DE3016471A1

DE3016471A1 - Regenerator, insbesondere fuer die tieftemperaturtechnik

Info

Publication number: DE3016471A1
Application number: DE19803016471
Authority: DE
Inventors: George P Lagodmos
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1979-05-07
Filing date: 1980-04-29
Publication date: 1980-11-13
Also published as: GB2049141B; JPH0211838B2; US4231418A; FR2456293A1; JPS55150489A; GB2049141A

Description

Anmelderin: Stuttgart, 25. April 198O

Hughes Aircraft Company P 3852 S/Zr

Centinela Avenue and Teale Street
Culver City, Calif. V. St. Amerika

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße Ij. 1
7000 Stuttgart 1

Regenerator, insbesondere für die Tieftemperaturtechnik

Die Erfindung betrifft einen Regenerator, insbesondere für die Tieftemperaturtechnik, mit einer eine körnige Speichermasse enthaltenden Kammer, die an einem Ende einen Einlaß und am anderen Ende einen Auslaß für den Wärmeaustausch bewirkende Medien aufweist, deren Strömungsrichtung in der Kammer durch die Lage des Einlasses und des Auslasses bestimmt ist.

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-A.

Regeneratoren finden in der Tieftemperaturtechnik verbreitet Anwendung. Mittels einer zyklischen Umkehr des Gasstromes durch den Regenerator wird Wärme an die Speichermasse abgegeben und von ihr wieder aufgenommen. Das den Regenerator zyklisch durchfließende Gas muß mit der Speichermasse des Regenerators in Wärmeaustausch stehen. Gewöhnlich wird zwischen den Enden des Regenerators eine Temperaturdifferenz aufrechterhalten. Ein solcher Regenerator kann in Kreisprozessen verwendet werden, bei denen in unterschiedlichen Stadien des Prozesses unterschiedliche Drücke herrschen, oder auch in einem Kreisprozess vom Vuilleumier-Typ. Große Regeneratoren in schweren Anlagen der Tieftemperaturtechnik sind keinen Beschränkungen bezüglich Größe und Gewicht unterworfen, so daß keine diesbezüglichen kritischen Korttruktionsbedingungen bestehen. Wenn jedoch Regeneratoren Teil von Tieftemperatur-Einrichtungen sind, deren Größe und Gewicht Beschränkungen unterliegen, ist eine sehr sorgfältige und kritische Konstruktion erforderlich. Kompakte und miniaturisierte Vuilleumier-Kühlgeräte sind beispielsweise aus dem US-PSen 3 379 026, Re. 27 338 und 3 7^2 719 bekannt.· Der Vuilleumier-Kreisprozess ist in der US-PS 1 275 507 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regenerator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er eine Miniaturisierung erlaubt und insbesondere für kompakte und miniaturisierte Tieftemperatur-Einrichtungen besonders geeignet ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kammerwandungen mit Nuten versehen sind, die mit der

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Strömungsrichtung der Medien einen Winkel bilden und deren Breite mindeetens so groß ist wie die Hauptabmessungen der die Speichermassen bildenden Teilchen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Wirkungsgrad solcher Regeneratoren wesentlich dadurch beeinträchtigt wird, daß erhebliche Teile des den Regenerator durchströmenden Gases an den Kammerwänden entlang fließen und dadurch in nur ungenügende Wechselwirkung mit der Speichermasse gelangen. Durch die erfindungsgemäße Anbringung von Nuten, in welche die die Speichermasse bildenden Teilchen eintreten, wird ein solcher Umgehungsstrom vermieden.Dadurch wird der Wirkungsgrad eines solchen Generators bedeutend erhöht, was es ermöglicht, seine Größe erheblich zu vermindern.

Eine weitere Verminderung von Totvolumen und eine Verbesserung des Gasstromes, was ebenfalls zu einer Miniaturisierung eines solchen Regenerators beiträgt, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt werden, daß zum Zusammendrücken der Speichermasse wenigstens an einem Ende der Kammer ein Wollfilzkissen angeordnet ist, das von der Speichermasse durch ein Gitter getrennt ist.

Endlich kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Kammer von zwei koaxial zueinander angeordneten Zylindern begrenzt werden, so daß sie einen ringförmigen Querschnitt aufweist, und in dem inneren Zylinder ein Kolben angeordnet und die an den beiden Enden des Kolbens angrenzenden Räume des inneren Zylinders mit jeweils einem Ende der Kammer verbunden sein. Auch durch diese Maßnahmen wird zu einer Verminderung des Bauvolumens sowie zu einer Optimierung des mit der Speichermasse in Wärmeaustausch tretenden Gasstromes beigetragen.

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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibungder in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiele. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden.

Es zeigen

Fig. 1 die Seitenansicht einer miniaturisierten Vuilleumier-Kältemaschine mit einem verbesserten Regenerator nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den kalten Zylinder der Kältemaschine nach Fig. 1 mit zugeordnetem Regenerator und

Fig. 3 ein Detail von einem Ende der zweiten Stufe des in Fig. 2 dargestellten Regenerators in vergrößertem Maßstab.

Fig. 1 veranschaulicht als Beispiel für die Verwendung eines Tieftemperatur-Regenerators nach der Erfindung dessen Verwendung in Verbindung mit einer Kältemaschine 10 vom Vuilleumier-Typ. Die Kältemaschine 10 weist ein zentrales Kurbelgehäuse 12 auf, in dem sich ein Kurbeltrieb befindet, der von einem in einem Motorgehäuse 18 angeordneten Motor angetrieben wird. Gehäuse ^/\l\. und 16 enthalten je einen heißen Verdrängerkolben, der mit dem Kurbeltrieb verbunden ist. Einer der Verdrängerkolben 20 ist in Fig. 1 durch einen aufgebrochenen Abschnitt des Gehäuses 16 hindurch sichtbar. Ein Heizelement 22 erwärmt das Gas, das von dem heißen Kolben verdrängt wird. Eine gleiche Anordnung befindet sich im

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Gehäuse λ\χ. Die beiden heißen Verdrängerkolben arbeiten zusammen und haben die gleiche Funktion wie ein einziger größerer Verdrängerkolben. Der Raum am äußeren Ende der heißen Verdrängerkolben ist der heiße Raum, während das dem Kurbelgehäuse zugewandte Ende des heißen Verdrängerkolbens auf einer Temperatur ist, die das Abführen von Wärme an die Umgebung ermöglicht. Der heiße Regenerator verbindet die heißen Räume und das Innere des Kurbelgehäuses an den einander entgegengesetzten Enden der heißen Verdrängerkolben.

Im vorliegenden Fall ist ein dreistufiger Kühler dargestellt. Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung ist ein isolierendes Dewar entfernt, so daß der Kältefinger besser sichtbar ist. Aus dem gleichen Grunde sind auch die KaIt- und Zwischentemperatur-Strahlungsschilde entfernt. Wie Fig. 2 am besten zeigt, ist der Zylinder 2J+ der ersten Stufe an einem auf Umgebungstemperatur liegenden Flansch 26 befestigt und enthält einen Kolben 28 der ersten Stufe. Der Kolben 28 der ersten Stufe enthält einen inneren Regenerator 30, der mit den Gasräumen an beiden Enden des Kolbens in Verbindung steht. Solche inneren Regeneratoren sind gut bekannt und werden häufig von geschichteten Lagen eines gewebten Kupfernetzes gebildet. Ein Erststufen-Flansch 32 umgibt den Raum am oberen Ende des Erststufen-Kolbens, so daß an dieser Stelle Erststufen-Temperaturlasten angeschlossen werden können. Solche Erststufen-Temperaturlasten können Strahlungsschilde oder andere Arten von zu kühlenden Einrichtungen umfassen.

In dem Zweitstufen-Zylinder 3^4- befindet sich ein Zweitstufen-Kolben 36. Ein Zweitstufen-Regenerator 38 ist außerhalb des Zylinders 3I4- angeordnet. Der Zweitstufen-Regenerator besteht aus zwei konzentrischen Rohren l|0 und I4.2, die aus

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einem synthetischem Verbundwerkstoff bestehen und an ihren Enden mit metallischen Kappen ijlj. und [j.6 verbunden sind. Das Material der Rohre I4.0 und k.2 ist so gewählt, daß es für diesen Zweck ausreichend fest ist, aber auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um die Wärmeübertragung in deren Längsrichtung zu beschränken. Eine äußere Hülse J4.8 erstreckt sich von dem Erststufen-Flansch 32 zu einem Zweitstufen-Flansch 50. Eine sehr dünne, innere metallische Hülse ist innerhalb des inneren Rohres I4.O angeordnet und bildet eine Gleitfläche für den Laufring 52 auf dem Zweitstufen-Kolben. Die Zweitstufen-Zylinderhülse i-st sehr dünn, so daß sie den Wärmefluß längs der zweiten Stufe klein hält.

Einzelheiten der die zweite Stufe bildenden Anordnung 38 sind in Fig. 3 dargestellt. Sowohl das innere Rohr \\Q als auch das äußere Rohr ij.2 sind mit Nuten Sk- bzw. 56 versehen. Die Nuten haben einen dreieckför magen Querschnitt mit einem Winkel am Nutengrund von 60°. Sie sind vorzugsweise ringförmig und nicht schraubenförmig ausgebildet. Jede Nut ist daher von der anderen getrennt, so daß die Nuten einen schraubenförmigen Weg bilden. Es wird angenommen, daß eine schraubenförmige Nut einer geringen Gasmenge die Möglichkeit bieten würde, außerhalb des Hauptteiles der Speichermasse in der schraubenförmigen Nut entlang zu fließen. Der ringförmige Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr k-0 bzw. l\2 ist mit einer Speichermasse 58 gefüllt, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Bleikugeln besteht. Bei dem dargestellten Miniatur-Regenerator 10 für Tieftemperaturen haben die Bleikugeln einen Durchmesser von 0,075 rom. Es versteht sich, daß die Größe der Kugeln in Beziehung der Größe des Regenerators steht, dessen Größe wiederum von der Größe der Kältemaschine abhängt. Die Nuten in den die Regeneratorkammer begrenzenden Wänden sind so

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tief, daß wenigstens eine Kugel der Speichermasse darin Platz findet. Wie in Fig. 3 dargestellt, sollte wenigstens eine zweite Reihe der Kugeln der Speichermasse noch zur Hälfte in den Nuten Platz haben. Die Wüten verhindern in Verbindung mit den Kugeln, welche die Speichermasse bilden, die Bildung eines sich von einem bis zum anderen Ende des Regenerators erstreckenden, offenen Kanals, der sonst auftreten könnte, insbesondere, wenn der Regenerator horizontal angeordnet ist. Wenn die Wände des Regenerators glatt wären, würde sich bei einem mit horizontaler Achse angeordneten Regenerator ein Hohlraum an der höchsten Stelle seiner Wandung bilden,weil sich die Kugeln der Speichermasse setzen würden, und es würde dieser Hohlraum einen Gasstrom von einem zum anderen Ende ohne Wärmeaustausch ermöglichen, wodurch der Wirkungsgrad des Regenerators erheblich vermindert würde.

Auch die Enden der Regenerator-Anordnung 38 sind speziell so ausgebildet, um den Wirkungsgrad des Regenerators zu erhöhen. In Fig. 3 ist das untere Ende der Regenerator-Anordnung 38 dargestellt. Eine ringförmige Kappe l\i\. ist mit einer. Anzahl axialer Durchgangsbohrungen 60 versehen. Am unteren Ende sind diese Durchgangsbohrungen mit kegelförmigen Einlassen 61 versehen, die an ihrer Spitze einen Winkel von 60° aufweisen, und zu dem oberen Raum offen sind, der den Erststuf en-Kolben 28 umgibt. Die oberen Enden der Bohrungen 60 münden in eine Ringnut 62, die sich über die gesamte Oberfläche der unteren Kappe I4J4. erstreckt. Ein ringförmiges Wollfilzkissen 66 liegt auf einem Gitter 6i+ auf und wird von einem weiteren, ringförmigen Gitter 68 bedeckt. Die-Kugeln 58 der Speichermasee liegen an der Oberseite des oberen Gitters 68 an. Die beiden Gitter 6J4. und 68 bestehen aus einer einzigen Schicht eines gewebten ftetzmaterials. Das

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Netzmaterial hat eine solche Maschenweite, daß die Kugeln der Speichermasse etwa die gleiche Größe haben oder geringfügig größer sind als die Öffnungen des Gitters. Da die Kugeln in den Gitteröffnungen hängen oder auf dem Pilz aufliegen, gehen sie nicht verloren. Die Gitter besitzen somit eine Öffnungsfläche von 22% für den Gasstrom, da die Kugeln in den Öffnungen liegen. Diese Öffnungsfläche ist größer, als sie bei kleineren Netzen angetroffen wird.

Am oberen Ende des Regenerators, unmittelbar unter der oberen Kappe I4.6, befindet sich eine gleichartige, aus einem Gitter, einem Wollfilzkissen und einem weiteren Gitter bestehende Anordnung 70. Weiterhin ist auch die obere Kappe lj.6 an ihrer unteren Seite mit einer ringförmigen Nut versehen, in welche Durchgangsbohrungen münden, die mit weiteren inneren Bohrungen zusammenwirken, um das obere Ende der Regenerator-Anordnung 38 mit dem Raum zu verbinden, der sich oberhalb des Zweitstufen-Kolbens 3& befindet.

Während der Montage des Regenerators wird eine ausreichende Menge von Speichermasse-Kugeln eingefüllt, daß die Wollfilzkissen am unteren und oberen Ende zusammengedrückt werden und in Axialrichtung nachgeben, so daß sie als Federn wirken, welche die Speichermasse unter Druck halten. Ein Wollfilz bleibt bei Tieftemperaturen biegsam und nachgiebig. Die Kugeln der Speichermasse werden vorzugsweise aus Blei hergestellt, weil Blei eine hohe spezifische Wärme besitzt. Die Dimensionsänderungen, welche die Kugeln infolge der Temperaturänderungen erfahren, werden von den Wollfilzkissen aufgenommen. Auf diese Weise wird ein gegenseitiges Eindrücken der Bleikugeln weitgehend vermieden.

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Ein Drittstufen-Kolben 72 arbeitet innerhalb eines iJrittstufen-Regenerators 7l|. Eine iJrittstufen-Hillse 76 erstreckt sich von dem Zweitstufen-Flansch 5>0 zum Drittstufen-Flansch 78. Die auf der tiefsten Temperatur zu haltende, endgültige Wärmelast wird an den ürittstufen-Flansch 78 angeschlossen. Der obere Raum 80 über dem Drittstufen-Kolben 72 ist durch den Flansch 78 abgeschlossen, so daß dieser Flansch effektiv auf die tiefste Temperatur des Systems abgekühlt wird. Der Drittstufen-Regenerator JI4. hat den gleichen Aufbau wie die Zweitstufen-Regeneratoranordnung 38, einschließlich mit Nuten versehener, innerer und äußerer Rohre, welche die Kammer des Regenerators begrenzen und aus einem synthetischen polymeren Material bestehen und einer Speichermasse in Form einer Packung aus Kugeln, vorzugsweise Bleikugeln. Ebenso weist der Regenerator 71+ an seinen beiden Enden die ringförmigen Anordnungen aus einem von Gittern eingeschlossenen Wollfilzkissen auf, wie sie im einzelnen für das untere Ende der Regenerator-Anordnung 38 beschrieben worden ist. Ein Versuch mit einer Kältemaschine, welche die Regenerator-Anordnung 38 für die Regeneratoren der zweiten und dritten Stufe aufwies und mit Helium als Kältemittel arbeitete, ergab 7 K am Drittstufen-Flansch 78 und 1OK am Zweitstufen-Flansch 50. Dieses Ergebnis war unabhängig von der Orientierung des Regenerators. Dagegen zeigten Testsmit glattwandigen Regeneratoren in manchen Lagen eine verminderte Kühlleistung.

Wenn der Kurbeltrieb arbeitet, bewirken die Kolben in ihren Zylindern eine Änderung des Volumens in den Zylindern an den entgegengesetzten Enden der Kolben. Diese Volumenänderung bewirkt das Fließen von Gas durch die verschiedenen Regeneratoren. Das Gas tritt mit der Speichermasse der Regeneratoren in einen Wärmeaustausch, und es wird bei ent-

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sprechendem Aufbau der Kältemaschine eine Kühlung erzielt, wie es oben beschrieben wurde.

Die Erfindung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf dieses AusfUhrungsbeispiel beschränkt ist, sondern zahlreiche Änderungen und andere Ausführungsbeispiele möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Leerseite

Claims

ν- Patentansprüche

1. 'Regenerator, insbesondere für die Tieftemperaturtechnik, — mit einer eine körnige Speichermasse enthaltende Kammer, die an einem Ende einen Einlaß und am anderen Ende einen Auslaß für den Wärmeaustausch bewirkende Medien aufweist, deren Strömungsrichtung in der Kammer durch die Lage des Einlasses und des Auslasses bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerwandungen mit Nuten (Sk-* 56) versehen sind, die mit der Strömungsrichtung der Medien einen Winkel bilden und deren Breite mindestens so groß ist wie die Hauptabmessungen der die Speichermasse (58) bildenden Teilchen.

2. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (Sk-* 56) im wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

3. Regenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (51+, 56) ringförmig ausgebildet sind.

k. Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse (58) aus Metallkugeln aus Blei oder mit hohem Bleigehalt besteht.

5. Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zusammendrücken der Speichermasse (58) wenigstens an einem Ende der Kammer ein Wollfilzkissen (66) angeordnet ist, das von der. Speichermasse (58) durch ein Gitter (68) getrennt ist.

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6. Regenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (68) aus Blei oder einem Metall mit hohem Bleigehalt besteht.

7. Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer von zwei koaxial zueinander angeordneten Rohren (1+0, 1+2) begrenzt wird, so daß sie einen ringförmigen Querschnitt aufweist, das in dem inneren Rohr (1+0) ein Kolben (36) angeordnet und die an den beiden Enden des Kolbens (36) angrenzenden Räume des inneren Rohres (i+0) mit jeweils einem Ende der Kammer verbunden sind.

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