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Kühlaggregat Das Patent. bezieht sieh auf ein Kühlaggregat mit einem Motor und einer Kaltgaskühl- masehine, die einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum aufweist, welche ,Räume durch einen Wärmeaustauscher zur Wärmezufuhr an das Arbeitsmedium, einen aus Draht.
mit einem hydraulischen Durchmesser d bestehenden Regenerator der Länge L und einen Kühler in offener Verbindung stehen und deren Volumina durch mindestens je einen kolbenförmigen Körper periodisch mit der Periodendauer v und mit konstanter Phasenverschiebung veränderlich sind, wobei im stationären Betriebszustand des Aggregates, in dem das immer gasförmig bleibende Arbeitsmedium in der Kühlmaschine einen thermodynamischen Kreisprozess mit.
einem Maiimaldruek pn,a., durchläuft, im Kühler eine Temperatur Ti und im Wärmeaustau- scher eine Temperatur T2 von weniger als 233 K herrscht und bei der mittleren Regene- ratortemperatur 1/2 (T1 -f- T2) die bei Atmosphärendruck gemessene dynamische Zähigkeit des Arbeitsmediums il ist. Unter dem hydraulischen Durchmesser versteht man den Quotienten aus der vierfachen Querschnittsfliehe des Drahtes und seinem Umfang. Der Querschnitt kann dabei jede beliebige Form haben.
Die Länge L des Regenerators ist zwi- schen seiner warmen und seiner kalten Endfläche zu messen. Eine Kaltgaskühlmasehine wird auch oft als eine nach dem umgekehrten I3eissgaskol- benmotorprinzip arbeitende Kühlmaschine bezeichnet.
Eine Kaltgaskühlmaschine kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein, z. B. als Verdrängermaschine, als Maschine mit auf beiden Seiten eines Kolbens vorhandenen Arbeitsräumen oder als Maschine, bei der zwei Zylinder einen Winkel miteinander einschlie- ssen. Mit einer solchen Kühlmaschine ist es möglich, in einem einzigen Schritt einen gro- ssen Temperaturunterschied, z. B. 100", in gewissen Fällen sogar noch mehr, z. B. 220 , zu überbrücken. So kann ein Kühlaggregat zum Beispiel bei 193 K oder auch bei 73 K einem zu kühlenden Mittel Wärme entziehen, und diese Temperaturen können von der Zimmertemperatur, z. B. 2930 K, aus in einer Stufe erreicht werden.
Kaltgaskühlmasehinen kommen oft mit den Motoren zu Kühlaggregaten zusammengebaut auf den Markt. Ein solches Aggregat hat eine bestimmte Normaldrehzahl, die zum Beispiel durch die Netzfrequenz und die Polzahl gegeben ist, wenn die Kühlmaschine unmittelbar durch einen Elektromotor angetrieben wird und deren Kehrwert die Periodendauer a ist. Setzt man ein solches Aggregat in Betrieb, kann man eine Zeitlang an Thermometern, die im Kühler und im Wärmeaustau-
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scher eingebaut sind, beobachten, dass sich die Temperaturen T1 und T2 ändern, bis schliesslich nach einiger Zeit.
ein stationärer Zustand erreicht wird, bei welchem die Temperaturen T1 und TZ konstant bleiben. .
Es ist bekannt, dass bei Heissgaskolben- maschinen und insbesondere bei Kaltgaskühl- maschinen der Regenerator einen für den wirtschaftlichen Betrieb wesentlichen Teil der Maschine bildet. Der Regenerator wird vom Arbeitsmedium, welches in der Maschine einen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, bei jeder hin und her gehenden Bewegung der kolbenförmigen Körper einmal abgekühlt und einmal aufgewärmt. Der dabei vom Regenera- tor überbrückte Temperaturunterschied kann sehr gross sein und zum Beispiel 230 betragen.
Es ist bekannt, den Regenerator einer Kaltgaskühlmaschine mit einer Füllmasse zu versehen, deren Wärmekapazität je Volumeneinheit einen den Betriebsbedingungen der Maschine angepassten Wert hat, damit die Maschine wirtschaftlich arbeiten kann.
Die Anmelderin fand, nachdem sie zahlreiche Kühlaggregate mit verschiedenen Eigenschaften gebaut und auf dem Prüfstand untersucht hatte, dass der Nutzeffekt des Kreisprozesses nicht nur von der Wärmekapazität je Volumeneinheit der Regeneratorfüllmasse abhängt, sondern dass zur Wirtschaftlichkeit auch das Verhältnis zwischen der Länge des Regenerators und dem hydraulischen Durchmesser des Drahtmaterials zur Periodendauer und zu andern Betriebsgrössen in einem gewissen Zusammenhang stehen muss.
Diese Betriebsgrössen sind der maximale Druck p."" den das Arbeitsmedium bei seinem Kreisprozess annimmt, und die mittlere Regenerator- temperatur, welche man mit dem arithmetischen Mittel der im Kühler und im Wärmeaustauscher gemessenen Temperaturen T1 und T2 gleichsetzen darf und bei welcher die dynamische Zähigkeit (Viskosität) des Arbeitsmediums bei atmosphärischem Druck einen Wert / hat (vgl. z. B. William H. Me Adams Heat Transmission, 2. Aufl. [1942], Seiten 410 und 411).
Gemäss der Erfindung ist. das Aggregat dadurch gekennzeichnet, dass folgende Beziehung erfüllt. ist:
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wobei 3,5 < f < 10,5, vorzugsweise jedoch 4,3 < f < 8,6 ist.
Die Erfindung wird anschliessend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Die Zeichnung zeigt im Schnitt ein eine direkt mit einem Elektromotor gekuppelte, als Ver- drängermasehine ausgebildete Kaltgaskühl- maschine aufweisendes Kühlaggregat.
In einem Zylinder 1 der Kühlmasehine bewegen sieh ein Verdränger 2 und ein Kolben 3 mit. konstantem Phasenuntersehied auf und ab. Der Verdränger 2 verändert. dabei das Volumen eines Raumes 4 mit niedriger Temperatur, der als Expansionsraum bezeiehnet wird, während der Verdränger 2 und der Kolben 3 zusammen das Volumen eines Raumes 5 mit höherer Temperatur, des sogenannten Kompressionsraumes, verändern.
Die Räume 4 und 5 bilden zusammen mit einem sie verbindenden Ringkanal, in welchem keine .Ventile oder Schieber eingebaut sind und der deshalb als offene Verbindung bezeichnet wird, den Arbeitsraum der Kühlmaschine, in welchem ein immer im gasförmigen Aggregatzustand bleibendes Arbeitsmedium, z. B. Wasserstoff, welches im Raum 4 im wesentlichen expandiert und im Raum 5 im wesentlichen komprimiert. wird, einen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft. Der diese Räume 4 und 5 verbindende Ringkanal enthält einen Wärmeaustauscher 6 zur Wärmezufuhr an das Arbeitsmedium, einen Regenerator 7 und einen Kühler 8, der dem Arbeitsmedium Wärme entzieht.
Der Verdränger 2 ist durch ein Triebstan- gensystem 9 mit einer Kurbel einer Kurbelwelle 10 und der Kolben 3 durch ein Triebstangensystem 11 mit andern Kurbeln derselben Kurbelwelle 10 verbunden. Die Kühlmaschine wird durch einen Elektromotor 19
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angetrieben. Der Regenerator 7 hat zwischen seiner untern warmen und seiner obern kalten Endfläche eine Länge L, die mit 13 bezeichnet ist.
Infolge des thermodynamisehen Kreispro- zesses, den das Arbeitsmedium durchläuft, herrscht im Wärmeaustauseher 6 im stationären Betriebszustand eine niedrigere Temperatur als 233 K, so dass es möglich ist, durch ihn ein sich ausserhalb des Arbeitsraumes der Maschine befindendes Mittel zu kühlen.
Wenn man den Motor 12 an das Netz legt und dadurch das Aggregat in Betrieb setzt, stellt sich nach einiger Zeit ein stationärer Betriebszustand ein. Dann herrscht zum Beispiel im Kühler 8 eine Temperatur Ti von 300 K und im Wärmeaustauseher 6 eine Temperatur T2 von 75 K. Die durch die Netzfrequenz, die Bauart und Polzahl des Motors 12 (und gegebenenfalls das Übersetzungsverhältnis eines Getriebes) festgelegte Periodendauer der Kühlmaschine betrage i/25 Sekunde.
Bei der mittleren Regeneratortemperatur 1/2 (300 + 75) - 187,5 K und Atmosphärendruck beträgt die dynamische Viskosität 27 des als Arbeitsmedium verwendeten Wasserstoffes 3,5 .10-5 Poise, und der lfaximaldruek erreiche 3,5.106 dyn/em2. Dann fällt das Kühlaggregat. unter dieses Patent, wenn
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< 4320 ist, was man durch Einsetzen in die die Erfindung kennzeichnende Beziehung mit. 3,5 < - f -' 10,5 erhält. Im bevorzugten Bereich liegt das Aggregat, wenn
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ist, wie sich daraus mit 4,3 < f < ' 8,6 ergibt.
Beträgt also der hydraulische Durchmesser d des Drahtmaterials zum Beispiel 2 - 10-3 cm, so fällt das Aggregat unter das Patent, wenn 2,88 cm --- L < 8.64 ein, und in den bevorzugten Bereich, wenn 3,54 cm < L < 7,8 ein ist. Im dargelegten Beispiel sind alle Grössen im egs-System angegeben. Man könnte sie auch in andern Einheiten ausdrücken, sofern diese Einheiten zu einem und demselben Ein- heitensy stem gehören.