DE1501068A1

DE1501068A1 - Verfahren und Apparatur zur Erzeugung tiefster Temperaturen

Info

Publication number: DE1501068A1
Application number: DE19651501068
Authority: DE
Inventors: Garwin Richard L
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-01-16
Filing date: 1965-01-16
Publication date: 1969-05-14
Also published as: GB1021539A; US3221509A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Geielhehaft mbH

Böblingen, 21. Okt. 1968 ki-se

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: P 15 01 068. 1

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 10 655

Verfahren und Apparatur zur Erzeugung tiefster Temperaturen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung tiefster Temperaturen, bei dem der Joule-Thorn, son-Effekt angewendet wird.

Zwei voneinander unabhängige Faktoren sind verantwortlich für das neue Auftreten von Interesse an Tieftemperatur schaltkreisen und -Speichern der Elektronik (Kryotrons). Erstens ist die Notwendigkeit für derartige Vorrichtungen aufgekommen durch das Erkennen, daß gewisse physikalische und elektrische Effekte verbesserbar sind bei Vorrichtungen, die diese Effekte bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt aufweisen. Der zweite Faktor ist in der Verfügbarkeit von Kühlsystemen mit annehmbarer Leistungsfähigkeit und annehmbaren Preisen zu sehen, die Tieftemperaturuntersuchungen und Anwendungen ermöglichen. Diese Untersuchungen auf dem Kryotrongebiet wurden immer mehr bekannt, so daß immer mehr Anwendungen

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_Νθϋθ Unterlagen

für Vorrichtungen in einer Tiefteraperatururagebung entdeckt wurden.

Gegenwärtig v/erden Kryotrons untersucht, die neue Vorteile und • Anwendungsniöglichkeiten aufweisen. Niedrigere Temperaturen, höhere Leistungsfähigkeit und längere Operationszyklen werden verlangt. Hohe Verläßlichkeit, niedrige Produktionskosten, Gewichtsreduktion und kleinere räumliche Ausdehnung werden von einem konkurrenzfähigen Kühlsystem gefordert. Viele der eben genannten Forderungen wurden erfüllt durch Miniaturisierung, verbesserte Materialien, neue Kühlzyklen und durch neue Entwürfe von Kältemaschinen, jedoch bringen die zum neueren Stand der Technik gehörenden Systeme nichts neues, soweit es die Verwendung von Komponenten von Kühlsystemen betrifft. Die meisten der bekannten Kühlsysteme bauen auf Wärmeaustauschtechniken auf zwischen einem Maschinenstrom und den gegenwärtigen Arbeitsflüssigkelten für die Erzeugung von Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt* Solche Systeme enthalten eine Mehrzahl von Wärmeaustauschern, die mit dem Maschinenstrom der Kältemaschine zusammenwirken, um die gewünschte niedrige Temperatur zu erzeugen. Während in der Vergangenheit zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden, stellen die Wärmeaustauscher nun das schwache Glied dar von Seiten der Kosten und Leistungsfähigkeit eines anderen höchstleistungsfähigen KUhlsyatemes aus gesehen. Anstrengungen wurden unternommen, um die Ausführung und Leistungefähigkeit von Wärmeaustauschern zu verbessern, Jedooh war diesen Anstrengungen nur ein begrenzter Erfolg beachleden. Eine Lösung besteht darin, die Wärmeaustauscher durch Regeneratoren in dem Kühlsystem zu ersetzen, da diese Vorrichtungen einfacher, billiger und wirkungsvoller sind als Gegenstromwärmeaustauscher. Die Leistungsfähigkeit ist tatsächlich duroh einen derartigen Ersatz verbessert« Der Stand der Technik verwendet Wärmeaustauscher, die außerhalb der Maschine angeordnet sind, um einen Hllfe-Joule-Thoraeon-Strora zu kühl lien. Die Versorgung eines solchen Systemes mit reinem Ga«

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ist sehr schwierig, und wenn nicht strengste Maßregeln getroffen werden, ist das Joule-Thomson-System bald verschmutzt. Die Verschmutzung ist primär infolge der einseitig gerichteten Flußcharakteristik eines solchen Systems, das kondensierbare Verunreinigungen in den Wärmeaustauschern und dem Drosselventil (Joule-Thomson-Ventil) absetzt.

Es ist somit die Hauptaufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem zu schaffen, das trotz erhöhter Leistungsfähigkeit die genannte Verschmutzungserscheinung nicht aufweist. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß eine Wärmemaschine einen pulsierenden Gasstrom niedriger Temperatur erzeugt, der gleichgerichtet und auf einen hohen konstanten Druck gebracht wird, und über einen einzigen Gegenstromwärmeaustauscher dem Joule-Thomson-Ventil zugeführt wird, durch welches das Gas expandiert und einen Joule-Thomson-Gas strom bildet für die Kühlung des Kühlgutes und daß dieser Gasstrom zwecks Abgabe von Wärme durch diesen Gegenstromwärmeaustauscher in die W arm em as chine zurückgeführt wird.

Es sind zwar Gasverflüssigungseinrichtungen bekannt, die aber mehrere Wärmeaustauscher benötigen, wodurch die Gefahr der Verschmutzung des Joule-Thomson-Sy stems sehr groß ist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand eines in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen;

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Kühlsystems,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die in dem System nach Fig. 1 verwendete Wärmemaschine und Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Wärmemaschine, die

einen externen Regenerator besitzt, der in dem System nach Fig. 1 verwendbar ist.

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An dem Ausgang der ■ Wärmemaschine 2 tritt ein gekühlter iioliumötrora auf, wie weiter unten genauer beschrieben ist. Der Ausgangsstrom der Wärmemaschine 2 ist gekennzeichnet durch Druckschwingungöiv die entstehen durch die zyklische Kompression und Expansion des Heliums während des Kühlzyklus. Das in der Wärmemaschine 2 zu kühlende Helium liefert der Kompressor > oder eine andere. Druokquelle. Das Helium pufft die Wärmemaschine 2 durch das Hochdruckventil 4 und das Niederdruckventil 5 aus zu geeigneten Zeiten während eines gegebenen Kühlzyklus. Bevor der gekühlte Maschinenstrom dem Drosselventil 6 (Joule-Thomson-Ventil) zugeführt wird, passiert derselbe das Rückschlagventil 7, das dem Maschinenstrom nur dann einen Durchfluß erlaubt, wenn der Hochdruck den des Speichers 8 überschreitet. Auf diese Weise ist ein pulsierender, einseitig gerichteter Hochdruckstrom an dem Ausgang des Ventlles 7 erhaltbar. An diesem Punkt wird der pulsierende Hochdruck-Maschinenstrom dem Speicher 8 von gegebener Größe zugeführt, in dem Helium mit im wesentlichen konstanten Druck gesammelt ist. Der Maschinenstrom verläßt den Speicher 8 mit im wesentlich konstantem Druck, passiert den Hochdruckkanal 9 des 'Gegehstromwärmeaustauschera 10 und erreicht mit wesentlich konstantem Druck das Drosselventil 6 (Joule-Thomson-Ventil). Der gekühlte Maschinenstrom expandiert dann mit konstanter Durchflußmenge durch das Drosselventil 6 und kühlt weiter ab oder verflüssigt in Abhängigkeit von der Wärme in der Wärmestation 11, in der eine Vorrichtung, beispielsweise ein Maser angeordnet ist, der bei Tiefsttemperaturen arbeitet.

Bevor mit der Beschreibung des Kühlsystems fortgefahren wird, sind zwei gegenüber bekannten Kühlsystemen beschrittene neue Wege zu erwähnen. Erstens wird der Maschinenstromausgang der Wärmemaschine 2 in einen Joule-Thomson-Strom direkt umgewandelt und tritt mit einer derartigen Temperatur aus, die keine kondensierbare Verunreinigungen präsentieren kann. Zweitens wird der pulsierende Maschinen3trom gleichgerichtet und gesammelt, um einen konstanten

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Druck vor seiner Zuführung sum Joule-Thomson-Ventil 6 zu erhalten. In bekannten Systemen wird der Maschinenstrom niemals direkt umgewandelt und als ein Joule-Thomson-Strom verwendet. Vielmehr passiert der pulsierende Maschinenstrom mit unterschiedlichen Temperaturstufen eine Serie von ViUrmeauatausohorn, In denen beim Wärmeaustausch ein anderer Plüssigkeitsstrom bei konstantem Druck •vor der Anwendung des Joule-Thorason-Ventiles gekühlt wird. Somit werden zwei unabhängige Flüssigkeitsströme verwendet in Verbindung mit einer Mehrzahl von Wärmeaustauschern. In diesen bekannten Systemen ist ein Pulsieren des Masehinenstromes ohne Folgen, da die Verwendung von zwei unabhängigen Strömen die Zuführung eines einzigen Stromes von konstantem Druck zu einem Joule-Thomson-Ventil erlaubt. Jedoch ein derartiges Pulsleren verhindert die direkte Zuführung des Maschinenstromes zu einem Joule-Thomson-Ventil, weil eine derartige Expension bei konstantem Druck stattfinden muß.

Fig. 1 zeigt, daß der Joule-Thomson-Strom zurück durch die Kärmemaschins 2 geführt wird. Dies geschieht mit Hilfe des Nlederdruckkanales 12, des Wärmeaustauschers 10, wobei bei einer Wärmeübertragung der einen konstanten Druck aufweisende Maschinenstrom im Kochdruekkanal 9 vor seiner Zuführung zum Joule-Thomson-Ventil gekühlt ist. Der Wärmeaustauscher 10 ist im Gegensatz zu den durch den Stand der Technik bekannten Systemen der einzige Gegenstromvv'ärmeaustauacher, der in dem erfindungsgemäßen System Verwendung findet. Die Umwälzmittel enthalten den Niederdruckspeicher 1j5 und das Rückschlagventil 14, das verwendet wird für die Freigabe des gesammelten Hlederdruck-Joule-Thomson-Stromes durch die Wärmemaschine 2 zu einem geeigneten Zeitpunkt innerhalb des gegebenen Kühlzyklus, der eine maximal wirksame Wärmeübertragung von dem Regenerator zu dem Ausflußgas vorsieht. Das Rückschlagventil 14 1st mit dem Ausgangsrohr 15 der Wärmemaschine 2 verbunden und der Joule-Thomson-Strom wird an einem Eintritt in den Speicher 8 gehindert durch das Ventil 7, das nur geöffnet ist, wenn der Druck

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in der Maschine geringer ist als im Niederdruckspeicher 12. Die Umwälzung des Joule-Thomson-Strornos bei einem Druckunterschied, der ein Erreichen von Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erlaubt, ist erleichtert durch die Anordnung eines Ablaßventiles 16, daa verbunden ist mit dem Eingang eier V/Urmomaoohino 2 und der Niederdruckseite des Kompressors 3. Die Ventile 14 und 16 werden nacheinander durch nicht gezeigte Mittel betätigt, um einen Weg durch die Wärmemaschine 2 zum Kompressor 3 zu bilden. Der Joule-Thomson-Strom trifft bei seiner Umwälzung durch die Wärmemaschine 2 auf eine Mehrzahl von innerhalb (Fig. 2) oder außerhalb (Fig. 3) der Wärmemaschine 2 angeordnete Regeneratoren, die gekühlt sind und den nachfolgenden Kühlzyklus in einer Weise, wie " weiter unten genauer beschrieben ist, unterstützen.

Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Kühlsystem während eines vorgegebenen Zyklus ein Gas kühlt, um einen Ausgangsmaschinenstrom während eines größeren Teiles des vorgegebenen Zyklus zu erzeugen und einen Joule-Thomson-Strom durch die Wärmemaschine während eines kleineren Teiles des vorgegebenen Zyklus umwälzt. Trotz der während der großen und kleinen Teile eines gegebenen Zyklus vorkommenden unterschiedlichen Operationen wird während des gegebenen Zyklus ein kontinuierlicher Joule-Thomson-Strom erzeugt infolge der Wirkung des Rückschlagventiles und des Speichers 3, die einen im wesentlichen konstanten Druck des Maschinonstromes sogar dann erzeugen, wenn die Wärraemaschine durch die Ventile 14 und 16 abgelassen ist. Die als Rückschlagventile in den Figuren dargestellten Ventile 7 und 14 können ebenso gut von außen betätigt werden.

In Flg. 2 ist die in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem verwendete Wärmemaschine 2 mit ihren Details gezeigt. Der verwendete Kühlzyklus ist als Stirling-Zyklus bekannt. Im folgenden ist dieser genannte 3tirling-ZyklU3 unter Verwendung der Wärmemaschine der Fig. 2 näher beschrieben.

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BIg Multiverdrängungswärraemaschlne 2 l/sitzt drei Stufen von Verdrängern 1?a, 17b und 17o· Die Verdränger 17 sind koaxial angeordnet innerhalb des Gehäuses 18 und zwar relativ nane zu der inneren' Fläche des Gehäuses 18. Die drüi Verdränger 17 können sieh im gleichen Rhythmus im Gehäuse 1S auf- und abbewegen, unter der Steuerung von hin- und hersehenden Antriebsmitteln 19· Koaxial und innerhalb eines jeden dieser Verdränger 17 ist eir< Regeneratorgefüge 20, 20a angeordnet. Die einzelnen Regeneratoren 20 speichern während eines Teiles des Kühlzyklus Wärme und während eines anderen Teiles wird die gespeicherte V.'ärrae auf die Arbeitsflüssigkeit übertragen, um V<ärmo von dem System zu entfernen. Eine Anzahl von bekannten Regedratormaterialien ist in dem erfindungsgemäßen System verwendet. Der Regenerator 20 ist aus einem Bronce-Schirm hergestellt und der Regenerator 20a aus Bleikörnern. Die Regeneratoren 20, 20a sind die Komponenten in denen sich kondensierbare Verunreinigungen festsetzen. Ein zweiseitig gerichteter Fluß wird während des ganzen Zyklus aufrechterhalten. Der zweiseitig gerichtete Fluß besteht während des Stirling-Teiles des Zyklus mit einem leicht nach unten gerichteten Fluß für die Versorgung des Joule-Thomson-Stromes, wonach der Stirling-Fluß unterbrochen wird und ein aufwärtsgerichteter Fluß des gespeicherten Heliums stattfindet. Aus folgendem 1st ersichtlich, daß das erfindungsgemäße System viele der früher aufgeworfenen Probleme vermeldet. In Fig. 2 wird das Helium durch Betätigung des Hochdruckventiles 4 in das Gehäuse 18 eingeführt. DasHeliura fließt durch den Eingang 21 und setzt den Raum V1 über dem Verdränger 17a unter Druck. Diese Unterdrucksetzung tritt ein, wenn die Verdränger 17 in ihrem unteren Punkt ihrer hin- und hergehenden Bewegung sich befinden. Die-Verdränger 17 (Fig. 2) sind in der Mittellage' ihrer Bewegungsbahn dargestellt,um den Kühlzyklus bequemer beschreiben zu können» Wie welter unten erläutert ist, wird während der Maschinenzyklen Wärmeenergie absorbiert In den unteren Teilen der Maschine 2 und wird außerhalb der Maschine 2 freigegeben und in dem Komprössionösyatem jj zerstreut. Der Wärmefluß ist einseitig

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gerichtet von dem Boden der Maschine gegen die Spitze derselben. · Die Regeneratoren 20 haben infolge ihrer relativ kleinen, ßich in Längsrichtung erstreckenden Wärmeleitfähigkeit einen großen Temperatur-Gradienten -zwischen der Spitze und dem Boden. Es muß jedoch daran erinnert werden, daß infolge dieser in Längsrichtung sich erstreckenden kleinen Wärmeleitfähigkeit die Wärmeabsorp-' tionskapazität (spezifische Wärme) hoch ist und die Regeneratoren folglich als sehr wirksame Wärmespeichereinheiten wirken. Sine an der Innenfläche des Gehäuses 18 befestigte dynamische Dichtung 22 verhindert den Durchtritt von unter Druck gesetztem Helium zwischen dem Verdränger 17a und der Innenfläche des Gehäuses 18. Das Helium wird deshalb durch den Regeneratoreingang 23 in den Regenerator 20 gedrückt, in dem dem Helium die Wärme entzogen wird. Da3 gekühlte Gas tritt aus einer Mehrzahl von öffnungen 24 aus, die sich in der Wandung des Verdrängers 17a nahe seines Bodens befinden. Zwei Verdrängerdichtungen 26, 25 sind an dem Verdränger 17a angebracht und zwingen das Gas durch obere Gehäuseeinlässe 27 in das Gehäuse 18 in die Wärmestation 28a, die um das Gehäuse 18 herum angebracht ist. Die Wärmestation 28a weist eine Vielzahl von Kupferrippen 29 auf, die sich von der inneren Fläche der Wärmestation aus radial nach innen erstrecken und den Raum VJ definieren. Gleichzeitig mit den genannten Schritten tritt das Gas unter hohem Druck durch die in jedem der Verdränger 17a und 17b angebrachte öffnungen 51 bzw. j52 hinduroh und wird veranlasst, durch die in den Verürängern 17b# 17o angeordneten Regeneratoren zu strömen. Die Wärmeetationen 28b und 280. werden in ähnlicher Weise wie die Wärraestation 28a unter Druck gesetzt und die Wärraemasohine 2 ist bereit für den Aufwärtshub bei konstantem Druck des Kühlzyklus·

Die hin- und hergehenden Antriebsmittel 19 verursachen bei dem . Aufwärtshub des Verdrängers 17 eine Verkleinerung des Raumes V1 von einer gegebenen Größe auf praktisch Null und eine Zunahme des Raumes V2 von der Größe Null auf eine maximal vorgegebene

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Größe.' V/enn der Verdränger 17a sich naoh oben bewegt, nimmt der Druck im Raum V2 geringfügig ab und der Druck im Raum V1 erhöht sich gering und gestattet dem Gas ein Hindurohströmen durch den Regenerator 20, vorbei an den Rippen 29 in der Wärmestation 28 .und aus den unteren QehUuseöffnungen 30 in den Raum V2, der durch die Aufwärtsbewegung des Verdrängers 17a nun gebildet ist.

An dem obersten Punkt des Hubes ist das Hochdruckventil 4 gesohlossen und das Niederdruckventil 5 geöffnet, so daß das Gas expandieren kann. Das Gas strömt vom Raum V1 durch die unteren Gehäus©öffnungen 30 ari den Rippen 29 vorbei und aus den oberen Gehäuseöffnungen 27 durch die öffnung 24 in den Regenerator 20. Vom Regenerator 20 aus kehrt das Gas in die Niederdruokseite dos Kompressors durch öffnungen 23 und 21 zurück. In diesem Punkt des Kühlzyklus findet die Kühlung des Heliums statt. Die Kühlung findet statt durch die in der Wärmemasohine 2 getane Arbeit des Heliums beim Durchzwingen des Heliums durch das Niederdruckventil 5 und die Rohranlage. Wenn der Kompressor groß ist, führt das Helium bei geeigneter Kombination von Raumtemperatur und Kolben und Zylinder in der Wärmemaschine 2 auf den sich zurückziehenden Kolben eine Arbeit aus. Dabei muß das Gas Wärmeenergie abgeben, wodurch es gekühlt wird. Somit wird Energie in Form von Wärme absorbiert von einer außerhalb der Wärmestation liegenden Region und das Gas kühlt unter die die Wärmestation umgebende Temperatur ab. Dieser Vorgang wird erleichtert durch die Bewegung des Gases durch die gerippte Wärmestation 28 hindurch, die durch die Bewegung des Verdrängers bewirkt wird. Die Berührung des Gases mit der Wärmestation ist nicht so gut wie mit den Regeneratoren 20, 20a, woraus resultiert, daß der Regenerator kälter wird als die Wärmestation in der Region der Wärme-Station 28. Gleichgewicht tritt ein, wenn die Temperatur des kalten Gases in der Wärmestation 28 ausreichend niedriger ist ale das der Wärmestation, so daß der Zufluß von Wärme gleich ist der bei der Druckabnahme abgegebenen Energie. Vor diesem Gleichgewichtszustand wird die Regeneratortemperatür bei jedem Zyklus

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niedriger und der Temperatur-Gradient nimmt zu. Es sollte dabei festgehalten werden, daß die Temperatur an dem Regeneratoreingang 22 immer höher 1st als die Temperatur in der Wärmestation 28 und daß ein Temperatur-Gradient besteht zwischen der Spitze und dem Boden des Regenerators 20, 20a. Somit ist das nach einer Anzahl . von Zyklen in die Warmestatlon 28 eintretende Gas viel kälter als beim Beginn des KUhlayklus. Nachdem das Gas am Ende eines Jeden Zyklus die Regeneratoren 20 passiert hat, verläßt es dieselben kühler, als beim'Eintritt in dieselben, so daß im nächsten Hochdruckteil des Zyklus das die Regeneratoren passierende Gas in den Vi arme Stationen mit einer Temperatur ankommt, die niedriger ist als zum Beginn des vorangegangenen Zyklus.

Hat nun dae Nlederdruokventil 5 geöffnet strömt das Gas zyrück in die Niederdruckseite des Kompressors* Die Verdränger 17 sind nun nach unten bewegt bei konstantem Druck und das Gas im Raum V2 strömt bei konstantem Druck durch die Wärmestationen 28 und die Regeneratoren 20 in den Raum V1 in dem es verbleibt, bis das Hochdruckventil 4 betätigt ist, um einen neuen Zyklus zu beginnen*

Das was in Verbindung mit nur der obersten Stufe der Maschine 2 beschrieben.wurde, trifft ebenfalls für die beiden anderen Stufen der Maschine 2 zu. Als Nettoeffekt ist anzusehen, daß jede Stufe kälter ist als¹ die vorangegangene Stufe, wenn der Gleichgewichtszustand erreicht 1st. Nach einer Anzahl von Zyklen ist das Gleiohgewicht hergestellt und ein Maschinenstrom von niedriger Temperatur liefert der Ausgang 15,"wobei in dem Hoohdruokteil des Zyklus der Strom das Rückschlagventil 7 passiert und in den Kühlgutraum 11 eintritt. Der Gasfluß durch die Wärmemaschihe ist dargestellt durch .Pfeile auf voll ausgezogenen Linien; die entgegengesetzt gerichteten Linien in den Regionen der Wärmestationen 28 zeigen . an, daß der Gasfluß seine Richtung umkehrt während der Hochdruck- und Niederdruck Teile des KUhlzyklus. Die einfachen Pfeile in den Regeneratoren 20 zeigen den kleinen Raum des gekühlten Heliums

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an, das zuletzt wie der Masohlnenstrora bei niedriger Temperatur (weniger als 23 K) in dem Ausgangsrohr 15 ankommt. Die mit gestrichelten Linien versehenen Pfeile zeigen den Weg des Gasflusses während des Auslaßteiles des Kühlzyklus.

Es ist zu wiederholen, daß der Joule-Thomson-Strom nach dem Kühlen des Kühlgutes in dem Speioher 15 gesammelt wird und in demselben während des größten Teiles eines gegebenen Kühlzyklus durch das Rückschlagventil 14 gehalten wird. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Zyklen während denen der Maschinenstrom verwendet ist, werden aufeinanderfolgend das Auslaßventil 16 und Rückschlagventil 14 betätigt und gekühltes Helium wird einerseits ausgestoßen aus dem Niederdruckspei eher durch die Vvärmemaschlne 2,. wenn deren Druck abgenommen hat bis zu einem Wert unter dem des Speichers 1;$ und andererseits durch aas Auslaßventil in eine Niederdruckschleuse, deren Druck niedriger ist als der während des Auslaßteiles des Kühlzyklus auftretende. Die vorangegangenen Schritte erzielen eine niedrigere Temperatur ale wenn das Gas sioh lediglich auf normalen Auspuffaruck ausdehnen kann und durch das Rückschlagventil 14 während der Niederdruckphase eines jeden Maschinenzyklus zurückkehrt. Die mit gestrichelten Linien versehenen Pfeile der Fig. 2 zeigen denFluß des Gases direkt duroh die innerhalb der Wärmemaschine 2 angeordneten Regeneratoren 20. Der Zyklus wird erreicht durch Auspuffen der Wärraemaschine 2, wenn die Verdränger 17a, 17b und 17o in Ihrer obersten Stellung sich befinden, nachdem das Ventil 5 einen Druckabfall auf einen vorherbestimmten Wert.gestattet hat. Vier Dinge sind duroh den Auspuffschritt erreicht. Erstens hat sich der Wirkungsgrad der WHrmemaschine erhöht, weil die Rückführung des Joule-Thomson-Stromes zurück durch die Regeneratoren die Wärraeabsorptionafähigkelt der Regeneratoren durch zyklisches Beschicken dersaleben mit dem Niederdruck-Joule-Thomson-3trora erhöht ist. Zweitens 1st der Wirkungsgrad weiter erhöht, da die Wärmeübertragung in einen Regenerator wirkungsvoller ist, als bei einem gewöhnlichen Gegenstrom-Wärmeaustauscher. Drittens säubert die Rückführung dee

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Gasstromes die Regeriratoren zyklisch von kondensierbaren Verunreinigungen, wodurch ein Verstopfen des Regenerators verhindert wird und dadurch die Zuverlässigkeit des Systems verbessert ist. Viertens erlaubt der Fluß des gekühlten Gases durch die Regeneratoren 20 in der erläuterten Art und V/eise die Elimination von Wärmeaustauschern, die gewöhnlich mit allen KUhlstufen vor der' letzten Stufe verbunden sind, das den Vorteil der Vermeidung von Wäcraeabstrahlungen und Wärmeableitungen durch zusätzliche Komponenten mit sich bririgt. Außerdem reduziert die Ausscheidung von Wärmeaustauschern wesentlich die Kosten eines derartigen Kühlsystems. Fig. 2 zeigt die innerhalb der Verdränger 17 angeordneten Regeneratoren 20 in einer bevorzugten Ausführungsform, j«dooh ist die Erfindung auch bei Wärraemaschinen verwendbar, die auiterhabl der Verdränger angeordnete Regeneratoren besitzen.

Fig. 3 zeigt eine Stufe einer Wärmernasohine, in der ein Regenerator 20 außerhalb dee Verdrängerteiles der Wärmemaschine 2 angeordnet 1st. Der Verdränger 17 liefert dem Raum V2 Gas, das unter hohem Druck In den Raum V1 eingetreten ißt durch Hindurchdrücken des Gases durch das Rohr 33 in den Regenerator 20, der wärme speichert. Daß Gas gelangt vom Regenerator 20 in die Wärrnesta- ^ tion 28 und dann in den Raum V2 durch das,Rohr 34. Dies tritt ein, wenn das Ventil 4 geöffnet ist. Das Ventil k schließt nun. Das Ventil 5 öffnet sich und das Gas im Raum V2 dehnt sich aus. Das Gas nimmt bei seinem Passieren der Wärmestation 28 Wärme auf und der Regenerator 20 ist gekühlt, da das Niederdruckgas in den Niederdruckteil des Kompressors zurüok geleitet wird. Die mit vollen Linien versehenen Pfeile zeigen die Richtungen des Flußes durch die Wärmemaschine während des größeren Teiles eines vorgegebenen Kühlzyklus, der in keiner Weise von dem in Verbindung mit Fig. 2· beschriebenen differiert. Die mit gestrichelten Linien versehenen Pfeile zeilen die Richtung des Gasflusses während des Auslaßteile3 eines Kühlzyklus und wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, tritt das Gas aus dem 3peicher 13 aus durch das Rückschlagventil 14,

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passiert die V/ärmestation 23, den Regenerator 20 und fjelangt über das Auslaßventil 16 in den Niederdrückten des Kompressors. Die gleichen Vorteile, die in Vorbindung mit der Verwendung eines innerhalb angeordneten Regenerators erläutert wurden, erwachsen • aus der Verwendung der Anordnung dor Pig. j5.

In einem erflndungsgemäßen KÜhlaystom kann das Verhältnis von zehn Arbeltszyklen gegenüber einem Auslaßzyklus verwendet werden und es ist Icein Grund vorhanden für die Nicht verwendung anderer zyklischer Anordnungen für verschiedenartige Kühlgüter. Die besonderen, in der Konstruktion der Wärmemaschine und ihrer Komponenten verwendeten Materialien wurden nicht detailliert, da sie bekannt sind. Auch die Dimensionen und die Konstruktion der Komponenten, wie der Regeneratoren, Wärmestationen und Ventile sind bereits bekannt und wurden nicht beschrieben, da sie im wesentlichen von Faktoren, wie dem Wert auf den gekühlt werden soll, den Umgebungsdruck- und Temperaturverhältnissen und der Art» der in dem System verwendeten Flüssigkeit abhängen. Es ist zu unterstreichen, daß Gase wie Stickstoff, Helium, Wasserstoff und Sauerstoff verwendbar sind, um Temperaturen zu erzeugen, die höher sind als die Frierpunkte dieser Flüssigkeiten.

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Claims

Patentansprüche

1, Verfahren zur Erzeugung tiefster Temperaturen, bei dem der Joule-Thomson-Effekt angewendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmemaschine (2) einen pulsierenden Gasstrom niedriger Temperatur erzeugt, der gleichgerichtet und auf einen hohen konstanten Druck gebracht wird, und über einen einzigen Gegenstromwärmeaustauscher dem Joule-Thomson-Ventil (6) zugeführt wird, durch welches das Gas expandiert und einen Joule-Thomson-Gasstrom bildet für die Kühlung des Kühlgutes (11) und daß dieser Gasstrom zwecks Abgabe von Wärme durch diesen Gegenstromwärmeaustauscher in die Wärmemaschine (2) zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Joule-Thomson-Ventil (6) das Gas zyklisch zugeführt wird und zwar während des größeren Teiles eines vorgesehenen Zyklus und daß während des kleineren Teiles dieses Zyklus die Rückführung des Gases in die Wärmemaschine (2) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas unter Druck in die Wärmemaschine (2) eingeführt wird und darin durch zyklische Expansion und Kontraktion seine Temperatur reduziert wird, in einem Speicher (8) dieser pulsierende Gasstrom gesammelt und mit konstantem Hochdruck dem. Joule-Thorn son-Ventil (6) zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Gasstromes vom Kühlgut (11) in die Wärmemaschine (2) über einen Niederdruckspeicher (13) unter Ventilsteuerung (7, 14) erfolgt.
5. Apparatur zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Wärmemaschine (2)

Unterlagen (Art 7 £1 Abs. 2 Nr. I Sau 3 des Änderunflsfle3. v. 4.9.19671

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durch drei parallel geschaltete Ventile (4, 5, 16) mit einem Kompressor (3) verbunden ist, daß Innerhalb der Würmüniaschina (2) ein sich hin- und herbewogender Verdränger angeordnet ist, daß das andere Ende der Wärmemaschine (2.) über ein Rückschlagventil (7)* einen Hochdruokspeicher (8) und ein Joule-Thomson-Ventil (6) mit dem das Kühlgut aufnehmenden Raum (11) verbunden ist, der über einen Niederdruckspeicher (13) und ein Rückschlagventil (14) an das zuletzt genannte Ende der Wärmernaschlne (2) angeschlossen ist.
6. Apparatur nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß Innerhalb der Wärnieniaschine (2) eine Regenerator (20) angeordnet ist.
7. Apparatur nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmemaschine (2) mit einem außerhalb derselben angeordneten Regenerator (20) verbunden ist.
8. Apparatur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (18) der Wärmemaschine (2) an einer sich hin- und herbewegenden Kolbenstange (19) ein Verdränger (17) angeordnet 1st, in dem ein Regenerator (20) eingeschlossen ist und daß das Gehäuse (18) von einem Ringgehäuse (28) umgeben 1st, das radial gerichtete Rippen (29) aus Metall aufweist und durch zwei im Gehäuse (18) der Wärmomaschine (2) befindliche Reihen von Bohrungen (30 bzw. 27) einerseits mit einem unterhalb des Verdrängers (17) befindlichen Raum (V2) und andererseits über eine Reihe von im Verdränger (17) angeordneten Bohrungen mit dem Regenerator verbunden ist, der durch eine Einlaßöffnung (23) an einen oberhalb des Verdrängers (17) befindlichenRaum (V1) angeschlossen 1st.
9. Apparatur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmemaschine (2) aus drei Stufen besteht, von denen eine jede räumlich kleiner ist als die vorhergehende und Jede sowohl ein

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•Ringgehäuse (28a, 28b, 28c) als auch einen Verdränger (i?a_f 17b, 17o) aufweist, wobei jeder Verdränger an den vorhergehenden angebaut ist und die Regeneratoren (20a, 20b, 20o) in den Verdrängen!" (I7a, 17b, 170) durch Bohrungen (}1, 22) miteinander in Verbindung stehen.

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