CH657445A5

CH657445A5 - Tieftemperatur-kaelteerzeuger.

Info

Publication number: CH657445A5
Application number: CH4218/81A
Authority: CH
Inventors: Domenico S Sarcia
Original assignee: Oerlikon Buehrle Inc
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1986-08-29
Also published as: EP0038360A1; US4305741A; GB2071298B; JPS56501536A; JPH0252784B2; DE3049993T1; DE3049993C2; EP0038360A4; GB2071298A; EP0038360B1; WO1981001192A1

Description

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

Eine Reihe aussergewöhnlicher Kältekreisläufe und -Vorrichtungen wurden entwickelt, um dem zunehmenden Verlangen nach in höchstem Masse betriebssicheren, langlebigen Tieftemperatur-Kälteerzeugern nachzukommen. Derartige Kälteerzeuger finden Verwendung in diversen technischen Bereichen, wie bei elektronischen Nachrichtensystemen, Flugkörper- 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 -Vorrichtungen basieren auf dem gesteuerten Umlauf eines expansiblen Fluids mit geeignetem Wärmeaustausch, um die Tiefkühlung zu erhalten 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 4118 943 sowie den in diesen Patentschriften zitierten Stand der Technik.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kälteerzeugungssysteme, die sich eines 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 Gefasses

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bewegt wird, das in ihm enthaltene Kühlmittelfluid durch den Regenerator zum gegenüberliegenden Ende des Gefässes getrieben wird. Solche Systeme können die unterschiedlichsten Formen besitzen und sich der verschiedensten Kreisläufe bedienen, einschliesslich der wohl bekannten Gifford-McMahon, Taylor, Solvay und Split Stirling Kreisläufe. Diese Kältekreisläufe und -Vorrichtungen erfordern Ventile oder Kolben zur Steuerung des Flusses und der Bewegung des Arbeitsfluids und 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, verlangt wird. Obwohl eine feste Zeitabfolge üblicherweise angestrebt wird, ist es auch wünschenswert, den Zeitzyklus in gewisser Hinsicht verändern zu können, beispielsweise die Zeitspanne, in der Hochdruckfluid in das Ge-fäss eingeleitet wird oder die Zeitspanne, während der die Ausdehnung und Kühlung erhalten wird.

Bislang hat die Ventilausstattung der Tieftemperaturausrüstung der beschriebenen Art verschiedenste Ausführungen eingenommen, jedoch war die Ventilausführung oder der entstandene Kälteerzeuger unvermeidbarerweise durch eine oder mehrere der nachstehenden Einschränkungen belastet: komplizierte Konstruktion, vergleichsweise hohe Kosten in der Herstellung, Schwierigkeiten der Modifikation hinsichtlich der Zeitabfolge, relativ kurze Lebensdauer, unzureichende Betriebssicherheit, schwierige Einstellbarkeit nach dem Zusammenbau und ein enger Bereich von Kälteerzeugungs-Kapazitäten. Das Problem der konstruktiven Komplexität war in solchen Fällen besonders gross, in denen versucht wurde, selbstregulierende Ventilsysteme zu schaffen. Bekannte Tieftemperaturausrüstungen wurden durch zusätzliche spezifische Probleme belastet, wie die Zersetzung von Bleischrot im Regenerationsabschnitt infolge des «Anschlagens» oder «Anhämmerns» des Verdrängers an seine mechanischen Anschläge bei jeder Richtungsumkehr, eine unangemessene Grösse der Ventilanordnung (oder des Kälteerzeugers, wegen der Konstruktion der Ventilanordnung und/

oder ihrer Lage), die kritische oder kurze Lebensdauer der Abdichtungen zwischen bestimmten bewegten Teilen, der verringerte Wirkungsgrad als Folge übermässiger hineingesteckter Arbeitsleistung oder Leistungsverluste (z.B. hohe Reibungsverluste) und die Unfähigkeit bei niedrigen Umkehrgeschwindigkeiten, die für derartige Vorrichtungen bevorzugt werden, zu arbeiten. Unter den unterschiedlichen Arten der eingesetzten Ventilsysteme sind Drehschieber, wie sie in den US-Patenten 3 119 237, 3 625 015 erläutert sind, fluidbetätigte Ventile, wie im US-Patent 3 321 926 dargestellt, steuernockenbetätigte Ventile, wie im US-Patent 2 966 035 offenbart, mechanisch betätigte Schieber, wie im US-Patent 3 188 821 dargestellt und verdrängerbetätigte Ventile, wie im US-Patent 3 733 837 gezeigt.

Das US-Patent 3 733 837 offenbart Kälteerzeuger, bei denen die Kühlung eines Gases durch seine Ausdehnung in einer Expansionskammer erhalten wird, wobei der Gasstrom zu und von der Expansionskammer durch ein Ventil gesteuert wird, das ein mittels des Verdrängers betätigtes gleit-fahiges Glied besitzt. Die Kälteerzeuger sind in dem Sinne selbstregeln, als die Bewegung des gleitfähigen 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-Patent 3 733 837 unterliegen einer Anzahl von Einschränkungen. Erstens ergeben die Schieber-Ventile ein relativ grosses Hohlraumvolumen, das immer mit Gas gefüllt ist. Da das Gas im Hohlraumvolumen nicht gekühlt ist, ergibt sich eine Wirkungsgradbegrenzung der Vor657 445

richtung. Das Hohlraumvolumen kann durch eine Verringerung des Durchmessers des oberen Endes des Verdrängers verkleinert werden, da damit jedoch die Verringerung der Wirkungsfläche einhergeht, wird der gegenteilige Effekt erhalten, nämlich die Verringerung der pneumatischen Antriebskraft am Verdränger. Andererseits ist eine Vergrösse-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 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-sammengepassten Teilen. Noch eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die Hubgeschwindigkeit des Verdrängers nicht einfach und rasch verändert werden kann.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung in erster Linie darin, einen Tieftemperatur-Kälteerzeuger zu schaffen, der durch einen Ventilmechanismus gekennzeichnet ist, der nicht nur relativ einfach und billig herzustellen ist, sondern der es auch gestattet, die Vorrichtung in unterschiedlichen Grössen anzufertigen, und der einen verbesserten Kältekreislauf bei einem gleichzeitig erhöhten Wirkungsgrad gewährleistet. Ferner soll der Ventilmechanismus zu Inspektions- und möglicherweise zu Ersatzzwecken leicht entfernbar bzw. austauschbar sein.

Die erfindungsgemässe Lösung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet; weitere Merkmale sowie vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.

Der Kälteerzeuger nach der Erfindung kann mit einer einzigen Kälteerzeugerstufe betrieben werden oder aus zwei oder aus mehreren Stufen, die in Reihe zusammengeschlossen sind, bestehen, wie es in den US-Patenten 3 188 818 und 3 218 815 dargestellt ist. Ausserdem kann das System Käl-teerzeugungs-Hilfsstufen umfassen, die eine oder mehrere Joule-Thomson-Wärmeaustauscher und Expansionsventile verwenden, wie im US-Patent 3 415 077 ausgeführt.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand von Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrösserte Teilschnitt-Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, .welche einen selbstregelnden Gif-ford-Mc-Mahon-Kreislauf-Tieftemperatur-Kälteerzeuger bildet, wobei der Verdränger und der Ventilmechanismus in einer ersten ausgewählten Stellung gezeigt sind,

Fig. 2 und 3 schematische Schnittansichten ähnlich der in Fig. 1 zur Verdeutlichung unterschiedlicher Stufen des Arbeitszyklus derselben Vorrichtung,

Fig. 4 eine Teilschnitt-Ansicht zur Veranschaulichung einer Modifikation der Ausführungsformen gemäss den Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines selbstregelnden Kälteerzeugers, der ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten ist, jedoch eine bevorzugte Ausführungsform eines Schiebeventils zur Steuerung des Kältemittelflusses verwendet,

Fig. 6 eine Teilansicht der Vorrichtung nach Fig. 5, in einer um 90° gegenüber der Ansicht nach Fig. 7 versetzten Lage,

Fig. 7 und 8 Querschnittsansichten bei Schnittführungen entlang der Linien 7—7 bzw. 8 — 8 in Fig. 5 und

Fig. 9 und 10 Querschnittsansichten derselben Vorrichtung bei Schnittführungen entlang der Linien 9 — 9 bzw. 10—10 in Fig. 6.

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In der nachstehenden detaillierten Beschreibung der einzelnen Ausführungsbeispiele der Erfindung wird manchmal Bezug genommen auf obere und untere Abschnitte. Die Begriffe «ober» und «unter» werden in relativem Sinne verwendet und die Beschreibung soll so verstanden werden, dass die Kälteerzeugungs-Vorrichtung in beliebiger Weise ausgerichtet sein kann. Folglich werden die Ausdrücke «ober» und «unter» in dieser Beschreibung verwendet, um allein eine Übereinstimmung mit der Lage der Elemente in den dargestellten Figuren herzustellen. Obwohl als bevorzugtes Ar-beitsfluid Heliumgas Verwendung findet, soll dies so verstanden werden, dass die Erfindung auch mit anderen Gasen, je nach den gewünschten Kühltemperaturen, realisiert werden kann, einschliesslich -neben anderen- Luft und Stickstoff.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Kälteerzeugungs-Vorrichtung ist so ausgelegt, dass sie nach Gifford-McMa-hon-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 geeigneter Schraubenbefestigungen 9 angebracht. Das Kälteerzeugergehäuse ist an seinem unteren kälteren Ende durch eine relativ dicke Bodenplatte 10 abgeschlossen. Falls es gewünscht wird, 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. 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 Kälte-fluid 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; auch kann die Kälteerzeugung am unteren Ende des Gehäuses 2, 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 Kälteexpansionskammer 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 Gasstroms 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 Ve-drängerwand 32 besteht aus einem Metall mit einer guten thermischen Leitfähigkeit bei der in der Kaltkammer 18 erzeugten Temperatur.

Das obere Ende des Verdrängers 14 ist mit einer Koaxialbohrung 34 kreisförmigen Querschnitts versehen. Die Bohrung ist an ihrem oberen Ende vergrössert ausgeführt, um so eine Schulter zu bilden, an der ein kreisförmiger Metallrig 36 abgestützt ist. Eine nachgiebige Ringdichtung 38 ist im oberen Ende der Gegenbohrung montiert, um eine Gleitfluiddichtung zwischen dem Verdränger und dem gegenüberstehenden 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 44 zum Einleiten von Hochdruck-fluid zum Kälteerzeuger und einer zweiten «LO> Durchlassöffnung 46 für den Austritt von Niederdruckfluid 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 Ventilmechanismus 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 feststeht. Die Dichtung 38 greift am unteren Ende 59 des Ventilgehäuses an und bildet eine Gleitfluiddichtung zwischen dem Ventilgehäuse und dem Verdränger aus, wodurch eine Treibkammer 60 mit veränderbarem Volumen zwischen diesen beiden Gliedern geformt wird. Die Kammer 60 wird nachstehend als «Treibkammer» bezeichnet, während die Kammern 16 und 18 «Warm-» bzw. «Kalt-Kammern» genannt werden.

Das Ventilgehäuse 52 ist mit zwei relativ langen Aussparungen 62 und 64 versehen, die so angeordnet sind, dass sie jeweils mit den Durchlassöffnungen 44 bzw. 46 kommunizieren. Ausserdem umfasst das Ventilgehäuse zwei Radialdurchlässe 66 und 68, die an den beiden gegenüberliegenden Enden der Aussparung 62 ausgebildet sind sowie zwei zusätzliche Radialdurchlässe 70 und 72, welche mit der Aussparung 64 verbunden sind.

Ausser den vorgenannten Durchlässen besitzt das Ventilgehäuse 52 ein Paar diametral gegenüberliegender Radialöffnungen 74 und 76 (vgl. Fig. 2), die in die Kammer 16 führen.

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 dient. Das obere Ende des Ventilglieds 54 ist mit einem zweiten Umfangsflansch 82 versehen, der als

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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 auffängt 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 vertikalen schmalen Längsschlitz 86 im Ventilglied hinein erstreckt. Der Schlitz 86 und der Zapfen 85 sind so bemessen, dass das Ventilglied in Axialrichtung weit genug bewegt werden kann, um die O-Ringe 80 und 84 an den entsprechenden Enden des Ventilgehäuses angreifen zu lassen und dadurch den Bewegungsweg des Ventilglieds 54 zu begrenzen. Gewünsch-tenfalls 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 hergestellt, 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.

Es wird immer noch Bezug genommen auf die Fig. 1 bis 3. Das Ventilglied 54 besitzt 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. Ausserdem weist das Ventilglied 54 zwei zueinander fluchtend ausgerichtete, sind radial erstreckende Durchlässe 92 und 94 auf, die den zentralen Durchlass 88 schneiden; ferner zwei sich axial erstreckende Schlitze oder Aussparungen 96,98, die gleich lang, aber in Längsrichtung des Ventilglieds zueinander versetzt angeordnet sind. Die Durchlässe 92 und 94 sind so angeordnet, dass der Durchlass 92 mit der Durchlassöffnung 66 fluchtet, wenn sich das Ventilglied in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 1) befindet und dass der Durchlass 94 mit der Durchlassöffnung 70 fluchtet, wenn sich das Ventilglied in seiner unteren Grenzstellung (Fig. 3) befindet. Die Aussparungen 96 und 98 sind so angeordnet, dass dann, wenn das Ventilglied in seiner oberen Grenzstellung steht, die Aussparung 96 mit der Durchlassöffnung 68 kommuniziert, jedoch von der Durchlassöffnung 74 durch die gegenüberliegende Innenfläche des Ventilgehäuses abgesperrt ist, während die Aussparung 98 eine Verbindung zwischen den Radialdurchlassöffnungen 72 und 76 in vollem Umfang gestattet. Ausserdem stellt die Aussparung 96 dann, wenn das Ventilglied sich in seiner unteren Grenzstellung befindet,

eine vollständige Verbindung zwischen den Durchlassöffnungen 68 und 74 her und gleichzeitig steht die Aussparung 98 in Verbindung mit der Durchlassöffnung 76, wird aber ansonsten von der Durchlassöffnung 72 durch die gegenüberliegende Innenfläche des Ventilgehäuses abgetrennt, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Ferner ist das Ventil so angeordnet, dass das Ventilglied 54 eine zwischenstufliche Übergangsposition (Fig. 3) einnehmen kann, in der beide Öffnungen, die HI- und die LO-Druckdurchlassöffnungen 44 und 46 von der Kammer 16 vollständig abgetrennt sind. Wegen der Möglichkeit, eine solche Übergangsposition einzunehmen, kann das Ventil als Drei-Stellungsventil angesehen werden, d.h., dass es in der Lage ist, die Durchlassöffnungen 74 und 76 alternativ oder gleichzeitig zu verschlies-

sen. Es ist erwünscht, dass die Übergangsposition eng ist, um ein rasches Ausschalten der HI- und LO-Durchlassöffnungs-anschlüsse an die Kammer 16 zu erhalten. Entsprechend ist das Ventil so ausgestaltet, dass in der Übergangsposition die 5 untere Randkante der Aussparung 96 auf derselben Höhe liegt wie die obere Kante der Durchlassöffnung 74 und dass die obere Randkante der Aussparung 98 mit der unteren Kante der Durchlassöffnung 72 fluchtet und dass auch die obere Kante der Durchlassöffnung 92 bündig ist mit der un-lo teren Kante der Durchlassöffnung 66 und die untere Kante der Durchlassöffnung 94 ebenfalls bündig ist mit der oberen Kante der Durchlassöffnung 70 mit der Folge, dass in der Übergangsposition die Kammer 16 von den HI- und LO-Öffnungen abgetrennt ist und dass lediglich eine kleine Be-15 wegung des Ventilglieds 54 nach aufwärts oder abwärts erforderlich ist, um die HI-Öffnung 44 oder die LO-Öffnung 46 mit der Kammer 16 zu verbinden. In der Praxis wird jedoch dann, wenn sich das Ventil in seiner Übergangsstellung befindet, etwas Leckage des Fluids zwischen (a) den Durch-20 lä'ssen 74 und 68, (b) den Durchlässen 76 und 72, (c) den Durchlässen 66 und 92 und den Durchlässen 70 und 94 auftreten, und zwar aufgrund der erforderlichen Toleranzen, die es ermöglichen, dass das Glied 54 im Gehäuse 52 gleiten kann sowie auch aufgrund einer möglicherweise nicht ganz 25 perfekten Ausgestaltung und/oder Anordnung der verschiedenen Öffnungen und Durchlässe im Schieberventil.

Bei der üblichen Installation des Kälteerzeugers nach den Fig. 1 bis 3 wird seine Durchlassöffnung 44 an einen Speicher oder eine Vorratsquelle mit Hochdruckfluid 100 und 30 seine Durchlassöffnung 46 an einen Speicher oder eine Vorratsquelle für 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 ge-35 eignete Leitungen dienen, die zuerst in 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 3 gezeigten Vor-40 richtungen 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 kurze von seiner oberen Totpunktstellung (OT), an dem Punkt befindet, wo 45 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 — so 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 55 obere Totpunktstellung. Wenn das Schieberventilglied seine Übergangsposition passiert, beginnt Fluid von der Kammer 16 über die Durchlässe 64,72,98 und 76 auszuströmen, wodurch der Druck in den Kammern 16 und 18 sinkt; gleichzeitig beginnt der Niederdruck in den Kammern 60 und 90 zu 60 steigen und zwar infolge des über die Durchlässe 44, 62,92 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 Regene-65 rator 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,

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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 Totpunktstel-lung (OT) 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 88,94,64 und 46 auszuströmen, so dass der Druck in diesen Kammern absinkt; gleichzeitig strömt über die Durchlässe 44,62,68,96 und 74 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-Zimmertemperaturgas 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 44 und 46 umgeschaltet wird. Demgemäss sind im Kopfteil 6 Schraub-Nadelyentile 106 und 108 vorgesehen, um die funktionswirksame Öffnungsweite der Durchlässe 66 bzw. 70 einzustellen. Die äusseren Enden der Nadelventile sind mit Schlitzen versehen, um einen Schraubenzieher aufzunehmen, von dem sie verdreht werden können, um die Einstellung des Durchsatzes während des Betriebs der Anordnung zu gestatten.

Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise 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. Jedoch ist die spezielle Ventilkonstruktion, die bei der Vorrichtung gemäss den Fig. 1 bis 3 Verwendung findet, etwas durch die Tatsache beeinträchtigt, dass das Ventilglied einer Radialbelastung aufgrund der Differenz zwischen den Fluiddruckverhältnissen, die auf das Ventilglied an den Durchlässen 66 und 68 (HI) und 70,72 (LO) einwirken, ausgesetzt ist. Diese Radialkraft übt einen bewegungshemmenden Widerstand auf das Ventilglied aus. Wenn die Vorrichtung mit einer relativ 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 drei Arbeitszyklen pro Sekunde, kann es sein, dass die Trägheit nicht mehr ausreicht, und die Widerstandskraft kann bewirken, 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 seinen Bewegungsablauf aufgrund einer nicht ausreichenden grossen Druckdifferenz anhält. Die zur Gewährleistung einer kontinuierlichen hin- und hergehenden Bewegung des Verdrängers erforderliche Minimalgeschwindigkeit schwankt je nach dem zu überwindenden Widerstand.

In diesem Zusammenhang ist einsehbar, dass dann, wenn — wie eingangs erwähnt — das vorstehend beschriebene Schieberventilglied sich in seiner Übergangsposition (Fig. 3) befindet, eine geringe Fluidleckage an verschiedenen Durchlassöffnungen des Ventils auftritt. Somit kann, wenn sich der Verdränger im Vorgang des Aufwärtsbewegens aus der Stellung gemäss Fig. 2 in die Stellung gemäss Fig. 1 befindet und darin weit genug fortgeschritten ist und das Schieberventilglied 54 hoch bis in seine Übergangsposition gemäss Fig. 3 aufwärts geschoben hat eine Leckage zwischen den Durchlassöffnungen 72 und 76 und auch zwischen den Öffnungen 66 und 92 auftreten, mit dem Ergebnis, dass das Hochdruckfluid in den Kammern 16 und 18 anfängt, über die Durchlassöffnung 46 auszuströmen, und der Niederdruck in der Kammer 60 beginnt aufgrund des Zustroms von Hochdruckfluid über die Durchlassöffnung 44 zu steigen. Demzufolge gleichen sich die Drücke in den Kammern 16 und 60 aus und der Verdränger hält in seiner 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 ein Druckdifferential ein, das ihn so belastet, dass er sich in Fortsetzung seines Arbeitszyklus nach abwärts zurück bewegt. Hier ist zu erkennen, dass die auf den Verdränger wirkende pneumatische Kraft die Differenz zwischen dem Produkt aus dem Druck in der Kammer 60 und ihrer Kammerfläche 35 einersteis 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 des unteren Abschnitts 23 des Verdrängers herrscht, dadurch aufgehoben wird, dass ein identischer Druck in der Kammer 16 auf die druckwirksame obere Endfläche des Verdrängers einwirkt, d.h. auf die effektive Fläche der Oberseite der Platte 40 und der Dichtungen 22 und 38. Entsprechend kann dann, wenn sich der Verdränger im Pro-zess 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 Durchlassöffnungen 68 und 74 und auch zwischen den Durchlassöffnungen 64 und 94 eine Leckage auftreten, mit dem Ergebnis, 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 anfängt. Als Folge davon gleichen sich die Drücke in den Kammern 16 und 60 wiederum aus und es kann sich wieder ein Gleichgewichtszustand herstellen, 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 ent6

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lüfteten Kammern 60 und 90 und voll auf HI-Druckniveau liegenden Kammern 16 und 18 die Drücke sehr rasch.

Die in der Praxis eingesetzten Vorrichtungen mit dem Schieberventil der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Art werden mit Geschwindigkeiten betrieben, welche gerade hoch genug sind, um die Wiederstandskraft zu überwinden und einen kontinuierlichen Arbeitsablauf sicherzustellen, welche dabei aber immer noch niedrig genug sind, um den Wirkungsgrad der Kühlung zu maximieren. Eine bevorzugte Arbeitsgeschwindigkeit für diese Vorrichtungsart liegt bei etwa 10 Hz, obwohl auch höhere und niedrigere Geschwindigkeiten möglich sind. Typischerweise arbeiten die Vorrichtungen, wenn sie mit etwa 8 Hz oder bei höheren Frequenzen betrieben werden, kontinuierlich, aber sie neigen zum anhalten, wenn sie auf etwa 5 Hz oder darunter gedrosselt werden. Bei Geschwindigkeiten zwischen 5 Hz und 8 Hz wird eine kontinuierliche Arbeitsweise mit geringerer Sicherheit erzielt als bei höheren Geschwindigkeiten. Diese niedrige Arbeitsgeschwindigkeitsbegrenzung wird ausgeglichen durch die relativ niedrigen Kosten und die Einfachheit der Schieberventilanordnung.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Diese Fig. 4 ist ähnlich wie Fig. 1, sie unterscheidet sich jedoch in einigen Aspekten. Erstens ist ein Kopfteil 6A vorgesehen, der ähnlich ist wie der Kopfteil 6 bis auf das Fehlen der Durchlässe 66 und 70 und der Nadelventile 106 und 108. Auch trägt der Kopfteil eine Kappe 50A, die sich von der Kappe 50 dadurch unterscheidet, dass sie einen Durchlass 124 aufweist, der mit dem zentralen Durchlass 88 des Schieberventilglieds in Verbindung steht. Auch wird ein Ventilgehäuse 52A, das keine Durchlässe 66 und 70 besitzt, verwendet, sowie ein Ventilglied 54A, bei dem die Durchlässe 92 und 94 fehlen. Der Durchlass 124 ist mit einer zwischengeschalteten Druckquelle 130 verbunden, während die Durchlässe 44 und 46 mit den HI- und LO-Speichern 100 bzw. 102 in Verbindung stehen. Die Quelle 130 führt einen Zwischendruck IP, der vorzugsweise auf der Hälfte zwischen den Drücken der LO- und HI-Druckgase liegt. Die Vorrichtung arbeitet wie diejenige nach den Fig. 1 bis 3 mit dem Unterschied, dass der Zwischendruck den Betrag der Druckdifferenz, welche das Hin- und Hergehen des Verdrängers bewirkt, herabsetzt, da der Druck in der Kammer 60 konstant bleibt und nicht zwischen den Drücken HI und LO schwankt.

Der Weg zur Überwindung der Neigung des Verdrängers bei niedrigen Arbeitsfrequenzen in seinem Hub anzuhalten, besteht in der Verwendung einer verbesserten Form eines Schieberventils, welches die Wiederstandsprobleme des Ventils nach den Fig. 1 bis 3 nicht besitzt. Die verbesserte Form des Schieberventils, welches Gegenstand einer parallelen US-Anmeldung desselben Anmelders ist und für Calvin Lam und den Erfinder dieser Anmeldung eingereicht wurde, ist die in den Fig. 5 bis 10 gezeigte Vorrichtung. Diese Vorrichtung ist genauso aufgebaut wie die Vorrichtung nach den Fig. 1 bis 3, bis auf die nachstehend genannten Unterschiede. Der Kopfteil 6B besitzt zwei Durchlässe 44A und 46A, die entlang der Mittellinie der Vorrichtung zueinander versetzt und zum Anschluss an die LO- und HI-Druckspeicher 102 bzw. 100 ausgestaltet sind. Dieses verbesserte Schieberventil besitzt ein Ventilgehäuse 52B mit zwei Umfangsnuten 148 und 150, welche die Durchlässe 44A bzw. 46A miteinander verbinden und als Verteilerkammern dienen. Das Ventilgehäuse 52B 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 54B ist ebenfalls mit einem Paar schmaler,

relativ langer diametral gegenüberliegender Aussparungen 156 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 auf ein Paar diametral gegenüberliegender Durchlässe 160 ausgerichtet sind, wobei diese Durchlässe m Ventilgehäuse 52B ausgebildet sind und sich unmittelbar unterhalb des Kopfteils befinden, so dass sie mit der Kammer 16 kommunizieren. Das Ventilglied 54B besitzt ein zweites Paar schmaler, relativ kurzer diametral gegenüberliegender Aussparungen 158, 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 Durchlässe 162 ausgerichtet sind, wobei diese Durchlässe im Ventilgehäuse 52B 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 abgeschlossen werden und dass sich die Aussparungen 156 mit den Durchlässen 152 und 160 vollständig decken, wenn sich das Schieberventilglied in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 5) befindet. Entsprechend werden die Enden der Aussparungen 156 durch das Gehäuse 52B abgeriegelt und die Aussparungen 158 sind vollständig auf die Durchlässe 154 und 162 ausgerichtet, wenn sich das Schieberventilglied in seiner untersten Grenzstellung (Fig. 6) befindet. Die vorgenannten Durchlässe und Aussparungen sind auch so angeordnet, dass das Ventil einen Zwischenübergangspunkt besitzt, in dem, bis auf die Leckage, welche aufgrund der notwendigen Toleranzen und nicht ganz perfekter Ausführung der Durchlässe und Aussparungen, wie vorstehend beschrieben, auftreten kann, der Fluidstrom 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 ferner die unteren Kanten der Aussparungen 158 mit den oberen Kanten der Durchlässe 162 bündig sind.

Das Schieberventilgehäuse gemäss den Fig. 5 bis 10 ist auch gekennzeichnet durch zwei Paare diametral gegenüberliegender Durchlässe 164 und 166 (Fig. 8 und 7), welche die Nuten 148 und 150 schneiden, jedoch in Umfangsrichtung 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 vorgesehen. Ein Paar Schraub-Nadelventile 165 und 167 im Kopfteil 6B bewirken zusammen mit den Durchlässen 164 bzw. 166 eine Veränderung der Strömungsrate des Fluids durch diese Durchlässe. Ausserdem besitzt das Schieberventilglied 54B zwei Paare diametral gegenüberliegender Durchlässe 168 und 169, welche seinen zentralen Durchlass 88 schneiden. Die Durchlässe 168 und 164 liegen in einer ersten 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 oberen Grenzstellung (Fig. 5) befindet, die Durchlässe 168 sich nicht mit den Durchlässen 164 (Fig. 8) decken und durch das Gehäuse 52B verschlossen werden, und die Durchlässe 169 mit den Durchlässen 166 (Fig. 7) übereinstimmen; entsprechend sind dann, wenn sich das Ventilglied in seine untere Grenzstellung (Fig. 6) verschiebt, die Durchlässe 168 auf die Durchlässe 164 ausgerichtet (Fig. 10), und die Durchlässe 169 decken sich nicht mit den Durchlässen 166 (Fig. 9) und werden durch das Gehäuse 52B verschlossen.

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Somit ist dann, wenn sich das Ventil in seiner oberen Grenzstellung befindet, der Durchlass 44A mit der Kammer 16 und der Durchlass 46A über den Durchlass 88 mit der Kammer 60 verbunden. In der unteren Ventilstellung ist die Kammer 16 mit dem Durchlass 46A und die Kammer 60 mit dem Durchlass 44A verbunden. Demzufolge ist die Arbeitsweise des Kälteerzeugers nach den Fig. 5 bis 10 ähnlich dem nach den Fig. 1 bis 3, bis auf den Umstand, dass dann, wenn sich das Schieberventil in seiner oberen Grenzstellung befindet, die Kammer 16 über den Durchlass 44A mit dem Niederdruckspeicher 102 in Verbindung steht, und dass dann, wenn sich das Ventil in seiner unteren Grenzstellung befindet, der Durchlass 46A die Kammer 16 mit dem Hochdruckspeicher 100 verbindet. Noch wichtiger ist, dass diese Vorrichtung bei niedrigen Geschwindigkeiten zufriedenstellend arbeiten kann, 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 Fluiddrücke an gegenüberliegenden Durchlässen 152 und auch an gegenüberliegenden Durchlässen 154,164 und 166 ausgeübt werden. Somit besteht keine Druckdifferenz am Schieberventil, die eine Widerstandskraft erzeugen könnte. Sollte Fluid am Schieberventilglied 54B entlang in das Gehäuse 52B hinein austreten, würde zwischen diesen Gliedern eine Lage aus Fluid gebildet, die ein weiteres Verringern der Widerstandskraft hervorrufen würde, d.h. einen Zustand, ähnlich wie bei einem Luftlager ist. Ein weiterer Vorteil des Systems nach den Fig. 5 bis 10 besteht darin, dass die Arbeitsgeschwindigkeit des Verdrängers auf einfache Weise eingestellt werden kann, indem die Einstellungen der Nadelventile 165 und 167 verändert werden (unter der Annahme, dass an den LO- und HI-Druckdurch-lässen 44A und 46A im wesentlichen konstante Drücke herrschen). Der Tieftemperatur-Kältekreislauf bei dieser Vorrichtung umfasst dieselben Arbeitsschritte wie der Arbeitszyklus der Vorrichtung nach den Fig. 1 bis 3.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung 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. Die Erfindung bietet viele Vorteile, unter anderen die Möglichkeit zur Steuerung der Geschwindigkeit des Verdrängers, die Anpassungsmöglichkeit an unterschiedliche Abmessungen und Kapazitäten, die Kompatibilität mit bestehender Tieftemperaturtechnologie (z.B. den Einsatz herkömmlicher Regeneratoren), eine konstruktive Einfachheit, eine leichte Austauschbarkeit des Schieberventils, eine hohe Zuverlässigkeit des Schieberventils, die Möglichlkeit zur Vergrösserung des Verdrängers ohne eine proportionale Zunahme des Durchmessers oder der Länge des Schieberventils in Kauf nehmen zu müssen, ferner den Vorteil eines relativ kurzen Schiebe-ventilhubs 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 ('/8 inch) betragen. Die O-Ringe 80 und 84 polstern das Schiebeventil 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 Vorrichtung mit einem ausserhalb des Verdrängers liegenden Regenerator in bekannter Weise versehen werden kann, oder mit zwei oder mehreren ähnlichen Kälteerzeugerstufen, die in Reihe geschaltet sind, bestückt werden kann, wie dies z.B. in den US-Patenten 3 188 818 und 3 218 815 dargestellt ist. Auch können Hilfs-Kälteerzeuger-stufen, die ein oder mehrere Joule-Thomson-Wärmetauschund Expansionsventile verwenden, eingesetzt werden, wie es in dem in dieser Anmeldung zitierten Stand der Technik dargestellt wird. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise sind die Durchlassöffnungen 66, 68,74 und 76 und die Durchlässe 92 und 94 kreisrund ausgeführt und haben alle denselben Durchmesser; die Durchlässe 96 und 98 haben dieselben Durchtritts-Querschnittsfläche. Dieselben konstruktiven Einschränkungen gelten vorzugsweise auch für die entsprechenden Abschnitte der Vorrichtung nach den Fig. 5 bis 10. Weitere Vorteile und Modifikationen sind für einen Fachmann offensichtlich.

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1. Tieftemperatur-Kälteerzeuger, in dem ein unter Druck stehendes Fluid von einer ersten Kammer (16) mit veränderbarem Volumen, in der eine Anfangskühlung stattfindet, zu einer zweiten Kammer (18) mit veränderbarem 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 Einwirkung eines Fluidtrans-portmittels transportiert wird und das Einleiten von Hoch-druckfluid sowie der Austrag von Niederdruckfluid durch eine Regelventilanordnung (52, 54) gesteuert werden, welche ein Ventilglied (54), das durch das Verdrängermittel (14) und in dessen Bewegungsrichtung zwischen einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Position bewegbar ist, um wahlweise den Anschluss einer Hochdruck-Einlassöffnung (44,44A) sowie einer Niederdruck-Auslassöffnung (46,46A) an die erste Kammer (16) zu steuern und dabei die Hochdruck-Einlassöffnung (44,44A), jedoch nicht die Niederdruck-Auslassöffnung (46,46A) an die erste Kammer anschliessen, wenn sich das Ventilglied in seiner ersten Position befindet, und um die Niederdruck-Auslassöffnung, jedoch nicht die Hochdruck-Einlassöffnung an die erste Kammer anzu-schliessen, wenn sich das Ventilglied in der zweiten Position befindet, wobei die erste (16) und die zweite Kammer (18) durch entgegengesetzte Endabschnitte des Verdrängermittels (14) und korrespondierende Endabschnitte des Gehäuses (2) gebildet werden, und das Ventilglied (54) und das Verdrängermittel (14) sowohl mit ersten zusammenwirkenden 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 zweiten zusammenwirkenden Mitteln (78 bzw. 36) versehen sind, welche veranlassen, dass das Ventilglied vom Verdrängermittel erfasst und verschoben wird, sobald sich dieses in einer zweiten entgegengesetzten Richtung verlagert, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängermittel (14) unabhängig vom Ventilglied (54) begrenzt bewegbar ist, 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) umgibt, dass ein Ende des Ventilglieds (54) von einem Ende des Ventilgehäuses (52) absteht und teleskopartig in eine dritte Kammer (60) mit variablem Volumen eindringt, die in dem Verdrängermittel (14), abgesondert von der ersten Kammer (16), ausgebildet ist, dass das Ventilgehäuse (52) Einlassöffnungen (62,68,148,152), Auslassöffnungen (64, 72,150,154) und mindestens zwei Übertragungsdurchlässe (74,76,160,162) aufweist, welche mit der ersten Kammer (16) kommunizieren, dass in dem Ventilglied (54) Durchlässe (96,98, 156, 158) angeordnet sind, welche die Einlassöffnung oder -Öffnungen zumindest an einen der Übertragungsdurchlässe anschliessen, wenn sich das Ventilglied in der ersten Position befindet und welche die Auslassöffnung oder -Öffnungen zumindest an einen der Übertragungsdurchlässe anschliesst, wenn sich das Ventilglied in der zweiten Position befindet und dass die Ventilanordnung Kanäle (92,94,66, 70,168,169) umfasst, die entsprechend angeordnet sind, um wahlweise die Auslass- (64, 72,150,154) oder die Einlassöffnungen (62, 68,148,152) mit der dritten Kammer entsprechend der Position des Ventilglieds (54) zu verbinden.

2. Kälteerzeuger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kopfteil (6,6A), der am Gehäuse (2) befestigt ist und das Ventilgehäuse (52) sowie den Kopfteil (6) trägt, dass dieser Kopfteil die Hochdruck-Einlassöffnung (44,44A) und die Niederdruck-Auslassöffnung (46,46A) aufweist, welche die Einlass- (62,68,148,152) bzw. die Auslassöffnungen (64,

72,150,154) entweder an einen Hochdruckspeicher (100) oder einen Niederdruckspeicher (102) anschliessen, dass eine vierte Kammer (90) variablen Volumens durch die einander gegenüberliegenden Endabschnitte des Ventilglieds (54) und des Ventilgehäuses (52) sowie des Kopfteils (6) gebildet wird und dass das Ventilglied (54) einen Durchlass (88) zum Ausgleich der Druckverhältnisse in der dritten und vierten Kammer (60,90), die jeweils veränderbare Volumina besitzen, aufweist.

3. Kälteerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Durchlass (124) im Ventilgehäuse zum Einführen eines unter einem vorbestimmten Druck stehenden Fluids zu der dritten und vierten Kammer (60,90) mit jeweils variablen Volumina, unabhängig von der Steuerung des Fluidstroms, dessen Strömungsweg durch die Verbindungen zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen und zumindest einem Übertragungsdurchlass festgelegt sind.

4. Kälteerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Fluiddichtung (38) zwischen dem Ventilgehäuse (52) und dem Verdrängermittel (14), um die dritte Kammer (60) von der ersten Kammer (16) abzutrennen.

5. Kälteerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Kompressor (104), der entsprechend angeschlossen ist, um von dem Niederdruckspeicher (102) strömendes Fluid unter Druck zu setzen und unter Druck stehendes Fluid zum Hochdruckspeicher (100) zu liefern.

6. Kälteerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch unabhängig vom Ventil arbeitende Mittel (106,108,165,167) zum Einstellen der Durchflussmenge des Fluids, um so das Ausmass der Verlagerung des Verdrängermittels (14) zu steuern.