DE3535083A1 - Verfahren zur waermeabfuhr von einer kaeltelast und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeabfuhr von einer Kältelast in einer periodisch arbeitenden Gifford- McMahon-Kühlvorrichtung, bei welcher man in jeder Perio­ de ein komprimiertes Kühlgas aus einem Hochdruckeinlaß mit einem in der vorhergehenden Periode abgekühlten Re­ generator in Wärmekontakt bringt und dadurch abkühlt, das Kühlgas anschließend über die Kältelast einem Speichervo­ lumen zuführt, das Kühlgas daraufhin nach dem Schließen des Hochdruckeinlasses und durch Öffnen eines Niederdruck­ auslasses entspannt und dabei abkühlt und mittels eines Verdrängerkolbens aus dem Speichervolumen über die Kälte­ last und den Regenerator teilweise dem Niederdruckauslaß zuführt, wobei Kühlleistung an die Kältelast abgegeben und der Regenerator abgekühlt wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem verschließba­ ren Hochdruckeinlaß sowie einem verschließbaren Nieder­ druckauslaß für ein Kühlgas, mit einer einerseits mit dem Hochdruckeinlaß und dem Niederdruckauslaß und ande­ rerseits über eine Kältelast mit einem Speichervolumen verbundenen Regeneratorkammer und mit einer Speicher­ kammer, die durch einen in ihr verschiebbaren Verdrän­ gerkolben in zwei gegeneinander abgedichtete Teilräume getrennt wird, wobei ein Teilraum das mit der Regenera­ torkammer verbundene Speichervolumen bildet, während der andere Teilraum mit dem Hochdruckeinlaß und dem Nie­ derdruckauslaß verbunden ist.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind beispielsweise bekannt aus dem Buch Cryogenic Fundamen­ tals von G. G. Haselden, Academic Press, London, New York, 1971, Seiten 74 ff. Anlagen, die nach diesem Verfahren arbeiten, sind mechanisch sehr einfach aufgebaut und er­ reichen trotzdem gute Wirkungsgrade beim Abkühlen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art in seinem Wirkungsgrad weiterhin zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man das Kühlgas jeweils beim Einströmen in das Speichervolu­ men und beim Ausströmen aus diesem zwischen der Kälte­ last und dem Speichervolumen mit einem aktiven, magne­ tischen Regenerator (AMR) in Wärmekontakt bringt, des­ sen magnetische Substanz beim Einströmen des Kühlgases in das Speichervolumen magnetisiert ist, beim Ausströ­ men des Kühlgases aus dem Speichervolumen dagegen ent­ magnetisiert.

Es wird also eine Kühlung nach dem Gifford-McMahon-Prin­ zip kombiniert mit einer aktiven, magnetischen Kühlung, die für sich genommen bereits bekannt ist (J. Appl. Phys. 49 (3), März 1978, Seite 1216 ff; Cryogenics, Oktober 1981, Seite 579 ff).

Die magnetokalorische Kühlung ist bisher im Labormaßstab demonstriert worden. Die dazu verwendete ferromagnetische Substanz wird dabei periodisch mit hoher Magnetfeldstär­ ke, vorzugsweise in supraleitenden Spulen, magnetisiert und entmagnetisiert, wobei die bei der Entmagnetisierung entstehende Kälte der Last zugeführt wird, während die bei der Magnetisierung entsprechend entstehende Wärme ab­ geführt und einer Wärmesenke zugeführt werden muß.

Bei der technischen Realisierung der magnetokalorischen Kühlung ergeben sich Schwierigkeiten dadurch, daß Kühl­ gasströme umgelenkt werden müssen, d. h. es ist ein Um­ schalten von Strömungswegen bei tiefen Temperaturen not­ wendig. In der Regel müssen auch flexible Leitungen ver­ wendet werden, die ebenfalls bei den tiefen Temperaturen erhebliche praktische Schwierigkeiten verursachen.

Die vorliegend beschriebene Kombination der magnetokalo­ rischen Kühlung mit dem Gifford-McMahon-Prozeß hingegen ermöglicht eine besonders vorteilhafte Kühlgasführung im Bereich der magnetischen Substanz der aktiven, magneti­ schen Regeneratoren, wobei Dichtungen und Ventile nicht im Kaltgasbereich angeordnet sind, sondern im Hochtem­ peraturbereich. Dies gilt sowohl für die Schließventile des Hochdruckeinlasses und des Niederdruckauslasses als auch für die Dichtungen des Verdrängerkolbens für das Speichervolumen. Damit ergibt sich ein problemloser Auf­ bau einer Kältemaschine, wobei durch die kombinierte Kühlwirkung des Gifford-McMahon-Prozesses einerseits und des magnetokalorischen Kühleffektes andererseits insge­ samt auch der Wirkungsgrad wesentlich erhöht werden kann.

Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens läßt sich dadurch erreichen, daß man das Kühlgas jeweils beim Einströmen in das Speichervolumen und beim Ausströmen aus diesem zwischen der Kältelast und dem Re­ generator mit einem weiteren aktiven, magnetischen Rege­ nerator (AMR) in Wärmekontakt bringt, dessen magnetische Substanz beim Einströmen des Kühlgases in das Speicher­ volumen entmagnetisiert ist, beim Ausströmen des Kühlga­ ses aus dem Speichervolumen dagegen magnetisiert. Der zweite magnetische aktive Regenerator arbeitet also im Gegentakt zu dem ersten und führt zu einer weiteren Stei­ gerung der Kälteleistung pro Arbeitsperiode.

Es ist vorteilhaft, wenn man die magnetischen Substan­ zen der aktiven, magnetischen Regeneratoren zum Magne­ tisieren in ein Magnetfeld einschiebt und zum Entmagne­ tisieren aus diesem Magnetfeld herauszieht. Dies kann durch einfache Schubstangen oder dergleichen erfolgen, die in das Kühlgefäß eintauchen, in dem die Kühllast angeordnet ist.

Es ist dabei besonders günstig, wenn man die Verschie­ bung des Verdrängerkolbens und die Verschiebung der ma­ gnetischen Substanz des oder der aktiven, magnetischen Regeneratoren gemeinsam vornimmt, d. h. es erweist sich hier als besonders vorteilhaft, daß die Frequenz, mit der man den Gifford-McMahon-Prozeß üblicherweise durch­ führt, mit der Frequenz des zyklischen, magnetokalori­ schen Effektes gut verträglich ist, d. h. beide Effekte arbeiten bei diesem Verfahren mit für sie günstigen Fre­ quenzen.

Es ist dabei günstig, wenn man die magnetischen Substan­ zen der beiden aktiven, magnetischen Regeneratoren mit­ tels eines gekoppelten Antriebes verschiebt, so daß sich die Verschiebekräfte teilweise kompensieren. Beim Ein­ schieben der magnetischen Substanz in das Magnetfeld und beim Herausziehen aus dem Magnetfeld müssen erhebliche Kräfte aufgewendet werden, die bei einer Kopplung des Antriebes der beiden magnetischen, aktiven Regeneratoren und bei dem beschriebenen Gegentaktbetrieb zum großen Teil kompensiert werden können. Dies läßt sich insbeson­ dere günstig realisieren bei einer Gegentaktanordnung, bei der bei einer gemeinsamen Verschiebung der magneti­ schen Substanzen in einer Richtung eine Substanz in das Magnetfeld eintaucht, während die andere dabei aus dem ihr zugeordneten Magnetfeld heraustritt.

Besonders vorteilhaft ist es, bei der Verwendung von zwei magnetischen, aktiven Regeneratoren, wenn man einen Teil des Kühlgases im Nebenschluß zu den aktiven, magnetischen Regeneratoren und der Kühllast führt. Dadurch kann eine Unsymmetrie dieser Anordnung vermieden werden, die sich dadurch ergeben könnte, daß das Kühlgas beim Zurückströ­ men aus dem Speichervolumen in den Regenerator in dem zweiten aktiven, magnetischen Regenerator zwischen Kühl­ last und Regenerator so weit aufgewärmt wird, daß eine ausreichende Kühlung des Regenerators der Gifford-McMahon- Maschine für die nächste Periode nicht mehr erzielt wer­ den kann. Führt man dagegen einen Teil des Kühlgases im Nebenschluß an den magnetischen Regeneratoren und an der Kühllast vorbei, wird dieser Teilstrom durch den zweiten magnetischen Regenerator nicht erwärmt. Dieser Teilstrom kann somit den Regenerator der Gifford-McMahon-Maschine ausreichend weit abkühlen, so daß in der nächsten Perio­ de das eintretende, komprimierte Kühlgas ausreichend weit abgekühlt wird.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Kältelast und Speichervolumen ein aktiver, magnetischer Regenerator mit einer abwechselnd magnetisierbaren und entmagnetisierbaren magnetischen Substanz in Wärmekon­ takt mit dem Kühlgas steht und daß eine die Magnetisie­ rung bzw. Entmagnetisierung der magnetischen Substanz mit der abwechselnden Öffnung des Hochdruckeinlasses und des Niederdruckauslasses sowie der oszillierenden Ver­ schiebung des Verdrängerkolbens synchronisierende Steue­ rung vorgesehen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein weiterer aktiver, magnetischer Regenerator zwi­ schen der Regeneratorkammer und der Kühllast angeordnet ist, dessen magnetische Substanz durch die Steuerung im Gegentakt zur magnetischen Substanz des ersten aktiven, magnetischen Regenerators magnetisierbar ist.

Vorteilhaft ist es, wenn die magnetischen Substanzen der aktiven, magnetischen Regeneratoren zum Magnetisieren in ein ortsfestes Magnetfeld einschiebbar und zum Entmagne­ tisieren aus diesem Magnetfeld herausziehbar sind.

Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die magnetischen Substanzen der beiden aktiven, magneti­ schen Regeneratoren mechanisch derart gekoppelt sind, daß sich die Verschiebekräfte der im Gegentakt verschiebbaren magnetischen Substanzen teilweise kompensieren.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine die aktiven, magnetischen Regeneratoren und die Kühllast um­ gehende Nebenschlußleitung vorgesehen.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsfor­ men der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeich­ nung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gifford-McMahon-Kältemaschine mit ein­ facher magnetokalorischer Kühlung beim Einströmen des komprimierten Kühlgases;

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 beim Aus­ strömen des sich entspannenden Kühl­ gases;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 mit einer im Gegentakt arbeitenden magnetokalori­ schen Kühleinrichtung beim Einströmen des komprimierten Kühlgases und

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 beim Aus­ strömen des sich entspannenden Kühlga­ ses.

In der Zeichnung sind die jeweiligen Kältestufen nur ganz schematisch dargestellt, und es sind in den Zeichnungen nur die zum Verständnis der dort ablaufenden Prozesse un­ bedingt notwendigen Teile wiedergegeben.

Zunächst wird die in den Fig. 1 und 2 wiedergegebene Kältemaschine mit einfacher magnetokalorischer Kühlung näher erläutert. Diese Kältemaschine umfaßt eine Vorstu­ fe 1, die in der Zeichnung innerhalb des gestrichelten Rahmens 2 angeordnet ist, sowie eine eigentliche Kühl­ stufe 3.

Die Vorstufe weist einen mittels eines Ventiles 4 ver­ schließbaren Hochdruckeinlaß 5 auf, der in aus der Zeich­ nung nicht ersichtlicher Weise mit einer Hochdruckquelle für ein Kühlgas verbunden ist. Weiterhin ist in der Vor­ stufe ein mit einem Ventil 6 verschließbarer Niederdruck­ auslaß 7 vorgesehen, der mit einer in der Zeichnung eben­ falls nicht dargestellten Kühlgasabsaugung verbunden ist.

Hochdruckeinlaß 5 und Niederdruckauslaß 7 führen gemein­ sam zu einem Ende einer Regeneratorkammer 8, in welcher ein Regeneratormaterial mit hoher Wärmespeicher- und Übertragungsfähigkeit angeordnet ist, beispielsweise Metall­ wolle oder dergleichen. Am gegenüberliegenden Ende führt aus der Regeneratorkammer 8 eine Verbindungsleitung 9 in das Innere der Kühlstufe 3.

In der Vorstufe 1 ist weiterhin eine zylindrische Spei­ cherkammer 10 vorgesehen, in der ein Verdrängerkolben 11 gegenüber der Speicherkammer abgedichtet verschieblich gelagert ist, der die Speicherkammer 10 in zwei Teilräu­ me unterteilt, nämlich einen ersten Teilraum 12 und ei­ nen zweiten Teilraum 13. Der Teilraum 12 bildet ein Speichervolumen, das über eine Speicherleitung 14 mit der Kühlstufe 3 verbunden ist. Der Teilraum 13 ist über eine Leitung 15 mit dem Hochdruckeinlaß 5 und dem Nie­ derdruckauslaß 7 und damit auch mit dem einen Ende der Regeneratorkammer 8 verbunden. Eine die beiden Teilräu­ me 12 und 13 voneinander trennende, am Verdrängerkolben 11 gehaltene Ringdichtung 16 befindet sich in unmittel­ barer Nähe des oberen Endes des Verdrängerkolbens 11, also unmittelbar benachbart dem Teilraum 13 in relativ großer Entfernung vom Teilraum 12.

Zwischen der Einmündung der Verbindungsleitung 9 in die Kühlstufe 3 und dem Austritt der Speicherleitung 14 aus der Kühlstufe 3 ist an der Kühlstufe eine Kältelast 17 angeordnet, die mit dem Innenraum der Kühlstufe 3 in Wärmekontakt steht. Außerdem befindet sich zwischen der Kältelast 17 und dem Austritt der Speicherleitung 14 ein aktiver, magnetischer Regenerator 18, im folgenden AMR 18 genannt. Dieser umfaßt einen außerhalb der Kühl­ stufe 3 angeordneten, supraleitenden Magneten 19, der im Innern der Kühlstufe 3 ein Magnetfeld erzeugt, sowie eine im Innern der Kühlstufe 3 angeordnete magnetische Substanz 20, die vorzugsweise die Form eines Kolbens auf­ weist, der im Innern der Kühlstufe parallel zu deren Längsrichtung verschieblich gelagert ist. Die Verschie­ bung der magnetischen Substanz 20 kann dabei mit Hilfe von Schub- und Zugstangen 21 erfolgen, die von außen ab­ gedichtet in der Kühlstufe 3 eingeführt sind. Als ma­ gnetische Substanz 20 werden ferromagnetische Materia­ lien verwendet, beispielsweise Gadolinium. Dieses Mate­ rial weist Durchströmkanäle für das Kühlgas auf, die ein Durchströmen in Längsrichtung der Kühlstufe ermöglichen. Diese Kanäle können entweder in die kolbenförmig ausge­ bildete, magnetische Substanz 20 eingearbeitet sein, oder man verwendet das ferromagnetische Material in po­ röser Form, so daß das Gas durch die Poren des magneti­ schen Materials hindurchströmen kann. Wesentlich ist, daß das Gas beim Durchströmen des magnetischen Materials in gutem Wärmeleitkontakt mit diesem steht.

Durch die Schub- und Zugstangen 21 kann die magnetische Substanz 20 in das von dem Magneten 19 erzeugte Magnet­ feld eingeschoben bzw. aus diesem herausgezogen werden.

Beim Betrieb der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung wird zunächst das Ventil 6 des Niederdruck­ auslasses 7 geschlossen, während das Ventil 4 des Hoch­ druckeinlasses 5 geöffnet wird. Durch den Hochdruckein­ laß 5 tritt komprimiertes Kühlgas in das System ein, wel­ ches in der Regelgeneratorkammer 8 auf eine Temperatur abge­ kühlt wird, die sich aus dem Kälteinhalt des Regenerator­ materials in der Regeneratorkammer ergibt. Das abgekühl­ te, komprimierte Kühlgas strömt an der Kältelast 17 vor­ bei und durch die magnetische Substanz 20 hindurch, die in dieser Phase im Inneren des Magnetfeldes angeordnet ist, so daß das ferromagnetische Material magnetisiert ist. Beim Durchgang durch die magnetische Substanz 20 erwärmt sich das Kühlgas. Es gelangt über die Speicher­ leitung 14 in den unteren, als Speichervolumen wirkenden Teilraum 12, wobei in dieser Phase der Verdrängerkolben 11 durch einen externen, in der Zeichnung nicht darge­ stellten Antrieb so nach oben verschoben ist, daß das Volumen des Teilraumes 12 maximal und das Volumen des Teilraumes 13 minimal ist (Fig. 1).

In diesem Teil der Periode wird der Kältelast 17 keine Kühlleistung zugeführt.

Im nächsten Teil der Periode wird das Ventil 4 des Hoch­ druckeinlasses 5 geschlossen. Die magnetische Substanz 20 wird aus dem Magnetfeld herausgezogen und dadurch ab­ gekühlt. Außerdem wird das Ventil 6 des Niederdruckaus­ lasses 7 geöffnet, so daß das komprimierte Kühlgas aus dem System zu der in der Zeichnung nicht dargestellten Absaugung ausströmt. Dadurch wird das Kühlgas in dem System entspannt und kühlt sich ab. Bei der Entspannung strömt Kühlgas durch die Speicherleitung 14 und durch die magnetische Substanz 20 hindurch im Wärmekontakt an der Kältelast vorbei und durch die Regeneratorkammer hin­ durch zum Niederdruckauslaß. Diese Ausströmbewegung wird unterstützt durch eine Verschiebung des Verdrängerkolbens 11 in Richtung auf eine Verkleinerung des Teilraumes 12.

Das Kühlgas wird dabei einmal durch die Entspannung und zum anderen durch den Durchtritt durch die abgekühlte ma­ gnetische Substanz 20 abgekühlt, so daß das Gas beim Vor­ beiströmen an der Kältelast 17 dieser Kälteleistung zu­ führen kann. Außerdem kühlt das Gas beim Durchgang durch die Regeneratorkammer das Regeneratormaterial in dieser ab, wobei sich im Innern der Regeneratorkammer ein Tem­ peraturgradient einstellt, die Temperatur ist am kühlstu­ fen seitigen Ende der Regeneratorkammer nach dem Ausströ­ men des entspannten Kühlgases niedriger als am gegenüber­ liegenden Ende. Das Ausströmen des Kühlgases erfolgt maximal so weit, bis sich ein Druckausgleich zwischen dem System und der Saugquelle eingestellt hat. Das über den Niederdruckauslaß 7 ausströmende Kühlgas kann außer­ halb der Vorstufe in an sich bekannter Weise unter gleich­ zeitiger Kühlung wieder komprimiert werden, so daß es bei der nächsten Periode über den Hochdruckeinlaß in der oben beschriebenen Weise wieder in das System gelangen kann.

Nach Abschluß der Periode wird das Ventil 6 des Nieder­ druckauslasses geschlossen, die magnetische Substanz 20 wird wieder in das Magnetfeld eingeschoben, der Verdrän­ gerkolben 11 wird in seine obere, den Teilraum 12 ver­ größernde Stellung verschoben und schließlich wird das Ventil 4 des Hochdruckeinlasses 5 geöffnet. Damit beginnt der beschriebene Zyklus erneut.

Es ergibt sich bei diesem Verfahren ein höherer energe­ tischer Wirkungsgrad als bei Verwendung des Gifford-McMahon- Verfahrens allein oder des magnetokalorischen Kühleffekts allein, wobei weiterhin die sonst auftretenden apparati­ ven Schwierigkeiten der magnetokalorischen Kühlung ver­ mieden werden. Besonders vorteilhaft ist die Anpassung des Gifford-McMahon-Prozesses und der magnetokalorischen Kühlung im Hinblick auf die Frequenz und im Hinblick auf die Druckverhältnisse.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Vorrichtung un­ terscheidet sich nur wenig von der Vorrichtung der Fig. 1 und 2; einander entsprechende Teile tragen daher dieselben Bezugszeichen.

Zwischen der Einmündung der Verbindungsleitung 9 in den Kryostaten 3 und der Kältelast 17 ist bei dieser Ausfüh­ rung ein weiterer aktiver, magnetischer Regenerator 22, im folgenden AMR 22 genannt, mit einem Magneten 23 und einer magnetischen Substanz 24 angeordnet. Der magneti­ schen Substanz 24 ist eine eigene Schub- und Zugstange 25 zugeordnet.

Die beiden AMR 18 und 22 sind spiegelsymmetrisch zuein­ ander angeordnet, so daß sie nach entgegengesetzten Sei­ ten aus dem ihnen zugeordneten Magnetfeld herausgezogen werden können.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die magne­ tischen Substanzen 20 und 24 mittels einer weiteren Stange 26 miteinander direkt verbunden, die in den Fig. 3 und 4 gestrichelt eingetragen ist. Statt dieser Stange kann auch eine andere mechanische Kopplung der Schub- und Zugstangen 21 und 25 erfolgen. Durch diese mechanische Kopplung wird erreicht, daß beim Einschie­ ben der magnetischen Substanz in das zugehörige Magnet­ feld jeweils die magnetische Substanz des anderen AMR aus dem zugeordneten Magnetfeld herausgeschoben wird. Durch diese Gegentakt-Kopplung werden die Verschiebe­ kräfte beim Ein- bzw. Ausschieben der magnetischen Sub­ stanzen in und aus dem Magnetfeld zu einem wesentlichen Teil kompensiert.

Der Betrieb erfolgt bei dieser Abwandlung genau gleich wie im Fall der Anordnung der Fig. 1 und 2, jedoch führt der zweite AMR 22 dazu, daß das Kühlgas im ersten Teil der Periode, also beim Einströmen in das Speicher­ volumen, beim Vorbeiströmen an der Kältelast 17 eine Kälteleistung auf diese übertragen kann, da das Kühlgas beim Durchgang durch die magnetische Substanz 24 weiter abgekühlt wird.

Beim Zurückströmen des Kühlgases wird dieses dagegen beim Durchgang durch die magnetische Substanz 24 stär­ ker erwärmt als beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2, so daß eventuell die Gefahr einer Unsymmetrie ent­ steht, da das Kühlgas beim Zurückströmen das Regenerator­ material in der Regeneratorkamner 8 nicht mehr so weit abkühlt, daß in der nächsten Periode das einströmende Kühlgas in der Regeneratorkammer ausreichend tief vor­ gekühlt wird. Um diese mögliche Unsymmetrie zu vermei­ den, kann zwischen der Verbindungsleitung 9 und der Speicherleitung 14 eine Nebenschlußleitung 27 vorgese­ hen sein, die in der Zeichnung gestrichelt wiedergege­ ben ist. Diese Nebenschlußleitung 27 umgeht die beiden AMR 18 und 22 und die Kältlast 17. Der durch die Neben­ schlußleitung 27 über die Regeneratorkammer 8 zurück­ fließende Teilstrom ist kälter als der über die Verbin­ dungsleitung 9 zurückströmende Teilstrom, so daß dadurch eine ausreichende Kühlung des Regeneratormaterials in der Regeneratorkammer 8 sichergestellt werden kann.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 ist vor al­ len Dingen deswegen vorteilhaft, weil die erheblichen, zur Verschiebung der magnetischen Substanzen in den AMR notwendigen Verschiebekräfte durch die Gegentaktkompen­ sation wesentlich herabgesetzt werden können.

In beiden Fällen werden die Bewegungen der magnetischen Substanzen und des Verdrängerkolbens mit der Aktivierung der Ventile 4 und 6 durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuerung synchronisiert, so daß die ein­ zelnen Perioden vollautomatisch durchlaufen werden. Es ist dabei vorteilhaft, daß im Inneren der Kühlstufe, also im kalten Bereich, keinerlei Dichtungen und Venti­ le notwendig sind, und daß in diesem Bereich nur die ma­ gnetischen Substanzen selbst bewegt werden müssen. Da­ durch werden die konstruktiven Schwierigkeiten, die sich bei herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen durch die Notwendigkeit von Ventilen, Dichtungen und einer erhöh­ ten Anzahl bewegter Teile auf tiefer Temperatur ergaben, vollständig vermieden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Wärmeabfuhr von einer Kältelast in einer periodisch arbeitenden Gifford-McMahon-Kühlvorrichtung, bei welcher man in jeder Periode ein komprimiertes Kühlgas aus einem Hochdruckeinlaß mit einem in der vor­ hergehenden Periode abgekühlten Regenerator in Wärme­ kontakt bringt und dadurch abkühlt, das Kühlgas an­ schließend über die Kältelast einem Speichervolumen zuführt, das Kühlgas daraufhin nach dem Schließen des Hochdruckeinlasses durch Öffnen eines Niederdruckaus­ lasses entspannt und dabei abkühlt und mittels eines Verdrängerkolbens aus dem Speichervolumen über die Käl­ telast und den Regenerator teilweise dem Niederdruck­ auslaß zuführt, wobei Kühlleistung an die Kältelast abgegeben und der Regenerator abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kühlgas jeweils beim Einströmen in das Speichervo­ lumen und beim Ausströmen aus diesem zwischen der Käl­ telast und dem Speichervolumen mit einem aktiven, ma­ gnetischen Regenerator (AMR) in Wärmekontakt bringt, dessen magnetische Substanz beim Einströmen des Kühl­ gases in das Speichervolumen magnetisiert ist, beim Ausströmen des Kühlgases aus dem Speichervolumen da­ gegen entmagnetisiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kühlgas jeweils beim Einströmen in das Speichervolumen und beim Ausströmen aus diesem zwi­ schen der Kältelast und dem Regenerator mit einem wei­ teren aktiven, magnetischen Regenerator (AMR) in Wär­ mekontakt bringt, dessen magnetische Substanz beim Einströmen des Kühlgases in das Speichervolumen ent­ magnetisiert ist, beim Ausströmen des Kühlgases aus dem Speichervolumen dagegen magnetisiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß man die magnetischen Substanzen der aktiven, magnetischen Regeneratoren (AMR) zum Magnetisieren in ein Magnetfeld einschiebt und zum Entmagnetisieren aus diesem Magnetfeld herauszieht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verschiebung des Verdrängerkolbens und die Verschiebung der magnetischen Substanz des oder der aktiven, magnetischen Regeneratoren gemeinsam vornimmt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die magnetische Substanz der beiden aktiven, magnetischen Regeneratoren (AMR) mittels eines ge­ koppelten Antriebes verschiebt, so daß sich die Ver­ schiebekräfte teilweise kompensieren.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil des Kühlgases im Nebenschluß zu den aktiven, magnetischen Regenerato­ ren (AMR) und der Kühllast führt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der An­ sprüche 1 bis 7 mit einem verschließbaren Hochdruck­ einlaß sowie einem verschließbaren Niederdruckaus­ laß für ein Kühlgas, mit einer einerseits mit dem Hochdruckeinlaß und dem Niederdruckauslaß und ande­ rerseits über eine Kältelast mit einem Speichervolu­ men verbundenen Regeneratorkammer und mit einer Spei­ cherkammer, die durch einen in ihr verschiebbaren Verdrängerkolben in zwei gegeneinander abgedichtete Teilräume getrennt wird, wobei ein Teilraum das mit der Regeneratorkammer verbundene Speichervolumen bil­ det, während der andere Teilraum mit dem Hochdruck­ einlaß und dem Niederdruckauslaß verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kältelast (17) und Speichervolumen (Teilraum 12) ein aktiver, magnetischer Regenerator (AMR 18) mit einer abwechselnd magnetisierbaren und entmagnetisier­ baren magnetischen Substanz (20) in Wärmekontakt mit dem Kühlgas steht und daß eine die Magnetisierung bzw. Entmagnetisierung der magnetischen Substanz (20) mit der abwechselnden Öffnung des Hochdruckeinlasses (5) und des Niederdruckauslasses (7) sowie der oszillie­ renden Verschiebung des Verdrängerkolbens (11) syn­ chronisierende Steuerung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer aktiver, magnetischer Regenerator (AMR 22) zwischen der Regeneratorkammer (8) und der Kühllast (17) angeordnet ist, dessen magnetische Sub­ stanz (24) durch die Steuerung im Gegentakt zur ma­ gnetischen Substanz (20) des ersten aktiven, magne­ tischen Regenerators (AMR 18) magnetisierbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Substanzen (20, 24) der aktiven, magnetischen Regeneratoren (AMR 18 bzw. 22) zum Magnetisieren in ein ortsfestes Magnet­ feld einschiebbar und zum Entmagnetisieren aus diesem Magnetfeld herausziehbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Substanzen (20, 24) der beiden aktiven, magnetischen Regeneratoren (AMR 18 bzw. 22) mechanisch derart gekoppelt sind, daß sich die Ver­ schiebekräfte der im Gegentakt verschiebbaren magne­ tischen Substanzen (20, 24) teilweise kompensieren.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine die aktiven, magnetischen Re­ generatoren (AMR 18, 22) und die Kühllast (17) umge­ hende Nebenschlußleitung (27) vorgesehen ist.