DE4037826A1 - Regenerative gaskaeltemaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine regenerative Gas­ kältemaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Regenerative Gaskältemaschinen werden zum Erzeugen kryoge­ ner Temperaturen eingesetzt. Sie arbeiten nach dem Prinzip von thermodynamischen Kreisprozessen. Das Arbeitsgas tauscht dabei in einem Regenerator zwischen den beiden Temperaturniveaus Wärme aus (Fig. 1). Parameter für die Kälteleistung und damit der maximal erreichbaren Endtempe­ ratur sind die pro Kreisprozeß beteiligte Gasmasse und die Anzahl der durchlaufenden Kreisprozesse pro Zeiteinheit.

Um für gewisse Anwendungen eine möglichst konstante End­ temperatur mit einer solchen Gaskältemaschine erreichen zu können, ist bereits vorgeschlagen worden, durch elektri­ sche Regelung der Eingangsleistung die Endtemperatur zu begrenzen. Diese Regelungsmöglichkeit ist verhältnismäßig aufwendig und störanfällig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitgehende Konstanthaltung der Endtemperatur bei eingangs genannten Gaskältemaschinen mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die beschriebene Beimischung eines Regelgases bewirkt mit einfachsten Mitteln eine äußerst konstante Endtemperatur. Diese Endtemperatur entspricht weitgehend der Tripelpunkt­ temperatur im Zustandsdiagramm des Regelgases. Sie ist abhängig von der Wahl des Regelgases und dessen Partial­ druckes, was bedeutet, daß sich durch geeignete Wahl der Arbeitsgasart und der der Regelgasart sowie dessen Parti­ aldruckes in weiten Grenzen beliebig vorgegebene Endtempe­ raturen einstellen lassen. Die Endtemperatur wird gewis­ sermaßen durch eine naturgegebene Konstante bestimmt.

Anhand der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Darstellungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Leitungskreis einer Gaskältemaschine mit Kompressor 1, einem Wärme abgebenden Tauscher 2, einem Regenerator 3, einem Wärme aufnehmenden Tauscher 4 und einem Expander 5.

In Fig. 2 ist über der Temperaturachse Temp. der Gasdruck P aufgetragen. Im Zustandsdiagramm der drei Aggregatzu­ stände des beschriebenen Regelgases ergibt sich der Tri­ pelpunkt T bei einem Tripelpunktdruck P_T und einer Tripel­ punkttemperatur T_T.

Die Leistungscharakteristik einer Gaskältemaschine läßt sich sowohl im Diagramm Endtemperatur/Kälteleistung (Fig. 3) als auch an Abkühlkurven an definierter thermischer Last (Fig. 4) darstellen. In Fig. 3 ist die Endtemperatur T (K) gegen die Kälteleistung Q und in Fig. 4 ist die Kühltemperatur T (K) über der Zeitachse t aufgetragen. Beide Darstelllungen zeigen die Leistungscharakteristik einer Gaskältemaschine gefüllt mit: 1. reinem Arbeitsgas Helium (Kurve A), 2. zweikomponentigem Gas Helium und Sau­ erstoff (Kurve B), 3. zweikomponentigem Gas Helium und Sauerstoff (Kurve C), 4. zweikomponentigem Gas Helium und Argon (Kurve D). Deutlich zu erkennen sind die konstanten Endtemperaturen, im Fall 2 (Kurve B) T = 54 Kelvin, im Fall 3 (Kurve C) = 63 Kelvin und im Fall 4 (Kurve D) T = 84 Kelvin im Vergleich zu Fall 1 (Kurve A) T = 39 Kelvin.

Die Konstanz der Endtemperatur einer mit dem zweikomponen­ tigen Gas Helium-Stickstoff gefüllten Gaskältemaschine über einen Zeitraum von 17 Stunden ist in Fig. 5 darge­ stellt. Die mittlere Endtemperatur und die Standardabwei­ chung bei diesem Ausführungsbeispiel ist T = 63,77 ± 0,11 Kelvin.

Claims (6)

1. Regenerative Gaskältemaschine mit einem in einem Lei­ tungskreis zirkulierenden Arbeitsgas, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Arbeitsgas eine weitere Gaskomponente als Re­ gelgas mit definierten Partialdruck zwecks Begrenzung der erzeugbaren Endtemperatur beigemischt ist.

2. Regenerative Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endtemperaturen durch die Wahl von Arbeitsgas und Regelgas sowie des Partialdruckes des Re­ gelgases eingestellt ist.

3. Regenerative Gaskältemaschine nach Anspruch 1 oder An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsgas Helium verwendet wird.

4. Regenerative Gaskältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgas ein Gas­ gemisch verwendet ist.

5. Regenerative Gaskältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgas Sauer­ stoff und/oder Stickstoff und/oder Argon verwendet ist.

6. Regenerative Gaskältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgas ein Koh­ lenwasserstoff wie z. B. Propan verwendet ist.