DE1253291B - Verfahren zum Erzeugen von Kaelte bei niedrigen Temperaturen und/oder zum Verfluessigen eines Mittels sowie Vorrichtung zum Durchfuehren dieses Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

F25b

Deutsche KL: 17 a - 5

Nummer: 1253 291

Aktenzeichen: N 263061 a/17 a

Anmeldetag: 1. März 1965

Auslegetag: 2. November 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kälteerzeugung bei niedrigen Temperaturen und/ oder zum Verflüssigen eines Mittels, bei dem ein Mittel, z. B. Wasserstoff oder Helium, bei höherer Temperatur in einer Verdichtungsvorrichtung auf einen Druck verdichtet wird, der über dem kritischen Druck dieses Mittels liegt, wonach das verdichtete Mittel in einem oder mehreren Wärmeaustauschern oder Regeneratoren in Wärmeaustausch mit expandiertem Mittel gekühlt und dann expandiert wird, wonach das expandierte Mittel wenigstens teilweise durch die Wärmeaustauscher oder Regeneratoren hindurch zur Verdichtungsvorrichtung zurückgeführt wird.

Es ist bekannt, zum Erreichen niedriger Temperatüren ein Mittel bei höherer Temperatur zu komprimieren und bei niedriger Temperatur zu expandieren. Die Expansion des Mittels kann dabei in einer Expansionsmaschine oder in einer Drosselvorrichtung erfolgen.

Bei vorliegender Erfindung soll unter einer Expansionsmaschine eine Maschine verstanden werden, in der ein Mittel nahezu umkehrbar adiabatisch expandiert werden kann. Dies steht im Gegensatz zu einer Drosselvorrichtung, in der die Expansion zwar

adiabatisch, aber nicht umkehrbar stattfindet.

Eine Expansionsmaschine ist nur dann gut brauch- 2

bar, wenn während der Expansion kein Phasenüber-

gang des Mittels auftritt. Bei Phasenübergang treten Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das

nämlich Kavitationserscheinungen auf, während der 30 Mittel zwar in einer Expansionsmaschine bis auf Wirkungsgrad der Maschine beeinträchtigt wird. Bis einen Druck entspannt werden kann, der unter dem

kritischen Druck des Mittels liegt, wenn nur dafür Sorge getragen wird, daß das Mittel vor der Expansion so weit abgekühlt wird, daß während der Expansion kein Phasenübergang auftritt. Nach der Expansion läßt sich dann die Verdampfungswärme ganz oder teilweise als Kälteleistung gewinnen.

Um diese Erkenntnis zu verwirklichen, weist das Verfahren nach der Erfindung das Merkmal auf, daß

daß die Expansion mit einem viel geringeren Wir- 40 das verdichtete Mittel in den erwähnten Wärmeauskungsgrad erfolgt. tauschern nahezu auf die Siedetemperatur des ent-

Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde bereits spannten Mittels abgekühlt wird, das Mittel dann im vorgeschlagen, das Mittel bis über den kritischen wesentlichen in einer Expansionsmaschine, ohne daß Druck zu verdichten, es dann bis unter die kritische Phasenübergang auftritt, auf einen Druck entspannt Temperatur abzukühlen und schließlich auf einen 45 wird, der niedriger als der kritische Druck dieses Druck zu entspannen, der auch noch über dem kri- Mittels ist, und dieses entspannte Mittel dann durch tischen Druck des Mittels liegt. Hierbei tritt selbstverständlich während der Entspannung kein Phasenübergang auf, so daß die Entspannung in einer Expansionsmaschine stattfinden kann. Ein Nachteil die- 50
ses Verfahrens ist jedoch, daß die Kälteleistung gering ist.

Verfahren zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen und/oder zum Verflüssigen eines Mittels sowie Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Zoepke, Patentanwalt, München 12, Ridlerstr. 37

Als Erfinder benannt:

Jacob Willem Laurens Köhler, Johannes Rudolphus Geuns,

Gijsbert Prast, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 4. März 1964 (6 402127)

heute wurde allgemein angenommen, daß Maschinen dieser Art nur verwendbar sind, sofern die Expansionstemperatur nicht unter der kritischen Temperatur des Mittels liegt.

Zum Erreichen sehr niedriger Temperaturen und auch zum Verflüssigen eines Mittels findet dann auch allgemein eine Drosselvorrichtung Verwendung. Der Nachteil einer solchen Drosselvorrichtung ist jedoch, einen Verdampfer hindurchgeleitet wird, in der es in Wärmeaustausch mit einer zu kühlenden Stelle ganz oder teilweise verflüchtigt wird.

Die Erfindung bricht somit mit der feststehenden Tradition, daß, wenn in einem Verdichtungs-Entspannungs-System Flüssigkeitsbildung auftritt, keine

709 680/61

3 4

Expansionsmaschinen Verwendung finden können. förmigen Körper besteht, woteei dieser koJfoenföjmnige

Das Überraschende der Erfindung ist, daß jetzt Körper mittels der beiden Kolbenflächen den Raum-

gleichsam flüssiges Mittel entspannt wird, wonach inhalt eines wärmeren Raumes, der im Betrieb eine

diese entspannte Flüssigkeit in einem Verdampfer höhere mittlere Temperatur aufweist, und eines käl-

unter Aufnahme der Verdampfungswärme verdampft. S teren Raumes, der im Betrieb eine niedrigere mittlere

Das Verfahren wird nachstehend an Hand einer Temperatur aufweist, zu ändern vermag, während

graphischen Darstellung näher erläutert. Daraus er- diese beiden Räume miteinander verbunden sind,

gibt sich auch, daß das Verfahren nach der Erfin- wobei sich in dieser Verbindung vorzugsweise min-

dung eine größere Kälteleistung liefert als ein Ver- destens ein Kühler und mindestens ein Regenerator

fahren, bei dem die Expansion in einer Drosselvor- io befinden, während die Verdichtungsvorrichtung über

richtung stattfindet. steuerbare Ventile mit dem wärmeren Raum in Ver-

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungs- bindung gebracht werden kann, wobei eine Regelform des Verfahrens nach der Erfindung wird das einrichtung vorgesehen ist, um die steuerbaren Venverdichtete Mittel, nachdem es durch die Wärme- tile derart zu betätigen, daß das Einlaßventil geöffnet austauscher hindurchgegangen ist, im Wärmeaus- 15 wird, wenn der wärmere Raum nahezu den größten tausch mit unter niedrigem Druck siedendem flüs- Rauminhalt hat, und geschlossen wird, nachdem der sigem Mittel weiter abgekühlt. Bei diesem Verfahren kolbenförmige Körper sich in Richtung zum wärbesteht die Möglichkeit, einen Teil des entspannten meren Raum hin in Bewegung gesetzt hat, wonach Mittels in flüssiger Form als Erzeugnis abzuzapfen. die Regeleinrichtung das Auslaßventil langsam öff-

Wenn die Entspannung bis zu einem Punkt in der so net, wenn der kältere Raum nahezu den großtat

Nähe des Phasenübergangspunktes fortgesetzt wird, Rauminhalt hat, und es geöffnet hält, bis der kältere

ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausfüh- Raum nahezu den kleinsten Rauminhalt hat. Diese

rungsform des Verfahrens nach der Erfindung vor- Vorrichtung eignet sich sehr gut zum. Erreichen niß-

teilhaft, den Druck des die Expansionsmaschine ver- driger Temperaturen.

lassenden Mittels in einer Drosselvorrichtung weiter 35 Gemäß einer weiteren vorteilhaften Aasführung*-

zu senken. form dieser Vorrichtung steht die an den wärmeren

Beim Anlauf des Verfahrens wird das verdichtete Raum angeschlossene Zuführungsleitung für verdiek-

Mittel anfangs nur wenig abgekühlt. Wenn es in die- tetes Mittel im Wärmeaustausch mit einer Käite-

ser Stufe bis unter den kritischen Druck entspannt quelle, z. B. einer Kaltgaskühlmaschine.

wird, tritt Phasenübergang auf. Um zu Verhüten, 30 Der Vorteil des Vorhandenseins eines Kühlers in

daß die Expansionsmaschine dadurch Schaden er- der Verbindung zwischen kälterem und wärmerem

leidet, wird gemäß einer weiteren Ausführungsform Raum oder in der Zufuhrleitung für verdichtetes Mit-

der Druck des Mittels während des Anlaufs des Pro- tel ist, daß der wärmere Raum eine mittlere Tem-

zesses im wesentlichen in einer parallel zur Expan- peratur aufweist, die in Abhängigkeit von der Tem-

sionsmaschine geschalteten Drosselvorrichtung her- 35 peratur des Kühlmittels niedriger als die ZHBmer-

abgesetzt. Nach dem Anlauf, d. h. wenn das kompri- temperatur sein kann, so daß die Temperaturdifjfe-

mierte Mittel in den Wärmeaustauschern ausreichend renz zwischen dem kälteren und dem wärmeren

abgekühlt wird, erfolgt die Expansion wieder in der Raum weniger groß ist und der Regeaerator nicht so

Expansionsmaschine. schwer belastet wird. Weiter versorgen diese Küb-

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vor- 40 ler auch die Ableitung der erzeugten Verdichtuags^

richtung zum Durchführen des Verfahrens, die eine wärme.

Verdichtungsvorrichtung enthält, durch die bei höhe- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsrer mittlerer Temperatur das Mittel bis über den kri- form sind in die Verbindung zwischen dem wärtischen Druck verdichtet wird, und deren Auslaß- meren und dem kälteren Raum mehrere Regeneraöffnung für verdichtetes Mittel über einen oder 45 toren aufgenommen, wobei das Mittel auf seinem mehrere Wärmeaustauscher oder Regeneratoren an Weg von einem zum. anderen Regenerator durch die Einlaßöffnung einer Expansionsvorrichtung an- einen Kühler hindurchgeht.

geschlossen ist, deren Auslaßöffnung für entspanntes Bei einer weiteren, insbesondere für Flüssigkeils-

Mittel über die Wärmeaustauscher oder Regenera- erzeugung geeigneten Ausführungsform ist in der

toren mit der Einlaßöffnung der Verdichtungsvor- 50 Verbindung zwischen dem wärmeren und dem käl-

richtung verbunden ist. Diese Vorrichtung ist da- teren Raum zwischen dem letzten Regenerator und

durch gekennzeichnet, daß die Entspannungsvorrich- dem kälteren Raum ein Kühler vorgesehen, der aus

tung im wesentlichen aus einer Expansionsmaschine einem oder mehreren Kühlkanälen besteht, die in ein

besteht, und daß zwischen der Auslaßöffnung der Bad aus unter niedrigem Druck siedendem Mittet

Expansionsmaschine und den erwähnten Wärmeaas- 55 eingetauscht sind.

tauschern ein Verdampfer vorhanden ist, in dem das Hierbei kann gemäß einer weiteren Ausführongs-

entspannte Mittel sich mit einer abzukühlenden Stelle form der kältere Raum mit einem Ausfluß für flös-

im Wärmeaustausch befindet und daß im Verdamp- siges, unter niedrigem Druck siedendes Mittel ver-

fer ein oder mehrere Kühlkanäle vorgesehen sind, sehen sein.

deren eines Ende an den Auslaß für verdichtetes 60 Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungs-

Mittel des Wärmeaustauschers und deren anderes form ist der Ausfluß für flüssiges unter niedrigem

Ende an den Einlaß der Expansionsmaschine an- Druck siedendes Mittel durch eine Leitung mit dem

geschlossen ist. Flüssigkeitsbad verbunden, wobei iß dieser Leitung

Es kann eine weitere vorteilhafte Ausführungsform und in der Verbindung zwischen dem wärmeren und

der umschriebenen Vorrichtung sich aber auch da- 65 dem kälteren Raum steuerbare Ventile angebracht

durch auszeichnen, daß die Expansionsmaschine aus sind.

mindestens einem zylinderförmigen Körper mit einem Die Erfindung wird nachstehend an Hand dw

in diesem bewegbaren doppeltwirkenden kolben- Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch und nicht maßstabgerecht ein Temperatur-Entropie-Diagramm, in dem das Verfahren nach der Erfindung dargestellt ist;

F i g. 2,3 und 4 zeigen schematisch drei verschieden ausgebildete Vorrichtungen zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen;

F i g. 5 und 6 zeigen schematisch zwei Vorrichtungen zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen, bei welcheni Vorrichtungen als Expansionsmaschine ein Zylinder mit einem in ihm beweglichen doppeltwirkenden Kolben Verwendung findet, wobei die Räume beiderseits dieses Kolbens voneinander verschiedene mittlere Temperaturen aufweisen und über einen Regenerator miteinander in Verbindung stehen.

F i g. 1 zeigt ein TS-Diagramm. In diesem TS-Diagramm ist ein Kreislauf dargestellt. Dieser Kreislauf umfaßt eine isotherme Kompression von Punkt 1 zinn Punkt 2. Im Punkt 1 befindet sich der Druck unterhalb seines kritischen Wertes, im Punkt 2 oberhalb dieses kritischen Wertes. Das verdichtete Mittel wird dann bei gleichbleibendem Druck bis zum Punkt 3 abgekühlt. In diesem Punkt hat das verdichtete Mittel eine Temperatur, die nahezu gleich der Siedetemperatur des entspannten Mittels ist. Danach wird das Mittel in einer Expansionsmaschine vom Punkt 3 bis zum Punkt 4 entspannt.

Im Punkt 4 ist der Druck des Mittels niedriger als der kritische Druck, und auch die Temperatur ist niedriger als die kritische Temperatur. Dennoch entstehen keine Schwierigkeiten infolge eines sogenannten »Wasserschlages« in der Expansionsmaschine, denn es tritt kein Phasenübergang auf. Vom Punkt 4 an wird das Mittel, z. B. in einem Drosselventil, in den Zustand des Punktes 5 gebracht. In diesem Punkt fängt die Dampfbildung an. Das Mittel geht jetzt unter Wärmeaufnahme vom Zustand 5 in den Zustand 6 über. Die Verdampfungswärme bildet hierbei die Kälteleistung. Vom Punkt 6 wird das verflüchtigte Mittel wieder aufgewärmt, z. B. in Wärmeaustausch mit verdichtetem Mittel, bis es sich wieder im Ausgangszustand 1 befindet. Das Merkwürdige dieses Kreislaufs ist, daß, während man bisher mit einem bestimmten Kreislauf von der rechten Seite her in den Flüssigkeit-Dampf-Bereich eindrang, beim Kreislauf nach der Erfindung die Entspannung links vom Flüssigkeit-Dampf-Bereich ohne Phasenübergang stattfindet, wonach im Verdampfer der Flüssigkeit-Dampf-Bereich von links nach rechts durchlaufen wird.

Ein weiterer überraschender Aspekt dieses Kreislaufs ist, daß die Entspannung in einer Expansionsmaschine erfolgt. Es würde am meisten auf der Hand liegen, die Entspannung in einem Drosselventil durchzuführen. Hierbei würde sich jedoch eine erheblich schlechtere Kälteleistung ergeben. Das Mittel würde dabei nämlich vom Punkt 3 her der Linie konstanter Enthalpie folgen. Diese Linie ist in der Figur gestrichelt angegeben. Aus dem Verlauf dieser Linie geht deutlich hervor, daß ein Teil der Kälteleistung verlorengeht.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen. Diese Vorrichtung enthält einen Kompressor 10. An diesen Kompressor schließt eine Abfuhrleitung 11 für verdichtetes Mittel an. In dieser Leitung befindet sich ein Pufferraum 12, hinter dem die Abfuhrleitung 11 einen Wärmeaustauscher 13 durchläuft. Nach Durchlaufen des Wärmeaustauschers 13 führt die Leitung 11 zu einer Expansionsmaschine 14, an deren Auslaß eine Leitung 15 anschließt. Ein in dieser angeordnetes Drosselventil 16 mündet in ein Gefäß 17. In diesem Gefäß 17 ist eine Schlange 18 angeordnet, durch die ein zu kühlendes Mittel hindurchgeleitet werden kann. Weiter ist an das Gefäß 17 eine Rücklaufleitung 19 angeschlossen, in dem sich ein Pufferraum 2Θ befindet. Die Leitung 19 führt über den

ία Wärmeaustauscher 13 zurück zum Einlaß des Kompressors 10.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende. Der Kompressor 10 verdichtet ein Mittel, z. B. Wasserstoff oder Helium, bis über den kritischen Druck. Dieses verdichtete Mittel strömt durch die Leitung 11 zum Wärmeaustauscher 13, in dem es im Wärmeaustausch mit entspanntem Mittel nahezu bis auf die Siedetemperatur dieses entspannten Mittels abgekühlt wird. Dann wird das Mittel in der Expansionsmaschine 14 bis unter den kritischen Druck entspannt. Danach wird das Mittel durch das Drosselventil 16, in dem sein Druck gegebenenfalls etwas abgesenkt wird, dem Gefäß 17 zugeführt. In diesem Gefäß 17 befindet sich siedendes, flüssiges Mittel.

Dieses verdampft dadurch, daß es mit dem abzukühlenden Mittel, das durch die Schlange 18 strömt, im Wärmeaustausch ist. Das verdampfte Mittel strömt durch die Leitung 19 zum Kompressor 10 zurück. Die Expansionsmaschine kann sowohl eine Turbinenals auch eine Kolbenexpansionsmaschine sein.

Der Anlauf des Prozesses kann bei der in Fig.2 dargestellten Vorrichtung Schwierigkeiten bereiten, weil das verdichtete Mittel im Wärmeaustauscher 13 nicht genügend abgekühlt wird, so daß in der Expansionsmaschine Wasserschlag auftritt. Um dies zu verhindern, kann bei der Inbetriebsetzung der Maschine etwas Kondensat in die Vorrichtung eingegossen werden, das die Abkühlung besorgt.

Das Anlaufproblem kann auch auf andere Weise gelöst werden, und zwar dadurch, daß während des Anlaufs die Entspannung in einem parallel zur Expansionsmaschine geschalteten Drosselventil durchgeführt wird. Eine solche Vorrichtung ist schematisch in F i g. 3 dargestellt. Diese Vorrichtung unterscheidet sich insofern von der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung, als sie ein zweites Drosselventil 21 enthält, das in eine Leitung 22 aufgenommen ist. Diese Leitung ist über einen Dreiwegehahn 23 an die Leitung 11 für verdichtetes Mittel angeschlossen. Während des Anlaufs der Vorrichtung wird der Dreiwegehahn 23 in eine Stellung gebracht, bei der das verdichtete Mittel in die Leitung 22 hineinströmt, so daß sein Druck im Drosselventil 21 abgesenkt wird. Wenn die Vorrichtung ausreichend abgekühlt ist, wird der Dreiwegehahn 23 so verstellt, daß sämtliches komprimiertes Mittel in der Expansionsmaschine 14 entspannt wird. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung entspricht im übrigen derjenigen der Vorrichtung nach F i g. 2.

F i g. 4 zeigt eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen, bei der gegebenenfalls eine gewisse Menge an flüssigem Mittel abgelassen werden kann. Wenn flüssiges Mittel abgelassen wird, bedeutet dies, daß der Wärmeaustauscher 13 nicht mehr im Gleichgewicht ist. Das verdichtete Mittel wird dann im Wärmeaustauscher nicht mehr ausreichend abgekühlt. Um dennoch eine für die Expansion ausreichend tiefe Temperatur des verdichteten

Mittels zu erhalten, wird ein Teil der geleisteten Kälte für die Abkühlung des verdichteten Mittels benutzt. Zu diesem Zweck ist im Flüssigkeitsbad 17 eine Kühlschlange 24 vorgesehen, deren eines Ende mit der Leitung 11 für verdichtetes Mittel und deren anderes Ende mit dem Einlaß der Expansionsmaschine verbunden ist. Hierdurch ergibt sich wieder eine gut wirkende Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei tiefen Temperaturen, der gegebenenfalls über den Ablaß 25 flüssiges Mittel entnommen werden kann.

F i g. 5 zeigt eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei tiefen Temperaturen, die eine etwas abweichende Expansionsmaschine enthält. Die Vorrichtung besteht aus einem Kompressor 50, an den eine Abfuhrleitung 51 für verdichtetes Mittel anschließt. Die Abfuhrleitung 51 ist über den Wärmeaustauscher 52 an ein Puffergefäß 53 angeschlossen, während die Zufuhrleitung 54 mit einem Puffergefäß 55 verbunden ist. Die Puffergefäße 53 und 55 sind über steuerbare Ventile 56 bzw. 57 an eine gemeinsame Leitung 58 angeschlossen. Diese Leitung ist an einen Zylinder 59 angeschlossen, in dem ein Verdränger 60 bewegbar ist. Der Verdränger 60 trennt dabei zwei Räume 61 und 62. Die Räume 62 und 61 stehen über einen Kühler 63, einen Regenerator 64 und einen Verdampfer 65 miteinander in Verbindung. Der Raum 61 hat dabei eine höhere Temperatur als der Raum 62.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende. Wenn der Verdränger 60 nahezu die untere Lage einnimmt, öffnet eine nicht dargestellte Regeleinrichtung das Ventil 56, so daß verdichtetes Mittel durch die Leitung 58 in den Raum 61 eintritt. Dann bewegt sich der Verdränger 60 nach oben, so daß das Mittel aus dem Raum 61 zum Raum 62 gefördert wird. Dabei gibt das Mittel Wärme an den Kühler 63 und den Regenerator 64 ab, so daß es den Raum 62 mit einer Temperatur erreicht, die nahezu gleich der Siedetemperatur des entspannten Mittels ist. Wenn der Verdränger 60 die oberste Lage erreicht hat, wird das Ventil 56 geschlossen und das Ventil 57 langsam geöffnet. Das Mittel im Raum 62 entspannt sich. Dann bewegt sich der Verdränger 60 wieder nach unten. Das entspannte Mittel verdampft im Verdampfer 65 und strömt über den Regenerator 64 und dem Kühler 63 unter Wärmeaufnahme zum Raum 61 zurück.

Die Temperatur, die im Raum 61 herrscht, hängt vom Kühler 63 ab. Dieser kann ein üblicher Wasserkühler sein, so daß die Temperatur des Raumes 61 etwa Zimmertemperatur ist. Es ist jedoch auch möglich, als Kühler eine Kaltgaskühlmaschine zu benutzen, die den Raum 61 auf z. B. 80° K hält. Dies bedeutet selbstverständlich eine erheblich geringere Belastung des Regenerators.

Eine weitere Ausführungsform der vorstehend erläuterten Vorrichtung ist in F i g. 6 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung ist es möglich, flüssiges Mittel abzulassen. Bei dieser Ausführungsform befinden sich in der Verbindung zwischen den Räumen 61 und 62 zwei Regeneratoren 66 und 67 und zwei Kühler 68 und 69. Weiter wird das Mittel auf dem Wege zum Raum 62 nach dem Durchgang durch den letzten Regenerator 67 durch eine Kühlschlange 70 hindurchgeleitet, die in flüssiges unter niedrigem Druck siedendes Mittel in einem Gefäß 71 eingetaucht ist. Die Kühlschlange steht über eine Leitung 72 mit einem steuerbaren Ventil 73 mit dem Raum 62 in Verbindung. Der Raum 62 steht weiter über eine Flüssigkeitsabfuhrleitung 74 mit dem Gefäß 71 in Verbindung. In dieser Leitung 74 ist ein steuerbares Ventil 75 eingebaut. Das Gefäß 71 ist weiter mit einem Ablaß 76 für flüssiges Mittel versehen.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende. Wenn der Verdränger 60 sich in der untersten Lage befindet, wird das Ventil 56 geöffnet. Der Druck in den Räumen 61 und 62 wird infolgedessen überkritisch. Der Verdränger 60 bewegt sich dann nach oben, so daß Mittel aus dem Raum 61 zum Raum 62 gefördert wird. Bei dieser Förderung durchströmt das Mittel den Kühler 68, den Regenerator 66, den Kühler 69 und den Regenerator 67. Nach diesem Regenerator wird das bereits stark abgekühlte Mittel durch die in siedendes Mittel eingetauchte Kühlschlange 70 hindurchgeleitet, wonach es durch das geöffnete Ventil 73 in den Expansionsraum 62 einströmt. Wenn der Verdränger 60 die oberste Lage einnimmt, wird das Ventil 56 geschlossen und das Ventil 57 langsam geöffnet. Hierdurch entspannt sich das Mittel, so daß im Raum 62 siedende Flüssigkeit erscheint. Durch Öffnen des Ventils 75 fließt diese Flüssigkeit zum Gefäß 71. Um zu verhindern, daß Flüssigkeit in die Leitung 72 eindringt, wird gleichzeitig das Ventil 73 geschlossen. Der im Gefäß 71 gebildete Dampf kann über das Rückschlagventil 77, den Regenerator 67, den Kühler 69 usw. zum Raum 61 zurückströmen. Wenn der Verdränger 60 die unterste Lage erreicht hat, wird das Ventil 57 geschlossen und das Ventil 56 geöffnet, und der neue Zyklus fängt wieder an. In der Wahl der Temperaturen der Kühler 68 und 69 ist man frei. Für eine Vorrichtung, mittels deren Helium verdichtet werden soll, kann der Kühler 68 eine Temperatur von 60° K haben, während der Kühler 69 eine Temperatur von 15° K aufweist.

Es ist auch möglich, den Kühler 68 nicht in der Verbindung zwischen den Räumen 61 und 62, sondern in der Zuführungsleitung für das verdichtete Mittel anzubringen. Letzteres hat den Vorteil, daß die Kompressionseinrichtung, der Wärmeaustauscher und der Kühler getrennt von der Expansionseinrichtung angeordnet werden können. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn man an der Stelle, wo die geleistete Kälte entnommen werden soll, durch Raummangel behindert ist.

Obgleich im Ausführungsbeispiel angenommen ist, daß das Zufuhrventil 56 geschlossen wird, wenn der Verdränger 60 die oberste Lage einnimmt, kann dieses Ventil auch während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers geschlossen werden.

Die Erfindung bietet die Möglichkeit, mit verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad und mittels einer verhältnismäßig einfachen Vorrichtung bei sehr niedrigen Temperaturen Kälte zu erzeugen.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen und/oder zum Verflüssigen eines Mittels, bei dem ein Mittel, z. B. Wasserstoff oder Helium, bei höherer Temperatur in einer Kompressionseinrichtung auf einen Druck verdichtet wird, der über dem kritischen Druck dieses Mittels liegt, wonach das verdichtete Mittel in einem oder mehreren Wärmeaustauschern oder Regeneratoren im Wärmeaustausch mit ent-

spanntem Mittel gekühlt und dann entspannt und das entspannte Mittel wenigstens teilweise über die Wärmeaustauscher oder Regeneratoren zur Kompressionseinricbtung zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Mittel in den erwähnten Wärmeaustauschern nahezu bis auf die Siedetemperatur des entspannten Mittels abgekühlt wird, wonach es im wesentlichen in einer Expansionsmaschine, ohne daß ein Phasenübergang auftritt, auf einen to Druck entspannt wird, der niedriger als der Kritische Druck dieses Mittels ist, wonach dieses entspannte Mittel durch einen Verdampfer hindurchgeleitet wird, in dem es in Wärmeaustausch mit einer zu kühlenden Stelle ganz oder teilweise verflüchtigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Mittel, nachdem es durch den bzw. die Wärmeaustauscher hindurchgeführt worden ist, weiter im Wärme- ao austausch mit unter niedrigem Druck siedendem flüssigem Mittel gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Mittels, das die Expansionsmaschine verläßt, in einer Drosseleinrichtung weiter herabgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Anlaufs des Prozesses der Druck des Mittels im wesentlichen in einer parallel zur Expansionsmaschine geschalteten Drosseleinrichtung herabgesetzt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche unter Verwendung einer Kompressionseinrichtung, mit der bei höherer mittlerer Temperatur ein Mittel bis über den kritischen Druck verdichtet wird, und deren Auslaß über einen oder mehrere Wärmeaustauscher oder Regeneratoren an den Einlaß einer Expansionseinrichtung angeschlossen ist, während der Auslaß für entspanntes Mittel über die Wärmeaustauscher oder Regeneratoren mit dem Einlaß der Kompressionseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionseinrichtung im wesentlichen aus einer Expansionsmaschine besteht, und zwischen dem Auslaß der Expansionsmaschine und den erwähnten Wärmeaustauschern ein Verdampfer vorgesehen ist, in dem das entspannte Mittel sich mit einer zu kühlenden Stelle im Wärmeaustausch befindet, und daß so im. Verdampfer ein oder mehrere Kühlkanäle vorgesehen sind, deren eines Ende an den Auslaß für verdichtetes Mittel des Wärmeaustauschers und deren anderes Ende an den Einlaß der Expansionsmaschine angeschlossen ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 unter Verwendung einer Kompressionseinrichtung, mit der bei höherer mittlerer Temperatur ein Mittel bis über den kritischen Druck verdichtet wird, und deren Auslaß über einen oder mehrere Wärmeaustauscher oder Regeneratoren an den Einlaß einer Expansionsemrichtung angeschlossen ist, während der Auslaß für entspanntes Mittel über die Wärmeaustauscher oder Regeneratoren mit dem Einlaß der Kompressionseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine aus mindestens einem Zylinder mit einem in ihm bewegbaren doppeltwirkenden kolbenförmigen Körper besteht, der mit den beiden Kolbenflächen den Rauminhalt eines wärmeren Raumes, der im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur aufweist, und eines kälteren Raumes, der im Betrieb eine niedrigere mittlere Temperatur aufweist, zu ändern vermag, wobei in der Verbindung dieser beiden Räume vorzugsweise mindestens ein Kühler und mindestens ein Regenerator vorgesehen sind, wobei die Kompressionseinrichtung über gesteuerte Ventile mit dem wärmeren Raum in Verbindung gesetzt werden kann, und eine Regeleinrichtung vorhanden ist, um die gesteuerten Ventile so zu steuern, daß das Einlaßventil geöffnet wird, wenn der wärmere Raum nahezu den größten Rauminhalt aufweist, und geschlossen wird, nachdem der kolbenförmige Körper angefangen hat, sich in Richtung zum wärmeren Raum hin zu bewegen, wonach die Regeleinrichtung das Auslaßventil langsam öffnet, wenn der kältere Raum nahezu den größten Rauminhalt hat, und es geöffnet hält, bis der kältere Raum nahezu den geringsten Rauminhalt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an den wärmeren Raum angeschlossene Zuführungsleitung für verdichtetes Mittel mit einer Kältequelle, z. B. einer KaItgaskühlmaschine, in Wärmeaustausch steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen dem wärmeren und dem kälteren Raum mehrere Regeneratoren vorgesehen sind, wobei das Mittel jeweils auf seinem Weg von einem zum nächsten Regenerator einen Kühler durchströmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen dem wärmeren und dem kälteren Raum zwischen dem letzten Regenerator und dem kälteren Raum ein Kühler vorgesehen ist, der aus einem oder mehreren Kühlkanälen besteht, die in ein Bad aus unter niedrigem Druck siedendem Mittel eingetaucht sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der kältere Raum mit einem Abfluß für flüssiges unter niedrigem Druck siedendes Mittel versehen ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfluß für flüssiges unter niedrigem Druck siedendes Mittel durch eine Leitung mit dem Flüssigkeitsbad verbunden ist, wobei in dieser Leitung und in der Verbindung zwischen dem wärmeren und dem kälteren Raum steuerbare Ventile angebracht sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 680/61 10.67 © Bundesdruckerei Berlin