten magnetischen Kühlung bedient, werden keine wartungsbedürftigen und störanfälligen Kompressoren benötigt, sondern die Kühlung erfolgt durch zyklisch adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischer oder im Temperaturbereich ihres Curie-Punktes oder darüber befind­ licher ferromagnetischer Materialien. Nachteilig ist bei diesem Verfahren jedoch, daß die zyklische Magnetisierung und Entmagnetisierung aus verschiedenen Gründen nicht rasch genug durchgeführt werden können, insbesondere wegen der erforderlichen hohen magnetischen Feldstärken, die fast nur mittels supraleitender Spulen erzeugt werden können. Eine Zyklusfrequenz von etwa 1 Hz dürfte hier die obere Grenze darstellen, wodurch die Leistungsfähigkeit dieses Wärmepumpverfahrens sehr begrenzt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärme­ pumpverfahren, insbesondere zur Erzeugung kryogener Tempe­ raturen, zu schaffen, das relativ leistungsfähig und weniger störanfällig ist als bekannte Verfahren und zu dessen Durchführung ein mit geringen Kosten verbundener apparativer Aufwand erforderlich ist und das dennoch wirt­ schaftlich durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem eingangs beschriebenen Ver­ fahren erfindungsgemäß durch die folgenden zyklisch wiederkehrenden Verfahrensschritte gelöst:

• - Erwärmen eines elektrisch polarisierbaren Mediums durch Anlegen eines durch eine Hochspannung erzeug­ ten elektrischen Feldes an das elektrisch polari­ sierbare Medium;
• - Kühlen des erwärmten polarisierten Mediums durch ein zuvor in einem ersten Raum bereitgehaltenes Arbeits­ medium, wobei das letztere erwärmt wird;
• - Aufwärmen des Arbeitsmediums entsprechend einem Temperaturgradienten innerhalb eines Regenerators;
• - Abführen zumindest eines Teiles der zuvor von dem polarisierten Medium aufgenommenen Wärme des Ar­ beitsmediums an einen warmseitigen Wärmetauscher und Speichern des Arbeitsmediums in einem zweiten Raum;
• - adiabatisches Beenden der Einwirkung des elek­ trischen Feldes auf das polarisierte Medium, wodurch das polarisierte Medium auf eine Temperatur unter­ halb seiner Temperatur vor Anlegen des Feldes abge­ kühlt wird;
• - Kühlen des gespeicherten Arbeitsmediums aus dem zweiten Raum entsprechend dem Temperaturgradienten innerhalb des Regenerators, wobei die zuvor vom Regenerator aufgenommene Wärme zumindest zum größten Teil wieder an diesen abgeführt wird;
• - weiteres Kühlen des durch den Regenerator gekühlten Arbeitsmediums auf eine Temperatur unterhalb seiner Bereitstellungstemperatur durch das abgekühlte polarisierbare Medium;
• - Kühlen eines kaltseitigen Wärmetauschers mit dem durch das polarisierbare Medium gekühlten Arbeits­ medium und Speichern des Arbeitsmediums in dem ersten Raum.

Bei dem elektrisch polarisierbaren Medium kann es sich um ein dielektrisches oder ein ferroelektrisches Material handeln, dessen thermodynamischer Ordnungsgrad durch den Einfluß eines elektrischen Feldes zunimmt, wobei Wärme er­ zeugt wird, die die Temperaturerhöhung des Mediums be­ wirkt. Zumindest ein Teil dieser Wärme wird an das Ar­ beitsmedium, vorzugsweise Helium, Wasserstoff oder Argon, aber auch andere Medien sind denkbar, abgeführt, das seinerseits zumindest einen Teil dieser Wärme an den warm­ seitig des Regenerators angeordneten Wärmetauscher abgibt, nachdem es im Regenerator von tiefen Temperaturen auf Um­ gebungstemperatur erwärmt wurde.

Bei dem Regenerator handelt es sich um einen im Idealfall in Strömungsrichtung thermisch nicht leitenden Wärmespei­ cher, mittels dessen das Arbeitsmedium von tiefen Tempera­ turen auf Umgebungstemperatur erwärmt und, wenn der Rege­ nerator in umgekehrter Richtung durchströmt wird, wieder auf tiefe Temperaturen abgekühlt wird. Die Verwendung eines Regenerators zum Aufwärmen und Abkühlen eines Ar­ beitsmediums bei Wärmekraftmaschinen oder Wärmepumpen ist beispielsweise von der PHILIPS-Gaskältemaschine her be­ kannt, bei der ein inverser Sterlingprozeß, wie eingangs ausgeführt wurde, durchlaufen wird. Der von einem Arbeits­ medium durchströmbare Regenerator weist beispielsweise in seinem Inneren kleine Metallkügelchen sowie Metallspäne auf. Bei diesen wird zum einen durch den nur punktuellen Kontakt zwischen den Metallkügelchen die Wärmeleitfähigkeit in Strömungsrich­ tung sehr gering gehalten und zum anderen stellt die hohe Wärmekapazität des Metalls eine Wärme- bzw. Kältespeicher­ kapazität dar. Beim zyklischen Durchströmen des Regenera­ tors durch das Arbeitsmedium wird sich im Inneren des Re­ generators ein Temperaturgradient zwischen der Umgebungs­ temperatur der Wärmepumpe-und dem Temperaturniveau des sich im Zuge des Verfahrens weiter abkühlenden polarisier­ baren Mediums einstellen.

Wird die Einwirkung des elektrischen Feldes auf das po­ larisierte Medium adiabatisch beendet - im einfachsten Fall wird hierzu ein an eine Hochspannung gelegter Konden­ sator, der zwischen seinen Elektroden das polarisierbare Medium enthält, von der Hochspannung getrennt, oder aber das polarisierte Medium wird an einen Ort geringer oder verschwindender elektrischer Feldstärke verlagert - so kühlt sich das polarisierte Medium infolge der Abhängig­ keit seiner thermodynamischen Zustandsfunktion sowohl von der Temperatur als auch von der elektrischen Feldstärke ab, und die entstehende Kühlkapazität wird an das Arbeits­ medium übertragen, mit dem dann ein kaltseitiger Wärme­ tauscher gekühlt wird.

Das zyklisch zwischen dem ersten und dem zweiten Raum hin und her strömende Arbeitsmedium wird bevorzugterweise aus dem ersten bzw. aus dem zweiten Raum verdrängt, was insbe­ sondere durch eine einfache Verdrängeranordnung mit einem Verdrängerkolben durchgeführt werden kann. Die durch die Verdrängeranordnung aufzubauenden Druckunterschiede zur Überwindung des Strömungswiderstands bei der Gasströmung sind vernachlässigbar gering, so daß eine die Lebensdauer der Verdrängeranordnung beeinflussende Abnutzung praktisch nicht auftritt.

Zu Beginn der Durchführung des erfindungsgemäßen Wärme­ pumpverfahrens befinden sich das Arbeitsmedium, das pola­ risierbare Medium sowie der Regenerator beispielsweise auf der gleichen Ausgangstemperatur. Dann wird das polarisier­ bare Medium durch Einwirken mit einem durch eine Hoch­ spannung erzeugten elektrischen Feld erwärmt. Das in ther­ mischen Kontakt mit dem polarisierten Medium gebrachte Arbeitsmedium nimmt Wärme auf und gibt dieselbe in dem noch bei Ausgangstemperatur befindlichen Regenerator und im warmseitigen Wärmetauscher ab. Durch adiabatisches Be­ enden der Einwirkung des elektrischen Feldes auf das polarisierte Medium wird dieses auf eine Temperatur unter­ halb der Ausgangstemperatur abgekühlt und die entstehende Kühlkapazität wird mittels des nun in umgekehrter Richtung strömenden Arbeitsmediums zumindest zum Teil an den kalt­ seitigen Wärmetauscher abgeführt. Nach einer größeren An­ zahl von Zyklen stellt sich auf diese Weise eine Tempera­ turverteilung ein, bei welcher sich das polarisierbare Medium sowie der kaltseitige Wärmetauscher auf tiefer Tem­ peratur befinden, während sich im Regenerator eine mit seiner durchströmbaren Länge auf Umgebungstemperatur an­ steigende Temperaturverteilung einstellt.

Dem Arbeitsmedium wird also bei tiefer Temperatur beim kaltseitigen Wärmetauscher bei jedem Zyklus eine Wärme­ menge zugeführt, welche dem Arbeitsmedium beim warmsei­ tigen Wärmetauscher zumindest zum Teil wieder entzogen wird.

Wird als polarisierbares Medium ein ferroelektrisches Material verwendet, so erweist es sich im stationären Kühlbetrieb hinsichtlich der mit dem Verfahren erreich­ baren Kühlleistung als vorteilhaft, die Temperatur des ferroelektrischen Materials im Bereich seines Curie- Punktes zu halten.

Das durch eine Hochspannung erzeugte elektrische Feld kann in beliebiger Weise an das polarisierbare Medium angelegt werden bzw. auf das polarisierbare Medium einwirken. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann das polarisierbare Medium zyklisch an einen Ort erheblicher elektrischer Feldstärke bzw. an einen Ort mit verschwindender oder geringer elek­ trischer Feldstärke gebracht werden. Das elektrische Feld kann aber auch durch Elektroden, die auf das polarisier­ bare Medium aufgebracht sind und die zyklisch an eine Hochspannung gelegt werden, aufgebaut bzw. abgebaut werden. Bevorzugt wird das elektrische Feld jedoch durch eine das elektrisch polarisierbare Medium enthaltende Kondensatoranordnung angelegt, an die zyklisch eine Hoch­ spannung im Bereich zwischen ungefähr 80 und ungefähr 98% der Durchbruchsspannung der das polarisierbare Medium enthaltenden Kondensatoranordnung angelegt wird.

Zum Herstellen eines thermischen Kontaktes zwischen dem Arbeitsmedium und dem polarisierbaren Medium ist es im vorstehenden Fall vorteilhaft, das erstere an den Elek­ troden des Kondensators vorbeizuleiten; hierzu sollte jedoch der thermische Übergangswiderstand zwischen dem polarisierbaren Medium, das ja erwärmt und abgekühlt wird, und den Kondensatorplatten möglichst gering sein. Ferner ist es auch denkbar und im Hinblick einer guten ther­ mischen Ankopplung auch vorteilhaft, wenn das Arbeits­ medium durch Öffnungen in dem polarisierbaren Medium hin­ durchgeleitet wird.

Hinsichtlich der Bestimmung der Verfahrensparameter wird vorgeschlagen, die Zyklusfrequenz in Abhängigkeit von den Strömungsverlusten bei der Verlagerung des Arbeitsmediums und in Abhängigkeit von der Wärmeübertragung zwischen dem polarisierbaren Medium und dem Arbeitsmedium bzw. zwischen dem Arbeitsmedium und den Wärmetauschern zu wählen. Der an sich mit einer Erhöhung der Zyklusfrequenz einhergehende Anstieg der Kühlleistung wird durch die mit zunehmender Frequenz unvollständiger werdende Wärmeübertragung be­ schränkt; die mit zunehmender Frequenz zunehmenden Strö­ mungsverluste führen zu einem erhöhten Leistungsbedarf bei der Durchführung des Verfahrens und die dabei auftretenden Kräfte können Abnutzungserscheinungen zur Folge haben. In Abhängigkeit von den jeweiligen Umständen werden im Be­ reich von ungefähr 5 bis ungefähr 25 Hz liegende Zyklus­ frequenzen bevorzugt gewählt. Besonders vorteilhaft ist es, Zyklusfrequenzen im Bereich von 10-20 Hz, noch besser im Bereich von 15-20 Hz, zu wählen.

Der Erfindung lag die weitere Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die möglichst wenig bewegte, der Abnutzung unterliegende Teile aufweist, die also insbesondere ohne einen wartungsbe­ dürftigen und störanfälligen Kompressor auskommt und mit welcher sich eine möglichst hohe Zyklusfrequenz erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einer Wärmepumpe mit einem kalt­ seitigen ersten Raum und einem warmseitigen zweiten Raum, zwischen denen ein Regenerator angeordnet ist, sowie mit einer Vorrichtung zur zyklischen Verlagerung eines Arbeitsmediums von einem Raum in den anderen erfindungsge­ mäß dadurch gelöst, daß zwischen dem ersten Raum und dem Regenerator eine von dem Arbeitsmedium durchströmbare und ein elektrisch polarisierbares Medium enthaltende Tem­ periervorrichtung vorgesehen ist,daß das elektrisch pola­ risierbare Medium durch Anlegen eines elektrischen Feldes mittels der Temperiervorrichtung aufwärmbar und durch adiabatisches Beenden der Einwirkung des elektrischen Feldes abkühlbar ist, daß strömungstechnisch warmseitig des Regenerators ein warmseitiger Wärmetauscher zur Küh­ lung des durch den Regenerator erwärmten Arbeitsmediums und auf der dem Regenerator strömungstechnisch abgewandten Seite der Temperiervorrichtung ein kaltseitiger Wärme­ tauscher zur Wärmeabgabe an das Arbeitsmedium angeordnet ist.

Vorteilhafterweise ist die Wärmepumpe so ausgebildet, daß die Vorrichtung zur zyklischen Verlagerung des Arbeitsme­ diums eine Verdrängeranordnung mit einem verschieblichen Verdrängerkolben umfaßt. Die zur Verlagerung des Arbeits­ mediums mittels einer Verdrängeranordnung erforderlichen Druckunterschiede sind sehr gering, so daß Abnutzungser­ scheinungen aufgrund der auf den Kolben und auf die Dich­ tungen wirkenden Kräfte, wie sie bei Kompressoren auftre­ ten, ausgeschlossen werden können.

Ferner erweist es sich bei einer wie vorstehend beschrie­ ben ausgebildeten Wärmepumpe in konstruktiver Hinsicht als vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Raum von der Verdrängeranordnung gebildet sind und von der einen bzw. von der anderen Seite eines thermisch isolierenden Ver­ drängerkolbens begrenzt sind. Für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Wärmepumpe könnte der zweite Raum aber auch durch die Umgebung der Wärmepumpe gebildet sein.

Zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das elektrisch polarisierbare Medium könnte dieses mit Elektroden ver­ sehen sein, die innerhalb der Temperiervorrichtung zyklisch an eine Hochspannung anlegbar sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme­ pumpe umfaßt die Temperiervorrichtung zum Anlegen des elektrischen Feldes einen Kondensator, zwischen dessen Elektroden das polarisierbare Medium angeordnet ist. Es kann sich hierbei um einen Plattenkondensator handeln, der vorzugsweise mehrere, insbesondere parallel geschaltete Kondensatorplatten umfaßt, oder aber um einen Kondensator mit im wesentlichen koaxial angeordneten Elektroden.

Zum Herstellen eines thermischen Kontakts zwischen dem Arbeitsmedium und dem aufwärmbaren bzw. abkühlbaren elek­ trisch polarisierbaren Medium ist die Temperiervorrichtung der Wärmepumpe vorteilhafterweise so ausgebildet, daß die Elektroden des Kondensators von dem Arbeitsmedium umström­ bar sind. Es ist aber auch denkbar und vorteilhaft, daß in dem polarisierbaren Medium für das Arbeitsmedium durch­ strömbare Öffnungen vorgesehen sind.

Die letztere Ausführungsform erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn das polarisierbare Material nicht dauerhaft zwischen den Elektroden des Kondensators angeordnet ist, sondern nach Art eines Drehkondensators zyklisch in ein zwischen den Platten des Kondensators be­ stehendes elektrisches Feld eingebracht bzw. aus dem Feld entfernt wird.

Konstruktiv besonders einfach und daher wenig störanfällig ist es, wenn der warmseitige Wärmetauscher beim Betrieb der Wärmepumpe von einem Kühlmittel durchströmt ist und der kaltseitige Wärmetauscher mit einem zu kühlenden Reservoir thermisch leitend verbunden ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe sind als polarisierbares Medium mehrere ver­ schiedene ferroelektrische Materialien mit unterschied­ licher Curie-Temperatur vorgesehen, um einen möglichst großen Temperaturbereich zu erfassen, innerhalb dessen die Wärmepumpe bei optimaler Kühlleistung betreibbar ist.

Die Temperiervorrichtung kann auch mehrstufig ausgebildet sein, wobei für verschiedene Temperaturbereiche verschie­ dene Kondensatoren mit unterschiedlichen polarisierbaren Medien vorgesehen sind.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der schematischen zeichnerischen Darstellung einer Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe sowie ihrer Funktionsweise.

Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsge­ mäße Wärmepumpe umfaßt eine Verdrängeranordnung 10 mit einem ein Verdrängervolumen 12 umschließenden Verdränger­ zylinder 14 und einem Verdrängerkolben 16. Der Verdränger­ zylinder 14 bildet zusammen mit einer Kolbenfläche 18 des Verdrängerkolbens 16 einen ersten Raum 20. Von diesem ersten Raum 20 führt eine erste Leitung 22 zu einer Tem­ periervorrichtung 24 mit einem Gehäuse und einer darin vorgesehenen Anordnung aus mehreren parallel geschalteten Plattenkondensatoren 26. Zwischen plattenförmigen Elektro­ den 28 der Plattenkondensatoren 26 ist ein polarisier­ bares, z. B. ferroelektrisches Medium 30 angeordnet. Die Plattenkondensatoren 26 sind über Leitungen 32 sowie über eine Steuerung 34 zyklisch an eine nur andeutungsweise dargestellte Hochspannungsquelle 36 anlegbar. Die Steue­ rung 34 wirkt mit einer den Verdrängerkolben 16 auf und ab bewegenden, in der Zeichnung jedoch nicht dargestellten Kolbenantriebseinheit derart zusammen, daß kurz bevor der Verdrängerkolben 16 von seinem oberen Totpunkt in der Zeichnung nach unten bewegt wird, die Plattenkondensa­ toren 26 mit der Hochspannungsquelle 36 verbunden werden und daß sie wieder von der Hochspannungsquelle 36 getrennt werden, kurz bevor der Verdrängerkolben 16 von seinem unteren Totpunkt in der Zeichnung nach oben bewegt wird.

Die Temperiervorrichtung 24 ist für ein insbesondere gas­ förmiges Arbeitsmedium, wie z. B. Helium oder Wasserstoff, durchströmbar ausgebildet, so daß ein thermischer Kontakt zwischen dem Arbeitsmedium und dem polarisierbaren Medium 30 sowie den plattenförmigen Elektroden 28 herstellbar ist. Das polarisierbare Medium 30 weist zu diesem Zweck ferner kanalförmige Öffnungen 38 auf, die sich durch das polarisierbare Medium 30 derart hindurcher­ strecken, daß sie von dem Arbeitsmedium durchströmbar sind.

Eine der Mündung der ersten Leitung 22 gegenüberliegende Seite 40 der Temperiervorrichtung 24 ist mittels eines kurzen Leitungsabschnitts 42 mit einem Regenerator 44 ver­ bunden. Bei dem Regenerator 44 handelt es sich um einen in Strömungsrichtung im Idealfall thermisch nichtleitenden Wärmespeicher. Er besteht im wesentlichen aus einem für das Arbeitsmedium durchströmbaren Gehäuse 46, das mit Metallkügelchen 47, deren Durchmesser im Millimeterbereich liegt, gefüllt ist. Eine der Temperiervorrichtung 24 strömungstechnisch gegenüberliegende Seite 50 des Regene­ rators 44 ist über eine zweite Leitung 52 mit einem zweiten Raum 54 verbunden. Dieser zweite Raum 54 ist von dem Verdrängerzylinder 14 sowie von einer der ersten Kolbenfläche 18 gegenüberliegenden zweiten Kolbenfläche 56 gebildet; beide Räume 20 bzw. 54 sind also von demselben Verdrängerzylinder 14 gebildet und werden von der ersten bzw. zweiten Kolbenfläche 18 bzw. 56 des Verdrängerkol­ bens 16 begrenzt.

Schließlich ist in der ersten Leitung 22 ein kaltseitiger Wärmetauscher 58 und in der zweiten Leitung 52 ein warm­ seitiger Wärmetauscher 60 vorgesehen. Über den kaltsei­ tigen Wärmetauscher 58 wird dem in der ersten Leitung 22 strömenden Arbeitsmedium Wärme von einem zu kühlenden Reservoir zugeführt, und über den warmseitigen Wärmetau­ scher 60 wird das aus dem Regenerator 44 kommende und in Richtung des zweiten Raums 54 strömende Arbeitsmedium ge­ kühlt.

Zu Beginn des Kühlbetriebs befinden sich sämtliche Kompo­ nenten der erfindungsgemäßen Wärmepumpe auf Raumtemperatur und der Verdrängerkolben 16 ist in seinem oberen Totpunkt, d. h. das Volumen des zweiten Raums 54 ist vernachlässig­ bar klein und das Volumen des ersten Raums 20 hat seine maximale Größe erreicht und umfaßt einen Großteil des Arbeitsmediums. Zu Beginn des Kühlzyklus werden die Plattenkondensatoren 26 über die Steuerung 34 an die Hoch­ spannungsquelle 36 gelegt, so daß das polarisierbare Medium 30 von einem elektrischen Feld, dessen Feldstärke in der Nähe der Durchbruchsfeldstärke der mit dem polari­ sierbaren Medium 30 gefüllten Kondensatoren 26 liegt, durchsetzt und dadurch erwärmt wird. Durch Abwärtsbewegen des Verdrängerkolbens 16 wird das Arbeitsmedium aus dem ersten Raum 20 verdrängt und durchströmt den zu Anfang bei Raumtemperatur befindlichen kaltseitigen Wärmetauscher 58 und anschließend die Temperiervorrichtung 24, in welcher das Arbeitsmedium in thermischen Kontakt mit dem erwärmten polarisierbaren Medium 30 gelangt und dieses dabei ab­ kühlt, wobei es selbst erwärmt wird. Nach Verlassen der Temperiervorrichtung 24 über den kurzen Leitungsab­ schnitt 42 strömt das Arbeitsmedium durch den Regenerator 44 und anschließend durch den warmseitigen Wärmetauscher 60 und gelangt über die zweite Leitung 52 in den zweiten Raum 54, dabei gibt es zumindest einen Teil der zuvor von dem polarisierbaren Medium 30 aufgenommenen Wärme an den immer noch bei Raumtemperatur befindlichen Regenerator 44 und den warmseitigen Wärmetauscher 60 ab. Werden die Plattenkondensatoren 26 mittels der Steuerung 34 von der Spannungsquelle 36 getrennt, die Einwirkung des elek­ trischen Feldes also adiabatisch beendet, so kühlt sich das polarisierbare Medium 30 auf­ grund der Abhängigkeit seiner thermodynamischen Zustands­ funktion von der Temperatur und der elektrischen Feld­ stärke auf eine Temperatur unterhalb seiner Ausgangstem­ peratur ab und kühlt bei der nun erfolgenden Aufwärtsbe­ wegung des Verdrängerkolbens 16 das nun in umgekehrter Richtung die zweite Leitung 52, den warmseitigen Wärme­ tauscher 60, den Regenerator 44 sowie die Temperiervor­ richtung 24 durchströmende Arbeitsmedium auf eine Tempera­ tur unterhalb seiner Bereitstellungstemperatur in dem ersten Raum 20 ab. Das abgekühlte Arbeitsmedium durch­ strömt die erste Leitung 22 in Richtung des ersten Raums 20 und kühlt dabei über den kaltseitigen Wärmetauscher 58 ein zu kühlendes Reservoir.

Auf diese Weise wird nach einer größeren Anzahl von Zyklen die Temperiervorrichtung 24 mit den Plattenkondensatoren 26 und dem polarisierbaren Medium 30 sowie der kaltseitige Wärmetauscher 58 bzw. das zu kühlende Reservoir auf tiefe Temperaturen abgekühlt, während sich in dem Regenerator 44 eine von tiefer Temperatur auf Umgebungstemperatur an­ steigende Temperaturverteilung einstellt, und zwar in Richtung von dem der Temperiervorrichtung 24 zugewandten Ende zu dem dem warmseitigen Wärmetauscher 58 zugewandten Ende.

Im stationären Kühlbetrieb, wenn also der vorstehend be­ schriebene Zustand erreicht ist, wird im Regenerator 44 das von dem ersten Raum 20 in Richtung des zweiten Raums 54 strömende Arbeitsmedium von tiefer Temperatur auf Umge­ bungstemperatur erwärmt und, wenn das Arbeitsmedium in um­ gekehrter Richtung strömt, auf tiefe Temperatur abgekühlt.

Claims (22)

1. Wärmepumpverfahren, insbesondere zur Erzeugung kryo­ gener Temperaturen, gekennzeichnet durch die folgen­ den zyklisch wiederkehrenden Verfahrensschritte:

• - Erwärmen eines elektrisch polarisierbaren Mediums durch Anlegen eines durch eine Hochspannung er­ zeugten elektrischen Feldes an das elektrisch polarisierbare Medium;
• - Kühlen des erwärmten polarisierten Mediums durch ein zuvor in einem ersten Raum bereitgehaltenes Arbeitsmedium, wobei das letztere erwärmt wird;
• - Aufwärmen des Arbeitsmediums entsprechend einem Temperaturgradienten innerhalb eines Regenerators;
• - Abführen zumindest eines Teiles der zuvor von dem polarisierten Medium aufgenommenen Wärme des Arbeitsmediums an einen warmseitigen Wärmetauscher und Speichern des Arbeitsmediums in einem zweiten Raum;
• - adiabatisches Beenden der Einwirkung des elek­ trischen Feldes auf das polarisierte Medium, wo­ durch das polarisierte Medium auf eine Temperatur unterhalb seiner Temperatur vor Anlegen des Feldes abgekühlt wird;
• - Kühlen des gespeicherten Arbeitsmediums aus dem zweiten Raum entsprechend dem Temperaturgradienten innerhalb des Regenerators, wobei die zuvor vom Regenerator aufgenommene Wärme zumindest zum größten Teil wieder an diesen abgeführt wird;
• - weiteres fühlen des durch den Regenerator gekühl­ ten Arbeitsmediums auf eine Temperatur unterhalb seiner Bereitstellungstemperatur durch das abge­ kühlte polarisierbare Medium;
• - Kühlen eines kaltseitigen Wärmetauschers mit dem durch das polarisierbare Medium gekühlten Arbeits­ medium und Speichern des Arbeitsmediums in dem ersten Raum.

2. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Arbeitsmedium aus dem ersten und zweiten Raum verdrängt wird.

3. Wärmepumpverfahren nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsme­ dium Helium verwendet wird.

4. Wärmepumpverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium Wasser­ stoff verwendet wird.

5. Wärmepumpverfahren nach einem oder mehreren der vor­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als polarisierbares Medium ein ferroelektrisches Material verwendet wird und daß die Temperatur dieses ferroelektrischen Materials im stationären Kühlbe­ trieb im Bereich seines Curie-Punktes gehalten wird.

6. Wärmepumpverfahren nach einem oder mehreren der vor­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld durch eine das elektrisch polari­ sierbare Medium enthaltende Kondensatoranordnung an­ gelegt wird.

7. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Kondensator eine Hochspannung im Bereich zwischen ungefähr 80 und ungefähr 98% seiner Durchbruchsspannung angelegt wird.

8. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen eines thermischen Kontaktes zwischen dem Arbeitsmedium und dem polari­ sierbaren Medium das erstere an den Elektroden des Kondensators vorbeigeleitet wird.

9. Wärmepumpverfahren nach einem oder mehreren der vor­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen eines thermischen Kontaktes zwischen dem Arbeitsmedium und dem polarisierbaren Medium das erstere durch Öffnungen in dem polarisierbaren Medium hindurchgeleitet wird.

10. Wärmepumpverfahren nach einem oder mehreren der vor­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklusfrequenz in Abhängigkeit von den Strömungsver­ lusten bei der Verlagerung des Arbeitsmediums und in Abhängigkeit von der Wärmeüber­ tragung zwischen dem polarisierbaren Medium und dem Arbeitsmedium bzw. zwischen dem Arbeitsmedium und den Wärmetauschern gewählt wird.

11. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Zyklusfrequenzen im Bereich von unge­ fähr 5 bis ungefähr 25 Hz gewählt werden.

12. Wärmepumpverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Zyklusfrequenzen im Bereich von unge­ fähr 10 bis ungefähr 20 Hz gewählt werden.

13. Wärmepumpe, insbesondere zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem oder mehreren der vorstehenden An­ sprüche, mit einem kaltseitigen ersten Raum und einem warmseitigen zweiten Raum, zwischen denen ein Rege­ nerator angeordnet ist, sowie mit einer Vorrichtung zur zyklischen Verlagerung eines Arbeitsmediums von einem Raum in den anderen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Raum (20) und dem Regenera­ tor (44) eine von dem Arbeitsmedium durchströmbare und ein elektrisch polarisierbares Medium (30) ent­ haltende Temperiervorrichtung (24) vorgesehen ist, daß das elektrisch polarisierbare Medium (30) durch Anlegen eines elektrischen Feldes mittels der Tem­ periervorrichtung (24) aufwärmbar und durch adiaba­ tisches Beenden der Einwirkung des elektrischen Feldes abkühlbar ist, daß strömungstechnisch warm­ seitig des Regenerators (44) ein warmseitiger Wärme­ tauscher (60) zur Kühlung des durch den Regenerator (44) erwärmten Arbeitsmediums und auf der dem Rege­ nerator (44) strömungstechnisch abgewandten Seite der Temperiervorrichtung (24) ein kaltseitiger Wärmetauscher (58) zur Wärmeabgabe an das Arbeitsmedium angeordnet ist.

14. Wärmepumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur zyklischen Verlagerung des Arbeitsmediums eine Verdrängeranordnung (10) mit einem verschieblichen Verdrängerkolben (16) umfaßt.

15. Wärmepumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Raum (20, 54) von der Verdrängeranordnung (10) gebildet sind und von der einen bzw. von der anderen Seite eines thermisch isolierenden Verdrängerkolbens (16) begrenzt sind.

16. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 13 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Temperiervorrich­ tung (24) zum Anlegen des elektrischen Feldes einen Kondensator (26) umfaßt, zwischen dessen Elektroden (28) das polarisierbare Medium (30) angeordnet ist.

17. Wärmepumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (28) des Kondensators (26) von dem Arbeitsmedium umströmbar sind.

18. Wärmepumpe nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem polarisierbaren Medium (30) durchströmbare Öffnungen (38) vorgesehen sind.

19. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der warmseitige Wärmetauscher (60) von einem Kühlmittel durchströmbar ist.

20. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der kaltseitige Wärmetauscher (58) mit einem zu kühlenden Reservoir thermisch leitend verbunden ist.

21. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20 dadurch gekennzeichnet, daß als polarisier­ bares Medium (30) mehrere verschiedene ferroelek­ trische Materialien mit unterschiedlicher Curie-Tem­ peratur vorgesehen sind.

22. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperier­ vorrichtung (24) mehrstufig ausgebildet ist.