EP1518076A1 - Refrigerator comprising a regenerator - Google Patents

Refrigerator comprising a regenerator

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Publication number
EP1518076A1
EP1518076A1 EP03761450A EP03761450A EP1518076A1 EP 1518076 A1 EP1518076 A1 EP 1518076A1 EP 03761450 A EP03761450 A EP 03761450A EP 03761450 A EP03761450 A EP 03761450A EP 1518076 A1 EP1518076 A1 EP 1518076A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
regenerator
displacer
gap
refrigerator
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03761450A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Holger Dietz
Heinz-Josef Dubbelfeld
Jiri Melichar
Axel Persch
Mario Pietrangeli
Ernst Schnacke
André Siegel
Axel Veit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold Vakuum GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leybold Vakuum GmbH filed Critical Leybold Vakuum GmbH
Publication of EP1518076A1 publication Critical patent/EP1518076A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator

Definitions

  • the invention relates to a refrigerator with a housing, with a cylindrical working space, with a cylindrical displacer, with a gap located between the housing and the displacer, with a regenerator located in the displacer and with a device for alternately supplying the working space with high pressure. and low pressure working gas.
  • Refrigerators are low-temperature chillers in which thermodynamic cycles take place (see, for example, US Pat. No. 2,9 06,101).
  • a single-stage refrigerator essentially comprises a work space with a displacer.
  • the work space is alternately connected to a high-pressure and a low-pressure gas source, so that the thermodynamic cycle (Stirling process, Gifford-McMahon process, etc.) takes place during the forced reciprocation of the displacer.
  • the working gas is conducted in a closed cycle. The result is that heat is extracted from a certain area of the work space and the displacer.
  • two-stage refrigerators of this type and helium as the working gas e.g. B. generate temperatures well below 10 ° K.
  • regenerator An essential part of a refrigerator is the regenerator through which the working gas flows before and after the expansion.
  • the regenerator is usually located within the essentially cylindrical displacer.
  • the regenerator material must have good heat-storing properties so that a sufficiently high heat exchange takes place between the working gas and the regenerator.
  • both the displacer, in particular the displacer housing, and the cylinder housing must be poorly heat-conducting, since otherwise the heat extracted on the cold side of the working space and the displacer would be quickly replaced by heat conduction.
  • the cylinder housing is made of Novetex (plastic-impregnated cotton fiber) or materials with similar properties. Novetex has proven itself particularly as a material for the displacement housing. Nets, balls or wool made of bronze (preferably for the first stage) and lead balls (preferably for the second stage) are known as regenerator materials.
  • a refrigerator of the type mentioned is known from US-A-54 81 879.
  • the disadvantage of this solution is that the gap still has to be relatively narrow in order to ensure that the gas flows in a helical manner.
  • there is no rapid heat exchange between the gas and the adjacent components instead since these consist of materials that not only have - as already mentioned - a low thermal conductivity but also a low heat storage capacity.
  • the present invention is based on the object of providing a refrigerator of the type mentioned at the outset in which the disadvantages associated with the cracked gas streams are eliminated.
  • the cracked gas stream is completely regenerated by the measures according to the invention.
  • the heat storage or regeneration capability of the gap enclosing surfaces which essentially does not exist in the prior art, is determined in a refrigerator according to the invention by embedding a material with a high heat capacity in the gap enclosing surfaces, e.g. on the outside of the displacer and / or on the inside of the cylinder housing.
  • the performance of the refrigerator is improved not only by the fact that an undesired heat input into the expansion space no longer takes place, but also by the fact that the gas mass flow which is essentially the only effective in the prior art and flows through the regenerator of the displacer is increased by the regenerated fission gas mass flow.
  • the storage capacity of the cracked gas regenerator is expediently dimensioned such that the cracked gas mass flow also increasing runtime of the cold head can increase, without there being a loss of performance of the cold head.
  • the required sealing effect between the displacer and the cylinder wall is subject to completely new operating conditions when using a split gas regenerator. In principle, it does not matter how large the cracked gas mass flow is. Only enough heat must always be given off to the cracked gas regenerator that the cracked gas mass flow essentially reaches the expansion space at the temperature of the expansion space.
  • a refrigerator according to the invention can be constructed much more simply; the seal in particular can be significantly simplified or even eliminated. In addition to manufacturing with easy-to-implement dimensions, you can also use "standard sealing rings". This makes the cooler cheaper, simpler and more durable.
  • FIG. 1 shows a two-stage refrigerator according to the prior art
  • FIG. 2 shows a partial section with a fission gas regenerator according to the invention
  • 3 shows a one-stage refrigerator designed according to the invention
  • Figure 4 shows another solution for the design of a fission gas regenerator.
  • FIG. 1 shows a two-stage Gifford-McMahon refrigerator 1 according to the prior art.
  • a valve system is housed in a manner not known per se, which connects a high-pressure and a low-pressure gas source, which are connected to the connecting pieces 3 and 4, to the channels 5, 6 and 7 in a certain order.
  • the channel 6 opens into a cylinder 8, in which a drive piston 12 is located with the displacer 9 of the first stage 11 of the refrigerator.
  • a crank drive can also be used.
  • a ring sealing the piston 12 against the inner wall of the cylinder 8 is designated by 13. With the help of this drive, the displacer 9 is moved back and forth in the working space 15 formed by the cylindrical housing 14.
  • the displacer 17 of the second stage 18 of the refrigerator is connected to the displacer 9 of the first stage via the pin 16, so that the displacer 17 of the second stage also executes a reciprocating movement in the working space 21 formed by the cylindrical housing 19.
  • the axis of the entire system is labeled 10.
  • the displacers 9 and 17 are essentially cylindrical. Their housings 22 and 23 form cavities 20a and 20b, respectively, which accommodate the regeneration serve gates. They exist e.g. B. bronze networks in the first stage and from lead pellets in the second Stu ⁇ fe.
  • the working gas is supplied or discharged via channels 5 and 7. It flows through the bores 24, through the regenerator of the displacer 9 and through the bores 37 into the expansion space 25, which is the lower part of the working space 15. There it expands and extracts heat from this area of the first stage 11 of the refrigerator.
  • the precooled gas continues to flow through the bore 27 in the displacer 17 of the second stage 18, through the regenerator located in the interior 20b of this displacer 17 and through the bore 28 at the lower end of the displacer 17 into the expansion space 29 of the second stage 18. There occurs a further expansion with this area of the second stage cooling effect.
  • the gas flows back in the same way and cools the regenerator materials, so that the gases flowing in again in the next cycle are already pre-cooled in the regenerator.
  • Sealing rings 31 and 32 which are accommodated in external grooves 33 and 34 of the displacement walls, serve to seal the displacers 9 and 17 with respect to their associated chamber walls 14 and 19.
  • the gaps between the displacers 11, 17 and the cylindrical housings 14, 19 of the working spaces 15, 21 are denoted by 36 and 38, respectively.
  • FIG 2 is a highly schematic partial sketch with a solution according to the invention, which can be used both in the first and in the second stage of a refrigerator according to Figure 1.
  • the regenerator in the cavity 20a, 20b of the displacer 9 or 17
  • 42 in the gap 36, 38
  • An additional regenerator 43 is assigned to the cracked gas mass flow 42. It is a single-layer wire winding in the axial direction, which is embedded on the gap side in the housing wall 22, 23 of the displacer 9, 17. It consists of bronze (?),
  • the further regenerator 43 is used in the first stage 9, and lead, for example, if it is used in the second stage.
  • a seal 31, 32 is shown; it no longer has to meet high tightness requirements. It can even be omitted if it is ensured that the cracked gas mass flow is essentially completely regenerated.
  • FIG. 3 shows a single-flow design of a refrigerator 1.
  • the split gas regenerator 43 is part of the housing wall 14 of the refrigerator housing. If necessary, split gas regenerators 43 of the type described can also be arranged on both sides of the gaps 36, 38.
  • FIG. 4 shows an embodiment with a split gas generator 43, which in the embodiment shown is integrated in the displacer 17 of the second stage 18, specifically in the area of its warm end.
  • a cavity 44 is provided in the housing 23 of the displacer 17, in which the regenerator material is located.
  • the cavity 44 is connected to the gap 38 on the inlet and outlet sides via axially spaced radial bores 45, 46. be- see the mouths of the radial bores 45, 46 in the gap 38 there is a seal 47.
  • This seal also does not have to meet high sealing requirements. It only has to be ensured that the pressure difference generated by the seal 47 is greater than the pressure difference generated by the regenerator 43. This ensures that from the warm side of the displacer 17 to its cold side through the gap 38 flowing gases flow almost completely through the regenerator 43, so that the desired regeneration effect also occurs with respect to the cracked gases.
  • a further seal 48 can be present in the gap 38 at the end (warm end). With an optimized design of the flow resistances, generated by the seal 47 and the regenerator 43, this seal can, however, be omitted.
  • the space 44 can be connected directly to the channel 27 via an approximately axially directed bore.
  • This solution has the effect that the pressure difference across the seal 47 is smaller, in particular if the bore 45 is dispensed with.

Abstract

The invention relates to a refrigerator (1) comprising a housing (2, 14, 19), a cylindrical working chamber (15, 21), a cylindrical displacing member (11, 17), a gap (36, 38) which is located between the housing and the displacing member, a regenerator which is disposed inside the displacing member, and a device alternatingly supplying the working chamber with an effective high-pressure gas and an effective low-pressure gas. In order to overcome the disadvantages associated with gas streams occurring in the gap (36, 38), an additional regenerator (cracked gas regenerator, 43) is assigned to the gap (36, 38).

Description

Refrigerator mit RegeneratorRefrigerator with regenerator
Die Erfindung bezieht sich auf einen Refrigerator mit einem Gehäuse, mit einem zylindrischen Arbeitsraum, mit einem zylindrischen Verdränger, mit einem zwischen dem Gehäuse und dem Verdränger befindlichen Spalt, mit einem im Verdränger befindlichen Regenerator und mit einer Einrichtung zur alternierenden Versorgung des Arbeitsraumes mit Hochdruck- und Niederdruck-Arbeitsgas.The invention relates to a refrigerator with a housing, with a cylindrical working space, with a cylindrical displacer, with a gap located between the housing and the displacer, with a regenerator located in the displacer and with a device for alternately supplying the working space with high pressure. and low pressure working gas.
Refrigeratoren sind Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen thermodynamische Kreisprozesse ablaufen (vgl . z.B. die US-PS 29 06 101). Ein einstufiger Refrigerator umfasst im wesentlichen einen Arbeitsraum mit einem Verdränger. Der Arbeitsraum wird alternierend mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckgasquelle verbunden, so dass während der erzwungenen Hin- und Herbewegung des Verdrängers der thermodynamische Kreisprozess (Stir- ling-Prozess, Gifford-McMahon-Prozess usw.) abläuft. Dabei wird das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Die Folge ist, dass einem bestimmten Bereich des Arbeitsraumes und des Verdrängers Wärme entzogen wird. Mit zweistufigen Refrigeratoren dieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich z. B. Temperaturen bis weit unter 10° K erzeugen. Wesentlicher Bestandteil eines Refrigerators ist der Regenerator, durch den das Arbeitsgas vor und nach der Entspannung strömt. Der Regenerator befindet sich üblicherweise innerhalb des im wesentlichen zylindrisch gestalteten Verdrängers. Der Regeneratorwerkstoff muss zum einen gut wärmespeichernde Eigenschaften haben, damit ein ausreichend hoher Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsgas und dem Regenerator stattfindet. Zum anderen müssen sowohl der Verdränger, insbesondere das Verdrängergehäuse, als auch das Zylindergehäuse schlecht wärmeleitend sein, da sonst die auf der kalten Seite des Arbeitsraumes und des Verdrängers entzogene Wärme durch Wärmeleitung schnell wieder ersetzt würde.Refrigerators are low-temperature chillers in which thermodynamic cycles take place (see, for example, US Pat. No. 2,9 06,101). A single-stage refrigerator essentially comprises a work space with a displacer. The work space is alternately connected to a high-pressure and a low-pressure gas source, so that the thermodynamic cycle (Stirling process, Gifford-McMahon process, etc.) takes place during the forced reciprocation of the displacer. The working gas is conducted in a closed cycle. The result is that heat is extracted from a certain area of the work space and the displacer. With two-stage refrigerators of this type and helium as the working gas, e.g. B. generate temperatures well below 10 ° K. An essential part of a refrigerator is the regenerator through which the working gas flows before and after the expansion. The regenerator is usually located within the essentially cylindrical displacer. On the one hand, the regenerator material must have good heat-storing properties so that a sufficiently high heat exchange takes place between the working gas and the regenerator. On the other hand, both the displacer, in particular the displacer housing, and the cylinder housing must be poorly heat-conducting, since otherwise the heat extracted on the cold side of the working space and the displacer would be quickly replaced by heat conduction.
Es ist bekannt, als Werkstoff für das Zylindergehäuse Edelstahl einzusetzen. Edelstahl hat bei den hier betroffenen sehr tiefen Temperaturen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Allerdings scheidet Edelstahl als Werkstoff dann aus, wenn der Refrigerator im Bereich von Magnetfeldern eingesetzt wird (z.B. in Kernspintomographen) . In solchen Fällen besteht das Zylindergehäuse aus Novetex (kunststoffgetränkte Baumwollfaser) oder Werkstoffen mit ähnlichen Eigenschaften. Novetex hat sich insbesondere als Werkstoff für das Verdrängergehäuse bewährt. Als Regeneratormaterialien sind Netze, Kugeln oder Wolle aus Bronze (vorzugsweise für die erste Stufe) und Bleikugeln (vorzugsweise für die zweite Stufe) bekannt.It is known to use stainless steel as the material for the cylinder housing. Stainless steel has a very low thermal conductivity at the very low temperatures affected here. However, stainless steel is excluded as a material if the refrigerator is used in the field of magnetic fields (e.g. in magnetic resonance tomographs). In such cases, the cylinder housing is made of Novetex (plastic-impregnated cotton fiber) or materials with similar properties. Novetex has proven itself particularly as a material for the displacement housing. Nets, balls or wool made of bronze (preferably for the first stage) and lead balls (preferably for the second stage) are known as regenerator materials.
Bei Refrigeratoren der hier betroffenen Art lässt es sich nicht vermeiden, dass auch im Spalt zwischen Gehäuse und Verdränger ein Gasstrom stattfindet. Dieser hat ebenfalls die nachteilige Wirkung, dass er zum Wärmeaustausch zwischen dem kalten und dem warmen Ende des Verdrängers beiträgt. Der Wärmeeintrag in die Expansionskammer (kaltes Ende des Arbeitsraumes) reduziert die Leistungsfähigkeit des gesamten Refrigerators.With refrigerators of the type concerned here, it cannot be avoided that a gas flow also takes place in the gap between the housing and the displacer. This also has the disadvantageous effect that it contributes to the heat exchange between the cold and the warm end of the displacer. The heat input into the expansion chamber (cold end of the work area) reduces the performance of the entire refrigerator.
Um den Gasstrom durch den Spalt im Vergleich zum Gasstrom durch den Regenerator klein zu halten, sind die Konstrukteure von Refrigeratoren der hier betroffenen Art bisher den Weg gegangen, diesen Spalt möglichst eng zu gestalten und/oder Dichtungen einzusetzen. Maßnahmen dieser Art sind aufwendig und damit kostspielig. Dieses gilt insbesondere für die Dichtungen, die ihre Aufgabe bei den extrem tiefen Temperaturen erfüllen müssen. Sie bestehen üblicherweise aus Kunststoffen, die mit zunehmender Laufzeit schrumpfen. Die Einhaltung enger Toleranzen ist nicht möglich.In order to keep the gas flow through the gap small compared to the gas flow through the regenerator, the designers of refrigerators of the type concerned here have hitherto followed the path of making this gap as narrow as possible and / or using seals. Measures of this type are complex and therefore expensive. This applies in particular to the seals, which have to fulfill their task at extremely low temperatures. They usually consist of plastics that shrink with increasing runtime. It is not possible to maintain tight tolerances.
Ein Refrigerator der eingangs erwähnten Art ist aus der US-A-54 81 879 bekannt. Um die mit der Spaltströmung verbundenen Nachteile zu reduzieren, wird vorgeschlagen, entweder die Außenfläche des Verdrängers oder die Innenfläche des Gehäuses mit einem oder mehreren wen- delförmigen Nuten auszurüsten. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, dass sich die Gase länger im Spalt aufhalten, so dass ein verbesserter Temperaturausgleich zwischen dem strömenden Gas und den angrenzenden Bauteilen stattfindet. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Spalt immer noch relativ eng sein muss, um zu erreichen, dass das Gas wendeiförmig strömt. Außerdem findet ein schneller Wärmetausch zwischen dem Gas und den angrenzenden Bauteilen nicht statt, da diese aus Werkstoffen bestehen, die nicht nur - wie bereits erwähnt - über eine geringe Wärmeleitfähigkeit sondern auch über eine geringe Wärmespeicherkapazität verfügen.A refrigerator of the type mentioned is known from US-A-54 81 879. In order to reduce the disadvantages associated with the gap flow, it is proposed to equip either the outer surface of the displacer or the inner surface of the housing with one or more helical grooves. This measure is intended to ensure that the gases remain in the gap longer, so that an improved temperature compensation takes place between the flowing gas and the adjacent components. The disadvantage of this solution is that the gap still has to be relatively narrow in order to ensure that the gas flows in a helical manner. In addition, there is no rapid heat exchange between the gas and the adjacent components instead, since these consist of materials that not only have - as already mentioned - a low thermal conductivity but also a low heat storage capacity.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Refrigerator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die mit den Spaltgasströmen verbundenen Nachteile beseitigt sind.The present invention is based on the object of providing a refrigerator of the type mentioned at the outset in which the disadvantages associated with the cracked gas streams are eliminated.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the claims.
Durch die Maßnahmen nach der Erfindung wird der Spaltgasstrom vollständig regeneriert. Die beim Stand der Technik im wesentlichen nicht existierende Wärmespeicher- bzw. Regenerationsfähigkeit der Spaltumschließungsflächen wird bei einem Refrigerator nach der Erfindung durch die Einbettung eines Materials mit hoher Wärmekapazität in die Spaltumschließungsflächen, z.B. auf der Außenseite des Verdrängers und/oder auf der Innenseite des Zylindergehäuses, geschaffen. Die Leistungsfähigkeit des Refrigerators wird nicht nur dadurch verbessert, dass ein unerwünschter Wärmeeintrag in den Expansionsraum nicht mehr stattfindet, sondern auch dadurch, dass der beim Stand der Technik im wesentlichen allein wirksame, den Regenerator des Verdrängers durchströmende Gasmassenstrom durch den regenerierten Spaltgasmassenstrom erhöht wird.The cracked gas stream is completely regenerated by the measures according to the invention. The heat storage or regeneration capability of the gap enclosing surfaces, which essentially does not exist in the prior art, is determined in a refrigerator according to the invention by embedding a material with a high heat capacity in the gap enclosing surfaces, e.g. on the outside of the displacer and / or on the inside of the cylinder housing. The performance of the refrigerator is improved not only by the fact that an undesired heat input into the expansion space no longer takes place, but also by the fact that the gas mass flow which is essentially the only effective in the prior art and flows through the regenerator of the displacer is increased by the regenerated fission gas mass flow.
Zweckmäßig ist die Speicherfähigkeit des Spaltgasregenerators so bemessen, dass der Spaltgas-Massenstrom mit zunehmender Laufzeit des Kaltkopfes größer werden kann, ohne dass es zu Leistungseinbüßen des Kaltkopfes kommt. Die erforderliche Dichtwirkung zwischen Verdränger und Zylinderwand unterliegt bei der Verwendung eines Spaltgasregenerators völlig neuen Betriebsbedingungen. Im Prinzip ist es unwichtig, wie groß der Spaltgas-Massenstrom ist. Es muss lediglich immer soviel Wärme an den Spaltgasregenerator abgegeben werden, dass der Spaltgas-Massenstrom den Expansionsraum im wesentlichen mit der Temperatur des Expansionsraumes erreicht. Ein Refrigerator nach der Erfindung kann wesentlich unkomplizierter aufgebaut werden; vor allem die Dichtung kann deutlich vereinfacht werden oder gar entfallen. Neben einer Fertigung mit einfach zu realisierenden Maßvorgaben, kann man zusätzlich auf "Standard-Dichtungsringe" zurückgreifen. Der Kühler wird hierdurch billiger, einfacher und langlebiger.The storage capacity of the cracked gas regenerator is expediently dimensioned such that the cracked gas mass flow also increasing runtime of the cold head can increase, without there being a loss of performance of the cold head. The required sealing effect between the displacer and the cylinder wall is subject to completely new operating conditions when using a split gas regenerator. In principle, it does not matter how large the cracked gas mass flow is. Only enough heat must always be given off to the cracked gas regenerator that the cracked gas mass flow essentially reaches the expansion space at the temperature of the expansion space. A refrigerator according to the invention can be constructed much more simply; the seal in particular can be significantly simplified or even eliminated. In addition to manufacturing with easy-to-implement dimensions, you can also use "standard sealing rings". This makes the cooler cheaper, simpler and more durable.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz er erfindungsgemäßen Idee in er zweiten Stufe eines zweistufigen Refrigerators .The use of the inventive idea in the second stage of a two-stage refrigerator is particularly advantageous.
Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen an Hand von in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigenFurther advantages and details will be explained with reference to the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 4. Show it
Figur 1 einen zweistufigen Refrigerator nach dem Stand der Technik,FIG. 1 shows a two-stage refrigerator according to the prior art,
Figur 2 einen Teilschnitt mit einem Spaltgas-Regenerator nach der Erfindung, Figur 3 einem erfindungsgemäß ausgebildeten einstufigen Refrigerator undFIG. 2 shows a partial section with a fission gas regenerator according to the invention, 3 shows a one-stage refrigerator designed according to the invention and
Figur 4 eine weitere Lösung für die Gestaltung eines Spaltgas-Regenerators.Figure 4 shows another solution for the design of a fission gas regenerator.
In der Figur 1 ist ein zweistufiger Gifford-McMahon- Refrigerator 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. Im Gehäuse 2 ist in nicht näher dargestellter, an sich bekannter Weise ein Ventilsystem untergebracht, das in einer bestimmten Reihenfolge eine Hochdruck- und eine Niederdruckgasquelle, die an den Anschlussstutzen 3 und 4 angeschlossen sind, mit den Kanälen 5, 6 und 7 verbindet. Der Kanal 6 mündet in einen Zylinder 8, in dem sich ein mit dem Verdränger 9 der ersten Stufe 11 des Refrigerators befindlicher Antriebskolben 12 befindet. Anstelle des Kolbenantriebs kann auch ein Kurbelantrieb eingesetzt werden. Ein den Kolben 12 gegenüber der Innenwand des Zylinders 8 abdichtender Ring ist mit 13 bezeichnet. Mit Hilfe dieses Antriebs wird der Verdränger 9 im vom zylindrischen Gehäuse 14 gebildeten Arbeitsraum 15 hin- und herbewegt. Über den Stift 16 ist der Verdränger 17 der zweiten Stufe 18 des Refrigerators mit dem Verdränger 9 der ersten Stufe verbunden, so dass auch der Verdränger 17 der zweiten Stufe im vom zylindrischen Gehäuse 19 gebildeten Arbeitsraum 21 eine Hin- und Herbewegung ausführt. Die Achse des gesamten Systems ist mit 10 bezeichnet.1 shows a two-stage Gifford-McMahon refrigerator 1 according to the prior art. In the housing 2, a valve system is housed in a manner not known per se, which connects a high-pressure and a low-pressure gas source, which are connected to the connecting pieces 3 and 4, to the channels 5, 6 and 7 in a certain order. The channel 6 opens into a cylinder 8, in which a drive piston 12 is located with the displacer 9 of the first stage 11 of the refrigerator. Instead of the piston drive, a crank drive can also be used. A ring sealing the piston 12 against the inner wall of the cylinder 8 is designated by 13. With the help of this drive, the displacer 9 is moved back and forth in the working space 15 formed by the cylindrical housing 14. The displacer 17 of the second stage 18 of the refrigerator is connected to the displacer 9 of the first stage via the pin 16, so that the displacer 17 of the second stage also executes a reciprocating movement in the working space 21 formed by the cylindrical housing 19. The axis of the entire system is labeled 10.
Die Verdränger 9 und 17 sind im wesentlichen zylindrisch gestaltet. Ihre Gehäuse 22 und 23 bilden Hohlräume 20a bzw. 20b, die der Unterbringung der Regenera- toren dienen. Sie bestehen z. B. aus Bronzenetzen in der ersten Stufe und aus Bleikugeln in der zweiten Stu¬ fe.The displacers 9 and 17 are essentially cylindrical. Their housings 22 and 23 form cavities 20a and 20b, respectively, which accommodate the regeneration serve gates. They exist e.g. B. bronze networks in the first stage and from lead pellets in the second Stu ¬ fe.
Über die Kanäle 5 und 7 wird das Arbeitsgas zu- bzw. abgeführt. Es strömt über die Bohrungen 24, durch den Regenerator des Verdrängers 9 und durch die Bohrungen 37 in den Expansionsraum 25, welcher der untere Teil des Arbeitsraumes 15 ist. Dort expandiert es und entzieht diesem Bereich der ersten Stufe 11 des Refrigerators Wärme. Das vorgekühlte Gas strömt weiter durch die Bohrung 27 im Verdränger 17 der zweiten Stufe 18, durch den im Innenraum 20b dieses Verdrängers 17 liegenden Regenerator und durch die Bohrung 28 am unteren Ende des Verdrängers 17 in den Expansionsraum 29 der zweiten Stufe 18. Dort erfolgt eine weitere Expansion mit diesen Bereich der zweiten Stufe abkühlender Wirkung. Über den gleichen Weg strömt das Gas zurück und kühlt die Regeneratormaterialien ab, so dass die im nächsten Zyklus wieder einströmenden Gase im Regenerator bereits vorgekühlt werden. Zur Abdichtung der Verdränger 9 und 17 gegenüber ihren zugehörigen Kammerwandungen 14 und 19 dienen Dichtringe 31 und 32, die in Außennuten 33 und 34 der Verdrängerwandungen untergebracht sind. Die spalte zwischen den Verdrängern 11, 17 und den zylindrischen Gehäusen 14, 19 der Arbeitsräume 15, 21 sind mit 36 bzw. 38 bezeichnet.The working gas is supplied or discharged via channels 5 and 7. It flows through the bores 24, through the regenerator of the displacer 9 and through the bores 37 into the expansion space 25, which is the lower part of the working space 15. There it expands and extracts heat from this area of the first stage 11 of the refrigerator. The precooled gas continues to flow through the bore 27 in the displacer 17 of the second stage 18, through the regenerator located in the interior 20b of this displacer 17 and through the bore 28 at the lower end of the displacer 17 into the expansion space 29 of the second stage 18. There occurs a further expansion with this area of the second stage cooling effect. The gas flows back in the same way and cools the regenerator materials, so that the gases flowing in again in the next cycle are already pre-cooled in the regenerator. Sealing rings 31 and 32, which are accommodated in external grooves 33 and 34 of the displacement walls, serve to seal the displacers 9 and 17 with respect to their associated chamber walls 14 and 19. The gaps between the displacers 11, 17 and the cylindrical housings 14, 19 of the working spaces 15, 21 are denoted by 36 and 38, respectively.
Figur 2 ist eine stark schematisierte Teilskizze mit einer Lösung nach der Erfindung, die sowohl in der ersten als auch in der zweiten Stufe eines Refrigerators nach Figur 1 eingesetzt werden kann. Durch Doppelpfeile 41 im Regenerator (im Hohlraum 20a, 20b des Verdrängers 9 bzw. 17) bzw. 42 (im Spalt 36, 38) sind der Hauptgas- massenstrom und der Spaltgasmassenstrom angedeutet. Dem Spaltgasmassenstrom 42 ist ein zusätzlicher Regenerator 43 zugeordnet. Es handelt sich um eine in axialer Richtung einlagige Drahtwicklung, die spaltseitig in die Gehäusewand 22, 23 des Verdrängers 9, 17 eingebettet ist. Sie besteht für den Fall des Einsatzes des weiteren Regenerators 43 in der ersten Stufe 9 z.B. aus Bronze (?), für den Fall des Einsatzes in der zweiten Stufe z.B. aus Blei. Es ist zwar noch eine Dichtung 31, 32 dargestellt; hohen Dichtheitsanforderungen muss sie nicht mehr genügen. Sie kann sogar entfallen, wenn sichergestellt ist, dass der Spaltgasmassenstrom im wesentlichen vollständig regeneriert wird.Figure 2 is a highly schematic partial sketch with a solution according to the invention, which can be used both in the first and in the second stage of a refrigerator according to Figure 1. With double arrows 41 in the regenerator (in the cavity 20a, 20b of the displacer 9 or 17) or 42 (in the gap 36, 38) the main gas mass flow and the gap gas mass flow are indicated. An additional regenerator 43 is assigned to the cracked gas mass flow 42. It is a single-layer wire winding in the axial direction, which is embedded on the gap side in the housing wall 22, 23 of the displacer 9, 17. It consists of bronze (?), For example, if the further regenerator 43 is used in the first stage 9, and lead, for example, if it is used in the second stage. A seal 31, 32 is shown; it no longer has to meet high tightness requirements. It can even be omitted if it is ensured that the cracked gas mass flow is essentially completely regenerated.
Figur 3 zeigt eine einflutige Ausführung eines Refrigerators 1. Im Gegensatz zur Lösung nach Figur 2 ist der Spaltgasregenerator 43 Bestandteil der Gehäusewand 14 des Refrigeratorgehäuses . Falls nötig können Spaltgasregeneratoren 43 der beschriebenen Art auch beidseitig der Spalte 36, 38 angeordnet sein.FIG. 3 shows a single-flow design of a refrigerator 1. In contrast to the solution according to FIG. 2, the split gas regenerator 43 is part of the housing wall 14 of the refrigerator housing. If necessary, split gas regenerators 43 of the type described can also be arranged on both sides of the gaps 36, 38.
Figur 4 zeigt schließlich noch eine Ausführung mit einem Spaltgasgenerator 43, der bei der dargestellten Ausführungsform in den Verdränger 17 der zweiten Stufe 18 integriert ist, und zwar im Bereich seines warmen Endes. Dazu ist im Gehäuse 23 des Verdrängers 17 ein Hohlraum 44 vorgesehen, in dem sich Regeneratorwerkstoff befindet. Über axial beabstandete Radialbohrungen 45, 46 steht der Hohlraum 44 eintrittsseitig und austrittsseitig mit dem Spalt 38 in Verbindung. Zwi- sehen den Mündungen der Radialbohrungen 45, 46 in den Spalt 38 befindet sich eine Dichtung 47. Diese Dichtung muss ebenfalls keinen hohen Dichtheitsanforderungen genügen. Es muss lediglich sicher gestellt sein, dass die Druckdifferenz, die von der Dichtung 47 erzeugt wird, größer ist als die Druckdifferenz, erzeugt vom Regenerator 43. Dadurch wird erreicht, dass die von der warmen Seite des Verdrängers 17 zu seiner kalten Seite durch den Spalt 38 strömenden Gase nahezu vollständig den Regenerator 43 durchströmen, so dass die gewünschte Regenerationswirkung auch in Bezug auf die Spaltgase eintritt.Finally, FIG. 4 shows an embodiment with a split gas generator 43, which in the embodiment shown is integrated in the displacer 17 of the second stage 18, specifically in the area of its warm end. For this purpose, a cavity 44 is provided in the housing 23 of the displacer 17, in which the regenerator material is located. The cavity 44 is connected to the gap 38 on the inlet and outlet sides via axially spaced radial bores 45, 46. be- see the mouths of the radial bores 45, 46 in the gap 38 there is a seal 47. This seal also does not have to meet high sealing requirements. It only has to be ensured that the pressure difference generated by the seal 47 is greater than the pressure difference generated by the regenerator 43. This ensures that from the warm side of the displacer 17 to its cold side through the gap 38 flowing gases flow almost completely through the regenerator 43, so that the desired regeneration effect also occurs with respect to the cracked gases.
Um die Menge der den Spalt 38 durchströmenden Gase insgesamt zu begrenzen, kann endseitig (warmes Ende) eine weitere Dichtung 48 im Spalt 38 vorhanden sein. Bei optimierter Auslegung der Strömungswiderstände, erzeugt durch die Dichtung 47 und den Regenerator 43 kann diese Dichtung jedoch entfallen.In order to limit the total amount of gases flowing through the gap 38, a further seal 48 can be present in the gap 38 at the end (warm end). With an optimized design of the flow resistances, generated by the seal 47 and the regenerator 43, this seal can, however, be omitted.
Im Zusammenhang mit der Lösung nach Figur 4 ist noch eine Variante zweckmäßig. Der Raum 44 kann über eine etwa axial gerichtete Bohrung unmittelbar mit dem Kanal 27 verbunden sein. Diese Lösung hat die Wirkung, dass die Druckdifferenz über die Dichtung 47 kleiner ist, insbesondere dann, wenn auf die Bohrung 45 verzichtet wird. Another variant is expedient in connection with the solution according to FIG. The space 44 can be connected directly to the channel 27 via an approximately axially directed bore. This solution has the effect that the pressure difference across the seal 47 is smaller, in particular if the bore 45 is dispensed with.

Claims

Refrigerator mit RegeneratorPATENTANSPRUCHE Refrigerator with regenerator PATENT CLAIMS
1. Refrigerator (1) mit einem Gehäuse (2, 14, 19), mit einem zylindrischen Arbeitsraum (15, 21) , mit einem zylindrischen Verdränger (11, 17), mit einem zwischen dem Gehäuse und dem Verdränger befindlichen Spalt (36, 38), mit einem im Verdränger befindlichen Regenerator und mit einer Einrichtung zur alternierenden Versorgung des Arbeitsraumes mit Hochdruck- und Niederdruck-Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spalt (36, 38) ein weiterer Regenerator (43) (Spaltgas-Regenerator) zugeordnet ist.1. refrigerator (1) with a housing (2, 14, 19), with a cylindrical working space (15, 21), with a cylindrical displacer (11, 17), with a gap (36, between the housing and the displacer) 38), with a regenerator located in the displacer and with a device for alternately supplying the working space with high-pressure and low-pressure working gas, characterized in that the gap (36, 38) is assigned a further regenerator (43) (split gas regenerator) ,
2. Refrigerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zweistufig ausgebildet ist und dass seine zweite Stufe mit dem Spaltgas-Regenerator (43) ausgerüstet ist.2. Refrigerator according to claim 1, characterized in that it is designed in two stages and that its second stage is equipped with the fission gas regenerator (43).
3. Refrigerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltgas-Regenerator (43) eine in axialer Richtung einlagige Drahtwicklung ist, die spaltseitig in der Gehäusewand (22, 23) des Verdrängers und/oder spaltseitig in der Gehäu¬ sewand (14, 19) des Refrigeratorgehäuses angeordnet ist.3. Refrigerator according to claim 1 or 2, characterized in that the split gas regenerator (43) is a single-layer axial winding in the axial direction, the gap side in the housing wall (22, 23) of the displacer and / or the gap side in the sewand Gehäu ¬ (14, 19) of the Refrigeratorgehäuses is arranged.
4. Refrigerator nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltgas-Regenerator (43) in einem Hohlraum (44) untergebracht ist, der sich im Gehäuse (22, 23) des Verdrängers (9, 17) befindet.4. Refrigerator according to claim 1 or 2, characterized in that the fission gas regenerator (43) is accommodated in a cavity (44) which is located in the housing (22, 23) of the displacer (9, 17).
5. Refrigerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (44) über axial beabstan- dete Radialbohrungen (45, 46) mit dem Spalt (36, 38) in Verbindung steht, dass sich zwischen den Mündungen der Radialbohrungen (45, 46) in den Spalt (36, 38) eine Dichtung (47) befindet und dass der Druckabfall über die Dichtung (47) größer ist als der Druckabfall über den Regenerator (43) .5. Refrigerator according to claim 4, characterized in that the cavity (44) is connected via axially spaced radial bores (45, 46) to the gap (36, 38) that there is between the mouths of the radial bores (45, 46 ) in the gap (36, 38) there is a seal (47) and that the pressure drop across the seal (47) is greater than the pressure drop across the regenerator (43).
6. Refrigerator nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hohlraum (44) für Spaltgas-Regenerator (43) im Bereich des warmen Endes des Verdrängers (18) der zweiten Stufe befindet.6. Refrigerator according to claim 2 and one of claims 4 or 5, characterized in that the cavity (44) for fission gas regenerator (43) is in the region of the warm end of the displacer (18) of the second stage.
7. Refrigerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Dichtung (48) vorgesehen ist, die in Bezug auf die Lage der Dichtung (47) am warmen Ende des Verdrängers (18) befindet. 7. Refrigerator according to claim 6, characterized in that a further seal (48) is provided, which is located in relation to the position of the seal (47) at the warm end of the displacer (18).
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