DE1401524C - Gas refrigeration machine, especially small gas refrigeration machine - Google Patents
Gas refrigeration machine, especially small gas refrigeration machineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gaskältemaschine, insbesondere Kleinstgaskältemaschine, die nach dem abgewandelten Stirling-Kreisprozeß arbeitet, mit je einem Kompressions- und Expansionszylinder, die parallel zueinander angeordnet sind und in denen je ein mit jeweils einer Kolbenstange verbundener Komprcssionskolben bzw. Expansionskolben verschiebbar ist, sowie mit einem zwischen die Zylinder eingeschalteten Regenerator und mit Wärmeaustauschern am Ende der Zylinder,, wobei die beiden Kolbenstangen von derselben Kurbelwelle angetrieben werden.The invention relates to a gas refrigeration machine, in particular a very small gas refrigeration machine, which after the modified Stirling cycle works, each with a compression and expansion cylinder, the are arranged parallel to each other and in each of which one is connected to a piston rod Komprcssionskolben or expansion piston is displaceable, as well as with one between the cylinders switched on regenerator and with heat exchangers at the end of the cylinder ,, being the two Piston rods are driven by the same crankshaft.
Bei einer bekannten Kältemaschine dieser Art ist der Regenerator räumlich zwischen den beiden Zylindern angeordnet; die Wärmeaustauscher liegen hinter den Zylindern und neben dem Regenerator. Dieser Aufbau bedingt einen großen Raumbedarf. Der Abstand der beiden Zylinder muß wenigstens der Breite des Regenerators entsprechen. Eine solche Maschine läßt sich nicht als Kleinstkältemaschine herstellen.In a known refrigeration machine of this type, the regenerator is spatially between the two cylinders arranged; the heat exchangers are located behind the cylinders and next to the regenerator. This Construction requires a large amount of space. The distance between the two cylinders must be at least the width of the regenerator. Such a machine cannot be manufactured as a miniature refrigeration machine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine Kältemaschine mit kleinen Abmessungen zu schaffen. Derartige, durch einen Motor angetriebene Kältemaschinen mit zwei kleinen Kolben werden zur Kälteerzeugung für elektronische und ähnliche Anwendungsgebiete benutzt. Es besteht namentlich auf den Gebieten der Elektronik und Raumfahrttechnik ein Bedarf nach sehr kleinen Kältemaschinen, die Temperaturen von etwa 100° K oder darunter erzeugen.The invention is based on the object of avoiding these disadvantages and having a refrigerating machine to create small dimensions. Such, motor-driven refrigerating machines with two small pistons are used to generate refrigeration for electronic and similar applications. There is a great need, particularly in the fields of electronics and aerospace engineering small chillers that generate temperatures of around 100 ° K or below.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Regenerator am äußeren Ende des Kompressionszylinders angeordnet und lediglich über eine kurze Leitung mit dem-Expansionszylinder verbunden ist, an dessen Kopf sich zur Fortleitung der Nutzkälte ein mit einem sich an die Verbindungsleitung anschließenden Wärmeaustauscher versehenes Abschlußstück aus hochwärmeleitendem Material befindet, während ein der Wärmeabfuhr dienender Wärmeaustauscher im Kopf des Kompressionszylinders selbst angeordnet ist:According to the invention this is achieved in that the regenerator is at the outer end of the compression cylinder arranged and only connected to the expansion cylinder via a short line is, at the head of which is connected to the connecting line for forwarding the useful cold A heat exchanger equipped end piece made of highly thermally conductive material, while a heat exchanger serving to dissipate heat in the head of the compression cylinder itself is arranged:
Eine solche Kältemaschine läßt sich mit sehr kleinen Abmessungen und einem sehr geringen Gewicht herstellen. Sie kann zusammen mit einem Elektromotor ein einheitliches Ganzes bilden. Eine äußere Gasquelle oder ein Kompressor werden nicht benötigt. Die Maschine verwendet keine Ventile, keine Expansionsstutzen oder Verengungen, so daß eine Blokkierung und sonstige betriebliche Probleme vermieden sind. Als einzelne Einheit ist sie in der Lage, Temperaturen bis zu —180° C zu halten.Such a refrigeration machine can have very small dimensions and a very low weight produce. Together with an electric motor, it can form a single whole. An outer one No gas source or compressor is required. The machine does not use any valves or expansion ports or constrictions so that blockages and other operational problems are avoided are. As a single unit, it is able to maintain temperatures down to -180 ° C.
Durch die besondere Anordnung der Wärmeaustauscher werden bei der Kältemaschine nach der Erfindung darüber hinaus noch eine Steigerung der Wärmeabfuhr und große Strömungsquerschnitte und damit ein guter Wirkungsgrad erreicht.Due to the special arrangement of the heat exchangers in the refrigeration machine after In addition, an increase in heat dissipation and large flow cross-sections and so that a good level of efficiency is achieved.
Vorzugsweise sind die Wärmeaustauscher als perforierte Platten ausgebildet.The heat exchangers are preferably designed as perforated plates.
Eine extrem kleine Rauniform erhält man, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Kurbelwelle in einem Gehäuse gelagert ist, das zugleich die Zylinder bildet und unmittelbar an einen die Kurbelwelle antreibenden Motor bzw. dessen Getriebe anschließt. An extremely small rough shape is obtained if, according to a further development of the invention, the crankshaft is mounted in a housing, which at the same time forms the cylinder and directly to the crankshaft connecting the driving motor or its transmission.
Vorzugsweise ist an das gekühlte Abschlußstück eine biegsame Leitung aus gut kälteleitendem Material angeschlossen.Preferably, a flexible line made of material with good cold conductivity is attached to the cooled end piece connected.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention will now be described in greater detail using an exemplary embodiment shown in the drawing explained.
F i g. 1 veranschaulicht die vier grundsätzlichen Stufen der Arbeitsweise des abgewandelten Stirling-Kreisprozesses; F i g. 1 illustrates the four basic stages of operation of the modified Stirling cycle;
F i g. 2 stellt ein theoretisches Indikatordiagramm hiervon dar;F i g. Fig. 2 is a theoretical indicator diagram thereof;
F i g. 3 zeigt schematisch ein Indikatordiagramm, wie es tatsächlich etwa erhalten wird;
ίο F i g. 4 zeigt, teilweise als Schnittansicht, eine
Kältemaschine nach der Erfindung.F i g. 3 schematically shows an indicator diagram as it is actually obtained;
ίο F i g. 4 shows, partly as a sectional view, a refrigeration machine according to the invention.
Der abgewandelte Stirling-Kreisprozeß, wie er durch die in F i g. 1 schematisch gegebene Darstellung der einzelnen Stufen veranschaulicht wird, besitzt ein Indikatordiagramm von der in F i g. 2 bzw. 3 gezeigten Form. Der ideale Kreisprozeß umfaßt die anschließend aufgeführten Stufen, wobei V das Volumen, P der Druck und T die Temperatur bedeutet und der Index c sich auf den Kompressionsraum und ao der Index E auf den Expansionsraum bezieht:The modified Stirling cycle as shown in FIG. 1 is illustrated schematically given representation of the individual stages, has an indicator diagram of the in F i g. 2 and 3 respectively. The ideal cycle comprises the following stages, where V is the volume, P is the pressure and T is the temperature and the index c refers to the compression space and ao the index E refers to the expansion space:
1. Isothermische Kompression des Gases in Vc, während Vn gleich Null ist. Die Kompressionswärme wird am Kopf des Kompressors bei der Temperatur Tc abgegeben;, im Idealfall kann der1. Isothermal compression of the gas in V c while V n is zero. The compression heat is given off at the head of the compressor at the temperature T c ; in the ideal case the can
a5 Prozeß als isothermisch betrachtet werden. In dem Indikatordiagramm gemäß F i g. 2 verläuft diese Stufe nach der isothermischen Kurve bei der Temperatur Tc von A bis B. a5 process can be considered isothermal. In the indicator diagram according to FIG. 2, this stage runs from A to B according to the isothermal curve at temperature T c.
2. Gastransport bei konstantem Volumen von Vc nach Vn und Volumenverminderung in V1.. 2. Gas transport at constant volume from V c to V n and volume reduction in V 1 ..
Während dieses Vorganges gibt das Gas, indem es einen Regenerator durchläuft, Wärme ab, so daß es bei der Temperatur Tn in Vn gelangt.During this process, the gas gives off heat by passing through a regenerator, so that it reaches V n at the temperature T n.
3. Isothermische Expansion des Gases in Vn mit Vc als Nullwert. Die durch die Expansion erzeugte Kälte ergibt Hitze, welche in dem Expander bei der Temperatur T11 absorbiert wird, so daß im Idealfall der Prozeß als isothermisch angesehen werden kann. In dem Indikatordiagramm verläuft diese Stufe als isothermische Kurve bei der Temperatur TF vom Punkt C nach dem Punkt D. 3. Isothermal expansion of the gas in V n with V c as zero value. The cold generated by the expansion results in heat which is absorbed in the expander at the temperature T 11 , so that in the ideal case the process can be regarded as isothermal. In the indicator diagram, this stage runs as an isothermal curve at temperature T F from point C to point D.
4. Gasübergang bei konstantem Volumen von Vf nach Vc. Bei dieser Stufe, die in dem Diagramm durch den isochoren Weg vom Punkt D nach dem Punkt A dargestellt ist, wird keine Arbeit verrichtet; dies wird erreicht durch gleichzeitige und gleichmäßige Abnahme von Vn und Zunahme von V1.. Während dieses Vorganges nimmt das Gas beim Durchgang durch den4. Gas transfer at constant volume from V f to V c . At this stage, represented in the diagram by the isochoric path from point D to point A , no work is done; this is achieved by a simultaneous and uniform decrease in V n and an increase in V 1 .. During this process, the gas decreases as it passes through the
Regenerator die dort während der Stufe 2 gespeicherte Wärme auf und gelangt bei der Temperatur T1. nach Vc. The regenerator uses the heat stored there during stage 2 and arrives at temperature T 1 . according to V c .
Die Erfindung bedient sich dieses Stirling-Kreisprozesses in entsprechend abgewandelter Form. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, besitzt die Kältemaschine nach der Erfindung einen Elektromotor 1, dessen Welle mit einem Reduziergetriebe 2 verbunden ist. Die mit reduzierter Geschwindigkeit umlaufende Ausgangswelle 3 dieses Getriebes ist mit dem einen Ende der Kurbelwelle 4 verbunden, deren anderes Ende 5 in einem Lager 6 ruht, das in einem zylindrischen, luftdichten Gehäuse 7 angeordnet ist„dessen Boden 8 auf dem Getriebegehäuse 2 befestigt ist. Die Kurbeln 9 und 10 auf der Welle 4 sind so angeordnet, daß die Kolbenstangen 11 und 12, die bei 9 bzw. 10 gelagert sind, annähernd harmonisch mit einem Phasenwinkel von etwa 90° hin- und hergehen.The invention makes use of this Stirling cycle in a correspondingly modified form. As can be seen from Fig. 4, the refrigerator has According to the invention, an electric motor 1, the shaft of which is connected to a reduction gear 2. The output shaft 3 revolving at reduced speed of this transmission is with the one End of the crankshaft 4 connected, the other end 5 rests in a bearing 6 which is in a cylindrical, Airtight housing 7 is arranged, "the bottom 8 of which is attached to the gear housing 2. the Cranks 9 and 10 on shaft 4 are arranged so that the piston rods 11 and 12, which are mounted at 9 and 10, respectively, almost harmoniously with one Go back and forth phase angle of about 90 °.
Claims (4)
Kolben 14 und 18 in den Zylindern 13 und 17 hin- Das Gehäuse und die Zylinder können aus dün- und herlaufen. Beide Zylinder sind von annähernd nem, rostfreiem Stahl hergestellt sein, während das gleichem Volumen; der Hauptkörper jedes Kolbens 50 Kühlende 20 und die biegsame Leitung 24 aus Kupfer befindet sich auf Kurbelgehäusetemperatur. Jeder bestehen können. Für die Packung im Regenerator 16 Kolben besitzt Kolbenringe und öldichtungsringe. wird vorzugsweise mit Blei plattierte Kupferwolle Der äußerste Teil 31 des Expansionskolbens 18 ist verwendet. Die Anwendung von Leichtmetallen, wie eine wärmeisolierte Verlängerung mit etwas Spiel- Aluminium, Magnesium und/oder Beryllium sowie raum zwischen sich und der Wand des Zylinders 17. 55 deren Legierungen, ist jedoch nicht ausgeschlossen.In operation, the machine with the working gas, the effective dead space is less than 0.25 times z. B. hydrogen or helium, at a pressure of the effective volume of the hotter cylinder, up to 30 at via the nozzle 27 and the valve 28 while the cooling efficiency is 93% or even filled. Then the plug is connected to a suitable more, provided that the head of the expan power source is connected to the engine 1 in 45 sion cylinders to provide the gas passages and ducts, the rotation, the through the reduction gear 2 regenerator and the upper part of the Expansion drives the crankshaft 4. This in turn allows the cylinders to be adequately isolated.
Pistons 14 and 18 in the cylinders 13 and 17 back. The housing and the cylinders can run out and back. Both cylinders are made of approximately nem, stainless steel, while of the same volume; the main body of each piston 50 cooling end 20 and flexible copper conduit 24 are at crankcase temperature. Anyone can pass. For the packing in the regenerator 16 piston has piston rings and oil seal rings. copper wool clad with lead is preferred. The outermost part 31 of the expansion piston 18 is used. The use of light metals, such as a heat-insulated extension with some play aluminum, magnesium and / or beryllium and space between itself and the wall of the cylinder 17, 55 their alloys, is not excluded.
zu komprimieren, befindet sich der Expansionskolben 18 stationär am äußersten Ende seines Hubes 1. Gaskältemaschine, insbesondere Kleinstgas-(Stufe I in F i g. 1 und Weg von A nach B in dem 60 kältemaschine, die nach dem abgewandelten Diagramm von F i g. 2). Wenn der Kompressions- Stirling-Kreisprozeß arbeitet, mit je einem Komkolben 14 sich weiter nach außen bewegt, beginnt pressions- und Expansionszylinder, die parallel sich der Expansionskolben 18 nach innen zu bewegen, zueinander angeordnet sind und in denen je ein so daß das komprimierte Gas aus dem Zylinder 13 mit jeweils einer Kolbenstange verbundener Komdurch die·Gasdurchgänge in der perforierten Platte 65 pressionskolben bzw. Expansionskolben ver-15 strömt, wodurch ein maximaler Wärmeübergang schiebbar ist, sowie mit einem zwischen die mit minimalem Druckverlust und minimalem totem Zylinder eingeschalteten Regenerator und mit Raum erreicht wird. Das erwärmte Gas gibt beim Wärmeaustauschern am Ende der Zylinder, wo-outwards begins to the gas in the cylinder 13 claims:
To compress, the expansion piston 18 is stationary at the extreme end of its stroke 1. Gas refrigeration machine, in particular ultra-small gas (stage I in FIG. 1 and path from A to B in the 60 refrigeration machine, which according to the modified diagram of FIG . 2). When the compression Stirling cycle is working, each with a com piston 14 moving further outward, begins compression and expansion cylinders, which move parallel to the expansion piston 18 inward, are arranged to one another and in each of which one so that the compressed gas from the cylinder 13, each with a piston rod, through the gas passages in the perforated plate 65, pressure piston or expansion piston flows, whereby a maximum heat transfer can be shifted, as well as with a regenerator connected between the with minimal pressure loss and minimal dead cylinder and with Space is achieved. The heated gas releases the heat exchangers at the end of the cylinder, where-
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