DE2909009A1

DE2909009A1 - Tieftemperaturvorrichtung mit geschlossenem kreislauf

Info

Publication number: DE2909009A1
Application number: DE19792909009
Authority: DE
Inventors: Piero Morbidi
Original assignee: GALILEO SpA OFF; Officine Galileo SpA
Current assignee: GALILEO SpA OFF; Officine Galileo SpA
Priority date: 1978-03-16
Filing date: 1979-03-08
Publication date: 1979-09-27
Also published as: IT1174725B; US4235078A; IT7809377A0; FR2420102B3; FR2420102A1

Description

Glawe, DeIfs, Moll & Partner - ρ 9117/79 - Seite 3

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Herstellen tiefer Temperaturen mit einem geschlossenen Kreislauf und mit einem Gas, mit denen eine Kühlwirkung in Fällen erreicht werden kann, bei denen tiefe Temperaturen (tiefer als 100 K) auf kleinen Oberflächen erforderlich sind.

Einrichtungen, die eine solche Wirkung erreichen, sind bekannt. Unter diesen bekannten Einrichtungen sind einige, bei denen die Kühlwirkung durch die Arbeit des Gases gegen einen Kolben erhalten wird. Bei anderen bekannten Vorrichtungen wild dieselbe Wirkung durch die Gasentspannung erreicht, die mit Hilfe eines ansaugenden und druckerzeugenden Kompressors bewirkt wird. Alle diese Vorrichtungen sind mit Wärmeaustauschern innerhalb des Kolbens versehen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Vorrichtung für die genannten Zwecke, bei der die Kühlwirkung unter gleichzeitiger Anwendung dieser beiden Prinzipien erhalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Tieftemperaturvorrichtung mit geschlossenem Kreislauf, die zur Erreichung sehr niedriger Temperaturen (niedriger als 100 K) geeignet ist, dadurch gelöst, daß die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie einen kombinierten Zyklus nit Gasentspannung und Arbeitsleistung des Gases gegen einen Kolben ausführt, wobei die Entspannung mit Hilfe eines saugenden Kompressorsystems bewirkt wird_o

Praktisch wird der Kolben, auf den das sich entspannende Gas wirkt, so verwendet, daß er auf den Motor wirkt, so daß die Arbeitsleistung, die durch das Gas während der Entspannung ausgeübt wird, den Motor beschleunigt, der hierbei bremsend wirkt und dabei Energie für den nachfolgenden Takt ansammelt, bei dem sich

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der Kolben wieder absenkt. Der Kolben kann eine Kolbenstange haben, die sich von dem Entspannungsgebiet des komprimierten Gases erstreckt. Diese Kolbenstange ist zusammen mit der Steuereinheit in einem Gebiet angeordnet, in dem aufgrund der Wirkung des ansaugenden Kompressors ein niedriger Druck herrscht, In dieses Gebiet niederen Druckes öffnet sich das Auslaßventil. Durch dieses Gebiet werden Unterschiede ausgeglichen, die zwischen der Einströmgeschwindigkeit des Gases der Tieftemperatureinheit und der Pumpgeschwindigkeit des Saugkompressors auftreten. Der Kolben, gegen den das Gas Arbeitsleistung ausübt, kann vom äußeren Zylinder durch einen ringförmigen Zwischenraum getrennt sein, der sich vom Gebiet mit Zimmertemperatur zu dem Gebiet mit tiefen Temperaturen erstreckt.

Der Kolben kann einstufig ausgebildet sein und einen axialen Durchlaß aufweisen, durch den das Gas einströmen und ausströmen kann. Der Kolben kann auch zweistufig sein und ebenfalls einen axialen Durchlaß haben, um das Gas einströmen und ausströmen zu lassen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von vorteilhaften Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A - 1E in teilweisem Querschnitt durch die Kolben-Zylindereinheit aufeinanderfolgende Arbeitsschritte der Vorrichtung;

Fig. 2A, 2B, 2C mehrere Ansichten der Einheit aus Kolbenstange

und Ventil, die sowohl beim einstufigen als auch zweistufigen Kolben Anwendung finden kann;

Fig_o 3 eine einstufige Vorrichtung zur Herstellung

tiefer Temperaturen; und

Fig. 4 eine zweistufige Vorrichtung mit ihren wesent

lichen Teilen.

Gemäß den Figuren 1A bis 1E ist in einem Zylinder 1 ein länglicher Kolben 3 angeordnet, der einen geeigneten inneren Wärme-

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austauscher 5 aufweist. Der Kolben ist mit dem Außengebiet durch eine zylindrische Stange 7 mit einer Dichtung 9 verbunden. Das Ende der Kolbenstange 7 befindet sich in einem Gebiet, das durch den ansaugenden Kompressor 12 durch eine Saugleitung 14 unter niedrigem Druck gehalten wird. Die Dichtunq 15 des Kolben 3 gegen den Zylinder 1 unterteilt das Zylindergebiet in zwei Volumina (oberes Volumen V1 und unteres Volumen V2), die über den Wärmeaustauscher 5 miteinander in Verbindung stehen. Befindet sich im Zylinder 1 ein Gas unter einem höheren Druck als der Druck des ansaugenden Kompressors, so resultiert eine Kraft, die eine Arbeit leistet.

Fließt daher ein Gas unter einem gewissen Druck ein, so übt es eine Arbeitsleistung auf den Zylinder aus und kühlt sich dabei ab.

Der Kreislauf verläuft wie folgt:

Beim Schritt A ist der Kolben 3 im unteren Totpunkt angeordnet. Das Einlaßventil 16 wird geöffnet, wobei Gas mit hohem Druck in das obere Volumen des Zylinders V1, in den Wärmeaustauscher 5 und teilweise in das kleine Gebiet des unteren Volumens V2 einfließt. Das Gas, das in das Volumen V2 einfließt, hat eine niedrige Temperatur, da es durch den Wärmeaustauscher 5 hindurchströmt, der bei vorhergehenden Kreisläufen abgekühlt worden ist. Beim Schritt B beginnt die Verschiebung des Kolbens 3 zum oberen Totpunkt. Das Einlaßventil bleibt für eine gewisse Dauer (ungefähr 1/4)des Hubs offen. Dann wird das Einlaßventil geschlossen. Jetzt beginnt der Schritt C der Entspannung des Gases in den Volumina V1 und V2 und im Wärmeaustauscher, wobei der Kolben zum oberen Totpunkt gedrückt wird. Dies wird durch den Querschnitt der Stange 7 verursacht, der sich im Niederdruckgebiet 10 befindet. Das sich entspannende Gas kühlt ab und strömt zu selben Zeit durch den Wärmeaustauscher, wodurch es völlig in das VolumenV2 übertragen wird.

Ist die Anordnung gemäß Figur 1C erreicht, wobei sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet, wird das Auslaßventil 20 geöffnet,

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es beginnt dann das Absaugen des Gases im Volumen V2 und im Wärmeaustauscher (Schritt D). Durch eine solche Entspannung wird eine weitere Kühlwirkung sowohl der Hauptwärmeaustauschoberfläche (die aus dem unteren Abschnitt der Zylinderwand besteht) , an die der zu kühlende Gegenstand angeschlossen ist, als auch des Wärmeaustauschers 5 bewirkt, der innerhalb des Hauptkolbens 3 angeordnet ist_o Das gesamte Gas strömt wieder durch den Wärmeaustauscher 5 in umgekehrter Richtung - vom Volumen V2 nach V1 -, wobei das Gas auch Wärme vom Austauscher aufnimmt, ihn kühlt und es ermöglicht, daß derselbe im nachfolgenden Zyklus arbeitet.

Ist der untere Totpunkt (Schritt E) erreicht, wird das Auslaßventil 20 wieder geschlossen und ein neuer Kreislauf beginnt.

Die mechanischen Einzelheiten der Ausführungsformen sollen jetzt unter Bezugnahme auf Fig. 2 und die folgenden beschrieben werden c

In den Figuren 2A bis 2C sind die hauptsächlichen Teile dargestellt, die die Umwandlung der Drehbewegung, die durch den Motor 31 bewirkt wird, in eine Hoch- und Niederbewegung ermöglichen, die für den Kreislauf des Kolbens 3 erforderlich ist. Die Steuerstange oder Kolbenstange 7 wird durch den Motor 31 durch eine Einrichtung betrieben, die durch eine Führung 33 und einen exzentrischen Zapfen 35 gebildet wird, der durch die Achse des Motors 31 getragen ist.

Während der Zeit, während das Gas gegen den Kolben Arbeit leistet, der dabei gehoben wird, wirkt der elektrische Motor als Bremse und speichert dabei mechanische Energie, die dann anschließend beim Absenken des Kolbens benutzt werden wird. Auf derselben Welle, auf der der exzentrische Zapfen 35 befestigt ist, sind zwei Steuernocken 36, 38 angeordnet, die zum Betätigen von Einlaßventilen(oder Zuführungsventilen) 44 und Saugventilen 46 über zwei Hebel 40, 42 bestimmt sind. Außerdem sind Ein-

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richtungen 4OA und 42A zum Einstellen der Ventile vorgesehen

Das Einlassen des Gases geschieht entweder durch geeignete Verteilung durch die Steuerstange 7 mit Leitungen 48, 50 oder durch Bohrungen im oberen Abschnitt des Zylinders, wie dies in den Figuren 1, 3 und 4 gezeigt ist.

Fig. 3 und 4 zeigen Äusführungsformen der Tieftemperaturvorrichtung in der einstufigen bzw. zweistufigen Version.

In Fig. 3 sind die gleichen Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 für entsprechende Elemente benutzt. Bei dieser Ausführungsform sind die Kanäle zu den Einlaßventilen und Saugventilen wie ζ* B₄ der Durchgang 62 im Hauptteil 60 angeordnet, der den Zylinder 1 bildet, wobei dieser Zylinder zwei verschiedene Bereiche 1A und 1B mit unterschiedlichen Dicken aufweist. Das Bezugszeichen 64 bezeichnet die Wandung für die Übertragung und daher die Benutzung der Kühlwirkung. Die Bezugsziffer 66 bezeichnet einen ringförmigen Hohlraum, der sich zwischen dem Volumen V2 und der Dichtung 15 erstreckt.

In Fig. 4 besteht der Zylinder aus zwei Stufen 101 und 102 von zwei Durchmessern, wobei zwei Kolben Volumina V10, V12 und V14 definieren, die über Wärmeaustauscher 108, 110, die innerhalb der Kolben angeordnet sind, und Durchgänge 112, 114 und 115 miteinander in Verbindung stehen. Die Bezugsziffern 116 und 118 bezeichnen die Gebiete, die für Kühlzwecke benutzt werden können. Die Bezugsziffern 120 und 122 bezeichnen ringförmige Hohlräume zwischen Zylinder und Kolben in den beiden Stufen, die sich von den Gebieten V12 und V14 zu den Dichtungen 124 und 126 erstrekken, die von den kalten Gebieten V12 und V14 Abstand aufweisen.

Der Kolben hat sowohl bei den einstufigen als auch bei den zweistufigen Ausführungsformen eine besondere Form, die einen großen und wirksamen Wärmeaustausch im unteren Abschnitt des Zylinders sicherstellt, um die gewünschte Kühlwirkung zu erhalten_o In dem Gebiet, das weiter von dem zu kühlenden Gebiet entfernt ist, ist

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sine geeignete Isolation nach außen vorgesehen.

Der Kolben bewirkt seine Bewegung nach oben und unten mit Hilfe des Dichtstreifens 15 oder 124 im oberen Teil, der während des gesamten Kreislaufes Zimmertemperatur hat.

In den ringförmigen Hohlräumen 66, 120, 122, die sich zwischen den Gebieten mit Zimmertemperatur und Tieftemperatur erstrecken, entspannt sich das Gas mit hoher Turbulenz. Dies stellt einen sehr wirksamen Wärmeaustausch mit den Zylinderwänden sicher, die als Kühloberflächen für die Wärmequelle oder den zu kühlenden Teil 64 in Fig. 3 bzw. 116 und 118 in Fig. 4 benutzt werden. Außerdem wird dadurch die Wärmeübertragung vom Zimmertemperaturgebiet zu den Gebieten tiefer Temperatur und zu den Gebieten reduziert, die sich weiter von den zu kühlenden Oberflächen weg befinden.

In den Wärmeaustauschern 5 in Fig. 3 oder 108 und 110 in Fig. sind Materialien - um einen wirksamen Wärmeaustausch mit dem Gas zu bewirken - angeordnet, die hohe kryogene Temperaturen, große Wärmeleitfähigkeit und große Wärmekapazität haben. Nur durch diese Anordnung ist es möglich, in der kurzen Zeit, in der das Gas durch den Kolben fließt, einen wirksamen Wärmeaustausch zu erhalten. In den dargestellten Systemen waren axiale Gasdurchlässe vorgesehen. Solche Ausführungsformen sind sehr einfach herzustellen und ermöglichen gleichzeitig eine große Wirksamkeit des Wärmeaustauschers, da der Kolben über seine ganze Länge mit der Metallmasse versehen ist, die während der verschiedenen Schritte des Kreislaufes abwechselnd Wärme abgeben und Wärme aufnehmen muß.

Wenn das Gas vom Wärmeaustauscher wegströmt, strömt es in den Raum 10 (Fig. 2) durch das Auslaßventil.

Dieser Raum 10 wird dauernd unter Unterdruck erhalten, wodurch ein Gebiet erhalten wird, durch das Schwankungen der Auslaßmenge

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der Kolbeneinheit abgeschwächt werden und durch das bessere Betriebsbedingungen für den Ansaug-Überdruck-Kompressor sichergestellt werden, um die Unterschiede zu kompensieren, die zwischen der Strömungsgeschwindigkeit am Auslaß des Tieftemperatursystems und der Sauggeschwindigkeit der Pumpeneinheit auftreten.

Das Gas, das aus dem Raum 10 herausströmt, bewirkt auch, indem es auf geeignete Weise durch den Raum fließt, in dem der Motor 3 angeordnet ist, eine wirksame Kühlung des Motors.

Durch die erfindungsgemäße Tieftemperaturvorrichtung wird Kühlun schnell und unter Verbrauch von nur wenig aufgenommener Energie bewirkt. Außerdem ist die Vorrichtung sehr zuverlässig, da nur eine geringe Anzahl von Kreisläufen erforderlich ist. Die Benutzung eines Kreislaufes in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem Arbeitsleistung und Saugwirkung durch die Pumpeinheit bewirkt werden, ermöglicht es, einen mechanischen Aufbau mit kleineren Dimensionen zu erhalten, als dies bei einer Kühlwirkun möglich ist, die nur durch Arbeitsleistung bewirkt wird_o Es wird auch nur eine Antriebskraft benötigt, so daß auch der Motor selb eine geringe Größe haben kann.

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Claims

Patentansprüche

1J TieftenperaGärvorrichtung mit geschlossenem Kreislauf
zur Erzeugung sehr tiefer Temperaturen (niedriger als
TOO K) r dadarch gekennzeichnet, daß sie" zur Ausführung
kombinierter Zyklen mit sowohl Gasentspannung als auch Arbeitsleistung des Gases gegen einen Kolben (3) ausgebildet ist,- wobei ein Saugkompressor (12) zur Bewirkung
der Entspannung vorgesehen ist»

» Tiefre'rperafiirvQrriehtung nach Anspruch 1 _r dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3s sur Aufnahme der Arbeitsleistung des sich entspannenden Gases sur Energieübertragung der Arbeitsleistung auf einen Motor (31) zum Beschiel ηigen desselben unter Energieaufnahme ausgebildet ist, wobei die Energie während des nachfolgenden Taktes des Absenken s des Kolbens nutzbar ist«,

Tieft-eiuperaturvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2_S dadurch gekennzeichnet,, daß die zwei Gebiete {V1 , V2) innerhalb des Zylinders (Ij, die durch der» Kolben {3) unterteilt sind,.
immer rineinander so in Verbindung stehen, daß sie unter
der:Gc;lj.ye:i Druck stehen, und da£ der Kolben C3) eine Kolbenstange (?) mit einem solchen Querschnitt hat» da.8 das expan-

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dierende Gas auf den Querschnitt dieser Kolbenstange (7) Arbeit ausübt, wenn das Einlaßventil (16) in einer Zwischenstellung des Kolbenhubs geschlossen ist.

4. Tieftemperaturvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (7) zusammen mit der Steuereinheit (31, 33, 35) in einem Gebiet untergebracht ist, das unter dem Saugdruck des Kompressors steht.

5. Tieftemperaturvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (20) in der Leitung zum Niederdruckgebiet angeordnet ist und daß das Niederdruckgebiet so ausgebildet ist, daß Unterschiede zwischen der zugeführten Gasmenge aus der Tieftemperatureinheit und der vom Saugkompressor (12) abgezogenen Gasmenge ausgeglichen sind.

6. Tieftemperaturvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3), in dem sich das Gas entspannt, vom äußeren Zylinder (1) durch einen Hohlraum

(66) von ringförmigem Querschnitt getrennt ist, der sich vom Zimmertemperaturgebiet, in dem die Dichtung (15) angeordnet ist, zum Tieftemperaturgebiet (64) erstreckt.

7. Tieftemperaturvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstufiger Kolben (3) vorgesehen ist, der einen axialen Durchlaß für das Einströmen und Ausströmen von Gas aufweist.

8. Tieftemperaturvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweistufiger Kolben vorgesehen ist, der einen axialen Durchlaß für das Einströmen und Ausströmen von Gas aufweistο

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