DE2208912A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung einer Kälteenergie - Google Patents

Description

Dr. Hans-Heinrich Willrath

Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus SeifFert

PATENTANWÄLTE

D - 62 WIESBADEN V/B Postfach 1327

Gustav-Freytag-StraSe 25 ® (O61M) 372720 Telegrammadresse: WILLPATENT

24. Februar 1972 Serie 1841

LVAir Liquide Ste. Ame. pour I¹Etude et I¹Exploitation des Procedes Georges Claude, 75, Quai d'Orsay, 75 Paris 7e, Frankreich

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung einer Kälteenergie

Priorität; EN 71 06623 vom 26. Februar 1971 in Frankreich

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Kälteenergie und eine von einem solchen Verfahren Gebrauch machende Abkühlungsvorrichtung. Der Hauptgegenstand der Erfindung bezieht sich auf eine Abkühlungsvorrichtung, die imstande ist, eine relativ schwache, kälteerzeugende Kraft in der Größenordnung von einigen Watt oder einijen zig Watt unter einer Temperatur gleich 63° C oder darüber zu liefern.

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Postscheck: Frankfurt/Main 6763 Bank: Dresdner Bank AG, Wiesbaden, Konto-Nr. 276 807

Die schon bekannten Abkühlungsvorrichtungen dieser Art gehören zu mehreren Typen, z. B. zu denjenigen, die von dem Stirlingschen Kreisprozeß oder von dem von Joule Thomson Gebrauch machen. Der zweite Typ braucht sehr hohe Druckwerte, in der Größenordnung von 180 Bar, d. h. die Benutzung von sehr speziellen, teuren und sperrigen Kompressoren. Die Abkühlungsvorrichtungen, die auf der Basis der Stirlingschen oder anderen Kreisprozesse arbeiten, so der von Gifford MacMahon - der gasförmiges Helium als Kühlmedium benutzt - haben den Nachteil, daß sie von mobilen Teilen, insbesondere von zwei Kolben, die sich in einem Zylinder verschieben lassen, Gebrauch machen, was regelmäßige Überprüfungen verlangt. Man benutzt auch den Kreisprozeß von Brayton oder von Claude, der bei der Entspannung eine Turbine verwendet, deren Einstellung sich aber als schwierig herausgestellt hat.

Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Abkühlungsvorrichtung, deren Bauweise einfach, leicht, kompakt, robust und trotzdem nicht sehr teuer ist.

Der Ausgangspunkt der Erfindung ist das bekannte Abkühlungsverfahren unter niedriger Temperatur, das eine Kältemischung verwendet, die als Hauptkomponenten mehrere Körper umfaßt, die in den Temperatur- und Druckverhältnissen des genannten Verfahrens zum flüssigen Zustand kondensierbar sind. Nach diesem Verfahren verdichtet man die genannte Mischung unter einem hohen Druck und unterkühlt sie unter Umgebungstemperatur, dann nimmt

man eine fraktionierte Kondensation der Kältemischung vor, man entspannt mindestens eine der kondensierten Fraktionen unter niedrigem Druck, man verdampft und erwärmt die genannte

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kondensierte Fraktion in i\r.rnf-austausch mit der Kältemischung, die im fraktionierten !'omiensationsvorgang ist. Dieses Verfahren hat viele Vorteile, vor allen verwendet es relativ niedrige Druckwerte in der Größenorrlnuna von etwa 10 Par. Um dieses Verfahren an den vorher genannten Typ von Abkühlungsvorrichtungen anzupassen, verzichtet man in einer ^.blzühlungsvorrichtung, die der Erfindung entspricht, einerseits auf die verschiedenen !iittel, die c'i.2 fraktionierte Kondensation gewährleisten, andererseits auf die sofortige Entspannung und Einführung, mit ^T^rmeaustausch, der kondensierten Fraktionen in einen unter Niederdruck stehenden Kreislauf. Diese bemerkenswerte Vereinfachung der angewandten i'ittel erlaubt also die Ausschaltung sowohl der Abscheider, welche die Aufnahme jeder kondensierten Fraktion ermöglichen, als auch der verschiedenen zwischen den Abscheidern angebrachten Austauscher und der jeder kondensierten Fraktion verbundenen ^TJntspannungsmittel.

Diese Vereinfachung ist möglich, inoe¹"¹ man von einem Verfahren Gebrauch macht, das mindestens einen J'reis^rozeß enthält, der von einer beschickung der T'r'ltemischuna Gebrauch macht und dadurch gekennzeichnet ist, daß man während eines genannten Kreisprozesses die "«schicknng unter einer, hohen Druck von einem warmen zu einem kalten Ende mindestens einer ersten ^TTärmeregenerationssfule zir^vulierar> Ii*ßt, um eine fraktionierte Kondensation ^rlsr "'eschickung zu bewirken, dap ^ ^nan unter einem niedrigen Druck mindestens eine ^"ckstandsfraktion, die mindestens teilweise flüssig i?t unr aus der genannten ersten Pegenerierungss'lule entstanden ist, entspannt und cla.°i ^an die genannte Fraktion Vßroanpft, um zumindest einer "eil der genannten Kälte- . ■

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energie zu erzeugen, daß man zumindest die unter dem niedrigen Druck verdampfte Rückstandsfraktion von dem kalten zu dem warmen Ende von mindestens einer zweiten Wärmeregenerationssäule zirkulieren läßt, um eine fraktionierte Verdampfung von mindestens einem Teil der bei dem vorigen Kreisprozeß fraktioniert kondensierten Beschickung zu bewirken und daß man beim nächsten Kreisprozeß die Zirkulationsrichtung der Beschickung umkehrt, um die fraktionierte Kondensation und die fraktionierte Verdampfung jeweilig in der zweiten und in der ersten Regenerationssäule zu bewirken. Dieses vereinfachte Verfahren nach Art eines Kreisprozesses erlaubt es, einerseits längs der Wärmeregenerationssäulen, die unter Kondensation und Verdampfung arbeiten, eine "fraktionierte" Kondensation und Verdampfung jeweils quasi kontinuierlich zu bewirken, indem man also die individuellen Mittel vermeidet, die mit allen tatsächlich fraktionierten Kondensationen verbunden sind und die weiter oben in Erinnerung gebracht wurden, und es erlaubt andererseits dank der Umkehr der Zirkulationsrichtung der Kältemischung, die zu einer Vertauschung der Rollen der Kondensation und Verdampfung der zwei Wärmeregenerationssäulen führt, die Rückgewinnung der potentiellen Kälteenergie, die mit den verschiedenen kondensierten und unbenutzten Teilen verbunden ist, direkt in der Entspannung und Verdampfung, die ihrerseits Kälteenergie hervorbringen.

Bei einem Kreisprozeß kühlt man vorteilhaft die gebrauchte gasförmige Beschickung vor, um eine flüssige und eine gasförmige Fraktion zu erhalten, dann läßt man in einer Säule der fraktio-

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nierten Kondensation die gasförmige Fraktion und mindestens einen Teil der flüssigen Fraktion gemischt zirkulieren, wodurch der thermische Ertrag des benutzten Verfahrens verbessert werden kann, während alles andere gleich gelassen wird.

Eine erfindungsgemäße Abkühlungsvorrichtung, die erlaubt, das

von

oben für die Erzeugungykälteenergie definierte Verfahren auszunutzen, enthält mindestens zwei Wärmeregenerationssäulen, von denen jede eine dushlässige Metallpeckung zur Wärmespeicherung, als schwacher Wärmeleiter in Längsrichtung einer geaufweist
nannten Säule folgend ,Vein ein Ende einer ersten Säule mit einem Ende einer zweiten Säule verbindendes und eine von einem hohen zu einem niedrigen Druck gehende Entspannungsvorrichtung enthaltendes Leitungsmittel, ferner Leitungen, um das andere Ende jeder Regenerationssäule einerseits mit einer Quelle der Kältemischung unter Hochdruck und andererseits mit einer Quelle der genannten Mischung unter Niederdruck zu verbinden, weiterhin zyklisch arbeitende öffnungs- und Verschlußmittel, um nacheinander zuerst das andere Ende der ersten Säule und die genannte Quelle unter Hochdruck, das andere Ende der zweiten Säule und die genannte Quelle unter Niederdruck, dann nachher das andere Ende der zweiten Säule und die genannte Quelle unter Hochdruck und das andere Ende der ersten Säule und die genannte Quelle unter Niederdruck miteinander zu verbinden, ein Mittel zur Entnahme der genannten Kälteenergie in thermischer Wechselbeziehung mit der genannten Leistung.

Man sieht, daß die Realisierung einer solchen Abkühlungsvorrichtung einfach ist, daß sie kein mobiles Teil unter niedriger Tem-

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peratur benutzt, sondern nur Umschaltmittel der Zirkulationsrichtung der Beschickung der Kältemischung auf dem Niveau der umgebenden Temperatur. Die kalte Temperatur und. die auf dem Niveau der Entnahme der Kälteenergie verfügbare Energie hängen für eine gegebene Abkühlungsvorrichtung mit definiertem Unschaltkrainprozeß vor allem von der Zusammensetzung, der Henge und den Drücken der verwendeten Kältemischung ab.

Die Regenerationssf'ulen enthalten eine durchläsige, gestreckte ^r'etallpackung zur "^Tärrpespeicherung, die dar Längsrichtung einer genannten S?iule fol^t und eine gute thermische Leitfähigkeit in der P.adi air ichtun- und eine schwache in der Längsrichtung bietet, damit ein Temperaturgefälle hergestellt wird, das durch Querflächen su der genannten Säule bestimmt ist. Diese Wärmespeicherpackung besteht aus einer Reihe von durchlässigen !Ietallmassen in der Lüngsrichtung, die einem geteilten Metallfüllmaterial (Pulver, Kugeln, Späne, Fasern usw.) ähnlich sind und die durch durchlässige Trenolagerungen mit schwacher thermischer Leitfähigkeit geteilt sind, derart, daß ein wesentlicher Teil der kondensierten Fraktionen auf den genannten Massen, insbesondere durch die l'rMfte der Oberflächenspannung, gestaut ist.

Die Erfindung wird jetzt anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine erste der Erfindung entsprechende Kühlvorrichtung

schematisch darstellt,
Fig. 2 eine zweite der Erfindung entsprechende Kühlvorrichtung

schematisch darstellt,
Fig. 3 eine dritte der Erfindung entsprechende Kühlvorrichtung schematisch darstellt und

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Fig. 4 den Schnitt eines Teiles einer P.egenerationssäule der dritten in Fig. 3 dargestellten Kühlvorrichtung darstellt.

Gemäß Fig. 1 besteht eine der Erfindung entsprechende Kühlvorrichtung aus einer Hülle 1 für ein ^T7rrmeisolierungsvakuum 2, aus zwei ^T'⁷ärmeregenerationssrulen 3 und 4, die senkrecht angebracht sind und an ihren unteren Enden 5 durch eine Kapillarrohre 6 aneinander angeschlossen sind, die eine von einem hohen zu einemifcctdgen ^^uc'^: gehende ^T:intspannungsvorrichtung bildet, in thermischer Wechselbeziehung mit einem Platinteil 7 sur Entnahme der verfügbaren " KSlteenergie, das ein kai t zu haltendes Objekt 8 trSgt.

An ihrem oberen Ende 10, aus der Hülle 1 hervortretend, sind die Säulen 3 und 4 einerseits mit den Ausgang eines Vorkühlers oder Quelle einer Kältemischung unter Hochdruck und andererseits mit dem Eingang unter Hiedcrdruck eines Kompressors 15 oder einer Quelle der Kältemischung unter *^Tiederdruck verbunden. Tine Gruppe von Ventilen 11,12, 13 und 14, die zyklisch beim öffnen und Schließen durch ein nicht beschriebenes Umschaltmittel betätigt werden, erlaubt nacheinander zuerst das obere Tfnde 10 der ersten Säule 3 und den Ausgang des Vorkühlers 16, das obere Ende IO der zweiten Säule 4 und den Eingang des Kompressors 15 (Schließung der Ventile 12 und 13), dann nachher das obere Ende 10 der zweiten Säule 4 und den Ausgang des Vorkühlers 16, das obere Ende IO der ersten Säule 3 und den Eingang des Kompressors 15 (Schließung der Ventile 11 und 14) miteinander zu verbinden. Jede der Säulen 3 und 4 ist also an zwei Ventile ange-

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schlossen, jeweils die Ventile 11 un^ 12 für die Säule 3, die Ventile 13 und 14 für die £."ule 4. nie Ventile 12 und 14 sind an dc-r, '"ingang des Kompressors 15 (KompressionsverhKltnis in der Größenordnung von 5 bis einigen "ehnerverten) anaeschlossen, wf'.hr,*nd die Ventile 11 und 13 an den Aus?an? des Vorkühlers angeschlossen sind, dessen Eingang nit der* unter Hochdruck stehenden lusgana des "ompresscre 15 in Verbindung steht.

Oie "egenerationnsäulen 3 und 4 Gestehen aus nicht rostenden Ftablrohren mit durchlas sicher ""otallpackunrr üur "iärnecpeicheiruncy, ?ie als schwacher ^TT."rreleitor in !,"n^srichtung einer genannten verläuft. ^1Tach der Fi<"^r. 1 beispi^ls^eise enthält die JIe-

OacjUinr einer P-'ule ? oder ^A r-ine ⁿ.eihe durchlässiger ^T'etall-

^Λ. ' , 1' ' - 4^Π ", 4 , Ί^η odor Anf^chichtungen von ^raht·- gitterschei^'on, die durc'i durc^u.lr'spirdTrenhl-^a<?^eruri<7^en ? ^tt schvacb'.r thermischer ^TOitf "hig'-.eit n-r.tronnt sird, damit die thermische Leitf^'.ii^'-.eit der ';ora;nitor '"r.:.c^:'.v.n^rT in der T."m,^rsrichtunn· reiner genannten r"ul^ vor^in-'ort '-'ird. Has ^chei^engitter kann aus rhos'ohor'-ron^e ¹ ^stober.

^ie eben besc'irie?enp. ^A-b^vüMun"svorrichtung funktioniert vrie folgt:

Da die Regenerationssäulen 3 und 4, die öffnungs- und Verschlußnittel (Ventile 11 his 1^), die eic oberen "noon IO der genannten Tr.ulen rit c.e\ "onpressor 15 und dem VorJ-ühler IC verbindenden Leitungen, der .^T'o:"ipr.essors 15 un5 der Vorkühler If einen geschlossenen ϊ-reiü bilden, hcit man in diesen letzteren, vorzugsraise in der Fabril·;, eine -eschicfcung einer K.'llte: .i·· schung ein^e^racl-.t, "ie als i:an;ot! or.ponGntc (nicht alg Unrein ·

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haitan) mohrora iörper auf*.;· 2 iat, dia hai Jen ..ietriebsbadiinguno-en der j?..] J¹CUh Ivor richtung ~u::i f 1"8πι~-·~ϊι zustand kondensierbar sind. Ties3 leschickunM !'.snn "utan, Tropan/ ;"tbylen und "tickstoff, oventuall :"εοα. V.'assentoff oder VIeIiUiVi in variablen Troportionan enthalten.

^T'enn dar Kompressor 13, eier VorkäLlar Iß und die Uras cha lttnittel der Ventile 11 bis 14 in Hang gesetzt τ-rarden, entsteht nach eiii3.r besti'Omten "ait in rⁿen "v.ulsn 3 und 4 ein ":ärmec;efälle svischen ihren oberen 7Jnc.e 1?- nit varmor ^r?e~peratur und ihrem unteren ^r.clo 5 mit kalter Temperatur.

^r"^T"hrend eines Kreisprozesses "es angewendeten Verfahrens, in dem die Sirkulationsrichtung dar r.iilteKaschuno-sbeschickung diejenige ist, clie durch den Pfeil F dargestellt ist (Säule 3 unter dem hohen Druck und SHuIe 4 unter de"-, niedriger. Druck das I'orapressors 15), hüll It nan die Tiältsni^chuntrsbftschickun 7 in Gasform mittels Durchlauf ira Vorkühler Ic vor. So kondensiert man sehr partiell die genannte Beschickung und nan bekommt eine flüssige und eine gasförmige Fraktion. Dann führt nan die gasförmige und die flüssige Fraktion, die gemischt werden, in die FPuIe 3 ein und ISSt die genannte Beschickung in z^eiphasigsr Form unter Hochdruck vora v/armen Fr.de zum kalten ?7nde der ersten ^T"7ärmeregenerationssäule 3 zirkulieren. So setst r.an die fraktionierte Kondensation der Käl™ , temischungsbeschickung fort. Die flüssige Fraktion setzt sich auf die Haschen der Metallpackung der βHuIe 3, die als Stütze dient, auf der durch die ^T-irkung der Kräfte der Oberflächenspannung eine flüssige Haut der genannten Fraktion haften bleibt. Die gasförmige Fraktion, die aus den flüchtigsten Körpern be~

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steht, drinct nach und nach der SMuIe 3 entlang ein, und die genannte gasförmige Fraktion wird nach und nach dem Te^peraturabfall antsnrechend, der von dem warnen oberen 3nde 10 zu dein kalten unteren Fnde 5 der ^ctrule 3 stattfindet, kondensiert. ?.w unteren Γην.ο 5 der Sru.le 3 entsteht aus der PecrenerationssSule 3 eine P.ückstandsfraktion, die einen gasförmigen Teil, der aus unter der ?2tri?.brte:r">cratur und derⁿ. Betriebsdruck der .^kühlvorrichtung flüchtigeren, nicht kondensiarbaren Mitteln besteht, und einen flüssiger ^¹ ail enthalt, der aus bestimmten flüssigen, weniger flüchtigen, "itgenorrnenen "itteln besteht. Diese Rüchstand.^fraktion vrird in den Tapillarrohr ο aufgenommen, vo sis sich einer inoth^r^inchen Entspannung unter Niederdruck mit Verdampfung unterzieht, ur die erforderliche Kcilteenergie

zu produzieren, die durch das Platinteil 7 entnommen und dem Objekt 8 weitergegeben wird.

Die verdampfte Rückstandsfraktion, die aus dem Kapillarrohr ο entsteht, ^T7ird unter den niedrigen Druck in die Regenerationss^ule 4 eingeführt, die air. Anfang des jetzt beschriebenen Ilreisprosesses dieselbe Verteilung (thermische Verteilung und Verteilung inr kondensierten ''.ittel) wie diejenige, die ar. Ende des genannten "reisprosesses in der CSuIe 3 erhalten wird, bietet. In der Tat wurde vr^.hrend des obigen Kreisprozesses dieselbe Kälteiaischungsbeschiclcung in fralztionierter Form in der "egenerationssäule 4 kondensiert. Infolgedessen ist einerseits die Tenperatur des unteren Endes 5 kalt und die des oberen Endes 10 warm, andererseits befindet sich mindestens ein Teil der Beschickung, die bei der vorigen Kreisprozeß kondensiert wurde,

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im Z^ustand von flüssigen Bodensätzen, die beim Aufsogen in dieser Säule 4 immer schwerer werden.

Man läßt also die verdampfte Rückstandsfraktion ungefähr bei ihrem Taupunkt unter dem niedrigen Saugdruck des Kompressors 15 (bis auf die Druckabfälle, die in der Metallpackung der Säule 4 aufgetreten sind) in der zweiten Regenerationssäule 4 von ihrem kalten Ende zu ihrem warmen Ende 10 zirkulieren. So bewirkt man eine fraktionierte Verdampfung des Teiles der Kältemischungsbeschickung, der bei dem vorhergehenden Kreisprozeß kondensiert wurde. Beim Wiederaufsteigen erwärmen sich die Dämpfe nach und nach, und sie verdampfen die Flüssigkeiten, die durch die Oberflächenspannung auf der inneren Packung der Säule 4 haftengeblieben sind. Diese Verdampfung betrifft zuerst die flüchtigeren Mittel, die sich am kalten oder unteEn Ende 5 befinden, dann die immer weniger flüchtigen Mittel in dem Maße, wie die Dämpfe in der Säule 4 wieder aufsteigen.

Wenn der größte Teil dieser abgelagerten Mittel wieder verdampft ist, schalten sich die Umschaltmittel ein, um die Zirkulationsrichtung der Kältemischungsbeschickung umzukehren und diese beim nächsten Kreisprozeß, dem Pfeil F¹ entsprechend zirkulieren zu lassen. Dieselben Erscheinungen, wie vorher beschrieben, wiederholen sich mit dem einzigen Unterschied, daß man die fraktionierte Kondensation und die fraktionierte Verdampfung jeweils in der zweiten Säule 4 und der ersten Säule 3 vornimmt.

Mam erkennt, wie einfach die beschriebene Anlage ist, die keinen mobilen Teil unter kalter Temperatur, keinen anderen Austauscher

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als den mit dem Kompressor verbundenen Vorkühleraustauscher und keinen Hilfsabzweigkreis enthält. Das Ganze ist mit geringem Raumbedarf und bei Benutzung von Kompressoren mit üblichen Kompressionsverhältnissen realisierbar. Die Verwirklichung der Regenerationssäulen bietet ebenfalls keine Schwierigkeit, und das Wesentliche ist die passende Wahl der Säulengröße, die angemessene Wahl ihrer Packung, der Zusammensetzung und der Masse der Kältemischung und der Umkehrperiode.

Als Beispiel hat man eine Abkühlungsvorrichtung mit folgenden Eigenschaften und Leistungen verwirklicht: Säulenzahl: zwei

Säule: Stahlrohr, innerer Durchmesser 11 mm, Länge 160 mm mit Packung von 2200 Gitterscheiben in 13 Paketen durch 12 Teflonscheiben getrennt.
Scheibengitter: Phosphorbronze

	- Maschenlücke	69,8%
	- Drahtstärke	30 My
	- Dichte	2,99 g/cm3
	- Fläche des Raumin haltaustausches	2 3 466 cm /cm
	- Porosität	0,7
Kapillare	: Durchmesser 0,33 mm, Länge	100 bis 200
Leistung:	4 Nm3/h

Druck: Niederdruck: 1 Bar absolut

Hochdruck: 15 Bar absolut Molekularzusammensetzung der Ladung:
N₂ 47%

CH- 12%

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C2H6	23%
C4H10	12%
Kälteerzeugende Kraft:	1OW
Temperatur:	11O°K
Umkehrperiode:	5 Sekunden

Für die Beschreibung der der Pig. 2 entsprechenden Kühlvorrichtung benutzt man dieselben Bezugszahlen der schon in Fig. 1 vorgekommenen Teile.

Eine der Fig. 2 entsprechende Kühlvorrichtung unterscheidet sich von der vorher beschriebenen dadurch, daß der vorher mit 15 bezeichnete Kompressor und die öffnungs- und Verschlußmittel (Ventile 11 bis 14 nach Fig. 1), die mit ihrem periodischen Umschaltmittel verbunden sind, einem Kompressor mit doppelter Wirkung 17 entsprechend vereinigt sind. Dieser enthält einen Kolben 18, der in einem Zylinder 21 angebracht ist, mit dem er zusammen eine erste Kammer 19 und eine zweite Kammer 20 abgrenzt, die auf beiden Seiten des Kolbens 18 angebracht sind und jeweils mit dem oberen Ende 10 der ersten Regenerationssäule 3 und dem oberen Ende 10 der zweiten Regenerationssäule 4 direkt verbunden sind. Ein Mittel, das aus einem Pleuel 22 und einer Kurbel 23 besteht, erlaubt, den Kolben innerhalb des Zylinders 21 cyclisch umgekehrt zu verschieben.

Nach Fig. 2 bestehen z. B. die Regenerationssäulen 3 und 4 aus einem Rohr mit einem inneren Durchmesser von 2,5 mm und einer Länge von 100 mm, das eine Packung mit einem Metallgewebe aus

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Bronzedraht mit einem Durchmesser von 30 My und mit Leerräumen von 39 My enthält. Das Kapillarrohr 6 hat einen Durchmeser von 0,15 mm und eine Länge von 1 m.

Eine der Fig. 2 entsprechende Kühlvorrichtung vermeidet eine Umschalteinrichtung durch Elektroventile der Regenerationssäulen 3 und 4. Die Umkehr der Regenerationssäulen 3 und 4 wird im Betriebsrythmus des Kompressors mit doppelter Wirkung ausgeführt .

Man kann noch andere Lösungen als die in der Fig. 2 beschriebenen ins Auge fassen, so zwei Zylinder mit einfacher Wirkung, die in Gegenphase arbeiten.

Die in Fig. 3 gezeichnete Kühlvorrichtung enthält zwei unterschiedliche Teile, d. h. ein kaltes Teil 24, das die eigentliche Kühlvorrichtung bildet und ein warmes Teil 25, das den Kompressor 15 und den Vorkühler 16 elthält.

Nach Fig. 4 enthält eine Wärmeregenerationssäule 3 oder 4 ein Metallrohr 26, das mit einer durchlässigen Metallpackung zur Wärmespeicherung, die als schwacher Wärmeleiter in Längsrichtung der genannten Säule folgt, gefüllt ist. Diese Metallpackung enthält eine Reihe durchlässige Metallmassen oder Füllungen 27 aus einem geteilten Metallmaterial (Bronzepulver), die durch durchlässigeTrennlagerungen mit einer schwachen Wärmeleitfähigkeit oder gelochte Scheiben 28 aus Polyamid getrennt werden. Das Metallpulver kann durch jedes ähnliche Metallmaterial, wie Ku-

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geln, Späne, Pasern, mit großem Wärmediffusionsvermögen ersetzt werden.

Die die kalten Enden 5 der Regeneratoren 3 und 4 miteinander verbindende Leitung 6 enthält eine kalibrierte Entspannungsöffnung 29. Die Leitung 6 ist in einer Kupfermasse eingebettet, auf die man das abzukühlende Muster oder Objekt anbringen kann.

An ihren warmen Enden 10 sind die Regeneratoren 3 und 4 mit einem vierspurigen Elektroventil 30 verbunden, das erlaubt, den Hoch- und den Niederdruck cyclisch umzukehren.

Der Kompressionsteil 25 enthält vor allem einen dicht schliessenden geschmierten Kompressor. Wenn die Kältemischung den Kompressor 15 verläßt, zirkuliert sie in Gasform in einemvvorkühler 16, der die genannte Mischung auf Umgebungstemperatur zurückbringt. Ein Ventilator 31, der zwischen dem Kompressor 15 und dem Vorkühler 16 angebracht ist, gestattet es, die Erwärmung des Kompressors zu begrenzen und die Leistung des Vorkühlerszu steigern.

Der Kreis unter Niederdruck, d. h. das Ansaugen des Kompressors 15, ist mit verschiedenen Nebenvorrichtungen ausgerüstet, die die ganze Anlage betriebsbereit machen sowie ihre Sicherheit und die Kontr-olle ihres Funktionierens gewährleisten. Ein Ventil wird beim Anlassen, in "by-pass"- zwischen dem Hochdruckkreis (Ausgang des Kompressors 15) und dem Niederdruckkreis (Saugseite des Kompressors 15) benutzt.

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In der Tat liegt beim Anlassen die ganze Anlage unter Umgebungstemperatur. Der Durchsatz der durch die Entspannungsöffnung 29 dringenden gasförmigen Kältemischung ist begrenzt, und das Kompressionsverhältnis des Kompressors 15 ist dann wichtig. Um zu vermeiden, daß der Kompressor beim Saugen bei Unterdruck arbeitet oder aber, daß der Motor des Kompressors überlastet ist, wird ein Teil des Durchsatzes der Kältemischung direkt unter Niederdruck durch das Ventil 32 zurückgeschickt.

In dem Masse, in dem der kalte Teil der Kühlvorrichtung gekühlt wird, wird der durch die Regeneratoren gehende Durchsatz erhöht und der durch das Ventil 32 gehende Durchsatz vermindert, bis er aufgehoben wird, wenn der gleichbleibende Durchsatzbereich erreicht ist. Die Vorrichtungen der elektrischen Steuerung beschränken sich auf einen Pressostat 33, zum Schutz des Kompressors, einen Elektroschaltschrank 34 zum Anlassen des Kompressors und ein Zählwerk 18, das das Elektroventil bedient.

Neben den besonderen Vorteilen des Typs des benutzten Kompressors, der absolut dicht, sehr zuverlässig und wenig teuer ist, kann man bemerken, daß das Schmieren den Betrieb der Kühlvorrichtung überhaupt nicht behindert. Eine Menge Schmieröl wird durch die Kältemischung des Kreises bei ihrer Kompression mitgenommen. Das öl aber, das nichts anderes als Kohlenwasserstoff ist, wird wie die anderen Komponenten der Kältemischung in den

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Regeneratoren 4 und 3 destilliert und bleibt in ihrem warmen Teil. Mit anderen Worten bildet das Schmieröl des Kompressors 15 in diesem Fall einen geringen Teil der Kältemischungsbeschickung. Der geschmierte Kompressor 15 ist also völlig mit dem Betrieb der Regeneratoren 3 und 4 veElnbar, und das ohne Vorrichtung zum ölfiltrieren und ohne regelmäßige Reinigung der Regeneratoren.

Es ist zum Beispiel möglich, mit einer den Fig. 3 und 4 entsprechenden Kühlvorrichtung, die eine Kältebeschickung aus 10 % Butan, 50 % Äthan, 10 % Methan und 30 % Stickstoff, eine niedrigen Saugdruck des Kompressors von 1,2 Bar absolut, eine großen Druckhöhe des Kompressors von 15 Bar absolut und eine Leistung von 5 Nm /H verwendet, eine kalte Temperatur um die 100 ⁰K zu erzielen, und das unabhängig von der Lage der Kühlvorrichtung.

Die oben beschriebene Erfindung kann auch variiert werden;

- die Metallmasse zur Wärmespeicherung der Regeneratoren 3 und kann . aus einem Metallstoff mit einer groß ausgebildeten Fläche sein;

- der Kompressor kann ein Trockenkompressor sein.

Unter Trockenkompressor versteht man einen Kompressor, von dem kein Teil, der mit der Kältemischung in Berührung kommt, mit einer Substanz, wie einem Schmiermittel, das die genannte Mischung verunreinigen könnte, in Berührung gekommen ist.

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Claims (13)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung einer Kälteenergie, mit mindestens einem Kreisprozeß, der eine Beschickung von mindestens einer Kältemischung verwendet, die als Hauptkomponente mehrere Körper enthält, die zum flüssigen Zustand unter den Temperatur- und Druckbedingungen des genannten Verfahrens kondensierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß man während des Kreisprozesses die gesamte Beschickung unter einem hohen Druck, von einem warmen Ende zu einem kalten Ende mindestens einer ersten Wärmeregenerationssäule zirkulieren läßt, um eine fraktionierte Kondensation der gesamten Beschickung zu erzielen, daß man unter einem niedrigen Druck mindestens eine Rückstandfraktion mindestens teilweise in flüssiger Form, die aus der ersten Regenerationssäule entsteht, entspannt, daß man die genannte Fraktion verdampft, um mindestens einen Teil der genannten Kälteenergie zu erzeugen, daß man zumindest die unter dem niedrigen Druck verdampfte Rückstandsfraktion vom kalten zum warmen Ende mindestens einer zweiten Wärmeregenerationssäule zirkulieren läßt, um eine fraktionierte Verdampfung von mindestens einem Teil der beim vorigen Kreisprozeß fraktioniert kondensierten Beschickung zu bewirken, und daß man beim nächsten Kreisprozeß die Zirkulationsrichtung der genannten Beschickung umkehrt, um die fraktionierte Kondensation und die fraktionierte Verdampfung jeweils in der zweiten und der ersten Regenerationssäule zu erhalten.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man während eines Kreisprozesses die benutzte gasförmige Beschickung vorkühlt, um eine flüssige und eine gasförmige Fraktion zu erhalten und daß man dann in einer Säule zur fraktionierten Kondensation die gasförmige Fraktion und mindestens einen Teil der flüssigen Fraktion gemischt zirkulieren läßt.

3. Kühlvorrichtung zur Erzeugung einer Kälteenergie auf der Basis einer Kältemischung, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Wärmer egenerations säulen enthält, von denen jede eine durchlässige Metallpackung zur Wärmespeicherung, die als schwacher Wärmeleiter in Längsrichtung einer Säule

aufweist
verläuftV> weiterhin eine ein Ende einer ersten Säule und ein Ende einer zweiten Säule miteinander verbindende und eine von einem hohen zu einem niedrigen Druck gehende Entspannungsvorrichtung enthaltende Leitung, ferner Leitungsmittel, um das andere Ende jeder Wärmeregenerationssäule einerseits mit einer Quelle der Kältemischung unter Hochdruck und andererseits mit einer Quelle der genannten Mischung unter Niederdruck zu verbinden, cyclisch arbeitende Öffnungsund Verschlußmittel, um nacheinander zuerst das andere Ende der ersten Säule und die genannte Quelle unter Hochdruck, das andere Ende der zweiten Säule und die genannte Quelle unter Niederdruck, dann nachher das andere Ende der zweiten Säule und die genannte Quelle unter Hochdruck, das andere Ende der ersten Säule und die genannte Quelle unter Nieder-

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druck miteinander zu verbinden, ein Mittel zur Entnahme der genannten Kälteenergie in thermischer Wechselbeziehung mit der genannten Leitung.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpackung einer Wärmeregenerationssäule eine Reihe durchlässiger Metallmassen enthält, die durch durchlässige

Trennlagerungen mit schwacher Wärmeleitfähigkeit getrennt sind.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Metallmasse ein Metallmaterial mit groß auegebildeter Fläche enthält.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Metallmasse eine Aufschichtung von Drahtgitterscheiben enthält.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Metallmasse aus einem geteilten Metallfüllmaterial, wie Pulver, Kugeln, Späne, Fasern, mit großem Wärmediffusionsvermögen besteht.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie extra einen Kompressor, dessen Eingang unter Niederdruck die Quelle der Kältemischung unter Niederdruck bildet, und einen Vorkühler aufweist, dessen Eingang mit dem Ausgang unter Hochdruck des Kompressors verbunden ist und dessen Ausgang die Quelle der Kältemischung unter Hochdruck bildet.

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9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor und die öffnungs- und Verschlußmittel gemäß einem Kompressor mit doppelter Wirkung vereinigt sind, der einen in einem Zylinder angeordneten Kolben enthält, wobei der Kolben mit dem Zylinder eine erste und eine zweite Kammer begrenzt, die auf beiden Seiten des Kolbens angebracht sind und jeweils mit dem anderen Ende der ersten Regenerationssäule und dem anderen Ende der zweiten Regenerationssäule direkt verbunden sind, ein Mittel zur cyclisch umgekehrten Verschiebung des Kolbens innerhalb des Zylinders.

10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die Regenerationssäulen, die öffnungs- und Verschlußmittelj

mittel

die Leitungjy der Kompressor und der Vorkühler einen geschlossenen, eine Beschickung einer Kühlmittelmischung zur Zirkulation einschliessenden Kreislauf bilden, der als Hauptkomponenten mehrere im flüssigen Zustand unter den Betriebsbedingungen der genannten Kühlvorrichtung kondensierbare Körper enthält.

11. Kühlvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor einen geschmierten Kompressor aufweist, dessen Schmieröl einen geringen Teil der Kältemischungsbeschickung bildet.

12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor mindestens einen Trockenkompressor aufweist.

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13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung, die ein Ende der ersten Regeneratbnssäule und das Ende der zweiten Regeneratbnssäule miteinander verbindet, mindestens eine Kapillare als Entspannungsvorrichtung aufweist.

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