DE1301343B - Tieftemperaturkaeltemaschinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Tieftemperaturkälte- Bei der Konstruktion einer Tieftemperaturkältemaschine, bei der ein beweglicher Bauteil innerhalb maschine, die diese verschiedenen Zyklen durcheines Mantels wenigstens eine Kammer mit veränder- führen soll, ist es notwendig, dafür zu sorgen, daß ein lichem Volumen begrenzt, in die ein expandierbares außerordentlich wirksamer Wärmeaustausch statt-Hochdruckgas über einen Strömungsweg eingeführt 5 findet, um eine thermodynamische wirkungsvolle Anwird, der mindestens einen Wärmespeicher enthält, lage zu bauen. Im allgemeinen bringt eine Verder im beweglichen Bauteil angeordnet ist, wobei besserung der Wärmeübertragung eine Zunahme der dieses Gas anschließend expandiert und wieder über Kompliziertheit der Konstruktion mit sich,
diesen Strömungsweg abgeführt wird. __ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Der Bedarf an sehr zuverlässigen, langlebigen io Tieftemperaturkältemaschine zu schaffen, die mög-

Dauerleistungs-Tieftemperaturkältemaschinen wächst liehst einfach aufgebaut ist und einen hohen

ständig. Dieser Bedarf liegt an der steigenden Ver- Wirkungsgrad hat.

Wendung von optischen Verstärkern und para- Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß metrischen Verstärkern in Nachrichtensystemen, wie der Strömungsweg eine Umfangsnut in dem bewegz. B. beim Telstar, bei Satelliten oder bei Bahnver- 15 liehen Teil aufweist, wenigstens einen radialen Kanal, folgungssystemen, bei supraleitfähigen Stromkreisen der den Wärmespeicher und die Umfangsnut verin Rechnern und bei supraleitenden Magneten hoher bindet, und einen engen ringförmigen Wärme-Feldstärke — um nur einige wenige Beispiele ihres austauschkanal, der vom beweglichen Teil und der Anwendungsgebietes zu nennen. Diese Anwendungen, Innenwand des Mantels begrenzt wird und sich von die noch vor wenigen Jahren auf den Gebrauch im ao der Umfangsnut zu dem Ende des beweglichen Teils Laboratorium oder im Experimentierfeld begrenzt erstreckt.

waren, sind nun das Gebiet des Systemingenieurs und In diesem Strömungsweg können dadurch, daß verlangen eine Arbeitsweise von annähernd 100°/oiger durch die Gasströmung hohe Reynoldsche Zahlen Zuverlässigkeit. So hängt beispielsweise die beibe- erreicht werden, sehr gute Wärmeübergangseigenhaltung von 1 Milliarde Bit in einem Speicher oder 25 schäften erzielt werden. Durch die Begrenzung des der kontinuierliche Betrieb eines Satellitennach- Strömungsweges zwischen dem Ende des Wärmerichtensystems von der zuverlässigen Funktion von Speichers und der Kammer mit veränderlichem Helium-Tieftemperaturkältemaschinen ab. Eine Tief- Volumen wird der Wärmeaustausch zwischen den temperaturkältemaschine dieser Art, die sich für beteiligten Oberflächen außerordentlich groß und derartige Anwendungen eignet, sollte auch Einfach- 30 deshalb sehr wirksam.

heit der Konstruktion mit hohem Wirkungsgrad In vorteilhafter Weise kann die thermische Wirvereinigen, kung noch dadurch verbessert werden, daß der Teil

Es wurde eine neue Klasse von Tieftemperatur- der Außenwandung des Mantels, der der Erstreckung kältemaschinen entwickelt, die mit zwei einheitlichen des engen ringförmigen Wärmeaustauschkanals ent-Grundzyklen arbeiten. Diese Zyklen sind zusammen 35 spricht, die durch den Hub des beweglichen Teiles mit den zur Durchführung dieser Zyklen gebauten bestimmt ist, eine Wärmeaustauschstation trägt. Tieftemperaturkältemaschinen in den USA.-Patent- Diese Wärmeaustauschstation, die eine Materialmasse Schriften 2 906 101 und 2 966 035 beschrieben. Ver- im Wärmeaustauschkontakt mit diesem Strömungsschiedene Abänderungen dieser Tieftemperaturkälte- weg aufweist, gestattet einen wirksamen Wärmeausmaschinen und Zyklen wurden in den USA.-Patent- 40 tausch mit einem äußeren Körper, der eine Kühllast Schriften 3 045 436, 3 115 015 und 3 115 016 be- sein kann. Die Wärmeaustauschstation kann in vorschrieben. Allgemein sind diese Zyklen aus Stufen teilhafter Weise Temperaturschwankungen aufzusammengesetzt, nämlich aus der Versorgung mit nehmen, die typisch für Kühlanlagen sind, bei denen Hochdruckgas von einer äußeren Quelle, der An- eine periodische Strömung von Hochdruckgas und fangskühlung des Hochdruckgases mit Hilfe von 45 dessen anschließende periodische Entspannung zur Wärmespeichern vor der Expansion, während der Erzielung der Kühlung erfolgen.
Hochdruck aufrechterhalten wird, und dann schließ- Von Vorteil ist weiterhin, daß die Vorrichtung mit Hch der weiteren Abkühlung des vorgekühlten einem minimalen Aufwand hergestellt werden kann. Hochdruckgases durch Expansion und die Ent- Die Technik der Herstellung von Kolben mit den fernung aus dem Kühlsystem. 50 notwendigen Sitz- oder Paßflächen, Nuten und Dich-

Zusätzlich zu diesen bekannten Grund-Kühlzyklen tungen ist weit entwickelt, und bei der Bohrung der ist ein Zyklus bekannt, der als Modifikation des- radialen Durchgänge oder Kanäle und bei der Ausjenigen bezeichnet werden kann, der in der USA.- bildung der erforderlichen Toleranzen entstehen Patentschrift 2 567 454 beschrieben wurde (siehe keinerlei Schwierigkeiten. Äußere Leitungssysteme z. B. Proceedings of the 1956 Cryogenic Engineering 55 für den Strömungsweg sind nicht erforderlich, und es Conference of the University of Colorado, Boulder, ist auch nicht mehr notwendig, innerhalb des Mantels Colorado, February 1957, S. 188 bis 196). Schließlich ringförmig gestaltete Regeneratoren oder Wärmeist auch die sogenannte Philipsmaschine (siehe z. B. Stationen anzuordnen.

USA.-Patentschrift 2 657 553) bekannt, deren Grund- In vorteilhafter Weise kann der bewegliche Teil ein

lage ein Sterlingkreis ist und die innerhalb eines voll- 60 Kolben sein, der innerhalb des Mantels eine warme

ständig abgeschlossenen Systems einen Kompressor Kammer und wenigstens eine kalte Kammer ab-

und eine Expansionsmaschine enthält und einen grenzt, wobei die warme Kammer über den Strö-

Wärmespeicher als Teil des Wärmeaustauschteils mungsweg mit der kalten Kammer in Verbindung

der Tieftemperaturkältemaschine aufweist. steht. Es kann vorteilhaft sein, die Tieftemperatur-

Weiterhin ist es bei einer Tieftemperaturkälte- 65 kältemaschine stufenweise aufzubauen und mehrere maschine bekannt, den Wärmespeicher im beweg- bewegliche Teile und mehrere Kammern mit verliehen Bauteil anzuordnen (deutsche Auslegeschrift änderlichen Volumina vorzusehen, wobei jeder be-1139 516). wegliche Teil einen Strömungsweg mit engem

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ringförmigem Kanal aufweist. Auch hierbei können Mantel 10, der in seinem Inneren einen beweglichen die beweglichen Teile Kolben sein, die innerhalb des Teil 11 enthält, der bei seiner vertikalen Bewegung Mantels eine warme Kammer und eine Anzahl von das veränderliche Volumen der Kammer 12 begrenzt, aufeinanderfolgenden kälteren Kammern abgrenzen, Innerhalb des beweglichen Teils 11 ist ein Wärme- und die warmen Kammern können mit den kalten 5 speicher, z. B. ein Regenerator 13, angeordnet, der Kammern über den besagten Strömungsweg in Verbin- beispielsweise Blei- oder Bronzekugeln 14 enthält, dung stehen. Mit besonderem Vorteil kann der beweg- die innerhalb des Wärmespeichers, z.B. durch eine liehe Teil wenigstens zwei Wärmespeicher aufweisen. durchlöcherte Platte 15, gehalten werden. Der be-

Von besonderem Vorteil kann es ferner sein, daß wegliche Teil 11 weist eine Paßfläche 16 mit einem Kühlschlangen in Wärmekontakt mit der Wärme- io Dichtungsring 17 auf. Er hat auch eine untere Paßstation vorgesehen sind. fläche 18, welche zusammen mit der oberen Paß-

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung fläche 16 einen ringförmigen Kanal 19 begrenzt, unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung dessen Zweck eine Verringerung der Reibung, die erläutert werden. Es zeigt zwischen dem beweglichen Teil und der inneren

F i g. 1 einen Querschnitt eines Teils einer Tief- 15 Wand des Mantels 10 entstehen kann, und die Isotemperaturkältemaschine, lation des Systems und die Isolation der Kammer 12

F i g. 2 einen Querschnitt, genommen entlang der ist. Unter der unteren Paßfläche 18 und über dem Linie 2-2 von F i g. 1, Boden des beweglichen Teils 11 liegt ein unterer

F i g. 3 einen Querschnitt, genommen entlang der Wärmeaustauschkanal 20, durch welchen sich das Linie 3-3 von Fig. 1, ao kalte Hochdruckgas, das nach unten durch den

F i g. 4 einen Querschnitt einer Tieftemperatur- Regenerator 13 strömt, bewegen muß, und zwar kältemaschine, die einstufig arbeitet, durch die radialen Kanäle 25 und die Umfangsnut 26,

Fig. 5 einen Querschnitt, genommen entlang der um die Kammer 12 zu erreichen (Fig. 1, 3). Ebenso Linie 5-5 von F i g. 4, muß das kalte expandierte Gas durch den Wärme-

F i g. 6 einen Querschnitt einer Tieftemperatur- 25 speicher über denselben Wärmeübertragungsweg kältemaschine, die mehrstufig arbeitet, zurückkehren, um eine Wärmeübertragung auf den

F i g. 7 einen Querschnitt einer Abwandlung des Bodenteil des Mantels und dann auf die Wärmeoberen Teils der Vorrichtung von F i g. 6, station 28 zu bewirken, die diesen unteren Teil um-

F i g. 8 die Abwandlung der in F i g. 6 gezeigten gibt, welcher der höchsten Stellung, die der radiale Vorrichtung, wobei die beiden Kolben eine Einheit 30 Durchgang 25 erreicht, wenn der bewegliche Teil bilden, seine obere Totpunktstellung erreicht hat, entspricht,

F i g. 9 einen Querschnitt der Tieftemperaturkälte- Schließlich zeigt F i g. 1 eine Ausführungsart des maschine, die eine Abwandlung der in F i g. 6 ge- Durchgangs, bei der das Gas in den oberen Teil des zeigten ist, wobei eine Kühlung zwischen der warmen Wärmespeichers 13 eintritt. In dieser Ausführung Kammer und der ersten kalten Kammer in einer 35 sind zwei gegenüberliegende Einlaßleitungen 24 vormehrstufigen Anordnung vorgesehen ist, gesehen.

F i g. 10 einen Querschnitt einer Tieftemperatur- In den folgenden Ausführungen werden die Be-

kältemaschine, die einen mehrstufigen Taconis- griffe »obere« und »untere« in einem relativen Sinn Zyklus durchführt, verwandt, und die gezeigte Tieftemperaturkälte-

Fig. 11 einen Querschnitt, genommen entlang der 40 maschine kann beliebig orientiert werden. Diese BeLinie 11-11 der F i g. 10, und griffe werden in dieser Beschreibung nur der Einfach-

F i g. 12 einen Querschnitt einer Vorrichtung, die heit halber verwandt und beziehen sich auf die in den einen Philipsmodifizierten-Sterling-Zyklus durch- Figuren gezeigte Orientierung,
führt. F i g. 4 und 5 erläutern die Anwendung der Er-

AHe gezeigten erfindungsgemäßen Tieftemperatur- 45 findung bei einer Vorrichtung, die mit einem Arbeitskältemaschinen arbeiten mit periodischer Strömung zyklus arbeitet, der in der USA.-Patentschrift und haben einen Wärmespeicher, einen Verdränger 2 906 101 beschrieben ist. Der Mantel 30 der in oder einen Kolben. Bei den Kühlzyklen, die mit F i g. 4 gezeigten Vorrichtung weist eine besondere dieser Vorrichtung durchgeführt werden, wird ein Gestalt auf. Er ist am oberen Ende im wesentlichen expandierbares Hochdruckgas über einen Wärme- 50 offen und hat eine zusätzliche Dichtfläche 31 und speicher und einen Wärmeaustauschweg, bei dem einen Dichtring 32 oberhalb der Umfangsnut 33, Kühlleistung nach außen übertragen wird, durch die durch die das Gas in die Tieftemperaturkälte-Bewegung des Kolbens oder Verdrängers in eine maschine eingeführt und aus dieser wieder heraus-Expansionskammer geführt. In dieser Kammer wird geführt wird. Eine Verbindung 34 verbindet diese das Gas auf eine Stufe niedrigen Drucks zur Ab- 55 Umfangsnut 33 mit einer weiteren Gasleitung 35, an kühlung und Erzeugung potentieller Kühlleistung die ein Kompressor 36, ein Hochdruckgasbehälter 37, entspannt, die bei seinem anschließenden Gang durch ein Hochdruckventil 38, ein Niederdruckreservoir 39 den Wärmeaustauschweg wiedergewonnen wird. Die und ein Niederdruckventil 40 angeschlossen sind.
Erfindung ist bei allen Tieftemperaturkältemaschinen Hochdruckgas wird in die Kammer 12 vom Hochanwendbar, die diese grundlegenden Stufen in der 60 druckreservoir 37 durch das Ventil 38 und die Leitung einen oder anderen Form enthalten. 34 eingeführt, und zwar bei dem Teil des Zyklus, bei

Die F i g. 1 bis 3 erläutern die allgemeinen Merk- dem sich der Stempel 11 aufwärts bewegt und die male der Erfindung ohne Bezugnahme auf besondere Kammer 12 ein maximales Volumen erreicht. Das Tieftemperaturkältemaschinen. Es handelt sich um Ventil 40 ist während der Zeit der Hochdruckgasvereinen Querschnitt des unteren Teils einer Vorrich- 65 sorgung geschlossen. Beim Beschicken der Kammer tung, deren besondere Ausführungen in den 12 mit Hochdruckgas gelangt das Gas in den Wärme-F i g. 4, 6, 9, 10 und 12 dargestellt sind. Dieser Teil speicher 13, der in diesem Falle mit Bronzewolle 43 einer Tieftemperaturkältemaschine besteht aus einem gefüllt sein kann, und zwar tritt das Gas durch die

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Eingänge 24 ein und wird in dem Wärmespeicher 13 der in F i g. 3 gezeigten ähnlich. Die obere Bemit Hilfe der Kühlleistung, die in der Bronzewolle grenzung dieses Wärmeübertragungskanals 62 bildet von dem vorangegangenen Zyklus gespeichert ist, die Paßfläche 64, die ein Bestandteil des Kolbens ist gekühlt. Das Hochdruckventil darf erst geschlossen und zusammen mit der inneren Wand des oberen werden, wenn die Kammer 12 ihr größtes Volumen 5 Mantels 47 eine praktisch vollständige Gasdichtung erreicht hat, oder es kann, kurz bevor der Stempel sei- bildet. Darüber befindet sich ein Ringraum 65, eine nen oberen Totpunkt erreicht hat, geschlossen werden. zweite Paßfläche 66 und ein Dichtring 67, die dazu

In diesem Punkt befindet sich kaltes Hochdruck- dienen, die Kammer 49 von der Kammer 50 zu gas in der Kammer 12, und der nächste Schritt ist, isolieren. Es ist eine Wärmestation 68 mit dem das Ventil 38 zu schließen (wenn es noch nicht ge- ίο Bodenteil des oberen Mantels 47 verbunden,
schlossen worden ist) und das Ventil 40 zu öffnen, In entsprechender Weise enthält der untere Kolben

um die Expansion und die weitere Abkühlung des 56 in seinem Innern einen Wärmespeicher 70, der aus Gases und seinen Austritt in das Niederdruckreser- Bleikugeln 71 hergestellt sein kann. Der obere Einvoir 39 mit der Kühlung des Wärmespeichers 13 zu laß in diesen Wärmespeicher 70 enthält radiale ermöglichen. Der Stempel 11 bewegt sich abwärts, 15 Durchgänge 72, die in Verbindung mit der ersten und die Kammer 12 erreicht ihr kleinstes Volumen. kalten Kammer 50 stehen. In der in Fig. 6 gezeigten Dann beginnt der Zyklus von vorn. Da etwas mecha- Vorrichtung ist der untere Kolben 56 mit dem oberen nische Arbeit von der Tieftemperaturkältemaschine Kolben 55 mit Hilfe eines Stiftes 75 verbunden, wogeliefert wird, ist eine Vorrichtung zur Vernichtung durch wiederum eine kleine Kammer 73 und ein der Energie, wie eine Bremse 41, die mechanisch an 20 ringförmiger Durchgang 74 gebildet werden,
dem Stempel 11 durch einen Schaft 42 befestigt ist, Am unteren Ende des Wärmespeichers 70 bevorgesehen, finden sich radiale Durchgänge 78, die das Gas

Das kalte Hochdruckgas, das den Wärmespeicher durch die Umfangsnut 80 im Kolben in den 13 verläßt, wird vom Boden des Wärmespeichers aus engen ringförmigen Wärmeaustauschkanal 79 leiten, durch radiale Durchgänge 25 gepreßt. Die radialen 25 Wiederum ist das obere Ende des ringförmigen Durchgänge enden in einer Umfangsnut 26, die dazu Kanals 79 durch eine Paßfläche 81 bestimmt, und die dient, das kalte Hochdruckgas rund um den ganzen Isolation der Kammer 51 von der Kammer 50 erfolgt Umfang des Kolbens zu verteilen und in den engen durch den Ringraum 82. Eine zweite Wärmestation ringförmigen Wärmeübertragungskanal 20 einzu- 85 ist mit dem unteren Teil des unteren Mantels verführen, der durch das untere Ende des Kolbens 11 30 bunden, und in dieser Figur ist eine äußere zu und die innere Wand des Mantels 30 begrenzt ist. kühlende Last 86 in thermischem Kontakt mit der Dieser bildet den Wärmeaustauschkanal zur Expan- zweiten Wärmestation 85 gezeigt,
sionskammer 12 und bewirkt mit Hilfe der im Mantel Der Zyklus dieser Tieftemperaturkältemaschine

und in der Wärmestation 28 gespeicherten Kälte- unterscheidet sich von dem der in F i g. 4 gezeigten leistung eine weitere Kühlung des Hochdruckgases, 35 Vorrichtung dadurch, daß hier eine warme Kammer das in die Kammer 12 eintritt. Diese Kälteleistung und eine oder mehrere (in diesem Falle zwei) kalte wurde während des vorangegangenen Zyklus, als das Kammern vorhanden sind, deren Volumina durch die kalte Niederdruckgas während der Entspannung Bewegung eines Kolben bestimmt werden, der von über denselben Wärmeaustauschweg durch den einer äußeren Vorrichtung angetrieben wird. Kom-Wärmespeicher 13 zurückgeführt wurde, gespeichert. 40 pressionswärme wird in der warmen Kammer ent-

Fig. 6 erläutert die Anwendung der Erfindung wickelt, und das Hochdruckgas tritt in den oberen in einer mehrstufigen Tieftemperaturkältemaschine, Wärmespeicher ein und verläßt das System mit einer die, wie es in der USA.-Patentschrift 2 966 035 be- Temperatur, die etwas höher als diejenige ist, mit der schrieben ist, arbeitet. Diese Mehrstufenvorrichtung es dem System zugeführt wurde. So entnimmt das besteht aus einem oberen, weiten Mantel 47 und 45 ausströmende Gas eine Wärmemenge aus dem einem unteren, schmaleren Mantel 48. In diesen sind System, die im wesentlichen der entwickelten Kälteeine warme Kammer 49 mit einem expandierbaren leistung entspricht.

Volumen und eine erste und zweite kalte Kammer 50 In der in F i g. 6 gezeigten Vorrichtung sind zwei

bzw. 51 mit expandierbaren Volumina vorgesehen. enge ringförmige Wärmeaustauschkanäle 62 und 79 Hochdruckgas wird in die Kammer 49 und Nieder- 50 vorgesehen, die zu der ersten und zweiten kalten druckgas wird aus dieser heraus mittels einer Gas- Kammer 50 bzw. 51 gehören. Es sind auch zwei leitung 52 geführt, die mit einem Gasreservoir und Wärmestationen 68 und 85 vorgesehen, deren Rolle einem Abführungssystem, wie es in F i g. 4 gezeigt oben erläutert wurde.

ist, in Verbindung steht und somit der Leitung34 Fig.7 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 6 geentspricht. 55 zeigten Vorrichtung, in der die Kolben pneumatisch

Innerhalb dieses Stufenmantels können ein oberer angetrieben werden. Die Vorrichtung weist eine Kolben 55 und ein unterer Kolben 56 betrieben Mantelverlängerung 90 und eine Kolbenverlängerung werden, die über eine Kolbenstange 57 durch eine 91 auf. Ein Dichtungsring 92 ist zur Isolation der nicht gezeigte Vorrichtung bewegt werden. Innerhalb wannen Kammer 49 von der Arbeitskammer 93 vordes oberen Kolbens befindet sich ein oberer Wärme- 5o gesehen, in die Gas eingeführt und aus der Gas herspeicher 58, der mit Bronzekugeln 59 gefüllt sein ausgeführt wird, um die zum Antrieb des Hauptkann und durch den Durchgang 60 in Verbindung kolbens der Tieftemperaturkältemaschine notwendige mit der Kammer 49 steht. In dem unteren Teil des Kraft auf die Kolbenverlängerung 91 auszuüben. Eine Kolbens 55, nämlich am Ende des Wärmespeichers Leitung 94 dient zur Einfuhr des Hochdruckgases 58, sind radiale Durchgänge 61 angeordnet, welche 05 vom Reservoir 37 und dann zum Ableiten des Gases die Verbindung zu dem ersten engen ringförmigen in ein Niederdruckreservoir 39 über die Leitung 95 Wärmeübertragungskanal 62 durch die Umfangsnut und unter der Steuerung des Hochdruckventils 96 in dem Stempel darstellen. Diese Konstruktion ist und des Niederdruckventils 97.

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F i g. 8 zeigt eine weitere Abwandlung der in die die Verbindung mit einer Antriebswelle 124 F i g. 6 gezeigten Vorrichtung. Der untere Kolben 56 stehen, bewegt. Die Welle wiederum wird vom Motor bildet mit dem oberen Kolben 55 eine Einheit. Diese 125 angetrieben. Der obere Kolben 122 hat an seinem

Figur veranschaulicht auch die Verwendung von ge- unteren Ende eine Aussparung 126, die den unteren

stapelten Gittern 98 und 99 im Wärmespeicher. 5 Kolben 127 aufnehmen kann, welcher durch die

Die in F i g. 9 gezeigte Vorrichtung ist eine Ab- Kolbenstange 128, die ebenfalls mit der Welle 124

Wandlung der in F i g. 6 gezeigten. Der obere Kolben verbunden ist, angetrieben wird. Die Kolbenstangen

enthält hier zwei Wärmespeicher 100 und 101 (die in 123 und 128 bewegen sich in Dichtungen 129, um

diesem Fall aus Bronzewolle bestehend gezeigt sind) das Innere gasdicht zu halten.

und einen diese verbindenden zusätzlichen ring- io Innerhalb des Mantels sind eine warme Kammer förmigen Wärmeaustauschkanal 103. Dieser Kanal ist 130, eine Zwischentemperaturkammer 131 und eine von einer oberen Paßfläche 105 und einer unteren kalte Kammer 132 vorgesehen. Jede dieser Kammern Paßfläche 106 begrenzt, und die Isolation von der ist mit entsprechenden Wärmestationen 133, 134 ersten kalten Kammer 50 ist durch die Verwendung bzw. 135 verbunden. Falls die Kammer 130 bei eines zusätzlichen Dichtungsringes 107 gewährleistet, 15 Zimmertemperatur betrieben wird, ist die Wärmeder mit der Paßfläche 64 eine ringförmige Kammer station 133 der Atmosphäre ausgesetzt, während die 108 begrenzt. Diese Abwandlung erfordert einen zu- Wärmestation 134 zur Erreichung der Zwischensätzlichen Wärmeübertragungsweg zwischen dem temperatur mit Kühlschlangen 136 verbunden ist, die unteren Ende des Wärmespeichers 100 und dem flüssigen Stickstoff oder eine andere geeignete Kühloberen Ende des Wärmespeichers 101. Wie man 20 flüssigkeit zur Aufrechterhaltung der benötigten sieht, wird dieser Weg von den radialen Durchgängen Zwischentemperatur in Kammer 131 führen. Jede 110, der Umfangsnut 111, dem engen ringförmigen dieser Kammern hat auch ringförmige Wärme-Kanal 103, den radialen Durchgängen 112 und der austauschkanäle 137,138 und 139, die den Wärme-Umfangsnut 113 gebildet. Den Teil des äußeren Stationen 133,134 bzw. 135 zugeordnet sind. Der Mantels, der im Bereich des ringförmigen Kanals 103 25 Kolben 122 ist mit einer Paßfläche 140, einem Dichliegt, umgibt eine Zwischenwärmestation 115, die mit tungsring 141 und einer Paßfläche 142 versehen, und einem Kühlschlangensystem 116 verbunden ist, in der Kolben 127 hat Paßflächen 143 und 145. Wie bei dem ein Kühlmittel, wie z. B. flüssiger Stickstoff, den anderen Vorrichtungen gezeigt wurde, sind die zirkulieren kann. Dies bedeutet, daß eine Vorkühlung Kolben so ausgebildet, daß sie ringförmige Zwischendes Hochdruckgases vor seinem Eintritt in den 30 räume 146 und 147 bilden, die den Zweck haben, Wärmespeicher 101 und seiner Rückkehr durch das die Reibung zu verringern, und als zusätzliche Isola-System als kaltes Niederdruckgas stattfindet. Weitere tionszonen zwischen den Kammern dienen.
Wärmeübertragung und Kühlung finden vor dem Im oberen Kolben 122 ist ein Wärmespeicher 150 Eintritt in den Wärmespeicher 100 statt. eingebaut, der mit radialen Durchgängen 151 und

Es sei bemerkt, daß die in F i g. 4 gezeigte Vor- 35 einer Umfangsnut 152 verbunden ist, um die Verrichtung als eine Mehrstufenvorrichtung konstruiert bindung zwischen dem oberen Ende des Wärmewerden kann, wie dies in den F i g. 6 und 9 gezeigt Speichers 150 und dem engen ringförmigen Wärmeist, und daß die Vorrichtung der F i g. 6 als Ein- austauschkanal 137 herzustellen. In der gleichen Stufenvorrichtung konstruiert werden kann, wie all- Weise wird die Verbindung mit dem engen Kanal 138 gemein in F i g. 4 gezeigt ist. Die Wärmespeicher 40 mit Hilfe der radialen Durchgänge 153 und der Umkönnen auch aus verschiedenen Materialien bestehen, fangsnut 154 hergestellt. Bei dem schmaleren unteren wie Bronzewolle, Bronze- und Bleikugeln und aus Kolben tritt das Gas von der Kammer 131 in den Kupfersieben. Regenerator 158 durch die radialen Durchgänge 159

Die F i g. 10 zeigt eine Vorrichtung, die zum und die Leitung 160 ein, und die Verbindung mit dem

Durchführen eines Zyklus verwendet werden kann, 45 Kanal 139 wird durch die radialen Durchgänge 161

den man als abgewandelten Taconis-Zyklus be- und die Umfangsnut 162 bewirkt,

zeichnen kann, der in der USA.-Patentschrift Wie im Fall der oben beschriebenen Vorrichtung

2 567 454 und in den oben zitierten »Proceedings of sorgen die engen ringförmigen Wärmeaustauschthe 1956 Cryogenic Engineering Conference« be- kanäle 137, 138 und 139 für einen sehr wirksamen schrieben ist. Im wesentlichen umfaßt dieser Zyklus 50 Wärmeaustausch zwischen dem Gas und den Wärmedie Überführung eines expandierbaren fluiden Stationen, die den an den verschiedenen Stellen dieser Mediums von einer warmen Kammer in eine kalte Tieftemperaturkältemaschine aufrechtzuerhaltenden Kammer durch eine Zone von mittlerer Temperatur. Temperaturen entsprechen.

Eine verbesserte Vorrichtung zum Durchführen In dem Zyklus, der in der USA.-Patentschrift

dieses Zyklus ist in der USA.-Patentschrift 55 3 151 466 beschrieben wird, erfolgt die Kompression

3 151466 beschrieben. Bei der Anwendung dieses des Gases in der Kammer 131, und die Kompressions-Zyklus für Tieftemperaturkühlung wird das warme wärme wird aus dem Gas während seines Durchgangs Ende zweckmäßigerweise bei etwa Zimmer- durch den Wärmeaustauschkanal 138 durch Wärmetemperatur gehalten. Die Zwischentemperatur ist im austausch mit der Wärmestation 134 und den Kühlwesentlichen die des flüssigen Stickstoffs, während 60 schlangen 136 abgeführt. Eine Expansion des Gases die Kühlung bei einer tieferen Temperatur stattfindet erfolgt in den Kammern 130 und 132, und das geiz. B. 15 bis 30° K), die vom verwendeten Gas und kühlte Gas, das diese Kammern verläßt, wird den Charakteristiken der Vorrichtung abhängt. während seines Durchgangs durch die ringförmigen

In Fig. 10 ist ein oberer Mantel 120 und ein Wärmeaustauschkanäle 137 und 139 durch Wärmeunterer Mantel 121 vorgesehen, die in einer ab- 65 übertragung von den Wärmestationen 133 und 135 gesetzten Art ähnlich der in F i g. 6 gezeigten aus- erwärmt, wobei die Wärmezufuhr bei der Wärmegebildet sind. Innerhalb des oberen Mantels 120 wird station 135 Kühlung genannt wird,
ein oberer Kolben 122 durch die Kolbenstangen 123, F i g. 12 zeigt die Anwendung der Erfindung bei

Claims (7)

1. einem Philips-Sterling-Zyklus (beschrieben z. B. in Weise sind die Wärmestationen 218 und 220 mit den der USA.-Patentschrift 2 657 553), der ebenfalls ein beiden Expansionskammern und den beiden ringabgeschlossenes System darstellt, innerhalb dessen förmigen Wärmeaustauschkanälen 197 und 208 verdie Kompression mechanisch erreicht wird, im bunden.

   Gegensatz zur Kompression durch Wärmezufuhr bei 5 Wenn die Expansionskolben 182, 184 in der der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung. Dieses abge- oberen Stellung sind, wird der Kolben 175 aufwärts schlossene System ist im Innern eines Mantels 170 bewegt, wobei eine Kompression des Gases in der angeordnet, der aus einem unteren Abschnitt 171 Kammer 187 erfolgt. Während sich die Kolben 182 besteht, der den Antriebsmechanismus enthält, einem und 184 nach unten bewegen, um das Hochdruckgas mittleren Abschnitt 172, der den Kompressor und io aus der Kammer 187 in die Kammern niedriger eine erste Expansionskammer enthält, und einem Temperatur 188 und 189 zu verdrängen, bewegt sich oberen Abschnitt 173, der die zweite Expansions- der Kolben 175 weiterhin nach oben, um den Hochkammer enthält. Ein Kompressorkolben 175 mit druck aufrechtzuerhalten. Wenn die Kammern 188 Dichtungsringen 176 wird über die Kolbenstangen und 189 ihr maximales Volumen durch die Abwärts- 177 und die Welle 178 von dem Motor 179' ange- ig bewegung der Kolben 182 und 184 erreicht haben, trieben. Im mittleren Abschnitt befindet sich ein wird der Kolben 175 abwärts bewegt, wodurch eine großer Expansionskolben 182, der einen Wärme- Ausdehnung des Gases in den Kammern 188 und 189 speicher 183 enthält. Im oberen Abschnitt befindet erfolgt. Zur vollständigen Ausdehnung des Gases sich ein kleiner Expansionskolben 184, der einen werden die Kolben 182 und 184 aufwärts bewegt, um Wärmespeicher 185 enthält, wobei diese Kolben so das expandierte und gekühlte Gas aus den Kammern durch die Kolbenstange 186 angetrieben werden. 188 und 189 zu verdrängen, während der Kolben 175 Während ihrer Bewegung innerhalb des Mantels be- sich weiterhin nach unten bewegt, um den niedrigen grenzen der Kolben 175 und die Kolben 182 und Druck aufrechtzuerhalten. Der beschriebene ideali- 184 eine Kompressionskammer 187. eine erste Ex- sierte Zyklus wird in der Praxis dadurch modifiziert, pansionskammer 188 und eine zweite Expansions- 25 daß die Kolben eine einfache sinusförmige Bewegung kammer 189. mit einem Phasenunterschied von etwa 90° aus-Aus F i g. 12 ist ersichtlich, daß in dieser Tief- führen, wodurch eine gute Annäherung an den temperaturkältemaschine, wie in den vorher be- beschriebenen Zyklus bewirkt wird. Während das schriebenen, eine Reihe von neuartigen Gasströ- Gas aus der Kammer 187 durch die Wärmespeicher mungswärmeaustauschkanälen vorhanden sind. Der 30 183 und 185 verdrängt wird, wird es gekühlt. Bei der Weg, der von der Kompressionskammer 187 zum Ausdehnung in den Kammern 188 und 189 wird das Wärmespeicher 183 im Expansionsstempel führt, Gas weiter abgekühlt, und während es in die Kammer wird von einem engen ringförmigen Wärmeaustausch- 187 zurückverdrängt wird, streicht es durch die kanal 191, der Umfangsnut 192 und den radialen ringförmigen Wärmeaustauschkanäle 197 und 208, Durchgängen 193 gebildet. Die obere Begrenzung 35 wobei es die Wärmestation 218 und 220 abkühlt. Indieses ringförmigen Wärmeaustauschkanals 191 wird dem das Gas aus der Kammer 187 verdrängt wird durch die Paßfläche 194 des Kolbens gebildet. In und sich durch den ringförmigen Wärmeaustauschähnlicher Weise strömt das Gas von dem Oberteil des kanal 191 bewegt, wird seine Kompressionswärme Wärmespeichers 183 in die Kammer 188 oder um- über die Wärmestation 215 und die Kühlflüssigkeit gekehrt über die radialen Durchgänge 195, die Um- 40 in den Schlangen 216 abgeführt, fangsnut 196 und den engen, ringförmigen Wärme- Gewünschtenfalls kann ein äußerer Jouleaustauschkanal 197, der von der Paßfläche 198 Thomson-Kreis 224 mit der Kühlvorrichtung von begrenzt wird. Die Isolation zwischen der Kompres- F i g. 12 verbunden werden. Dieser ist schematisch sionskammer 187 und der ersten Expansionskammer gezeigt. Es ist ersichtlich, daß er sich aus einem 188 wird durch die Dichtringe 199 und die Ring- 45 Hochdruckteil 225 und einem Niederdruckteil 226, kammer 200 vervollständigt. verbunden durch einen Kompressor 227, zusammen-Die beiden Kolbenteile 182 und 184 sind durch setzt. Ein Ohne-Kontakt-Wärmeaustausch wird einen Stift 202 verbunden, und oberhalb desselben zwischen dem Hochdruckgas und dem kalten Niederbefindet sich eine Nut 203, die mit den radialen druckgas im Wärmeaustauscher 228, zwischen dem Durchgängen 204 und der Leitung 205 die Verbin- 50 Hochdruckgas und der Wärmestation 218 im Wärmedung zum Wärmespeicher 185 darstellt. Die Ver- austauscher 229, weiterhin zwischen dem Hochdruckbindung zwischen der ersten Expansionskammer 188 und dem Niederdruckgas im Wärmeaustauscher 230, und der kälteren Expansionskammer 189 erfolgt über zwischen dem gekühlten Hochdruckgas und der diesen Strömungsweg durch den Wärmespeicher 185, Wärmestation 220 im Wärmeaustauscher 231 und die radialen Durchgänge 206, eine Umfangsnut 207 55 schließlich zwischen dem kalten Hochdruckgas und und einen engen, ringförmigen Wärmeaustauschkanal dem durch die Expansion sehr kalten Niederdruckgas 208, der durch die Führungsfläche 209 begrenzt ist, in dem Wärmeaustauscher 232 bewirkt. Die Expandie zusammen mit dem Dichtring 212, der Ring- sion und die letzte Kühlung geschehen in einem kammer 213 und dem gasdichten Abschnitt 214 die Joule-Thomson-Ventil 233, und einige Kühlleistung Kammern 188 und 189 voneinander isoliert. Um das _6o wird an eine äußere Last 234 abgegeben, bevor das in der Kammer 187 komprimierte Gas, welches kalte Niederdruckgas durch die Niederdruckseite und Kompressionswärme enthält, zu kühlen, ist eine die Wärmeaustauscher, wie sie aufgezählt wurden, Wärmestation 215 mit Kühlschlangen vorgesehen, die zurückkehrt, eine Kühlflüssigkeit, wie z. B. flüssigen Stickstoff

   od. dgl., führen. Durch wirksamen Wärmeaustausch 65 Patentansprüche: mit dem komprimierten Gas, das sich innerhalb des

   ringförmigen Wärmeaustauschkanals 191 bewegt, 1. Tieftemperaturkältemaschine, bei welcher

   wird eine Zwischenkühlung erzielt. Auf dieselbe ein beweglicher Bauteil innerhalb eines Mantels

   wenigstens eine Kammer mit veränderlichem Volumen begrenzt, in die ein expandierendes Hochdruckgas über einen Strömungsweg eingeführt wird, der mindestens einen Wärmespeicher enthält, der im beweglichen Bauteil angeordnet ist, wobei dieses Gas anschließend expandiert und wieder über diesen Strömungsweg abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg eine Umfangsnut (26, 63,80,111, 113,154,162,192,196, 207) in dem beweglichen Teil (11, 55, 56, 122, 127, 182, 184) aufweist, wenigstens einen radialen Kanal (25, 61, 78,110, 112,151,153,193,195,206), der den Wärmespeicher (13,58, 70, 100, 101, 150, 158,183, 185) und die Umfangsnut verbindet, und einen engen ringförmigen Wärmeaustauschkanal (20, 62,79,103,138,139, 191, 197, 208), der vom beweglichen Teil und der Innenwand des Mantels begrenzt wird und sich von der Umfangsnut zu dem Ende des beweglichen Teils erstreckt. ao
2. 2. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Außenwandung des Mantels, der der Erstreckung des engen ringförmigen Wärmeaustauschkanals entspricht, die durch den Hub des beweglichen Teils bestimmt ist, eine Wärmeaustauschstation (28, 68, 85,115,133,134,135,215, 218, 220) trägt.
3. 3. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil ein Kolben ist, der innerhalb des Mantels eine warme Kammer (33, 49,130,187) und wenigstens eine kalte Kammer (12, 50, 51, 131,132,188,189) abgrenzt, wobei die warme Kammer über den Strömungsweg mit der kalten Kammer in Verbindung steht.
4. 4. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese stufenweise aufgebaut ist (Fig. 6, 9,10,12) und mehrere bewegliche Teile und mehrere Kammern mit veränderlichem Volumen hat und daß jeder der beweglichen Teile einen Strömungsweg mit engem ringförmigem Kanal aufweist.
5. 5. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Teile Kolben sind, die innerhalb des Mantels eine warme Kammer und eine Anzahl von aufeinanderfolgenden kälteren Kammern abgrenzen, und daß die warme Kammer mit den kalten Kammern durch den Strömungsweg in Verbindung steht.
6. 6. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil wenigstens zwei Wärmespeicher (100,101) enthält, die durch einen Strömungsweg verbunden sind, der voneinander getrennte Umfangsnuten (111,113) in dem beweglichen Teil, radiale Durchgänge (110,112) und einen dazwischen gelegenen schmalen ringförmigen Wärmeaustauschkanal (103) aufweist.
7. 7. Tieftemperaturkältemaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlschlangen (116,136,216) in Wärmekontakt mit der Wärmestation vorgesehen sind.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen