DE2432508A1

DE2432508A1 - Verfahren und maschine zur kaelteerzeugung

Info

Publication number: DE2432508A1
Application number: DE2432508A
Authority: DE
Inventors: Gerard Claudet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1974-07-04
Publication date: 1975-01-23
Also published as: GB1456420A; IT1014476B; FR2236152A1; JPS5038155A; US3902328A; NL7409116A; FR2236152B1

Description

Patentanwälte
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410-22.871P 4. 7. 1974

COMMISSARIATAL'ENERGIEATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Verfahren und Maschine zur Kälteerzeugung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Maschine zur Kälteerzeugung , bei dem ein Fluid einem thermodynamischen Kreisprozeß mit den Betriebsschritten Verdichtung, Abkühlung, Entspannung und Erwärmung unterworfen wird, insbesondere für Anwendungen in der.Kryotechnik .

Die theoretischen thermodynamischen Kreisprozesse, die die Leistungsabfuhr bei tiefen Temperaturen erlauben, enthalten im allgemeinen

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vier Grundbetriebsarten, nämlich eine Verdichtung, eine Abkühlung, eine Entspannung und eine Erwärmung.

Jede der Betriebsarten kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden, die Verdichtungen und Entspannungen können isotherm oder adiabatisch sein, die Erwärmungen und Abkühlungen können einerseits durch Wärmetausch im Gegenstrom, andererseits mittels eines Wärmebehälters, der die Wärme speichert oder wieder herstellt, erfolgen. Die zahlreichen möglichen Kombinationen führen zu einer großen Zahl praktischer Kreisprozesse, die in zwei große Gruppen eingeteilt werden können, je nachdem ob ihre Durchführung mittels eines kontinuierlich umgewälzten Fluids oder mittels einer regelmäßig wechselnden, hin- und hergehenden oder alternierenden Umwälzung eines Fluids erfolgt.

Unter diesen Kreisprozessen sind jene zahlreich, deren theoretischer Wirkungsgrad der des Carnot-Kreisprozesses ist oder in seiner Nähe liegt. Ih der Praxis ist der eine nur wenig besser oder schlechter als der andere, aber jeder ist mehr oder weniger gut an den gewünschten Leistungsbereich oder an den« gegebenen Einsatzzweck angepaßt.

Beispielsweise ist der Claude-Kreisprozeß, der zur ersten Gruppe von Kreisprozessen mit kontinuierlicher Umwälzung gehört, interessant für Anlagen mittlerer und großer Leistung, da sein Wirkungsgrad hoch ist und er die direkte Verwendung des kontinuierlich umgewälzten Gases zur Abfuhr der Leistung erlaubt. In diesem Kreisprozeß wird das kalte Gas entspannt unter Abgabe mechanischer Leistung, die entweder

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an der Achse einer Turbine, wenn die Anlage großen Umfang besitzt, oder durch eine Kolbenmaschine abgeführt wird. Die Entspannungseinrichtung besitzt immer einen sehr heiklen Aufbau und beschränkt oft die praktischen Anwendungen dieses Kreisprozesses ein.

Was die Kreisprozesse mit alternierender Umwälzung der Fluide betrifft, so benötigen sie keine zerbrechlichen Bauteile im kalten Teil und ergeben deshalb robuste Einrichtungen, die lange betrieben werden können, jedoch ist ihr Wirkungsgrad nur bei niedrigen oder mittleren Leistungsbereichen annehmbar. Außerdem besitzen sie den Nachteil, daß die Verwendung der Kältemengen außerhalb äußerst schwierig ist. Tatsächlich wird die vom Gas erzeugte Leistung an eine Wand abgegeben, an der ein anderes Gas nur unter Inkaufnahme zusätzlicher Temperaturänderungen abgekühlt werden kann, die den Wirkungsgrad der Anordnung stark beeinflussen. Dieser Nachteil ist z. B. bei der Vorkühlung von Helium vor der Verflüssigung deutlich spürbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die jedem Kreisprozeß eigenen Vorteile ohne die jeweiligen Nachteile in einem einzigen Verfahren und einer einzigen Vorrichtung (Maschine) zu vereinigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei getrennte Fluidumwälzungen verschiedenen, jedoch miteinander gekoppelten thermodynamischen Kreisprozessen unterworfen werden, wobei mindestens durch einen Betriebsschritt jedes Kreisprozesses ein Betriebsschritt des anderen Kreisprozesses hervorgerufen wird.

Die Erfindung sieht also eine kombinierte Lösung vor, bei der

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zwei verschiedene Kreisprozesse derart kombiniert werden, daß bestimmte Betriebsschritte des einen die Betriebs schritte des anderen führen bzw. bestimmen.

Die beiden erfindungsgemäß miteinander kombinierten Kreisprozesse sind natürlich so gewählt, daß sich ihre jeweiligen Vorteile ergänzen. Zu diesem Zweck kombiniert die Erfindung vorzugsweise einen Kreisprozeß mit kontinuierlichem Umwälzen des Fluids und einen Kreisprozeß mit alternierendem Umwälzen des Fluids. Unter den Kreisprozessen der ersten Art sieht die Erfindung die Verwendung der Kreisprozesse nach Claude oder nach Brayton vor und für die Kreisprozesse der zweiten Art empfiehlt sie die Verwendung der Kreisprozesse nach Stirling, nach Giffort-McMahon, nach Taconis, nach Vuilleumier oder auch den sogenannten Puls-Rohr-Kreislauf.

Die durch ein solches Verfahren erzeugte Kälteleistung kann aus einem der Kreisprozesse, z. B. aus dem Kreisprozeß mit kontinuierlicher Flüssigkeitsumwälzung, abgeführt werden. Die Kälteleistung, die vom anderen Kreisprozeß erzeugt wird, wird zum Ausgleich der Temperaturen zwischen den verschiedenen Teilen der Maschine verwendet, kann jedoch auch teilweise abgeführt werden.

In einer Kryo- oder Kältemaschine, die gemäß der Erfindung beispielsweise die Kreisprozesse nach Claude und nach Stirling vereinigt, kann ständig der Ausgleich der Drücke und der Temperaturen beiderseits der in der nach dem Claude-Kreisprozeß betriebenen Maschine verwendeten Entspannungseinrichtung erhalten werden. Es gibt kein Gaslecken mehr, ebenso keine Reibung und keine Wärmezufuhr

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für die Maschine. Für den ersten Kreisprozeß ist der Wirkungsgrad erhöht, und die Zerbrechlichkeit der Entspannungseinrichtung, die ein wesentlicher Bauteil ist, ist beseitigt. Parallel dazu arbeitet der Kreisprozeß mit alternierender Umwälzung, dessen abgegebene Leistung nicht abgeführt werden muß und nur zum Kompensieren der Verluste dienen kann, mit geringer. Leistung und behält deshalb den ihm eigenen Wirkungsgrad und die Lebensdauer. Da die Abfuhr der durch den zweiten Kreisprozeß erzeugten Leistung nicht mehr notwendig ist, ist der mit diesem Kreisprozeß verbundene Nachteil beseitigt.

Eine Kältemaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch zwei miteinander gekoppelte Kältemaschinen, die gemäß verschiedener thermodynamischer Kreisprozesse mit voneinander getrennten Fluiden arbeiten, wobei mindestens einer der von jeder Maschine durchgeführten Betriebsschritte Bauteile der anderen Maschine steuert.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die eine der beiden Maschinen ein erstes Fluid kontinuierlich umwälzt und insbesondere eine hin- und hergehende Entspannungseinrichtung aufweist, und wenn die andere Maschine ein zweites Fluid alternierend umwälzt, wobei die Druckänderungen des zweiten Fluids pneumatisch die hin- und hergehende Entspannungseinrichtung steuern.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die hin- und hergehende oder alternierende Entspannungseinrichtung ein Entspannungskolben. Die Maschine zur alternierenden Umwälzung kann eine Maschine mit Wärmespeicher sein und darüber hinaus einen Verdränger-, Ver-

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schieber- oder Schieberkolben besitzen, wobei in diesem Fall der Verdrängerkolben fest mit dem Entspannungskolben der Maschine zur kontinuierlichen Umwälzung verbunden ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig.' 1 ein Prinzipschema einer Kältemaschine für den Claude-Kreislauf,

Fig. 2 ein Prinzipschema einer Kältemaschine für den Brayton-Kreislauf,

Fig. 3 schematisch eine hin- und hergehende Entspannungseinrichtung mit Kolben,

Fig. 4 ein Prinzipschema einer Kältemaschine mit alternierender Umwälzung,

Fig. 5,6, 7 und 8 Abwandlungen der Maschine mit alternierender Umwälzung nach Stirling, bzw. nach Giffort-McMahon bzw. nach Taconis oder Vuilleumier bzw. gemäß dem Pulsations-Rohr,

Fig. 9 ein Prinzipschema der erfindungsgemäßen Kältemaschine,

Fig. 10 schematisch eine Weiterbildung, die eine Maschine mit Entspannungskolben und eine Maschine mit Verdrängerkolben kombiniert,

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Fig. 11 die verschiedenen Stellungen von Entspannungskolben und Verdrängerkolben während des Kreisprozesses beim Betrieb der Maschine gemäß Fig. 10.

Vor der Beschreibung der erfindungsgemäßen Kältemaschine soll kurz an die Prinzipien verschiedener bekannter thermodynamischer Kreisprozesse und den Aufbau der Maschinen, die diese durchführen, erinnert werden, damit die Vorteile des Verfahrens und der Maschine gemäß der Erfindung deutlicher hervortreten, ebenso wie ihre verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten.

In Fig. 1 ist ein Prinzipschema einer Kryo-Anlage dargestellt, die gemäß dem Claude-Kreisprozeß arbeitet. In der Figur sind ein Verdichter 2 und ein Wärmetauscher 4 dargestellt. Eine Entspannungseinrichtung 6 wirkt auf einen Teil des umgewälzten Fluids, der andere Teil wird zu einem Ventil 8 geführt, wo die Joule-Thomson-Entspannung, die dort erfolgt, die Verflüssigung des Gases hervorruft.

Die Fig. 2 stellt schematisch eine Kältemaschine dar, die gemäß dem Brayton-Kreisprozeß arbeitet, und die sich von dem vorhergehenden dadurch unterscheidet, daß das vom Verdichter 10 verdichtete Fluid durch die Entspannungseinrichtung 12 hindurchtritt, wobei die Verwendung der Kälteleistung über das Element 14 erfolgt.

Die Entspannungseinrichtungen 6 bzw. 12 der vorhergehenden Anlagen können hin- und hergehend oder alternierend sein und einen Kolben enthalten, wie das in Fig. 3 dargestellt ist. Ein derartiger Kolben 20 verschiebt sich in einem Zylinder 22, der an seinem oberen Ende

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mit einer Gaszuführeinrichtung 24 und einer Gasabführeinrichtung 26 versehen ist (Absperrorgane, wie z. B. Ventile, Klappen usw.). Die Zuführeinrichtung 24 ist mit einer Versorgung 28 für das Fluid unter den Temperatur- und Druckbedingungen, die einer Kältemaschine mit kontinuierlicher Umwälzung eigen sind, d. h. also mit hohem Druck und tiefer Temperatur, verbunden.

Bei einer solchen hin- und hergehenden Entspannungseinrichtung mit Kolben sind die Drücke in beiderseits des Kolbens 20 angeordneten Kammern 30 und 32 nicht ausgeglichen, so daß zwischen dem Kolben 20 und dem Zylinder 22 ein Gasleck entsteht, was für den guten Betrieb der gesamten Anordnung schädlich ist. Der Dichtheit zwischen dem Kolben 20 und dem Zylinder 22 muß daher große Aufmerksamkeit gewidmet werden, aber da diese Dichtheit bei sehr tiefen Temperaturen stattfinden soll, ist es sehr schwierig, befriedigende Lösungen zu finden.

Darüber hinaus sind die Kammern 30 und 32 auf sehr verschiedenen Temperaturen, was einen Wärmefluß zur Kammer 30 hervorruft und was wiederum für die Wirkung der Maschine schädlich ist.

Die bisher bei dieser Art von Kältemaschinen durchgeführten Verbesserungen erlauben diese ungleichen Drücke und Temperaturen in einem gewissen Maße zu begrenzen, erlauben jedoch nicht, diese vollständig zu beseitigen. Es ist tatsächlich mit eine Aufgabe der Erfindung, diese Unausgeglichenheiten zu unterdrücken, und zwar infolge der Anbringung einer zweiten Maschine, vorzugsweise mit alternierender Umwälzung und so ausgeführt, daß die Bedingungen für

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Druck und Temperatur des Fluids der Kammer 32, die unter dem hin- und hergehenden Kolben 20 angebracht ist, nahe den Bedingungen für Druck und Temperatur des Fluids der Kammer 30 sind, die der Maschine mit kontinuierlicher Umwälzung angehört.

Um den Vorteil dieser Kombination von Maschinen verschiedener Art besser zu verstehen, sei noch kurz an das bekannte Prinzip der Maschine mit alternierender Umwälzung erinnert.

Die verschiedenen Ausbildungsformen, die diesen Maschinen gegeben werden kann, haben einen gemeinsamen Aufbau, der schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. In dieser Figur enthält ein Gehäuse 40 einen Wärmespeicher 42, der zwischen zwei Kammern 44 und 46 angeordnet ist. Zwischen denen ein Fluid in einer hin- und hergehenden oder alternierenden Bewegung umgewälzt wird. Diese Bewegung wird hervorgerufen durch eine Einrichtung 48, die verschiedene Formen annehmen kann, die in den folgenden Figuren dargestellt sind. In Fig. 5 enthält die Einrichtung 48 einen von einer Stange 52 getriebenen Kolben 50, die durch mechanische (nicht dargestellte) Einrichtungen geführt oder gesteuert wird; ein Verdräng er kolben 54 wird von einer Stange 56 getrieben, die von (nicht dargestellten) mechanischen Einrichtungen geführt oder gesteuert wird. Der Wärmespeicher 42 kann entweder im Verdrängerkolben 54 oder in einer angebauten Rohrleitung angeordnet sein, die mit Strichpunktlinien rechts in der Figur dargestellt ist. Dieses Schema entspricht einer Maschine, die nach dem sogenannten Stirling-Kreisprozeß arbeitet. Der bewegliche Verdrängerkolben 54 und der untere Kolben 50 steuern durch ihre kombinierten Bewegungen den alternierenden Fluß des Gases über den Wärmespeicher.

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In Fig. 6 ist die Einrichtung 48 nach Fig. 4 gebildet durch eine Gaszuführeinrichtung 60 und eine Gasabführeinrichtung 62 und durch einen Hochdruckbehälter 64 und einen Tiefdruckbehälter 66 für das Gasf ein Verdräng er kolben 68, der den Wärmespeicher enthält, wird ebenfalls von einer Stange 70 getrieben, die von (nicht dargestellten) mechanischen Einrichtungen geführt- oder gesteuert wird. Diese Figur entspricht dem Schema einer Maschine, die nach dem sogenannten Giffort-McMahon-Kreisprozeß arbeitet.

Die Fig 7 gibt eine dritte Ausführungsform wieder, bei der die Einrichtung 48 zum Hervorrufen der alternierenden Umwälzung des Fluids durch eine mäßig heiße Quelle 72 und eine sehr heiße Quelle 74 gebildet ist, zwischen denen Wärmeverdichtungen entstehen. Der Verdränger (-kolben) 76 wird mittels einer geeignet geführten oder gesteuerten Stange 78 ebenfalls zu einer hin- und hergehenden Bewegung angeregt.

In Fig. 8 ist ebenfalls eine Maschine für alternierende Umwälzung dargestellt, die aber keinen Verdrängerkolben mehr enthält. Es handelt sich um ein Puls-Rohr, das einen festen Wärmespeicher 80 und ein Totvolumen 82 enthält. Die Einrichtung zum Hervorrufen alternierender Druckänderungen unter dem Sammler oder Speicher 80 kann verschiedene Formen aufweisen, wie sie z. B. in den Fig. 5 bis 7 dargestellt sind; beispielsweise ist in Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Einrichtung von einem beweglichen Kolben 84 gebildet ist.

Nachdem der Stand der Technik beschrieben worden ist, wird nun

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die Kältemaschine gemäß der Erfindung beschrieben, wodurch dann auch das Kühl- oder Kälteverfahren, das diese Maschine durchführt, genau erläutert werden kann.

Das Prinzipschema der erfindungsgemäßen Kältemaschine ist in Fig. 9 dargestellt. In der Figur sind sehr schematisch eine erste Kältemaschine 100 und eine zweite Kältemaschine 102 dargestellt, die verschiedene thermodynamische Kreisprozesse durchführen, nämlich z. B. die Maschine 100, den Claude-Kreisprozeß und die Maschine 102 den Stirling-Kreisprozeß. Die beiden Maschinen 100 und 102 sind durch eine symbolisch durch die Stufe 104 dargestellte Einrichtung derart eng miteinander verbunden, daß mindestens ein in jeder Maschine durchgeführter Betriebsschritt Bauteile der anderen Maschine führt oder steuert.

Genauer gesagt kann, wenn z. B. die Kältemaschine 100 eine mit kontinuierlicher Umwälzung ist und einen Entspannungskolben 106 enthält und die Kältemaschine 102 eine mit alternierender Umwälzung ist und einen Verdrängerkolben 108 enthält, das Kopplungselement oder die Stufe 104 einfach von einem Stück 110 gebildet sein, das die Kolben 106 und 108 fest miteinander verbindet. Auf diese Weise haben die Druckänderungen des Fluids, das in der Maschine 102 enthalten ist und das die Verschiebung des Verdrängerkolbens 108 nach sich zieht, zur Folge, daß gleichzeitig die Bewegung des Kolbens 106 hervorgerufen wird. In gleicher Weise hat die Zufuhr des ersten Fluids unter hohem Druck in die Kältemaschine 100, was das Absenken des Kolbens 106 nach sich zieht, auch zur Folge, daß der Kolben 108 der zweiten Maschine 102 verschoben wird. Wenn dem Bereich oder der

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Stufe 104 eine geeignete Form gegeben wird, kann das Fluid der Maschine 102, das einen thermodynamischen Kreisprozeß durchläuft, etwa unter den gleichen Temperatur- und Druckbedingungen sein, wie das Fluid der Maschine 100, derart, daß die weiter oben anhand der Maschinen der ersten Art beschriebenen Unausgeglichenheiten nun beseitigt sind.

Dieses Merkmal der erfindungsgemäßen Maschine ergibt sich noch deutlicher aus der Fig. 10, die ein besonderes Ausführungsbeispiel beschreibt, das einerseits eine Maschine mit Entspannungskolben und andererseits eine Maschine mit Verdrängerkolben kombiniert. In dieser Figur enthält die Kältemaschine:

ein Gehäuse 120, dessen Wände von Zylindern mit verschiedenen Durchmessern gebildet sind, und der an einem seiner Enden von einem Deckel 122 mit einer Zuführeinrichtung 124 und einer Abführeinrichtung 126 für ein erstes Fluid und am anderen Ende durch einen beweglichen Kolben 128 verschlossen ist,

einen Entspannungs-Verdrängerkolben 130, der der Form der Wände entspricht und im Gehäuse 120 hin- und herbewegt werden kann; dieser Kolben begrenzt an einem seiner Enden eine (erste) Kammer C , die mit dem ersten Fluid gefüllt ist, am anderen Ende eine (zweite) Kammer C und im mittleren Bereich in Höhe der Übergänge der Durchmesser der Zylinder mindestens eine (dritte) Kammer C, wobei die Kammern C und C mit einem zweiten Fluid gefüllt sind,

Verbindungskanäle 132 zwischen den Kammern C¹ und C , Wärmespeicher 134, die im Verlauf der Kanäle 132 angeordnet sind,

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eine Versorgungseinrichtung 136 für das erste Fluid unter den einer Maschine für kontinuierliche Umwälzung eigenen Bedingungen, und

eine mechanische Steuereinrichtung 138 zum Führen oder Steuern des beweglichen Kolbens 128.

Diese Maschine enthält also eine erste Kältemaschine 140, die gemäß dem Claude-Kreisprozeß arbeitet, und eine zweite Kältemaschine 142, die gemäß dem Stirling-Kreisprozeß arbeitet, wobei die ,beiden Maschinen den Kolben 130 gemeinsam besitzen, der sowohl die Rolle des Entspannungskolbens für die Claude-Maschine als auch den Verdrängerkolben für die Stirling -Maschine bildet ·

Die Wirkungsweise der Maschine ist in Fig. 11 dargestellt, die die Stellungen der verschiedenen Bauteile während des Kreisprozeßbetriebes darstellt. Vier Momentanstellungen sind mit a, b, c, d bezeichnet, zwischen denen vier Betriebsschritte, die mit I, II, III und IV bezeichnet sind, durchgeführt werden.

Der Schritt I ist der Schritt der Verdichtung des in der Kammer C enthaltenen Fluids; die Verdichtung wird verursacht durch das Anheben des Kolbens 128. In der Stellung a sind die Wärmespeicher kalt infolge des vorhergegangenen Betriebsschrittes IV. Die Zuführventile 124 und Abführventile 126 sind geschlossen. Das Anheben des Kolbens 128 zieht das Anheben des Entspannungs-Verdrängerkolbens 130 nach sich, der das in der Kammer C enthaltene Fluid verdichtet. Das Ende des Betriebsschrittes I ist im Schema b dargestellt. Jedesmal, wenn der Druck in der Kammer C den Hochdruck des

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Claude-Kreisprozesses erreicht, öffnet sich das Zuführventil bzw. die Zuführklappe 124, was der Beginn des Betriebs Schrittes II ist.

Die Öffnung der Zuführklappe 124 ruft die Zufuhr des ersten Fluides unter hohem Druck hervor, was das Absenken des Entspannung s-Verdrängerkolbens 130 bewirkt, und diese Bewegung ruft den Übergang des im Raum C enthaltenen Fluids in die Räume C hervor. Im Laufe des Absenkens des Entspannungs-Verdrängerkolbens 130 wird die mittlere Temperatur des zweiten Fluids abgesenkt als Folge des Durchtritts durch die kalten Wärmespeicher 134, Demzufolge nimmt sein Volumen ab,was die Annäherung des Entspannungs-Verdrängerkolbens 130 an den Kolben 128 bewirkt, wobei diese Wirkung erhöht wird durch die Zufuhr des ersten Fluids unter hohem Druck. Am Ende des Betriebsschrittes II ist die Lage der Bauteile die gemäß der Fig. c.

Das Schließen der Zuführklappe 124 und das Absenken des Kolbens 128 rufen im Betriebsschritt III die Entspannung des in den Kammern C , C und C enthaltenen Gases hervor. Am Ende des Betriebs-Schrittes III ist der Entspannungs-Verdrängerkolben 130 in der untersten Stellung,und am Ende des Weges wird die Abführklappe 126 entsprechend Fig. d geöffnet.

Im Betriebsschritt IV ruft der Beginn des Anhebens des Kolbens 128 das Wiederanheben des Entspannungs-Verdrängerkolbens 130 und den Übergang des abgekühlten Fluids der Kammern C' in die Kammer C hervor, wobei das Fluid, das infolge Erwärmung an Volumen zügenoraraen hat, das Durchführen der ansteigenden Bewegung des Entspannungs-Verdrängerkolbens 130 ermöglicht, was auch das Entweichen des

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in der Kammer C enthaltenen ersten Fluids hervorruft, bis zum Zeitpunkt des Schließens der Abführklappe 126. Der Kolben 128, der sich nur wenig verschoben hat, befindet sich wieder in der Stellung gemäß Fig. a, und der Kreislauf beginnt von neuem.

Es kann festgestellt werden, daß während des gesamten Ablaufs dieser Betriebsschritte die verschiedenen Kreisprozesse der beiden Maschinen ineinandergreifen, und daß die Betriebs schritte des einen Kreisprozesses die Betriebsschritte des anderen steuern und umgekehrt. Auf diese Weise leitet der Beginn des Anstiegs des Kolbens die Verdichtung im Stirling-Kreisprozeß ein, ruft jedoch das Abführen im Claude-Kreisprozeß hervor; die Zufuhr im Claude-Kreisprozeß ruft den Übergang des Gases über den Wärmespeicher im Stirling-Kreisprozeß hervor; die Entspannung erfolgt gleichzeitig im Claude- und im Stirling-Kreisprozeß.

Dem Beispiel kann ebenfalls der Nutzen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Maschine entnommen werden: Zu jedem Augenblick ist der Druck (bei geringen Lastverlusten) an allen Stellen des Gehäuses 120 der gleiche, derart, daß es gelingt, zwischen den Kammern C und C eine große Dichtheit aufrechtzuerhalten, die keine Quelle wesentlicher Reibung ist. Andererseits sind die Wärmeverluste zur Kammer C vollständig beseitigt, wenn die Dimensionierung der Kreise so ist, daß die Temperatur des Fluids der Kammer C gleich der Temperatur einer der Kammern C ist, z. B. der nächstgelegenen Kammer C.

Die Kälteleistung kann nur vom ersten Fluid abgeführt werden, jedoch auch vom zweiten, sowohl vollständig als auch teilweise. Wenn

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die Maschine 142 mehrere Stufen auf verschiedenen Temperaturen besitzt, kann die Kälteleistung bei verschiedenen Temperaturhöhen abgeführt werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Dimensionierung der Maschinen 140 und 142 so sein, daß die Maschine mit alternierender Umwälzung die Kälteleistung liefert, wobei die von der Maschine mit kontinuierlicher Umwälzung gelieferte Kälteleistung nur zum Absichern des Gleichgewichtes oder Ausgleichs verwendet wird.

In den Fig. 10 und 11 ist ein Beispiel eines Entspannungs-Verdrängerkolbens 130 dargestellt, der Kanäle 132 und Wärmespeicher 134 enthält. Selbstverständlich können die Kanäle und die Speicher auch am Rand des Gehäuses 120 angeordnet sein, wie gemäß Fig. 5, in der eine Ausführungsmöglichkeit dargestellt ist, bei der der Wärmespeicher außerhalb des Hauptgehäuses angebracht ist.

Ebenso ist es nur beispielhaft, daß in den Fig. 10 und 11 die Einrichtung zur Druckänderung des in der Kammer C enthaltenen Fluides in Form eines Kolbens 128 dargestellt ist. Wie das bereits bei den Fig. 5, 6 und 7 angedeutet wurde, kann die Einrichtung verschiedene Formen annehmen, insbesondere kann es ein Zusammenwirken von Klappen oder Ventilen aufweisen, die abwechselnd die Kammer C mit zwei Behältern unter verschiedenen Drücken verbinden (wie das in Fig. 10 punktiert mit den Behältern 150 und 152 dargestellt ist, um den Gifford-McMahon-Kreislauf durchzuführen; ebenso kann als Kältemaschine 142 eine Maschine nach Taconis oder Vuilleumier verwendet werden oder auch ein Puls-Rohr, das in der angelsächsischen Literatur allgemein mit "pulse-tube" bezeichnet wird.

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Die in den Fig. 10 und 11 schematisch dargestellte Entspannungskammer C mit Zuführ- und Abfuhrklappen kann gemäß der der Anmeldung EN 7 102 333 unter dem Titel "Kryomaschine mit Kolbenentspannung" vom 25. 1. 71 entsprechenden FR-OS der Anmelderin ausgeführt sein.

Schließlich können die beiden Gase der Kältemaschinen vorteilhaft die gleichen sein.

Die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kältemaschine hängt nur mehr von dem Teil ab, der bei Umgebungstemperatur betrieben wird, wobei nun aber dieses Teil noch einfacher ist als bei allein betriebenen Maschinen mit alternierender Umwälzung der herkömmlichen Art, da es nicht mehr notwendig ist, den Verdrängerkolben mechanisch mit einer Stange und mit mechanischen Einrichtungen zu steuern. Die Lebensdauer ist deshalb gegenüber bekannten Maschinen verlängert.

Die vorhergehende Beschreibung bezieht sich ständig auf ein Kühloder Kälte verfahr en und eine Kryo- oder Kältemaschine, jedoch ist es ganz allgemein möglich, diese Art von Maschinen (insbesondere die, die den Stirling-Kreisprozeß verwenden) zur Arbeitsleistung in inverser oder umgekehrter Richtung zu betreiben. Die Richtung der Übertragung von Energie kann daher im Verfahren und in der Vorrichtung umgekehrt werden, um ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie und einen entsprechenden Motor zu erhalten.

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Claims

Patentansprüche

ί 1 .j Verfahren zur Kälteerzeugung, bei dem ein Fluid einem thermodynamischen Kreisprozeß mit den Betriebsschritten Verdichtung, Abkühlung, Entspannung und Erwärmung unterworfen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennt e Fluidumwälzungen verschiedenen, jedoch miteinander gekoppelten thermodynamischen Kreisprozessen unterworfen werden, wobei mindestens durch einen Betriebsschritt jedes Kreisprozesses ein Betriebs schritt des anderen Kreisprozesses hervorgerufen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem der Kreisprozesse das Fluid kontinuierlich und beim anderen alternierend umgewälzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Fluid mit kontinuierlicher Umwälzung einem Kreisprozeß wie nach Claude oder nach Brayton unterworfen wird, und

daß das Fluid mit alternierender Umwälzung einem Kreisprozeß wie nach Stirling, nach Gifford-McMahon, nachTaconis, nach Vuilleumier oder gemäß dem Puls-Rohr unterworfen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Kälteleistung eines der Kreisläufe abfeführt und verwendet wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteleistung von auf verschiedenen Temperaturhöhen befindlichen Stellen der Umwälzungen abgeführt wird.
6. Kältemaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

zwei miteinander gekoppelte Kältemaschinen (100, 102; 140, 142), die gemäß verschiedener thermodynamischer Kreisprozesse mit voneinander getrennten Fluiden arbeiten, wobei mindestens einer der von jeder Maschine (100, 102; 140, 142) durchgeführten Betriebsschritte Bauteile der anderen Maschine steuert.
7. Kältemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die eine der beiden Maschinen (100, 140) ein erstes Fluid kontinuierlich umwälzt und insbesondere eine hin-, und hergehende Entspannungseihrichtung aufweist, und

daß die andere Maschine ein zweites Fluid alternierend umwälzt, wobei die Druckänderungen des zweiten Fluids pneumatisch die hin- und hergehende Entspannungseinrichtung steuern.
8. Kältemaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (102; 142) mit alternierender Umwälzung eine Maschine mit Wärmt "speicher ist..
9. Kältemaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Entspannungseinrichtung ein Entspannungskolben (106; 130) ist und die Maschine (102; 142) mit .alternierender Umwälzung einen Verdrängerkolben (108; 130) besitzt, der fest mit der Entspannungseinrichtung (106; 130) verbunden ist.
10. Kältemaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch

ein Gehäuse (120), dessen senkrechte Wände von Zylindern verschiedenen Durchmessers gebildet sind, das an einem seiner Enden von einem Deckel (122) mit Zuführeinrichtung en (124) und Abführ einrichtungen (126) für das erste Fluid, und am anderen Ende von einem beweglichen Kolben (128) abgeschlossen ist,

einen Entspannungs-Verdrängerkolben (106, 110, 108; 130), der der Form der Wände entspricht und in dem Gehäuse (120) hin- und hergehen kann, an einem seiner Enden mit dem Deckel (122) eine mit dem ersten Fluid gefüllte erste Kammer (C ), an seinem anderen Ende mit dem beweglichen Kolben (128) eine zweite Kammer (C ) und in seinem dazwischenliegenden Bereich in Höhe der Änderungen der Durchmesser der Zylinder mindestens eine dritte Kammer (C) begrenzt, wobei die zweite und dritte Kammer (C , C) mit dem zweiten Fluid gefüllt sind,

Verbindungskanäle (132) zwischen der zweiten und dritten Kammer (C₂, c),

Wärmespeicher (134) im Verlauf der Verbindung skanäle (132),

eine Versorgungseinrichtung (136) für das erste Fluid unter den für eine Maschine (100; 140) mit kontinuierlicher Umwälzung eigenen Bedingungen, und

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eine mechanische Steuereinrichtung (138) aim Steuern des beweglichen Kolbens (128).
11. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch

ein Gehäuse (120), dessen senkrechte Wände von Zylindern verschiedenen Durchmessers gebildet sind, das an seinem seiner Enden von einem Deckel (122) mit Zuführeinrichtungen (124) und Abfuhr einrichtungen (126) für das erste Fluid und am anderen Ende durch eine weitere Zufuhreinrichtung (150) und eine weitere Abfuhreinrichtung (152) für ein zweites Fluid abgeschlossen ist,

einen Entspannungs-Verdrängerkolben (106, 110, 108; 130) der der Form der Wände entspricht und in dem Gehäuse hin- und hergehen kann, an einem seiner Enden mit dem Deckel (122) eine mit dem ersten Fluid gefüllte erste Kammer (C ), an seinem anderen Ende mit den weiteren Zu- und Abfuhreinrichtungen (150, 152) für.das zweite Fluid eine zweite Kammer (C ) und in seinem dazwischenliegenden Bereich in Höhe der Änderungen der Durchmesser der Zylinder mindestens eine dritte Kammer (C) begrenzt,

Verbindungskanäle (132) zwischen zweiter und dritter Kammer (C , C), Wärmespeicher (134) im Verlauf der Verbindungskanäle (132),

eine Versorgungseinrichtung (136) für das erste Fluid unter den für eine Maschine (100; 140) mit kontinuierlicher Umwälzung eigenen Bedingungen , und

eine Versorgungseinrichtung für das zweite Fluid unter den für eine

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Maschine (1025 142) mit alternierender Umwälzung eigenen Bedingungen.
12. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 6 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Fluid identisch sind.
13. Kältemaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (132) zwischen zweiter und dritter Kammer (C₀, C) und den Wärmespeichern (134) in dem Entspannung s-Verdr anger kolben (106, 110, 108; 130) angebracht sind.
14. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen in der ersten Kammer (C ) und in einer der dritten Kammern (C) gleich sind.

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