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Die Erfindung betrifft eine pneumatische Steuervorrichtung für einen Verdränger mit einem Antriebskolben.
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Verdränger werden typischerweise bei Kaltköpfen nach dem Gifford-Mc-Mahon-Prinzip als sogenannte „Displacer” verwendet, die sich jeweils in einem Kaltkopfzylinder zwischen einem warmen Ende und einem kalten Ende des Kühlers hin- und herbewegen. Wenn sich der Verdränger am warmen Ende befindet, wird das Zylindergehäuse durch Verbinden mit einem Hochdruckanschluss auf Gashochdruck gebracht. Wenn sich der Verdränger am kalten Ende befindet, wird das Zylindergehäuse durch Verbinden mit einem Niederdruckanschluss auf Gasniederdruck abgelassen. Die Bewegung des Verdrängers und die Gasdrucksteuerung können hierbei durch einen motorischen Antrieb oder durch eine pneumatische Steuerung mit einem Antriebskolben erfolgen.
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Bei der pneumatischen Steuerung mit einem Antriebskolben für den Verdränger wird der Antriebskolben in einer Führungsbuchse zwischen einem ersten Steuerraum und einem zweiten Steuerraum dichtend geführt. Jeder Steuerraum ist über ein Drehventil derart mit einem Hochdruckanschluss für ein Steuergas und mit einem Niederdruckanschluss für das Steuergas verbunden, das die beiden Steuerräume durch Drehen des Ventils abwechselnd und gegenläufig mit dem Steuergasdruck beaufschlagt werden. Hierbei bedeutet „gegenläufig Druck beaufschlagt”, dass in dem ersten Steuerraum Hochdruck herrscht, während in dem zweiten Steuerraum Niederdruck herrscht, so dass der Antriebskolben durch die resultierende Druckdifferenz angetrieben wird und den Verdränger in dem Kaltkopfzylinder verschiebt. „Abwechselnd Druck beaufschlagt” bedeutet, dass bei Erreichen einer Endposition des Antriebskolbens die Druckverhältnisse in den beiden Steuerräumen derart umgekehrt werden, dass die Druckdifferenz in ihrer Richtung umgekehrt wird und den Antriebskolben in entgegengesetzter Richtung bewegt.
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Bei einer pneumatischen Steuerung eines Gifford-Mc-Mahon-Kühlers über einen Antriebskolben ist bekannt, das Drehventil mit einem Synchronmotor drehend anzutreiben. Eine derartige motorische Ventilsteuerung ist technisch aufwendig, benötigt zusätzliche Energie für den Motorantrieb und ist fehleranfällig bei Vibrationen und Anwendungen mit starken Magnetfeldern, wie z. B. bei Anwendung in einem Magnetresonanztomographen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technisch vereinfachte und weniger störanfällige pneumatische Steuervorrichtung für einen Verdränger mit einem Antriebskolben zu schaffen.
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Die erfindungsgemäße pneumatische Steuervorrichtung ist definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1.
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Das Steuerventil weist demnach einen Steuerschieber auf, der in Abhängigkeit von der Position des Antriebskolbens in der Führungsbuchse automatisch die beiden Steuerräume jeweils abwechselnd und gegenläufig mit dem Hochdruckanschluss und mit dem Niederdruckanschluss verbindet. Anstelle des bislang üblichen Drehventils wird also ein translatorisch bewegbarer Steuerschieber verwendet, der automatisch in Abhängigkeit von der Position des Antriebskolbens verschiebbar ist. Durch Verschieben des Antriebskolbens werden also die beiden Steuerräume abwechselnd und gegenläufig mit Druck beaufschlagt, um die benötigte Druckdifferenz zum Antreiben des Antriebskolbens herzustellen. Die Bewegung des Steuerschiebers erfolgt somit synchron zur Bewegung des Antriebskolbens. Dadurch ist die Steuervorrichtung störunanfälliger bei Vibrationen und die Umkehrpunkte des Antriebskolbens werden zuverlässiger erreicht. Zudem entfällt die bislang erforderliche motorische Steuerung für ein Steuerventil, weil das Steuerventil nicht motorisch sondern durch die herrschenden Druckdifferenzen angetrieben wird. Hierbei wird der Steuerschieber durch jeweils herrschende Druckdifferenzen zwischen dem Hochdruckanschluss und dem Niederdruckanschluss verschoben. Bei Verschieben des Steuerschiebers verbindet dieser jeden Steuerraum abwechselnd und gegenläufig mit dem Hochdruckanschluss und mit dem Niederdruckanschluss. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist insbesondere von Vorteil für den Verdränger eines Gifford-Mc-Mahon-Kaltkopfes. Bei einem Gifford-Mc-Mahon-Kaltkopf muss zum einen eine gegenläufige Druckbeaufschlagung zum translatorischen Bewegen des Verdrängers erfolgen. Zum anderen muss der Gasdruck im Verdrängerraum erhöht werden, wenn sich der Verdränger an seinem kalten Ende befindet und gesenkt werden, wenn sich der Verdränger an seinem warmen Ende befindet.
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Vorzugsweise verbindet der Steuerschieber den ersten Steuerraum in einer ersten Steuerposition mit dem Hochdruckanschluss und den zweiten Steuerraum mit dem Niederdruckanschluss und verbindet in einer zweiten Steuerposition den ersten Steuerraum mit dem Niederdruckanschluss und den zweiten Steuerraum mit dem Hochdruckanschluss. In der ersten Steuerposition resultiert eine Druckdifferenz über dem Antriebskolben, die diesen von dem ersten Steuerraum in Richtung des zweiten Steuerraums bewegt. Bei Erreichen einer Endposition des Antriebskolbens erfolgt durch den Steuerschieber eine automatisch durch die Antriebskolbenposition ausgelöste Umschaltung der herrschenden Drücke in den beiden Steuerräumen, so dass die Druckdifferenz über dem Antriebskolben umgekehrt wird. Folglich wird der Antriebskolben durch die umgekehrte Druckdifferenz von dem zweiten Steuerraum in Richtung des ersten Steuerraums bewegt, wo in einer weiteren Endposition des Antriebskolbens der Steuerschieber automatisch synchronisiert verschoben wird und erneut die herrschenden Drücke in den Steuerräumen umkehrt.
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Vorzugsweise ist das Steuerventil mit einem Steuerkanal versehen, dessen eines Ende in einer ersten Endposition mit dem zweiten Steuerraum verbunden ist und dessen anderes Ende mit einem Antriebsraum für den Steuerschieber verbunden ist, so dass der Steuerkanal und der Steuerschieber-Antriebsraum in der ersten Endposition des Antriebskolbens mit Druck beaufschlagbar sind, um den Steuerschieber in die erste Steuerposition zu verschieben. Bei Erreichen der ersten Position des Antriebskolbens wird also der in dem zweiten Steuerraum herrschende Hochdruck in den Antriebsraum für den Steuerschieber geleitet, um den Steuerschieber in die erste Steuerposition zu verschieben, in welcher der zweite Steuerraum mit Niederdruck verbunden ist. Dadurch werden der Steuerschieber und der Antriebskolben vollständig in die jeweilige Umkehrposition verschoben. Insbesondere ist der Einsatz starker Dämpfungsfedern zur Vibrationsdämpfung möglich, weil der Antriebskolben und der Steuerschieber auch entgegen der Kraftwirkung solcher Dämpfungsfedern in die jeweiligen Umkehrpunkte verschoben werden.
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Alternativ oder ergänzend kann ein vollständiges Erreichen eines Umkehrpunkts auch dadurch erreicht werden, dass der Steuerschieber mit einem Kontaktelement für den Antriebskolben versehen ist, wobei der Antriebskolben bei Erreichen einer Endposition den Steuerschieber in dessen Endposition verschiebt. Hierbei ist die erreichte Endposition des Steuerschiebers eine der beiden Steuerpositionen, in der die jeweils herrschenden Drücke in den beiden Steuerräumen umgekehrt werden.
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Der Steuerschieber weist vorzugsweise ein Umschaltventil auf, welches den zweiten Steuerraum in der ersten Steuerposition des Steuerschiebers mit dem Niederdruckanschluss verbindet und in der zweiten Steuerposition mit dem Hochdruckanschluss verbindet. Das Umschaltventil wird hierbei lageabhängig durch die Position des Antriebskolbens innerhalb der Führungsbuchse automatisch betätigt.
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Bei Verwendung der pneumatischen Steuervorrichtung in einem Gifford-Mc-Mahon-Kühler ist der zweite Steuerraum vorzugsweise der Verdrängerraum des Verdrängers in dem Kaltkopfzylinder.
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 das Ausführungsbeispiel in einem ersten Steuerzustand,
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2 das Ausführungsbeispiel nach 1 in einem zweiten Steuerzustand,
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3 das Ausführungsbeispiel nach 1 in einem dritten Steuerzustand,
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4 das Ausführungsbeispiel nach 1 in einem vierten Steuerzustand,
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5 das Ausführungsbeispiel nach 1 in einem fünften Steuerzustand und
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6 das Ausführungsbeispiel nach 1 in einem sechsten Steuerzustand.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Steuervorrichtung 10 zur Steuerung des Antriebskolbens 12 für den Verdränger 14 eines Gifford-Mc-Mahon-Kühlers vorgesehen. Der Verdränger 14 ist in den Verdrängerraum 16 eines Kaltkopfzylinders 18 geführt. Der Verdränger ist mit Regenerationsmaterial 15 gefüllt. Gasdurchlassbohrungen 17 bewirken ein Durchströmen des Regenerationsmaterials mit Gas bei Bewegen des Verdrängers 14 in dem Verdrängerraum 16. Der Antriebskolben 12 ist fest mit dem Verdränger 14 verbunden und in einer Führungsbuchse 20 geführt. Der Antriebskolben 12 ist in der Führungsbuchse 20 dichtend zwischen einem ersten Steuerraum 22 und einem zweiten Steuerraum 24 geführt, so dass ein Steuergas nicht zwischen Antriebskolben und Führungsbuchse von dem einen Steuerraum in den anderen Steuerraum gelangen kann. Der erste Steuerraum 22 ist der Verdrängerraum 16 in dem Kaltkopfzylinder 18.
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Für ein Steuergas in Form von Helium sind ein Hochdruckanschluss 26 und ein Niederdruckanschluss 28 vorgesehen. An dem Hochdruckanschluss 26 herrscht ein Druck von ungefähr 21 bar und an dem Niederdruckanschluss 28 herrscht ein Druck im Bereich von ungefähr 4–7 bar. In den Figuren ist jeweils Niederdruck durch Kreuze und Hochdruck durch Punkte gekennzeichnet. Die Steuervorrichtung weist ein Steuerventil 30 zwischen dem Hochdruckanschluss 26, dem Niederdruckanschluss 28, dem ersten Steuerraum 22 und dem zweiten Steuerraum 24 auf. Das Steuerventil 30 weist als Ventilkörper einen Steuerschieber 32 auf, der in einem Ventilraum 34 translatorisch bewegbar geführt ist. Der Ventilraum 34 ist über eine Niederdruckleitung 36 mit dem Niederdruckanschluss 28 und über eine Hochdruckleitung 38 mit dem Hochdruckanschluss 26 verbunden. Zudem ist der Ventilraum 34 über eine Schaltleitung 40 mit dem zweiten Steuerraum 24 verbunden.
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Der erste Schaltraum 22 ist über eine Verbindungsleitung 42 mit dem Ventilraum 34 verbunden. Die Verbindungsleitung 42 mündet in einen ersten Verbindungskanal 44 für den Hochdruckanschluss 26 und in einen zweiten Verbindungskanal 46 für den Niederdruckanschluss 28. Durch den Steuerschieber 32 ist ein Antriebsraum 48 von dem Ventilraum 34 getrennt. Der Antriebsraum 48 ist über einen Steuerkanal 50 derart mit der Führungsbuchse 20 verbunden, dass der Antriebskolben 12 in seiner ersten Endposition – das ist die in den 2 und 3 dargestellte rechte Umkehrposition des Antriebskolbens 12 – den Steuerkanal 50 freigibt und mit dem zweiten Steuerraum 24 verbindet. In der ersten Endposition des Antriebskolbens 12 ist also der zweite Steuerraum 24 durch den Steuerkanal 50 mit dem Antriebsraum 48 für den Steuerschieber 32 verbunden.
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1 zeigt den Antriebskolben 12 in einer ersten Endposition. Die erste Endposition ist die rechte Umkehrposition, in der der zweite Steuerraum 24 sein maximales Volumen aufweist. Der Steuerschieber 32 befindet sich in seiner zweiten Steuerposition. Die zweite Steuerschieberposition ist die linke Position, in der der Antriebsraum 48 sein minimales Volumen aufweist. Ein Umschaltventil 54, welches durch den in den Figuren dargestellten mittleren Abschnitt des Steuerschiebers 32 gebildet ist, verbindet die Hochdruckleitung 38 durch den Ventilraum 34 mit der Umschaltleitung 40. Dadurch ist der zweite Steuerraum mit dem Hochdruckanschluss 26 verbunden und in dem zweiten Steuerraum 24 herrscht Heliumhochdruck von ca. 21 bar. Das Umschaltventil 54 ist derart dichtend an den Wänden des Ventilraums 34 geführt, dass in der zweiten Steuerposition kein Helium aus der Hochdruckleitung 38 oder aus der Umschaltleitung 40 in die Niederdruckleitung 36 gelangen kann.
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Der in den Figuren dargestellte linke Steuerkolbenabschnitt 56 des Steuerschiebers 32 verbindet in der zweiten Steuerposition die Niederdruckleitung 36 durch den Ventilraum 34 mit dem zweiten Verbindungskanal 46 der Verbindungsleitung 42. Dadurch ist der erste Steuerraum 22 in 1 mit dem Niederdruckanschluss 28 verbunden. In dem ersten Steuerraum 22 herrscht Heliumniederdruck zwischen 4 und 7 bar. Durch die resultierende Druckdifferenz zwischen Hochdruck im zweiten Steuerraum 24 und Niederdruck im ersten Steuerraum 22 wird der Antriebskolben 12 in Richtung des Pfeils in 1 nach rechts in Richtung des ersten Steuerraums 22 verschoben. Der Antriebskolben 12 bewegt den Verdränger 14 in derselben Pfeilrichtung in 1 nach rechts in Richtung des kalten Endes des Kaltkopfzylinders 18.
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In 2 hat der Antriebskolben 12 seine erste Endposition, also die rechte Umkehrposition, erreicht. Der Antriebskolben 12 gibt die Verbindungsöffnung für den Steuerkanal 50 in der Führungsbuchse 20 frei, so dass der zweite Steuerraum 24 mit dem Steuerkanal 50 verbunden wird. Das Hochdrucksteuergas wird zu einem Teil aus dem zweiten Steuerraum 24 in den Antriebsraum 48 für den Steuerschieber 32 geleitet. Dadurch wirkt in dem Antriebsraum 48 der Steuergas-Hochdruck auf den linken Steuerkolbenabschnitt 56 des Steuerschiebers 32. Durch die resultierende Druckdifferenz über dem Steuerkolbenabschnitt 56 zwischen Antriebsraum 48 und Ventilraum 34 wird der Steuerschieber 32 aus der zweiten Steuerposition nach rechts verschoben.
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Das Umschaltventil 54 des Steuerschiebers 32 verschließt in 2 die Verbindung zwischen der Hochdruckleitung 38 und der Umschaltleitung 40. Bei weiterem Verschieben erreicht der Steuerschieber 32 die in 3 gezeigte erste Steuerposition. In der ersten Steuerposition gibt das Umschaltventil 54 die Verbindung der Niederdruckleitung 36 über dem Ventilraum 34 mit der Umschaltleitung 40 frei und das Hochdrucksteuergas strömt aus dem Antriebsraum 48 durch den Steuerkanal 50 und aus dem zweiten Steuerraum 24 durch die Umschaltleitung 40 in die Niederdruckleitung 36 zu dem Niederdruckanschluss 28.
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Der linke Steuerkolbenabschnitt 56 verschließt in der ersten Steuerposition die Verbindung zwischen zweitem Verbindungskanal 46 und Niederdruckleitung 36 und der rechte Steuerkolbenabschnitt 58 öffnet die Verbindung zwischen Hochdruckleitung 38 und erstem Verbindungskanal 44. Das Hochdrucksteuergas strömt von dem Hochdruckanschluss 26 durch die Hochdruckleitung 38, den Ventilraum 34, den ersten Verbindungskanal 44 und die zweite Verbindungsleitung 42 in den ersten Steuerraum 22. In dem ersten Steuerraum 22 herrscht ein Steuergashochdruck von ungefähr 21 bar und in dem zweiten Steuerraum 24 herrscht der Steuergasniederdruck im Bereich von ungefähr 4–7 bar.
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Infolge dieser Druckdifferenz wird der Antriebskolben 12 in Richtung des in 4 dargestellten Pfeils nach links aus der ersten Endposition heraus verschoben. Dabei zieht der Antriebskolben 12 den Verdränger 14 in Richtung des warmen Endes des Kaltkopfzylinders 18. Der Antriebskolben 12 verschließt wieder die Öffnung zwischen Steuerkanal 50 und zweitem Steuerraum 24. Der Antriebskolben 12 stößt bei weiterem Verschieben in Richtung der zweiten Endposition – das ist die in 6 gezeigte linke Umkehrposition – an ein Kontaktelement 52 des Steuerschiebers 32. Das Kontaktelement 52 ist an dem rechten, in den zweiten Steuerraum 24 hineinragenden Ende des Steuerschiebers 32 angeordnet.
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Der Antriebskolben 12 verschiebt den Steuerschieber 32 aus der in 5 gezeigten ersten Steuerposition in die in 6 gezeigte zweite Steuerposition. Sobald sich der Antriebskolben 12 in der zweiten Endposition befindet, befindet sich auch der Steuerschieber 32 in seiner zweiten Steuerposition. In der zweiten Steuerposition verschließt der rechte Steuerkolbenabschnitt 58 die Verbindung zwischen Niederdruckleitung 36 und erstem Verbindungskanal 44 und der linke Steuerkolbenabschnitt 56 öffnet wieder die Verbindung zwischen Niederdruckleitung 36 und zweitem Verbindungskanal 46, so dass das Hochdrucksteuergas aus dem ersten Steuerraum 22 durch die Verbindungsleitung 42, den zweiten Verbindungskanal 46 und den Ventilraum 34 in die Niederdruckleitung 36 zu dem Niederdruckanschluss 28 strömt.
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Das Umschaltventil 54 verschließt in der zweiten Steuerposition die Verbindung zwischen Niederdruckleitung 36 und Umschaltleitung 40 und öffnet die Verbindung zwischen Hochdruckleitung 38 und Umschaltleitung 40. Dadurch strömt Hochdrucksteuergas aus der Hochdruckleitung 38 durch den Ventilraum 34 in die Umschaltleitung 40 und in den zweiten Steuerraum 24. In dem ersten Steuerraum 22 herrscht dann Niederdruck und in dem zweiten Steuerraum 24 herrscht Hochdruck, so dass der Antriebskolben 12 erneut aufgrund der resultierenden Druckdifferenz in Richtung des in 1 dargestellten Pfeils nach rechts verschoben wird und den Verdränger 14 in Richtung des kalten Endes des Kaltkopfzylinders 18 nach rechts verschiebt. Der Prozess beginnt bei 1 von neuem.
