Verfahren zur Herstellung eines Regenerators für eine Tieftemperatur-Kältemaschine und nach diesem Verfahren hergestellter Regenerator

Abstract

 Eine Herstellung ist dadurch möglich, daß der Regenerator durch einen Wicklungsprozeß hergestellt ist; zweckmäßig hat er eine im wesentlichen zylindrische Form und besteht aus gewickelten Fäden, einem gewickelten Gewebeband (37) oder aus einem gewickelten perforierten Blech.

Beschreibung

[0001] Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen zur Erzeugung der Kälte thermodynamische Kreisprozesse ablaufen (vgl. z. B. die US-PS 29 06 101), werden häufig auch als Refrigeratoren bezeich­net. Ein einstufiger Refrigerator umfaßt im wesentlichen eine Kammer mit einem Verdränger. Die Kammer wird in bestimmter Weise alternierend mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Gasquelle verbunden, so daß während der Hin- und Herbewegung des Verdrän­gers der thermodynamische Kreisprozeß (Sterling-Prozeß, Gifford Mac Mahon-Prozeß usw.) abläuft, wobei das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Die Folge ist, daß einem bestimmten Bereich der Kammer Wärme entzogen wird. Mit zweistu­figen Refrigeratoren dieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich z. B. Temperaturen bis unter 10 K erzeugen.

[0002] Wesentlicher Bestandteil eines Refrigerators ist der Regenerator, durch den das Arbeitsgas vor und nach der Entspannung strömt. Der Regenerator kann in einem separaten Gehäuse oder - wie es die DE-As 13 01 343 zeigt - innerhalb des zylindrisch gestalteten Verdrängers angeordnet sein. Der Regenerator soll eine möglichst hohe Wärmespeicherkapazität und eine möglichst große innere Oberfläche zum Wärmetausch haben. Die Wärmeübergangsverhältnisse müssen ebenfalls gut sein. Gleichzeitig soll aber der Regenerator eine schlechte Wärmeleitung in Durchflutungsrichtung haben, d. h. der Temperaturgradient soll groß sein, so daß eine Wärmeaustausch zwischen den Enden des Refrigerators weitestgehend vermieden ist.

[0003] Es ist bekannt, als Regeneratormaterialien Bronzewolle oder Kugeln aus Bronze oder Blei zu verwenden. Das Füllen der Regene­rator-Gehäuse mit diesen Materialien ist aufwendig. Bronzewolle erlaubt keinen definierten Durchsatz und damit keinen definierten Wärmeübergang. Kugeln haben ebenfalls diesen Nachteil, da sie untereinander keine mechanische Verbindung haben. Bei Bleikugeln besteht die Gefahr der Deformation, die zu einer Durchlaßredu­zierung führen würde. Weiterhin besteht die Gefahr, daß diese Regeneratormaterialien in den Verdrängerraum austreten und dort Schäden an den Gleitflächen verursachen.

[0004] Aus der DE-OS 30 44 427 ist es bekannt, zylindrische Sintermate­rialkörper zu verwenden. Diese sind relativ aufwendig in der Herstellung.

[0005] Schließlich ist es bekannt, zylindrische Regeneratoren aus Stapeln von kreisförmig geschnittenen Bronze-Netzen aufzubauen. Die Herstellung dieser Netze ist mit einem relativ hohen Sieb­verschnitt verbunden, der in der Größenordnung von 40% liegt. Außerdem ist der Montage- und Füllaufwand hoch. Die Gefahr, daß kurze Rand-Drahtabschnitte in den Verdrängerraum gelangen und dort Schäden verursachen, ist noch vorhanden.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Regenerators anzugeben, das einfach ist und bei dem die Gefahr des Austretens von Verdrän­germaterial nicht mehr besteht.

[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Regenerator durch einen Wicklungsprozeß hergestellt wird. Zweck­mäßig besteht ein nach diesem Verfahren hergestellter Regenerator aus gewickelten Fäden, einem gewickelten Gewebeband oder sogar aus gewickelten perforierten Blechen. Ein in dieser Weise ausge­bildeter Regenerator kann verlustfrei aus einem Gewebeband hergestellt werden. Er ist nach seiner Herstellung einstückig, so daß die Gefahr des Austretens von Regeneratormaterial aus dem Regeneratorraum nicht mehr besteht. Dennoch sind die dem Wärme­übergang zur Verfügung stehenden Oberflächen relativ groß.

[0008] An das Material, aus dem der Herstellung des Regenerators durch Wickeln dienende Gewebeband besteht, ist nur die Forderung zu stellen, daß es für Regeneratorzwecke geeignet ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Gewebebändern aus Kupfer, Bronze, Aluminium, Edelstahl, Blei oder dergleichen. Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, ein Mischgewebe zu verwen­den, und zwar derart, daß die sich parallel zur Achse des zylin­drischen Regenerators erstreckenden Fäden aus schlecht wärmelei­tendem Material und die sich senkrecht dazu erstreckenden Fäden aus gut wärmeleitendem Material bestehen. Dadurch wird eine gleichmäßige Belastung des Regenerators bei gleichzeitig schlechter Wärmeleitung in Durchflutungsrichtung erreicht.

[0009] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

[0010] In der Figur 1 ist ein zweistufiger Refrigerator 1 teilweise im Schnitt dargestellt. Im Gehäuse 2 ist in nicht näher darge­stellter, an sich bekannter Weise, ein Ventilsystem unterge­bracht, das in einer bestimmten Reihenfolge eine Hochdruck- und eine Niederdruck-Gasquelle, die an den Anschlußstutzen 3 und 4 angeschlossen sind, mit den Kanälen 5, 6 und 7 verbindet. Der Kanal 6 mündet in einen Zylinder 8, in dem sich ein mit dem Verdränger 9 der ersten Stufe 11 des Refrigerators befindliche Antriebskolben 12 befindet. Ein den Kolben 12 gegenüber der Innenwand des Zylinders 8 abdichtender Ring ist mit 13 bezeich­net. Mit Hilfe dieses Antriebes wird der Verdränger 9 in der vom zylindrischen Gehäuse 14 gebildeten Kammer 15 hin- und herbewegt. An dem Verdränger 9 der ersten Stufe ist der Verdränger 17 der zweiten Stufe 18 des Refrigerators befestigt, so daß auch der Verdränger 17 in der vom zylindrischen Gehäuse 19 gebildeten Kammer 21 eine Hin- und Herbewegung ausführt. Die Achse des gesamten Systems ist mit 10 bezeichnet.

[0011] Die Verdränger 9 und 17 sind im wesentlichen zylindrisch gestal­tet. Ihre inneren Hohlräume 22 und 23 dienen der Unterbringung der im einzelnen noch genauer zu beschreibenden Regeneratoren.

[0012] Über die Kanäle 5 und 7 wird das Arbeitsgas zu- bzw. abgeführt. Es strömt über die Bohrungen 24 durch den Regenerator des Ver­drängers 9 in den Expansionsraum 25, welcher der untere Teil der Kammer 15 ist. Dort expandiert das Arbeitsgas und entzieht diesem Bereich der ersten Stufe 11 des Refrigerators Wärme. Das vorge­kühlte Gas strömt weiter durch die Bohrung 27 in den Verdränger 17 der zweiten Stufe 18, durch den im Innenraum 23 dieses Ver­drängers 17 liegenden Regenerator und durch die Bohrung 28 am unteren Ende des Verdrängers 17 in den Expansionsraum 29 der zweiten Stufe 18. Dort erfolgt eine weitere Expansion mit diesem Bereich der zweiten Stufe abkühlender Wirkung. Auf dem gleichen Weg strömt das Gas zurück und kühlt die Regeneratormaterialien ab, so daß die im nächsten Zyklus wieder einströmenden Gase im Regenerator vorgekühlt werden.

[0013] Zur Abdichtung der Verdränger 9 und 17 gegenüber ihren zugehö­rigen Kammerwandungen 14 und 19 dienen Dichtringe 31 und 32, die in Außennuten 33 und 34 untergebracht sind.

[0014] In den Hohlräumen 22 und 23 Verdränger 9 und 17 befinden sich die Regeneratoren 35 und 36. Diese sind aus einem Gewebebandab­schnitt 37 (Figur 2) gewickelt. Beim Verdränger 9 der ersten Stufe ist dazu ein zentraler Dorn 38 vorgesehen, der an der Unterseite 39 des Verdrängergehäuses befestigt ist und in den Hohlraum 22 hineinragt.

[0015] Im Hohlraum 23 des Verdrängers 17 der zweiten Stufe 18 befindet sich ein ebenfalls zu einer Rolle gewickelter Regenerator 36. Ein Dorn ist nicht vorhanden. Da sich als Regeneratormaterial der zweiten Stufe der Werkstoff Blei besonders eignet, besteht das Gewebe, aus dem der Regenerator 36 gewickelt ist, zweckmäßig aus Bleifäden.

[0016] Figur 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Gewebandes 37, bei dem sich parallel zur Wickelachse Fäden mit 41 und senkrecht dazu verlaufende Fäden mit 42 bezeichnet sind. Dargestellt ist ein einfaches Leinengewebe. Auch andere Gewebe­arten, Körpergewebe, Tressengewebe oder dergleichen können verwendet werden.

[0017] Die das Gewebe bildenden Fäden können aus Metall (Kupfer, Bronze, Aluminium, Edelstahl, Blei o. dgl.) oder aus Kunststoff (Nylon, Teflon, Polyester o. dgl.) bestehen. Besonders zweckmäßig ist ein Mischgewebe, bei dem die sich parallel zur Wickel- bzw. Zylin­derachse 10 erstreckenden Fäden 41 aus schlecht wärmeleitendem Material (z. B. Kunststoff) und die sich senkrecht dazu erstrek­kenden Fäden aus gut wärmeleitendem Material (z. B. Metall) bestehen. Ein gleichmäßiger Durchsatz bei gleichzeitig schlechtem Wärmedurchgang in Durchflutungsrichtung wird dadurch erreicht.

[0018] Die Stärke der das Gewebeband bildenden Fäden liegt in der Größenordnung von 0,04 bis 0,1 mm. Dieses hat eine relativ große innere Oberfläche des erfindungsgemäßen Regenerators zur Folge.

[0019] Dargestellt wurde die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­spieles mit einem Geweband 37. Anstelle des Gewebebandes ist auch der Einsatz von perforierten Blechen, z. B. aus Kupfer, Bronze oder dergleichen möglich.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Regenerators für eine Tieftemperatur-Kältemaschine (1), dadurch ge­kennzeichnet, daß er durch einen Wicklungsprozeß hergestellt wird.

2. Nach einem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellter Regene­rator für eine Tieftemperatur-Kältemaschine (1), dadurch gekennzeichnet, daß er aus gewickelten Fäden, einem gewickelten Gewebeband oder aus einem perforierten Blech besteht.

3. Regenerator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß er eine im wesentlichen zylindrische Form hat und daß ein Gewebeband (37) oder ein perforiertes Blechband um seine zylindrische Achse (10) gewickelt ist.

4. Regenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Gewebeband (37) um einen zentralen Dorn (38) gewickelt ist.

5. Regenerator nach Anspruch 4 für einen Verdränger mit zylin­drischen Regeneratorraum, dadurch ge­kennzeichnet, daß der zentrale Dorn an einem Teil (39) des Verdrängergehäuses befestigt ist.

6. Regenerator nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Gewebeband (37) Metallfäden enthält.

7. Regenerator nach einem der 6 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenzeichnet, daß das den Regenerator bildende Band (37) ein Metallgewebe ist, dessen Fäden aus Kupfer, Bronze, Aluminium, Edelstahl, Blei und/­oder dergleichen bestehen.

8. Regenerator nach der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sich parallel zur Zylinderachse (10) erstreckenden Fäden (41) des gewickelten Regenerators aus schlecht wärmeleitendem Material und die sich senkrecht zur Zylinderachse erstreckenden Fäden (42) des Regenerators aus gut wärmeleitendem Werkstoff bestehen.

9. Regenerator nach Anspruch 8, dadurch gekenn­zeichnet, daß die sich parallel zur Zylinderachse erstreckenden Fäden aus Kunststoff oder Edelstahl und die sich senkrecht zur Zylinderachse erstreckenden Fäden aus Metall bestehen.

10. Regenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator aus einem Geweband (37) gewickelt ist, das als Leinen-, Körper- oder Tressengewebe gestaltet ist.

Zeichnung