-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kryokühler, insbesondere auf Gifford-McMahon-Kühler (GM-Kühler, GM-Pulsrohrkühler und
Solvay-Kühler).
Kaltköpfe
von solchen Kryokühlern
weisen einen Ventilmechanismus auf, der üblicherweise aus einer Drehventilscheibe
und einem Ventilsitz besteht. Es gibt unterschiedliche Anschlüsse, die
durch eine periodische Ausrichtung der unterschiedlichen Anschlüsse den
Durchlass eines Arbeitsströmungsmittels
gestatten, welches von einem Kompressor geliefert wird, und zwar
zu und von den Regeneratoren und den Arbeitvolumen des Kaltkopfes.
-
GM-
und Solvay-Kühler
verwenden Kompressoren, die Gas mit einem nahezu konstanten hohen
Druck liefern und Gas mit einem nahezu konstanten niedrigen Druck
aufnehmen. Das Gas wird zu einer sich hin und her bewegenden Expansionsvorrichtung
geliefert, die mit niedriger Geschwindigkeit im Vergleich zum Kompressor
läuft,
und zwar durch einen Ventilmechanismus, der abwechselnd Gas in die
Expansionsvorrichtung hinein und aus dieser heraus lässt. Das
US-Patent 3 119 237 von Gifford zeigt eine frühe pneumatisch angetriebene
GM-Expansionsvorrichtung und ein mit mehreren Anschlüssen versehenes
Drehkolbenventil, um den Gasfluss zum Regenerator außer Phase
mit dem Gasfluss des Antriebskolbens zu steuern. In einem folgenden
US-Patent 3 205
668 offenbart Gifford ein mit mehreren Anschlüssen versehenes Drehscheibenventil,
welches eine Differenz von hohem zu niedrigem Druck verwendet, um
eine enge Dichtung über
die Stirnseite des Ventils beizubehalten. Er erwähnt, dass diese Art von Ventil
dem Kolbenventil überlegen
ist, weil die Leckrate niedriger ist, auch nachdem es für eine lange
Zeitdauer gelaufen ist und eine gewisse Abnutzung erfahren hat.
Diese Art von Ventil ist weithin in unterschiedlichen Arten von
GM-Kühlern
verwendet worden, wie sie beispielsweise im US-Patent 3 620 029
von Longsworth und im US-Patent 3 625 015 von Chellis gezeigt sind.
-
Diese
Art von Ventil hat den Nachteil, dass sie eine gesteigerte Drehmomentgröße erfordert, wenn
der Durchmesser vergrößert wird,
um größere Anschlüsse aufzunehmen.
Lobb beschreibt im US-Patent 4 987 743 Mittel zur Verringerung der
Kraft auf der Stirnseite der Ventilscheibe, wobei dort ein Stöpsel auf
der Rückseite
der Ventilscheibe vorgesehen ist, der an der Motorwelle angebracht
ist. Hochdruckgas auf der Rückseite
des Stöpsels
und Niederdruckgas im Hohlraum zwischen der Stirnseite des Stöpsels und
dem mittleren Teil der Rückseite
der Ventilscheibe bringt eine axiale Belastung auf die Motorlager
auf, verringert jedoch die Kraft auf der Stirnseite der Ventilscheibe.
Dies hat zur Folge, dass ein niedrigeres Drehmoment erforderlich
ist, um die Ventilscheibe zu drehen. Die Richtung der Kraft auf
der Motorwelle ist zum Ventilsitz hin gerichtet.
-
Gifford
hat auch eine Expansionsvorrichtung vorgestellt, die die Feststoffverdrängungsvorrichtung durch
eine Gasverdrängungsvorrichtung
ersetzt, und er hat dies einen "Pulsrohrkühler" genannt. Dies wurde
zuerst beschrieben im US-Patent 3 237 421 von Gifford, welches ein
Pulsrohr zeigt, welches mit Ventilen verbunden ist, wie bei den
früheren
GM-Kühlern. Es
zeigt auch eine Pulsrohrexpansionsvorrichtung, die direkt mit einem
Kompressor verbunden ist, so dass diese mit der gleichen Geschwindigkeit
Impulse erzeugt, wie der Kompressor. Dies ist das gleiche wie bei
einem Sterling-Kreislaufkühler.
-
Frühe Pulsrohrkühler waren
nicht wirkungsvoll genug, um mit GM-Kühlern mithalten zu können. Eine
signifikante Verbesserung wurde vorgenommen von Mikulin und Anderen,
wie 1984 berichtet (E.I. Mikulin, A.A. Tarasow und M.P. Shkrebyonock "Low temperature expansion
(orifice type) pulse tube",
Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 29, 1984, S.629), und es
hat sich starkes Interesse bei der Suche nach weiteren Verbesserungen
entwickelt. Beschreibungen von größeren Verbesserungen seit 1994
sind zu finden bei S. Zhu und P. Wu in "Double inlet pulse tube refrigerators:
an important improvement",
Cryogenics, Vol. 30, 1990, S. 514; bei Y. Matsubara, J.L. Gao, K.
Tanida, Y. Hiresaki und M. Kaneko, "An experimental and analytical investigation
of 4K (four valve) pulse tube refrigerator", Proc. 7th Intl Cryocooler
Conf., Air Force Report PL-(P-93-101), 1993, S. 166–186; bei
S.W. Zhu, Y. Kakami, K. Fujioka und Y. Matsubara, "Active-buffer pulse
tube refrigerator",
Proceedings of the 16th Cryogenic Engineering
Conference, 1997, S. 291–294;
und bei J. Yuan und J.M. Pfotenhauer, "A single stage five valve pulse tube
refrigerator reaching 32K",
Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 43, 1998, S. 1983–1989.
-
Alle
diese Pulsrohre können
als GM-Expansionsvorrichtungen laufen, die Ventile verwenden, um
Gas in das Pulsrohr hinein und aus diesem heraus zyklisch zu leiten,
jedoch sind nur die Pulsrohre mit einzelner und doppelter Zumessöffnung als
Sterling-Expansionsvorrichtungen eingesetzt worden. Die Sterling-Pulsrohre
sind klein, weil sie mit relativ hoher Geschwindigkeit arbeiten.
Die hohe Geschwindigkeit macht es schwierig, zu niedrigen Temperaturen
zu kommen, wobei somit GM-Pulsrohre, die mit niedriger Geschwindigkeit
laufen, typischerweise für Anwendungen
unter ungefähr
20K verwendet werden. Es ist herausgefunden worden, dass die beste Leistung
bei 4K mit dem in 9 gezeigten
Pulsrohr von Gao, US-Patent 6 256 998, erreicht worden ist. Diese
Konstruktion hat sechs Ventile, die in der Sequenz geöffnet und
geschlossen werden, die in Gaos 11 gezeigt
ist.
-
Um
die Ventilscheibe in Kontakt mit dem Ventilsitz zu halten, ist bei
den meisten Fällen
des Standes der Technik die Ventilscheibe in einer Kammer gelegen,
die mit Hochdruckarbeitsströmungsmittel
gefüllt
ist. Gewöhnlicherweise
ist diese Kammer mit der Versorgungsseite eines Kompressors verbunden.
Dies ist gezeigt im US-Patent 3 205 668 von Gifford, im US-Patent
3 620 029 von Longsworth, im US-Patent 3 625 015 von Chellis und
im US-Patent 4 987 743 von Lobb.
-
Da
die Ventilscheibe in der Kammer ist, die mit der Versorgungsseite
des Kompressors verbunden ist, tendiert der Abnutzungsstaub von
der Ventilscheibe dazu, in den Kaltkopf selbst geblasen zu werden,
was die Leistung verschlechtert. Der Pulsrohrkühler ist empfindlicher gegen
Staub als ein herkömmlicher
GM-Kühler,
weil dieser Staub dazu tendiert, an der Oberfläche der Nadeln zu haften, die verwendet
werden, um die Öffnung
der Zumessöffnungen
am warmen Ende des Pulsrohres einzustellen, oder sich in den Zumessöffnungen
und Flussdurchlässen
anzusammeln. Die Leistung eines Pulsrohrkühlers ist empfindlich für die Öffnung der
Zumessöffnungen,
somit ist es wünschenswert,
diese frei von Staub zu halten. Die Tendenz, den Staub in die Anschlüsse der
Ventilscheibe zu blasen kommt daher, dass Hochdruckgas außerhalb
ist, welches Gas radial nach innen zu den Niederdruckregionen in der
Mitte der Ventilscheibe bläst.
-
Es
ist herausgefunden worden, dass weniger Staub von der Abnutzung
der Ventilscheibe sich im warmen Ende des Regenerators und in den
Pulsrohrzumessöffnungen
sammelt, wenn der Fluss durch die Ventilscheibe umgekehrt wird.
Das heißt,
wenn man Hochdruckgas durch die Mitte der Ventilscheibenstirnseite
eintreten lässt
und radial zur Niederdruckseite auf der Rückseite der Ventilscheibe auslässt. Asami
und andere zeigen im US-Patent 5 361 588 eine Anordnung für einen
GM-Kühler,
wo das Hochdruckgas vom Kompressor gegen einen Ventilsitz wirkt,
um diesen in die Stirnseite eines Drehventils zu drücken. Ein
Lager ist gezeigt, um die Ventilscheibe gegen die axiale Kraft des
Ventilsitzes zu halten, und nicht diese als eine axiale Last auf
die Motorwelle zu übertragen.
Der Fluss des Gases in dieser Anordnung wird gegenüber der
herkömmlichen
Anordnung umgekehrt, die in früheren
Patenten gezeigt ist. Konzeptionell könnte die herkömmliche
in 7 gezeigte Ventilscheibe
von Longsworth im US-Patent 3 620 029 den umgekehrten Fluss aufweisen,
wenn die Feder, die gezeigt ist, genügend Kraft aufbringen würde, um
die Ventilscheibe aufgesetzt zu halten.
-
Es
wäre wünschenswert,
eine Ventileinheit vorzusehen, die die Menge des Staubes verringert, die
in den Kaltkopf geblasen wird, und die gleichzeitig die Abnutzung
auf dem Ventil reduziert und niedrigeres Drehmoment erfordert.
-
Zusammenfassung
-
Eine
Drehventileinheit ist nun entwickelt worden, die ziemlich anders
als das Drehventil ist, welches von Lobb im US-Patent 4 987 743
beschrieben wird, und die das Drehmoment reduziert, welches erforderlich
ist, um die Ventilscheibe zu drehen, und auch die Menge des Abnutzungsstaubes,
die in den Kaltkopf geblasen wird. Diese Ventileinheit verwendet
Gasdifferenzkräfte,
um die Ventilscheibe in Kontakt mit dem Ventilsitz zu halten, was
ermöglicht, dass
Ventilscheiben mit größerem Durchmesser
konstruiert werden können
und für
Pulsrohre mit mehreren Anschlüssen
verwendet werden können,
die eine geringere Kraft auf der Stirnseite der Ventilscheibe haben.
Die verringerte Kraft auf der Stirnseite der Ventilscheibe hat ein
verringertes Drehmoment und eine verringerte Abnutzungsrate zur
Folge.
-
Diese
Erfindung sieht verbesserte Mittel zur Reduzierung des Drehmomentes
vor, welches erforderlich ist, um ein Drehscheibenventil zu drehen,
welches mehrere Anschlüsse
abdichtet, und zwar durch Aufrechterhalten einer Netto-Kraft, die die Stirnseite der
Ventilscheibe in Kontakt mit dem Sitz hält. Diese Kraft wird relativ
zu den herkömmlichen
Ventilscheiben reduziert, die auf der Kraft beruhen, und zwar aufgrund
des hohen Druckes, der auf die Rückseite der
Ventilscheibe wirkt, die größer ist,
als die Kraft auf der Stirnseite der Ventilscheibe, weil diese ein
Niederdruckgas in der Mitte aufweist. Diese Erfindung sieht Mittel
vor, um die axiale Abdichtungskraft zu reduzieren, indem man zwei
unterschiedliche Gasdrücke
hat, die auf zwei unterschiedliche Oberflächen in der Ventilanordnung
wirken. Die Dichtungskraft verläuft
in einer Richtung, die bewirken würde, dass die Ventilscheibe
sich vom Sitz abhebt, jedoch hält
eine axiale Kraft gegen die Motorwelle oder ein getrenntes Lager
diese zurück.
-
Es
ist möglich,
ein Hochdruckgas in der Mitte des Ventilsitzes und ein Niederdruckgas
außen
an der Ventilscheibe zu haben. Dies bietet einen größeren Vorteil,
insbesondere bei einem Pulsrohr mit mehreren Anschlüssen, und
zwar durch eine signifikante Verringerung der Menge des Staubes
durch die Abnut zung der Ventilscheibe, die in das Pulsrohr geblasen
wird. Wenn man den hohen Druck in der Mitte der Ventilscheibenstirnseite
und den niedrigen Druck auf der Außenseite hat, hat dies zur
Folge, dass der Hauptteil des Staubes direkt in den Niederdruckraum geblasen
wird und niemals in das Pulsrohr eintritt. Die Verringerung der
Dichtungskraft hat auch zur Folge, dass weniger Staub erzeugt wird
und hat eine längere
Ventilscheibenlebensdauer zur Folge.
-
Diese
Erfindung weist auf, dass man zwei unterschiedliche Oberflächen mit
zwei unterschiedlichen Drücken
hat, die entweder in der Drehventilscheibe oder in dem stationären Ventilsitz
gelegen sind. Die Gasdrücke,
die unterschiedlich sein müssen,
können
aus folgenden Drücken
ausgewählt
werden: hoher Druck, niedriger Druck, Pulsrohrpufferdruck, atmosphärischer
Druck, Druck in einem abgedichteten Volumen oder ein Druck, der
zwischen hohen und niedrigen Drücken
im Kompressor gesteuert wird. Es ist auch möglich, die Kraft mechanisch
vorzuspannen, wie beispielsweise durch eine Feder.
-
Das
Aufbringen des größten Teils
der Differenzkraft, um den Ventilsitz gegen die Ventilscheibe zu
drücken,
kann auf die herkömmliche
Anordnung angewandt werden, wobei Hochdruckgas außerhalb der
Ventilscheibe und Niederdruckgas in der Mitte der Ventilstirnseite
ist. Dies verringert das erforderliche Drehmoment, um die Ventilscheibe
zu drehen, verringert jedoch nicht, dass der Anteil des Staubes, der
erzeugt wird, in das Pulsrohr kommt. Die meisten Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung weichen von Lobb im US-Patent 4 987 473 dahingehend
ab, dass die Kraft auf der Motorwelle nicht in der Richtung zur Dichtungsoberfläche hin
ist, sondern in der entgegengesetzten Richtung ist. Dies ermöglicht nicht
nur, dass ein großer
Teil des Abnutzungsstaubes herausgeblasen wird, sondern ermöglicht auch
die Anwendung eines getrennten Lagers, um die Axiallast zu tragen,
und zwar anstelle der Motorlager. Die Verringerung der Menge des
Staubes, die in ein Pulsrohr eintritt, verbessert auch die Temperaturstabilität.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
ein Querschnitt einer Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
und zwar mit kleinen schematischen Darstellungen des Kompressors
und eines einstufigen Pulsrohrkühlers
mit doppeltem Einlass, die vorgesehen sind, um die Flussverbindungen
zu zeigen. Differentialdrücke
in der Ventilscheibe erzeugen die Dichtungskraft;
-
2 ist
ein Stirnseitenprofil einer Ventilscheibe, die einen Teil der Ventileinheit
der 1 bildet;
-
3 ist
ein Stirnseitenprofil des Ventilsitzes, der einen Teil der Ventileinheit
der 1 bildet;
-
4 ist
ein Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Ventilanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei das Puffergas aus dem Pulsrohr einen der Dichtungsdrücke vorsieht.
-
5 ist
ein Stirnseitenprofil einer Ventilscheibe, die einen Teil der Ventileinheit
der 4 bildet;
-
6 ist
ein Stirnseitenprofil des Ventilsitzes, der einen Teil der Ventileinheit
der 4 bildet;
-
7 u. 8 sind
Querschnitte von dritten und vierten Ausführungsbeispielen von Ventilanordnungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die Differenzdichtungskraft in dem Ventilsitz gelegen ist;
-
9 u. 10 sind
Querschnitte von fünften
und sechsten Ausführungsbeispielen
von Ventilanordnungen gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei Puffergas aus dem Pulsrohr einen der Dichtungsdrücke vorsieht,
die auf den Ventilsitz wirken;
-
11 ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die Differenzdichtungskraft in dem Ventilsitz gelegen
ist, jedoch der Gasfluss gegenüber
den vorherigen Ausführungsbeispielen
umgekehrt ist;
-
12 ist
ein Querschnitt eines achten Ausführungsbeispiels einer Ventilanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, welches eine Variation des siebten Ausführungsbeispiels
ist;
-
13 ist
ein Querschnitt eines neunten Ausführungsbeispiels einer Ventilanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, welches ein spezieller Fall des sechsten Ausführungsbeispiels
ist, wobei Puffergas aus dem Pulsrohr den Dichtungsdruck liefert,
der auf eine Oberfläche
des Ventilsitzes wirkt;
-
14 ist
ein Querschnitt eines zehnten Ausführungsbeispiels einer Ventilanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, welches ein spezieller Fall des achten Ausführungsbeispiels
ist, wobei Puffergas aus dem Pulsrohr den Dichtungsdruck liefert, der
auf eine Oberfläche
des Ventilsitzes wirkt.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung ist auf irgendeine Art eines Kühlers anwendbar,
bei dem Gas zyklisch in die Expansionsvorrichtung hinein und aus
dieser heraus durch eine Ventileinheit bewegt wird, was GM-Kühler, Solvay-Kühler und
GM-Pulsrohrkühler mit
einschließt.
Sie ist von besonderem Wert, wenn sie auf Niedertemperatur-Pulsrohre
angewandt wird, die mehrere Stufen und mehrere Anschlüsse haben.
-
1 zeigt
einen Querschnitt der Ventilanordnung 29 zusammen mit kleinen
schematischen Darstellungen des Kompressors und einem einstufigen
Pulsrohrkühler
mit doppeltem Einlass, um die Flussbeziehungen zu zeigen.
-
Die
Ventileinheit 29 hat eine Motoranordnung 5, ein
Ventilgehäuse 7 und
eine Ventilbasis 17, die alle mittels einer Vielzahl von "O"-Ringdichtungen und durch Bolzen bzw.
Schrauben 1 abgedichtet sind. In der Ventilbasis und dem
Gehäuse
gibt es verschiedene Komponenten. Ein Ventilsitz 21 wird
in dem Ventilgehäuse
gehalten und abgedichtet. Eine Ventilscheibe 4 wird durch
den Ventilmotor 5 durch eine Motorwelle 6 und
einen Stift 3 gedreht, der durch die Welle 6 verläuft. Die
Ventilscheibe 4 kann sich frei axial relativ zum Stift 3 bewegen.
Die Ventilscheibe 4 ist in Kontakt mit dem Ventilsitz 21.
Der Stift 3 hält auch
den Ventilhalter 2, der in der Ventilscheibe 4 durch
einen O-Ring 9 abgedichtet wird. Eine Feder 8 wird
verwendet, um die Ventilscheibe 4 in Kontakt mit dem Ventilsitz 21 zu
halten, wenn der Kühler
aus ist.
-
Ein
Auslass 10 ist mit der Rückleitungsseite des Kompressors 20 durch
eine Gasleitung 18 verbunden. Die Versorgungsseite des
Kompressors 20 ist mit der Ventilanordnung 29 durch
die Gasleitung 19 und einen Einlass 14 verbunden.
Gas mit hohem Druck fließt
dann durch den Kanal 13 zur Mitte der Ventilscheibe 4.
-
2 zeigt
die Gasflusshohlräume
in der Stirnseite der Ventilscheibe 4. Der in 1 gezeigte Querschnitt
wird durch die Schnittpfeile A-A in den 2 und 3 bezeichnet.
Hochdruckgas, Ph, vom Kanal 13 wird in den Hohlraum 40 verteilt,
während
der Kanal 41 das Hochdruckgas mit dem Hohlraum 11 verbindet, 1.
Regionen 12, die in der äußeren Kante der Ventilscheibe 14 unterschnitten sind,
stellen eine Verbindung zum Niederdruckgas PI her, welches zum Kompressor
zurückkehrt.
Wenn es arbeitet, tendiert der Abrieb von den eingreifenden Oberflächen der
Ventilscheibe 4 und dem Ventilsitz 21 dazu, aus
der Hochdruckregion im Hohlraum 40 in die Niederdruckregion
um die äußere Kante
der Ventilscheibe 4 und die Hohlräume 12 geblasen zu
werden.
-
3 zeigt
die Stirnseite des Sitzes 21. Obwohl dies nicht für das Verständnis der
Erfindung wichtig ist, wird das Wesen dieser Anschlussanordnung
kurz mit Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 beschrieben. 1 zeigt
einen Pulsrohrkühler mit
doppeltem Einlass, der durch die erfindungsgemäße Ventileinheit betätigt bzw.
betrieben wird. Er besteht aus einem Regenerator 22, einem
Pulsrohr 25 mit einer Flussglättungsvorrichtung 26 des
warmen Endes bzw. Warmkopfes und einer Flussglättungsvorrichtung 24 des
Kaltkopfes, und aus einem Kaltkopfwärmetauscher 23. Eine
Phasenverschiebungsvorrichtung, die eine Pufferzumessöffnung 27 aufweist,
ein Ventil 30 mit doppeltem Einlass und ein Puffervolumen 28 sind
vorgesehen. Durch Drehung der Ventilscheibe 4 gegen den
Ventilsitz 21 mittels des Ventilmotors 5 und der
Welle 6 werden die Löcher 5 und 16 alternativ
durch Gas unter Druck gesetzt, welches durch die Schlitze 40 fließt, und
werden durch Durchflusshohlräume 12 von
Druck befreit. Die in 2 und 3 gezeigte
Anschlussanordnung erzeugt zwei vollständige Zyklen, um das Pulsrohr
bei jeder Drehung der Ventilscheibe 4 unter Druck zu setzen
und von Druck zu befreien. Es sei bemerkt, dass die Expansionsvorrichtung
mit einem oder mehr als einem Zyklus pro Zyklus des Drehventils
betrieben werden kann, und zwar durch ordnungsgemäße Anordnung
der Zuleitungs- und Rückleitungsanschlussanordnung
der Ventilscheibe 4 und des Ventilsitzes 21. Der
Auslass des Flusses aus der Expansionsvorrichtung in das Motorgehäuse hat
eine Tendenz, Abnutzungsstaub aus der Expansionsvorrichtung zu blasen
und dadurch die Zuverlässigkeit des
Kühlers
zu steigern.
-
Die
Außenflächen der
Ventilscheibe 4 und des Ventilhalters 2 werden
durch Niederdruckgas umgeben, und zwar außer der Oberfläche der
Ventilscheibe 4, die in Kontakt mit dem Ventilsitz 21 ist.
Der Druck an der Stirnseite der Ventilscheibe 4 hat Gradienten
zwischen dem hohen Druck im Schlitz 40 und dem Außenumfang,
der auf einem niedrigen Druck ist. Die Druckverteilung um die Stirnseite
der Ventilscheibe 4 verändert
sich, wenn sie sich dreht, und hat alternativ einen Hochdruckgasfluss
um den Anschluss 15, und lässt dann Niederdruckgas herausfließen. Die
erforderliche Kraft, damit die Ventilscheibe 4 gegen die
Stirnseite des Sitzes 21 abdichtet, ist am größten, wenn
sie die Anschlüsse 15 gegen Hochdruckgas
abdichtet, und ist minimal, wenn die Stirnseite der Ventilscheibe 4 die
Anschlüsse 15 gegen
das Niederdruckgas abdichtet. Die Kraft, die erforderlich ist, damit
eine Dichtung an der Stirnseite der Ventilscheibe 4 vorhanden
ist, wird dadurch erreicht, dass das Produkt der Drücke und
der Flächen auf
der entfernten Seite der Ventilscheibe 4 größer ist als
das Produkt des maximalen durchschnittlichen Druckes auf der Stirnseite
der Ventilscheibe 4 und der Fläche der Stirnseite der Ventilscheibe 4.
Dies kann in Form einer Gleichung ausgedrückt werden, wobei Ac die Fläche der
entfernten Seite der Ventilscheibe 4 im Hohlraum 11 ist,
wobei As die ringförmige
Fläche
auf der entfernten Seite der Ventilscheibe 4 um Ac ist,
wo bei Av die Fläche
der Stirnseite der Ventilscheibe 4 ist, und wobei Pv der
durchschnittliche Druck ist, der auf Av wirkt (wobei beides die
Fläche
und den Druck des Hohlraums 12 aufweist), wobei gilt (Ac·Ph + As·PI) > Av·Pv
max Gleichung 1
-
Die
entgegenwirkende Kraft wird auf die Motorwelle 6 übertragen
und bringt eine axiale Belastung auf die Motorlager in der Richtung
weg von der Ventilscheibe 4 auf. In der Praxis wird der
Durchmesser des Hohlraums 11 eingestellt durch Testen von unterschiedlichen
Größen, um
zu sehen, was den besten Ausgleich zwischen einer Minimierung der Leckage
und dem Drehmoment ergibt. Das Minimieren des Drehmomentes minimiert
auch die Abnutzungsrate.
-
Obwohl
die in 1 gezeigte Expansionsvorrichtung ein Pulsrohr
mit einer einzigen Stufe ist, ist es auch möglich, die Ventileinheit und
die Anschlussanordnung so auszulegen, dass diese verwendet werden
können,
um ein mehrstufiges Pulsrohr mit mehreren Steueranschlüssen anzutreiben bzw.
zu betätigen,
wie beispielsweise in 9 des US-Patentes 6 256 998
gezeigt. Durch ordnungsgemäße Anordnung
der Anschlüsse
an der Ventilscheibe 4 und am Ventilsitz 21 und
durch Anordnung der nötigen
Durchlässe,
um mit dem warmen Ende 26 des Pulsrohrs 25 in
Verbindung zu stehen, kann die erfindungsgemäße Ventileinheit auch verwendet werden,
um irgendeine Bauart eines Pulsrohrkühlers zu betreiben, wie beispielsweise
eine Bauart mit Zumessöffnung,
eine Bauart mit vier Ventilen, eine Aktiv-Puffer-Bauart und eine
Bauart mit fünf
Ventilen. Es sei bemerkt, dass diese Ventileinheit für andere
Arten von Kühlern
verwendet werden kann, wie beispielsweise GM- oder Solvay-Bauarten.
-
4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, wobei Gas vom anderen Teil des Systems verwendet
wird, um den Hohlraum 11 unter Druck zu setzen. In 4 bezeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche Teile der 1. Unter der
Annahme, dass der Druck im Hohlraum 11 Pc ist, ist dann
das Kriterium, welches für
eine Abdichtung zu erfüllen
ist: (Ac·Pc + As·PI) > Av·Pv max Gleichung 2
-
Aus
Gleichung 2 ist zu sehen, dass Pc groß genug sein muss, so dass
der Durchmesser, der für den
Hohlraum 11 erforderlich ist, geringer als der Durchmesser
der Ventilscheibe 4 ist. 4 zeigt
den Hohlraum 11 in Verbindung mit dem Puffer 28 mit
einem Druck Pb am Warmkopf des Pulsrohrs durch die Flussdurchlässe 100, 110 und 120.
In einem Pulsrohrkühler
hat der Puffer einen Druck, der geringfügig über dem Durchschnitt von Ph
und PI ist. Es sei auch bemerkt, dass der Druck durch andere Mittel
geliefert werden kann, die den Druck zwischen Ph und PI auf einen
Wert steuern, der das Drehmoment minimiert, welches benötigt wird,
um die Ventilscheibe 4 zu drehen.
-
5 und 6 zeigen
die Anschlussanordnung an der Schnittstelle der Ventilscheibe 4 bzw. des
Sitzes 21 der 4. Die Pfeile "B-B" in 5 und 6 bezeichnen
den in 4 gezeigten Querschnitt. Hochdruckgas fließt durch
die Anschlüsse 13 im
Ventilsitz 21 und in die Hohlräume 50 in der Ventilscheibe 4.
Gas, welches den Hohlraum 11 in der Ventilscheibe 4 unter
Druck setzt, fließt
vom Anschluss 100 in der Mitte des Ventilsitzes 21 durch
den mittleren Anschluss 120 in der Ventilscheibe 4.
-
7 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung. In 7 bezeichnen gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile in 1. Dieses Ausführungsbeispiel
verkörpert
das gleiche Prinzip, das man zwei unterschiedliche Drücke hat,
die auf zwei unterschiedliche Oberflächen wirken, um eine Dichtungskraft
zwischen der Ventilscheibe 34 und dem Sitz 33 zu
beeinflussen. In diesem Fall ist die Ventilscheibe 34 auf
der Motorwelle 6 festgelegt, und der Sitz 33 hat
unterschiedliche Gasdrücke
auf zwei unterschiedlichen Oberflächen, um diesen axial in Kontakt
mit der Ventilscheibe 34 zu bewegen.
-
Die äußeren Oberflächen des
Ventilsitzes 33 sind in zwei Regionen aufgeteilt. Eine
gasdichte Dichtung 43 trennt diese zwei Regionen. Die mittlere Region 39 mit
der Fläche
Ac steht in Verbindung mit der Versorgungsseite des Kompressors 20 durch
den Kanal 14 und die Gasleitung 19. Die Schulterregion 31 mit
der Fläche
As steht in Verbindung mit dem Rückleitungsseitendruck
PI durch den Kanal 32, den Auslass 10 und die
Gasleitung 18. Eine Feder 8 wird verwendet, um
die Ventilscheibe 34 in Kontakt mit dem Ventilsitz 33 zu
halten, wenn der Kühler
aus ist, und um eine anfängliche
Kraft auf dem Ventildichtungssitz 33 mit der Ventilscheibe 34 beim
Start zu erzeugen. Die Ventilscheibe 34 weicht von der
Ventilscheibe 4 der 1 dahingehend
ab, dass sie keinen Ventilhalter 2, kein mittleres Loch 41 oder
einen Hohlraum 11 aufweist. Der Gasfluss ist genauso.
-
Das
Kriterium dafür,
dass man genügend Kraft
hat, um eine Dichtung auf der Stirnseite der Ventilscheibe 34 gegen
den Sitz 33 zu haben, ist ähnlich, wie von Gleichung 3 angegeben.
Ac bezieht sich auf die Oberfläche
am Ende des Sitzes 33 im Hohlraum 39, As bezieht
sich auf die ringförmige
Fläche im
Schulterhohlraum 31, und Asa bezieht sich auf die Oberfläche auf
der Stirnseite des Ventilsitzes 33, die auf dem Druck ist,
der die Ventilscheibe 34 umgibt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Druck um die Ventilscheibe 34 PI. (Ac·Ph + As·PI – Asa·PI) > Av·(Pv
max – PI) Gleichung 3
-
Das
vierte Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung ist in 8 gezeigt, wo gleiche Bezugszeichen gleiche
Teile wie in 7 bezeichnen. Die grundlegenden
Komponenten sind ähnlich
wie jene in der Ventileinheit in 7, außer dass
der Druck, der auf die Fläche
Ac in der mittleren Region 39 und auf die Schulterfläche As im
Hohlraum 31 ausgeübt
wird, umgekehrt ist. Die mittlere Region 39 steht in Verbindung
mit dem niedrigen Druck PI durch das Loch 32, während die
Schulterregion 31 in Verbindung mit Ph durch den Kanal 14 und
die Gasleitung 19 ist. Das Kriterium dafür, dass
man eine Abdichtungskraft hat, ist Folgendes (Ac·PI + As·Ph – Asa·PI) > Av·(Pv
max – PI) Gleichung 4
-
8 zeigt
die Option, dass man ein Lager 36 zwischen der entfernten
Seite der Ventilscheibe 34 und der Stirnseite des Motors 5 hat.
Das Lager 36 trägt
die axiale Kraft, die gleich der linken Seite der Gleichung 4 ist,
und nicht eines der Motorlager.
-
9 zeigt
ein fünftes
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, wobei Gas von einer anderen Quelle verwendet
wird, um den Schulterhohlraum 31 unter Druck zu setzen.
In 9 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile
wie in 7. Unter der Annahme, dass der Druck im Hohlraum 31 Ps
ist, ist dann das Kriterium, welches für eine Abdichtung zu erfüllen ist,
Folgendes: (Ac·Ph + As·Ps – Asa·PI) > Av·(Pv max – PI) Gleichung 5
-
Anders
als in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel
2 kann Ac größer als
Av sein, weil der Durchmesser des Sitzes 33 keine Einstellungsgrenze
bzw. Setzungsgrenze hat. Dies bedeutet, dass der Wert von Ps niedriger
sein kann und man immer noch eine Abdichtung erreicht. 9 zeigt den
Hohlraum 31, wie er in Verbindung mit dem Puffer 28 ist,
und zwar auf einem Druck Pb durch den Flussdurchlass 110.
-
Das
sechste Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung ist in 10 gezeigt,
wo gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in 9 bezeichnen.
Die grundlegenden Komponenten sind ähnlich jenen in der Ventileinheit
in 9, außer
dass die Drücke
in der mittleren Region 39 und in der Schulterregion 31 umgekehrt
sind. 10 zeigt, dass Pc durch das
Puffergas mit einem Druck Pb geliefert wird, welches mit der mittleren
Region 39 durch den Kanal 200 in Verbindung steht.
Die Beziehung, die für
eine Dichtungskraft erforderlich ist, ist Folgende: (Ac·Pc + As·Ph – Asa·PI) > Av·(Pv
max – PI) Gleichung 6
-
Es
sei auch bemerkt, dass bei den Ausführungsbeispielen fünf und sechs
die Drücke
Pc und Ps durch andere Mittel geliefert werden können, die auf einem Druck sein
können,
der so niedrig wie ein Vakuum ist. Dies kann irgendeine Druckquelle
unter Ph sein, oder auch mit einem gewissen festen Druck abgedichtet
sein, der geringer als Ph ist. Der Druck, der ausgewählt ist,
muss hoch genug sein, so dass die Feder 8, die vorgesehen
sein muss, damit die Ventilscheibe abdichtet, wenn dieser weg ist,
keine übermäßig große Kraft
aufbringt, wenn der Kühler
arbeitet.
-
11 zeigt
das siebte Ausführungsbeispiel, bei
dem der Aufbau der Ventilanordnung 29 sehr ähnlich der 7 ist,
wobei jedoch der Gasfluss durch die Ventilscheibe in der umgekehrten
Richtung ist. Die Hochdruckgasleitung 19 ist mit dem Anschluss 10 an
der Ventilanordnung 29 verbunden, und Gas mit niedrigem
Druck kehrt zum Kompressor 20 durch den Anschluss 14 und
die Leitung 18 zurück.
Dies hat den herkömmlichen
Gasfluss durch die Ventilscheibe 34 mit Hochdruckgas auf
der Außenseite
zur Folge. Wenn die Ventilscheibe 34 durch den Stift 3 mit
der Motorwelle 6 verbolzt ist, wird die axiale Last durch
die Motorlager in der Richtung zur Ventilstirnseite hin getragen. 11 zeigt
den Schulterbereich As, wie er bei 31 mit Ph unter Druck
gesetzt wird, und die Oberfläche
Ac, wie sie bei 39 durch PI unter Druck gesetzt wird. In
einer herkömmlichen Ventilanordnung
ist die sich drehende Ventilscheibe nicht verbolzt, und die Axialkraft
ist das Produkt Av·(Ph – Pv Durschn.).
Das erforderliche Drehmoment, um die Ventilscheibe zu drehen, kann
im Vergleich zu herkömmlichen
einteiligen Ventilscheiben reduziert werden, wobei man zwei unterschiedliche Drücke hat,
die auf zwei unterschiedliche Oberflächen im Ventilsitz 31 wirken.
Um die Kraft der Ventilscheibe 34 gegen den Sitz 33 zu
reduzieren, jedoch immer noch eine Abdichtung vorzusehen, muss die folgende
Beziehung berücksichtigt
werden: 0 < (Ac·PI + As·Ph – Asa·Ph) < Av·(Ph – Pv max) Gleichung 7
-
Das
achte Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung, wie es in 12 gezeigt
ist, ist ähnlich
dem vorherigen Ausführungsbeispiel.
Gleiche Bezugszeichen be zeichnen gleiche Teile in 11.
Der Unterschied zwischen diesem Ausführungsbeispiel und dem Ausführungsbeispiel
sieben ist, dass der Druck in der Schulterregion 31 PI
ist, und dass der Druck im mittleren Hohlraum 39 Ph ist.
Die Beziehung, die beachtet werden muss, um die Kraft der Ventilscheibe 34 gegen
den Sitz 33 zu reduzieren, jedoch immer noch eine Abdichtung
zu haben, ist ähnlich
der Gleichung 7: 0 < (Ac·Ph + As·PI – Asa·Ph) < Av·(Ph – Pv max) Gleichung 8
-
Es
ist offensichtlich, dass bei den Ausführungsbeispielen drei bis acht,
die zwei unterschiedliche Drücke
haben, die auf zwei unterschiedliche Oberflächen im Ventilsitz wirken,
eine oder mehrere zusätzliche
Schultern hinzugefügt
werden können, die
gegenüber
einander abgedichtet sind, und die unabhängig von anderen Quellen unter
Druck gesetzt werden. Es würde
unpraktisch, jedoch nicht unmöglich
erscheinen, zusätzliche
Oberflächen
mit unterschiedlichen Drücken
zu den Ventilscheiben in den Ausführungsbeispielen eins und zwei
hinzuzufügen.
-
Das
neunte Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung ist in 13 gezeigt,
wo gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in 10 bezeichnen.
Dies ist ein spezieller Fall des Ausführungsbeispiels sechs, 10,
der auftaucht, wenn das Kriterium der Gleichung 6 erfüllt wird,
wobei gilt As = 0. Eine praktische Konstruktion ist es, das Puffergas
zu verwenden, wie in 13 gezeigt, um Ac im Hohlraum 39 unter Druck
zu setzen. Andere Drücke
von anderen Quellen können
auch verwendet werden.
-
Das
zehnte Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung ist in 14 gezeigt,
wo gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in 12 bezeichnen.
Dies ist ein spezieller Fall des Ausführungsbeispiels acht, 12,
der eintritt, wenn das Kriterium der Gleichung 8 erfüllt ist,
wobei gilt As = 0, und wobei der Druck im Hohlraum 39 auf
einem geringeren Druck als Ph ist. Puffergas kann verwendet werden,
wie in 14 gezeigt, um Ac im Hohlraum 39 unter
Druck zu setzen. Andere Drücke
von anderen Quellen können
auch verwendet werden.
-
Die
sieben, achten und zehnten Ausführungsbeispiele,
die in den 11, 12 und 14 gezeigt
sind, haben alle Gas mit hohem Druck auf der Außenseite der Ventilscheibe
und mit niedrigem Druck in der Mitte der Ventilscheibenstirnseite.
Sie sind nicht so attraktiv wie Ausführungsbeispiele mit hohem Druck
in der Mitte der Ventilscheibenstirnseite, weil Abnutzungsstaub
von der Ventilscheibe 34 dazu tendiert, in das Pulsrohr
oder in eine andere Expansionsvorrichtung geblasen zu werden. Es
sieht jedoch Mittel vor, um das Motordrehmoment zu verringern, was
insbesondere wichtig bei Ventilen ist, die mehr Anschlüsse haben
als jene, die in den 2, 3, 5 und 6 gezeigt
sind.
-
Zusammenfassung
-
Eine
sich drehende Ventileinheit, die das Drehmoment reduziert, welches
erforderlich ist, um die Ventilscheibe zu drehen, und welche die
Menge des Abnutzungsstaubes reduziert, die in den Kaltkopf geblasen
wird, und zwar unter Verwendung von Differenzgaskräften, um
die Ventilscheibe in Kontakt mit dem Ventilsitz zu halten, und die
ermöglicht,
dass Ventilscheiben mit größerem Durchmesser
für Pulsrohre
mit mehreren Anschlüssen
verwendet werden, die eine geringere Kraft auf der Stirnseite der
Ventilscheibe haben, was ein reduziertes Drehmoment und eine reduzierte
Abnutzungsrate zur Folge hat.