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DE19924184A1 - Arrangement for using specific heat of helium gas in regenerators for low temperature gas refrigeration machines uses one of two types of helium gas regenerators with refrigeration machine - Google Patents

Arrangement for using specific heat of helium gas in regenerators for low temperature gas refrigeration machines uses one of two types of helium gas regenerators with refrigeration machine

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DE19924184A1
DE19924184A1 DE1999124184 DE19924184A DE19924184A1 DE 19924184 A1 DE19924184 A1 DE 19924184A1 DE 1999124184 DE1999124184 DE 1999124184 DE 19924184 A DE19924184 A DE 19924184A DE 19924184 A1 DE19924184 A1 DE 19924184A1
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regenerator
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helium pressure
pressure gas
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Abstract

The arrangement has a helium compressed gas regenerator of one of two types that is used in combination with a regenerative low temp. gas refrigeration machine. One type of helium compressed gas regenerator has a stationary has in a thin-walled tube. The other has a normal ball or granulate lead or other filling in the low temp. part of the regenerator.

Description

Ausgangspunktstarting point

Zur Erzeugung tiefer Temperaturen werden häufig regenerative Tieftemperatur­ gaskältemaschinen in einem geschlossenen Gas-Kreislauf herangezogen. Dieser Kreislauf umfaßt in der Regel einen Kompressor (Fig. 1) bei Raumtemperatur, der für eine passende Verdichtung des Kreislaufgases sorgt, danach durchströmt das Gas den sogenannten Regenerator, um dann im Expansionsraum einer Entspannung unterzogen zu werden. Das dabei sich abkühlende Gas nimmt Wärme aus der Umgebung des Expansionsraums auf (Kühleffekt) und wird durch den Regenerator wieder zum Kompressor geführt. Der Regenerator dient dabei als effizienter Zwischenspeicher für Wärme im Gas. Im stationären Zustand der Kältemaschine kühlt sich das Arbeitsgas durch Wechselwirkung mit der Regeneratormatrix während der Druckphase des Kompressors auf dem Wege zum Entspannungsraum ab (gibt also Wärme an den Regenerator ab), während es in der Entspannungsphase auf dem Rückwege zum Kompressor die Wärme wieder aus dem Regenerator aufnimmt. Der Regenerator dient also einer effizienten thermischen Isolierung zwischen Kompressor und Expansionsraum trotz gleichzeitig relativ hohen Massenflusses des Arbeitsgases. Solche Regeneratoren werden selbstverständlich in Hinblick auf möglichst günstiges Betriebsverhalten mit entsprechenden Entwicklungsaufwand optimiert. (Angreifend an Parametern wie Durchströmwiderstand, therm. Leitfähigkeit, Totvolumen, Material­ auswahl bezüglich spez. Wärme etc.).To generate low temperatures, regenerative low-temperature gas refrigerators are often used in a closed gas cycle. This circuit generally comprises a compressor ( Fig. 1) at room temperature, which ensures a suitable compression of the cycle gas, then the gas flows through the so-called regenerator, in order to then be subjected to a relaxation in the expansion space. The gas that cools down absorbs heat from the surroundings of the expansion space (cooling effect) and is returned to the compressor by the regenerator. The regenerator serves as an efficient temporary store for heat in the gas. In the stationary state of the chiller, the working gas cools down through interaction with the regenerator matrix during the pressure phase of the compressor on the way to the relaxation room (i.e. releases heat to the regenerator), while it releases the heat again on the way back to the compressor Regenerator. The regenerator thus serves for efficient thermal insulation between the compressor and the expansion space despite the relatively high mass flow of the working gas. Such regenerators are of course optimized with regard to the most favorable operating behavior with corresponding development effort. (Attacking parameters such as flow resistance, thermal conductivity, dead volume, material selection with regard to specific heat etc.).

Je nach Führung des Kreisprozesses können verschiedene Typen von regenerativen Gaskältemaschinen unterschieden werden, von denen drei genannt seien (Fig. 2):
Die ventillose Stirlingkältemaschine (Fig. 2a), der häufig benutzte Gifford-McMahon-Kühler, bei dem der Gasdruckwechsel über ein Steuerventil bei Raumtemperatur erfolgt (Fig. 2b), und der in jüngster Zeit zunehmende Beachtung findende Pulsröhrenkühler (Fig. 2c). Bei diesem kann sowohl ein "Stirling-artiger" Betrieb, d. h. ventillose Ankopplung an den Kompressor, als auch ein "Gifford-McMahon-artiger" Betrieb realisiert werden. Wesentlicher Punkt ist der Wegfall massiver beweglicher Teile im Expansionsraum (Verdränger, Verdränger- Regenerator). Hierdurch werden Eigenstörpegel, wie mechanische Vibrationen, drastisch reduziert, was diesen Kühler für manche Zwecke sehr attraktiv werden läßt. All diese Kühler sind in der Literatur ausführlich beschrieben.
Depending on the management of the cycle, different types of regenerative gas refrigeration machines can be distinguished, three of which are mentioned ( Fig. 2):
The valveless Stirling refrigerator ( Fig. 2a), the frequently used Gifford-McMahon cooler, in which the gas pressure is changed via a control valve at room temperature ( Fig. 2b), and the pulse tube cooler, which has recently received increasing attention ( Fig. 2c). With this, both a "Stirling-like" operation, ie valveless coupling to the compressor, and a "Gifford-McMahon-like" operation can be realized. An essential point is the elimination of massive moving parts in the expansion space (displacer, displacer-regenerator). This drastically reduces interference levels such as mechanical vibrations, which makes this cooler very attractive for some purposes. All of these coolers are described in detail in the literature.

Während die Erzeugung von Temperaturen in einstufigen Gaskältemaschinen bis hinab zu ca. 30 Kelvin keine besonderen Schwierigkeiten bereitet (Verwendung von Edelstahl- oder Bronzenetzen als Regeneratormatrix), entsteht ein Problem bei tiefen Temperaturen. Dies ist die "Erschöpfung" des Regenerators, d. h. der Verlust seiner Wärmespeicherfähigkeit durch die mit der Temperatur absinkende spez. Wärme der Materialien. Andererseits zeigt Heliumgas unter Druck ein Maximum in seiner volumetrischen spez. Wärme bei Temperaturen unter 10 K. Dies hat zur Konsequenz, daß selbst mit Bleiregeneratoren in der Tieftemperaturstufe zweistufiger Gaskältemaschinen kaum Temperaturen unter 6 Kelvin erreicht wurden (vgl. Fig. 3). Abhilfe gelang durch die Verwendung von Materialien mit einem Phasenübergang. Die damit einhergehende Steigerung der volumetrischen spez. Wärme der Matrix des Regenerators kann diesen dann auch wieder für diesen niedrigen Temperaturbereich effizient machen. Dies wurde durch die Verwendung von Seltene- Erdverbindungen erreicht (vgl. Fig. 4). Mit zweistufigen Gaskältemaschinen, vor allem vom Gifford-MacMahon- und Pulsröhrentyp, gelingt es heute, Temperaturen deutlich unter 4 Kelvin im Temperaturbereich des flüssigen Heliums zu generieren.While the generation of temperatures in single-stage gas chillers down to approx. 30 Kelvin does not pose any particular difficulties (use of stainless steel or bronze nets as a regenerator matrix), a problem arises at low temperatures. This is the "exhaustion" of the regenerator, ie the loss of its heat storage capacity due to the sinking with the temperature spec. Warmth of materials. On the other hand, helium gas shows a maximum in its volumetric spec. Heat at temperatures below 10 K. This has the consequence that even with lead regenerators in the low-temperature stage of two-stage gas cooling machines, temperatures below 6 Kelvin were hardly reached (cf. FIG. 3). This was remedied by using materials with a phase transition. The associated increase in volumetric spec. Heat from the regenerator matrix can then make it efficient again for this low temperature range. This was achieved through the use of rare earth connections (see Fig. 4). With two-stage gas chillers, especially of the Gifford-MacMahon and pulse tube types, it is now possible to generate temperatures well below 4 Kelvin in the temperature range of the liquid helium.

Die Verwendung von Seltene-Erdverbindungen als Tieftemperaturregeneratormatrix hat leider ihren Preis:
Unfortunately, the use of rare earth connections as a low-temperature regenerator matrix has its price:

  • a) Die Verbindungen haben in der Regel eine magnetische Signatur, die im Zusammenhang mit magnetischen Applikationen störend sein kann, unda) The connections usually have a magnetic signature, which in the Connection with magnetic applications can be disruptive, and
  • b) die Verbindungen sind teuer.b) the connections are expensive.

Nachstehend wird daher eine Anordnung beschrieben, die unter Nutzung der spezifischen Wärme des Heliumgases selbst einen ausreichenden regenerativen Effekt zu realisieren gestattet.Therefore, an arrangement will be described below using the specific Heat of the helium gas itself to achieve a sufficient regenerative effect allowed.

Beschreibung der Vorrichtung zur Nutzung der spez. Wärme von Helium-Druckgas in Regeneratoren von TieftemperaturgaskältemaschinenDescription of the device for using the spec. Heat from compressed helium gas in regenerators of low-temperature gas refrigerators

Während der Wärmeaustausch zwischen der Regeneratormatrix und dem strömenden Heliumgas durch unmittelbaren Kontakt mit demselben zustandekommt, bedarf es bei der Nutzung von Heliumgas als Wärmespeicher eines Einschlusses einer Quantität desselben in einen geeigneten Behälter, der im Regenerator untergebracht ist. Dieses im Regenerator stationäre Heliumgas muß thermisch mit guter Wärmeleitung an das strömende Arbeitsgas angekoppelt sein, wie auch sonst die Randbedingungen für einen guten Regenerator erfüllt sein müssen. Hierzu dient folgende Vorrichtung:During the heat exchange between the regenerator matrix and the flowing one Helium gas, which comes about through direct contact with the same, is required by the Use of helium gas as heat storage by enclosing a quantity of the same in a suitable container that is housed in the regenerator. This in the regenerator stationary helium gas must be thermally with good heat conduction to the flowing working gas be coupled, as otherwise meets the boundary conditions for a good regenerator have to be. The following device is used for this:

Typ IType I

Bei Typ I handelt es sich um den Einschluß des stationären Gases in dünnwandiges Rohr (Typ Ia) oder den Zwischenraum zwischen dünnwandigen Rohren Typ Ib). Das pulsierende Arbeitsgas durchströmt dann den jeweils komplementären Raum.Type I involves the inclusion of the stationary gas in a thin-walled tube (Type Ia) or the space between thin-walled tubes type Ib). The pulsating Working gas then flows through the complementary space.

Eine Realisierungsform von Typ Ia (vgl. Fig. 5a) ist eine spiralförmige Anordnung des dünnwandigen Rohrs in dem äußeren Zylinder des Regenerators, wie sie z. B. im Gegenstromwärmetauscher vom Hampson-Typ bei Joule-Thomson-Kühlern verwendet wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist eine verhältnismäßig geringe Zahl von Löt- und Verbindungsstellen in der Anordnung mit einhergehender Sicherheit gegen Lecks. Das eine Ende der Spirale ist verschlossen, das andere Ende dagegen wird mit dem Kontrolleingang am äußeren Regeneratorrohr verbunden. Mit diesem Kontrolleingang kann die Spirale mit Gas gefüllt werden, dessen Druck während des Kühler-Betriebs kontrolliert und eventuell variiert werden kann. Vorteilhaft wird der Kontrolleingang am warmen Ende des Regenerators angebracht.A realization form of type Ia (see. Fig. 5a) is a spiral arrangement of the thin-walled tube in the outer cylinder of the regenerator, as z. B. is used in the countercurrent heat exchanger from the Hampson type in Joule-Thomson coolers. The advantage of this arrangement is a relatively small number of soldering and connection points in the arrangement with accompanying security against leaks. One end of the spiral is closed, the other end is connected to the control input on the outer regenerator tube. With this control input, the spiral can be filled with gas, the pressure of which can be checked during cooling operation and possibly varied. The control input is advantageously attached to the warm end of the regenerator.

Wandstärke der Spirale und Innendurchmesser müssen im Hinblick auf Wärmeleitung, mechanische Stabilität und guter Nutzung des Gaswärmeinhalts optimiert werden. Die Steigung der Spirale wird u. a. durch die Forderung nach gutem Wärmeübergang zwischen dem strömenden Gas und der Spirale sowie nach gleichzeitig geringem Durchflußwiderstand durch den Regenerator bestimmt. Wall thickness of the spiral and inner diameter must be considered with regard to heat conduction, mechanical stability and good use of the gas heat content can be optimized. The Slope of the spiral is u. a. by demanding good heat transfer between the flowing gas and the spiral as well as after low flow resistance determined by the regenerator.  

Bei Typ Ib vertauschen sich die Rollen (vgl. Fig. 5b): Das stationäre Gas ist nun im Zwischenraum zwischen einem Bündel dicht gepackter Kapillarrohre im Zylinder des Regenerator eingeschlossen. Das strömende Gas durchfließt die parallelen Kapillaren, deren Anzahl und Geometrie den Strömungswiderstand bestimmt. Wandstärke und Durchmesser der Kapillaren sind wieder im Hinblick auf guten Wärmeübergang zu optimieren. Zur Reduktion von Gaskonvektion im stationären Gas empfiehlt es sich, strömungshemmendes Material zu füllen, wie etwa mit leichter Glaswollpackung. Es darf hierbei aber nicht die thermische Kopplung zur Kapillarstruktur beeinträchtigt werden.In type Ib the roles are reversed (see Fig. 5b): The stationary gas is now trapped in the space between a bundle of tightly packed capillary tubes in the cylinder of the regenerator. The flowing gas flows through the parallel capillaries, the number and geometry of which determine the flow resistance. The wall thickness and diameter of the capillaries must be optimized again with a view to good heat transfer. To reduce gas convection in stationary gas, it is advisable to fill flow-inhibiting material, such as with a light glass wool pack. However, the thermal coupling to the capillary structure must not be impaired.

Typ IIType II

Bei Typ II wird der Regenerator in seinem Tieftemperaturteil mit einer normalen Kugel- oder Granulatschüttung aus Blei oder anderen Materialien gefüllt. In dieser Schüttung bilden sich perkolative Kanäle (Fig. 5c). Sie können in zwei Kategorien unterschieden werden: Solche, die mindestens einseitig verschlossen sind, und solche, die beidseitig offen sind. Durch letztere strömt das pulsierende Arbeitsgas. In den Kanälen der ersten Kategorie ist das stationäre Heliumgas eingeschlossen. Wiederum ist es wichtig, daß die thermische Kopplung zwischen strömendem und eingeschlossenem Gas gut ist: Auswahl der Kugel- bzw. Granulatgeometrie.In Type II, the low temperature section of the regenerator is filled with a normal ball or granulate fill made of lead or other materials. Percolative channels form in this bed ( FIG. 5c). They can be divided into two categories: those that are closed at least on one side and those that are open on both sides. The pulsating working gas flows through the latter. The stationary helium gas is enclosed in the channels of the first category. Again, it is important that the thermal coupling between the flowing and enclosed gas is good: selection of the spherical or granular geometry.

AbbildungenIllustrations

Fig. 1 Allgemeine Anordnung von Gaskältemaschinen Fig. 1 General arrangement of gas chillers

Fig. 2a Stirling-Kühler, FIG. 2a Stirling cooler,

Fig. 2b Gifford-McMahon-Kühler, Fig. 2b Gifford-McMahon cooler,

Fig. 2c Pulsröhrenkühler Fig. 2c pulse tube cooler

Fig. 3 Volumetrische spezifische Wärme von Blei und von Heliumdruckgas Fig. 3 Volumetric specific heat of lead and helium gas

Fig. 4 Volumetrische spezifische Wärme von Seltene-Erdverbindungen Fig. 4 Volumetric specific heat of rare earth connections

Fig. 5a Heliumdruckgasregenerator, Typ Ia Fig. 5a helium pressure gas regenerator, type Ia

Fig. 5b Heliumdruckgasregenerator, Typ Ib Fig. 5b helium pressure gas regenerator, type Ib

Fig. 5c Perkolativer Heliumdruckgasregenerator, Typ II Fig. 5c Perkolativer Heliumdruckgasregenerator, type II

Claims (10)

1. Heliumdruckgasregenerator nach Typ Ia in Verbindung mit regenerativen Tieftemperaturgaskältemaschinen.1. Type Ia helium pressure gas regenerator in connection with regenerative Low temperature gas chillers. 2. Heliumdruckgasregenerator nach Typ Ib in Verbindung mit regenerativen Tieftemperaturgaskältemaschinen.2. Type Ib helium pressure gas regenerator in conjunction with regenerative Cryogenic gas chillers. 3. Heliumdruckgasregenerator nach Typ II in Verbindung mit regenerativen Tieftemperaturgaskältemaschinen. 3. Type II helium pressure gas regenerator in conjunction with regenerative Cryogenic gas chillers.   4. Heliumdruckgasregenerator nach Typ Ia in Verbindung mit regenerativen Tieftemperaturgaskältemaschinen, derart, daß der Spiraleinlass des Regenerators mittels einer Füll-Kapillare thermisch isoliert von außen zugänglich ist.4. Type Ia helium pressure gas regenerator in conjunction with regenerative Cryogenic gas chillers, such that the spiral inlet of the regenerator is accessible from the outside in a thermally insulated manner by means of a filling capillary. 5. Heliumdruckgasregenerator nach Typ Ia in Verbindung mit regenerativen Tieftemperaturgaskältemaschinen, derart daß die Druckgasfüllung über die Kapillare nach Anspruch 4 zur Betriebsoptimierung eingestellt wird.5. Helium pressure gas regenerator according to type Ia in connection with regenerative Low-temperature gas refrigeration machines, such that the compressed gas filling via the capillary is set according to claim 4 for operational optimization. 6. Heliumdruckgasregenerator nach Typ Ia in Verbindung mit regenerativen Tieftemperaturgaskältemaschinen, derart, daß die Kapillare nach Anspruch 4 zusätzlich über ein Regulier-Ventil mit dem strömenden Gas an geeigneter Stelle zwecks Betriebsoptimierung verbunden werden kann.6. Type Ia helium pressure gas regenerator in connection with regenerative Low-temperature gas refrigeration machines, such that the capillary according to claim 4 additionally via a regulating valve with the flowing gas at a suitable point can be connected to optimize operations. 7. Heliumdruckgasregenerator nach Typ Ia in Verbindung mit regenerativen Tieftemperaturgaskältemaschinen, derart, daß die Kapillare nach Anspruch 4 zusätzlich über ein Regulier-Ventil mit dem strömenden Gas zwecks Betriebsoptimierung verbunden werden kann, wobei über zusätzlich vorgesehene Puffervolumina eine hilfreiche Phasenverschiebung zwischen strömendem Gas und dem stationären Gas eingestellt werden kann.7. Helium pressure gas regenerator type Ia in connection with regenerative Low-temperature gas refrigeration machines, such that the capillary according to claim 4 additionally via a regulating valve with the flowing gas Operational optimization can be connected, with additionally provided Buffer volumes provide a helpful phase shift between flowing gas and the stationary gas can be adjusted. 8.-11. Ansprüche 8.-11. wie Ansprüche 4.-8. entsprechend für Regenerator Typ Ib. Die Füll-Kapillare ist hier an geeigneter Stelle mit dem Raum zwischen dem Kapillarbündel für das strömende Gas im Regenerator zu verbinden.8.-11. Claims 8.-11. like claims 4.-8. correspondingly for regenerator type Ib. The Filling capillary is here in a suitable place with the space between the Connect capillary bundles for the flowing gas in the regenerator. 12. Heliumdruckgasregenerator nach Typ II, derart, daß die Matrixkugelschüttung als Sinterkörper ausgebildet wird.12. Helium pressure gas regenerator according to type II, such that the matrix ball bed as Sintered body is formed. 13. Heliumdruckgasregenerator nach Typ II, derart, daß der Matrixkörper aus geeignetem Metallschaum realisiert wird.13. Helium pressure gas regenerator according to type II, such that the matrix body made of a suitable Metal foam is realized.
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