Kaltgaskühlmaschine Die Erf ndung bezieht sich auf eine Kalt gaskühlmaschine. Eine solche Maschine be sitzt bekanntlich einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum, die über einen Wärmeaustauscher zur Zufuhr von Wärme, einen Regenerator und einen Kühler mit einander in Verbindung stehen,
wobei ein immer in demselben Aggregatzustand be- findliches Gas in der Maschine einen geschlos senen thermodynamischenArbeitsprozess aus führt. Eine solche Kaltgaskühlm.aschine wird auch oft als nach dem umgekehrten Heissgas kolbenmotorprinzip arbeitende Kühlmaschi ne bezeichnet. Diese Maschinen können auf verschiedene Weise ausgebildet werden, z. B. als Verdrängermaschine, als Maschine mit auf beiden Seiten des Kolbens vorhandenen Arbeitsräumen oder als Maschine, deren Zy linder einen Winkel miteinander einschliessen.
Mit Kaltgaskühlmaschinen können von der Zimmertemperatur in einer Arbeitsstufe sehr tiefe Temperaturen, z. B. -80 C, erreicht werden, aber es ist mit zweckmässig aus gebildeten Maschinen auch möglich, noch bei -200 C Kälte zu liefern.
Mit Rücksicht auf die niedrige Temperatur im Expänsionsraum ist zu erwarten, dass die Schmierung des das Volumen dieses Raumes beeinflussenden kol benförmigen Körpers Schwierigkeiten verur sachen wird, da die Lauffläche für diesen Körper eine sehr niedrige Temperatur auf- weist. Diese Schwierigkeiten werden bekannt- lich dadurch behoben, dass der kolbenförmige Körper, mit dem das Volumen des Expan sionsraumes verändert wird, mit einer Kappe versehen ist, so dass die etwa vorhandenen Kolbenringe des genannten Körpers immer an einen Teil der Zylinderwand anliegen, deren Temperatur nicht zu niedrig ist.
Der kolbenförmige Körper kann dann normal ge schmiert werden. Diese lange Bauart des Kolbens hat aber zur Folge, dass auch die Zylinderwand verhältnismässig lang wird und als Begrenzung von mehreren Maschinen teilen mit ganz verschiedenen Aufgaben die nen kann, wie z. B. des Wärmeaustauschers zur Zufuhr von Wärme, des Regenerators und des Kühlers.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass es insbesondere nachteilig ist, den die Lauf fläche des obiggenannten kolbenförmigen Körpers bildenden Zylinderwandteil und den die innere Regeneratorwand bildenden Zy- linderwandteil aus einem Stück herzustellen.
Nach der Erfndung ist die Kaltgaskühl- maschine dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Zylinders, in dem sich der mit der Kappe versehene kolbenförmige Körper hin und her bewegt und durch die der Expansions raum seitlich begrenzt ist, zwei axial hinter- einanderliegende,.nicht ein Stück bildende Teile aufweist, von denen der eine als Lauf- fläche für den kolbenförmigen Körper dient und der,
andere die innere Begrenzungswand des Regenerators bildet.
Es ist zweckmässig, den Regenerator hohl- zylinderförmig auszubilden und seine beiden Begrenzungswände aus einem nichtmetal lischen Material herzustellen. Vorzugsweise wird ein nichtmetallisches Material gewählt, dessen W ärmeleitkoeffizient kleiner als
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ist, also z. B. ein Polyamid wie Nylon gewählt.
Durch Verwendung des nichtmetallischen Materials kann der Wärme verlust von der warmen Seite des Regenera- tors zu seiner kalten Seite durch die Regene- ratorwände hindurch vermieden oder wenig stens beträchtlich herabgesetzt werden.
Die Erfindung wird an Hand eines Aus- führungsbeispiels näher erläutert.
In der Figur ist eine Kaltgaskühlmaschine der Verdrängerart dargestellt. Die Maschine besitzt einen Verdränger 1 und einen Kolben 2, die sich mit einem konstanten Phasen unterschied auf- und abbewegen.
Der Verdränger 1 ist durch ein Trieb- stangensystem 3 mit einer Kurbel, einer Kur belwelle 4, und der Kolben 2 ist .durch ein anderes Treibstangensystem 5 mit Kurbeln derselben Kurbelwelle 4 verbunden. Der Ver- dränger 2 verändert das Volumen des Ex- pansionsraumes 6, welcher der Raum mit niedrigerer Temperatur ist.
Der Kolben 3 und der Verdränger 1 verändern gemeinsam das Volumen des Kompressionsraumes 7, in wel chem eine höhere Temperatur als im Ex- pansionsraum 6 herrscht.
Der Expansionsraum 6 steht über einen Wärmeaustauscher 8 zur Zufuhr von Wärme, einen Regenerator 9 und einen Kühler 10 mit dem Kompressionsraum 7 in Verbindung.
Die Kühlmaschine wird von einem Motor 11 angetrieben, und infolge der auf- und ab gehenden Bewegung des Verdrängers 1 und des Kolbens 2 erfolgt im Expansionsraum 6 im wesentlichen eine Ausdehnung und im Kompressionsraum 7 im wesentlichen eine Kompression des Gases, das in der Maschine einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess ausführt und sich immer in dem selben Aggregatzustand befindet.
Der Verdränger 1 ist mit einer Kappe 12 versehen, so dass er eine wesentliche Höhe auf weist. Die Zylinderwand besteht aus drei adal hintereinander liegenden Teilen. Der erste Teil 13 reicht bis zur Höhe des Kühlers 10 und dient als Lauffläche für Verdränger 1 und den Kolben 2. Der Hub der Maschine wird vorzugsweise derart gewählt, dass der die Kolbenringe tragende Verdrängerteil diesen Wandteil 13 nie verlässt.
Die Wandung kann aus einem Metall mit guten Laufeigen schaften, z. B. aus Gusseisen, hergestellt sein.
Oberhalb dieses Wandteils 13 befindet sich ein zweiter Wandteil 14, der auf gleicher Höhe wie der Regenerator 9 liegt. Dieser Wandteil 14 ist aus Hartpapier hergestellt und weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf; dabei wird unter Hartpapier eine mit einem wärmebeständigen Kunstharz ge tränkte Fasermasse verstanden.
Auf diese Weise wird ein Wärmeverlust durch die In nenwand des Regenerators 9 hindurch weit gehend vermieden. An diese Wand 14 schliesst sich oben eine dritte Wand 15 an, die den Raum mit niedrigerer Temperatur der Ma schine, d.h. den Expansionsraum 6, umgibt. Diese Wand 15 kann zugleich als Teil des Wärmeaustauschers 8 ausgebildet sein.
So isst eine Wärme-Isolierung der innern Regeneratorwand gegenüber der Wand des Expansionsraumes 6 möglich, der im Betrieb eine sehr niedrige Temperatur aufweist, die von der Temperatur des Wärmeaustauschers 8 abweicht, an dem der Regenerator 9 an geschlossen ist.
Der Regenerator 9 besitzt eine Aussen wand 16, die hier gleichfalls aus Hartpapier hergestellt ist. Die beiden Wände aus Hart papier bilden einen Halter für die zwischen ihnen sich befindende Füllmasse, so dass eine Regeneratoreinheit entsteht, die als Ganzes aus der Kühlmaschine herausgenommen wer den kann.
Zu diesem Zweck befindet sich die Regeneratoreinheit in einem Gehäuse 17, wobei sowohl der Wärmeaustauscher 8 als auch der Regenerator 9 und der Kühler 10 durch Schraubenbolzen 18 miteinander ver bunden sind. Solche Regeneratoreinheiten können auf Lager gehalten werden, so dass ein Regenerator durch einen andern in ein facher Weise ersetzt werden kann.
Bei dieser Ausführungsform besteht also die Zylinderwand aus drei Teilen. Es ist aber auch möglich, dass die Wandteile 14 und 15 ein Ganzes bilden. In diesem Falle soll der Wandteil 15 nicht einen Teil des Wärme- austauschers 8 bilden oder wenigstens mit diesem nicht fest verbunden sein.
Obwohl das beschriebene Ausführungs beispiel eine Verdrängermaschine darstellt, kann die erfindungsgemässe Bauart auch bei anderen Kaltgaskühlmaschinen, insbesondere bei Maschinen mit auf beiden Seiten des Kol bens vorhandenen Arbeitsräumen angewendet werden.
Cold gas cooling machine The invention relates to a cold gas cooling machine. Such a machine is known to have an expansion space and a compression space, which are connected to each other via a heat exchanger for supplying heat, a regenerator and a cooler,
a gas that is always in the same physical state in the machine carries out a closed thermodynamic work process. Such a Kaltgaskühlm.aschine is often referred to as a cooling machine working according to the reverse hot gas piston engine principle. These machines can be designed in various ways, e.g. B. as a displacement machine, as a machine with existing working spaces on both sides of the piston or as a machine, the Zy cylinder include an angle with each other.
With cold gas cooling machines, very low temperatures can be achieved from room temperature in one working stage, e.g. B. -80 C, but it is also possible with appropriately trained machines to deliver at -200 C cold.
In view of the low temperature in the expansion space, it is to be expected that the lubrication of the piston-shaped body influencing the volume of this space will cause difficulties, since the running surface for this body has a very low temperature. As is known, these difficulties are eliminated in that the piston-shaped body, with which the volume of the expansion space is changed, is provided with a cap so that the piston rings of the said body that may be present always rest against a part of the cylinder wall whose temperature is not is too low.
The piston-shaped body can then be lubricated normally. This long design of the piston, however, has the consequence that the cylinder wall is relatively long and can share as a limitation of several machines with very different tasks, such as. B. the heat exchanger for supplying heat, the regenerator and the cooler.
The applicant has found that it is particularly disadvantageous to manufacture the cylinder wall part forming the running surface of the abovementioned piston-shaped body and the cylinder wall part forming the inner regenerator wall from one piece.
According to the invention, the cold gas cooling machine is characterized in that the wall of the cylinder, in which the piston-shaped body provided with the cap moves back and forth and through which the expansion space is laterally limited, does not have two axially one behind the other Has pieces forming parts, one of which serves as a running surface for the piston-shaped body and the one,
other forms the inner boundary wall of the regenerator.
It is advisable to design the regenerator as a hollow cylinder and to manufacture its two boundary walls from a non-metallic material. Preferably, a non-metallic material is selected whose thermal conductivity coefficient is less than
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is, so z. B. chosen a polyamide such as nylon.
By using the non-metallic material, the heat loss from the warm side of the regenerator to its cold side through the regenerator walls can be avoided or at least reduced considerably.
The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.
In the figure, a positive displacement type cold gas refrigerator is shown. The machine has a displacer 1 and a piston 2, which move up and down with a constant phase difference.
The displacer 1 is connected by a drive rod system 3 with a crank, a crank shaft 4, and the piston 2 is connected to cranks of the same crankshaft 4 by another drive rod system 5. The displacer 2 changes the volume of the expansion space 6, which is the space with the lower temperature.
The piston 3 and the displacer 1 together change the volume of the compression space 7, in which a higher temperature prevails than in the expansion space 6.
The expansion space 6 is connected to the compression space 7 via a heat exchanger 8 for supplying heat, a regenerator 9 and a cooler 10.
The cooling machine is driven by a motor 11, and as a result of the up and down movement of the displacer 1 and the piston 2 there is essentially an expansion in the expansion space 6 and essentially a compression of the gas in the compression space 7, which is a closed one in the machine executes thermodynamic cycle and is always in the same physical state.
The displacer 1 is provided with a cap 12 so that it has a substantial height. The cylinder wall consists of three adal parts one behind the other. The first part 13 extends up to the level of the cooler 10 and serves as a running surface for the displacer 1 and the piston 2. The stroke of the machine is preferably selected such that the displacement part carrying the piston rings never leaves this wall part 13.
The wall can be made of a metal with good running properties such. B. made of cast iron.
Above this wall part 13 there is a second wall part 14 which is at the same height as the regenerator 9. This wall part 14 is made of hard paper and has a low thermal conductivity; hard paper is understood to mean a fiber mass impregnated with a heat-resistant synthetic resin.
In this way, heat loss through the inner wall of the regenerator 9 is largely avoided. This wall 14 is followed by a third wall 15 at the top, which defines the room with the lower temperature of the machine, i.e. the expansion space 6 surrounds. This wall 15 can at the same time be designed as part of the heat exchanger 8.
So eats a heat insulation of the inner regenerator wall against the wall of the expansion space 6, which has a very low temperature during operation, which differs from the temperature of the heat exchanger 8 at which the regenerator 9 is closed.
The regenerator 9 has an outer wall 16, which is also made of hard paper here. The two walls made of hard paper form a holder for the filling compound located between them, so that a regenerator unit is created that can be taken out of the refrigerator as a whole.
For this purpose, the regenerator unit is located in a housing 17, both the heat exchanger 8 and the regenerator 9 and the cooler 10 being connected to one another by screw bolts 18. Such regenerator units can be kept in stock so that one regenerator can be replaced by another in a simple manner.
In this embodiment, the cylinder wall consists of three parts. But it is also possible that the wall parts 14 and 15 form a whole. In this case, the wall part 15 should not form part of the heat exchanger 8 or at least not be firmly connected to it.
Although the embodiment described is a positive displacement machine, the inventive design can also be used in other cold gas cooling machines, in particular in machines with working spaces on both sides of the piston.