CH657444A5 - Tieftemperatur-kaelteerzeuger. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tieftemperatur-Kälteerzeuger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welcher insbesondere zur Erzeugung von Kälte bei relativ niedrigen Temperaturen (110°K bis 114°K) eingesetzt wird.

Eine Reihe aussergewöhnlicher Kältekreisläufe und -er-zeugungsvorrichtungen wurden entwickelt, um dem zunehmenden Verlangen nach in höchstem Masse betriebssicheren, langlebigen Tieftemperatur-Kälteerzeugern nachzukommen, die in diversen technischen Bereichen verwendet werden, wie bei elektronischen Nachrichtensystemen, Flugkör-per-Verfolgungs- bzw. -leitstrahlsystemen, supraleitenden Schaltkreisen, Magneten mit hohen Feldstärken und in medizinischen und biologischen Laboratorien zur Aufbereitung von Gewebeproben und zum Tiefkühlen von Lösungen. All diese Kältekreisläufe und -erzeugungsvorrichtungen basieren auf dem gesteuerten Umlauf eines expansiblen Fluids mit geeignetem Wärmeaustausch zur Erzielung der Tiefkühlung und sind durch folgende US-Patente beispielhaft belegt: US-Patente Nr.: 2 906 101,2 966 034,2 966 035, 3 045 436,3 115 015,3 115 016,3 119 237,3 148 512, 3 188 819,3 188 820, 3 188 821, 3 218 815,3 333 433,

3 274 786,3 321 926, 3 625 015, 3 733 837, 3 884 259,

4 078 389 und 4 118 943 sowie durch den in diesen Patentschriften zitierten Stand der Technik. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kälteerzeugungssysteme, die sich eines

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Arbeitsvolumens bedienen, das durch ein einen Verdränger enthaltendes Gefäss festgelegt wird und das einen Regenerator aufweist, der zwischen gegenüberliegenden Enden des Gefässes angekuppelt ist, so dass dann, wenn der Verdränger zu einem Ende des Gefässes bewegt wird, das in ihm enthaltene Kühlmittel-(Arbeits-)Fluid durch den Regenerator zum gegenüberliegenden Ende des Gefässes getrieben wird. Solche Systeme können die unterschiedlichsten Formen besitzen und nach den verschiedensten Kreisläufen arbeiten, einschliesslich der wohl bekannten Gifford-McMahon, Taylor, Solvay und Split Stirling Kreisläufe. Diese Kältekreisläufe und -erzeugungsvorrichtungen erfordern Ventile oder Kolben zur Steuerung des Flusses und der Bewegung des Ar-beitsfluids oder der Bewegung des Verdrängermittels. Der Fluidstrom und die Verdrängerbewegung müssen kontinuierlich und genau gesteuert werden, so dass das System nach einer vorbestimmten Zeitabfolge arbeiten kann, die durch den speziellen Kühlkreislauf, für den das System ausgelegt ist, bedingt, ist. Unter den unterschiedlichen Typen der eingesetzten Ventilsysteme sind Drehschieberventile, wie sie in den US-Patenten 3 119 237 und 3 625 015 erläutert sind, fluidbetätigte Ventile, wie im US-Patent 3 321 926 dargestellt, steuernockenbetätigte Ventile, wie im US-Patent 2 966 035 beschrieben, mechanisch betätigte Schieberventile, wie im US-Patent 3 188 821 dargestellt und verdrängerbe-triebene Ventile, wie im US-Patent 3 733 837 gezeigt.

Bei bekannten Tieftemperatur-Kälteerzeugungssystemen traten bestimmte Probleme auf, weil die Ventilsteuerung für das Arbeitsfluid mit der Ventilausstattung oder der entstandene Kälteerzeuger im allgemeinen mit einer oder mehreren der nachstehenden Einschränkungen behaftet war: komplizierte Konstruktion, vergleichsweise hohe Herstellungskosten, Schwierigkeiten bei der Modifikation hinsichtlich der Zeitabfolge und schwierige Einstellbarkeit nach dem Zusammenbau. Das Problem der konstruktiven Komplexität war dort besonders gross, wo versucht wurde, selbstregulierende Kälteerzeuger zu schaffen, d.h. Kälteerzeuger, bei denen die Ventilanordnung durch eine Wechselwirkung mit dem Verdränger betrieben wird oder durch Änderungen des Fluid-druckes, die direkt oder indirekt von der Ventilanordnung oder den Verdrängerventilssystemen erzeugt werden. Zusätzliche spezifische Einschränkungen bekannter Tieftemperaturausrüstungen bestanden in einer unangemessenen Grösse der Ventilanordnung (oder des Kälteerzeugers, wegen der Konstruktion der Ventilanordnung und/oder ihrer Lage) und in einem verringerten Kühlungs-Wirkungsgrad als Folge der Beschränkungen bei den Ventilkonstruktionen.

Das US-Patent 3 733 837 offenbart selbstregelnde Kälteerzeuger, bei denen die Kühlung eines Gases durch sein Ausdehnen in einer Expansionskammer erhalten wird, wobei der Gasstrom zu und von der Expansionskammer durch ein Ventil gesteuert wird, das ein vom Verdränger betätigtes gleitfähiges Glied beistzt. Die Kälteerzeuger sind in dem Sinne selbstregelnd, als die Bewegung des gleitfahigen Ventilglieds vom Verdränger gesteuert wird, und die Bewegung des Verdrängers wird durch eine Gasdruckdifferenz bewirkt, die durch die Stellung des Ventilglieds bestimmt ist. Die Kälteerzeuger nach dem US-Paten 3 733 837 unterliegen einer Anzahl von Einschränkungen. Erstens ergeben die Schieberventile ein relativ grosses Hohlraumvolumen, das immer mit Gas gefüllt ist. Da das Gas im Hohlraumvolumen nicht gekühlt ist, ergibt sich eine Wirkungsgradbegrenzung der Vorrichtung. Das Hohlraumvolumen kann durch eine Verringerung des Durchmessers des oberen Endes der Verdrängers verkleinert werden, da damit jedoch die Verringerung der Wirkungsfläche einher geht, wird der gegenteilige Effekt erhalten, nämlich die Verringerung der pneumatischen Antriebskraft am Verdränger. Andererseits ist eine Vergrösse3 657 444

rung des Durchmessers des oberen Endes des Verdrängers, wie es für Kälteerzeuger mit grösserer Kapazität wünschenswert sein mag, schwierig, da dies nicht erfolgen kann, ohne eine proportionale Vergrösserung der Gesamtmasse des 5 Schieberventils. Zweitens ist der feststehende Teil des Ventils ausserhalb des Kälteerzeugerzylinders angeordnet, während sich das bewegliche Ventilglied innerhalb des Zylinders befindet. Mithin eignet sich das Ventil nicht für eine Vormontage zu einer abgeschlossenen Einheit von mit Präzision zu-lo sammengepassten Teilen.

Eine weitere frühere Schieberventilkonstruktion ist in einer parallelen US-Patentanmeldung auf den Namen Dome-nic M. Sarcia und dem Titel Tieftemperatur-Kälteerzeugungsvorrichtung dargestellt, die für den Einsatz von selbst-15 regelnden Kälteerzeugern vorgesehen ist; bei diesem Schieberventil ergab sich das Problem, dass es bei niedrigen Hubgeschwindigkeiten, z.B. unterhalb 5 Umläufen/Sekunde unzuverlässig arbeitete und zwar infolge ungleichförmiger Belastung des Schieberventilglieds.

20 Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Tieftemperatur-Kälteerzeuger mit einem Schieberventilmechanismus zu schaffen, der relativ einfach und billig herzustellen ist und der es gestattet, den Kälteerzeuger problemlos in unterschiedlichen Grössen anzufertigen und nach bereits 25 vorgegebenen Kältekreisläufen zu betreiben. Dabei soll ein maximaler Gasvolumentransfer sichergestellt und ein verbesserter Wirkungsgrad bei der Kälteerzeugung erreicht werden. Ferner soll der Verdränger sich kontinuierlich bei einer relativ niedrigen Geschwindigkeit, entsprechend 5 Hz oder 30 darunter, hin- und herbewegen können, damit die Ver-schleissanfälligkeit herabgesetzt ist, und der mechanische Aufbau soll so konstruiert sein, dass der gesamte Ventilmechanismus zu Inspektions- und möglicherweise zu Ersatzzwecken leicht entfernt werden kann. 35 Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 definiert. Weitere Lösungsmerkmale und vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemässen Kälteerzeuger lässt sich die 40 Druckdifferenz über das Verdrängermittel zyklisch verändern, wodurch auf den Verdränger eine vorbestimmte Bewegung ausgeübt wird, die im einzelnen vier Schritte in einem Zyklus umfasst: ein Verbleiben in einer am weitesten oben liegenden Stellung, ein Abwärtsbewegen, ein Verbleiben in 45 einer am weitesten unten liegenden Stellung und ein Aufwärtsbewegen. Das Ventilmittel umfasst ein hin- und hergehendes Ventilglied mit Durchlasskanälen zur Leitung von Fluid zur ersten Kammer und von dieser weg, entsprechend der Stellung des Ventilglieds, und wird so betätigt, dass 50 Hochdruckfluid in die erste Kammer und die Leitung während der ersten und zweiten Schritte der Verdrängerbewegung eintritt und dass Niederdruckfluid aus der ersten Kammer während der dritten und vierten Schritte der Verdrängerbewegung ausgestossen wird. Das hin- und herbewegliche 55 Ventilglied wird allein durch das Verdrängermittel betätigt, indem sich dieses seiner am weitesten oben und seiner am weitesten unten liegenden Stellung nähert.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das verdrängerbetriebene Kältemittelstrom-Steuer-60 ventilmittel allein für die Entwicklung der erforderlichen zy-klisch-variierenden Druckdifferenz über dem Verdränger verantwortlich. Nach einer Modifikation der Erfindung wird die wirksame Druckdifferenz über dem Verdränger durch die jeweiligen Stellungen bestimmt, die das vorgenannte ver-65 drängerbetriebene Stromsteuerventilmittel und ein elektrisch betätigtes Hilfs-Umschaltventil einnehmen. Die Kälteerzeuger-Ausrüstung kann aus einer einzigen Kälteerzeugerstufe oder aus zwei oder mehreren Stufen, die in Reihe zusammen

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geschlossen sind, bestehen, wie es in den US-Patenten 3 188 818 und 3 218 815 dargestellt ist. Ausserdem kann das System Kälteerzeugungs-Hilfsstufen umfassen, die eine oder mehrere Joule-Thomson-Wärmetauscher und Expansionsventile, wie im US-Patent 3 415 077 ausgeführt, verwenden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrösserte Teil-Schnittansicht eines selbstregelnden Gifford-McMahon-Kreislauf-Tieftemperatur-Kälteerzeugers, wobei der Verdränger und der Schieberventil-Mechanismus in einer ersten ausgewählten Stellung gezeigt sind,

Fig. 2 eine Teilansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, in einer um 90° gegenüber der Ansicht nach Fig. 1 versetzten Lage,

Fig. 3 und 4 Querschnittsansichten bei Schnittführungen entlang den Linien 3—3 bzw. 4—4 in Fig. 1,

Fig. 5 und 6 Querschnittsansichten derselben Vorrichtung bei Schnittführungen entlang der Linien 5—5 bzw. 6—6 in Fig. 2,

Fig. 7 und 8 Schnittansichten bei rechtwinklig zueinander verlaufenden Schnittführungen einer Modifikation der Erfindung.

Fig. 9 eine schematische Darstellung der externen Ventilanschlüsse für die Vorrichtung nach den Fig. 7 und 8,

Fig. 10 und 11 Querschnittsansichten bei Schnittführungen entlang der Linien 10—10 bzw. 11 — 11 in Fig. 7,

Fig. 12 und 13 Querschnittsansichten bei Schnittführungen entlang der Linien 12—12 bzw. 13 —13 in Fig. 8 und

Fig. 14 eine Druck-Volumendiagramm-Charakteristik der Vorrichtung nach den Fig. 7—13.

In der nachstehenden detaillierten Beschreibung der einzelnen Ausführungsbeispiele der Erfindung wird manchmal auf obere und untere Abschnitte Bezug genommen. Die Ausdrücke «ober» und «unter» werden relativ verwendet und die Beschreibung soll so verstanden werden, dass die Kälteer-zeugungs-Vorrichtung in jeder beliebigen Weise ausgerichtet sein kann. Folglich werden die Ausdrücke «ober» und «unter» in dieser Beschreibung verwendet, um lediglich eine Übereinstimmung mit der Lage der Elemente in den dargestellten Figuren herzustellen. Obwohl das bevorzugte Ar-beitsfluid Heliumgas ist, soll dies so verstanden werden, dass die Erfindung auch mit anderen Gasen, je nach den gewünschten Kühltemperaturen, realisiert werden kann, einschliesslich — unter anderem — mit Luft und Stickstoff.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Kälteerzeugungs-Vorrichtung ist so konstruiert, dass sie nach dem Gifford-McMahon-Kältekreislauf arbeitet. Bei dem Kälteerzeuger ist ein Aussengehäuse 2 sichtbar, das einen oberen Flansch 4 aufweist, über den es mit einem Kopfteil 6 verbunden ist. Ein an dem Kopfteil 6 vorgesehener unterer Flansch 8 ist am Flansch 4 mittels Schraubenbefestigungen 9 angebracht. Das Kälteerzeugergehäuse ist an seinem unteren kälteren Ende durch eine relativ dicke Bodenplatte 10 abgeschlossen. Ge-wünschtenfalls kann eine Wärmestation in Form eines mit einem Flansch versehenen Hülsenglieds 12 am unteren Ende der Gehäusewand befestigt sein. Die Bodenplatte 10 und die Wärmestation 12 bestehen aus einem geeigneten Metall, z.B. aus Kupfer, das eine gute thermische Leitfähigkeit bei den durch das System erzeugten Tiefsttemperaturen aufweist. Dabei stehen die Bodenplatte und die Wärmestation in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kältefluid innerhalb des Kälteerzeugers, um von diesem Wärme abzuziehen. Die Wärmestation kann auch andersartig ausgebildet sein, beispielsweise in Form von Wicklungen, die den Bodenendabschnitt des Gehäuses 2 umschliessen, oder die Kälteerzeugung am unteren Ende des Gehäuses 2 kann, wie im US-

Patent 2 966 034 gezeigt, zur Kühlung eines Infrarot-Detektors verwendet werden, der an der Bodenplatte 10 angebracht ist.

Ein Verdränger 14 bewegt sich im Gehäuse, um eine obere Warmkammer 16 mit veränderbarem Volumen und eine untere Kälteexpansionskamer 18 mit veränderbarem Volumen abzugrenzen. Zwischen dem oberen Abschnitt 20 des Verdrängers und der Innenfläche des Kälteerzeugergehäuses 2 ist eine Gleitfluiddichtung ausgebildet, die in Form eines nachgiebigen Dichtringes 22 ausgeführt und in einer im Verdränger vorgesehenen Nut montiert ist. Der untere Abschnitt 23 des Verdrängers ist mit einer Gleitpassung im Kälteerzeugergehäuse geführt und zwischen diesen Teilen braucht keine Fluiddichtung vorgesehen zu sein.

Die Kammern 16 und 18 stehen über einen Fluidstrom-weg, der geeignete Wärmespeichermittel enthält, in Fluidver-bindung. Im einzelnen umfasst der Fluidstromweg einen Regenerator 24, der im Verdränger 14 angeordnet ist und einen oder mehrere Kanäle oder Durchlässe 26 im Verdränger, die vom oberen Abschnitt des Regenerators zur Kammer 16 führen. Der Fluidstromweg umfasst auch Kanäle im Regenerator selbst, eine Reihe von Radialdurchlässen 28, die in der unteren Verdrängerwand 32 ausgebildet sind und einen Ringkanal 30 zwischen der unteren Verdrängerwand und der Innenfläche des Gehäuses 2. Nach bekannter Praxis kann die Matrix des Regenerators aus verdichteten Bleikugeln, Feinmetallgittern, Metalldrahtsegmenten oder irgendeinem anderen geeigneten Hochwärme-Speichermaterial, das den Wegen des Gasstromes einen geringen Widerstand entgegensetzt, gebildet werden. Die genaue Konstruktion des Regenerators lässt sich wesentlich abwandeln, ohne dass dadurch die Arbeitsweise der Erfindung berührt wird. Die untere Verdrängerwand 32 besteht aus einem Metall mit einer guten thermischen Leitfähigkeit bei der in der Kaltkammer 18 erzeugten T emperatur.

Das obere Ende des Verdrängers 14 ist mit einer Koaxialbohrung 34 kreisförmigen Querschnitts versehen. Die Bohrung ist an ihrem oberen Ende vergrössert ausgeführt, um eine Schulter zu bilden, gegen welche ein kreisförmiger Metallring 36 abgestützt ist. Eine nachgiebige Ringdichtung 38 ist im oberen Ende der Gegenbohrung montiert, um eine Gleitfluiddichtung zwischen dem Verdränger und dem gegenüberliegenden Abschnitt der Ventilanordnung, wie sie nachstehend beschrieben wird, auszubilden. Eine Platte 40 ist am oberen Ende des Verdrängers durch geeignete Befestigungsmittel 42 angebracht. Die Platte 40 trägt dazu bei, die Dichtungen 22 und 38 einzuschliessen.

Der Kopfteil bzw. Verteilerkopf 6 ist mit einer ersten «HI»-Durchlassöffnung 46 zum Einleiten von Hodchdruck-fluid zum Kälteerzeuger und einer zweiten «LO»-Durchlass-öffnung 44, die für das Austreten von Niederdruckfluid verwendet wird, versehen. Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um Heliumgas. Der Kopfteil besitzt eine zylindrische Koaxialbohrung 48 mit einem erweiterten Gewindeabschnitt an ihrem oberen Ende, welches mit einer Schraubkappe 50 abgeschlossen ist. Die Bohrung 48 nimmt den Ven-tilmechanismus auf, der aus einem Ventilgehäuse 52 und einem Ventilglied 54 besteht. Das Gehäuse 52 besitzt einen erweiterten Durchmesserabschnitt 55, der genau in die Bohrung 48 eingepasst ist, einen oberen Abschnitt 57 mit verkleinertem Durchmesser, der sich in die Kappe 50 hinein erstreckt und einen unteren Abschnitt 59 mit verkleinertem Durchmesser, der in die Axialbohrung 34 hineinragt, welche im oberen Ende des Verdrängers ausgebildet ist. Das Ventilgehäuse 52 ist mit dem Kopfteil 6 durch geeignete Mittel, z.B. durch Reibschluss oder einen Schwerspannstift oder eine Schraubverbindung verbunden, so dass das Ventilgehäuse bezüglich des Gehäuses 2 festgelegt ist. Die Dichtung

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38 greift am unteren Ende 59 des Ventilgehäuses an und bildet eine Gleitfluiddichtung zwischen dem Ventilgehäuse und dem Verdränger aus, wodurch zwischen diesen beiden Gliedern eine Treibkammer 60 mit veränderbarem Volumen ausgebildet wird. Die Kammer 60 wird nachstehend als «Treibkammer» bezeichnet, während die Kammern 16 und 18 «Warm-» bzw. «Kalt-Kammern» genannt werden.

Das Ventilglied 54 ist so bemessen, dass es in das Ventilgehäuse 52 mit einem engen Gleitsitz hineinpasst. Das Ventilglied 54 ist mit einem Umfangsflansch 78 an seinem unteren Ende versehen, welcher so bemessen ist, dass er in die Bohrung 34 des Verdrängers gleitfähig hineinpasst und am Ring 36 aufgehalten wird, wenn der Verdränger relativ zum Ventilgehäuse 52 (Fig. 2) nach abwärts bewegt wird. Ein O-Ring 80 ist in einer Nut im Ventilglied am Flansch 78 anliegend in einer Lage befestigt, so dass er am unteren Ende des Ventilgehäuses 52 angreift und dadurch dann, wenn sich das Ventilglied im Ventilgehäuse nach aufwärts bewegt, als Stossdämpfer wirkt. Das obere Ende des Ventilglieds 54 ist mit einem zweiten Umfangsflansch 82 versehen, der als Schulter für einen weiteren O-Ring 84 dient, der in einer im Ventilglied gebildeten Nut montiert ist. Der O-Ring 84 ist so angeordnet, dass er das obere Ende des Ventilgehäuses 52 auffangt und dabei als Stossdämpfer des Ventilglieds wirkt. Das Ventilglied wird gegen ein Verdrehen mittels eines Zapfens 85 gesichert, der in einer im Ventilgehäuse 52 vorgesehenen Bohrung befestigt ist und sich in einen im Ventilglied gebildeten vertikalen schmalen Längsschlitz 86 hinein erstreckt. Der Schlitz 86 und der Zapfen 85 sind so bemessen, dass sich das Ventilglied in Axialrichtung weit genug bewegen kann, dass die O-Ringe 80 und 84 an den entsprechenden Enden des Ventilgehäuses angreifen und dadurch den Bewegungsweg des Ventilglieds 54 begrenzen können. Ge-wünschtenfalls können die O-Ringe 80 und 84 auch weggelassen werden und die Begrenzung des Ventilgliedweges kann durch ein Angreifen der Flansche 78 und 82 an den Enden des Ventilgehäuses erfolgen (unter der Voraussetzung, dass die Flansche in der geeigneten Weise angeordnet sind, um dem Ventilglied seine Funktion in der nachstehend beschriebenen Weise zu ermöglichen), oder die Begrenzung kann durch ein Angreifen des Zapfens 85 an den oberen und unteren Enden des Schlitzes 86 bewirkt werden. Zur Erleichterung des Zusammenbaus und des Zerlegens ist das Ventilglied 54 aus zwei Teilen 55A und 55B gefertigt, welche lösbar aneinander befestigt sind, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung in der abgebildeten Weise. Die Teile 55A und 55B können auch durch andere geeignete Mittel, z.B. LOCTITE® miteinander fest verbunden werden.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, besitzt das Ventilglied 54 einen zentralen Durchlass 88, der an beiden Enden offen ist, d.h. dass er mit der Kammer 60 und auch mit der Kammer 90, die zwischen dem oberen Ende des Ventilglieds, dem oberen Ende des Ventilgehäuses und der Kappe 50 gebildet wird, in Verbindung steht.

Am Ventilgehäuse 52 sind zwei Umfangsnuten 148 und 150 ausgebildet, welche die Durchlässe 44 bzw. 46 miteinander verbinden und als Verteilerkammern dienen. Das Ventilgehäuse 52 ist mit einem Paar diametral gegenüberliegender Durchlässe 152 versehen, welche die Nut 148 schneiden sowie mit einem zweiten Paar entsprechender Durchlässe 154, welche die Nut 150 schneiden. Die Durchlässe 154 sind bezüglich der Durchlässe 152 um 90° versetzt angeordnet. Das Ventilglied 54 ist ebenfalls mit einem Paar schmaler, relativ langer diametral gegenüberliegender Aussparungen 156 (Fig. 1) versehen, die eine Länge haben, welche gerade gross genug ist, ihre oberen Enden exakt mit den Durchlässen 152 übereinstimmen zu lassen, wenn ihre unteren Enden genau in Ausrichtung auf ein Paar diametral gegenüberliegender

Durchlässe 160 ausgerichtet sind, wobei diese Durchlässe im Ventilgehäuse 52 ausgebildet sind und sich unmittelbar unterhalb des Kopfteils befinden, so dass sie mit der Kammer 16 kommunizieren. Das Ventilglied 54 besitzt ein zweites 5 Paar schmaler, relativ kurzer diametral gegenüberliegender Aussparungen 158 (Fig. 2), die eine Länge haben, welche gerade gross genug ist, ihre oberen Enden genau mit den Durchlässen 154 übereinstimmen zu lassen, wenn ihre unteren Enden exakt auf ein Paar diametral gegenüberliegender io Durchlässe 162 ausgebildet sind, wobei diese Durchlässe im Ventilgehäuse 52 in derselben Ebene, jedoch bezüglich der Durchlässe 160 um 90° versetzt, angeordnet sind. Die Aussparungen 156 und 158 sind so angeordnet, dass die Enden der Aussparungen 158 durch das Ventilgehäuse abgeschlos-15 sen werden und dass sich die Aussparungen 156 mit den Durchlässen 152 und 160 vollständig decken, wenn sich das Schiebeventilglied in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 1) befindet. Entsprechend werden die Enden der Aussparungen 156 durch das Gehäuse 52 abgeriegelt und die Aussparungen 20 158 sind vollständig auf die Durchlässe 154 und 162 ausgerichtet, wenn sich das Schieberventilglied in seiner untersten Grenzstellung (Fig. 2) befindet. Die vorgenannten Durchlässe und Aussparungen sind auch so angeordnet, dass das Ventil einen Zwischenübergangspunkt besitzt, in dem, bis 25 auf die Leckage, welche aufgrund der notwendigen Toleranzen und nicht ganz perfekter Ausführung der Durchlässe und Aussparungen auftreten kann, der Fluidstrom zwischen den Durchlässen 162 und 46 und zwischen den Durchlässen 160 und 44 abgesperrt ist. Dieser Übergangspunkt wird ein-30 genommen, wenn die oberen Kanten der Aussparungen 156 mit den unteren Kanten der Durchlässe 152 bündig sind und ferner, wenn die unteren Kanten der Aussparungen 158 mit den oberen Kanten der Durchlässe 162 bündig sind.

Dieser Übergangspunkt ist wirksam, wenn sich das Ven-35 til zwischen zwei Zuständen befindet. Wegen der Möglichkeit, diese Übergangsposition einzunehmen, kann das Ventil als Drei-Stellungsventil angesehen werden, d.h., dass es in der Lage ist, die Kammer 16 von den Durchlassöffnungen 44 und 46 alternativ oder gleichzeitig abzutrennen.

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Das Schieberventilgehäuse gemäss den Fig. 1 und 2 ist auch gekennzeichnet durch zwei Paare diametral gegenüberliegender Durchlässe 164 und 166 (Fig. 4 und 3), welche die Nuten 148 und 150 schneiden, jedoch in Umfangsrichtung 45 bezüglich der Durchlässe 152 bzw. 154 versetzt sind. Die Durchlässe 164 und 166 sind vorzugsweise um 45° um die Mittelachse des Ventils bezüglich der Durchlässe 152 bzw. 154 versetzt. Ein Paar Schraub-Nadelventile 165 und 167 im Kopfteil 6 bewirken zusammen mit den Durchlässen 164 so bzw. 166 eine Veränderung der Strömungsrate des Fluids durch diese Durchlässe. Ausserdem besitzt das Schieberventilglied 54 zwei Paare diametral gegenüberliegender Durchlässe 168 und 169, welche seinen zentralen Durchlass 88 schneiden. Die Durchlässe 168 und 164 liegen in einer ersten 55 gemeinsamen Ebene, die sich entlang der Mittelachse des Ventils erstreckt, und die Durchlässe 169 und 166 liegen in einer entsprechenden zweiten gemeinsamen Ebene. Der Axialabstand zwischen den Durchlässen 168 und 169 ist derart, dass dann, wenn das Schieberventilglied sich in seiner 60 oberen Grenzstellung (Fig. 1) befindet, die Durchlässe 168 sich nicht mit den Durchlässen 164 (Fig. 4) decken und durch das Gehäuse 52 verschlossen werden und die Durchlässe 169 mit den Durchlässen 166 (Fig. 3) übereinstimmen; entsprechend sind dann, wenn sich das Ventilglied in seine 65 untere Grenzstellung (Fig. 2) verschiebt, die Durchlässe 168 auf die Durchlässe 164 ausgerichtet (Fig. 6), und die Durchlässe 169 decken sich nicht mit den Durchlässen 166 (Fig. 5) und werden durch das Gehäuse 52 verschlossen.

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Somit ist dann, wenn sich das Ventil in seiner oberen Grenzstellung befindet, der Durchlass 44 mit der Kammer 16 und der Durchlass 46 über den Durchlass 88 mit der Kammer 60 verbunden. In der unteren Ventilstellung ist die Kammer 16 mit dem Durchlass 46 und die Kammer 60 mit dem Durchlass 44 verbunden.

Bei der üblichen Installation des Kälteerzeugers nach den Fig. 1 bis 2 wird seine Durchlassöffnung 46 an einen Speicher oder eine Vorratsquelle mit Hochdruckfluid 100 und seine Durchlassöffnung 44 an einen Speicher oder eine Vorratsquelle mit Niederdruckfluid 102 angeschlossen. Dies soll so verstanden werden, dass das Niederdruckfluid zur Atmosphäre (offener Kreislauf) entlüftet oder aber zum System zurückgeführt sein kann (geschlossener Kreislauf), wozu geeignete Leitungen dienen, die zuerst an einen Kompressor 104 und dann in den Hochdruckspeicher 100 führen, in der Weise, wie es in Fig. 1 des US-Patents 2 966 035 illustriert ist.

Die Arbeitsweise der in den Fig 1 bis 6 gezeigten Vorrichtung wird erläutert, indem von der Annahme ausgegangen wird, dass das Schieberventilglied 54 sich in seiner untersten Grenzstellung (Fig. 2) befindet und der Verdränger 14 sich aufwärts bewegt und sich nun kurz von seiner oberen Totpunktstellung (OT), an dem Punkt befindet, wo er zum erstenmal am unteren Ende des Schieberventilglieds 54 angreift. In diesem Punkt herrschen im Kälteerzeuger folgende Fluiddruck- und -temperaturzustände: Kammer 16 — Hochdruck und Zimmertemperatur; Kammer 18 — Hochdruck und niedrige Temperatur; Kammern 60 und 90 — Niederdruck und Zimmertemperatur. Indem der Verdränger seine Aufwärtsbewegung fortsetzt, greift seine Fläche 35 am Schieberventilglied 54 an und schiebt dieses nach aufwärts durch seine Übergangsposition hindurch bis in seine obere Grenzstellung (Fig. 1); der Verdränger erreicht dabei seine obere Totpunktstellung. Wenn das Schieberventilglied seine Übergangsposition passiert, beginnt Fluid von der Kammer 16 über die Durchlässe 160,156,152 und 148 auszuströmen, wodurch der Druck in den Kammern 16 und 18 sinkt; gleichzeitig beginnt der Niederdruck in den Kammern 60 und 90 zu steigen und zwar infolge des über die Durchlässe 150,166,169 und 88 einströmenden Hochdruckgases. Bei in seiner oberen Grenzstellung befindlichem Schieberventil und in seiner oberen Totpunktstellung (OT) befindlichem Verdränger strömt aus der Kammer 18 kaltes Hochdruckgas durch den Regenerator hindurch aus und wird dabei durch die Regeneratormatrix erwärmt. Nun wirkt, wegen des ansteigenden Drucks in der Kammer 60 und des niedrigen Drucks in den Kammern 16 und 18 eine Differentialkraft auf den Verdränger, die ihn nach abwärts bewegt und ihn Gas aus der Kammer 18 in die Kammer 16 verlagern lässt. Jedoch bleibt zu Anfang der Abwärtsbewegung des Verdrängers das Ventilglied 54 in seiner oberen Grenzstellung. Somit setzt das Ventil das Ausströmenlassen von Niederdruckgas aus der Kammer 16 beim Abwärtsbewegen des Verdrängers fort und der Regenerator kühlt weiter ab, indem er Wärme an das verbleibende kalte Gas, das aus der Kammer 18 verdrängt wurde, abgibt. Das durch den Regenerator hindurch ausströmende kalte Gas expandiert bei seiner Erwärmung, wodurch der Regenerator weiter abgekühlt wird.

Indem sich der Verdränger seiner unteren Totpunktstellung (UT) nähert, nimmt er das Schieberventilglied 54 mit und bewegt dieses abwärts durch seine Übergangsposition hindurch zu seiner unteren Grenzstellung (Fig. 2). Der Verdränger bewegt sich zur unteren Totpunktstellung und hält dort an. Sobald das Ventilglied seine Übergangsposition passiert, beginnt Fluid aus den Kammern 60 und 90 über die Durchlässe 88,168, 164 und 148 auszuströmen, so dass der Druck in diesen Kammern absinkt; gleichzeitig strömt über die Durchlässe 150, 154,158 und 162 Hochdruckfluid in die Kammer 16, wodurch diese mit Hochdruck-Niedertemperaturgas gefüllt wird, welches in die Kammer 18 strömt und, indem es den Regenerator passiert, gekühlt wird. Der ansteigende Druck in den Kammern 16 und 18 erzeugt in Verbindung mit dem Niederdruck in den Kammern 60 und 90 eine Druckdifferenz über dem Verdränger, die genügend gross ist, um diesen erneut nach aufwärts zu verlagern. Indem sich der Verdränger nach aufwärts bewegt, drängt er mehr Hoch-druck-Zimmertemperatugas aus der Kammer 16 durch den Regenerator zur Kammer 18, wodurch dieses zusätzliche Gas abgekühlt und sein Volumen verringert wird. Diese Volumenabnahme erlaubt es, mehr Gas aus der Kammer 16 in die Kammer 18 zu verlagern. Der Verdränger setzt seine Aufwärtsbewegung bis in seine OT-Stellung fort und dabei stösst er wiederum am Schieberventilglied an und schiebt dieses in seine obere Grenzstellung, wodurch der zuerst beschriebene Arbeitszyklus wiederholt wird. Es ist notierens-wert, dass das System beim Erreichen der OT-Stellung des Verdrängers in der Kammer 18 kaltes Hochdruckgas, in der Kammer 60 Zimmertemperatur-Niederdruckgas und in der Kammer 16 Zimmertemperatur-Hochdruckgas enthält.

Die Arbeitsgeschwindigkeit des Kälteerzeugers nach den Fig. 1 bis 3 wird durch den Takt gesteuert, in dem der Druck im Treibvolumen 60 zwischen den HI- und LO-Druckver-hältnissen an den Einlassöffnungen 46 und 44 umgeschaltet wird. Entsprechend werden die im Kopfteil 6 vorgesehenen Schraub-Nadelventile 165 und 167 verwendet, um die funktionswirksame Öffnungsweite der Durchlässe 166 bzw. 164 einzustellen und dadurch die Arbeitsgeschwindigkeit des Verdrängers 14 zu steuern. Die äusseren Enden der Nadelventile sind mit Schlitzen versehen, um einen Schraubenzieher aufzunehmen, von dem sie verdreht werden können, um die Einstellung des Strömungsdurchsatzes während des Betriebs der Anordnung zu gestatten.

Die vorstehend beschriebene Arbeitswese geht von der Annahme aus, dass der Verdränger eine genügend grosse Trägheit besitzt, um das Schieberventil durch seinen Übergangspunkt zu bewegen und damit einen kontinuierlichen Betrieb zu erreichen. Bei einer früheren Schieberventilkonstruktion, welche in den Fig. 1 — 3 der besagten parallelen US-Anmeldung von Domenic Sarcia dargestellt ist, ist der Ventilaufbau durch die Tatsache beeinträchtigt, dass das Ventilglied einer Radialbelastung aufgrund der Differenz zwischen den Fluiddruckverhältnissen, die auf das Ventilglied an den gegenüberliegenden HI- und LO-Druckdurch-lässen einwirken, ausgesetzt ist. Diese Radialkraft übt einen bewegungshemmenden Widerstand auf das Ventilglied aus. Wenn die Vorrichtung bei einer relaiv hohen Geschwindigkeit betrieben wird, d.h. mit 20 Arbeitszyklen pro Sekunde, besitzt der Verdränger eine genügend grosse Trägheit, um die Widerstandskraft zu überwinden und das Schieberglied rasch durch seinen Übergangspunkt hindurch mitzunehmen. Wenn jedoch die Verdrängergeschwindigkeit weit genug verringert wird, z.B. auf weniger als 5 Hz, kann es sein, dass die Trägheit nicht mehr ausreicht, und die Widerstandskraft kann dazu führen, dass sich die Ventileinheit langsam genug bewegt, um an ihrem Übergangspunkt oder in der Nähe dieses Punktes anzuhalten. Dies kann zur Folge haben, dass der Verdränger in einen Gleichgewichtszustand gelangt und in seinen Bewegungsablauf aufgrund einer zur Weiterbewegung nicht aureichenden grossen Druckdifferenz anhält.

In diesem Zusammenhang ist einzusehen, dass dann, wenn sich das Schieberventilglied in seiner Übergangsposition befindet, eine gringe aber bedeutsame Fluidleckage dazu tendiert, an verschiedenen Durchlässen des Ventils aufzutreten. Somit kann, wenn sich der Verdränger im Vorgang des Aufwärtsbewegens aus der Stellung gemäss Fig. 2 in die

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Stellung gemäss Fig. 1 befindet und darin weit genug fortgeschritten ist und das Schieberventilglied 54 bis in seine Übergangsposition aufwärts geschoben hat, eine Leckage zwischen den Durchlässen 152 und 160 und auch zwischen den Durchlässen 88 und 154 auftreten, was dazu führt, dass das Hochdruckfluid in den Kammern 16 und 18 anfangt, über die Durchlassöffnung 44 auszuströmen, und der Niederdruck in der Kammer 60 beginnt aufgrund des Zustroms von Hochdruckfluid über die Durchlassöffnung 46 zu steigen. Demzufolge gleichen sich die Drücke in den Kammern 16 und 60 aus und der Verdränger hält seine Bewegung an, wenn er nicht eine genügend grosse Trägheit besitzt, um das Schieberventilglied aus seiner Übergangsposition in die Stellung gemäss Fig. 1 voranzutreiben. In diesem Fall wirkt auf den Verdränger eine Druckdifferenz ein, die ihn so belastet, dass er sich in Fortsetzung seines Arbeitszyklus nach abwärts zurück bewegt. Hier ist ersichtlich, dass die auf den Verdränger wirkende pneumatische Kraft die Differenz zwischen dem Produkt aus dem Druck in der Kammer 60 und ihrer Kammerfläche 35 einerseits und dem Produkt aus dem Druck in der Kammer 18 und der entsprechenden Fläche der Unterseite der Endwand 32 andererseits ist, da die Wirkung des Druckes in der Kammer 18, der an der verbleibenden Fläche der Unterseite der Endwand 32 und an der freiliegenden Unterseite 25 das unteren Abschnitts 23 des Verdrängers herrscht, dadurch aufgehoben wird, dass ein gleich grosser Druck in der Kammer 16 auf die druckwirksame obere Endfläche des Verdrängers einwirkt, d.h. auf die Wirkungsfläche, bestehend aus der Oberseite der Platte 40 und die der Dichtungen 22 und 38. Entsprechend tritt dann, wenn sich der Verdränger im Vorgang seines Abwärtsbewegens aus der Stellung gemäss Fig. 1 in die Stellung nach Fig. 2 befindet und darin weit genug fortgeschritten ist und das Schieberventilglied 54 nach abwärts zurück in seine Übergangsposition verschoben hat, zwischen den Durchlässen 88 und 152 und auch zwischen den Durchlässen 154 und 162 eine Leckage auf, mit der Folge, dass der Druck in den Kammern 16 und 18 aufgrund des Einströmens von Hochdruckgas anzusteigen beginnt und dass das Hochdruckfluid in den Kammern 60 und 90 auszuströmen anfangt. Demzufolge gleichen sich die Drücke in den Kammern 16 und 60 wiederum aus und es kann sich wieder ein Gleichgewichtszustand einstellen, d.h. der Verdränger 14 kann anhalten, wenn er nicht eine genügend grosse Trägheit besitzt, um das Schieberventilglied in seine untere Grenzstellung zu treiben; in diesem Punkt ändern sich bei vollständig auf LO-Druckniveau entlüfteten Kammern 60 und 90 und voll auf HI-Druckniveau liegenden Kammern 16 und 18 die Druckverhältnisse sehr rasch.

Der Kälteerzeuger nach den Fig. 1 bis 6 kann bei niedrigen Geschwindigkeiten zufriedenstellend arbeiten, z.B. der Verdränger 14 kann die Trennung bei einer Frequenz von 2—5 Hz durchführen, ohne aufgrund des Entstehens eines Gleichgewichtszustandes anzuhalten. Dies liegt daran, dass auf das Schieberventilglied exakt entgegengerichtete Fluid-drücke an den gegenüberliegenden Durchlässen 152 und auch an den Paaren gegenüberliegender Durchlässe 154,164 und 166 ausgeübt werden. Somit wirkt in Radialrichtung keine Druckdifferenz auf das Schieberventil, die eine Widerstandskraft erzeugen könnte. Sollte auch Fluid zwischen dem Schieberventil 54 und dem Gehäuse 52 austreten, würde zwischen diesen Gliedern eine Fluidschicht ausgebildet mit der Wirkung, dass die Widerstandskraft noch weiter erniedrigt würde, d.h. ein Zustand, der ähnlich bei einem Luftlager erzeugt wird. Ein weiterer Vorteil des Systems nach den Fig. 1 bis 6 besteht darin, dass die Arbeitsgeschwindigkeit des Verdrängers auf einfache Weise eingestellt werden kann, indem die Einstellungen der Nadelventile 165 und 167 (unter der Annahme, dass an den LO- und HI-Druckdurchlässen 44 und 46 im wesentlichen konstante Druckverhältnisse herrschen) verändert werden.

In den Fig. 7 bis 12 ist eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Schieberventils, eingebaut in einen Kälteerzeuger, dargestellt, bei dem eine genaue Steuerung des Verdrängers mittels eines externen Steuerelements in Form eines Solenoidventils erzielt wird. Diese Ausführungsform des Schieberventils ist auch gekennzeichnet durch ausgeglichene Druckverhältnisse, die radial auf das Schieberventilglied einwirken, so dass keine Hemmkraft aufgrund einer Radialdruckdifferenz ausgeübt wird. Die Vorrichtung nach den Fig. 7 bis 12 besitzt einen Kopfteil 6B mit zwei Durchlassöffnungen 44A und 46A, die entlang der Mittellinie der Vorrichtung zueinander versetzt und zum Anschluss an die LO- und HI-Druckspeicher 102 bzs. 100, wie in Fig. 9 gezeigt, ausgestaltet sind. Ein Kompressor 104 verdichtet Luft aus dem Speicher 102 und führt diese dem Speicher 100 zu. Das obere Ende des Kopfteils ist durch eine Kappe 50A mit einem Durchlass 124 verschlossen.

Der Kälteerzeuger besitzt eine verbesserte Ausführungsform eines Schieberventils, umfassend ein Ventilgehäuse 52A mit zwei Umfangsnuten 148 und 150, welche die Durchlässe 44A bzw. 46A miteinander verbinden und als Verteilerkammern dienen. Das Ventilgehäuse 52A ist mit einem Paar diametral gegenüberliegender Durchlässe 152 versehen, welche die Nut 148 schneiden sowie mit einem zweiten Paar entsprechender Durchlässe 154, welche die Nut 150 schneiden. Die Durchlässe 154 sind zu den Durchlässen 152 um 90° versetzt angeordnet. Das Ventilglied 54A besitzt einen Zentralkanal 88, der die Kammern 60 und 90 miteinander verbindet und ist auch mit einem Paar schmaler, relativ langer diametral gegenüberliegender Aussparungen 156 (Fig. 7) versehen, die eine Länge haben, welche gerade gross genug ist, dass sich ihre oberen Enden exakt mit den Durchlässen 152 decken, wenn ihre unteren Enden genau auf ein Paar diametral gegenüberliegender Durchlässe 160 ausgerichtet sind, wobei diese Durchlässe im Ventilgehäuse 52A ausgebildet sind und sich unmittelbar unterhalb des Kopfteils befinden, so dass sie mit der Kammer 16 kommunizieren. Das Ventilglied 54A besitzt auch ein zweites Paar schmaler, relativ kurzer diametral gegenüberliegender Aussparungen 158 (Fig. 8), die eine Länge haben, welche gerade gross genug ist, dass sich ihre oberen Enden genau auf die Durchlässe 154 ausrichten. Wenn ihre unteren Enden genau mit einem Paar diametral gegenüberliegender Durchlässe 162 übereinstimmen, wobei diese Durchlässe im Ventilgehäuse 52A in derselben Ebene liegend, jedoch bezüglich der Durchlässe 160 um 90° versetzt, angeordnet sind. Die Aussparungen 156 und 158 sind so angeordnet, dass die Aussparungen 158 durch das Ventilgehäuse verschlossen werden und die Aussparungen 156 mit den Durchlässen 152 und 160 vollständig übereinstimmen, wenn sich das Schieberventilglied in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 7) befindet; entsprechend werden die Aussparungen 156 durch das Gehäuse 52A abgeriegelt und die Aussparungen 158 sind vollständig auf die Durchlässe 154 und 162 ausgerichtet, wenn sich das Schieberventilglied in seiner untersten Grenzposition (Fig. 8) befindet. Die vorgenannten Durchlässe und Aussparungen sind auch so angeordnet,

dass das Ventil einen Zwischenübergangspunkt besitzt, in dem, bis auf eine Leckage aufgrund der notwendigen Toleranzen und nicht ganz perfekter Ausführung der Durchlässe und Aussparungen, wie vorstehend beschrieben, der Fluid-strom zwischen den Durchlässen 162 und 46A und zwischen den Durchlässen 160 und 44A abgesperrt ist. Dieser Übergangspunkt wird eingenommen, wenn die oberen Kanten der Aussparungen 156 mit den unteren Kanten der Durchlässe 152 bündig sind, und wenn die unteren Kanten der

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Aussparungen 158 mit den oberen Kanten der Durchlässe 162 abschliessen.

Die Vorrichtung nach den Fig. 7 bis 13 umfasst auch ein Drei-Wege-Solenoidventil 186. Zwei der Durchlässe des Ventils 186 sind an die HI- und LO-Druckspeicher angeschlossen und der dritte Durchlass steht mit dem Durchlass 124 über ein manuell einstellbares Strömungsdurchsatz-Steuerventil 190 in Verbindung. Das Ventil 186 ist so angeordnet, dass es wahlweise den Durchlass 124 an den einen oder den anderen der beiden Speicher 100 bzw. 102 anschliessen kann, je nachdem, ob sein Solenoid erregt ist oder sich in nicht errgtem Zustand befindet. Somit ist der Durchlass 124 stets an eine der beiden Speicher angeschlossen. Das Ventil 190 kann ein Nadel-Ventil sein.

Der Betrieb der Vorrichtung nach den Fig. 7 bis 13 umfasst ein Anschliessen des Solenoids 192 des Ventils 186 an eine geeignete reversible Gleichspannungsquelle, vorzugsweise an eine Spannungsquelle, die ein Spannungssignal erzeugt, das zwischen 0 und einem positiven Pegel bei einer ausgewählten Frequenz, z.B. einer Reihe von Rechteckoder rechtwinkligen Impulsen, die mit einer Frequenz von 3 —12 Hz auftreten, variiert.

Der Arbeitszyklus der Vorrichtung nach den Fig. 7 bis 13 wird nun beschrieben. Es wird angenommen, dass (a) sich der Verdränger 14 kurz vor seiner oberen Totpunktstellung (OT) befindet und gerade im Begriff ist, das untere Ende des Schieberventilglieds 54A zu berühren, wobei sich dieses Ventilglied in seiner unteren Grenzstellung (Fig. 8) befindet, so dass die Hochdruck-Ventildurchlässe 162 zum HI-Durchlass 46A hin offen sind, und (b), dass das Solenoidventil 186 so eingestellt ist, dass der Durchlass 124 mit dem LO-Druck-speicher 102 verbunden ist. Die Druckdifferenz über dem Verdränger bewirkt, dass dieser sich weiter nach aufwärts bewegt, so dass er das Schieberventil in seine obere Grenzstellung (Fig. 7) drängt, wodurch die Hochdruckdurchlässe 162 verschlossen und die Niederdruckdurchlässe 160 zum LO-Durchlass 44A hin geöffnet werden. Nun werden die Kammern 16 und 18 entlüftet und der Druck in diesen Kammern wird genauso gross wie in der Kammer 60. Somit hält der Verdränger in der Nähe seiner OT-Stellung an. Hier wird nun bewirkt, dass das Solenoidventil seinen Zustand verändert und den HI-Speicher 100 mit dem Anschluss 124 verbindet, um einen Druckanstieg in der Kammer 60 zu bewirken. Die Drücke in den Kammern 16 und 18 sind immer noch niedrig, so dass sich der Verdränger infolge des ansteigenden Druckes in der Kammer 60 nach abwärts verlagert. Die Abwärtsbewegung des Verdrängers nimmt das Schieberventil mit und zieht dieses weit genug nach unten, um die Niederdruckdurchlässe 160 zu verschliessen und die Hochdruckdurchlässe 162 zu öffnen. Nun ändern sich die Druckverhältnisse in dem Kammern 16 und 18 vom niedrigen Druck zum Hochdruck und gleichen sich mit dem Hochdruck in der Kammer 60 aus, woraufhin der Verdränger in seiner UT-Stellung anhält. Danach verschliesst das Solenoidventil seinen Hochdruckdurchlass und öffnet seinen Niederdruckdurchlass, wodurch der Druck in der Kammer 60 von hoch auf niedrig abfallt. Demzufolge bewirkt der Differenzdruck auf den Verdränger seine Aufwärtsbewegung und wiederum die Verlagerung des Schieberventilglieds in seine obere Grenzstellung; dieses führt zu einem Öffnen des Niederdruckdurchlasses 160 und einem Schliessen des Hochdruckdurchlasses 162. Die Druckverhältnisse in den Kammern 16 und 18 gleichen sich nun wieder aus, wobei der Druck in der Kammer 60 den Verdränger veranlasst, in seiner OT-Stellung anzuhalten. Hier wird wieder das Solenoid betätigt, um seinen HI-Durchlass zum Durchlass 124 hin zu

öffnen, worauf sich der Zyklus fortsetzt und sich wiederholt, wie vorstehend beschrieben.

Das vorgenannte System nach den Fig. 7 bis 13 schafft eine zuverlässige und exakt steuerbare Betriebsweise und ist gekennzeichnet durch ein im wesentlichen rechteckiges oder rechtwinkliges Druck-Volumendiagramm (PV), wie es in Fig. 14 dargestellt ist, wobei P und V den Druck und das Volumen der Kammer 18 angeben. Der Kurvenverlauf von (1) nach (2) stellt die Aufwärtsbewegung des Verdrängers dar, der Kurvenverlauf von (2) nach (3) repräsentiert das Austreten (Kühlen durch Expansion) welches stattfindet, während sich der Verdränger in OT befindet, der Kurvenverlauf von (3) nach (4) gibt die Abwärtsbewegung des Verdrängers wieder und der Kurvenverlauf (4) nach (1) verdeutlicht die Verdichtung, welche infolge des fortgesetzten Zuströmens von Hochdruck-Zimmertemperaturgas in die Kammern 16 und 18 stattfindet, während sich der Verdränger in UT befindet. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Verdränger bewegt, wird durch das Nadelventil 190 gesteuert und die Betriebsfrequenz des Verdrängers wird durch das Ventil 186 gesteuert.

Die vorstehend beschriebenen Kälteerzeuger, welche die Schieberventile nach der Erfindung verwenden, sind in der Lage, nach dem Gifford-McMahon-Kreislauf zu arbeiten und die Fachwelt wird anerkennen, dass bei der Erfindung noch andere Modifikationen vorgenommen werden können, die sich unter Berücksichtigung anderer bekannter Kältekreisläufe ergeben könnten. Kälteerzeuger, welche die erfin-dungsgemässen Ventile verwenden bieten viele Vorteile, unter anderem die Möglichkeit zur Steuerung der Verdrängergeschwindigkeit, die Anpassungsmöglichkeit an verschiedene Abmessungen und Kapazitäten, die Kompatibilität mit bestehender Tieftemperaturtechnologie (z.B. den Einsatz herkömmlicher Regeneratoren), eine konstruktive Einfachheit, eine leichte Austauschbarkeit und eine hohe betriebliche Zuverlässigkeit des Schieberventils, die Möglichkeit zur Vergrösserung des Verdrängers ohne notwendigerweise eine proportionale Zunahme des Durchmessers oder der Länge des Schieberventils in Kauf nehmen zu müssen, ferner den Vorteil eines relativ kurzen Schieberventilhubs und die Möglichkeit, ein Anschlagen des Verdrängers und des Schieberventils auszuschalten. Beispielsweise kann der Hub des Schieberventils zwischen seinen beiden Grenzstellungen lediglich 3,17 mm ('/s inch) betragen. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise sind sämtliche Durchlassöffnungen 150,152,160 und 162 kreisrund ausgeführt und haben alle denselben Durchmesser; die Durchlässe 156 und 158 haben dieselben Durchtritts-Querschnittsflächen wie auch die Durchlässe 166,169 164 und 168. Die O-Ringe 80 und 84 polstern das Schieberventil zur Geräuschverringerung und das Schieberventil arbeitet bei Umgebungstemperatur, obwohl gleichzeitig am unteren Ende des Zylinders 2 niedrige Temperaturen, von z.B. 110°K bis 14°K, herrschen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Schieberventile bei Kälteerzeugern verwendbar sind, bei denen der Regenerator ausserhalb des Verdrängers in bekannter Weise liegt oder bei denen zwei oder mehrere ähnliche, in Reihe geschaltete Kälteerzeugerstufen, vorgesehen sind, wie dies z.B. in den US-Patenten 3 188 818 und3 218 815 dargestellt ist. Auch können Hilfs-Kälteerzeugerstufen, die ein oder mehrere Joule-Thomson-Wärmetausch- und Expansionsventile verwenden, eingesetzt werden, wie es in dem in dieser Anmeldung zitierten Stand der Technik dargestellt wird. Weitere Vorteile, Modifikationen und Anwendungen der Erfindung liegen für einen einschlägigen Fachmann auf der Hand.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

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2. 2. Kälteerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Mittel Verteilerkammern (148,150) sind, die entlang der Längsmittelachse des Ventilgehäuses auf Abstand zueinander liegend vorgesehen sind.

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   PATENTANSPRÜCHE 1. Tieftemperatur-Kälteerzeuger, in dem ein unter Druck stehendes Fluid von einer ersten Kammer (16) mit variablem Volumen, in der eine Anfangskühlung stattfindet, zu einer zweiten Kammer (18) mit variablem Volumen zur anschliessenden Expansion und zum weiteren Abkühlen durch Austragen aus dem Kälteerzeuger gefördert wird, bei dem das Fluid durch den Kälteerzeuger hindurch aufgrund der Bewegung eines gleitend in einem Gehäuse (2) geführten Verdrängermittels (14) unter der Wirkung eines Fluidantriebsmittels übertragen wird, und das .Einleiten von Hochdruckfluid sowie der Austrag von Niederdruckfluid durch eine Regelventilanordnung (52, 54) gesteuert werden, welche ein Ventilglied (54) umfasst, das in zwei Richtungen durch das Verdrängermittel (14) und in dessen Bewegungsrichtung zwischen einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Position bewegbar ist, um wahlweise den Anschluss von zumindest einer festliegenden Hochdruck-Fluideinlassöffnung (46,150, 154) sowie zumindest einer festliegenden Niederuck-Fluid-auslassöffnung (44,148,152) an diese erste Kammer (16) zu steuern und so die Einlassöffnung bzw. -Öffnungen, jedoch nicht die Auslassöffnung bzw. -Öffnungen an diese erste Kammer anzuschliessen, wenn sich das Ventilglied in seiner ersten Position befindet sowie die Auslassöffnung bzw. Öffnungen, jedoch nicht die Einlassöffnung bzw. Öffnungen an diese erste Kammer anzuschliessen, wenn sich das Ventilglied in seiner zweiten Position befindet, wobei die erste (16) und die zweite Kammer (18) durch einander entgegengesetzte Endabschnitte des Verdrängermittels (14) und korrespondierende Endabschnitte des Gehäuses (2) gebildet werden und das Ventilglied (54) und das Verdrängermittel (14) sowohl mit ersten und zweiten wechselweise gegenüberstehenden Mitteln (78 bzw. 35) versehen sind, welche veranlassen, dass das Ventilglied vom Verdrängermittel erfasst und verschoben wird, sobald sich dieses in einer ersten Richtung verlagert als auch mit dritten und vierten wechselweise gegenüberliegenden Mitteln (78 bzw. 36) versehen sind, welche veranlassen, dass das Ventilglied vom Verdrängermittel erfasst und verschoben wird, sobald dieses sich in einer zweiten entgegengesetzten Richtung verlagert und wobei das Verdrängermittel (14) auch unabhängig vom Ventilglied (54) begrenzt bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (54) in einem an dem Gehäuse (2) befestigten Ventilgehäuse (52) gleitend geführt ist, dass die besagte erste Kammer (16) einen Abschnitt der Ventilanordnung (52,54) um-schliesst und ein Ende des Ventilglieds (54) von einem Ende des Ventilgehäuses (52) absteht und teleskopartig in eine dritte Kammer (60) variablen Volumens eindringt, die in dem Verdrängermittel (14) gebildet wird, dass das Ventilgehäuse (52) wenigstens ein Paar diametral gegenüberliegender Einlassöffnungen (154) besitzt sowie erste Mittel (150,46) zum Verbinden sämtlicher Einlassöffnungen mit einem gemeinsamen Hochdruck-Fluidspeicher (100), dass das Ventilgehäuse mindestens ein Paar diametral gegenüberliegender Auslassöffnungen (152) besitzt sowie zweite Mittel (148,44) zum Verbinden sämtlicher Auslassöffnungen mit einem gemeinsamen Niederdruck-Fluidspeicher, dass das Ventilgehäuse mindestens ein Paar erster und zweiter Übertragungsdurchlässe (160 bzw. 162) besitzt, welche mit der ersten Kammer (16) kommunizieren, dass in dem Ventilglied (54) Durchlässe (156,158) angeordnet sind, welche die Einlassöffnungen an den ersten Übertragungsdurchlass bzw. die ersten Übertragungsdurchlässe anschliessen, wenn sich das Ventilglied in seiner ersten Position befindet, und welche die Auslassöffnungen an den zweiten Übertragungsdurchlass bzw. die zweiten Übertragungsdurchlässe anschliessen, wenn sich das Ventilglied in seiner zweiten Position befindet und dass schliesslich Kanäle (168, 169) entsprechend angeordnet sind, um wahlweise die Auslass- und Einlassöffnungen (152, 154) an die besagte dritte Kammer (60) entsprechend der Position des Ventilglieds anzuschliessen.
3. 3. Kälteerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse zylindrisch ist und dass die Verteilerkammern durch Nuten gebildet werden, die um das Ventilgehäuse herum verlaufen.
4. 4. Kälteerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Einlassöffnungen (154) einen gleich grossen Öffnungsquerschnitt besitzen und dass sämtliche Auslassöffnungen (152) ebenfalls ein und denselben Öffnungsquerschnitt aufweisen.
5. 5. Kälteerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen (154) denselben Öffnungsquerschnitt besitzen wie die Auslassöffnungen (152).
6. 6. Kälteerzeugr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Kammer (90) variablen Volumens durch ein zweites Ende der Regelventilanordnung (52, 54) und einen mit dem korrespondierenden Ende des Gehäuses (2) verbundenen Kopfteil (6, 50) gebildet wird und dass das Ventilglied einen Durchlass (88) zum Ausgleich der Druckverhältnisse in der dritten und vierten Kammer mit jeweils variablem Volumen aufweist.
7. 7. Kälteerzeuger nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Steueröffnung (124) zum Einleiten eines Fluids bei einem voreingestellten Druck in die vierte Kammer (90) variablen Volumens, unabhängig von der Steuerung des Fluid-stroms, die bestimmt wird durch die Verbindungen zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen (46,44) sowie den Übertragungsdurchlässen (160, 162).
8. 8. Kälteerzeuger nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein elektrisches Steuerventil (186) zur Steuerung des Fluid-stroms zu der besagten Steueröffnung (124).