DE2225816A1 - Kühlsystem - Google Patents

Description

26, Mai 1972

Uns. Zeichen: A 126 ?2 - HD/La

Herr. Yoshihiro ISHIZAKI, 702, Yamanouchi, Kamakura-Shi, Kanagawa-Ken, Japan

Kühlsystem

Diese Erfindung "bezieht sich auf Kühlung und die dazu notwendigen Vorrichtungen, insbesondere auf ein neues und fortschrittliches Kühlsystem, das im wesentlichen eine nach dem Kirk-Zyklus arbeitende Kühlanlage enthält, die Kompressions- und Expansionskolben hat, welche mit getrennten Kurbelwellen verbunden sind und von diesen angetrieben werden, wobei diese für eine synchrone Rotation mit einem geeigneten Phasenwinkel mechanisch verbunden sind, und das weiter einen Kompressor enthält, der nach dem Joule-Thomson Zyklus arbeitet und in die Kühlanlage ganz eingebaut ist.

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Wenn der Sterling-Zyklus, im allgemeinen als innerer Zyklus in Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei einer Kühlanlage verwendet wird, wird der sich dabei ergebende thermo-dynamische Zyklus im allgemeinen Kirk-Zyklus genannt.

In den bisher bekannten Kühlanlagen mit dem Kirk-Zyklus wird der Kompressions- und Expansionskolben in jedem Falle von der gleichen Kurbelwelle angetrieben. Aus diesem Grunde treten bei diesen bekannten Kühlanlagen verschiedene Schwierigkeiten auf, wie etwa komplizierte Konstruktion, schwaches mechanisches Gleichgewicht und Zerstörung verschiedener Teile in kurzer Zeit. Da außerdem der Phasenwinkel zwischen den beiden Kolbenarten so eingestellt ist, um hinsichtlich der wirklichen Temperatur eine maximale Kühlung zu erhalten, war es bisher nicht möglich gewesen, einen maximalen mechanischen und thermischen Nutzeffekt zu erzielen.

Für die Übertragung des Kühlertrages oder zur Ausführung der Verflüssigung durch Wiedergewinnung des von der oben beschriebenen Kühlanlage erzeugten Kühlertrages war es bisher üblich gewesen, einen Kompressor und einen Wärmeaustauscher zu verwenden, deren Aufbau von der Kühlanlage getrennt war.

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7, _

Demgemäß erforderte die Vorrichtung zwei unabhängige Einheiten, v/o rau α sich mehrere weitere Schwierigkeiten ergaben, wie großen mechanischen Nachteil, niederer thermischer Wirkungsgrad, die Erzeugung von Vi-. brationen und Lärm, komplexe Plußwege, die Notwendigkeit, weden der unabhängigen Anordnung das Arbeitsgas der Kühlanlage bei einem vorbestimmten Druck von einem Speicher-Zylinder kontinuierlich zuzuführen, und eine große Bodenfläche und ein großes Gewicht.

Demgemäß ist es Aufgabe dieser Erfindung, die oben beschriebenen Schwierigkeiten, die bisher auftraten, zu überwinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Kühlsystem, welches eine mit einem Arbeitsmittel betriebene Hauptkühlanlage enthält, vorgesehen ist, in dem Expansions- bzw. Kompressionskolben mit getrennten Kurbelwellen verbunden sind, die für eine synchrone Rotation mit einem spezifischen Phasenwinkel mechanisch miteinander verbunden sind, und in dem eine geeignete Anzahl von Wärmeaustauschern, Regeneratoren .und Kältestationen zwischen !Expansions- und Kompressionsräumen eingebaut sind, in denen die Expansions- und Kompressionskolben arbeiten.

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BAD ORJG5NAL.

Die Erfindung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß in dem oben beschriebenen Kühlsystem die Kompressions- und/oder Expansionsräume einen Kompressor für die Komprimierung eines Mediums bilden, die das Arbeitsmittel der Kühlanlage und ein Ausgleichsmittel der Kolben darstellt und außerdem als Arbeitsmittel zum Nutzbarmachen der Kältemenge dient, die von der Kühlanlage produziert wird, um aufeinanderfolgende Abkühlungen in den zusätzlich in großer Anzahl vorgesehenen Wärmeaustauschern zu vollführen und einen Vorgang gemäß dem Joule-Thomson-Zyklus auszuführen, um dadurch einen Arbeitsgang zu vollziehen, der die Übertragung der entstehenden Kältemenge zu einer entfernten Stelle und die Verflüssigung des gasförmigen Arbeitsmittels umfaßt.

Die Erfindung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß ein Kühlsystem, wie oben beschrieben wurde, vorgesehen ist, in dem zusätzlich zur Hauptkühlanlage eine Kühlanlage vorgesehen ist, die eine auf dem Joule-Thomson-Zyklus basierende Vorkühlung durchführt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben Es zeigen:

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Pig. 1 schematisch, eine Seitenansicht in einem Längsschnitt, welche die wesentliche Anordnung und das Prinzip eines Beispieles einer dreiphasigen Kühlanlage zeigt, die einen wichtigen Teil des Kühlsystems gemäß dieser Erfindung darstellt;

Fig. 2A, 2B und 2C graphische Darstellungen, welche das Arbeitsprinzip der Kühlanlage der Erfindung zeigen;

Fig. 3 eine Stirnansicht in Richtung der Achsen der Kurbelwellen, in erster Linie im Querschnitt, die ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Fig. 4· ein Teilschnittbild, ähnlich der Fig. 3? das ein anderes praktisches Beispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 5 ein Teilschnittbild, ähnlich der Fig. 4·, das noch ein weiteres Beispiel der Erfindung zeigt; .

Fig. 6 ein Teilschnittbild, ähnlich der Fig. 4-, das ein weiteres praktisches Beispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 7 eine schematische Darstellung, welche ein Kühlsystem zeigt, in dem das in Fig. 6 dargestellte Beispiel als eine dreiphasige Kühlanlage ausgebildet ist.

Fig. 8 eine schematische Darstellung, die Wege und Vorrichtungen für die Flüssigkeitsleitung und Übertragung mechanischer Energie an einem Beispiel des Kühlsystems gemäß der Erfindung zeigt, in dem Paare Variabler Kompressions- und Expansionsräume einer dreiphasigen Kühlanlage, wie sie in den Figuren 1 oder 3 dargestellt ist, als ein Kompressor für den Joule-Thomson- Zyklus benutzt werden;

Fig. 9 eine teilweise schematische Darstellung, welche eine Abänderung des in Figur 7 gezeigten Systems darstellt;

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Fig. 10a bis 1Od sc-hematische Darstellungen, welche die Kolbenbewe^un/qen für eine Beschreibung des. ArbeitGorinzips einer auf dem umgekehrten Sterling-Zyklus basierenden Kühlanlage zeigen, und

Fig. 11 ein P-V Diagramm, welo'nes die Beziehung zwischen dem Druck P und dem Volumen V des Arbeitsmittels in dem oben erwähnten umgekehrten Sterling-Zyklus zeigt.

Da es einem vollen Verstehen des Wesens und des Zweckes dieser Erfindung dienlich ist, wird als erstes an Hand der Figuren 10 und 11 der umgekehrte Sterling-Zyklus und dessen Prinzip betrachtet.

Wenn sich der Kompressionskolben P von der Position (a) zur Position (b) bewegt (von der Position in Fig. 10 (a) zur Position in der Fig. 10 (b), wird das Arbeitsmittel in dem variablen Kompressionsraum V zusammengepreßt, und die während dieses Vorganges erzeugte Wärme durch einen Wärmeaustauscher H abgeführt, wodurch dieser Prozeß eine isothermische Kompression darstellt. Darauf, Vorgang von (b) zu (c), bewegen sich der Kompressionskolben P und der Expansions-Kolben Pg in der gleichen Richtung, und das sich im variablen Kompressionsraum V befindliche Arbeitsmittel wird in den variablen Expansionsraum Vg übergeführt. Während dieses zweiten Vorganges passiert das Arbeitsmittel einen Regenerator R

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^!'_b BAD ORIGINAL

und wird dabei von der Temperatur T auf die Temperatur ^T-p abgekühlt, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Als Folge davon nimmt der Druck ab. Beim anschließenden Vorgang von (c) zu (d), bewegt sich nur der Expansions-Kolben Pv,, und üc.s Arbeitsmittel dehnt sich innerhalb des variablen Expansionsraumes V^ aus und nimmt aus der Umgebung Wärme auf, wobei sie sich einer isothermischen Expansion bis zu dem Punkt (d) unterzieht.

Die Expansions- und Kompressions-Kolben P^ und P bewegen sich dann entgegengesetzt zur oben erwähnten Richtung, und es wird das Arbeits mittel des variablen Expansions-Raumes V-g durch den Regenerator R von T-r, auf T erhitzt und in den variablen Kompressions-

Sh C

raum V übergeführt, während sie sich einem bei konstantem

Volumen ablaufenden Verfahren von (d) zu (a) unterzieht, bei dem der Druck zunimmt.

Die in Fig. 1 gezeigte dreiphasige Kühlanlage besitzt zwei Kurbelwellen K. und Ko, wobei die Kurbelwelle K^ mit einem an der Außenseite des Kühlanlagen-Gehäuses angebrachten Motor M verbunden ist, von diesem angetrieben wird und durch gemeinsam ineinandergreifende identische Zahnräder G^ und G^, die fest an den Kurbelwellen K. und Kg angebracht sind, mit der Kurbelwelle Kp verbunden

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ist. Jede-dieser Kurbelwellen K- und Kp besitzt drei Kurbelzapfen.

Die drei Kurbelzapfen der Kurbelwelle K-sind durch Verbindungsstäbe B^, B_? und B^ mit den Kompressionskolben P-, P_c2 ^¹^- ^_c-z verbunden, die in den Kompressions zylindern A-, Ag und A , gleitend angebracht sind. Die drei Kurbelzapfen der Kurbewelle Kg sind durch Verbindungsstäbe B- , Bg und B, mit den Expansions-Kolben P ^, Pg und P , verbunden, welche gleitend in den Expansions zylindern A-, A^ ^un(i A , angebracht sind. Diese sechs Kolben werden in einer gleitenden Hin- und Herbewegung angetrieben, wie es unten genauer beschrieben wird.

Ein variabler Kompressionsraum V-, der am Zylinderkopf zwischen dem Kompressions-Zylinder A-

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und dem Kompressions-Kolben P_x, ausgebildet ist, ist über einen Wärmeaustauscher H^, eine Rohrleitung T^, einen Regenerator R_x. und eine Rohrleitung T. mit einem variablen Expansionsraum Y , verbunden, der am Zylinderkopf zwischen dem Expansions-Zylihder A ^ und dem Exparisions-Kolben P ,, ausgebildet ist. Auf ähnliche Weise sind andere variable Kompressionsräume Vp bzw. V-, in Kompressions-Zylindern Ap bzw. A₇ . über Wärmeaustauscher Hp bzw. H₇, Rohrleitungen Tp bzw. T,, Regeneratoren Rp bzw. R₇, und Rohrleitungen Tp bzw. T₇ mit variablen Expansionsräumen V ρ bzw. V-, verbunden.

Öie Köpfe der ExpansionsTZylinder A_x., A p, und A , sind mit Kälte-Stationen Q_x., Qp undQ, für die Erzeugung und Wiedergewinnung der Kälte oder Kühlung versehen. Die Kälte-Stationen CL, Qp und Q₇, die Regeneratoren R_x., Rp und R₇, und die Expansions-Zylinder

A „, A _o und A ., sind in einem Vakuum, einem thermisch el ed e?

isolierenden Gehäuse S, eingeschlossen.

Als nächstes wird die Arbeitsweise einer dreiphasigen Kühlanlage, wie sie oben beschrieben und in der Figur 1 dargesteLlt ist, an Hand der Figuren 2A, 2B und

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BAD

2C beschrieben, die graphisch durch Sinuskurven die Volumen-Anderungen der drei variablen Expansionsräume und der drei variablen Kompressionsräume wiedergeben, wobei auf der Abszisse der Rotationswinkel der Kurbelwelle
angegeben ist, und die Zeit in der Richtung nach rechts fortschreitet. Die Figuren 2A, 2B und 2C zeigen die
Systeme der variablen Expansionsräume und der variablen Kompressionsräume der drei Phasen der Kühlanlage. Der
zwischen den Kurven einer jeden Phase eingeschlossene
Teil stellt die Volumenänderung de.s Arbeitsmittels
dar, das innerhalb der entsprechenden Phase verdichtet wird, und die schraffierten Teile einer jeden Phase geben die Vorgänge bei konstantem Volumen wieder. Die Abkürzung "exp." bedeutet Expansion, "comp." bedeutet Kompression, "max." bedeutet maxinaler Wert eines jeden Volumens, und "min." bedeutet minimaler Wert eines jeden Volumens. Die Lücke zwischen min. und min. stellt ein "toteo" Volumen dar.

Das durch den Winkel von 120 bezeichnete IntervaLl ist die Phasendifferenz zwischen den drei ExpansionskoLben und, ähnlich, die Phasendifferenz zwischen den drei 5! Lon fiko Ib fin,

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M)OBb ) /U !Uli

Es ist offennichtlich, daß sich die Volumenänderung de« Arbeite« mittels dieser Kühlanlage aus den vier Änderungen oder Abläufen der Kompression, der Änderung "bei konstantem Volumen, der Expansion und der Änderung "bei konstantem Volumen zusammensetzt. Die Phasendifferenz zwischen dem minimalen Wert des Volumens des variablen Expansionsraumes und dem minimalen Wert des variablen Kompressionsraumes ist mit OC "bezeichnet. Der variable Expansionsraum V ist durch den Winkel (X relativ

zum variablen Kompressionsraum V vorgeschoben. Dieser Winkel <x ist der Winkel zwischen dem Zustand., bei dem der Expansionskolben P ^, seine höhere Position einnimmt, und dem Zustand, "bei dem der Kompressionskolben P . daran anschließend seine höchste Position erreicht hat, wie in Fig. 1 gezeigt ist* Dieser Winkel ex wurde mit einem Wert von angenähert 110° in Fig. 2 gewählt.

Als nächstes wird der Mechanismus der Erzeugung von Kälte oder Kühlung an Hand der Phase B der Fig. 2 beschrieben. Die Kompression beginnt bei der Stelle (i) des variablen Kompressionsraumes V p. Da sich der variable Expansionsraum V ρ zu dieser Zeit in Richtung abnehmenden Raumvolumens ändert, wird aas Arbeitsmittel , das sich fast ganz in dem variablen Kompressionsraum Vp "befindet,

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einem schnellen Anwachsen des Druckes unterworfen.

Wenn die Kompression den Punkt (ii) erreicht, geht die Änderung des Volumens von V₂ ^{in die} Richtung des Anwachsens entgegen zu der von Vp über, wodurch das in V ρ zusammengepreßte Arbeitsmittel beginnt nach Vp überzugehen. Das heißt, das Arbeitsmittel unterzieht sich einem Wechsel bei konstantem Volumen und bewegt sich durch den Regenerator Rp nach V p.

Bei einer Winkelposition (iii), bei der der variable Kompressionsraum V ₂ sein Minimum und der Kompressionskolben B ρ seine höchste Position erreicht hat, befindet sich fast das ganze Arbeitsmittel innerhalb von Vp. Von diesem Punkt aus beginnt die.Expansion, und V ρ ändert sich in seiner anwachsenden Richtung. Das heißt, der Kompressionskolben P₂ beginnt herabzusinken, während der .Expansionskolben P₂ auch beginnt sich herabzubewegen, wobei das Volumen von V ₂ schnell zunimmt. Demzufolge beginnt die Ex- . pansion, und das Arbeitsmittel unterzieht sich einer adiabatischen Expansion und erzeugt Kälte oder Kühlung bei der Kältestation Q₂. Wenn der Arbeitspunkt (iv) erreicht ist, ändert sich V~ in seiner abnehmenden Richtung, und das ,in ■ V_e2 abgekühlte Arbeitsmittel beginnt sich aus diesem

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Grunde nach V ρ zu bewegen. Wenn dann der Vorgang den Punkt (i) erreicht hat, ist dieser Zyklus vollendet.

Während ein Ablaufzyklus in Bezug auf die Phase B oben beschrieben wurde, wird genau der gleiche Zyklus in jeder der Phasen A und C mit einer dazwischen liegenden Phasendifferenz von 120 ausgeführt, wobei der gesamte Ablauf der einer dreiphasigen Kühlanlage ist.

In einem in·Fig. 3 dargesteilten spezifischen und praktischen Beispiel der Erfindung enthält der Kompressionsmechanismus im wesentlichen eine von einem Motor (nicht gezeigt) angetriebene Kurbelwelle 1L·, einen Führungskolben 71? einen Verbindungsstab B, der den Kurbelzapfen der Kurbelwelle K. und einen Anlenkbolzen des Führungskolbens 71 verbindet, einen Kompressionskolben P , und eine Kolben-

stange 72, die den Führungskolben 71 mit dem Kompressionskolben P verbindet. Der Kompressionskolben P und der Führungs-

O C

kolben 71 sind in vertikalen und koaxialen Zylindern gleitend angebracht, die an seitlichen Teilen (linke Seite in Fig. 3) des Zylinderblocks CB ausgebildet sind, und die Kurbelwelle K. ist horizontal und drehbar in einem Kurbelgehäuse angebracht, welches unterhalb und neben dem Zylinderblock CB liegt. So überträgt die Kurbelwelle K_x.

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auf den Kompressionskolben P eine Hin- und Herbewegung und ändert damit das Volumen des Kompressionsraumes V . zwischen dem Kopf des Kolbens P und dem Kopf des Zy-

linders.

Ein fest an der Kurbewelle K. angebrachtes Zahnrad greift in ein Zahnrad G₀, das die gleiche Anzahl von Zähnen "besitzt und an einer zweiten Kurbelwelle K₀ parallel zur ersten Kurbelwelle K_-1 befestigt ist, wodurch die Kurbelwelle Kp angetrieben wird. Diese Kurbelwelle Kp stellt einen Teil eines Expansionsmechanismus dar, dessen Aufbau dem oben beschriebenen Kompressionsmechanismus ähnlich ist, und der an der entgegengesetzten Seite (rechte Seite der Fig. 3) des Zylinderblocks CB und des Kurbelgehäuses angebracht ist. Das heißt, die Rotation der Kurbelwelle K₀ wird durch einen Verbindungsstab B ,

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einen Pührungskolben 73 ■> und eine Kolbenstange 74- auf einen Expansionskolben P übertragen und veranlaßt diesen Expansionskolben,eine Hin- und Herbewegung auszuführen und dabei einen Expansionsraum V ^ zwischen dem Kopf des Kolbens P und dem Kopf des Zylinders zu variieren.

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Es ist somit offensichtlich, daß die Phasendifferenz CX zwischen dem variierbaren Kompressionsraum

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V und dem variierbaren Expansionsraum V geeignet ge-

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wählt werden kann, indem man die die Winkel festlegenden Stellungen der Zabiräder G- und G₀ an deren Kurbelwellen Ky. und Kp verstellt.

Kühlwasser-Führungen 75 sind in dem Zylinderblock CB rund um die Zylinderteile ausgebildet, die die gleitenden Kompressions- und Expansionskolben P und P aufnehmen,um Kühlwasser für. die Abführung der Wärme zu leiten, die in dem variablen Kompressionsraum V zur Zeit der Kompression des Arbeitsmittels erzeugt wird, und um außerdem einen Wärmeaustauscher H zu kühlen, der in dem Zylinderblock CB über dem Kompressions-Zylinder angebracht ist.

Die Führungskolben 71 bzw. 73 sind mit Kolbenringen 76 versehen, während die Kompressions- und Expansions-Kolben P bzw. P mit Gasdichtungsringen 77 ver-

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sehen sind. Stopfbüchsen 78 und 79 sind in Wandteilen des Zylinderblocks CB zwischen dem Kompressionszylinder und dem Pührungszylinder des Pührungskolbens 71 und zwischen dem Expansionszylinder und dem Pührungszylinder des Pührungskolbens 73 angebracht und umgeben die Kolbenstangen 72 bzw. 74-. frber diesen Stopfbüchsen sind ko-

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axial Gasd'ichtungsringe SO vorgesehen, und unter dienen Stopfbüchsen sind koaxial Kihrungsbuclisen S1 vorgesehen.

Die Stopfbüchsen 78 und 79 sind durch eine. Leitung kommunizierend mit dem Inneren des Kurbelgehäusen verbunden, wobei in einem Zwischenteil der Leitung ein Ganreiniger und ein Druckregulator 82 vorgesehen ist, der eine Verunreinigung und Übertragung des Arbeitsmittels zwischen den variablen Kompressions- und Expansionsräumen verhindert und das Arbeitsmittel reinigt und gleichzeitig den Druck innerhalb der Stopfbuchsen und des Kurbelgehäuses reguliert.

In einem Zwischenteil der die variablen Kompressions- und Expansionsräume V und V verbindenden Rohrleitung ist ein Regenerator R vorgesehen, der den Wärmeaustausch ausführt, der die "übertragung des Arbeitsmittels begleitet. Dieser Regenerator R ist mit Metallnetzen oder Metällkugeln ausgefüllt. In der oben erwähnten Rohrleitung und in der ITähe des Ausganges des Raumes V ist ein Puffertank BM- mit einem dazwischenliegenden druckregulierenden Ventil 83 vorgesehen. Dieser Puffertank 84 soll den Druck des Arbeitsmittels in Übereinstimmung nit der Kühltemperatur und der Kühlungskapazität der

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Kühlanlage regulieren.

Die Durchmesser und die Hubräume der Kompressionsund Expansions-Kolben sind nicht notwendig gleich groß und sind, ähnlich wie bei dem Problem der Festlegung der Differenz CX der entsprechenden Phasen, durch Faktoren festgelegt , wie Beschaffenheit des Arbeitsmittels , Belastungsdruck des Arbeits.mittels , Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwellen, Kühlungstemperatur und Kühlungs-Kapazität. Gewöhnlich wird der Durchmesser des Expansionskolbens kleiner gemacht.

Ein anderes Beispiel dieser Erfindung ist, wie in Fig. 4 dargestellt ist, eine Kühlanlage vom doppelwirkenden Typ. Diese Kühlanlage unterscheidet sich von der oben beschriebenen und in Fig. 3 gezeigten darin, daß Volumina an zwei Plätzen, d. h., variable Kompressionsräume V_n und V_rto durch die Einrichtung eines einzelnen c ca

Kompressionskolbens P geändert werden, und daß auf ahnliehe Weise variable Expansionsräume V und V an zwei

e ea

Stellen durch einen einzigen Expansionskolben P variiert

werden. In jeder weiteren Hinsicht ist der Aufbau dieser Kühlanlage im wesentlichen der gleiche wie der in dem vorhergehenden und in Fig. 3 gezeigten Beispiel, weshalb

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. 2098B1/078B

eine Wiederholung der Beschreibung unterlassen wird.

Die Räume V und V und die Räume V und V zusammen mit den Regeneratoren R und R , Wärmeaustauschern H und H , und Kältestationen Q und Q stel3.en

a a

eine zweiphasige Kühlanlage dar, wobei "Kälte" oder Kühlung bei oeäer Kältestation Q und Q erzeugt wird.

el

Wenn die Temperatur der Kältestation Q niedriger als die der Kältestation Q wird, wird, um eine

noch niedrigere Temperatur zu erreichen, die bei der

Kältestation Q_ erzeugte "Kälte" oder Kühlung dazu beta.

nützt, um den zwischen den Raum V\ und den Raum V ange-

c β

brachten Regeneratoren R vorzukühlen.

In einem weiteren, in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung sind ein Regenerator R und ein Wärmeaustauscher H in einem Zwischenteil der Rohrleitung angebracht, welche die variablen Räume in den Zylindern eines Expansionskolbens P und eines Korn-

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pressionskolbens P_ verbindet, die mit einem bestimmten Phasenwinkel zu einer Hin- und Herbewegung angetrieben werden und dadurch Kühlung bei einer Kältestation Q erzeugen. Diese Merkmale sind genau die gleichen wie jene

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» ft».

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bei den vorhergehenden Beispielen. In dem vorliegenden Beispiel ist jedoch ein Mechanismus vorgesehen, "bei dem die Hin- und Herbewegung des Kompressionskolbens P weiter dazu benutzt wird,um "Kälte" oder Kühlung an die Außenseite der Kühlanlage zu übertragen.

Ein Einlaßventil 85 und ein Auslaßventil 86 sind im Kopf des KompressionsZylinders des Kompressionskolbens P vorgesehen und bilden dadurch eine Pumpkammer 87 für die Wärmeübertragung. Zusätzlich ist ein Kühler H, Gegenfluß-Wärmeaustauscher 88 und 89· ein Wärmeaustauscher 90 für die Durchführung des Wärmeaustausches mit der Kältestation Q, ein Joule-Thomson-Ventil 91 und ein Kühlobjekt 92 vorgesehen.

Der wärmeübertragende Mechanismus dieser Erfindung arbeitet in der folgenden Weise. Während der Abwärtsbewegung des Konpressionskolbens P wird das Auslaßventil

86 geschlossen, während das Einlaßventil 85 geöffnet wird, wobei die kühlende Arbeitsflüssigkeit in die Pumpkammer

87 gezogen wird. Während der Aufwärtsbewegung des Korapres sions-KoIbens P kehren sich die Zustände der Ventile um, d. h., das Einlaßventil 85 wird geschlossen,während das Auslaßventil 86 geöffnet wird, wobei die Arbeits-

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flüssigkeit ausfließt.

Die so ausgeflossene Flüssigkeit wird durch den Kühler H gekühlt und dann, nach dem Passieren des Gegenfluß-Wärmeaüstauschers 88, des Wärmeaustauschers 90 für den Wärmeaustausch mit der Kältestation Q, und des Gegenfluß-Wärmeaustauschers 89 für den Wärmeaustausch, schließlich einer Joule-Thomson Expansion durch das Joule-Thomson Ventil 91 unterzogen. Als Ergebnis wird "Kälte" "bei einer noch niedrigeren Temperatur zu dem äußeren Teil der Ummantelung S für die Vakuum-Isolation übertragen, wobei das Kühlobjekt 92 gekühlt wird.

Die Arbeitsflussigkeit, die ihren Zweck, nämlich das Kühlobjekt zu kühlen, erreicht hat, wird durch die Leitung auf der Rückseite veranlaßt, durch die Gegenfluß-Wärmeaustauscher 89 und 88 in umgekehrter Richtung zu fließen und sich einem Wärmeaustausch zu unterziehen.und wird nach dem Passieren des Einlaßventiles 85 wieder in die Pumpkammer 87 gezogen. Auf diese Weise ist es möglich, durch Wiederholung des oben beschriebenen Ablaufzyklus das Kühlobjekt 92 in einer ununterbrochenen Weise zu kühlen. Pumpvorrichtungen P können zusätzlich vorgesehen werden, wie durch einfach gestrichelte Linien angezeigt ist.

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Ein weiteres in Fig. 6 gezeigtes Ausführungsbeispiel der Erfindung weicht von dem oben beschriebenen und in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel darin ab, daß der Expansionskolben und der Regenerator zusammengebaut sind und eine Kombination EP bilden. In jeder ande-

ren Hinsicht des Aufbaus und des Betriebes ist dieses Beispiel ähnlich dem in Fig. 5 gezeigten, weshalb eine Beschreibung nicht wiederholt wird. Eine Pumpvorrichtung P kann zusätzlich vorgesehen werden, wie durch die gestrichelte Linie, ähnlich wie in dem in Fig. 6 dargestellten Fall, angezeigt ist.

Ein Beispiel eines Systems, in dem die Beispiele der Figuren 5 und 6 als dreiphasige Kühlanlagen angeordnet sind, ist in Fig. 7 dargestellt. Da eine Beschreibung des Aufbaus und des Ablaufes einer mehrphasigen Kühlanlage schon durchgeführt wurde, wird sie nicht wiederholt.

Die Größe eines jeden ExpansionsZylinders ist aufgrund der erforderlichen Temperatur festgelegt, und in dem Fall, in dem eine sehr niedere Temperatur hergestellt werden soll, ist der Zylinder sehr lang gemacht. In dem in Fig. 7 dargestellten System ist die Temperatur. der Kältestation Q₂ niedriger als die von CL. Das in ei-

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nem Kompressor 100 auf einen hohen Druck zusammengedrückte Plelium passiert eine Rohrleitung 101 und gelangt in einen Gegenfluß-Wärmeaustauscher 102, wo es durch gekühltes IJiederdruck-IIelium 103 in der Rückleitung gekühlt wird. Das so gekühlte Helium wird weiter durch die Kältestation gekühlt und gelang in einen Gegenfluß-Wärmeaustauscher

Wenn dieser Vorgang hintereinander mit den Gegenfluß-Wärmeaustauschern 104-, 105 und 106 und den Kältestationen Qo und Q-, ausgeführt ist, ist das· Helium auf eine Temperatur unterhalb 6° K abgekühlt, und der abgekühlte Stoff wird durch eine Rohrleitung 107 nach außerhalb der Kühlanlage übertragen, wobei das Hochdruck-Helium durch ein Joule-Thomson Ventil 108 ausgedehnt wird. Das so verflüssigte Helium besitzt eine Temperatur von 4-,2° K, und veranlaßt, daß ein Objekt 109 durch einen Wärmeaustauscher 110 abgekühlt wird, und kehrt dann zum Kompressor 21 zurück, nachdem es die Gegenfluß-Wärmeaustauscher 106, 105, 104- und 102 und weiter ein Gebläse oder eine Vakuumpumpe 111 passiert

/b,e

hat. In Fig. 7 bezeichnet die Zahl 112 einen Gasm&Lter, und das Zeichen S,. ein thermisch isoliertes Vakuum-Gehäuse.

Fig. 8 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem Paare eines variablen Kompressions-

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raumes V und eines variablen Expansionsraumes V ei-

C ' Θ

ner dreiphasigen Kühlanlage, wie sie in den Pig. 1 und 3 gezeigt ist, als Kompressor für einen Joule-Thomson-Zyklus verwendet werden. Diese Schaltung besitzt folgende Einzelheiten.

Wie in Fig. 8 dargestellt, ist ein elektrischer Motor M an eine Kurbelwelle K_x. gekoppelt, die durch Verbindungsstäbe 3 und Kolbenstangen 5, die durch Bolzen K drehbar miteinander verbunden sind, an die Kolben P_x., P 2 und Pp angelenkt ist und diese Kolben zu einer vertikalen Hin- und Herbewegung veranlaßt. Die Kurbelwelle K. und eine weitere Kurbelwelle Ko sind durch die eine gleiche Anzahl von Zähnen besitzenden ineinander greifenden Zahnräder Qy. undG₂ miteinander verbunden, die an den Enden dieser Kurbelwellen, ähnlich wie in den vorhergehenden Beispielen, fest angebracht sind. Die Kurbelwelle K~ ist durch die Verbindungsstäbe 9, Bolzen 10 und Kolbenstangen 11 mit den Kolben P •., Pp und P_x, verbunden und veranlaßt diese Kolben zu einer vertikalen Hin- und Herbewegung.

Das in der Figur 8 innerhalb der strichpunktierten Linie eingeschlossene System ist das einer Kühlanlage mit dem Kirk-Zyklus, welche auf dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip beruht. Der variable Kompressionsraum V ^ in dem

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Kompressionszylinder A^ ist über eine Rohrleitung 13, einen Wärmeaustauscher EL, eine Rohrleitung 14, einen Regenerator R. und eine Rohrleitung 15 mit dem variablen Expansionsraum V ,, in dem Expansionszylinder A . kommunizierend verbunden. In ähnlicher Weise ist der variable Kompressionsraum V₂ i-^m anderen Kompressionszylinder Ap über eine Rohrleitung 16, einen Wärmeaustauscher Hp, eine Rohrleitung 17, einen Regenerator Rp und eine Rohrleitung 18 mit dem variablen Expansionsraum V _o im Expansionszylinder A ρ kommunizierend verbunden.

Die Teile mit den Bezugszeichen Q. und Q« an den Kopfenden der variablen Expansionsräume V ^ und V ρ sind Kältestationen für die Erzeugung und Wiedergewinnung von "Kälte". Die Phasenwinkel zwischen dem Kompressionskolben Ty. und dem Expansionskolben P . und zwischen dem Kompressionskolben P ρ und dem Expansionskolben P ρ können geeignet gewählt werden, indem man die ineinander greifenden Zahnräder G^ und Gp verstellt, welche an den Kurbelwellen K. und Kp fest angebracht sind.

Das in Fig. 8 in der strichpunktierten Linie, 21 enthaltene System ist das eines dreistufigen Kompressors

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zum Ausführen des Joule-Thomson-Zyklus. Die variable Kompressionskammer V. im Kompressorzylinder der ersten Stufe A. ist über ein Auslaßventil 22, eine Rohrleitung 23, einen Wärmeaustauscher 24-, eine Rohrleitung 25.und ein Einlaßventil 26 mit der variablen Kompressionskammer Vp im Kompressionszylinder A₂ der zweiten und dritten Stufe kommunizierend verbunden. Die variable Kompressionskammer Vp ist über ein Auslaßventil 27, eine Rohrleitung 28, einen Wärmeaustauscher 29, eine Rohrleitung 30 und ein Einlaßventil 31 mit der variablen Kompressionskammer V~ kommunizierend verbunden.

Diese variable Kompressionskammer Vp_a i-^s"k über ein Auslaßventil 32, eine Rohrleitung 33? einen Wärmeaustauscher 34, eine Rohrleitung 35»einen Gegenfluß-Wärmeaustauscher 36» einen an der Kältestation Q. befestigten Wärmeaustauscher 37 ■> einen Gegenfluß-Wärmeaustauscher 38, einen den Wärmeaustausch mit der Kältestation Q₂ dienenden Wärmeaustauscher 39·> einen Gegenfluß-Wärmeaustauscher 40 und einer Rohrleitung 41 mit einem Joule-Thomson-Ventil 42 kommunizierend verbunden.

Das Arbeits. mittel ι das eine noch tiefere Temperatur am Joule-Thomson-Ventil 42 erzeugt hat, ist

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über einen Kühlabschnitt 43, ein Auf-Zu-Ventil 44, die Gegenfluß-Wärmeaustauscher 40, 38 und 36, eine Rohrleitung 45 und ein Einlaßventil 46 mit einer variablen Kompressionskammer Yy. in dem Kompressionszylirider A. der ersten Stufe kamrr.uni zier end verbunden. Ein Uberbrückungsventil 47 ist in der Rohrleitung 41 vorgesehen, um die Temperatur am Eingang des Joule-Thomson-Ventils 42, d. h., die Temperatur der Rohrleitung 41, festzustellen und um daraufhin die Überbrückungsschaltung des Joule-Thomson-Zyklus zu öffnen oder zu schließen.

Der kälteerzeugende Teil der Kühlanlage mit dem Kirk-Zyklus und die Gegenfluß-Wärmeaustauscher der Joule-Thomson-Schaltung sind in einem Vakuum-Isolationsgehäuse S eingeschlossen und thermisch isoliert, um von außen ein Eindringen der Wärme zu verhindern.

Die Kammern V ^ und Vp in den Kompressionszylindern A y. und A 2 üben einen Druck zurück auf die Kompressionskolben P ^ und P ρ aus und halten ihr optimales mechanisches dynamisches Gleichgewicht aufrecht. Gleichzeitig sind diese Kammern V y, und Vp über Rohrleitungen 49, 50 und 51 mit der Auslaßleitung 28 der zweitstufigen Kompressionskammer Vp kommunizierend ver-

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Runden, um au verhindern, daß das Schmieröl für die La- "· gerung der Kurbelwelle K^ und des Bolzens U- aufsteigt. Auf ähnliche Weise sind die Kammern V,* , V * und Y p. in den Zylindern A^, A ^ und A ^ über Leitungen 52, 53 und 54- mit der Auslaßleitung 23 des Kompressionszylinders A^ der ersten Stufe verbunden.

Zusätzlich ist ein Puffertank öder ein Gasbehälter 55 über ein Sperrventil 56 mit der Leitung 45 verbunden und weiter über ein Sperrventil 57 mit einem Hochdruck-Gastank (nicht gezeigt) verbunden, wodurch das Arbeits mittel für die Kühlung zugeführt werden kann, Darüberhinaus ist ein Sicherheitsventil 58 vorgesehen, damit der Druck des Gasbehälters 55 j wenn er einen vorbestimmten Druck überschreitet, in die Atmosphäre abgelassen werden kann.

Ein anderer Puffertank 59 ist über ein Sperrventil 60 mit der Rohrleitung 35 und über ein Sperrventil 61 mit einem außerhalb gelegenen Gefäß (nicht gezeigt) und anderen Teilen für die Versorgung komprimierter Arbeits mittel verbunden. Darüberhinaus sind druckregulierende Ventile 62 und 63 für die Aufrechterhaltung der Drücke innerhalb der Rohrleitungen 14- und 17 inner-

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halb vorbestimmter Druckbereiche vorgesehen und entsprechend an Zwischenpunkten in der Bohrleitung angebracht, wobei sie ein mit dem oben erwähnten Puffertank 59 verbundenes Sperrventil 68 an die Rohrleitungen 14- und 17 anschalten.

Die zur Auslaßleitung 23 eier erststufigen Kompressionskammer V^. führende Leitung 53? die zur Auslaßleitung 28 der zweitstufigen Kompressionskammer Vp führende Leitung 50 und die Auslaßleitung 35 eier Kompressionskammer V, der dritten Stufe sind über Sicherheitsventile 64, 66 und 65» welche auf geeignete Arbeitsdrücke eingestellt sind (festgelegt auf den Über druck), gemeinsam mit der Niederdruck-Kückschaltung 4-5 des Joule-Thomson-Zyklus verbunden. Zusätzlich ist ein Überbrückungsventil 67 zwischen den Rohrleitungen 35 4-5 angebracht.

Das Kühlsystem mit dem oben beschriebenen Aufbau gemäß dieser Erfindung arbeitet in der folgenden Weise.

In der Kühlanlage 12 mit dem Kirk-Zyklus nimmt das in den variablen Kompressionsräumen V ^ und V ~

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zusammengedrückte Kühlmittel (hauptsächlich Helium) während des Kompressionsvorganges Kompressions-wärme auf, die in&ie Wärmeaustauscher 11,, und 11p abgeführt wird. Das Kühlmittel wird weiter auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt, wenn es durch die Regeneratoren 1L· und Rp hindurchläuft und sich in den variablen Expansionsräumen V ^l und Vo ausdehnt, um Kälte zu erzeugen und dabei das abzukühlende Objekt an den Kältestationen Q^ und Qp kühlt. Das Kühlmittel läuft dann durch die Regeneratoren und kehrt zu den variablen Kompressionsräumen V ,, und V_cp zurück.

Als nächstes wird der Vorgang in der Schaltung des Joule-Thomson-Zyklus betrachtet. In dem dreistufigen Kompressor 21 gibt das durch den Kompressionskolben P^ der ersten Stufe zusammengedrückte Kühlmittel (hauptsächlich Helium) seine Kompressionswärme an den Wärmeaustauscher 24 ab und gelangt in den Kompressor A₂ der zweiten Stufe. Auf ähnliche Weise wird das in der Kompressionskammer Vp komprimierte Kühlmittel durch den Wärmeaustauscher 29 gekühlt, und das in der Kompressionskammer V^ der dritten Stufe auf einen noch höheren Druck komprimierte Kühlmittel durch den Wärmeaustauscher 34- gekühlt, wobei das so komprimierte und gekühlte Kühlmittel durch

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die Rohrleitung 35 geschickt wird. Das komprimierte Gas wird dann durch die Wärmeaustauscher 36, 37? 38? 39 und 4-0 auf eine sehr niedrige Temperatur weiter abgekühlt , erreicht das Joule-Thomson-Ventil 4-2 und dehnt sich dort aus, um dabei eine noch tiefere Temperatur zu erreichen und sich zu verflüssigen.

Das auf diese Temperatur abgekühlte Kühlmittel nimmt in dem Wärmeaustauscher 4-3 für den Wärmeaustausch mit der Außenseite Wärme auf. Nach dem Passieren der Gegenfluß-Wärme-Austauscher 4-0, 38 und 36, bei dem der Reihe nach das oben erwähnte Kühlmittel bei hohem Druck

gekühlt wird, gelangt das Kühlmittel, das auf diese Weise Wärme aufgenommen hat, durch das Einlaßventil des KompressionsZylinders A^. der ersten Stufe in den variablen Kompressionsraum V_x, „

Für den Fall, daß der Ausströmdruck in der ersten, zweiten oder dritten Stufe aus irgendwelchen unerwarteten Gründen auf einen ungewöhnlich -hohen Druck ansteigt, bewirkt das zuständige Sicherheitsventil unter den Sicherheitsventilen 64, 65 und 66, die auf einen geeigneten Entlastungsdruck eingestellt sind, daß das Kühlmittel in den Niederdruck-Schaltkreis 35 auf der Rückseite abgelassen wird.

/ ο y θ ^c; ι / υ ν β ι

Die Kühlanlage mit dem ■ Kirk-Zyklus kann über ·. die Rohrleitung 35 mit dem Kühlmittel gespeist werden, indem die Halteventile 60 und 68 geöffnet werden. Es ist auch möglich, der Kühlanlage 12 mit dem Kirk-Zyklus Kühlmittel ' zuzuführen, indem das Sperrventil 60 geschlossen', wird und das Kühlmittel von einem außerhalb gelegenen Hochdruck-Gastank (nicht gezeigt) durch das Ventil 61 zugeführt wird, unabhängig von dem Kompressor 21 für den Joule-Thomson-Zyklus.

Das Überbrückungsventil 47 des Joule-Thomson-Zyklus ist in der Lage, die Temperatur zwischen dem Wärmeaustauscher 40 und dem Ventil 42 festzustellen und, abhängig von dem Wert dieser Temperatur bezüglich zur festgelegten Temperatur, das Kühlmittel umzuleiten. Venn die Temperatur des Kühlmittels niedriger wird als die festgelegte Temperatur, kann dieses Überbrückungsventil 47 im allgemeinen geschlossen werden, wobei dann das Kühlmittel für das erste durch das Joule-Thomson-Ventil 47 hindurchläuft ,und es kann eine noch tiefere Temperatur zusammen mit der Verflüssigung des gasförmigen Kühlmittels erreicht werden.

In einer in Fig. 9 dargestellten Abänderung des vorhergehenden Beispieles ist zwischen der Kompressions-

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kammer V^ der dritten Stufe und dem Gegenfluß-Wärmeaustauscher 36 zusätzlich eine vorkühlende Schaltung eingefügt. In der vorkühlenden Schaltung wird eine Kühlanlage 69 "benutzt, der en Aufbau von dem Haupt syst em getrennt ist und einen hervorragenden Wirkungsgrad bei einer relativ hohen Temperatur "besitzt, wobei durch die Einrichtung der Wärmeaustauscher 70 und 71 eine Vorkühlung der Arbeitsflüssigkeit mit dem Joule-Thomson Zyklus ausgeführt werden kann und dadurch der Wirkungsgrad des Hauptzyklus verbessert wird.

Bei der Anwendung dieser Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, wird eine sogenannte Kühlanlage mit dem Kirk-Zyklus verwendet, die einen Kompressionsteil, einen Expansionsteil, Wärmeaustauscher und Regeneratoren enthält und in der Kompressionskolben und Expansionskolben mit gesonderten Kurbelwellen verbunden sind, die durch Zahnräder miteinander gekoppelt sind, welche so ineinander gesetzt werden können,₍ daß ein Phasenwinkel zwischen den beiden Kolbenarten besteht und dadurch maximale Kühlung hinsichtlich der tatsächlichen Temperatur erhalten wird. Darüberhinaus kann die Arbeit des Kühlmittels während des Kühlbetriebes durch den Expansionskolben wieder gewonnen und der Seite der Antriebsvorrichtung zurückge- ' geben werden, wobei ein maximaler thermischer und mecha-

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nischer Wirkungsgrad erreicht werden kann.

Bei der Verwendung einer Kühlanlage mit dem Kirk-Zyklus, wie oben "beschrieben, für die vorkühlende Schaltung eines Joule-Thomson-Zyklus ist es möglich, das Eindringen der Schmiermittel in die Arbeits mittel

zu verhindern, dadurch daß der erststufige oder mehrstufige Kompressor für den oben erwähnten Joule-Thomson- Zyklus und überdies eine geeignete Anzahl von Kühlanlagen mit dem Kirk-Zyklus als einheitliche "Vorrichtung angeordnet sind, daß das durch den oben erwähnten Kompressor auf einen hohen Druck komprimierte Kühlmittel für den Joule-Thomson-Zyklus als Arbeitsmittel ' für die Kühlanlagen mit dem Kirk-Zyklus versorgt wird, daß ein rückwärtsgerichteter Druck auf die sich hin und her bewegenden Kolben angewendet wird, daß der optimale mechanische und dynamische Ausgleich aufrechterhalten wird, und daß zusätzlich der oben erwähnte Rückdruck höher als der Druck innerhalb des Kurbelgehäuses gemacht wird.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, schafft diese Erfindung ein Kühlsystem, welches folgende Merkmale aufweist, die durch herkömmliche Kühl-

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anlagen nicht erhalten werden können. Das Erfindung3-cyctem verwendet eine Mehrzahl von Zylindern, und die Phasenwinkel können leicht und in geeigneter V/eise so gewählt v/erden, daß ein maximales Küli.lergebnis (oder Kühlkapazität) hergestellt werden kann. Zusätzlich "besitzen die Kompressoren und Kühlanlagen einen gemeinsamen Aufbau. Diese Merkmale gewähren in ihrer Kombination, daß ein sehr hoher thermischer Wirkungsgrad, leise Kühlanlagen mit sehr kleinen mechanischen Schwingungen und wenig Lärm, und Langlebigkeit der mechanischen Teile erreicht wird.

Zusätzlich gibt es nur geringe oder keine Verunreinigung des Kühlmittels , wodurch die Wartung erleichtert wird. Außerdem wird eine Verkleinerung in der Größe, im Gewicht, in der Anzahl der Teile und im Preis des Systems möglich, und die Zuverlässigkeit beim Betrieb nimmt zu.

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Claims (3)

1. ; - 35 -

   PATENTANSPRÜCHE

   Iy Mehrphasiges Kühlsystem mit einer Hauptkühlanlage, die mit einem Arbeitsmittel "betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß in entsprechenden Expansionsräumen (Y_E) tätige Expansionskolben (P-g) und in entsprechenden Kompressionsräumen ("VV) tätige Kompressionskorben (P„)

   c c

   entsprechend mit gesonderten Kurbelwellen (K) verbunden sind, welche mechanisch miteinander verbunden sind und sich synchron mit einem bestimmten Phasenwinkel drehen, und daß eine geeignete Anzahl von Wärmeaustauschern (H), Regeneratoren (R) und Kältestationen (Q) zwischen den Expansionsräumen (V^) und Kompressionsräumen (V^) angebracht sind, um dadurch "Kälte" oder Kühlung zu erzeugen.
2. 2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionsräume (Vq) und/oder Expansionsräume (V-jP einen Kompressor für die Komprimierung eines Mittels darstellen, das als/sogenannte Arbeitsmittel der genannten Kühlanlage und als Ausgleichssystem der Kolben benützt wird, und das außerdem als Arbeitsmittel für die Ausnutzung der von der Kühlanlage erzeugten Kühlkapazität

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   verwendet wird, um aufeinanderfolgende Kühlungen in zusätzlich in mehrfacher Anzahl vorgesehenen Wärmeaustauschern (H) zu erreichen und um einen Vorgang gemäß des Joule-Thomson-Zyklus auszuführen, wobei der sich ergebende Kühlausstoß an eine entfernte Stelle übertragen wird und das Arbeitsmittel aus dem gasförmigen Zustand heraus verflüssigt wird.
3. 3. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Hauptkühlanlage eine Kühlanlage (69) vorgesehen ist, die eine auf dem Joule-Thomson-Zyklus beruhende Vorkühlung ausführt.

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