DE2151635A1

DE2151635A1 - Thermal regenerator - using carbon heat storage elements permeable to and contng a gas eg helium

Info

Publication number: DE2151635A1
Application number: DE19712151635
Authority: DE
Inventors: Alexander Daniels
Original assignee: US Philips Corp
Current assignee: US Philips Corp
Priority date: 1971-10-16
Filing date: 1971-10-16
Publication date: 1973-04-19
Also published as: DE2151635B2

Abstract

Thermal regenerator comprises a housing enclosing a no. of hollow C heat storage elements which are permeable to and contain a gas e.g. He. Heat is stored with the gas in a no. of adjacent elements but is not readily transferred between the elements through their C walls so that there is little heat or cold leakage between the hot and cold sides of the regenerator.

Description

"Wärmeaustauscher". "Heat exchanger".

Die Erfindung betrifft einen Regenerator, der eine in einem Gehäuse aufgenommene Füllmasse von kugelförmigen Wärmespeicherungselementen enthält. The invention relates to a regenerator which is one in a housing contains absorbed filling mass of spherical heat storage elements.

Diese Art von Regeneratoren ist bekannt und wird beispielsweise in Gaskältemaschinen und anderen Vorrichtungen zum Erzeugen von Kälte angewandt. Der Regenerator wird dabei abwechselnd in der einen Richtung durch ein komprimiertes Medium durchströmt, das seine Wärme der Füllmasse abgibt, und in der anderen Richtung durch ein expandiertes Medium, das Wärme aus der Füllmasse aufnimmt. This type of regenerator is known and is used, for example, in Gas refrigeration machines and other devices used to generate cold. Of the Regenerator is alternately compressed in one direction Medium flows through, which gives off its heat to the filling compound, and in the other direction by an expanded medium that absorbs heat from the filling compound.

Die Anwendung von kugelförmigen Wärmespeicherungselementen bietet den Vorteil einer verhältnismässig einfachen und preisgünstigen Konstruktion des Regenerators, während die Wärmeleitung in der Durchströmungsrichtung des Regenerators gering ist, da die kugelförçigen Elemente nur im Punktkontakt zueinander stehen. The use of spherical heat storage elements offers the advantage of a relatively simple and inexpensive construction of the Regenerator, while the heat conduction in the flow direction of the regenerator is small, since the spherical elements are only in point contact with one another.

Bei der in der U.S. Patentschrift 3.218.815 beschriebenen kälteerzeugenden Vorrichtung besteht die Regeneratorfüllmasse aus massiven Metallkugeln aus beispielsweise Blei oder Bronze. In the case of the U.S. Patent 3,218,815 described cold generating Device, the regenerator filling compound consists of solid metal balls, for example Lead or bronze.

Ein bei diesen Regeneratoren auftretendes Problem ist, dass derartige Kugeln bei sehr niedrigen Temperaturen eine unzureichende spezifische Wärme aufweisen. Das bedeutet, dass bei jenen niedrigen Temperaturen pro Zyklus nicht genug Wärme in der Füllmasse gespeichert und daraus wieder aufgenommen werden kann. A problem encountered with these regenerators is that such Spheres have insufficient specific heat at very low temperatures. This means that at those low temperatures there is not enough heat per cycle can be stored in the filling compound and taken up again from it.

Unter Verwendung dieser bekannten Regeneratoren ist es mithin nicht möglich, äusserst niedrige Temperaturen zu erreichen.It is therefore not possible to use these known regenerators possible to reach extremely low temperatures.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, einen Regenerator zu schaffen, der unter äusserst niedrigen Temperaturen denncb gut arbeitet, Der erfindungsgunässe Regenerator ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherungselemente aus innen hohlen Kugeln aus Kohlenstoff mit gasdurchlässigen Wänden bestehen, wobei die Hohlräume im Innern der Kugeln mit Helium gefüllt sich. The present invention aims to provide a regenerator, who works well under extremely low temperatures, the foul of the invention To this end, the regenerator is characterized in that the heat storage elements made of hollow spheres made of carbon with inside gas permeable walls consist, whereby the cavities inside the spheres are filled with helium.

Die spezifische Wärme von Helium steigt im Gegensatz zur spezifischen Wärme der für Regeneratoren üblicherweise verwendeten Materialien wie Blei, Kupfer und Gold, die mit sinkender Temperatur abnimmt, bei abnehmender Temperatur an. Ist bei 60 K die spezifische Wärme von Kupfer vernachlässigbar klein und die von Blei ca. 0,09 3/cm3 OK, für Helium unter einem Druck von 4 atm. beträgt die spezifische Wärme ungefähr 0,165 J/cm3 oK. The specific heat of helium increases in contrast to the specific heat Heat from the materials commonly used for regenerators such as lead, copper and gold, which decreases with decreasing temperature, increases with decreasing temperature. is at 60 K the specific heat of copper is negligibly small and that of lead approx. 0.09 3 / cm3 OK, for helium under a pressure of 4 atm. is the specific Heat about 0.165 J / cm3 oK.

Es hat sich nun als möglich erwiesen, auf einfache Weise mittels Diffusion durch die Wand der hohlen Kohlenstoffkugeln hindurch Helium in die Hohlräume im Innern dieser Kugeln einzuführen und darin festzuhalten. Auf diese Weise ist ein preisgünstiger Regenerator erhalten, der unterhalb 10 OK eine Wärmekapazität aufweist, die grösser ist als diejenige der bisher bekannten Regeneratoren mit kugelförmigen Wärmespeicherungselementen als Füllmasse. Da Kohlenstoffkugeln angewendet werden, behält der Regenerator die einfache Konstruktion. It has now been shown to be possible in a simple manner by means of Diffusion of helium through the wall of the hollow carbon spheres into the cavities to insert inside these balls and to hold onto them. That way is get an inexpensive regenerator that has a heat capacity below 10 OK has, which is larger than that of the previously known regenerators with spherical Heat storage elements as a filling compound. Since carbon balls are applied, the regenerator keeps the simple construction.

Da die hohlen Kohlenstoffkugeln wiederum nur im Punktkontakt ueinander stehen, ist die Wärmeleitung in Durchströmungsrichtung des Regenerators gering. Because the hollow carbon spheres are only in point contact with one another there is little heat conduction in the direction of flow through the regenerator.

Bei einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Regenerators weisen die hohlen Kohlenstoffkugeln einen Aussendurchmesser von wenigstens 5 und höchstens 150 /u auf. In a favorable embodiment of the regenerator according to the invention the hollow carbon spheres have an outer diameter of at least 5 and at most 150 / u.

Auf diese Weise ist ein Regenerator erhalten, der bei äusserst niedrigen Temperaturen günstige Wärmekapazitätss, Wärmeübertragungs- und Strömungswiderstandseigenschaften aufweist. In this way a regenerator is obtained that works at extremely low levels Temperatures favorable heat capacity, heat transfer and flow resistance properties having.

Eine weitere günstige Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke der hohlen Kohlenstoffkugeln wenigstens 1 und höchstens 2 /u beträgt. Mit einer derartigen Wanddicke ist die mechanische Stärke der hohlen Kohlenstoffkugeln hinreichend gross zur Anwendung dieser Kugeln als Regeneratorfüllmasse. Another favorable embodiment of the device according to the invention is characterized in that the wall thickness of the hollow carbon spheres is at least 1 and at most 2 / u. With such a wall thickness, the mechanical The strength of the hollow carbon spheres is sufficiently great for the application of these spheres as a regenerator filler.

Befindet sich ein Regenerator mit einer Füllmasse aus den mit Helium gefüllten hohlen Kohlenstoffkugeln mit gasdurchlässigenWänden in einer Kältemaschine, in der ein Arbeitsmedium wie Helium einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, wobei dieses Medium durch die Füllmasse hin- und herströmt, so erfolgt über die Wände der Kohlenstoffkugeln eine Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Helium in den Kugeln und wird abwechselnd Wärme im Helium im Innern der Kugeln - S gespeichert und daraus aufgenommen. There is a regenerator with a filling compound from the one with helium filled hollow carbon spheres with gas-permeable walls in a refrigeration machine, in which a working medium such as helium forms a closed thermodynamic cycle runs through, with this medium flowing back and forth through the filling compound, so takes place Heat transfer between the working medium via the walls of the carbon spheres and the helium in the spheres and will alternately heat the helium inside the Balls - S stored and taken from it.

Neben der Heliumspeicherung in den Hohlräumen wird auch immer etwas Helium an der Wandoberfläche der Kugeln absorbiert, was die Wärmekapazität des Regenerators erhöht. In addition to the helium storage in the cavities, there is always something going on Helium is absorbed on the wall surface of the spheres, increasing the heat capacity of the regenerator elevated.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren ein Verfahren zum Herstellen des im obigen beschriebenen Regenerators. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere innen hohle Kugeln aus Kohlenstoff mit gasdurchlässigen Wänden zur gleichen Zeit evakuiert und danach einer Heliumatmosphäre ausgesetzt werden, wobei Heliumgas durch die Wände der Kugeln zu den Hohlräumen im Innern der Kugeln diffundiert und dort festgehalten wird, wonach die Kugeln in einem Gehäuse vorgesehen werden. The invention also relates to a method and a method of production of the regenerator described above. This procedure is characterized by that several internally hollow spheres made of carbon with gas-permeable walls for evacuated at the same time and then exposed to a helium atmosphere, wherein Helium gas diffuses through the walls of the spheres to the cavities inside the spheres and held there, after which the balls are provided in a housing.

Eine günstige Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Kohlenstoffkugeln beim Evakuieren erhitzt werden. Dies erhöht die Geschwindigkeit des Evakuierens. A favorable embodiment of the method according to the invention is characterized in that the hollow carbon spheres are heated during evacuation will. This increases the speed of evacuation.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Helium während der Diffusion unter Druck gehalten. Je höher der Heliumdruck ist, um so grösser ist die Diffusionsgeschwindigkeit. In a further favorable embodiment of the invention During the diffusion process, the helium is kept under pressure. The higher the helium pressure, the greater the diffusion speed.

Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 den Verlauf der volumetrischen spezifischen Wärme von Blei, Gold, Kupfer bzw. Helium (4 atm. Druck) im Bereich von 0 - 40 OK. The invention is illustrated by means of some of the drawings Embodiments in more detail explained. 1 shows the course the volumetric specific heat of lead, gold, copper or helium (4 atm. Pressure) in the range of 0 - 40 OK.

Fig. 2 einen Teil eines Schnitts durch einen Regenerator, dessen Füllmasse aus innen hohlen und mit Helium gefüllten Kohlenstoffkugeln mit gasdurchlässigen Wänden besteht. Fig. 2 is part of a section through a regenerator, the Filling compound made of internally hollow and helium-filled carbon spheres with gas-permeable Walls.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, in der p)c als Funktion von T dargestellt ist (P= - Dichte, c = spezifische Wärme, T = Temperatur), nimmt bei sinkender Temperatur die spezifische Wärme von Blei, Gold, und Kupfer stark ab. Im Bereich von 6 OK, der von praktischer Bedeutung ist, ist die spezifische Wärme von Gold und Kupfer nahezu Null, während die spezifische Wärme von Blei dann ungefähr 0,08 J/cm3 OK beträgt. As can be seen from FIG. 1, in which p) c is shown as a function of T. is (P = density, c = specific heat, T = temperature), increases with falling temperature the specific heat of lead, gold, and copper is strongly reduced. In the range of 6 OK, which is of practical importance is the specific heat of gold and copper almost zero, while the specific heat of lead is then about 0.08 J / cm3 OK amounts to.

In bemerkenswertem Gegensatz hierzu steht die Kurve der spezifischen Wärme von Helium, die bei abnehmender Temperatur ansteigt. Bei 6 0K beträgt die spezifische Wärme von Helium unter einem Druck von 4 atm. ca. 0,165 J/cm3 oK oder beinahe das Doppelte derjenigen von Blei. In marked contrast to this is the curve of the specific Heat of helium, which increases with decreasing temperature. At 6 0K it is specific heat of helium under a pressure of 4 atm. approx. 0.165 J / cm3 oK or almost double that of lead.

Diese günstige Eigenschaft von Helium, nämlich eine hohe spezifische Wärme bei sehr niedrigen Temperaturen, wird nun auf vorteilhafte Weise beim Regenerator für niedrige Temperaturanwendungen ausgenutzt, wobei Helium mittels Diffusion in vorher evakuierten innen hohlen Kohlenstoftkugeln mit gasdurchlässigen Wänden gespeichert wird, welche Kugeln die Regeneratorfülimasse bilden. Bei sehr niedrigen Temperaturen hat ein derartiger Regenerator eine hinreichend grosse Wärmekapazität' Fig. 2 zeigt einen Teil eines Regeneratorgehäuse 1, in dem die Kohlenstoffkugeln 2 vorgesehen sind. This beneficial property of helium, namely a high specificity Warmth at very low temperatures is now used in an advantageous manner regenerator used for low temperature applications, where helium is diffused in previously evacuated inside hollow carbon spheres with gas-permeable walls stored which balls form the regenerator fill mass. At very low temperatures such a regenerator has a sufficiently large heat capacity 'Fig. 2 shows a part of a regenerator housing 1 in which the carbon balls 2 are provided are.

Das Regeneratorgehäuse 1 ist an beiden Enden mit Abdeckplatten 3 abgeschlossen, von denen nur eine teilweise dargestellt ist. Die Abdeckplatten sind mit nicht dargestellten Offnungen zum Ein- bzw. Auslassen von den Regenerator durchströmendem Medium versehen.The regenerator housing 1 is closed at both ends with cover plates 3, only part of which is shown. The cover plates are not shown with Provide openings for the inlet and outlet of the medium flowing through the regenerator.

Claims

Patent claims:

6) Regenerator with a filling compound accommodated in a housing of spherical heat storage elements, characterized in that the heat storage elements consist of internally hollow spheres made of carbon with gas-permeable walls, whereby the cavities inside the spheres are filled with helium.

2. Regenerator according to claim 1, characterized in that the hollow Carbon spheres have an outside diameter of at least 5 and at most 150 / u exhibit.

3. Regenerator according to claim 2, characterized in that the wall thickness of the hollow carbon spheres is at least 1 and at most 2 / u.

4. A method for producing the regenerator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that several internally hollow spheres made of carbon with gas-permeable Walls - evacuated at the same time and then exposed to a helium atmosphere, taking helium gas through the walls of the spheres to the cavities inside of the balls diffused and held there, after which the balls in a housing are provided.

5. The method according to claim 4, characterized in that the hollow Carbon balls during evacuation be heated.

6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that Helium gas is kept under pressure during diffusion.

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