DE19628205C2

DE19628205C2 - Vorrichtung zur Durchführung eines Kühlverfahrens mittels tiefsiedender Gase nach dem Patent 195 25 638

Info

Publication number: DE19628205C2
Application number: DE1996128205
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Sc Techn Quack; Christoph Dr Rer Na Haberstroh; Ole Dipl Ing Fredrich
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1995-07-14
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2016-07-13
Also published as: EP0839305A1; WO1997004278A1; DE19525638A1; DE19525638C2; DE19628205A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Kühlverfahrens mittels tiefsiedender Gase gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1 und nach dem Patent 195 25 638.

Eine dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Vorrichtung ist aus der Druckschrift Jungnickel, Heinz; Agsten, Rainer; Kraus, Wolf Eberhard: Grundlagen der Kältetechnik; 3. Auflage, Berlin, Verlag Technik GmbH, 1990, Seiten 229-235 sind Kalt gasmaschinen bekannt. Hier ist zwischen dem Hochdruckgas und dem Niederdruckgas ein Gegenstrom-Wärmeübertrager vorgesehen. Dem Gegenstrom-Wärmeübertrager ist eine separate Entspannungs maschine im Kühlkreislauf nachgeschaltet.

In dem Patent 195 25 638 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der in einem Apparat gleichzeitig rekuperative Wärmeüber tragung und arbeitsleistende Entspannung eines verdichteten Gases stattfinden. Der neuartige Apparat wird als Wärmeübertrager-Expander bezeichnet. Er bildet das Herzstück einer kompakten Kleinkälteanlage, die im wesentlichen aus ei nem Kreislaufkompressor und dem Wärmeübertrager-Expander be steht. Der Verdampfer (Kaltkopf) in dem das flüssige Kältemit tel, z. B. Neon, unter Aufnahme von Wärme verdampft, kann in den Wärmeübertrager-Expander integriert oder separat angeord net werden. Durch die Nutzung der Verdampfungsenthalpie kann auch bei Wärmelastspitzen am Kühlobjekt eine hohe Temperatur stabilität gewährleistet werden. Um eine hohe Kompaktheit zu erreichen und die thermodynamischen Vorteile des Verfahrens nutzen zu können, werden hohe Prozeßdrücke und optimale Wärme übergangsverhältnisse benötigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrich tung zu schaffen, die ein langgestrecktes Volumen (vgl. Patent 195 25 638) aufweist, die die erforderlichen hohen Prozeßdrücke beherrscht und einen optimalen Wärmeübergang gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen nach An spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Abkühlung des Hochdruckgases wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor allem durch den im Gegenstrom fließenden Niederdruckstrom erreicht. Nur ein kleiner Teil der inneren Energie des im Wärmeübertrager-Expander eingeschlossenen Gasvolumens muß in Form von Arbeit nach außen abgeführt werden. Daraus ergibt sich, daß nur ein relativ kleines Entspannungsvolumen, bei möglichst großer Wärmeübertragungsfläche benötigt wird.

Nach dem Patent 195 25 638 wird die Aufgabe mittels eines langgestreckten Entspannungsvolumen gelöst, d. h. der Hub des Expansionskolbens ist wesentlich kleiner als die Erstreckung des Expansionsraumes in Richtung des Haupttemperaturgradienten. Mit dieser Anordnung wird ebenfalls die Längswärmeleitung reduziert.

Eine Verbesserung der in dem Patent 195 25 638 beschriebenen Erfindung stellt die Anordnung von Expansionskolben und Zylinder des Wärmeübertrager-Expanders als konzentrische Kegel bzw. Kegelstümpfe oder diesen geometrischen Grundformen ähnlichen Gebilden dar. Dadurch können die Festigkeitseigenschaften des gut wärmeleitenden Materials, z. B. Kupfer, besser ausgenutzt werden, d. h. die Wand zwischen Hoch- und Niederdruckgas kann sehr dünn ausgeführt werden. Dadurch wird die Wärmeübertragungsfläche vergrößert und die Festigkeit erhöht.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch die konische Grundform des Expansionskolbens im Wärmeübertrager-Expander bei gleichem Entspannungsvolumen die Wärmeübergangsfläche vergrößert wird und die große Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckgas durch eine relativ dünne Trennwand abgefangen werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Abb. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmeüber trager-Expander in konischer Ausführung

Abb. 2 eine schematische Darstellung einer sternförmigen Kolben- oder Zylinderform

Abb. 3 eine schematische Darstellung einer schraubenförmigen Kolben- oder Zylinderform

Abb. 1 zeigt eine Kolben-Zylinder-Anordnung, die alle wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Wärmeübertrager- Expander enthält. Expansionskolben 19 und Zylinder 23 sind kegelstumpfförmig ausgebildet. Der Wärmeübertrager 17 ist entlang des Zylindermantels angeordnet. Der eigentliche Expansionsraum 22 befindet sich zwischen den beiden Mantelflächen von Kolben und Zylinder. Im unteren Totpunkt ist das Expansionsvolumen zwischen den Mantelflächen nahe null; Abweichungen gehen auf Fertigungstoleranzen zurück. Am kalten Ende kann im unteren Totpunkt ein geringes Volumen als Kältespeicher verbleiben. Das Expansionsvolumen 22 ist über das Ventil 16 mit dem Hochdruckgas beaufschlagbar und durch die Abdichtung 24 und das Auslaßventil 20 abgeschlossen. Der Expansionskolben 19 führt gegenüber der Erstreckung des Expansionsraumes 22 vom Einlaßventil 16 zum Auslaßventil 20 einen kleinen Hub aus, so daß das Hochdruckgas ausreichend arbeitsleistend entspannt wird. Dazu reichen wenige Millimeter Hub aus.

Es soll nicht unerwähnt bleiben, daß zusätzlich auch der Expansionskolben 19 mit einem Wärmeübertrager 17 versehen werden kann. Dafür sind Mittel zur Beströmung mit dem Niederdruckgas im Expansionskolben 19 vorzusehen.

Um die Längswärmeleitung im Material klein zu halten, sollte ein Werkstoff oder eine Struktur eingesetzt werden, die bezüglich der Wärmeleitfähigkeit anisotrope Eigenschaften aufweisen. Alle nicht für die Wärmeübetragung benötigten Teile, im gezeigten Fall der gesamte Expansionskolben, sind in möglichst schlecht wärmeleitendem Material auszuführen. Um den Wärmestrom im Kolben, der in Richtung des Haupttemperaturgradienten fließt, weiter zu verringern, können speziell angebrachte, evakuierte Hohlräume vorgesehen werden. Ein Beispiel zeigt Abb. 1. Da hier der Expansionskolben nicht als Wärmeübertrager benötigt wird, befindet sich im Inneren des Kolbens eine Vakuumkammer 25. In ähnlicher Weise ist für den Zylinder zu verfahren. Zum einen um auch hier die Wärmeverluste durch Längswärmeleitung zu verringern und zum anderen um den Wärmeübertrager-Expander gegen die Umgebung thermisch zu isolieren.

Entsprechend der Abb. 2 kann zur weiteren Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche, bei gegebenem Expansionsvolumen, die Kolben- und Zylindermantelfläche sternförmig ausgeführt werden. Die konische Grundform entsprechend der Abb. 1 wird dabei beibehalten. Der "Sternkolben" wird wie der Kolben in Abb. 1 durch einen linearen Stellantrieb geführt.

Die Abb. 3 zeigt eine Variante mit einem spiral- oder schraubenförmig profilierten Kolben. In der Abb. ist nur der Kolben dargestellt. Der Zylinder weist eine entsprechend gestaltete Mantelfläche auf. Für die arbeitsleistende Entspannung des Hochdruckgases und dessen Ausstoß führt der Kolben eine drehende Auf- und Abbewegung, ähnlich der Bewegung einer Gewindespindel, aus.

Den Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß Kolben und Zylinder im unteren Totpunkt einen kleinen geschlossenen Schadraum aufweisen. Demzufolge müssen die Oberflächen von Kolben und Zylinder bis auf fertigungsbedingte Toleranzen einander ähnlich sein und die untere Totlage des Kolbens muß exakt angesteuert werden. Ebenso ist eine exakte Führung des Kolbens während des Arbeitszyklus für die einwandfreie Abdichtung des Expansionsraumes von Bedeutung.

Bezugszeichenliste

16

- Einlaßventil

17

- Wärmeübertrager

18

- Wärmespeicher

19

- Expansionskolben

20

- Auslaßventil

22

- Entspannungsraum/-volumen

23

- Zylinder

24

- Abdichtung

25

- Vakuum

Claims

1. Vorrichtung zur Durchführung eines Kühlverfahrens mittels tiefsiedender Gase, bei dem Kreislaufgas vom Kompressor (1) auf hohen Druck verdichtet, Kälte durch Expansionsmaschinen erzeugt und Hochdruckgas mittels Wärmeabgabe im Gegenstrom- Wärmeübertrager abgekühlt und Niederdruckgas durch Wärmeaufnahme im Gegenstrom-Wärmeübertrager aufgewärmt wird, nach dem Patent 195 25 638, dadurch gekennzeichnet, daß Zylinder (23) und Expansionskolben (19) des Wärmeübertrager-Expander eine konische Grundform (Kegel, Kegelstumpf o. dgl.) aufweisen, die sich zum kalten Ende hin verjüngt, wobei der Hub des Expansionskolbens (19) wesentlich kleiner ist als die Erstreckung des Expansionsraumes (22) in Richtung des Haupttemperaturgradienten und die Oberflächen von Zylinder (23) und Expansionskolben (19) so gestaltet sind, daß der von beiden Oberflächen in einem Totpunkt gebildete Schadraum auf ein fertigungstechnisch bedingtes Mindestmaß reduziert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindermantelfläche (23) und die Kolbenmantelfläche (19) durch eine profilierte, vorzugsweise eine berippte Gestaltung eine gegenüber der konischen Grundform vergrößerte Oberfläche aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindermantelfläche (23) und die Kolbenmantelfläche (19) ein schraubenförmiges Profil aufweisen, so daß die Hub- bzw. Expansionsbewegung eine Überlagerung aus einer oszillierenden und einer rotierenden Bewegung darstellt.