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