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DE10318510A1 - Heat storage medium - Google Patents

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DE10318510A1
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DE
Germany
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storage medium
heat storage
hollow body
helium
regenerator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10318510A
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German (de)
Inventor
Hans-Ulrich HÄFNER
Ernst Schnacke
Günter THUMMES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold Vakuum GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to KR1020057020050A priority patent/KR20050113675A/en
Priority to PCT/EP2004/003944 priority patent/WO2004094927A1/en
Priority to US10/553,487 priority patent/US20060201163A1/en
Priority to EP04727558A priority patent/EP1616137A1/en
Priority to JP2006505122A priority patent/JP2006524307A/en
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Abstract

Als Wärmespeichermittel für einen Tieftemperaturbereich unterhalb von 15 Kelvin werden üblicherweise Granulate aus Selten-Erdverbindungen verwendet. Die Materialkosten für Seltene Erden sind hoch. Ferner sind Seltene Erden magnetisch und daher nicht für alle Anwendungen geeignet. Das erfindungsgemäße Wärmespeichermittel für einen sehr niedrigen Temperaturbereich besteht aus einem Satz (22) schüttbarer und gasdicht geschlossener Hohlkörper (30), wobei jeder Hohlkörper (30) als Speichermedium eine Füllung (34) aus einem tiefsiedenden Gas aufweist. Hierdurch wird ein relativ preiswertes Wärmespeichermittel zur Verfügung gestellt, dessen physikalische, chemische, magnetische und mechanische Eigenschaften durch eine entsprechende Materialwahl an die jeweilige Anwendung angepasst werden können.Granules of rare earth compounds are usually used as heat storage medium for a low temperature range below 15 Kelvin. The material costs for rare earths are high. Furthermore, rare earths are magnetic and therefore not suitable for all applications. The heat storage medium according to the invention for a very low temperature range consists of a set (22) of pourable and gas-tight closed hollow bodies (30), each hollow body (30) having a filling (34) made of a low-boiling gas as the storage medium. This provides a relatively inexpensive heat storage medium, the physical, chemical, magnetic and mechanical properties of which can be adapted to the respective application by an appropriate choice of material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmespeichermittel für einen Tieftemperaturbereich, auf einen Regenerator für Tieftemperatur-Refrigeratoren sowie auf einen Tieftemperatur-Refrigerator.The Invention relates to a heat storage agent for one Low temperature range, on a regenerator for low temperature refrigerators as well on a low-temperature refrigerator.

Tieftemperatur-Refrigeratoren sind in der Regel mehrstufige Gaskältemaschinen, mit denen Temperaturen im Bereich von unter 15 Kelvin erzeugt werden. Derartige Gaskältemaschinen arbeiten nach verschiedenen Verfahren, beispielsweise nach dem Gifford-McMahon-, nach dem Stirling- oder dem Pulse-Tube-Verfahren. Unabhängig von den Arbeitsverfahren ist diesen Refrigeratoren gemeinsam, dass sie im Bereich eines sogenannten Kaltkopfs zwischen der Warmseite und der Kaltseite ein vom Arbeitsfluid durchströmtes Volumen aufweisen, welches mit dem Wärmespeicher mittel gefüllt ist und Regenerator genannt wird. Der Regenerator wird von einem Arbeitsfluid in beiden Richtungen alternierend durchströmt und dient als Zwischenspeicher für von dem Arbeitsfluid aufgenommene bzw. an dieses abgegebene Wärme. Der Regenerator dient also einer thermischen Separierung zwischen dem Arbeitsfluid im Kaltraum von demjenigen im kompressorseitigen Warmraum. Der Regenerator muss dafür im Vergleich zum durchströmenden Fluid über eine möglichst hohe Wärmekapazität verfügen. Während für Temperaturen bis 15 Kelvin als Wärmespeichermittel in dem Regenerator Edelstahl, Bronze, Blei oder andere Metallkörper verwendet werden können, ist dies für deutlich darunter liegende Temperaturen nicht möglich, da die spezifische Wärmekapazität dieser Metalle gegenüber der des Heliums ab 30 Kelvin abwärts drastisch abnimmt und im Bereich von unter 5 Kelvin sich der Null annähert. Für sehr niedrige Temperaturbereiche, also im Bereich von unter 15 Kelvin werden daher als Wärmespeichermittel in dem Regenerator Schüttkörper aus Selten-Erd-Verbindungen eingesetzt, wie beispielsweise in EP-A-0 411 591 beschrieben. Nachteilig an der Verwendung von Selten-Erd-Verbindungen ist ihr Magnetismus, der bei Anwendungen in starken Magnetfeldern, beispielsweise in Kernspintomographen, problematisch ist. Ferner sind Selten-Erdverbindungen oxidationsempfindlich, neigen wegen ihrer teilweisen Sprödigkeit beim Auftreten von Vibrationen zum Zerbrechen und sind teuer.Cryogenic refrigerators are usually multi-stage gas chillers with which temperatures in the range of less than 15 Kelvin. Such gas chillers work according to different processes, for example according to the Gifford-McMahon, according to the Stirling or the pulse tube process. Regardless of the working process What these refrigerators have in common is that they are in the so-called Cold head between the hot side and the cold side one of the working fluid flowed through Have volume, which is filled with the heat storage medium and regenerator is called. The regenerator is powered by a working fluid Flows alternately in both directions and serves as a buffer for from that Heat absorbed or given off by working fluid. The The regenerator is used for thermal separation between the Working fluid in the cold room from that in the compressor-side warm room. The regenerator has to do this compared to the flowing Fluid over one if possible have high heat capacity. While for temperatures up to 15 Kelvin as heat storage medium in the regenerator uses stainless steel, bronze, lead or other metal bodies can be is this for Temperatures significantly lower than this are not possible because of the specific heat capacity of these metals across from that of helium from 30 Kelvin downwards drastically decreases and in the range below 5 Kelvin the zero approaches. For a lot low temperature ranges, i.e. in the range below 15 Kelvin therefore as a heat storage medium in the regenerator bulk material Rare earth connections used, such as in EP-A-0 411 591. A disadvantage of the use of rare earth connections is their magnetism, which in applications in strong magnetic fields, for example in magnetic resonance imaging, is problematic. Further are rare earth compounds sensitive to oxidation, tend to their partial brittleness when Occurrence of vibrations to break and are expensive.

Auch Helium und andere tiefsiedende Gase sind als Speichermedium für sehr niedrige Temperaturbereiche geeignet. So hat beispielsweise Helium im Bereich von unter 15 Kelvin eine hohe spezifische Wärmekapazität mit einem druckabhängigem Maximum bei ungefähr 9 Kelvin, die damit in diesem Temperaturbereich weit über der Wärmekapazität von Metallen liegt. Aus DE-A-199 24 184 ist ein Regenerator bekannt, in dem als Wärme-Speicher medium Helium verwendet wird, das, ähnlich wie bei einem Wärmetauscher, in einer Rohrspirale oder einem Rohrbündel in dem Regenerator-Gehäuse stationär gelagert ist. Alternativ hierzu kann das Regenerator-Gehäuse mit dem Speichermedium Helium gefüllt sein, während das Arbeitsfluid das Regenerator-Gehäuse in Rohren durchströmt.Also Helium and other low-boiling gases are used as a storage medium for very low Suitable temperature ranges. For example, helium has in the area of less than 15 Kelvin a high specific heat capacity with a pressure-dependent maximum at around 9 Kelvin, which is well above the temperature range in this range Heat capacity of metals lies. From DE-A-199 24 184 a regenerator is known in which as Heat storage medium helium is used that, similar like a heat exchanger, stored stationary in a spiral tube or a tube bundle in the regenerator housing is. Alternatively, the regenerator housing with the storage medium Helium filled, while the working fluid flows through the regenerator housing in pipes.

Versuche mit derartig konstruierten Regeneratoren ergaben jedoch, dass eine angestrebte Temperatur von 4,2 Kelvin nicht erreicht werden konnte, was auf den hohen Wärmeeintrag durch das metallische Spiral- bzw. Rohrmaterial und die zu geringe Kontaktoberfläche zurückzuführen ist.tries with regenerators constructed in this way, however, showed that a target temperature of 4.2 Kelvin could not be achieved, which to the high heat input due to the metallic spiral or pipe material and the insufficient contact surface.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmespeichermittel mit einer hohen Wärmekapazität in einem sehr niedrigen Temperaturbereich, einen Regenerator und einen Tieftemperatur-Refrigerator mit einem Wärmespeichermittel hoher Wärmekapazität für sehr niedrige Temperaturen zu schaffen.task the invention is a heat storage agent with a high heat capacity in one very low temperature range, a regenerator and a low-temperature refrigerator with a heat storage agent high heat capacity for very low To create temperatures.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 11 bzw. 12.This The object is achieved by the characteristics of the claims 1, 11 and 12 respectively.

Das erfindungsgemäße Wärmespeichermittel für einen Tieftemperaturbereich, d.h. für Temperaturen unter 15 Kelvin, besteht aus einem für das Arbeitsfluid durchlässigen Satz gasdicht geschlossener Hohlkörper, wobei jeder Hohlkörper als Speichermedium eine Füllung aus einem tiefsiedenden Gas aufweist. Tiefsiedende Gase sind Gase, die einen Siedepunkt unterhalb 30 Kelvin haben. Dies trifft beispielsweise auf die Gase Wasserstoff, Helium und Neon, und zwar auf alle ihre Isotope zu. Tiefsiedende Gase haben naturgemäß bei niedrigen Temperaturen eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität und sind daher gut geeignet als Speichermedium bei Temperaturen unterhalb von 30 Kelvin. Tiefsiedende Gase sind relativ preiswert und können in einem Hohlkörper mit einer Hohlkörperwand aus nicht magnetischem, mechanisch geeignetem, nicht oxidierendem und preiswertem Material eingeschlossen sein. Das Wärmespeichermittel kann also hinsichtlich seiner chemischen, mechanischen und magnetischen Eigenschaften an die Anwendung konstruktiv angepasst werden. Ferner weisen die gasdicht geschlossenen Hohlkörper gegenüber Rohren bzw. Spiralen eine erheblich größere Oberfläche auf, über die der Wärmeaustausch stattfindet. Hierdurch wird die Wärmeübertragung erheblich begünstigt.The Heat storage agent according to the invention for one Low temperature range, i.e. For Temperatures below 15 Kelvin, consists of one for the working fluid permeable Set of gas-tight closed hollow bodies, each hollow body as Storage medium a fill from a low-boiling gas. Low boiling gases are gases which have a boiling point below 30 Kelvin. This is the case, for example on the gases hydrogen, helium and neon, and all of them Isotopes too. Low-boiling gases naturally have one at low temperatures relatively high specific heat capacity and are therefore well suited as a storage medium at temperatures below of 30 Kelvin. Low boiling gases are relatively inexpensive and can be found in a hollow body with a hollow body wall made of non-magnetic, mechanically suitable, non-oxidizing and inexpensive material. The heat storage medium can with regard to its chemical, mechanical and magnetic properties constructively adapted to the application. Furthermore, the gas-tight closed hollow body across from Pipes or spirals on a significantly larger surface over which the heat exchange takes place. This significantly improves heat transfer.

Vorzugsweise ist das Speichermedium eine Hohlkörper-Füllung aus Helium. Unter einer Helium-Füllung ist eine Füllung mit einem Helium-Isotop zu verstehen, beispielsweise mit 3He oder 4He. Das Speichermedium Helium hat bei Temperaturen unter 15 Kelvin eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität und ist daher gut geeignet als Speichermedium bei Temperaturen bis hinab in den Bereich 2 Kelvin. Helium ist ferner preiswert erhältlich.The storage medium is preferably a hollow body filling made of helium. A helium filling is a filling with a helium isotope, for example with 3 He or 4 He. The storage medium helium has a relatively high specific heat capacity at temperatures below 15 Kelvin and is therefore well suited as a storage medium at temperatures down to the range of 2 Kelvin. Helium is also available inexpensively.

Vorzugsweise weist die Heliumfüllung bei einer Temperatur von 4 Kelvin einen Druck von über 0,5 bar, insbesondere einen Druck oberhalb des kritischen Drucks auf. Bei einem Druck der Heliumfüllung von mehr als 0,5 bar wird eine absolute Wärmekapazität realisiert, die die auftretenden Wärmemengen in einem relativ kleinen Regenerator speichern kann. Ein derartiger Regenerator ist im Vergleich zu metallischen Wärmespeichern sehr kompakt.Preferably shows the helium filling at a temperature of 4 Kelvin a pressure of more than 0.5 bar, in particular a pressure above the critical pressure. With a pressure of the helium filling of an absolute heat capacity of more than 0.5 bar is realized, which the occurring amounts of heat can store in a relatively small regenerator. Such one Regenerator is very compact compared to metallic heat storage.

Vorzugsweise sind das Material und die Wandstärke der Hohlkörperwand so gewählt, dass die thermische Eindringtiefe mindestens eine Wandstärke beträgt. Die thermische Eindringtiefe μ ergibt sich aus der Gleichung

Figure 00050001
wobei a die Temperaturleitfähigkeit des gewählten Hohlkörperwand-Materiales bei der Arbeitstemperatur (beispielsweise 2 Kelvin) ist und fmod die Modulationsfrequenz ist, mit der das Arbeitsgas das Wärmespeichermittel zyklisch alternierend durchströmt. Die Arbeitsfrequenz fmod ist dabei für Tieftemperatur-Refrigeratoren mit ca. 1,0 Hz anzunehmen.The material and the wall thickness of the hollow body wall are preferably selected such that the thermal penetration depth is at least one wall thickness. The thermal penetration depth μ results from the equation
Figure 00050001
where a is the temperature conductivity of the selected hollow wall material at the working temperature (for example 2 Kelvin) and f mod is the modulation frequency with which the working gas flows through the heat storage medium cyclically alternating. The working frequency f mod is assumed to be about 1.0 Hz for low-temperature refrigerators.

Vorzugsweise besteht die Wand des Hohlkörpers aus Metall oder Keramik. Metalle und auch Metalllegierungen weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und haben gute mechanische Eigenschaften, wodurch wiederum eine geringe Hohlkörperwandstärke realisiert werden kann. Die Hohlkörperwand kann aus Kupfer, Aluminium, Silber, Messing, Stahl oder aus anderen Metallen oder Metalllegierungen bestehen. Die Hohlkörperwand kann allerdings auch aus einem nicht metallischen Werkstoff bestehen, beispielsweise aus Saphir, Quarz, Diamant oder Keramik.Preferably there is the wall of the hollow body made of metal or ceramic. Metals and also metal alloys have good thermal conductivity and have good mechanical properties, which in turn leads to a low hollow body thickness realized can be. The hollow body wall can made of copper, aluminum, silver, brass, steel or other metals or metal alloys. However, the hollow body wall can also be made of consist of a non-metallic material, for example Sapphire, quartz, diamond or ceramic.

Durch die Wahl nicht-ferromagnetischer Metalle für die Hohlkörperwand kann ein Wärmespeichermittel zur Verfügung gestellt werden, das auch ohne weitere Maßnahmen für den Einsatz in starken Magnetfeldern, beispielsweise für den Einsatz in Kernspintomographen u.ä. geeignet ist.By the choice of non-ferromagnetic metals for the hollow body wall can be a heat storage medium to disposal be provided, which can also be used without further measures for use in strong magnetic fields, for example for use in MRI scanners etc. suitable is.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist jeder Hohlkörper einen Durchmesser von weniger als 3,0 mm auf. Bei Durchmessern von weniger als 3,0 mm hat ein Satz von Hohlkörpern eine so große volumenspezifische Oberfläche, dass eine ausreichend schnelle Wärmeaufnahme bzw. -abgabe sichergestellt ist. Typische Durchmesser sind 0,2 bis 0,7 mm.According to one preferred embodiment, each hollow body has a diameter of less than 3.0 mm. With diameters of less than 3.0 mm has a set of hollow bodies such a big one volume-specific surface, that a sufficiently quick heat absorption is guaranteed. Typical diameters are 0.2 to 0.7 mm.

Vorzugsweise weist jeder Hohlkörper annähernd eine Kugelform auf. Durch die Wahl der Kugelform ist in der Hohlkörperschüttung ein über das gesamte Schüttungsvolumen ungefähr gleichbleibendes definiertes Verhältnis zwischen Hohlkörperoberfläche, Gesamt-Hohlkörpervolumen und Schüttungsvolumen sichergestellt.Preferably shows every hollow body nearly a spherical shape. The choice of the spherical shape means that the total bulk volume approximately constant defined ratio between the surface area of the hollow body and the total volume of the hollow body and bulk volume ensured.

Ein erfindungsgemäßer Regenerator weist ein Gehäuse auf, das mit dem oben beschriebenen Wärmespeichermittel gefüllt ist.On inventive regenerator has a housing on, which is filled with the heat storage medium described above.

Ein erfindungsgemäßer Tieftemperatur-Refrigerator weist den vorgenannten Regenerator auf und ist als regenerativer Kreisprozess, vorzugsweise als Gifford-McMahon-, Stirling- oder Pulse-Tube-Refrigerator ausgebildet, wobei als Arbeitsfluid Helium verwendet wird. Es wird also sowohl als Speichermedium Helium als auch, getrennt hiervon, als Arbeitsfluid Helium verwendet.On Low-temperature refrigerator according to the invention has the aforementioned regenerator and is as a regenerative Cycle process, preferably as Gifford-McMahon, Stirling or Pulse-tube refrigerator designed using helium as the working fluid becomes. It is therefore separated both as a helium and as a storage medium of these, helium is used as the working fluid.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.in the The following is an embodiment of the Invention with reference to the figures explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung eines Refrigerators, 1 a schematic representation of a refrigerator,

2 einen Schnitt durch einen Refrigerator-Regenerator mit einer Füllung aus einem Satz heliumgefüllter Hohlkörper, und 2 a section through a refrigerator-regenerator with a filling from a set of helium-filled hollow bodies, and

3 einen Schnitt durch einen heliumgefüllten Hohlkörper. 3 a section through a helium-filled hollow body.

In 1 ist schematisch ein Refrigerator 10 dargestellt, der als wesentliche Komponenten einen Kompressor 12, einen Regenerator 14 und einen einen Kaltkopf aufweisenden Expansionsraum 16 aufweist. Der Kompressor 12 sowie der Regenerator 14 und der Expansionsraum 16 sind. durch Leitungen 18, 20 miteinander verbunden.In 1 is a refrigerator schematically 10 shown the essential components of a compressor 12 , a regenerator 14 and an expansion space having a cold head 16 having. The compressor 12 as well as the regenerator 14 and the expansion space 16 are. through lines 18 . 20 connected with each other.

Durch den Kompressor 12 wird ein Arbeitsfluid, vorzugsweise Helium, verdichtet und ggf. vorgekühlt. Anschließend läuft das verdichtete Arbeitsfluid durch die Gasleitung 18 und durch den Regenerator 14, in dem es Wärme an ein in dem Regenerator 14 befindliches Wärmespeichermittel abgibt. Das Arbeitsfluid fließt weiter in den Expansionsraum 16 und wird dort einer Entspannung unterzogen. Das dabei sich abkühlende Arbeitsfluid nimmt insbesondere über eine Kaltfläche Wärme aus der Umgebung auf und wird anschließend durch die Leitung 20 wieder zurück zum Regenerator 14 geführt. Beim Durchströmen des Regenerators 14 nimmt das Arbeitsfluid in dem Wärmespeichermittel gespeicherte Wärme auf und wird durch die Leitung 18 wieder dem Kompressor 12 zugeführt. Der Regenerator 14 dient der thermischen Isolierung zwischen Kompressor 12 und Expansionsraum 16.Through the compressor 12 a working fluid, preferably helium, is compressed and, if necessary, precooled. The compressed working fluid then runs through the gas line 18 and through the regenerator 14 in which there is heat to one in the regenerator 14 emits heat storage agent. The working fluid continues to flow into the expansion space 16 and is subjected to relaxation there. The working fluid that cools down absorbs heat from the environment, in particular via a cold surface, and is subsequently passed through the line 20 back to the regenerator 14 guided. When flowing through the regenerator 14 the working fluid absorbs heat stored in the heat storage means and is conducted through the conduit 18 back to the comm pressor 12 fed. The regenerator 14 is used for thermal insulation between the compressor 12 and expansion space 16 ,

Der Refrigerator 10 kann als Gifford-McMahon-, Stirling- oder Pulse-Tube-Refrigerator ausgebildet sein, kann jedoch grundsätzlich auch nach einem anderen regenerativen Zyklus arbeiten, wobei zur Wärmezwischenspeicherung in einem Tieftemperaturbereich ein Regenerator 14 eingesetzt wird. Unter einem Tieftemperaturbereich sind Temperaturen zwischen 0 und 15 Kelvin zu verstehen.The refrigerator 10 can be designed as a Gifford-McMahon, Stirling or Pulse-Tube refrigerator, but can in principle also work according to another regenerative cycle, with a regenerator for intermediate heat storage in a low temperature range 14 is used. A low temperature range means temperatures between 0 and 15 Kelvin.

Der in 2 im Längsschnitt dargestellte Regenerator 14 wird im Wesentlichen gebildet von einem zylinderförmigen oder ovalen Gehäuse 24, an dessen querseitigen Gehäusewänden 26, 27 die Lei tungen 18, 20 münden. Das Regenerator-Gehäuse 24 weist als Wärmespeichermittel einen für das Arbeitsfluid gasdurchlässigen Satz 22 schüttbarer und gasdicht geschlossener Hohlkörper 30 auf. Der Regenerator 14 kann homogen oder geschichtet mit verschiedenen Schichten verschiedener Wärmespeichermittel gefüllt sein.The in 2 regenerator shown in longitudinal section 14 is essentially formed by a cylindrical or oval housing 24 , on the transverse housing walls 26 . 27 the lines 18 . 20 lead. The regenerator housing 24 has as the heat storage means a gas permeable set for the working fluid 22 pourable and gas-tight closed hollow body 30 on. The regenerator 14 can be filled homogeneously or layered with different layers of different heat storage agents.

Alle Hohlkörper 30 sind annähernd gleich groß ausgebildet und haben annähernd Kugelform. Die Schüttung kann aber auch aus einer Mischung von Hohlkörpern verschiedener Durchmesser gebildet werden. Die Hohlkörperwand 32 besteht aus Kupfer oder aus einem anderen Metall oder einer Metalllegierung und weist eine Stärke von ungefähr 0,2 mm oder weniger auf. Der Durchmesser eines Hohlkörpers 30 beträgt 0,2 bis 2,0 mm, kann jedoch auch größer, jedoch nicht größer als 3,0 mm sein. Der Hohlkörper 30 ist gasdicht geschlossen und weist eine Füllung 34 aus Helium auf. Die Heliumfüllung 34 weist bei Raumtemperatur einen Druck von ungefähr 200 bar und bei einer Temperatur von 4 Kelvin einen Druck von mehreren bar auf. Die mit der Heliumfüllung 34 gefüllten Hohlkörper 30 können beispielsweise durch ein Herstellungsverfahren erzeugt werden, bei dem Tropfen des geschmolzenen Hohlkörperwand-Materials eine mit Heliumgas gefüllte Kühlkammer durchlaufen. Die Füllung der Hohlkörper kann aus einem einzigen oder einer Mischung der verschiedenen Helium-Isotope oder aber aus Isotopen des Wasserstoffes oder Neons oder einer Mischung aus den vorgenannten Elementen gebildet werden. Die Wahl des Materiales für die Hohlkörperwand, die Modulationsfrequenz, mit der das Arbeitsgas den Regenerator alternierend durchströmt, sowie die Wandstärke des Hohlkörpers müssen so gewählt sein, dass die Eindringtiefe μ mindestens das einfache der Wandstärke beträgt. Die Eindringtiefe μ ergibt sich aus der Gleichung

Figure 00090001
wobei a die Temperaturleitfähigkeit des gewählten Hohlkörperwand-Materiales bei der Arbeitstemperatur (beispielsweise 4 Kelvin) ist und fmod die Modulationsfrequenz ist, mit der das Arbeitsgas das Wärmespeichermittel zyklisch alternierend durchströmt. Die Arbeitsfrequenz fmod ist dabei bei Tieftemperatur-Refrigeratoren beispielsweise mit ca. 1,0 Hz anzunehmen.All hollow bodies 30 are approximately the same size and have approximately spherical shape. The bed can also be formed from a mixture of hollow bodies of different diameters. The hollow body wall 32 consists of copper or another metal or a metal alloy and has a thickness of approximately 0.2 mm or less. The diameter of a hollow body 30 is 0.2 to 2.0 mm, but can also be larger, but not larger than 3.0 mm. The hollow body 30 is gas-tight and has a filling 34 made of helium. The helium filling 34 has a pressure of approximately 200 bar at room temperature and a pressure of several bar at a temperature of 4 Kelvin. The one with the helium filling 34 filled hollow body 30 can be produced, for example, by a production process in which drops of the molten hollow wall material pass through a cooling chamber filled with helium gas. The filling of the hollow bodies can be formed from a single or a mixture of the different helium isotopes or from isotopes of hydrogen or neon or a mixture of the aforementioned elements. The choice of material for the hollow body wall, the modulation frequency with which the working gas flows through the regenerator alternately, and the wall thickness of the hollow body must be selected such that the depth of penetration μ is at least one times the wall thickness. The depth of penetration μ results from the equation
Figure 00090001
where a is the temperature conductivity of the selected hollow wall material at the working temperature (for example 4 Kelvin) and f mod is the modulation frequency with which the working gas flows through the heat storage medium cyclically alternating. The working frequency f mod can be assumed to be about 1.0 Hz for low-temperature refrigerators.

Das von den gasdicht geschlossenen und eine Heliumfüllung aufweisenden Hohlkörpern 30 gebildete Wärmespeichermittel weist gerade in dem sehr niedrigen Temperaturbereich von weniger als 15 Kelvin aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität von Helium in diesem Temperaturbereich eine hohe absolute Wärmespeicherkapazität in einem kleinen Volumen auf. Durch die Wahl eines geeigneten Metalles für die Hohlkörperwand 32 kann das Wärmespeichermittel in Bezug auf seine elektrischen, mechanischen und chemischen Anforderungen für jede Anwendung optimal angepasst werden, beispielsweise können für die Kühlung in Kernspintomographen nichtmagnetische Materialien für die Hohlkörperwand gewählt werden.That of the gas-tight closed hollow bodies with a helium filling 30 The heat storage medium formed has a high absolute heat storage capacity in a small volume, particularly in the very low temperature range of less than 15 Kelvin, due to the high specific heat capacity of helium in this temperature range. By choosing a suitable metal for the hollow body wall 32 the heat storage medium can be optimally adapted to each application with regard to its electrical, mechanical and chemical requirements, for example non-magnetic materials can be selected for the hollow body wall for cooling in magnetic resonance tomographs.

Neben den heliumgefüllten Hohlkörpern 30 können in dem Regenerator-Gehäuse auch andere Wärmespeicherelemente in separaten Schichten oder vermischt mit den heliumgefüllten Hohlkörpern 30 vorhanden sein, beispielsweise Wärmespeicherelemente aus Seltenen Erd-Legierungen.In addition to the helium-filled hollow bodies 30 can in the regenerator housing other heat storage elements in separate layers or mixed with the helium-filled hollow bodies 30 be present, for example heat storage elements made of rare earth alloys.

Claims (12)

Wärmespeichermittel für einen Tieftemperaturbereich, bestehend aus einem Satz (22) schüttbarer Körper, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper gasdicht geschlossene Hohlkörper (30) sind, wobei jeder Hohlkörper (30) als Speichermedium eine Füllung (34) aus einem tiefsiedenden Gas aufweist.Heat storage medium for a low temperature range, consisting of a set ( 22 ) pourable body, characterized in that the body gas-tight closed hollow body ( 30 ), each hollow body ( 30 ) a filling as storage medium ( 34 ) from a low-boiling gas. Wärmespeichermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium eine Füllung (34) aus Helium ist.Heat storage medium according to claim 1, characterized in that the storage medium has a filling ( 34 ) is made of helium. Wärmespeichermittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heliumfüllung (34) bei einer Temperatur von 4 K einen Druck von mehr als 0,5 bar aufweist.Heat storage medium according to claim 2, characterized in that the helium filling ( 34 ) at a temperature of 4 K has a pressure of more than 0.5 bar. Wärmespeichermittel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heliumfüllung (34) bei Raumtemperatur einen Druck von annähernd 200 bar aufweist.Heat storage medium according to claim 2 or 3, characterized in that the helium filling ( 34 ) has a pressure of approximately 200 bar at room temperature. Wärmespeichermittel nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material und die Wandstärke der Hohlkörperwand (32) so gewählt sind, dass die thermische Eindringtiefe mindestens eine Wandstärke beträgt.Heat storage medium according to one of claims 1-4, characterized in that the material and the wall thickness of the hollow body wall ( 32 ) are selected so that the thermal penetration depth is at least one wall thickness. Wärmespeichermittel nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörperwand (32) aus Metall oder Keramik besteht.Heat storage medium according to claims 1-5, characterized in that the hollow body wall ( 32 ) is made of metal or ceramic. Wärmespeichermittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörperwand (32) aus Kupfer besteht.Heat storage medium according to claim 6, characterized in that the hollow body wall ( 32 ) is made of copper. Wärmespeichermittel nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Hohlkörperwand (32) kleiner als 1,0 mm ist.Heat storage medium according to one of claims 1-7, characterized in that the wall thickness of the hollow body wall ( 32 ) is less than 1.0 mm. Wärmespeichermittel nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (30) annähernd eine Kugelform hat.Heat storage medium according to one of claims 1-8, characterized in that the hollow body ( 30 ) has approximately a spherical shape. Wärmespeichermittel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (30) einen Durchmesser von weniger als 3,0 mm hat.Heat storage medium according to claim 9, characterized in that the hollow body ( 30 ) has a diameter of less than 3.0 mm. Regenerator (14) für einen Tieftemperatur-Refrigerator (10), mit einem Gehäuse (24), das mit dem Wärmespeichermittel (22) nach einem der Ansprüche 1–10 gefüllt ist.Regenerator ( 14 ) for a low-temperature refrigerator ( 10 ), with a housing ( 24 ) with the heat storage medium ( 22 ) is filled according to any one of claims 1-10. Tieftemperatur-Refrigerator (10) mit einem Regenerator (14) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Gifford-McMahon-, Stirling- oder Pulse-Tube-Refrigerator, wobei als Arbeitsfluid Heliumgas verwendet wird.Cryogenic refrigerator ( 10 ) with a regenerator ( 14 ) according to claim 11, characterized by its training as a Gifford-McMahon, Stirling or Pulse-Tube refrigerator, helium gas being used as the working fluid.
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