DE69003738T2

DE69003738T2 - Kryokälteanlage.

Info

Publication number: DE69003738T2
Application number: DE1990603738
Authority: DE
Inventors: Toru Kuriyama; Hideki Nakagome; Yoichi Tokai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-23
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: EP0399813A3; EP0399813B1; DE69003738D1; EP0399813A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kryokälteanlage, insbesondere eine Kältemaschine des Kältemittelspeichertyps.
Derzeit sind verschiedene Arten von Kryokälteanlagen auf dem Markt. Eine solche Anlage ist der Gifford- McMahon-Typ; diese Kälteanlage oder -maschine weist üblicherweise den Aufbau gemäß Fig. 1 auf.
Die Kältemaschine umfaßt allgemein einen Kältekopf 1 und ein Kältemittelgas-Einführ- und -Abführsystem 2. Der Kältekopf 1 umfaßt einen geschlossenen Zylinder 11, einen im Zylinder 11 frei hin- und herbewegbar geführten Verdränger 12 und einen Motor 13 für den Antrieb des Verdrängers 12.
Der Zylinder 11 umfaßt einen ersten Zylinder 14 großen Durchmessers und einen koaxial mit dem ersten Zylinder 14 verbundenen zweiten Zylinder 15 kleinen Durchmessers. Die Grenzwand zwischen erstem und zweitem Zylinder 14 bzw. 15 bildet eine erste Stufe 16 als Kältefläche, und die Stirnwand des Zylinders 15 bildet eine zweite Stufe 17, deren Temperatur tiefer ist als die der ersten Stufe 16. Der Verdränger 12 umfaßt einen ersten, im ersten Zylinder 14 hin- und hergehend (geradlinig) verschiebbaren Verdränger 18 sowie einen zweiten, im zweiten Zylinder geradlinig verschiebbaren Verdränger 19. Erster und zweiter Verdränger 18 bzw. 19 sind in der Axialrichtung des Zylinders 11 durch einen Verbinder 20 miteinander verbunden. Ein im ersten Verdränger 18 geformter Fluiddurchgang 21 verläuft in der Axialrichtung des Verdrängers 18. Im Fluiddurchgang 21 ist ein Kälteelement 22 aus Kupfermaschensieben oder -gitterelementen o.dgl. untergebracht. Auf ähnliche Weise ist im zweiten Verdränger 19 ein in dessen Axialrichtung verlaufender Fluiddurchgang 23 geformt, wobei ein aus Bleikugeln o.dgl. gebildetes Kälteelement im Fluiddurchgang 23 angeordnet ist. Zwischen dem Außenumfang des ersten Verdrängers 18 und dem Innenumfang des ersten Zylinders 14 sowie zwischen dem Außenumfang des zweiten Verdrängers 19 und dem Innenumfang des zweiten Zylinders 15 sind Dichtungssysteme 25 bzw. 26 angeordnet.
Die Oberseite des ersten Verdrängers 18 ist über eine Pleuelstange 31 und ein Scotch-Joch bzw. eine Kurbelwelle 32 mit der Dreh-Welle des Motors 13 verbunden. Bei sich drehender Welle des Motors 13 verschiebt sich daher der Verdränger 12, wie durch einen (Doppel-)Pfeil in Fig. 1 angedeutet, geradlinig synchron mit der Drehung der Welle des Motors 13.
Ein Einlaß 34 und ein Auslaß 35 zum Einführen bzw. Abführen (Austragen) von Kältemittelgas gehen vom oberen Abschnitt der einen Seite des ersten Zylinders 14 ab; sie sind mit dem Kältemittelgas-Einführ- und -Abführsystem 2 verbunden. Das Kältemittelgas-Einführ- und -Abführsystem 2 dient als Heliumgas-Umwälzsystem, bei dem der Auslaß 35 mit dem Einlaß 34 über ein Niederdruckventil 36, einen Verdichter 37 und ein Hochdruckventil 38 verbunden ist. Dieses System 2 soll nämlich Helium niedrigen Drucks (etwa 5 Atmosphären bzw. atm oder bar) mittels des Verdichters 37 auf einen hohen Druck (etwa 18 atm) verdichten und es in den Zylinder 11 liefern. Die Nieder- und Hochdruckventile 36 bzw. 38 werden auf noch zu beschreibende Weise entsprechend der Hin- und Herbewegung des Verdrängers 12 geöffnet und geschlossen.
Die Abschnitte der Kältemaschine, in denen eine Kühlung bzw. Kälteerzeugung bewirkt wird oder die als Kälteflächen wirken, sind die ersten und zweiten Stufen 16 bzw. 17, die auf etwa 30 K bzw. 10 K (tief)gekühlt werden, wenn keine thermische Last oder Belastung vorliegt. Demzufolge besteht ein Temperaturgradient im Bereich von einer Normaltemperatur (300 K) bis 30 K zwischen Ober- und Unterseite des ersten Verdrängers 18, während ein Temperaturgradient im Bereich von 30 K bis 10 K zwischen Ober- und Unterseite des zweiten Verdrängers 19 besteht. Diese Temperaturgradienten werden jedoch durch thermische Belastungen an den jeweiligen Stufen (step stages) geändert, und sie reichen üblicherweise von 30 K bis 80 K an der ersten Stufe 16 und von 10 K bis 20 K an der zweiten Stufe 17.
Wenn sich der Motor 13 zu drehen beginnt, verschiebt sich der Verdränger 12 geradlinig (hin- und hergehend) zwischen oberen und unteren Totpunkten. Wenn sich der Verdränger 12 am unteren Totpunkt befindet, wird oder ist das Hochdruckventil 38 geöffnet, so daß Hochdruck- Heliumgas in den Kältekopf 1 einströmen kann. Sodann verschiebt sich der Verdränger 12 zum oberen Totpunkt. Wie erwähnt, sind die Dichtungssysteme 25 und 26 zwischen dem Außenumfang des ersten Verdrängers 18 und dem Innenumfang des ersten Zylinders 14 bzw. zwischen dem Außenumfang des zweiten Verdrängers 19 und dem Innenumfang des zweiten Zylinders 15 angeordnet. Bei der Verschiebung des Verdrängers 12 zum oberen Totpunkt strömt daher Hochdruck-Heliumgas in die zwischen erstem und zweitem Verdränger 18 bzw. 19 gebildete Erststufen-Expansionskammer 39 und sodann in die zwischen dem zweiten Verdränger 19 und der Stirnwand des zweiten Zylinders gebildete Zweitstufen-Expansionskammer 40 unter Durchströmung des Fluiddurchgangs 21 im ersten Verdränger 18 und des Fluiddurchgangs 23 im zweiten Verdränger 19. Bei dieser Strömung wird das Hochdruck-Heliumgas durch die Kälteelemente 22 und 24 (tief)gekühlt, so daß das in die Erststufen-Expansionskammer 39 strömende Hochdruck-Heliumgas auf etwa 30 K und das in die Zweitstufen-Expansionskammer 40 strömende Hochdruck-Heliumgas auf etwa 8 K (tief)gekühlt werden können. Dabei werden das Hochdruckventil 38 geschlossen und das Niederdruckventil 36 geöffnet. Wenn letzteres öffnet, dehnt sich das in Erststufen- und Zweitstufen-Expansionskammern 39 bzw. 40 befindliche Hochdruck-Heliumgas aus, wodurch eine (Tief-)Kühlung bzw. Kälteerzeugung bewirkt wird. Durch diesen Kälteerzeugungsvorgang werden erste und zweite Stufe 16 bzw. 17 gekühlt. Sodann verschiebt sich der Verdränger 12 wiederum zum unteren Totpunkt, so daß bei der Verschiebung des Verdrängers 12 in Erststufen- und Zweitstufen-Expansionskammer 39 bzw. 40 befindliches Heliumgas abgeführt wird. Das ausgedehnte oder entspannte Heliumgas wird beim Durchgang durch die Fluiddurchgänge 21 und 22 durch die Kälteelemente 22 und 24 auf eine gewöhnliche oder Normaltemperatur erwärmt und abgeführt oder ausgetragen. Danach wiederholt sich der oben beschriebene Zyklus unter Durchführung des Kälteerzeugungsvorgangs. Diese Art einer Kältemaschine wird zum (Tief-)Kühlen eines supraleitenden Magneten oder eines Infrarotsensors oder als Kühl bzw. Kältequelle einer Kryopumpe eingesetzt.
Die oben beschriebenen herkömmlichen Kryokälteanlagen sind jedoch mit folgenden Problemen behaftet: Insbesondere ist der zylindrische Fluiddurchgang 23 im zweiten Verdränger 19 geformt, wobei das Innere des Durchgangs mit dem kugel- oder körnchenförmigen Kälteelement 24 gefüllt ist. Die Geschwindigkeitsverteilung in dem die mit Kugeln oder Körnchen gefüllten Durchgänge durchströmenden Heliumgas wurde gemessen, wobei festgestellt wurde, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Zentrum des Heliumgasstroms am niedrigsten war und mit zunehmender Entfernung vom Zentrum des Heliumgasstroms in Radialrichtung desselben nach außen zunehmend höher wurde. Dies bedeutet, daß ein größerer Anteil des Heliumgases nur in einen bestimmten Bereich des Kälteelements 24 strömt, und daß das Kälteelement 24 in diesem Bereich einen Wärmeaustausch mit einer übermäßigen Menge an Heliumgas eingehen muß, wenn ein Wärmeaustausch zwischen dem Heliumgas und dem Kälteelement 24 stattfinden soll. Dies lehrt, daß das Kälteelement 24 nicht wirkungsvoll genutzt wird. Der Tiefkühl- oder Kälteerzeugungswirkungsgrad (oder der durch ein Kältemittel bewirkte Wärmeaustauschwirkungsgrad) ist mithin im genannten Bereich des Kälteelements herabgesetzt, woraus sich eine verringerte Kälteerzeugungsleitung bei einer bestimmten Temperatur ergibt.
Die US-A-4 366 676 beschreibt eine Malonetyp-Endstufe in einer Stirlingzyklus- oder -takt-Kryokälteanlage. Der Verdränger der Endstufe weist einen einen ringförmigen Querschnitt besitzenden Durchgang auf, der axial in zwei Hälften geteilt ist. Das Kältemittel strömt durch den einen Halbkanal abwärts und über den anderen Halbkanal aufwärts, wobei Rückschlagventile zur Gewährleistung einer einseitig gerichteten Strömung vorgesehen sind. In der verschlossenen oder abgedichteten zentralen zylindrischen Kammer ist ein statisches thermodynamisches Medium untergebracht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kryokälteanlage, bei der ein Kältemittelgas gleichmäßig durch ein Kälteelement zu strömen vermag, um die Kälteerzeugungsleistung der Kälteanlage oder -maschine zu erhöhen.
Gemäß einem ersten Merkmal dieser Erfindung ist deren Gegenstand eine Kryokälteanlage, umfassend: einen geschlossenen Zylinder mit Einlaß und Auslaß zum Einführen und Austragen eines Kältemittelgases in den bzw. aus dem Zylinder, einen verschiebbar im geschlossenen Zylinder untergebrachten Verdränger, der ein Kälteelement aufnimmt und einen Durchgang, der vom Kältemittelgas durchströmt wird, aufweist, eine koaxial im Durchgang des Verdrängers, in welchem das Kälteelement untergebracht ist, und längs dazu angeordnete Einrichtung zum Unterteilen des Durchgangs in äußere und innere Durchgänge, eine Einrichtung zum Hin- und Herverschieben des Verdrängers im Zylinder und eine Einrichtung zum Wiederholen des Vorgangs des Einführens des Hochdruck-Kältemittelgases in den Zylinder über den Einlaß und seines Austragens aus dem Zylinder synchron mit dem sich hin- und herbewegenden Verdränger.
Gemäß einem zweiten Merkmal dieser Erfindung ist deren Gegenstand eine Kryokälteanlage, umfassend: einen geschlossenen Zylinder mit Einlaß und Auslaß zum Einführen und Austragen eines Kältemittelgases in den bzw. aus dem Zylinder, einen verschiebbar im geschlossenen Zylinder angeordneten Verdränger, der ein teilchenförmiges Kälteelement aufnimmt und einen Durchgang, der vom Kältemittelgas durchströmt wird, aufweist, mehrere gasdurchlässige Membranen, die in dem Durchgang, in welchem das Kälteelement untergebracht ist, voneinander beabstandet in einer Richtung senkrecht zur Verlaufsrichtung des Durchgangs angeordnet sind, wobei das teilchenförmige Kälteelement zwischen den gasdurchlässigen Membranen untergebracht ist, eine Einrichtung zum Hin- und Herverschieben des Verdrängers im Zylinder und eine Einrichtung zum Wiederholen des Vorgangs des Einführens des Kältemittelgases in den Zylinder über den Einlaß und seines Austragens aus dem Zylinder über den Auslaß in einer Beziehung zu dem sich hin- und herbewegenden Verdränger.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Kryokälteanlage vom Gifford-McMahon-Typ,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines zweiten Verdrängers bei der Kälteanlage bzw. -maschine nach Fig. 1,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Leckagegröße und der Temperatur von Stufen in einem Dichtungsmechanismus bei der Kältemaschine nach Fig. 1,
Fig. 4 bis 6 Schnittansichten des Dichtungsmechanismus der Kältemaschine nach Fig. 1,
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Leckagegröße und der Temperatur der Stufen zwischen einem zweiten Verdränger und einem Kälteelement bei der Kältemaschine nach Fig. 1,
Fig. 8 eine Schnittansicht einer Kryokälteanlage vom Gifford-McMahon-Typ gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 eine Schnittansicht eines zweiten Verdrängers bei der Kälteanlage oder -maschine nach Fig. 8,
Fig. 10 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Geschwindigkeitsverteilung von Heliumgas im Kälteelement des zweiten Verdrängers bei der Kältemaschine nach Fig. 1 und derjenigen des zweiten Verdrängers bei der Kältemaschine nach Fig. 8,
Fig. 11 eine graphische Darstellung des Vergleichs zwischen der Kälteerzeugungskurve bei der Kältemaschine nach Fig. 1 und derjenigen bei der Kältemaschine nach Fig. 8,
Fig. 12 eine teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung einer Kryokälteanlage vom Gifford-McMahon-Typ gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung,
Fig. 13 eine Schnittansicht eines zweiten Verdrängers bei der Kälteanlage oder -maschine nach Fig. 12,
Fig. 14 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Geschwindigkeitsverteilung von Heliumgas im Kälteelement des zweiten Verdrängers bei der Kältemaschine nach Fig. 1 und derjenigen des zweiten Verdrängers bei der Kältemaschine nach Fig. 12,
Fig. 15 eine teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung einer Kryokälteanlage vom Gifford-McMahon-Typ gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung,
Fig. 16 eine Schnittansicht eines zweiten Verdrängers bei der Kälteanlage oder -maschine nach Fig. 15 und
Fig. 17 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der Geschwindigkeitsverteilung von Heliumgas im Kälteelement des zweiten Verdrängers bei der Kältemaschine nach Fig. 1 und derjenigen des zweiten Verdrängers bei der Kältemaschine nach Fig. 15.
Im folgenden sind einige bevorzugte Aus führungsformen dieser Erfindung im einzelnen beschrieben.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines Beispiels einer Kryokälteanlage des Gifford-McMahon-Typ, welche mit Ausnahme einer Fluidleitung oder eines Fluiddurchgangs 123 der in Fig. 1 gezeigten Anordnung entspricht.
Die Kälteanlage oder -maschine umfaßt im wesentlichen einen Kältekopf 101 und ein Kältemittelgas-Einführ- und -Abführsystem 102. Der Kältekopf 101 umfaßt einen geschlossenen Zylinder 111, einen im Zylinder 111 untergebrachten oder geführten Verdränger 112, der im Zylinder frei hin- und hergehend verschiebbar ist, und einen Motor 113 zum Antreiben des Verdrängers 112 für Hinund Herbewegung im Zylinder 111.
Der Zylinder 111 besteht aus einem ersten Zylinder 114 eines großen Durchmessers und einem koaxial mit dem Zylinder 114 verbundenen zweiten Zylinder 115 eines kleinen Durchmessers. Die Grenzwand zwischen dem ersten Zylinder 114 und dem zweiten Zylinder 115 bildet eine erste Stufe 116, die als Kältefläche dient, während die Stirnwand des Zylinders 115 eine zweite Stufe 117 bildet, deren Temperatur niedriger ist als die der ersten Stufe 116. Der Verdränger 112 umfaßt einen im ersten Zylinder 114 hin- und hergehend bzw. geradlinig verschiebbaren ersten Verdränger 118 und einen im zweiten Zylinder 115 geradlinig verschiebbaren zweiten Verdränger 119. Erster und zweiter Verdränger 118 bzw. 119 sind in der Axialrichtung des Zylinders 112 durch ein Verbindungselement 120 miteinander verbunden. Im ersten Verdränger 118 ist ein in dessen Axialrichtung verlaufender Fluiddurchgang 121 geformt, wobei im Fluiddurchgang 121 ein aus Kupfersieben 7 o.dgl. bestehendes Kälteelement 122 enthalten ist. Auf ähnliche Weise ist im zweiten Verdränger 119 ebenfalls ein sich in dessen Axialrichtung erstreckender Fluiddurchgang 123 geformt, wobei ein aus Kupferkugeln o.dgl. bestehendes Kälteelement 124 im Fluiddurchgang 123 enthalten ist. Zwischen dem Außenumfang des ersten Verdrängers 118 und dem Innenumfang des ersten Zylinders 114 sowie zwischen dem Außenumfang des zweiten Verdrängers 119 und dem Innenumfang des zweiten Zylinders 115 sind jeweils Dichtungssysteme 125 bzw. 126 angeordnet.
Die Oberseite des ersten Verdrängers 118 ist über eine Pleuelstange 131 und ein Scotch-Joch bzw. eine Kurbelwelle 132 mit der Dreh-Welle des Motors 113 verbunden. Bei sich drehender Welle des Motors 113 verschiebt sich daher der Verdränger 112, wie durch einen (Doppel-) Pfeil in Fig. 8 angedeutet, geradlinig synchron mit der Drehung der Welle des Motors 113.
Ein Einlaß 134 und ein Auslaß 135 für Kältemittelgas gehen vom oberen Abschnitt der einen Seite des ersten Zylinders 114 ab und sind mit dem Kältemittelgas-Einführ- und -Abführsystem 102 verbunden. Dieses System 102 dient zum Umwälzen von durch den Zylinder 111 strömendem Heliumgas, wobei der Auslaß 135 mit dem Einlaß 134 über ein Niederdruckventil 136, einen Verdichter 137 und ein Hochdruckventil 138 verbunden ist. Das System 102 dient auch zum Verdichten von Niederdruck-Heliumgas (etwa 5 atm) auf einen hohen Druck (etwa 18 atm) mittels des Verdichters 137 und zum Liefern des Gases in den Zylinder 111. Die Nieder- und Hochdruckventile 136 bzw. 138 werden entsprechend der Hin- und Herbewegung des Verdrängers 112 geöffnet und geschlossen.
Ein gemäß Fig. 9 koaxial im Fluiddurchgang 123 untergebrachtes Rohr 142 läßt Heliumgas innenseitig und außenseitig des Rohrs 142 strömen. Ein Fluiddurchgang 143 innerhalb des Rohrs 142 ist mit einem Kälteelement 145 in Form von Kugeln jeweils eines Durchmessers von 0,4 mm gefüllt, während ein anderer Fluiddurchgang 144 außerhalb des Rohrs 142 mit einem Kälteelement 146 in Form von Kugeln jeweils eines Durchmessers von 0,2 mm gefüllt ist.
Der Durchgang für das Heliumgas ist in der Strömungsrichtung des Heliumgases in zwei Durchgänge unterteilt, wobei die den großen Durchmesser aufweisenden Kälteelementkugeln 145 im inneren Fluiddurchgang 143 untergebracht sind. Hierdurch werden der Druckverlust des den inneren Fluiddurchgang 143 durchströmenden Heliumgases herabgesetzt und die den Durchgang 143 durchströmende Heliumgasmenge entsprechend vergrößert. Die Teil- oder Partialströmung des Heliumgases kann damit in größerem Ausmaß reduziert werden. Infolgedessen können die Kälteerzeugungswirkungsgrade der Kälteelementkugeln 145 und 146 erhöht und damit die Kälteerzeugungsleistung der Kältemaschine verbessert werden.
Fig. 10 veranschaulicht die Ergebnisse einer Messung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen des die Kälteelemente in den Fluiddurchgängen gemäß Fig. 2 und 9 durchströmenden Heliumgases. Diese Ergebnisse wurden bei Normaltemperatur und bei statisch gehaltenen Kältemaschinen unter der Voraussetzung gewonnen, daß die Außendurchmesser der Fluiddurchgänge, die Mengen (Volumina) der in den Fluiddurchgängen gehaltenen Kälteelemente und die Werkstoffe, aus denen die Kälteelemente hergestellt sind, jeweils gleich sind. Diese Bedingungen sind von denen (Kryotemperatur und Hin- und Herbewegung) verschieden, unter denen die Kältemaschinen in der Praxis betrieben werden; es ist jedoch ersichtlich, daß die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des das Kälteelement im Fluiddurchgang gemäß Fig. 9 durchströmenden Heliumgases gleichmäßiger ist. Es wird angenommen, daß dieser Trend unter praktischen Bedingungen beibehalten werden kann. Fig. 11 veranschaulicht die Kälteerzeugungskurven, die bei der herkömmlichen Kryokälteanlage mit dem in Fig. 2 dargestellten Fluiddurchgang 23 und bei der erfindungsgemäßen Kryokälteanlage mit dem in Fig. 9 dargestellten Fluiddurchgang 123 erhalten oder ermittelt wurden. Auf der waagerechten Achse bzw. Koordinate gemäß Fig. 11 sind dabei die Temperaturen (K) der zweiten Stufe 117 und auf der lotrechten Achse (Abszisse) die zur zweiten Stufe 117 hinzugefügten Wärmebelastungen (W) angegeben. Wie aus Fig. 11 hervorgeht, ist im Fall der Kryokälteanlage gemäß der Erfindung die Kälteerzeugungsleistung bei gleicher Temperatur höher. Es ist somit ersichtlich, daß die Kälteerzeugungsleistung erhöht werden oder sein kann, wenn der Fluiddurchgang 123 der oben beschriebenen Ausgestaltung verwendet wird. Obgleich der Fluiddurchgang bei diesem Beispiel in zwei konzentrische Durchgänge unterteilt ist, kann er auch in drei oder mehr Durchgänge unterteilt sein. Der Durchmesser der Kugeln ist nicht auf 0,4 mm oder 0,2 mm beschränkt.
Die Fig. 12 und 13 veranschaulichen ein zweites Beispiel der Kryokälteanlage gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher das Rohr 142 koaxial im Fluiddurchgang 141 untergebracht bzw. angeordnet ist, der Heliumgasdurchgang für Strömung innerhalb und außerhalb des Rohrs 142 unterteilt ist und ein in inneren und äußeren Durchgängen 143 bzw. 144 enthaltenes Kälteelement 124 in Form von Kugeln jeweils gleicher Größe vorliegt. Der Heliumgasdurchgang ist in der Strömungsrichtung des Heliumgases in zwei Durchgänge unterteilt, so daß der Partialstrom des Heliumgases im Vergleich zum herkömmlichen Fall in größerem Ausmaß verkleinert werden kann. Der mittels des Kälteelements 124 erreichte Kälteerzeugungswirkungsgrad kann daher unter Erhöhung der Kälteerzeugungsleistung der Kältemaschine erhöht sein.
Fig. 14 veranschaulicht die Ergebnisse einer Messung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen von Heliumgas, welches die in den Fluiddurchgängen gemäß den Fig. 2 und 13 enthaltenen Kälteelemente durchströmt. Diese Ergebnisse wurden bei Normaltemperatur und im statischen Zustand der Kältemaschinen unter der Voraussetzung ermittelt, daß die Außendurchmesser der Fluiddurchgänge, die Mengen, Formen und Größen der in den Fluiddurchgängen enthaltenen Kälteelemente sowie die Werkstoffe, aus denen die Kälteelemente hergestellt sind, jeweils gleich sind. Diese Bedingungen unterscheiden sich von denen (Kryotemperatur und Hin- und Herbewegung), unter denen die Kältemaschinen in der Praxis betrieben werden; es ist jedoch ersichtlich, daß die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des das Kälteelement im Fluiddurchgang gemäß Fig. 13 durchströmenden Heliumgases gleichmäßiger ist. Es wird angenommen, daß dieser Trend auch unter praktischen Bedingungen erhalten bleiben kann. Obgleich der Fluiddurchgang bei diesem Beispiel in zwei konzentrische Durchgänge unterteilt ist, kann er auch in drei oder mehr Durchgänge unterteilt sein. Diese brauchen weder konzentrisch noch zylindrisch zu sein.
Fig. 15 veranschaulicht ein drittes Beispiel der Kryokälteanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dieses dritte Beispiel unterscheidet sich vom ersten Beispiel bezüglich der Anordnung eines Fluiddurchgangs 141, der im zweiten Verdränger 119 geformt und in welchem das Kälteelement 124 enthalten ist.
Gemäß Fig. 16 ist das Kälteelement 124 kugelförmig ausgebildet, wobei im Fluiddurchgang 141 Lagen aus Maschengewebe 147 so angeordnet sind, daß sie im Fluiddurchgang 141 in der Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Heliumgases einander abwechselnd gestapelt sind.
Wenn der Fluiddurchgang 141 auf diese Weise ausgestaltet ist, kann die Strömung des Heliumgases durch den Durchgang 141 durch die Lagen der Maschengewebe oder Siebe vergleichmäßigt werden. Die Partialströmung des Heliumgases kann somit im Vergleich zum herkömmlichen Fall in größerem Maße verringert werden. Der mittels des Kälteelements 124 erreichte Kältewirkungsgrad kann demzufolge unter Erhöhung der Kühlleistung der Kältemaschine erhöht sein oder werden.
Fig. 17 veranschaulicht die Ergebnisse einer Messung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen von Heliumgas, das die Kälteelemente in den Fluiddurchgängen gemäß Fig. 2 und 16 durchströmt. Diese Ergebnisse wurden bei Normaltemperatur und im statischen Zustand der Kältemaschinen unter der Voraussetzung ermittelt, daß die Außendurchmesser der Fluiddurchgänge, die Mengen, Formen und Größen der Kälteelemente sowie die die Kälteelemente bildenden Werkstoffe jeweils gleich sind. die Bedingungen sind von denen (Kryotemperatur und Hin- und Herbewegung) verschieden, unter denen die Kältemaschinen in der Praxis betrieben werden; es ist jedoch ersichtlich, daß die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des den Fluiddurchgang gemäß Fig. 16 durchströmenden Heliumgases gleichmäßiger ist. Es wird angenommen, daß dieser Trend auch unter praktischen Bedingungen erhalten bleiben kann. Anstelle der Lagen aus Maschengewebe oder Sieben kann auch Glaswolle o.dgl. als Abstandstücke verwendet werden.
Obgleich der Fluiddurchgang im zweiten Verdränger bei den drei oben beschriebenen Beispielen die Anordnung gemäß den Fig. 9, 13 und 16 aufweist, kann der Fluiddurchgang im ersten Verdränger (ebenfalls) die Anordnung gemäß den Fig. 9, 13 und 16 aufweisen. Diese Anordnungen des Fluiddurchgangs lassen sich auch auf eine Kryokälteanlage mit dritten und vierten Verdrängern anwenden. Der Fluiddurchgang, in welchem das Kälteelement untergebracht ist, kann auch im Fall derjenigen Kryokälteanlagen, bei denen die Verdränger und der Kältespeicher nicht zu einer Einheit zusammengefaßt sind, auf die in den Fig. 9, 13 und 16 dargestellte Weise angeordnet bzw. ausgestaltet sein.
Obgleich vorstehend Kältemaschinen beschrieben sind, bei denen der Verdränger und der Kältespeicher zu einer Einheit zusammengefaßt sind, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Kältemaschinen anwendbar, bei denen der Verdränger und der Kältespeicher nicht zu einer Einheit zusammengefaßt sind.
Ferner wurde vorstehend die Kryokälteanlage bzw. Kältemaschine vom Gifford-McMahon-Typ beschrieben, die für Kryokälteanlagen typisch ist; die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf andere Kryokälteanlagen der verbesserten Solvay-, Stirling- und Zyklustypen anwendbar.

Claims

1. Kryokälteanlage, umfassend:

einen geschlossenen Zylinder (111) mit Einlaß (134) und Auslaß (135) zum Einführen und Austragen eines Kältemittelgases in den bzw. aus dem Zylinder (111),

einen verschiebbar im geschlossenen Zylinder (111) untergebrachten Verdränger (119), der ein Kälteelement (124) aufnimmt und einen Durchgang (123), der vom Kältemittelgas durchströmt wird, aufweist,

eine koaxial im Durchgang (123) des Verdrängers (119), in welchem das Kälteelement (124) untergebracht ist, angeordnete Einrichtung (142) zum Unterteilen des Durchgangs (123) in äußere und innere Durchgänge,

eine Einrichtung zum Hin- und Herverschieben des Verdrängers (119) im Zylinder (111) und

eine Einrichtung zum Wiederholen des Vorgangs des Einführens des Hochdruck-Kältemittelgases in den Zylinder (111) über den Einlaß und seines Austragens aus dem Zylinder (111) synchron mit dem sich hin- und herbewegenden Verdränger (119).

2. Kryokälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Durchgang unterteilende Einrichtung (142) ein zylindrisches Element (142) ist.

3. Kryokälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kälteelement (124) teilchenförmig ist.

4. Kryokälteanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnchen des im äußeren Durchgang (144) des Verdrängers (119) untergebrachten Kälteelements (124) jeweils eine Grdße besitzen, die kleiner ist als diejenige(n) des im inneren Durchgang (143) untergebrachten Käleelerrents (124).

5. Kryokälteanlage, umfassend:

einen verschiebbar im geschlossenen Zylinder (111) angeordneten Verdränger (119), der ein teilchenförmiges Kälteelement (124) aufnimmt und einen Durchgang (123), der vom Kältemittelgas durchströmt wird, aufweist,

mehrere gasdurchlässige Membranen (147), die in dem Durchgang (141), in welchem das Kälteelement (124) untergebracht ist, voneinander beabstandet in einer Richtung senkrecht zur Verlaufsrichtung des Durchgangs (141) angeordnet sind, wobei das teilchenförmige Kälteelement zwischen den gasdurchlässigen Membranen untergebracht ist, eine Einrichtung zum Hin- und Herverschieben des Verdrängers (119) im Zylinder (111) und

eine Einrichtung zum Wiederholen des Vorgangs des Einführens des Kältemittelgases in den Zylinder (111) über den Einlaß und seines Austragens aus dem Zylinder (111) über den Auslaß (135) in einer Beziehung zu dem sich hinund herbewegenden Verdränger.

6. Kryokälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässigen Membranen (147) Maschengitterelemente sind.