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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Trennungssystem für tiefkaltes
Gas, bei dem Kälte
eingesetzt wird, die von einer Kältemaschine
erzeugt wird, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein solches System ist aus der FR-A-2751060 bekannt.
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Beschreibung
des relevanten Stands der Technik
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Systeme
zum Trennen von tiefkalter Luft, bei denen eine kompakte Helium-Kältemaschine
(He) verwendet wird, sind in den nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichungen
Nr. 10-206009 (1998) und Nr. 10-206010 (1998) sowie in der japanischen
Patentschrift Nr. 3007581 beschrieben. Zum Antreiben einer solchen
kompakten Kältemaschine, für die als
Beispiel eine Kältemaschine
mit Impulsrohr genannt sei, für
derartige Systeme zum Trennen tiefkalter Luft wird eine Druckimpulsquelle
benötigt,
und in manchen Fällen
wird eine Phasensteuerung benötigt.
Die Druckimpulsquelle und die Phasensteuerung sind jeweils mit Ventilen
zum Steuern der Strömung eines
Betriebsgases versehen. Unter Bezugnahme auf 1 weist
eine Kältemaschine
mit Impulsrohr und aktivem Puffer als Beispiel eine Druckpulsationsquelle
auf, welche einen Kompressor 91 und ein Paar von Ventilen 93, 94 aufweist,
und eine Phasensteuerung mit zwei Puffertanks 92a, 92b und
einem Paar von Ventilen 95, 96. In 1 bezeichnen
die Bezugszeichen 97 und 98 einen Regenerator
und ein Impulsrohr. Die Ventile 93 bis 96 werden
jeweils in einem genau vordefinierten Zyklus geöffnet und geschlossen. Der
Zyklus des Öffnens
und Fließens
ist relativ kurz, so daß in
typischer Weise eine Druckpulsation von mehreren Hertz bis zu mehreren
zehn Hertz erzeugt wird. Aus diesem Grunde wird für die Ventile 93 bis 96 im
allgemeinen ein Magnetventil oder ein kompaktes Rotationsventil
mit ebener Dichtung verwendet, wie im Schnitt in 2 dargestellt ist.
Das Rotationsventil mit ebener Dichtung weist ein rotierendes Element 101 auf,
welches mit zwei Anschlüssen 102, 103 versehen
ist, die über
einen Verbindungsweg 104 miteinander in Verbindung stehen, sowie
ein ortsfestes Element 105, welches drei Anschlüsse 106 bis 108 aufweist
und das in flächigem Kontakt
mit dem rotierenden Element 101 gehalten wird. Das rotierende
Element 101 ist dazu angepaßt, in bezug auf das ortsfeste
Element 105 durch die Drehung eines Motors 109 gedreht
zu werden, so daß die
Anschlüsse 102, 103 wahlweise
mit den Anschlüssen 106 bis 108 in
Verbindung gebracht werden, wobei die Verbindung der Anschlüsse zwischen einer
Position, in der die Anschlüsse 107, 108 des ortsfesten
Elements 105 miteinander in Verbindung stehen, wie in 2 dargestellt
ist, und einer Position, in der die Anschlüsse 106, 107 des
ortsfesten Elements 105 miteinander in Verbindung stehen,
wie in 3 dargestellt ist, geschaltet wird. Auf diese Weise
ist das Drehventil mit ebener Dichtung, das in 2 dargestellt
ist, in der Lage, den Strömungsweg des
Betriebsgases auf zwei Weisen zu schalten. Aus diesem Grunde ist
es lediglich notwendig, solche Drehventile bereitzustellen, jeweils
eines für
die Druckpulsationsquelle und für
die Phasensteuerung. In 2 und 3 bezieht
sich das Bezugszeichen 110 auf ein Gehäuse, welches das rotierende
Element 101 in einer drehbaren Weise aufnimmt.
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Für die Realisierung
einer Kältemaschine von
größerem Maßstab und
höherem
Wirkungsgrad wird ein größeres Volumen
des Betriebsgases, eine höhere
Betätigungsfrequenz
und eine komplizierte Phasensteuerung benötigt. Unter Berücksichtigung der
Marktfahigkeit einer solchen Kältemaschine
ist es zweckmäßig, ein
Auswahlventil, welches kompakte Abmessungen und eine lange Lebensdauer
aufweist, für
die Kältemaschine
zu verwenden und die vorgenannten Anforderungen zu erfüllen. Allerdings
können
herkömmliche
Auswahlventile, die durch das Magnetventil und das Drehventil mit
ebener Dichtung, das in 25 dargestellt
ist, beispielhaft erläutert
sind, die vorgenannten Anforderungen nicht erfüllen, so daß es unmöglich ist, eine Kältemaschine mit
größerem Maßstab und
höherem
Wirkungsgrad zu realisieren.
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Mehr
im einzelnen ist es so, daß dann,
wenn ein Magnetventil als das Auswahlventil verwendet wird, das
Ventil dazu neigt, einen komplizierten Aufbau und vergrößerte Abmessungen
zu haben, in einem Versuch, das Volumen des Betriebsgases zu vergrößern, so daß ein Betrieb
des Ventils bei hoher Geschwindigkeit schwierig ist. Wenn das Ventil
bei einer höheren
Geschwindigkeit häufig
betätigt
wird, wird die Lebensdauer des Ventils erheblich verkürzt. Wenn
eine Phasensteuerung in der Kältemaschine eingebaut
ist, sollte die Anzahl von Ventilen wegen der komplizierten Bauweise
der Phasensteuerung vergrößert werden,
so daß die
gesamten Abmessungen der Kältemaschine
vergrößert werden.
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Wenn
ein Drehventil mit ebener Dichtung als das Auswahlventil verwendet
wird, ist es notwendig, die Durchmesser des rotierenden Elements 101 und des
ortsfesten Elements 105 zu vergrößern, in einem Versuch, den
Anschlußdurchmesser
für den
Durchgang eines größeren Volumens
des Betriebsgases zu vergrößern, oder
die Anzahl von Anschlüssen
zu vergrößern, wegen
der komplizierten Konstruktion der Phasensteuerung. Aus diesem Grunde
werden die Kontaktflächen
des rotierenden Elements 101 und des ortsfesten Elements 105 vergrößert. Da
ein Druck, der auf das rotierende Element 101 ausgeübt wird,
entsprechend zu der Vergrößerung der
Kontaktfläche
des rotierenden Elements 101 und des ortsfesten Elements 105 vergrößert wird,
sollte ein Motor verwendet werden, der in der Lage ist, ein größeres Drehmoment
als der Motor 101 zu erzeugen. Dadurch wird die gesamte
Größe des Ventils
vergrößert. Aus
diesem Grunde ist bis heute lediglich eine Kältemaschine in kleinerem Maßstab entwickelt
worden, die eine Kälteleistung
in der Größenordnung
von mehreren Watt aufweist.
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Aus
diesem Grunde ist die Kältemenge,
die bei einer Einheit zum Trennen von Luft erzeugt wird, die bei
einer herkömmlichen
Kältemaschine
in kleinerem Maßstab
verwendet wird, nicht ausreichend, so daß eine Entspannungsturbine
oder ähnliches
als eine zusätzliche
Kältequelle
verwendet werden sollte. Dies führt
zu einem Anstieg der Kosten.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Trennen von
tiefkaltem Gas entsprechend Anspruch 1 bereitgestellt.
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In
bevorzugter Weise sind die genannten Aussparungen des rotierenden
Elements, die in einem äußeren Umfangsbereich
des rotierenden Elements vorgesehen sind, in axialer Richtung unabhängig vorgesehen,
wobei jede an einer anderen Stelle entlang der Achse des rotierenden
Elements ausgebildet ist.
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Bevorzugt
ist die Kältemaschine
eine Kältemaschine
mit Impulsrohr, und die Kältemaschine
mit Impulsrohr ist eine Kältemaschine
mit einem Puffertank.
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In
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Trennen von tiefkaltem
Gas bereitgestellt, welches mit einer ausreichenden Kältemenge
versorgt werden kann, dadurch, daß eine Kältemaschine verwendet wird, bei
der ein kompaktes und eine längere
Lebensdauer aufweisendes Auswahlventil eingebaut ist.
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Da
in der bevorzugten Ausführungsform
die beiden Aussparungen in dem Drehventil, das in der Kältemaschine
eingebaut ist, in axialer Richtung unabhängig voneinander vorgesehen
sind, wird eine Vergrößerung des
Durchmessers des rotierenden Elements minimiert. Dies ermöglicht,
daß das
Drehventil eine verringerte Größe und eine
längere
Lebensdauer aufweist. Die Kältemaschine
kann einen größeren Maßstab, eine
größere Kapazität und einen höheren Wirkungsgrad
aufweisen. Als Beispiel kann die Kältemaschine in Form einer Kältemaschine
in größerem Maßstab ausgebildet
sein, die eine Wattleistung von nicht weniger als mehreren hundert
Watt aufweist. Selbstverständlich
kann die Kältemaschine in
Form einer Kältemaschine
in kleinerem Maßstab ausgebildet
sein, die eine Wattleistung von mehreren Watt aufweist, so wie dies
im Stand der Technik der Fall ist. Die Kältemaschine mit größerem Maßstab, größerer Leistungsfähigkeit
und höherem
Wirkungsgrad macht es möglich,
das System zum Trennen von tiefkaltem Gas ohne die Verwendung von
irgendwelchen zusätzlichen
Mitteln zu betreiben, wie etwa einer zusätzlichen Kältequelle, so daß die Möglichkeit
zum Reduzieren der Kosten besteht. Die Kältemaschine, die in dem System
zum Trennen von tiefkaltem Gas verwendet wird, kann von der Impulsrohrbauart
G-M (Gifford-McMahon)-Bauan,
oder der Solvay-Bauart sein, ist allerdings nicht hierauf beschränkt. Die
Kältemaschine
kann als ein beliebiger Typ von Kältemaschine verwirklicht sein,
sofern die Kältemaschine
so ausgelegt ist, daß Strömungswege eines
Betriebsgases durch Umschalten eines Ventils umgeschaltet werden.
In der vorliegenden Erfindung weist das rotierende Element einen
kreisförmigen Querschnitt
senkrecht oder normal zu der Drehachse des Elements auf. Mit anderen
Worten ist der horizontale Querschnitt des rotierenden Elements
kreisförmig,
wenn das rotierende Element vertikal aufrecht angeordnet wird, und
der vertikale Querschnitt des rotierenden Elements kreisförmig, wenn
das gleiche rotierende Element horizontal angeordnet wird.
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Die
vorstehend genannten und weitere Ziele, Merkmale und Wirkungen der
vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung deutlicher
werden.
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Im
Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
Darstellung ist, in der eine herkömmliche Kältemaschine mit Impulsrohr
dargestellt ist,
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2 eine
Darstellung ist, in der ein herkömmliches
Drehventil mit ebener Dichtung dargestellt ist,
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3 eine
Darstellung ist, in der der Betrieb des Drehventils mit ebener Dichtung
gemäß 2 dargestellt
ist,
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4 eine
Darstellung ist, in der eine Kältemaschine
erläutert
ist, die in einem System zum Trennen von tiefkaltem Gas gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
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5 eine
Darstellung ist, in der ein rotierendes Element erläutert ist,
das für
ein Drehventil in der Kältemaschine
nach 4 verwendet wird,
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6 und 7 Darstellungen
sind, in denen der Betrieb des Drehventils gezeigt ist, bei dem das
rotierende Element nach 5 verwendet wird, und
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8 eine
Darstellung ist, in der ein System zum Trennen von tiefkaltem Gas
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist.
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4 erläutert eine
Kältemaschine 121 mit Impulsrohr,
die in dem System zum Trennen von tiefkaltem Gas gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll. Die Kältemaschine
mit Impulsrohr gemäß dieser
Ausführungsform
weist im wesentlichen den gleichen Aufbau auf wie die Kältemaschine
mit Impulsrohr, die in 1 dargestellt ist, mit Ausnahme
davon, daß Drehventile D,
wie sie in 5, 6 und 7 dargestellt
sind, jeweils verwendet werden, anstatt des Paars von Ventilen 93, 94 und
des Paars von Ventilen 95, 96. Da die anderen
Komponenten der Kältemaschine
mit Impulsrohr nach 4 die gleichen sind wie die
der Kältemaschine
mit Impulsrohr nach 1, sind gleiche Komponenten
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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In
den Drehventilen D ist das rotierende Element 1 mit Aussparungen 32 und 33 versehen,
die jeweils in einem äußeren Umfangsabschnitt
davon auf gegenüberliegenden
Seiten von diesem ausgebildet sind, und zwar auf der linken Seite
und auf der rechten Seite davon in 5. Das Gehäuse 2 ist
mit drei Anschlüssen 34 bis 36 versehen,
die in einer Umfangswand davon auf einer Seite davon ausgebildet sind,
und zwar auf der linken Seite in 6, wobei die
Anschlüsse 34, 35 dazu
angepaßt
sind, in Verbindung mit der Aussparung 32 gebracht zu werden, und
wobei die Anschlüsse 35, 36 dazu
angepaßt sind,
in Verbindung mit der Aussparung 33 gebracht zu werden.
Wenn das rotierende Element 1 in die Position gedreht wird,
wie sie in 6 dargestellt ist, stehen die
Anschlüsse 34, 35 mit
der Aussparung 32 in Verbindung, so daß sie einem Betriebsgas ermöglichen,
durch diese hindurchzuströmen.
Zu diesem Zeitpunkt stehen die Anschlüsse 35, 36 nicht
in Verbindung mit der Aussparung 33, so daß das Betriebsgas
daran gehindert ist, durch diese hindurchzuströmen. Wenn das rotierende Element 1 ausgehend
von dieser Position in eine Position gedreht wird, wie sie in 1 dargestellt
ist, werden die Anschlüsse 35, 36 in
Verbindung mit der Aussparung 33 gebracht, so daß das Betriebsgas
die Möglichkeit
hat, durch diese hindurchzuströmen.
Zu diesem Zeitpunkt stehen die Anschlüsse 34, 35 nicht
in Verbindung mit der Aussparung 32, so daß das Betriebsgas
daran gehindert ist, durch diese hindurchzuströmen. Obwohl zwei Drehventile
D in dieser Ausführungsform
verwendet werden, ist die Anordnung der Drehventile nicht darauf
beschränkt.
Als Beispiel kann nur ein Drehventil D verwendet werden, anstelle
des Paars von Ventilen 93, 94 oder des Paars von
Ventilen 95, 96.
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Da
das rotierende Element 1 des Drehventils D einen kleinen
Durchmesser und daher einen kleinen Querschnitt aufweist, kann der
Einfluß einer Druckbelastung,
die auf das rotierende Element 1 ausgeübt wird, minimiert werden.
Wenn eine Dichtung, die nicht dargestellt ist, zwischen dem rotierenden
Element 1 und dem Gehäuse 2 angeordnet
wird, kann ein Drehmoment, das durch die Reibung der Dichtung erzeugt
wird, reduziert werden, da die Umfangsgeschwindigkeit des äußeren Durchmessers des
rotierenden Elements 1 reduziert ist. Die Reduktion in
der Druckbelastung und dem Drehmoment, das durch die Reibung der
Dichtung erzeugt wird, verringert die Leistung, die für die Drehung
des Motors benötigt
wird, der vorgesehen ist, um das Ventil anzutreiben. Als ein Ergebnis
kann ein kompakter und mit hoher Drehzahl betriebener Motor als
der Motor verwendet werden. Weiterhin macht es die Reduktion in
der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Elements 1 möglich, die
Lebensdauer der Dichtung zu vergrößern, die zwischen dem rotierenden Element 1 und
dem Gehäuse 2 vorgesehen
ist, und die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Elements 1 zu
vergrößern.
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Da
Belastungen, die in axialer und in radialer Richtung auf das rotierende
Element 1 der bevorzugten Ausführungsform ausgeübt werden,
durch Lagerungen aufgenommen werden, wird die Last, die auf den
Motor ausgeübt
wird, reduziert, so daß die
Leistung, die für
die Drehung des Motors benötigt
wird, minimiert wird. Die Druckbelastung, die auf das rotierende
Element 1 ausgeübt
wird, wird weiter reduziert durch die Lagerungen, die das rotierende
Element 1 tragen. Dies ermöglicht, daß die Abmessungen des rotierenden
Elements 1 und des Motors reduziert werden, so daß die gesamten
Abmessungen der Drehventile D minimiert werden können.
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Ein
System zum Trennen von tiefkaltem Gas, wie es in 8 dargestellt
ist, ist so aufgebaut, daß die
Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr, die in 4 dargestellt ist, in einer
Lufttrenneinheit, einer Einheit zur Erzeugung von gasförmigem Stickstoff
vom Typ einer einzelnen Säule,
eingebaut ist, wobei die Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr zum Abkühlen von
zugeführter
Luft verwendet wird. Mehr im einzelnen wird die zugeführte Luft,
die bis zu einem vorbestimmten Druck bei einer erhöhten Temperatur
durch einen Speiseluftkompressor 122 komprimiert wird, durch
einen wassergekühlten
Wärmetauscher 123 bis
in die Nähe
einer üblichen
Temperatur von etwa 25°C
abgekühlt.
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Nachdem
H2O und CO2 durch
eine Einheit 124 zum Entfernen von H2O/CO2 oder ähnliches
nahezu vollständig
aus der zugeführten
Luft entfernt worden sind, wird die verbleibende zugeführte Luft
in eine Kältebox 125 eingeleitet.
In der Kältebox 125 strömt die zugeführte Luft
durch einen Hauptwärmetauscher 126 und
wird bis auf eine Verflüssigungstemperatur
davon abgekühlt,
wonach sie dann durch einen kalten Extraktionsbereich 127 der
Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr strömt,
so daß die
Menge der verflüssigten
zugeführten
Luft vergrößert wird. Die
resultierende zugeführte
Luft wird zu einem unteren Abschnitt einer Rektifikationssäule 128 geleitet. Die
Kühlkapazität der Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr ist äquivalent
zu der Summe der Menge der Wärme,
die von der umgebenden Temperatur zu der Kältebox 125 eingeleitet
wird, dem Wärmeübertragungsverlust
des Hauptwärmetauschers 126 und
der Verflüssigungsenergie,
die für
die Extraktion eines verflüssigten
Produkts benötigt
wird.
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Ein
gasförmiger
Luftanteil der zugeführten Luft,
die in den unteren Bereich der Rektifikationssäule 128 zugeführt wird,
strömt
durch die Rektifikationssäule 128 nach
oben. Ein flüssiger
Luftanteil der zugeführten
Luft wird in dem unteren Bereich der Rektifikationssäule 128 angesammelt
und wird dann als ein Kühlmittel
in einen Kondensator 129 geleitet, der sich oberhalb der
Rektifikationssäule 128 befindet.
In dem Kondensator 129 verflüssigt das Kühlmittel gasförmiges N2 in einem oberen Bereich der Rektifikationssäule 128 und
wird dann als zurückströmende Flüssigkeit
in den oberen Bereich der Rektifikationssäule 128 zurückgeführt. Die
zugeführte
Luft wird durch die zurückströmende Flüssigkeit
und das aufsteigende Gas rektifiziert, und das gasförmige N2 wird von der Luft getrennt und aus dem
oberen Bereich der Rektifikationssäule 128 extrahiert.
Nachdem die Kälte
durch den Hauptwärmetauscher 126 zurückgewonnen
worden ist, wird N2 als Produktgas entnommen.
In 8 bezeichnen die Bezugszeichen 130 und 131 ein
Expansionsventil und einen Auslaßweg für Abgas.
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In
dem Lufttrennungssystem wird die Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr, die in 4 dargestellt ist, für die Abkühlung der
zugeführten
Luft verwendet, d. h. die gesamte oder ein Teil der zugeführten Luft, die
aus dem Hauptwärmetauscher 26 abgegeben wird,
wird durch die Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr abgekühlt,
aber das, was abgekühlt
werden kann, ist nicht hierauf beschränkt. Als Beispiel kann der
Stickstoff als Produktgas, das Abgas, das Gas innerhalb der Rektifikationssäule 128,
die verflüssigte Luft
oder ähnliches
durch die Kältemaschine 121 mit Impulsrohr
abgekühlt
werden. Alternativ kann die Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr die zugeführte Luft
an einem Einlaß des
Hauptwärmetauschers 126 oder
den Stickstoff als Produktgas oder das Abgas an Auslässen des
Hauptwärmetauschers 126 abkühlen und
verflüssigen,
und das verflüssigte
Gas kann zu einem tiefkalten Bereich der Kältebox 125 geleitet werden.
Wenn die Kältemenge,
die durch die Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr erzeugt wird, unzureichend ist, kann flüssiger Stickstoff,
flüssiger
Sauerstoff oder ähnliches
in die Kältebox
eingeleitet werden, um eine etwa vorhandene unzureichende Kälteabgabe
auszugleichen.
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In
dem System zur Trennung von tiefkaltem Gas, das in 8 dargestellt
ist, ist die Lufttrennungseinheit als eine Einheit zum Erzeugen
von gasförmigem
Stickstoff vom Typ einer einzelnen Säule ausgebildet, wobei sie
allerdings auch als eine gemeinsame Einheit zur Erzeugung von gasförmigem Stickstoff
vom Typ mit doppelter Säule
ausgebildet sein könnte.
Das System zum Trennen von tiefkaltem Gas, das in 8 dargestellt
ist, ist so aufgebaut, daß die
Kältemaschine 121 mit
Impulsrohr, die in 4 dargestellt ist, in der Lufttrennungseinheit
eingebaut ist, wobei sie allerdings auch zur Trennung von unterschiedlichen
Gasmischungen eingesetzt werden kann, sofern die Trennung der Gasmischung durch
einen Vorgang zum Trennen von tiefkaltem Gas erreicht wird.