DE2048513A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Kalte bei niedrigen Temperaturen, sowie eine Vornch tung zum Verdichten von Wasserstoffgas - Google Patents
Vorrichtung zum Erzeugen von Kalte bei niedrigen Temperaturen, sowie eine Vornch tung zum Verdichten von WasserstoffgasInfo
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Description
PHH. 4561.
ι ■ -■ rrt Scholx
■ :, r ■ t;tnwalt
/,Ue No., PHN- 4361
25. Sept. 1970
25. Sept. 1970
"Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Teaperaturen, sowie eine
Vorrichtung zua Verdiohten von Wasserstoffgas".
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zub Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen mit einea Zuführungsleitungssystem,
das einen oder mehrere Gegenstromwaxmeauetauscher und eine oder mehrere
Yorkfihlvorrichtungen enthält, in denen ein diesem Leitungssystem zugeführtes
Hoohdruckmedium bis unter seine zu diesem Druck gehörende Inversionstemperatur
abkühlt, und das sich an eine Drosselvorrichtung anschliesst,
in der das Medium expandiert, sowie einem sich an die Drosselvorrichtung
anschliessenden Abführungsleitungseystem, durch das Tiefdruckaedium über
die genannten Gegenstromw&rmeaustauecher wegfliessen kann·
Vorrichtungen der obengenannten Art sind unter dem Namen Joule-Kelvin-Systeme bekannt. Die Zufuhr und Abfuhr von Hoch- bzw. Tiefdruckmediua
erfolgt dabei durch eine sich an das Zuführungs- bzw. Ab-
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fOhrungsleitungssystem anschliessende Kompressionsvorrichtung. Ein Nachteil
dabei ist, dass eine derartige Kompressionsvorrichtung durch ihre beweglichen Teile LÄrm und Schwingungen erzeugt» während auch ihre Zuverlässigkeit
und Lebensdauer zu wünschen Obrigt läset. Hohen Anforderungen in bezug auf längere Zuverlässigkeit und laiige Lebensdauer können diese
bekannten Systeme daher nicht entsprechen. Weiter sind an vielen Stellen, wo KSlte geliefert werden muss, beispielsweise in gekühlten Infrarot-Detektionssystemen,
der erzeugte Lärm und die Schwingungen unzulässig.
Bekannte Kühlvorrichtungen, welche die obengenannten Nachteile nicht aufweisen, sind die sogenannten Absorptionakühlmasohinen. Bei
diesen Kühlmaschinen wird ein Kühlmedium höheren Drucks über eine Zuführungsleitung,
die einen Kondens or enthält, in dem das Medium kondensiert; einem Druckreduktionehahn zugeführt, der sich an eine AbfUhrungsleitung
anschließet, mit einem Verdampfer, in dem das Kühlmedium bei niedrigerem Druck verdampft. Die Zuführungsleitung und Abführungsleitung echliessen
sich dabei an je einen Behälter an, in dem sich ein Stoff (Flüssigkeit oder Feststoff) befindet, der ein für das Kühlmedium Absorptionsvermögen
hat, wobei der Behälter, an den sich die Abführungsleitung anschliesst,
gekühlt und der Behälter, an den sich die Zuführungsleitung anschliesst,
erwärmt wird. Durch diesen Temperaturunterschied entsteht ein Druckunterschied zwischen den beiden Behältern, wobei im kalten Behälter das Kühlmedium
absorbiert wird und im warmen Behälter Desorbtion des Kühlmittels
stattfindet. Ein Nachteil dieser bekannten Abaorptionskühlmaschine ist,
dass bei den bekannten Kombinationen von Kühlmedium und Absorptionsstoff
der erreichbare Temperaturunterschied nur gering ist, so dass praktisch
nioht viel niedrigere Temperaturen al· -7O"C erreichbar sind.
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KKlto der eingang· genannten Art xu schaffen» odt der Temperaturen in der
GrÖsBenordnung von 25*K erreichbar sind und die aueserdea durch das Fehlen
beweglicher Teile geräuschlos» schwingungsfrei und lange Zeit sehr zuverlässig
arbeiten kann·
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist dazu das Kennzeichen
puft dass das Medium Wasserstoff ist und die Vorrichtung weiter mindestens
einen Behälter mit einer Legierung von A und B enthält, in der das Verhältnis
A ι B von 1 t 3 bis 2 » 17 in Pulverform liegt» wobei A Ca oder
eines oder mehrere der Elemente der seltenen Erden« gegebenenfalls kombiniert mit Th und/odar Zr und/oder Hf bedeutet und in der B im wesentlichen
Ni und/oder Co bedeutet» wobei jeder der Behälter wechselweise an das Zu- oder Abführungsleitungseyβtem anschliessbar ist und wobei weiter jeder
Behälter mit einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung versehen ist» die wechselweise umschaltbar sind.
Es sei bemerkt, dass in diesem Zusammenhang das Element Y zu den Elementen der seltenen Erden gerechnet wird.
Der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung liegt im wesentlichen
die überraschende Eigenschaft der Legierung AB zugrunde, in kurzer
Zeit sehr viel Wasserstoffgas absorbieren zu können, während sie dieses
Wasserstoffgas auch wieder schnell abgeben kann.
Für jede der zu der genannten Gruppe AB gehörenden Legierungen können in einem Diagramm, in dem in vertikaler Richtung der Wasserstoffgasdruck
P„ und in horizontaler Richtung die aufgenommene Menge
2
Wasserstoff C„ aufgetragen ist, Isothermen gezeichnet werden. Jede Isothe* me ist bei einem bestimmten Druck einen horizontalen Verlauf - das sogenannte "Plateau" - auf. Beim Plateaudruck ist es möglich, durch eine geringfügige Druckänderung in einem reversibelen Prozess verhältniemässig
Wasserstoff C„ aufgetragen ist, Isothermen gezeichnet werden. Jede Isothe* me ist bei einem bestimmten Druck einen horizontalen Verlauf - das sogenannte "Plateau" - auf. Beim Plateaudruck ist es möglich, durch eine geringfügige Druckänderung in einem reversibelen Prozess verhältniemässig
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viel Wasserstoffgas aufnehmen bzw. abgeben zu lassen.
In der graphischen Darstellung nach Fig. 1 ist der Verlauf der genannten Isothermen für LaNi ^ angegeben.
Von groseem Vorteil bei der Verwendung dieser Materialien
in der Vorrichtung nach der Erfindung ist ihr Vermögen, grosee Mengen
Vasserstoffgas aufzunehmen. So wird von LaNi.-Pulver mit einer Packungsdichte
von 65% bei einem Wasserstoffgasdruck von 5 atü 0,80 g Wasserstoff«
gas pro cm8 aufgenommen. Die Dichte des Wasserstoffgases in diesen Materialien
kann in der Größenordnung von der von flüssigem Wasserstoff und
mehr liegen.
Ein zweiter Vorteil ist, dass das Wasserstoffgas sehr schnell
wieder aus dem Material wiedergewonnen werden kann.
In der graphischen Darstellung nach Fig. 2 ist angegeben, wie bei unterschiedlichen Arbeitetemperaturen und bei einem Aussendruck
von 1 at für LaNi1. die Menge ausgeströmten Wasserstoff gase β von der Zeit
abhängig ist.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung können nun zwei Behälter
mit der Legierung AB vorhanden sein, von denen der eine bis etwa 20*C gekühlt und der andere bis etwa 80*C erwärmt wird. Dadurch, dass nun
der erwärmte Behälter mit dem Zuführungsleitungssystem und der gekühlte Behllter mit dem Abführungeleitungssystern verbunden wird, wird im erwlrmten
Behälter Desorption des Wasserstoffgases bei hSherem Druok (zu 80*C
gehörend) auftreten. Dieses Hochdruokwasseretoffgas strömt durch die
Gegenstromwärmeaustausoher und an der Vorkühlvorriohtung entlang und
expandiert in der Drosselvorrichtung unter weiterer Abkühlung. Das gedrosselte Gas strömt danach an einer su kühlenden Stelle entlang und von
dort durch die Gegen«tromwärmeauetaueeher zum gekühlten Behälter, wo es
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adsorbiert wird.
Auf diese Weise ist eine Kühlvorrichtung ohne bewegliche Teile erhalten, die Kälte bei 25*K liefern kann, sehr zuverlSssig let
und keinen LSrm oder Schwingungen erzeugt.
Wenn nur zwei Behälter vorhanden sind, kann die erfindungegemässe
Vorrichtung nicht kontinuierlich arbeiten, da beim Umschalten der Behllter der warme Behälter bis zur Temperatur des gekühlten Behälters
gekühlt werden muss, wahrend der gekühlte Behälter auf die Temperatur
des warmen Behälters gebracht werden muss.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung sind daher mindestens drei Behälter vorhanden. Von diesen Behältern
sind dann immer zwei im Betrieb, während der dritte in der Zwischen zeit auf die gewünschte Temperatur gebracht wird.
Ee ist gegebenenfalls auch möglich, mit nur einem Behälter
zu arbeiten, wobei dann das Abführungsleitungssystem ein grosses Puffervolumen hat. Periodisch strömt dabei das desorbierende Wasserstoffgas
des Behälters durch das Zuführungsleitungssjrstem und über den Droeselhahn
zum Puffervolumen, während nach Abkühlung des Behälters das Wasserstoffgas vom Puffervolumen wieder unmittelbar zum Behälter zurückflieset·
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungefora der erfindungsgemässen
Vorrichtung enthalten die Behälter eine der Legierungen LaNi5; La0^BYQ^2Ni^; La^Zr^^i5; LaxCe^Ni5, inderO,4<x <1 ist;
LaNi, in der La eine Legierung ist mit 85 Gew. % La, 10 Gew. ^ Nd, 4 Gew.%
Pr und 1 Gew. fc Ce. Insbesondere diese Legierungen haben gezeigt, dass
sie äusserst gute adsorbierende und desorbierende Eigenschaften für Wasseretoffgas
aufweisen.
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andere Elemente wie Fe, Cu usw. ersetzt werden können ohne dass die Eigenschaften
in bezug auf die Aufnahme bzw. Abgabe von Vaseerstoffgas stark
beeinträchtigt werden»
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie
■indestens einen BehSlter «it einer Legierung von A und B enth<, wobei
das Verhältnis A t B zwischen 1 t 3 und 2 ι 17 in Pulverform liegt, wobei
A Ca oder ein oder mehrere der Elemente der seltenen Erden, gegebenenfalls kombiniert mit Th und/oder Zr und/oder Hf bedeutet und wobei B im wesentlichen Ni und/oder Co bedeutet und wobei jeder der BehSlter an eine Abfuhr
für Hochdruokwaseerstoffgae und eine Zufuhr für Tiefdruckwaeseretoffgas
anechliessbar ist und wobei weiter jeder der BehSlter mit einer Heiz-
und einer Kühlvorrichtung versehen ist, die wechselweise umschaltbar sind.
Auf diese Weise ist eine äusserst zuverllssige und geräuschlos arbeitende
Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas erhalten.
An Hand der Fig. 3t 4 und 5 wird die Erfindung näher erlSutert.
In Fig. 3 sind mit den Bezugszeichen 31 und 32 zwei Behälter
angedeutet, die mit einem sehr feinen Pulver LaNi1- gefüllt sind. An jeden
dieser Behälter schllesst sich eine Leitung 33 bzw. 34 an, die über einen
Vierweghahn 35 an eine Zuführungsleitung 36 bzw. eine Abführungsleitung
37 eines Joule-Kelvin-Kühlsystems anschliessbar sind. Die Zuführungsleitung
3b enthSlt einen Kühler 3Θ, einen ersten GegenstromwSrmeaustauscher
39» einen Wärmeaustauscher 40, einen zweiten GegenstromwSrmeaustauscher
41 und einen Drosselhahn 42, der eich an die Abführungeleitung 37 anschlieest,
die auch die GegenstromwSrmeaustauscher 39 und 41 enthSlt. In jedem der BehSlter 31 und 32 ist eine Kühlvorrichtung 44 bzw. 45 und eine
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HeIsVorrichtung 46 bzw· 47 angeordnet, die wechselweise erregt werden
kSnnen.
Sie Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende« Die Vorrichtung
wird auf dazu geeignete Weise Bit Wasserstoff gefüllt. Danach
wird der eine Behälter 31 mit Hilfe der Kühlvorrichtung 44, in de« der
Hahn 48 in die richtige Stellung gebracht wird, dadurch gekühlt, dass man
Kühlwasser hindurch*tr8men liest, und »war auf eine Temperatur von etwa
20*C, während der Behälter 32 alt Hilfe der Hei«vorrichtung 47» beispielsweise
einer elektrischen Widerstandsheizung, auf eine Temperatur von etwa 11O*C erwSrmt wird« Aus der graphischen Barstellung nach Fig· 1 ist ersichtlich,
dass im Behälter 31 ein Druck von etwa 2 atü und im Behälter 32 ein Druck von etwa 50 atü herrschen wird.
Der Vierweghahn 35 wird nun derart eingestellt, dass der Behälter 32 mit der Zuführungsleitung 36 und der Behälter 31 »it der Abführungsleitung 37 verbunden ist. Desorbiertee Wasserstoffgas aus dem
BehSlter 32 wird nun über den Kühler 38, wo es gekühlt wird, den Gegenstromwärmeaustauscher
39» den Wärmeaustauscher 40, wo das Wasserstoffgas
durch die Vorkühlvorrichtung 50, beispielsweise ein Geflss mit flüssigem
Stickstoff, weiter gekühlt wird, und über den GegenstromwXrmeaustauscher
41 sum Drosaelhahn 42 fliessen. Dort strömt das Gas unter gleichzeitiger
Abkühlung hindurch. Nach dem Drosselhahn wird der Wasserstoff, der dann eine Temperatur von etwa 23*K aufweisen kann, mit einer zu kühlenden
Stelle in Kontakt gebracht, und danach flieset Medium über die Abführungeleitung
37 und den Vierweghahn 35 zum Behälter 31» wo es adsorbiert wird.
Die Desorption im Behälter 32 bzw. die Adsorption im Behälter 31 wird solange
fortgesetzt, bis der Druok im Behälter 32 den zur Temperatur von 110*C gehörenden Plateaudruck zu unterschreiten bzw. den zur Temperatur
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von 2O*C gehörenden Plateaudruck im Behälter 31 zu überschreiten droht.
Sann wird umgeschaltet, d.h. dan Kühlwasser wird nun durch den Kühler 45
geführt, wahrend die Heizvorrichtung 47 und die Heizvorrichtung 46 aus-
bzw. eingeschaltet wird. Der Vierweghahn wird geschlossen. Sobald die Behälter 31 und 32 die Betriebstemperaturen von 110 bzw. 20*C erreicht
haben, wird der Vierweghahn 33 in eine Stellung gebracht, wobei nun der
Behälter 31 nit der Zuführungsleitung und der Behälter 32 mit der Abführungsleitung
verbunden ist.
Eb ist gegebenenfalls möglich, diese Diskontinuität in der
Wirkungsweise dadurch auszuschalten, dass Puffergefäsee in den Zuführunge-
und AbfUhrungeleitungen angeordnet werden oder dadurch, dass ait drei oder
aehr Behältern gearbeitet wird, wobei dann immer zwei mit der Zuführungsund
Abführungsleitung gekuppelt sind, während die nicht verbundenen Behälter auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden.
Anstelle eines Vierweghahnes 55 zur Steuerung dee Wasserstoffgasstromes
kann, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, jeder der Behälter 51 und 32 mit eines Einlassventil 52 bzw· 54 und einem Auslassventil 53
bzw. 55 versehen sein·
Anstelle der Ausbildung der Vorkühlvorrichtung 50 als Gefäss
mit flüssigem Stickstoff kann diese auoh durch eine Kühlmaschine, beispielsweise
eine Gaskältemaschine gebildet sein. Auch ist es möglich, dass die. Vorkühlung dadurch erhalten wird, dass man das Wasserstoffgas in einer
Expansionsmaschine, unter Leistung von äusserer Arbeit, expandieren läset.
Aus dem Obenstehenden dürfte es einleuchten, dass die Erfindung eine äusserst zuverlässige ohne bewegliche Teile arbeitende Kühlvorrichtung
für sehr niedrige Temperaturen schafft, die geräuschlos und schwingungsfrei arbeitet.
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, die aus zwei mit LaNi1. gefüllten Behältern 61 bzw. 62 besteht. In
jedem dieser Behälter ist ein Kühlvorrichtung 64 bzw. 65 und eine Heizvorrichtung
66 bzw. 67 angeordnet. Jeder der Sehälter ist mit einem Einlassventil
68 bzw. 69 und einen Auslassventil 70 bzw. Jl versehen. Sie
Auslassventile 70 und 71 schliessen sich an eine Abführungsleitung 72
für Hochdruckwasserstoff an, während sich die Einlassventile 68, 69 an eine
Zuführungsleitung 73 für Niederdruckwasserstoffgas anschlieseen. Durch
eine wechselweise Einschaltung der Heizvorrichtungen 66, 67 und der Kühlvorrichtungen
64» 6^ wird einer der Behälter auf eine höhere und der andere
auf eine niedriger· Temperatur gebracht, wobei ±m Behälter mit der
höheren Temperatur Desorption von Wasserstoffgas bei höheren Druck stattfindet und in Behälter mit niedrigerer Temperatur Adsorption bei niedrigerem
Druck. Das desorbierte Hochdruckwasserstoffgas wird der Leitung 72
zugeführt, während das zu adsorbierende Wasserstoffgas über die Leitung
73 zugeführt wird. Auf diese Weise ist eine äusserst einfache Verdichtung»
vorrichtung für Waeserstoffgas erhalten worden.
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Claims (5)
- -10- PHK. 4361.PATENTANSPRÜCHE:Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte bei niedrigen Temperaturen mit einem Zuführungsleitungssystem, das einen oder mehrere Gegenstro !wärmeaustauscher und eine oder mehrere Vorkühlvorrichtungen enthält, in denen ein diesem System zugeführtes Hochdruckmedium bis unter seine zu diesem Druck gehörende Inversionstemperatur abkühlt, und das sich an eine Drosselvorrichtung anschliesst, in der das Medium expandiert, sowie einem sich an die Drosselvorrichtung anschliessenden Abführungsleitungssystern, durch das Tiefdruckmedium über die genannten Gegenstromwärmeaustauscher wegfHessen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Wasserstoff ist und die Vorrichtung weiter mindestens einen Behälter mit einer Legierung von A und B enthält, wobei das Verhältnis A ι B zwischen 1 t 3 und 2 : 17 in Pulverform liegt, wobei A Ca oder ein oder mehrere der Elemente der seltenen Erden gegebenenfalls kombiniert mit Th und/oder Zr und/oder Hf bedeutet und wobei B im wesentlichen Ni und/oder Co bedeutet, wobei jeder der Behälter an das Zu- bzw. Abführung·system anschliesebar ist und wobei jeder der Behälter mit einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung versehen ist, die wechselweise umschaltbar sind.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei der genannten Behälter vorhanden sind.
- 3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da·· jeder der Behälter eine der Legierungen LaNic; Lan QYn oNi_; La« aJ U,O U, C. ρ U, jZxn 4Niei La Ce4 Nic wobei 0,4 < χ <1 ist; LaNi, wobei La eine Legierung U,ι 5 χ ι—χ 5mit 83 Gew. % La, 10 Gew. ?£ Nd,
- 4 Gew. > Pr und 1 Gew. fr Ce ist, enthält. 4* Vorrichtung zum Verdichten von Wasserstoffgas, die sich insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche eignet, dadurch gekennzeichnet, dass diese.1098 17/13422IH3513Vorrichtung mindestens einen Behälter mit einer Legierung von A und B enthält, wobei das Verhältnis A * B zwischen 1 t 3 und 2 ι 17 in Pulverform schwanken kann» wobei A Ca oder ein oder mehrere der Elemente der seltenen Erden» gegebenenfalls kombiniert mit Th und/oder Zr und/oder Hf bedeutet und wobei B im wesentlichen Ni und/oder Co bedeutet, wobei jeder der Behälter an eine Abfuhr für Hochdruckwasserstoffgas und eine Zufuhr für Tiefdruckwasserstoffgas anschliessbar ist und wobei weiter jeder der Behälter mit einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung versehen ist, die wechselweise umschaltbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Behälter eine der Legierungen LaNic; Lan QYn Ji i Lan oZrn ., - 5 ü,ö \jjd 5 u,y υ, ιNi_; La Ge. Ni , wobei 0,4 < χ <*1 ist; LaNi1 wobei La eine Legierung mit 63 Gew. ^ Laf 10 Gew. % Nd, 4 Gew. % Pr und 1 Gew. % Ce ist, enthält.109817/ 134 2ORIGINAL INSPECTEDLeerseite
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