DE856892C - Cold gas cooling machine - Google Patents
Cold gas cooling machineInfo
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- DE856892C DE856892C DEN4421A DEN0004421A DE856892C DE 856892 C DE856892 C DE 856892C DE N4421 A DEN4421 A DE N4421A DE N0004421 A DEN0004421 A DE N0004421A DE 856892 C DE856892 C DE 856892C
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
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- Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)
Description
(WiGBl. S. 17S)(WiGBl. P. 17S)
AUSGEGEBEN AM 24. NOVEMBER 1952ISSUED NOVEMBER 24, 1952
N 4431Ia/17gN 4431Ia / 17g
KaltgaskühlmaschineCold gas refrigerator
Die Erfindung betrifft eine Kaltgaskühlmaschine, die mit zwei Raumteilen versehen ist, die sich dauernd mit gegenseitigem nahezu konstanten Phasenunterschied hinsichtlich ihres Volumens ändern, wobei der eine eine niedrigere Temperatur und der andere eine höhere Temperatur aufweist, und die mittels eines Gefrierers, Regenerators und Kühlers miteinander in Verbindung stehen, bei der ein Gas mit unveränderlicher chemischer Zusammensetzung einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf ausführt und sich dabei stets im gleichen Aggregatzustand befindet. Solche Kaltgaskühlmaschinen sind bekannt und werden oft als nach dem Heißgasmotorprinzip arbeitende Kaltgaskühlmaschinen bezeichnet.The invention relates to a cold gas refrigerator, which is provided with two space parts, which permanent with mutual almost constant phase difference in terms of their volume change, one at a lower temperature and the other at a higher temperature, and which are in communication with one another by means of a freezer, regenerator and cooler, in which a gas with invariable chemical composition is a closed thermodynamic one Cycle and is always in the same state of aggregation. Such Cold gas cooling machines are known and are often used as operating on the hot gas engine principle Called cold gas refrigerators.
Von der Erfinderin wurde bereits vorgeschlagen, eine solche Kaltgaskühlmaschine derart auszubilden, daß sie ein gasförmiges Mittel, z. B. Luft, auf wenigstens —1500 C zu kühlen vermag, eine Temperatur, die infolge des sich in der Kühlmaschine vollziehenden Vorgangs in einer einzigen Stufe erreicht wird.The inventor has already proposed that such a cold gas refrigerator be designed in such a way that it contains a gaseous agent, e.g. B. air, able to cool to at least -150 0 C, a temperature that is reached in a single stage as a result of the process taking place in the cooling machine.
XTach der Erfindung soll nun eine Kaltgaskühlmaschine der angegebenen Type zum Kondensieren von -Gasen benutzt und zu diesem Zweck derart ausgebildet sein, daß das kondensierte Mittel auf einfache Weise gesammelt werden kann. Außerdem wild bei der Kühlmaschine nach der Erfindung das zu kondensierende Mittel vor der eigentlichen Kondensierung nicht komprimiert, was bei den bisher bekannten Anlagen zum Kondensieren von Gasen dagegen der Fall ist. Infolgedessen kann die Kaltgaskühlmaschine nach der Erfindung bedeutend einfacher gebaut werden als diese bekannten Anlagen. X T oh the invention will now a cold gas refrigerating machine of the specified type and used for condensing gases be designed for this purpose such that the condensed medium can be collected easily. In addition, in the case of the refrigerating machine according to the invention, the agent to be condensed is not compressed before the actual condensation, which is the case with the previously known systems for condensing gases. As a result, the cold gas cooling machine according to the invention can be built significantly more simply than these known systems.
Gemäß der Erfindung kommt das zu kondensierende Mittel in direkte Berührung mit der Wand des Gefrierers, durch die hindurch sich der Wärme-According to the invention, the agent to be condensed comes into direct contact with the wall of the freezer, through which the heat
austausch vollzieht; während es auf dieser Wand kondensiert, ist der Gasdruck des zu kondensierenden Mittels gleich oder nahezu gleich dem Atmosphärendruck. Ferner ist bei dieser Mascmne der Gefrierer derart gestaltet, daß das kondensierte Mittel herabtröpfeln und in einem am unteren Teil des Gefrierers angeordneten Sammelgefäß gesammelt werden 'kann. Es ist erkannt worden, daß., wenn der Abstand des Flüssigkeitspegels im Sammelgefäß von der unteren Seite desjenigen Wandteils des Gefrierers, welcher mit dem Arbeitsmittel in der Maschine in Wärmeaustauschkontakt steht, verhältnismäßig groß ist, der nahe beim Regenerator liegende Teil des Gefrierers eine zu niedrige Temperatur annehmen kann, da die Wärmeableitung von diesem Teil unzulänglich ist. Infolgedessen wird auch die Temperatur der kältesten Regeneratorenfläche zu niedrig, wodurch der Regenerator einen unnötig großen Temperaturunterschied überbrücken muß und die Ausbeute der Maschine absinkt.exchange takes place; while it is condensing on this wall, the gas pressure of the agent to be condensed is equal to or nearly equal to atmospheric pressure. Furthermore, with this arrangement, the freezer is designed in such a way that the condensed agent drips down and can be collected in a collecting vessel arranged on the lower part of the freezer. It has been recognized that if the distance of the liquid level in the collecting vessel from the lower side of that wall part of the freezer which is in heat exchange contact with the working fluid in the machine is relatively large, the part of the freezer close to the regenerator is too low Temperature, as the heat dissipation from this part is insufficient. As a result, the temperature of the coldest regenerator surface is too low, as a result of which the regenerator has to bridge an unnecessarily large temperature difference and the yield of the machine drops.
Ein weiterer Nachteil ist der, daß auch die Oberfläche des Gefrierers, auf der sich das Mittel kondensiert, zu klein wird.Another disadvantage is that the surface of the freezer, on which the agent condenses, becomes too small.
Diese Nachteile können verhütet werden, wenn bei einer Kühlmaschine, bei der der Gefrierer senkrecht angeordnet ist, gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, der Gefrierer an seinem unteren Teil mit einem ringförmigen Samimelgefäß für das kondensierte Mittel versehen ist, das derart ausgebildet ist, daß der senkrechte Abstand des Flüssigkeitspegels in diesem Sammelgefäß von dem unteren Teil des mit dem Arbeitsmittel in der Maschine in Wärmeaustauschkontakt befindlichen Wandteils des Gefrierers, maximal ein Drittel, zweckmäßig maximal ein Sechstel der Höhe dieses Wandteiles beträgt.These drawbacks can be avoided if, in a refrigerator in which the freezer is vertical is arranged, according to an advantageous embodiment of the invention, the freezer at his the lower part is provided with an annular collecting vessel for the condensed agent, which is designed such that the vertical distance of the liquid level in this collecting vessel from the lower part of the in heat exchange contact with the working fluid in the machine located wall part of the freezer, a maximum of a third, expediently a maximum of a sixth of the Height of this wall part is.
Die Erfindung beruht ferner auf der Erkenntnis, daß es erwünscht ist, daß sich das .Sammelgefäß nicht über einen großen Teil der Höhe des Regenerators erstreckt. Im allgemeinen wird man den Regenerator mit einer Isolierschicht umgeben. Es hat sich jedoch gezeigt, daß aus baulichen Gründen die Isolierschicht zwischen dem Sammelgefäß und dem Regenerator nicht dick sein kann. Infolgedessen wird ein Wärmeaustausch zwischen dem Sammelgefäß und dem Regenerator auftreten können. Dieser Wärmeaustausch könnte dem Wirkungsgrad des Regenerators schädlich sein. Um dies zu verhüten, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bei einer Kühlmaschine, bei welcher der Gefrierer vertikal angeordnet ist und an seinem unteren Teil mit einem ringförmigen Sammelgefäß für das kondensierte Mittel versehen ist, dieses Sammelgefäß derart ausgebildet, daß sein Boden maximal um ein Drittel, zweckmäßig maximal um ein Sechstel der Höhe des Regenerators unterhalb der kältesten Regeneratorendfläche liegt. Beim Kondensieren von Mitteln, die Gase oder Dämpfe enthalten, die einen höheren Gefrierpunkt haben als der Kondensierpunkt des zu kondensierenden Mittels, kann auf dem Gefrierer Eisbildung auftreten. Dieses Eis kann in gewissen Fällen in das Sammelgefäß gelangen. Würden keine besonderen Maßnahmen getroffen, so könnte dieses Eis nicht mit dem flüssigen Mittel mitgeführt werden, so daß es im Sammelgefäß zurückbleiben würde, was zu einer Verstopfung des Sammelgefäßes führen könnte. Um dieses Mitführen des Eises weitestgehend zu begünstigen, ist das Sammelgefäß mit einem Ableitungsrohr für das kondensierte Mittel versehen, das in geringer Entfernung oberhalb des Bodens dieses Sammelgefäßes in dasselbe mündet, was zur Folge hat, daß dieser Boden auf seiner ganzen Fläche während des Maschinenbetriebs mit einer Schicht flüssigen Mittels überzogen bleibt.The invention is also based on the knowledge that it is desirable that the .Sammelgefäß does not extend over much of the height of the regenerator. Generally one will Surrounding the regenerator with an insulating layer. However, it has been shown that for structural reasons the insulating layer between the collecting vessel and the regenerator cannot be thick. Consequently a heat exchange between the collecting vessel and the regenerator can occur. This heat exchange could be the Efficiency of the regenerator can be detrimental. To prevent this, according to a further embodiment of the invention in a refrigerator in which the freezer is arranged vertically is and at its lower part with an annular collecting vessel for the condensed Means is provided, this collecting vessel is designed such that its bottom is a maximum of one Third, expediently a maximum of one sixth of the height of the regenerator below the coldest Regeneratorendfläche lies. When condensing agents that contain gases or vapors that cause a have a higher freezing point than the condensation point of the medium to be condensed ice may form in the freezer. In certain cases this ice can get into the collecting vessel. If no special measures were taken, this ice could not be carried along with the liquid agent, so that it was in the Would remain collecting vessel, which could lead to clogging of the collecting vessel. In order to facilitate this entrainment of the ice as much as possible, the collecting vessel is equipped with a drainage pipe for the condensed agent, which is a short distance above the ground this collecting vessel opens into the same, which has the consequence that this bottom on its whole Surface remains coated with a layer of liquid agent while the machine is in operation.
Wenn die Maschine nach dem Betrieb abgestellt wird, kann es vorkommen, daß im Sammelgefäß etwas Eis zurückbleibt, so daß sich beim Aufwärmen der Maschine Flüssigkeit im Sammelgefäß ansammelt. Bei erneuter Inbetriebnahme der Kühlmaschine wird diese Flüssigkeit wieder in Eis umgewandelt; auch diese Eisablagerung kann oft der Ableitung des kondensierten Mittels schädlich sein. Um zu verhüten, daß bei Inbetriebnahme der Kühlmaschine Flüssigkeit im Sammelgefäß vorhanden ist, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung an der niedrigsten Stelle des Sammelgefäßes eine verschließbare öffnung vorgesehen.If the machine is switched off after operation, it can happen that in the collecting container some ice remains, so that when the machine warms up, there is liquid in the collecting vessel accumulates. When the cooling machine is started up again, this liquid is converted back into ice; this ice deposit too can often be detrimental to the drainage of the condensed agent. In order to prevent liquid from being present in the collecting vessel when the cooling machine is started up is, according to a further embodiment of the invention, is at the lowest point of the collecting vessel a closable opening is provided.
Es kann in bestimmten Fällen erwünscht sein, daß die Kaltgaskühlmaschine zwei verschiedene Mittel niedriger Temperatur liefert, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen und die für verschiedene Zwecke benutzt werden. Diese unterschiedlichen Mittel können an der Stelle des Gefrierers entweder sowohl hinsichtlich des Aggregatzustandes als auch der Temperatur oder nur hinsichtlich der Temperatur verschieden sein.In certain cases it may be desirable for the cold gas refrigerator to be of two different types Medium low temperature supplies, which have different temperatures and which for different purposes can be used. These different agents can take the place of the freezer either with regard to the physical state as well as the temperature or only with regard to the temperature may be different.
So kann es z. B. in gewissen Fällen erwünscht sein, daß die Kaltgaskühlmaschine nicht nur flüssige Luft von etwa —1(95° C, sondern auch Luft in gasförmigem Zustand und einer höheren Temperatur, z.B. —1500C, liefert. Dies kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erreicht werden, wenn ein oberhalb des Flüssigkeitspegels im Sammelgefäß mündender Abführungskanal zum Ableiten des oberhalb des Flüssigkeitspegels vorhandenen gasförmigen Mittels vorgesehen ist.So it can be B. be desirable in certain cases that the cold gas cooling machine not only liquid air of about -1 (95 ° C, but also the air in a gaseous state and a higher temperature, for example -150 0 C, supplies. This may according to a further embodiment of the Invention can be achieved if a discharge channel opening above the liquid level in the collecting vessel is provided for discharging the gaseous agent present above the liquid level.
Die Erfindung ist in der Zeichnung an einigen schematisch dargestellten Ausführungsformen der Kaltgaskühlmaschine nach der Erfindung näher erläutert. InThe invention is shown in the drawing in some schematically illustrated embodiments of the Cold gas cooling machine according to the invention explained in more detail. In
Fig. ι ist eine vertikal angeordnete Kaltgaskühlmaschine dargestellt;Fig. Ι is a vertically arranged cold gas cooling machine shown;
Fig. 2 zeigt einen Teil der Kaltgaskühlmaschine mit andersartig ausgebildetem Sammelgefäß; in2 shows part of the cold gas cooling machine with a differently designed collecting vessel; in
Fig. 3 ist eine horizontal angeordnete Maschine dargestellt.Fig. 3 shows a horizontally arranged machine.
Die Maschine der Fig. 1 ist mit einem Zylinder 1 versehen, in dem sich ein Verdränger 2 und ein Kolben 3 vor- und rückwärts bewegen können. Sowohl der Verdränger 2 als auch der Kolben 3 sind mittels Triebgestänge 4 bzw. 5 mit den Kurbeln einer Kurbelwelle 6 verbunden. Der Raum 7 ober-The machine of Fig. 1 is provided with a cylinder 1 in which a displacer 2 and a Piston 3 can move back and forth. Both the displacer 2 and the piston 3 are connected to the cranks of a crankshaft 6 by means of drive rods 4 and 5, respectively. Room 7 above
halb des Verdrängers 2 ist der Gefrierraum der Maschine und steht über den Gefrierer 8, Regenerator 9 und Kühler 10 mit dem Raum 11 zwischen ' dem Verdränger und dem Kolben in Verbindung. Letzterer Raum wird als gekühlter Raum bezeichnet. Die Kurbeln der Maschine schließen einen Winkel von 900 ein, und die Drehrichtung der Kurbelwelle ist derart, daß der Gefrierraum in bezug auf den gekühlten Raum voreilt. Die Kühlmaschine wird mittels eines mit gestrichelten Linien bezeichneten Elektromotors 12 angetrieben. Der Gefrierer 8 ist an seinem unteren Teil mit einem Sammelgefäß 13 versehen, das in Form eines Ringkanals gestaltet ist. In diesen Ringkanal mündet ein Ableitungsrohr 14 für das kondensierte Mittel. Die Höhe α des Flüssigkeitspegels 15 beträgt maximal ein Drittel der Höhe b der Rippen 16 des Gefrierers. Der Ringkanal ist ferner mit einem Ableitungsrohr 17 versehen, das mittels eines Hahnes 18 verschlossen und durch das bei der Inbetriebnahme der Masohine das gegebenenfalls im Ringkanal vorhandene Wasser abgelassen werden kann. Der Ringkanal enthält ferner ein Abführungsrohr 19 zum Ableiten der oberhalb des Flüssigkeitspegels im Ringkanal befindlichen gekühlten Luft. Die Wand des Gefrierers 8 ist an ihrer Außenseite mit Rippen 20 versehen.half of the displacer 2 is the freezer compartment of the machine and is connected to the space 11 between the displacer and the piston via the freezer 8, regenerator 9 and cooler 10. The latter room is called a cooled room. The cranks of the machine include an angle of 90 0, and the direction of rotation of the crankshaft is such that the freezer compartment is advanced with respect to the refrigerated space. The cooling machine is driven by means of an electric motor 12 denoted by dashed lines. The freezer 8 is provided at its lower part with a collecting vessel 13 which is designed in the form of an annular channel. A discharge pipe 14 for the condensed agent opens into this annular channel. The height α of the liquid level 15 is a maximum of one third of the height b of the ribs 16 of the freezer. The ring channel is also provided with a drainage pipe 17 which is closed by means of a tap 18 and through which any water that may be present in the ring channel can be drained off when the masohine is started up. The ring channel also contains a discharge pipe 19 for discharging the cooled air located above the liquid level in the ring channel. The wall of the freezer 8 is provided with ribs 20 on its outside.
Die Kühlmaschine wirkt folgendermaßen: Nach Inbetriebnahme der Maschine sinkt die Temperatur des Gefrierers auf z. B. — 1980 C. Das zu kondensierende Mittel, z. B. Luft, kommt in unmittelbare Berührung mit den Rippen 20 und mit der Wand des Gefrierers 8, durch die hindurch sich der Wärmeaustausch vollzieht; sie kondensiert sowohl auf den Rippen als auch auf dieser Wand. Der Gasdruck des zu kondensierenden Mittels nahe der Wand ist nahezu gleich dem Atmosphärendruck. Das flüssige Mittel wird im Ringkanal iißi gesammelt. Der Ableitungskanal 14 ist in geringer Entfernung oberhalb des Bodens des Ringkanals angeordnet, womit erreicht wird, daß gegebenenfalls vorhandene Eisteilchen mit der flüssigen Luft mitgeführt werden können, so daß keine Anreicherung von Eisteilchen stattfinden kann. Oberhalb dos Flüssigkeitspegels 15 ist das Ableitungsrohr 19 angeordnet, mittels dessen die kalte Luft oberhalb des Flüssigkeitspegels abgesaugt werden kann, so daß die Kühltnaschine sich für zwei Zwecke benutzen läßt, und zwar zum Liefern flüssiger Luft und zum Liefern gasförmiger Luft niedriger Temperatur.The cooling machine works as follows: After starting up the machine, the temperature of the freezer drops to z. B. - 198 0 C. The agent to be condensed, e.g. B. air, comes into direct contact with the ribs 20 and with the wall of the freezer 8, through which the heat exchange takes place; it condenses on both the ribs and this wall. The gas pressure of the medium to be condensed near the wall is almost equal to atmospheric pressure. The liquid agent is collected in the ring channel iißi. The discharge channel 14 is arranged a short distance above the bottom of the annular channel, which means that any ice particles that may be present can be carried along with the liquid air, so that no accumulation of ice particles can take place. Above the liquid level 15, the discharge pipe 19 is arranged, by means of which the cold air above the liquid level can be sucked off, so that the cooling machine can be used for two purposes, namely for supplying liquid air and for supplying gaseous air at low temperature.
Die Kaltgaskühlmaschine nach Fig. 2, von der nur der obere Teil dargestellt ist, ist mit einem Ringkanal versehen, der etwas anders gebaut ist als der Ringkanal der Kaltgaskühlmaschine nach Fig. 1.The cold gas refrigerator according to Fig. 2, of which only the upper part is shown, is with a Provided ring channel, which is built somewhat differently than the ring channel of the cold gas cooling machine according to FIG. 1.
In dieser Figur sind mit gleichen Ziffern einander entsprechende Maschinenteile bezeichnet. Der Ringkanal 3 1 hat eine derartige Lage, daß stets die vollständige Wandoberfläche des Gefrierers zum Kondensieren benutzt werden kann. Hierbei ist jedoch berücksichtigt, daß der untere Teil 32 des Sammelgefäßes maximal um ein Drittel, zweckmäßig maximal um ein Sechstel der Höhe des Regenerators 9 unterhalb der kalten Regeneratorendfläche gelegen ist. Ähnlich wie das Sammelgefäß der Fig. ι kann das Sammelgefäß nach Fig. 2 mit unterschiedlichen Ableitungsrohren versehen sein. Diese sind jedoch der Einfachheit halber nicht in dieser Figur dargestellt.In this figure, corresponding machine parts are denoted by the same numerals. The ring canal 3 1 has such a position that always the complete wall surface of the freezer for condensation can be used. Here, however, it is taken into account that the lower part 32 of the collecting vessel a maximum of a third, expediently a maximum of a sixth of the height of the regenerator 9 is located below the cold regenerator end face. Similar to the collecting vessel of the Fig. Ι the collecting vessel according to FIG. 2 can be provided with different discharge pipes. However, for the sake of simplicity, these are not shown in this figure.
Die waagerechte Maschine nach Fig. 3 ist in ähnlicher Weise wie die Maschine nach Fig. 1 und 2 ausgebildet, auch in dieser Figur sind Teile entsprechend denjenigen der vorangehenden Figuren mit gleichen Ziffern bezeichnet. Die Gefrierwand 8 ist bei dieser Ausführungsform mit gleichachsig um den Gefrierer liegenden Rippen 40 ausgestattet, so daß auch von diesen Rippen das kondensierte Mittel herabtröpfeln kann. Am unteren Teil des Gefrierers ist ein Sammelgefäß 41 angeordnet, in dem das kondensierte Mittel gesammelt werden kann. Dieses Mittel kann über das Ableitungsrohr 42 abgeführt werden.The horizontal machine according to FIG. 3 is similar to the machine according to FIGS. 1 and 2 In this figure, too, parts are similar to those in the preceding figures denoted by the same numbers. The freezer wall 8 is coaxial in this embodiment The freezer lying ribs 40 equipped, so that the condensed agent from these ribs can trickle down. At the lower part of the freezer there is a collecting vessel 41 in which the condensed agent can be collected. This agent can be discharged via the discharge pipe 42 will.
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