DE3913050A1 - Kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung, und zwar insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf einen sogenannten thermo-akustischen Kühler, der auf einem thermodynamischen Phänomen beruht, welches beispielsweise in "Natural Engines", Physics Today, August 1985; "Understandig Some Simple Phnomena In Thermo-Acoustics With Applications To Acoustical Heat Engines", Am. J. Phys., 53(2) February 1985; "Theory and Calculations for an Intrinsically Irreversible Acoustic Prime Mover Using Liquid Sodium As Primary Working Fluid", J. Acoust, Soc. Am. 78(2), August 1985; und "Heat Transfer", Band 1, S. 297, Max Jacob, John Wiley and Sons, 1955 Edition, beschrieben ist.

Kurz gesagt, arbeiten derartige Kühler durch Bewegung, Kompression und Expansion eines Arbeitsmittels, beispielsweise eines Gases oder eines Dampfes, in einem umschlossenen Raum in einer Weise ähnlich dem Verhalten von Luft in einer Orgelpfeife - das Verhalten des Arbeitsmittels unterliegt tatsächlich den gleichen physikalischen Gesetzen, denen die Luft in einer Orgelpfeife unterliegt, mit Ausnahme geringer Modifikationen infolge des Vorhandenseins eines Aufbaus, der als Regenerator bekannt ist und der gelegentlich innerhalb der Umhüllung oder innerhalb der "Pfeife" des thermo-akustischen Kühlers liegt. Der Regenerator besteht aus einem Wärmeaustauscher, durch den das Arbeitsmittel strömt und der die Funktion hat, Wärme vom Arbeitsmittel aufzunehmen und diese zeitweilig zu speichern und sie dann in der Weise wieder abzugeben, daß das Arbeitsmittel bewegt, komprimiert und expandiert wird, wodurch die Wärme von einem Teil (dies wird mit "kaltem Ende" bezeichnet) des Kühlers nach einem Teil auf der anderen Seite des Regenerators übertragen wird. Es werden auch Regeneratoren für einen ähnlichen Zweck bei Kühlvorrichtungen benutzt, die nach dem Stirling-Zyklus arbeiten.

Die Arbeitsweise eines thermo-akustischen Kühlers beruht auf dem Vorhandensein einer Zeitphasenverzögerung zwischen dem Arbeitsmitteldruck-Zyklus und der zeitweiligen Speicherung von Energie durch den Generator und auch auf dem Wirkungsgrad, mit dem thermische Energie nach dem Regenerator und von diesem übertragen werden kann.

Gemäß der Erfindung ist eine Kühlvorrichtung jener Bauart vorgesehen, die einen Regenerator und ein Arbeitsmittel umfaßt, das in Berührung mit dem Regenerator steht und auch einer Bewegung, einer Kompression und einer Expansion ausgesetzt wird, um eine Kühlwirkung zu erzeugen, wobei der Regenerator wenigstens eine Oberfläche definiert, entlang der das Arbeitsmittel strömt, und die mehrere Abschnitte besitzt, die in das Arbeitsmittel derart einstehen, daß lokale Diskontinuitäten in der laminaren Grenzschichtströmung des Arbeitsmittels erzeugt werden, wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Regenerator und dem Arbeitsmittel verbessert wird, und außerdem derart, daß Stellen mit einer örtlichen Wärmequelle/Wärmesenke erzeugt werden, um die thermische Phasenverzögerung zwischen der Oberfläche und der Masse des Körpers zu erhöhen, der jene Oberfläche definiert.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines thermo-akustischen Kühlers,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils eines Regenerators, der in dem Kühler gemäß Fig. 1 Anwendung findet.

Der Kühler gemäß Fig. 1 umfaßt ein langgestrecktes Gehäuse oder eine Orgelpfeife (1), welche ein Arbeitsmittel und einen Regenerator in Gestalt von vielen dünnen, flachen Platten (2) enthält, die sich parallel zueinander und zur Achse des Rohres erstrecken. Das Arbeitsmittel strömt durch den Regenerator, d. h. entlang der Oberflächen der Platten (2), und wird auch einer Expansion und Kompression derart unterworfen, daß eine Kühlwirkung an einem Ende (nicht dargestellt) des Rohres erzeugt wird. Die Mittel, welche die Strömung, die Expansion und die Kompression des Arbeitsmittels bewirken, sind nicht dargestellt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besitzt jede Platte (2) auf ihren beiden Oberflächen mehrere Kissen (3), die von der Oberfläche der Platte in die laminare Grenzschicht (4) des Arbeitsmittels einstehen und demgemäß die Schicht aufbrechen und so eine bessere Wärmeübertragung gewährleisten. Sie bilden auch mehrere örtliche Stellen mit Wärmesenke/Wärmequelle auf der Platte, wodurch die thermische Phasenverzögerung zwischen der Oberfläche jeder Platte und ihrer Masse maximiert wird (das theoretische Optimum für eine dicke Regeneratorplatte beträgt 45° - vergleiche das vierte Dokument, welches einleitend als Stand der Technik zitiert wurde).

Anstelle der Kissen (3) können mehrere (nicht dargestellte) Streifen vorgesehen werden, die sich quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsmittels erstrecken, d. h. derart, daß sie im Querschnitt gerade so erscheinen wie die Kissen in Fig. 2.

Beispielsweise können die Regeneratorplatten (2) aus Quarz, Silizium oder Keramikmaterial bestehen, und sie können etwa 0,5 mm dick sein. Die Kissen oder Streifen können aus Aluminium bestehen, das in geeigneter Weise auf den Platten (2) abgelagert ist, und eine Dicke von 0,5 µm haben, die Ablagerungen können 0,125 mm breit sein und sie können Zentren von 0,175 mm bilden. Das Arbeitsmittel kann Stickstoff sein, der unter einem Druck von 10 at steht und eine örtliche Massenbewegung des Stickstoffs, d. h. die durch den Pfeil (5) angegebene Bewegung in den Fig. 1 und 2, kann 0,5 mm betragen oder größer sein.

Anstelle von flachen Platten kann der Regenerator mehrere ineinander geschachtelte koaxiale rohrförmige Platten aufweisen (nicht dargestellt), die wiederum mit Kissen oder Streifen auf der Oberfläche versehen sind.

Für den Fachmann ist es klar, daß zur Erzielung des besten akustischen Wirkungsgrades die Regeneratorplatten verjüngte Enden aufweisen können und/oder unterschiedliche Längen besitzen, so daß akustische Reflexionen vermindert werden, die zur Erzeugung von Harmonischen führen könnten. Zusätzlich ist es natürlich erwünscht, daß die Querschnittsfläche, die für eine Gasströmung verfügbar ist, so weit dies physikalisch möglich ist, über die Länge der Orgelpfeife möglichst konstant sein sollte, so daß im Bereich des Regenerators die Querabmessungen des Rohres größer gemacht werden können als irgendwo anders, um die Platten anbringen zu können.

Claims (6)

1. Kühlvorrichtung mit einem Regenerator und einem Arbeitsmittel, das in Berührung mit dem Generator steht und außerdem eine Bewegung, einer Kompression und einer Expansion derart unterworfen wird, daß eine Kühlwirkung zustande kommt, wobei der Regenerator wenigstens eine Oberfläche definiert, längs derer das Arbeitsmittel strömt und die mehrere Abschnitte aufweist, die in das Arbeitsmittel vorstehen, so daß örtliche Diskontinuitäten in der laminaren Grenzschichtströmung des Arbeitsmittels erzeugt werden, wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Regenerator und dem Arbeitsmittel verbessert wird und örtliche Stellen mit Wärmesenke/Wärmequelle gebildet werden, um die thermische Phasenverzögerung zwischen der Oberfläche und der Masse des Körpers zu erhöhen, der die Oberfläche definiert.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Kühlvorrichtung ein langgestrecktes Gehäuse umfaßt.

3. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher der Regenerator mehrere dünne, flache Platten aufweist, die parallel zueinander und zur Achse des langgestreckten Gehäuses verlaufen.

4. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher der Regenerator mehrere ineinander geschachtelte koaxiale rohrförmige Platten aufweist.

5. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Abschnitte, die in das Arbeitsmittel vorstehen, aus mehreren Kissen bestehen.

6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Stickstoff ist.