Kurzdarstellung
der Erfindung
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Verbessern der Toleranzen und des Wirkungsgrades einer Kaltend-Baugruppe
eines Kryokühlers
bereit. Genauer gesagt, wird die Anzahl der Bauteile der Baugruppe
verringert, und die arbeitsaufwändigen
Hartlöt-
und Befestigungsschritte fallen weg. Dadurch sinken die Fertigungszeit
und die Kosten des Kryokühlers.
Die Bauteilanzahl verringert sich in zweifacher Weise. Als erstes
werden die Komponenten verringert, die das abgedichtete Außengehäuse des
Kryokühlers
bilden. Als zweites werden die zylindrischen Komponenten (beispielsweise
Verdränger,
Zylinderbohrung und Kolbenbohrung) nach der Installation durch maschinelle
Bearbeitung aufeinander ausgerichtet. Durch das Aufeinanderausrichten
der Komponenten können
einige Teile entfallen, wie beispielsweise die beim Stand der Technik übliche Verdrängerzylinderbohrung
(Verdrängerlaufbuchse).
Wie
oben besprochen, wurde in der Vergangenheit oft Hartlöten als
das Fertigungsverfahren zum Verbinden und Abdichten der verschiedenen Komponenten
verwendet. Die vorliegende Erfindung macht jedoch vorzugsweise das
Hartlöten überflüssig. Des
Weiteren wird durch die maschinelle Bearbeitung der endgültigen entscheidenden
Durchmesser des Gehäuses
die konzentrische Ausrichtung verbessert. In einigen Fällen können Buchsen
oder sonstige reibungsmindernde Komponenten gänzlich weggelassen werden.
Andere Komponenten mussten mit Epoxidharzen verbunden werden. Durch
den Wegfall der Notwendigkeit dieser Form der Bauteilmontage wird
eine weitere Ausgasungsursache beseitigt. In einigen Fällen wie
beispielsweise bei einer Konstruktion mit einem außenliegenden
Motor können
ausgasende Bauteile nach außerhalb
des abgedichteten Außengehäuses verlagert
werden. In diesem Fall kommt es zu einer geringeren Verunreinigung
der inneren Fluid- oder Gasumgebung. Es versteht sich, dass, wenn
die gewünschte
innere Fluid- oder Gasumgebung näher
bei den Vorgabewerten gehalten wird, der Wirkungsgrad des Kryokühlers dadurch
verbessert wird.
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform,
die gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, besteht das abgedichtete
Außengehäuse aus
einem einzelnen, einstückig
ausgebildeten Metallmantel. Dadurch werden bis zu zehn Bauteile
früherer
Kaltend-Baugruppen eines Kryokühlers zu
einem einzigen Bauteil vereinigt. Des Weiteren werden alle Hartlötarbeiten,
die früher
notwendig waren, um die Bauteile zu befestigen und abzudichten, überflüssig. Außerdem werden
dank eines oder mehrerer maschineller Bearbeitungsschritte im Anschluss
an die Herstellung oder Formung des abgedichteten Außengehäuses die
Toleranzen verbessert. Dies ermöglicht
die Schrumpfsitzmontage verschiedener Komponenten und führt überdies
zu einer verbesserten Geradlinigkeitspräzision zwischen der Kolbenbohrung
und dem Verdrängerzylinder.
Dank dieser letztgenannten Verbesserung entfällt die Notwendigkeit einer
Verdrängerlaufbuchse.
Eine
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebaute Kaltend-Baugruppe enthält einen
Kompressor und eine Linearmotorbaugruppe, eine Wärmetauschereinheit und eine
Verdrängerbaugruppe.
Diese Komponenten werden in dem abgedichteten Außengehäuse zusammengefügt und angeordnet.
Im Fall einer Ausführungsform
mit einer Außenmotorkonstruktion
sind ein Vakuumflansch, ein externer Wärmeabweiser, eine externe Laminierungsbaugruppe
und eine Wicklung für
den Motor auf der Außenseite
des abgedichteten Außengehäuses angeordnet
und konfiguriert. Im Fall einer Ausführungsform mit einer Innenmotorkonstruktion
sind nur ein Vakuumflansch und ein Wärmeabweiser auf der Außenseite
des abgedichteten Außengehäuses angeordnet
und konfiguriert. Bei beiden Ausführungsformen ist es möglich, durch
eine maschinelle Bearbeitung bestimmter Abschnitte des abgedichteten Außengehäuses und
dank der damit einhergehenden Verbesserung und Steuerung der Toleranzen verschiedene
dieser Baugruppen mittels eines Schrumpfpassungsprozesses passend
auf das oder in das abgedichtete Außengehäuse zu setzen. Bei diesem Prozess
kann ein Bauteil oder eine Baugruppe so erwärmt werden, dass es bzw. sie
sich ausdehnt, und anschließend
durch Schrumpfpassung an seinem bzw. ihrem Platz angeordnet werden.
Indem man die Größe der verschiedenen
Teile und Baugruppen richtig wählt,
sitzt das Teil bzw. die Baugruppe nach dem Abkühlen fest auf oder in dem abgedichteten
Außengehäuse.
Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines nicht-hartgelöteten internen Wärmetauschers.
Bei dem bevorzugten Wärmetauscher
handelt es sich um eine einfach maschinell zu bearbeitende oder
zu extrudierende Aluminiumlegierung. Der Wärmetauscher kann aber auch
aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, das gute Leiteigenschaften
aufweist. Die beim Stand der Technik übliche Verwendung hartgelöteter Stege
verursachte zeitaufwändige
Montageprozesse und erforderte höhere
Toleranzen. Der maschinell bearbeitete oder extrudierte Wärmetauscher
führt zu
höherer
Arbeitsproduktivität
bei der Herstellung, besserem Wärmehaushalt
und einem gleichmäßigeren
Bauteil.
Zu
weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung gehören der
Wegfall elektrischer Durchführungen
in dem abgedichteten Außengehäuse bei
der Ausführungsform
mit außenliegendem
Motor, die optionale Verwendung eines Biegelagers, eines Gaslagers
oder sonstiger Lagerkonstruktionen sowie die optionale Verwendung
eines Schwingspulenmotors, eines Schwingmagnetmotors oder sonstiger
Motorkonstruktionen.
Im
Fall der optionalen Gaslager verwenden derartige Lager vorzugsweise
das Arbeitsfluid zum Verringern und idealerweise Beseitigen der
Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder, aus denen der Kompressor
besteht. Zum Implementieren der Gaslager kann druckbeaufschlagtes
Gas durch ein Rückschlagventil
in einen abgedichteten Innenraum des Kolbens geleitet werden. Dies
bildet eine Quelle druckbeaufschlagten Gases für das Gaslager, die nicht nennenswert
mit dem Druck eines Gases schwankt, das sich in der Druckkammer
der Kompressorbaugruppe befindet. Weitere Kryokühler-Bauformen verwenden Schmierstoffe,
welche die Reinheit des Arbeitsfluids oder die Reibflächen beeinträchtigen,
die sich auf die Betriebsnutzungsdauer auswirken.
Darum
wird gemäß einem
Aspekt der Erfindung ein Außengehäuse für eine Kaltend-Baugruppe eines
Kryokühlers
des Typs bereitgestellt, der einen Wärmetauscher, eine Verdrängerzylinderbaugruppe und
eine Verdrängerzylinder-Antriebsmaschine
enthält,
wobei das Außengehäuse Folgendes
aufweist: ein im Wesentlichen einstückig ausgebildetes Gehäuse, das
so angeordnet und konfiguriert ist, dass es den Wärmetauscher,
die Verdrängerzylinderbaugruppe
und wenigstens einen Abschnitt der Verdrängerzylinder-Antriebsmaschine
beherbergt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet das eben
beschriebene Gehäuse,
das des Weiteren Folgendes aufweist: eine erste Sektion, die dafür angeordnet und
konfiguriert ist, als ein kalter Finger zu fungieren und im Wesentlichen die
Verdrängerzylinderbaugruppe
zu beherbergen; eine zweite Sektion, die dafür angeordnet und konfiguriert
ist, im Wesentlichen einen Wärmetauscher
zu beherbergen; und eine dritte Sektion, die dafür angeordnet und konfiguriert
ist, im Wesentlichen wenigstens einen Abschnitt der Verdrängerzylinder-Antriebsmaschine
zu beherbergen.
Gemäß einem
weiteren Aspekt wird ein Gehäuse
für eine
Kaltend-Baugruppe eines Kryokühlers des
Typs bereitgestellt, der einen Wärmetauscher, eine
Verdrängerzylinderbaugruppe
und eine Verdrängerzylinder-Antriebsmaschine
enthält,
aufweisend: eine erste Sektion, die dafür angeordnet und konfiguriert
ist, als ein kalter Finger zu fungieren und im Wesentlichen die
Verdrängerzylinderbaugruppe zu
beherbergen; eine zweite Sektion, die dafür angeordnet und konfiguriert
ist, im Wesentlichen einen Wärmetauscher
zu beherbergen; und eine dritte Sektion, die dafür angeordnet und konfiguriert
ist, im Wesentlichen wenigstens einen Abschnitt der Verdrängerzylinder-Antriebsmaschine
zu beherbergen; und wobei wenigstens zwei Sektionen der ersten Sektion, der
zweiten Sektion und der dritten Sektion nahtlos miteinander verbunden
sind.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Kaltend-Baugruppe des Typs
bereitgestellt, der dafür
verwendet wird, ein Fluid an einem warmen Ende zu verdichten und
ein gekühltes
Fluid an ein kaltes Ende abzugeben, aufweisend: eine Antriebsmaschine;
einen Verdrängerzylinder,
der mit der Antriebsmaschine zum Zweck des Verdichtens wirkverbunden
ist; einen Wärmetauscher;
und ein im Wesentlichen nahtloses und/oder einstückig ausgebildetes Gehäuse, das
dafür angeordnet
und konfiguriert ist, den Verdrängerzylinder
und den Wärmetauscher
zu stützen
und im Wesentlichen zu umschließen
und wenigstens einen Abschnitt der Antriebsmaschine zu stützen und
im Wesentlichen zu umschließen.
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Fertigung
einer Kaltend-Baugruppe für
einen Kryokühler,
aufweisend: Ziehen eines einstückig
ausgebildeten Gehäuses
für die
Kaltend-Baugruppe; maschinelles Herstellen wenigstens eines ausgewählten Innendurchmessers
des Gehäuses;
Installieren einer Kolbenbohrungsbaugruppe nahe wenigstens einem
der maschinell hergestellten Innendurchmesser; maschinelles Herstellen
wenigstens eines ausgewählten
Außendurchmessers
des Gehäuses;
und Installieren eines Vakuumflansches nahe wenigstens einem der
ausgewählten
Außendurchmesser.
Obgleich
die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungskonfigurationen und anhand
bestimmter, im vorliegenden Text verwendeter Vorrichtungen beschrieben
wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht so ausgelegt werden
darf, als sei sie in irgend einer Weise durch derartige Konfigurationen oder
Komponenten, wie sie im vorliegenden Text beschrieben sind, eingeschränkt. Des
Weiteren versteht es sich, dass, obgleich im vorliegenden Text eine
konkrete Gestalt und die Einstückigkeit
des abgedichteten Außengehäuses beschrieben
sind, diese konkrete Gestalt und die Einstückigkeit nicht in einer einschränkenden
Weise verstanden werden dürfen. Vielmehr
erstrecken sich die Prinzipien dieser Erfindung auf die Minimierung
der Anzahl der Komponenten für
den Bau des abgedichteten Außengehäuses, um
dadurch das Hartlöten überflüssig zu
machen und/oder die Toleranzen zu verbessern. Obgleich die eine
oder die mehreren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
allgemein in Verbindung mit der Verwendung des Kryokühlers im
Umfeld einer Mobilfunk-Basisstation beschrieben sind, versteht es
sich des Weiteren, dass der Geltungsbereich der Erfindung nicht
darauf beschränkt
ist. Diese und weitere Variationen der Erfindung werden dem Fachmann beim
Studium einer eingehenderen Beschreibung der Erfindung bewusst.
Die
Vorteile und Merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, sind in den
Ansprüchen,
die dem vorliegenden Text beigefügt
sind und einen Teil des vorliegenden Textes bilden, speziell herausgestellt.
Ein besseres Verständnis
erhält
man jedoch durch das Studium der Zeichnungen, die einen Teil des
vorliegenden Textes bilden, und der begleitenden beschreibenden
Inhalte, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht
und beschrieben ist.
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
Wenden
wir uns den Zeichnungen zu, in denen in den verschiedenen Ansichten
gleiche Zahlen gleiche Teile bezeichnen.
1 ist
eine veranschaulichende Querschnittsansicht einer Kaltend-Baugruppe
des Standes der Technik.
2a ist
eine veranschaulichende Querschnittsansicht der externen Komponenten
der Kaltend-Baugruppe von 1.
2b ist
eine veranschaulichende Querschnittsansicht der verschiedenen Komponenten
der Kaltend-Baugruppe von 1, die bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durch Komponenten ersetzt sind, die gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
3 ist
eine veranschaulichende Querschnittsansicht einer Kaltend-Baugruppe,
die gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wobei sich der Motor teilweise
außerhalb
der abgedichteten Außenkammer
befindet.
4 ist
eine perspektivische Ansicht einer abgedichteten Außenkammer
von 3.
5a–5f sind
eine Reihe veranschaulichender Querschnittsansichten zum maschinellen Bearbeiten
und Zusammenbauen einer Kaltend-Baugruppe, die gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
6 ist
eine veranschaulichende Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer
Kaltend-Baugruppe,
die gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wobei sich der Motor im Inneren
der der abgedichteten Außenkammer
befindet.
7a–7f sind
eine Reihe veranschaulichender Querschnittsansichten zum maschinellen Bearbeiten
und Zusammenbauen der alternativen Ausführungsform der Kaltend-Baugruppe
von 6.
Detaillierte
Beschreibung
Ein
Kryokühler
mit einer Kaltend-Baugruppe, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, kann in einer Vielzahl verschiedener Umgebungen
und mit einer Vielzahl verschiedener anderer Komponenten verwendet
werden. Die Prinzipien betreffen jedoch ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Verbessern der Toleranzen und des Wirkungsgrades einer Kaltend-Baugruppe eines Kryokühlers. Die
Verbesserungen werden durch Minimieren der Komponenten realisiert,
die das abgedichtete Außengehäuse des
Kryokühlers
bilden, und dadurch, dass Ausgasungskomponenten optional außerhalb des
abgedichteten Außengehäuses angeordnet
werden.
Bevor
wir die bevorzugte Ausführungsform der
Kaltend-Baugruppe
besprechen, wenden wir uns zunächst
der zum Stand der Technik gehörenden Kaltend-Baugruppe
von 1 zu, wo ein repräsentativer, mit dem Stirling-Zyklus
arbeitender Kryokühler 10 gemäß dem Stand
der Technik veranschaulicht ist. Der Kryokühler 10 ist im US-Patent
Nr. 6,327,862 mit dem Titel "Stirling
Cycle Cryocooler with Optimized Cold End Design", das an den Rechtsnach folger der vorliegenden
Erfindung abgetreten wurde, näher beschrieben.
Dieses Patent wird in den vorliegenden Text aufgenommen und zu einem
Teil des vorliegenden Textes gemacht. Dementsprechend werden im vorliegenden
Text nicht alle Komponenten und nicht der gesamte Betrieb des Kryokühlers besprochen. Der
Kryokühler 10 von 1 enthält allgemein
eine Verdrängereinheit 12,
eine Wärmetauschereinheit 14 und
eine Kompressor- und Linearmotorbaugruppe 16.
Die
Verdrängereinheit 12 funktioniert
in einer herkömmlichen
Weise und enthält
vorzugsweise ein Verdrängergehäuse 18,
eine Verdrängerzylinderbaugruppe 20 mit
einer darin montierten Regeneratoreinheit 22 und eine Verdrängerpleuelbaugruppe 2.4.
Die Verdrängerzylinderbaugruppe 20 ist
in axialer Richtung (d. h. der Z-Achse) gleitend in dem Verdrängergehäuse 18 montiert
und liegt an der Verdrängerlaufbuchse
an, die an der Innenseite des Verdrängergehäuses 18 befestigt
ist. Eine Verdrängerendkappe 27 ist
in einem distalen Ende der Verdrängerzylinderbaugruppe 20 angeordnet.
Die Verdrängerpleuelbaugruppe 24 ist
an einem Ende mit der Verdrängerzylinderbaugruppe 20 und
am anderen Ende 34 mit einer Verdrängerbiegefederbaugruppe 32 verbunden.
Es ist somit unter entsprechenden Bedingungen möglich, dass die Verdrängerzylinderbaugruppe 20 in dem
Verdrängergehäuse 18 oszilliert.
Die
Wärmetauschereinheit 14 befindet
sich zwischen der Verdrängereinheit 12 und
der Kompressor- und Linearmotorbaugruppe 16. Die Wärmetauschereinheit
enthält
einen Wärmetauscherblock 38,
eine Strömungsablenkvorrichtung
oder eine vergleichbare Konstruktion und einen Wärmetauschermontageflansch 42.
Der Wärmetauschermontageflansch 42 ist
mit einem distalen Ende eines Druckgehäuses 44 der Kompressor-
und Linearmotorbaugruppe 16 verbunden. Der Wärmetauscherblock 38 enthält mehrere
innenliegende Wärmetauscherrippen 46 und
mehrere außenliegende
Wärmeabweiserrippen 48.
Die Wärmetauscherein heit 14 ist
somit dafür
vorgesehen, die Wärmeableitung
von einem Gas, wie beispielsweise Helium, zu unterstützen, das in
der Region verdichtet wird, die sich an dem Knotenpunkt zwischen
der Verdrängereinheit 12 und
der Kompressor- und Linearmotorbaugruppe 16 befindet (diese
Region, Pwarm, kann auch als die Verdichtungskammer
der Kompressor- und Linearmotorbaugruppe 16 bezeichnet
werden). Der Wärmetauscherblock 38,
die innenliegenden Wärmetauscherrippen 46 und die
außenliegenden
Wärmeabweiserrippen 48 bestehen
in der Regel aus hoch-reinem Kupfer.
Die
Kompressor- und Linearmotorbaugruppe 16 enthält ein Druckgehäuses 44,
in dem eine Kolbenbaugruppe 50 montiert ist. Die Kolbenbaugruppe 50 enthält einen
Zylinder 52, einen Kolben 54, eine Kolbenbaugruppemontagehalterung 56 und
eine Federbaugruppe 58. Die Kolbenbaugruppemontagehalterung 56 stellt
eine Verbindung zwischen dem Kolben 54 und der Federbaugruppe 58 her,
und der Kolben 54 ist für
eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders 52 vorgesehen.
Mehrere Gaslager 60 befinden sich in der Außenwand 62 des
Kolbens 54, und die Gaslager 60 nehmen ein Gas,
beispielsweise Helium, aus einem abgedichteten Hohlraum 61 auf,
der sich in dem Kolben 54 befindet. Ein Rückschlagventil 63 stellt
einen unidirektionalen Fluidverbindungskanal zwischen dem abgedichteten Hohlraum 61 und
der Verdichtungskammer des Zylinders (beispielsweise der Region,
die mit Pwarm bezeichnet ist) bereit, wenn
der Druck des Gases in dieser Region den Druck in dem Hohlraum 61 (d.
h. den Kolbenreservoirdruck) übersteigt.
An
dem Kolben 54 sind vorzugsweise mehrere Magnete 74 angebracht.
Innere Laminierungen 72 sind an der Außenseite des Zylinders 52 befestigt. Äußere Laminierungen 73 sind
in dem Druckgehäuse 44 befestigt
und befinden sich auswärts
der Magnete 74. Die äußeren Laminierungen 73 sind
vorzugsweise an einem Montageflansch 42 befe stigt. Die
inneren und die äußeren Laminierungen 72, 73 bestehen
vorzugsweise aus einem eisenhaltigen Material. Eine Motorwicklung 70 befindet
sich vorzugsweise innerhalb der äußeren Laminierungen 73 und umgibt
den Kolben 54. Die Motorwicklung 70 befindet sich
vorzugsweise auswärts
der Magnete 74 und in Ausnehmungen, die in den äußeren Laminierungen 73 ausgebildet
sind. Somit versteht es sich, dass, wenn sich der Kolben 54 in
dem Zylinder 52 bewegt, sich die Magnete 74 in
einem Spalt 75 bewegen.
Aus
dem oben Dargelegten ist zu erkennen, dass das abgedichtete Außengehäuse aus
einer Anzahl von Komponenten besteht. 2a veranschaulicht
die verschiedenen Komponenten, aus denen das abgedichtete Außengehäuse besteht,
in größerem Detail.
Das Verbinden einer Anzahl der verschiedenen Komponenten miteinander
und das Abdichten einer Anzahl der verschiedenen Komponenten gegeneinander
erfolgt mittels Hartlöten.
Außerdem
werden eine Reihe von Komponenten mittels verschiedener Epoxidharzverbindungen
zusammengefügt.
Wenden
wir uns nun 3 zu, wo eine Querschnittsansicht
einer Kaltend-Baugruppe eines Kryokühlers veranschaulicht ist,
die gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Kryokühler ist mit 100 bezeichnet
und enthält
allgemein ein abgedichtetes Außengehäuse 201,
das einen strukturellen Träger
für die
verschiedenen Komponenten, Teile und Baugruppen der Kaltend-Baugruppe
bildet. Zu den Hauptbaugruppen der Kaltend-Baugruppe gehören Verdrängereinheit 112,
eine Wärmetauschereinheit 114 und
eine Kompressor- und Linearmotorbaugruppe 116. Die Linearmotorbaugruppe dient
als Antriebsmaschine für
den Kompressor. Jede dieser Baugruppen wird im Folgenden näher beschrieben.
4 veranschaulicht
das abgedichtete Außengehäuse 201 in
einer perspektivischen Ansicht. 5a veranschaulicht
das abgedichtete Außengehäuse 201 im
Quer schnitt. Den 4 und 5a kann
man entnehmen, dass es sich bei dem Gehäuse 201 um eine einstückig ausgebildete
Konstruktion aus "Edelstahl 304" handelt. Dieses
Material ist ein weithin verwendeter Edelstahl und enthält allgemein etwa
18 % Chrom und 8 % Nickel. Das Material bietet eine gute Kombination
aus Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie gute Verarbeitungseigenschaften.
Das Material ist gegen eine Vielzahl von Umgebungsbedingungen zwischen
mäßig reduzierend
und leicht oxidierend beständig.
Im vorliegenden Fall bildet es das Material für das Gehäuse 201, das die im
Inneren befindliche Heliumatmosphäre abdichtet. Das Material
bietet außerdem
genügend strukturelle
Tragfestigkeit für
die verschiedenen Unterbaugruppen. Bei der bevorzugten Ausführungsform
wird das Material aus einem scheibenförmigen Rohling aus Blech gezogen,
der einen Durchmesser von ungefähr
8 ¾ Inch
hat. Nach dem Ziehen misst der endgültige größte Außendurchmesser bei einer bevorzugten
Ausführungsform
ungefähr
3,442 Inch, und das Gehäuse 201 hat
eine Höhe
von ungefähr 8,546
Inch.
Zu
weiteren Materialien, die die erforderlichen Eigenschaften für das Gehäuse 201 aufweisen, gehören Titan,
Inconel oder Kobalt. Es kommen auch andere Materialien in Frage.
Zu den wünschenswerten
Eigenschaften der Materialien gehören strukturelle Stabilität, geringe
Wärmeleitung,
hohe Durchdringungsfestigkeit sowie Materialeigenschaften, die Schweißen und
maschinelle Bearbeitung gestatten.
Wir
bleiben bei den 4 und 5a, wo das
Gehäuse 201 mehrere
Sektionen enthält,
die dafür
angeordnet und konfiguriert sind, verschiedene Unterbaugruppen zu
tragen und/oder zu beherbergen. Es versteht sich, dass das Gehäuse 201 zusätzlich zu
seinen Trage- und Abdichtungsfunktionen auch weitere Funktionen
enthält,
wenn wir uns von einem geschlossenen, ersten Ende 213 des
Gehäuses 201 zu
einem offenen, zweiten Ende 214 des Gehäuses 201 bewegen.
Das geschlossene Ende 214 des Ge häuses 201 kann offen
gehalten werden, um die abschließende maschinelle Bearbeitungssequenz
zum Ausrichten zu vereinfachen, aber es muss schlussendlich durch
Schweißen,
Hartlöten, Epoxidharz
oder ein hermetisch verschließendes thermisches
stoßsicheres
Verfahren verschlossen werden.
Die
erste Sektion 215 befindet sich an dem Ende, das dem ersten
Ende 213 am nächsten
liegt. Die erste Sektion 215 ist dafür angeordnet und konfiguriert,
als ein kalter Finger um seine Außenseite herum zu fungieren.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich die erste Sektion 215 durch den Vakuumflansch 200 hindurch
(siehe beispielsweise 3). Die (nicht gezeigten) HTS-Filter
sind im Wesentlichen an einer Halterung 252 (am besten
in 3 zu sehen) an oder nahe dem ersten Ende 213 befestigt.
Die erste Sektion 215 ist des Weiteren dafür angeordnet
und konfiguriert, die Regeneratoreinheit 122 zu beherbergen
(am besten in 3 zu sehen). Die erste Sektion 215 ist
vorzugsweise rund und hat bei der bevorzugten Ausführungsform
einen kleineren Durchmesser als die anderen Sektionen des Gehäuses 201.
Die
zweite Sektion 217 befindet sich neben der ersten Sektion 215 mit
einer ersten Übergangssektion 216 dazwischen.
Der Vakuumflansch 200 ist auf der Außenseite der zweiten Sektion 217 montiert. Vorzugsweise
wird der Vakuumflansch 200 mittels eines Schrumpfpassungsprozesses
angebracht. Dementsprechend wird die Außenseite der zweiten Sektion 217 vorzugsweise
maschinell auf einen entsprechenden Durchmesser (mit einer steuerbaren
Toleranz) bearbeitet, um diese Verbindung herzustellen. Es ist zu
erkennen, dass die Verbindung zwischen dem Vakuumflansch 200 und
der zweiten Sektion 217 eine Abdichtung für die Vakuumumgebung
darstellt, in die hinein sich der kalte Finger (beispielsweise die
erste Sektion 215) erstreckt. Das Innere der zweiten Sektion 217 wirkt
allgemein mit dem Wärmetauscher 114 zusammen
und stützt
diesen. Die zweite Sektion 217 ist vorzugsweise rund und
hat bei der bevorzugten Ausführungsform
einen größeren Durchmesser
als die erste Sektion 215.
Die
dritte Sektion 219 befindet sich neben der zweiten Sektion 217,
und dazwischen befindet sich eine zweite Übergangssektion 218.
Auf der Außenseite
der dritten Sektion 219 werden die Wicklung 170 und
die äußeren Laminierungen 204 gestützt. Das
Innere der dritten Sektion 219 wirkt allgemein mit den
internen Komponenten des Linearmotors 116 zusammen und
trägt diese.
Die dritte Sektion 219 ist vorzugsweise rund und hat bei
der bevorzugten Ausführungsform
einen größeren Durchmesser
als die zweite Sektion 217.
Die
vierte Sektion 221 befindet sich neben der dritten Sektion 219,
und dazwischen befindet sich eine dritte Übergangssektion 220.
Die vierte Sektion 221 befindet sich an oder nahe dem offenen,
zweiten Ende 214. Die vierte Sektion 221 stützt die
Federbaugruppe für
die Verdrängerbaugruppe.
Sie nimmt außerdem
eine Endkappe 250 in abdichtenden Eingriff (wie am besten
in 3 zu sehen), um die Kaltend-Baugruppe abzudichten.
Die vierte Sektion 221 hat vorzugsweise allgemein eine
kegelstumpfförmige Form.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
hat das kleinere Ende der vierten Sektion 221 einen größeren Durchmesser
als die dritte Sektion 219.
Wie
oben angemerkt, wird jede der Sektionen 215, 217, 219 und 221 vorzugsweise
zu einem einstückigen
und nahtlosen Gehäuse 201 gezogen. Es
versteht sich jedoch, dass die einzelnen Sektionen optional auch
als zwei- oder mehrstückige Teile gezogen
und anschließend
zusammengefügt
werden könnten.
Doch obgleich dieses optionale Herstellungsverfahren zum Einsatz
kommen kann, ist es im Interesse der Minimierung der Anzahl der
Nähte und der
Optimierung des Fertigungsprozesses der Kaltend-Baugruppe 100 bevorzugt,
das gesamte Gehäuse 201 in
einem einzigen Prozess zu ziehen.
Man
hat gesehen, dass das erste Ende 213 als geschlossen gekennzeichnet
wurde, während das
zweite Ende 214 als offen gekennzeichnet wurde. Diese Kennzeichnungen
sind allerdings nicht als einschränkend aufzufassen. Bei der
bevorzugten Ausführungsform
ist das zweite Ende 214 offen, um den Zusammenbau zu ermöglichen.
Wenn jedoch das Gehäuse 201 in
zwei oder mehr Einzelteilen hergestellt wird (so dass beispielsweise
eine Naht an der Übergangssektion 218 und/oder 220 entsteht),
so kann das zweite Ende 214 in geschlossener Form hergestellt
werden. Es ist des Weiteren zu erkennen, dass die Übergangssektionen 216, 218 und 220 optional
entfallen können
und/oder eine Reihe von Formen und Konfigurationen annehmen können. Die Hauptfunktion
dieser Sektionen besteht in der Schaffung eines Übergangs zwischen Funktionssektionen des
Gehäuses 201.
5a–5f veranschaulichen
die verschiedenen maschinellen Bearbeitungsschritte, die sich vorzugsweise
an den Ziehprozess anschließen. In 5a wurden
die Innenflächen
des Gehäuses 201 manuell
gehont, und die Innendurchmesser werden an den Stellen 301, 303 und 305 maschinell
hergestellt. In 5b sind die innere
Kolbenbohrungsbaugruppe 307, der Wärmetauscherblock 309 und der
Federstapelmontageträger 308 in
das Gehäuse 201 eingesetzt.
In 5c ist die Außenseite
des Gehäuses 201 an
folgenden Stellen maschinell bearbeitet: 311 (um den Wärmeleitweg
durch die Dicke des Materials des Außengehäuses hindurch zu verringern), 313 (um
eine geeignete Abmessung für
eine feste Schrumpfsitzverbindung herzustellen) und 315 (um
den Wirbelstromverlustweg nur bei der Außenmotorvariante zu verringern;
dieser maschinelle Bearbeitungsschritt ist bei einer Bauweise mit
innenliegendem Motor nicht erforderlich, wie in Verbindung mit der
alternativen Ausführungsform,
die weiter unten beschrieben wird, dargelegt). Diese drei Stellen 311, 313 und 315 entsprechen
allgemein der ersten Sektion 215, der zweiten Sektion 217 bzw.
der dritten Sektion 219. In 5d wird
der Vakuumflansch 200 vorzugsweise auf das Gehäuse 201 aufgeschrumpft, indem
der Flansch 200 erwärmt
und mittels Presspassung an seiner Stelle angebracht wird. In 5e wird
die mit 317 bezeichnete Fläche des Vakuumflansches 200 maschinell
bearbeitet. Diese Fläche 317 nimmt
den äußeren Wärmeabweiser 148 auf
(wie am besten in 3 zu sehen). Schließlich werden
in 5f drei weitere Innenflächen maschinell bearbeitet.
Diese drei Flächen
sind mit 319, 321 und 323 bezeichnet.
Diese letzten maschinellen Bearbeitungsschritte helfen dabei, die
Ausrichtung zwischen der Kolben-, der Kompressor- und der Verdrängungsbaugruppe
zu optimieren. Es versteht sich, dass die in 5f veranschaulichten
Komponenten an die Stelle der in 2b gezeigten
Komponenten des Standes der Technik treten.
Durch
ein maschinelles Bearbeiten der Komponenten, wie es in Verbindung
mit den 5a–5f oben
beschrieben ist, wird die konzentrische Ausrichtung der Komponenten
verbessert. Beispielsweise hat die Konzentrizität beim Stand der Technik vielleicht
ungefähr
0,0015 Inch betragen. Wird das Gehäuse 201 jedoch wie
im vorliegenden Text beschrieben hergestellt, so wird die Gesamtkonzentrizität auf ungefähr 0,0007
Inch verbessert. Diese Verbesserung der Konzentrizität verbessert
andere Toleranzen, erleichtert den Zusammenbau und sorgt für eine höhere Gleichmäßigkeit
des Fertigungsprozesses.
Kehren
wir zu 3 zurück,
wo wir uns in einer kurzen Besprechung einer zusammengebauten Kaltend-Baugruppe 100 widmen.
Die Verdrängereinheit 112 arbeitet
in einer dem Fachmann bekannten Weise und enthält vorzugsweise ein Verdrängergehäuse 118,
eine Verdrängerzylinderbaugruppe 120 mit
einer darin montierten Regeneratoreinheit 122 und eine
Verdrängerpleuelbaugruppe 124.
Die Verdrängerzylinderbaugruppe 120 ist
gleitfähig
in dem Verdrängergehäuse 118 angeordnet.
In einem distalen Ende der Verdrängerzylinderbaugruppe 120 befindet
sich eine Verdrängerendkappe 127.
Die Verdränger pleuelbaugruppe 124 ist
an einem ersten Ende mit einer (nicht gezeigten) Basissektion der Verdrängerzylinderbaugruppe 120 verbunden
und ist an dem zweiten Ende 134 mit einer Verdrängerbiegefederbaugruppe 132 verbunden.
Darum oszilliert bei entsprechenden Bedingungen die Verdrängerzylinderbaugruppe 120 in
dem Verdrängergehäuse 118. Dank
der verbesserten Toleranzen und linearen Präzision zwischen der Verdrängerzylinderbaugruppe 120 und
der Kolbenbohrung ist keine Verdrängerlaufbuchse wie beim Stand
der Technik erforderlich.
Wir
bleiben bei 3, wo zu sehen ist, dass sich
die Wärmetauschereinheit 114 zwischen
der Verdrängereinheit 112 und
der Kompressor- und Linearmotorbaugruppe 116 befindet.
Die Wärmetauschereinheit
enthält
einen Wärmetauscherblock 309 und
mehrere außenliegende
Wärmeabweiserrippen 148.
Die Wärmetauschereinheit 114 ist
somit dafür vorgesehen,
die Wärmeableitung
von einem Gas, wie beispielsweise Helium, zu unterstützen, das
in der Region verdichtet wird, die sich an dem Knotenpunkt zwischen
der Verdrängereinheit 112 und
der Kompressor- und
Linearmotorbaugruppe 116 befindet (d. h. die Verdichtungskammer
Pwarm). Der Wärmetauscherblock 309 besteht
vorzugsweise aus hoch-reinem Kupfer und ist als eine Komponente
in dem Gehäuse 201 (oben
beschrieben) installiert. Vorzugsweise bestehen die außenliegenden
Wärmeabweiserrippen 148 ebenfalls
aus hoch-reinem Kupfer. Es kommen auch andere Materialien mit guten Wärmeleiteigenschaften
in Frage. Aufgrund der Schrumpfpassungsverbindung des Vakuumflansches 200 mit
der abgedichteten Kammer 201 ist ein Wärmetauschermontageflansch wie
beim Stand der Technik überflüssig.
Der
Kompressor und die Linearmotorbaugruppe 116 sind in der
abgedichteten Kammer 201 angeordnet und enthalten eine
Kolbenbaugruppe 150. Die Kolbenbaugruppe 150 enthält einen
Zylinder 152, einen Kolben 154, eine Kolbenbaugruppenhalterung 155 und
eine Federbaugruppe 156. Die Kolbenbaugruppenhalterung 155 verbindet
den Kolben 154 mit der Federbaugruppe 156. Der
Kolben 154 ist für
eine hin- und hergehende Bewegung in dem Zylinder 152 vorgesehen.
In der Außenwandung des
Kolbens 154 sind ein oder mehrere Gaslager 160 angeordnet.
Die Gaslager 160 nehmen Gas, beispielsweise Helium, aus
einem abgedichteten Hohlraum 162 auf. Ein Rückschlagventil 163 stellt
einen unidirektionalen Fluidverbindungskanal zwischen dem abgedichteten
Hohlraum 162 und der Verdichtungskammer des Zylinders (beispielsweise
der Region, die mit Pwarm bezeichnet ist)
bereit, wenn der Druck des Gases in dieser Region den Druck in dem Hohlraum 162 (d.
h. den Kolbenreservoirdruck) übersteigt.
Die
Linearmotorbaugruppe 116 enthält mehrere äußere Wicklungen 170 und
außen
angeordnete äußere Laminierungen 204.
Die inneren Laminierungen 208 sind an der inneren Kolbenbohrungsbaugruppe 307 angebracht.
Bewegliche Magnete 210 befinden sich unter der Wicklung 170,
und dazwischen befindet sich die abgedichtete Kammer 201. Somit
versteht es sich, dass, wenn sich der Kolben 154 in dem
Zylinder 152 bewegt, sich die beweglichen innenliegenden
Magnete 210 ebenfalls bewegen.
Optional
können
auch andere Motortypen und -stile in der Kaltend-Baugruppe 100 verwendet werden.
Beispielsweise kann die Motorbaugruppe 116 so modifiziert
werden, dass sie die Motorkonstruktionen der US-Patente Nr. 4,602,174,
Nr. 6,141,971, Nr. 6,427,450 und Nr. 6,483,207 enthält.
Während des Betriebes
Während des
Betriebes oszillieren der Kolben 154 und die Verdrängerzylinderbaugruppe 120 allgemein
mit einer Resonanzfrequenz von ungefähr 60 Hz und in solcher Weise,
dass die Oszillation der Verdrängerzylinderbaugruppe 120 im
Vergleich zur Oszillation des Kolbens 154 um ungefähr 90 Grad phasenverschoben
ist. Es versteht sich, dass dies bedeutet, dass die Bewegung der
Verdrängerzylinderbaugruppe 120 der
Bewegung des Kolbens 154 um ungefähr 90 Grad "vorauseilt".
Dem
Fachmann ist klar, dass, wenn sich die Verdrängerzylinderbaugruppe 120 zum "kalten" Ende des Verdrängergehäuses 118 bewegt,
der größte Teil
des Fluids, beispielsweise Helium, in dem System zum warmen Ende
des Verdrängergehäuses 118 verdrängt wird
und/oder sich um eine Strömungsablenkvorrichtung
oder eine ähnliche
Konstruktion herum und durch die innenliegenden Wärmetauscherrippen
in den Verdichtungsbereich der Kolbenbaugruppe 150 hinein
bewegt. Infolge der Phasendifferenz zwischen der Bewegung der Verdrängerzylinderbaugruppe 120 und
des Kolbens 154 befindet sich der Kolben 154 in
der Mitte des Hubes und bewegt sich in einer Richtung zur Strömungsablenkvorrichtung 140 hin,
wenn sich die Verdrängerzylinderbaugruppe 120 am
kalten Ende des Verdrängergehäuses 118 befindet.
Dadurch wird das Helium in dem Bereich verdichtet, wodurch sich
das Helium erwärmt.
Die Verdichtungswärme
wird von dem verdichteten Helium zu den innenliegenden Wärmetauscherrippen
und von dort zu dem Wärmetauscherblock 309 und
den außenliegenden
Wärmeabweiserrippen 148 übertragen.
Von den Wärmeabweiserrippen 148 wird
die Wärme
zur Umgebungsluft übertragen.
Wenn sich die Verdrängerbaugruppe 120 zum warmen
Ende des Verdrängergehäuses 118 bewegt, wird
das Helium zum kalten Ende des Verdrängergehäuses 118 verdrängt. Während das
Helium durch den Verdrängerzylinder 120 strömt, gibt
es Wärme
innerhalb des Regenerators 122 ab und tritt in das kalte Ende
des Verdrängergehäuses 118 mit
ungefähr
77 K aus. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Kompressorkolben 154 vorzugsweise
in der Mitte seines Hubes und bewegt sich in der Richtung der Kolbenbiegefedern 156.
Dadurch dehnt sich das Helium in dem kalten Ende des Verdrängergehäuses 118 aus, wodurch
sich das Helium weiter abkühlt
und wärmeaufnahmefähig wird.
Auf diese Weise fungiert das kalte Ende als Kälteeinheit und kann als Kältequelle dienen.
Alternative Ausführungsform
6 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform, die gemäß den Prinzipien
der Erfindung aufgebaut ist. Die alternative Ausführungsform
enthält
eine Konstruktion oder Anordnung mit innenliegendem Motor. Genauer gesagt,
befinden sich sämtliche
Komponenten der Linearmotorbaugruppe 116' im Inneren des abgedichteten Außengehäuses 201'. Mit Ausnahme
der Position verschiedener Komponenten der Linearmotorbaugruppe 116' und der Gestalt
des abgedichteten Gehäuses 201' bleiben die übrigen Komponenten und
die Funktionsweise des Kryokühlers 100' die gleichen.
Es ist klar, dass die verschiedenen Komponenten und die Funktionsweise
des Kryokühlers 100' bereits oben
eingehend in Verbindung mit dem Kryokühler 100 beschrieben
worden sind. Dementsprechend werden diese Komponenten im Zusammenhang
mit der alternativen Ausführungsform
nicht näher
beschrieben. Es folgt jedoch eine Besprechung des abgedichteten
Außengehäuses 201'.
7a–7f veranschaulichen
die verschiedenen maschinellen Bearbeitungsschritte, die sich vorzugsweise
an den Ziehprozess des Gehäuses 201' anschließen. In 7a wurden
die Innenflächen
des Gehäuses 201' manuell gehont,
und die Innendurchmesser werden an den Stellen 301, 303' und 305' maschinell
hergestellt. Es versteht sich, dass aufgrund der Anordnung von Teilen
der Linearmotorbaugruppe 116' im
Inneren des Gehäuses 201' der Durchmesser
der dritten Sektion 219' größer ist als
bei der dritten Sektion 219 des oben beschriebenen Gehäuses 201.
in ähnlicher
Weise ist die Übergangssektion 218' so geändert, dass
sie einen Übergang
zwischen der zweiten Sektion 217 und der dritten Sektion 219' bildet. Des
Weiteren kann aufgrund des größeren Umfangs
der Sektion 219' die Übergangssektion 220 entfallen.
Statt dessen kann sich die kegelstumpfförmige vierte Sektion 221' unmittelbar
an die dritte Sektion 219' anschließen. Es
versteht sich des Weiteren, dass aufgrund des vergrößerten Durchmessers
der dritten Sektion 219' und der
Gestalt der vierten Sektion 221' die entsprechenden maschinell
bearbeiteten Stellen in der alternativen Ausführungsform mit 303' bzw. 305' bezeichnet sind.
Allerdings werden diese Stellen zu ähnlichen Zwecken maschinell
bearbeitet wie die oben angesprochenen Stellen 303 und 305.
In 7b ist
die innere Kolbenbohrungsbaugruppe 307 in das Gehäuse 201' eingesetzt.
Auch der Wärmetauscherblock 309 und
die Federstapelmontagehalterung 308 sind in das Gehäuse 201' eingesetzt.
In 7c wird die Außenseite des Gehäuses 201' an folgenden
Stellen maschinell bearbeitet: 311 (um den Wärmeleitweg
durch die Dicke des Materials des Außengehäuses hindurch zu verringern), 313 (um
eine geeignete Abmessung für
eine feste Schrumpfsitzverbindung herzustellen) und optional 315' (wie oben angesprochen,
braucht diese Stelle im Fall einer Bauweise mit innenliegendem Motor nicht
maschinell bearbeitet zu werden). Diese Stellen entsprechen allgemein
der ersten Sektion 215, der zweiten Sektion 217 bzw.
der dritten Sektion 219'.
In 7d wird der Vakuumflansch 200 vorzugsweise auf
das Gehäuse 201' aufgeschrumpft,
indem der Flansch 200 erwärmt und mittels Presspassung
an seiner Stelle angebracht wird. In 7e wird
die mit 317 bezeichnete Fläche des Vakuumflansches 200 maschinell
bearbeitet. Diese Fläche 317 nimmt
die äußeren Wärmeabweiserrippen 148 auf.
Schließlich werden
in 7f drei weitere Innenflächen maschinell bearbeitet.
Diese drei Flächen
sind mit 319, 321 und 323 bezeichnet.
Diese letzten maschinellen Bearbeitungsschritte helfen dabei, die
Ausrichtung zwischen der Kolben-, der Kompressor- und der Verdrängungsbaugruppe
zu optimieren. Es versteht sich, dass die in 7f veranschaulichten
Komponenten an die Stelle der in 2b gezeigten
Komponenten des Standes der Technik treten.
Obgleich
konkrete Ausführungsformen
der Erfindung im Hinblick auf ihre Verwendung beschrieben wurden,
ist dem Fachmann klar, dass die Erfindung nicht durch diese Verwendung
oder Ausführungsform
oder die im vorliegenden Text offenbarten und beschriebenen konkreten
Komponenten eingeschränkt
wird. Dem Fachmann ist klar, dass auch andere Komponenten, die die
Prinzipien dieser Erfindung verkörpern,
und andere Verwendungsmöglichkeiten
für diese
Komponenten als jene, die im vorliegenden Text beschrieben wurden,
im Rahmen des Geistes und der Absicht dieser Erfindung konfiguriert werden
können.
Die im vorliegenden Text beschriebene Anordnung dient lediglich
als Einzelbeispiel einer Ausführungsform,
die die Prinzipien dieser Erfindung beinhaltet und praktiziert.
Dem Fachmann fallen ohne Weiteres noch andere Modifikationan und Änderungen
ein, die ebenfalls unter den weiter gefassten Geltungsbereich der
angehängten
Ansprüche
fallen.
Zusammenfassung:
Es
wird eine Kaltend-Baugruppe eines Kryokühlers offenbart. Die Baugruppe
enthält
ein einstückig
ausgebildetes außenliegendes
Außengehäuse. Indem
das Gehäuse
aus einem einzelnen, einstückig ausgebildeten
Metallmantel hergestellt wird, wird im Vergleich zu Baugruppen nach
dem Stand der Technik die Anzahl der Bauteile verringert. Des Weiteren fallen
alle Hartlötstellen
weg, die früher
erforderlich waren, um die Komponenten zu befestigen und abzudichten.
Außerdem
werden aufgrund eines oder mehrerer maschineller Bearbeitungsschritte
im Anschluss an die Herstellung oder Formung des abgedichteten Außengehäuses die
Toleranzen verbessert. Dies ermöglicht
die Schrumpfsitzmontage verschiedener Komponenten und führt überdies
zu einer verbesserten Geradlinigkeitspräzision zwischen der Kolbenbohrung
und dem Verdrängerzylinder.
Dank dieser letztgenannten Verbesserung entfällt die Notwendigkeit einer
Verdrängerlaufbuchse.