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Hintergrund der Erfindung
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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Expansionsmaschine, die gemäß dem Brayton-Kreisprozess arbeitet, um eine Kühlung bei kryogenen Temperaturen zu erzeugen.
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Hintergrund
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Ein System, das gemäß dem Brayton-Kreisprozess arbeitet, um eine Kühlung zu erzeugen, besteht aus einem Kompressor, der einem Gegenstrom-Wärmetauscher Gas mit einem Auslassdruck zuführt, wobei einem Expansionsraum über ein Einlassventil Gas zugeführt wird, das Gas adiabatisch expandiert, das (kältere) expandierte Gas über ein Auslassventil ausgegeben, das kalte Gas über eine zu kühlende Last geleitet und dann das Gas über den Gegenstrom-Wärmetauscher zum Kompressor zurückgeführt wird. In
US 2 607 322 A von S.C. Collins, einem Pionier auf diesem Gebiet, ist die Konstruktion einer frühen Expansionsmaschine beschrieben, die weit verbreitet zum Verflüssigen von Helium verwendet worden ist. Der Expansionskolben wird durch einen mit einem Schwungrad und einem Generator/Motor verbundenen Kurbelmechanismus in einer hin- und hergehenden Bewegung angetrieben. Das Einlassventil wird geöffnet, wenn sich der Kolben an der unteren Hubposition (minimales kaltes Volumen) befindet, woraufhin Hochdruckgas den Kolben nach oben treibt, wodurch veranlasst wird, dass die Schwungradgeschwindigkeit zunimmt und der Generator angetrieben wird. Das Einlassventil wird geschlossen, bevor der Kolben die obere Position erreicht, woraufhin der Druck und die Temperatur des Gases im Expansionsraum absinken. An der oberen Hubposition öffnet das Auslassventil, woraufhin Gas herausströmt, während der Kolben, angetrieben durch das sich allmählich abbremsende Schwungrad, nach unten gedrückt wird. In Abhängigkeit von der Größe des Schwungrades kann es den Generator/Motor weiterhin antreiben, um Leistung auszugeben, oder es kann Leistung ziehen, wenn es als Motor wirkt. Das Einlass- und das Auslassventil werden typischerweise durch mit dem Schwungrad verbundene Nocken angetrieben, wie in
US 3 438 220 A von S.C. Collins dargestellt ist. Dieses Patent beschreibt einen sich von dem früheren Patent unterscheidenden Mechanismus, in dem der Kolben mit dem Schwungrad verbunden ist, wobei am warmen Ende des Kolbens keine Querkräfte auf die Dichtungen ausgeübt werden. In
US 5 355 679 A von J.G. Pierce ist eine andere Konstruktion des Einlass- und des Auslassventils beschrieben, die den in
US 3 438 220 A beschriebenen Ventilen dahingehend ähnlich sind, dass sie durch Nocken angetrieben werden und Dichtungen bei Raumtemperatur aufweisen. In
US 5 092 131 A von H. Hattori et al. sind ein Scotch-Yoke-Antriebsmechanismus und kalte Ein- und Auslassventile beschrieben, die durch den hin- und hergehenden Kolben betätigt werden. In all diese Maschinen wirkt Atmosphärenluft auf das warme Ende des Kolbens ein, und sie sind primär dafür konstruiert, Helium, Wasserstoff und Luft zu verflüssigen. Das zurückströmende Gas hat annähernd Atmosphärendruck, und der Zufuhrdruck beträgt etwa 10 bis 15 Atmosphären. Die Kompressoreingangsleistung liegt typischerweise im Bereich von 15 bis 50 kW. Kältemaschinen mit niedrigerer Leistung arbeiten typischerweise gemäß dem GM-, Pulsröhren- (Pulse-Tube) oder Stirling-Kreisprozess. Kältemaschinen mit höherer Leistung arbeiten typischerweise gemäß dem Brayton- oder Claude-Kreisprozess unter Verwendung von Turboexpandern. In
US 3 045 436 A von W. E. Gifford und H.O. McMahon ist der GM-Kreisprozess beschrieben. Die leistungsärmeren Kältemaschinen verwenden Regenerator-Wärmetauscher, in denen das Gas über ein Festbett hin und her strömt und das kalte Ende des Expanders niemals verlässt. Dies steht im Gegensatz zu Kältemaschinen, die gemäß dem Brayton-Kreisprozess arbeiten, die kaltes Gas einer entfernten Last zuführen können.
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Die Energiemenge, die bei der in
US 3 438 220 A von Collins beschriebenen Maschine durch den Generator/Motor zurückgewinnbar ist, ist bezüglich der Eingangsleistung des Kompressors relativ klein, so dass in vielen Anwendungen häufig die mechanische Einfachheit wichtiger ist als der Wirkungsgrad. In
US 6 202 421 B1 von J.F. Maguire et al. ist eine Maschine beschrieben, bei der das Schwungrad und der Generator/Motor eliminiert sind, indem ein hydraulischer Antriebsmechanismus für den Kolben verwendet wird. Das Einlassventil wird durch eine Magnetspule betätigt, und das Auslassventil wird durch eine Magnetspulen/Pneumatik-Kombination betätigt. Der Beweggrund für die Entwicklung einer hydraulisch angetriebenen Maschine ist, eine kleine und leichtgewichtige Maschine bereitzustellen, die mit einem supraleitenden Magnet lösbar verbindbar ist, um diesen herunterzukühlen. Die Ansprüche schließen die lösbare Verbindung ein.
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US 6 205 791 B1 von J.L. Smith beschreibt eine Expansionsmaschine mit einem frei schwebenden Kolben, wobei sich Arbeitsgas (Helium) um den Kolben herum befindet. Der Gasdruck über dem Kolben, am warmen Ende, wird durch Ventile gesteuert, die mit zwei Puffervolumen verbunden sind, eines bei einem Druck, der etwa 75% der Differenz zwischen einem hohen und einem niedrigen Druck beträgt, und das andere bei etwa 25% der Druckdifferenz. Elektrisch aktivierte Einlass-, Auslass- und Pufferventile werden derart zeitgesteuert geöffnet und geschlossenen, dass der Kolben mit einer kleinen Druckdifferenz zwischen oberhalb und unterhalb des Kolbens nach oben und unten angetrieben wird, so dass nur wenig Gas durch den kleinen Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Zylinder strömt. Ein Positionssensor im Kolben erzeugt ein Signal, das zum Steuern der Öffnungs- und Schließzeiten der vier Ventile verwendet wird. Denkt man an eine Pulsröhre zum Ersetzen eines festen Kolbens durch einen Gaskolben, ist die gleiche „Steuerung mit zwei Puffervolumen“ in
US 5 481 878 A von Zhu Shaowei dargestellt.
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3 von
US 5 481 878 A von Shaowei zeigt die Öffnungs- und Schließzeitsteuerung für der vier Steuerventile, und
3 von
US 6 205 791 B1 von Smith zeigt das günstige P-V-Diagramm, das durch eine geeignete Zeitsteuerung der Beziehung zwischen der Kolbenposition und dem Öffnungs- und Schließvorgang der Steuerventile erzielt werden kann. Die Fläche des P-V-Diagramms entspricht der verrichteten Arbeit, und der maximale Wirkungsgrad wird durch Minimieren der Gasmenge, die zwischen Punkten 1 und 3 des Diagramms von
3 von
US 6 205 791 B1 in den Expansionsraum gesaugt wird, bezüglich der P-V-Arbeit erzielt (die der erzeugten Abkühlung gleicht).
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Die Öffnungs- und Schließzeit der Einlass- und Auslassventile bezüglich der Kolbenposition ist zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades wichtig. Die meisten Maschinen, die zum Verflüssigen von Helium gebaut worden sind, haben nockenbetätigte Ventile verwendet, die denjenigen des Patents
US 3 438 220 A von Collins ähnlich sind. In den Patenten
US 6 205 791 B1 von Smith und
US 6 202 421 B1 von Maguire sind elektrisch betätigte Ventile dargestellt. Andere Mechanismen weisen ein Drehventil am Ende einer Scotch-Yoke-Antriebswelle auf, wie in
US 5 361 588 A von H. Asami et al. dargestellt ist, und ein durch die Kolbenantriebswelle betätigtes Wechselventil, wie in
US 4 372 128 A von Sarcia beschrieben ist. Ein Beispiel eines Mehrport-Drehventils, das den in der vorliegenden Erfindung beschriebenen ähnlich ist, kann in der Patentanmeldung
US 2007/0119188 A1 von M. Xu et al. gefunden werden. In
US 6 256 997 B1 von R.C. Longsworth ist die Verwendung von „O“-Ringen zum Vermindern von Schwingungen beschrieben, die in Verbindung damit auftreten, dass der pneumatisch betätigte Kolben an den Hubenden anschlägt. Dies kann auf die vorliegende Erfindung angewendet werden.
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Die
US 3 613 385 A zeigt ein Gerät, das zur Entwicklung von kryogenen Temperaturen geeignet ist. Ein eingehendes Hochdruckfluid wird ausgedehnt und nach erstmaligem Kühlen durch Wärmeaustausch mit einem rücklaufenden Tiefdruckfluid weiter gekühlt. Mindestens ein Teil der im Expander entwickelten Leistung wird durch das Verdichten eines Fluids gewonnen, das zwischen der Expansionskammer und einer Ausgleichskammer, in der die Verdichtung stattfindet, hin und her fließt. Ein Gerät zum Entfernen der Verdichtungswärme durch Wärmeaustausch ist vorhanden.
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Die
DE 694 12 171 T2 offenbart einen Gaskälteerzeuger und insbesondere einen Pulsationsrohr-Kälteerzeuger.
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In der
US 3 708 979 A sind ein Kompressor, ein Heizer, ein Expander und ein Kühler miteinander verbunden, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden. Ventile steuern die pulsierende Strömung eines Arbeitsgases um diesen Kreislauf. Im Kreislauf kann ein Austauscher enthalten sein, um die Verwendung eines niedrigen Expansionsverhältnisses mit einem hohen Verhältnis von extremen Temperaturen zu ermöglichen. Es können Heizer und Kühler mit relativ großem Volumen verwendet werden. Die Leistung wird durch Ändern der Ventilsteuerzeiten geregelt. Alternativ kann die Leistung durch den Einsatz von Hilfskammern und das Ändern der Masse an Arbeitsgas im Kreislauf geregelt werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hohen Wirkungsgrad mit einer relativ leichtgewichtigen, kompakten und zuverlässigen Maschine zu erzielen. Eine andere Aufgabe ist es, eine Maschine bereitzustellen, die dazu geeignet ist, eine große Masse von Raumtemperatur auf eine kryogene Temperatur abzukühlen, während die Kompressorausgangsleistung vollständig genutzt wird, oder dafür optimiert ist, eine Kühlung über einen kleinen Bereich kryogener Temperaturen zu erzeugen. Eine letzte Aufgabe ist es, eine gemäß dem Brayton-Kreisprozess arbeitende Maschine im gleichen Größenbereich wie herkömmliche, gemäß dem GM-Kreisprozess arbeitende Kältemaschinen bereitzustellen, so dass der Kaltgasstrom von der Maschine zum Kühlen verteilter Lasten genutzt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
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Die vorliegende Erfindung kombiniert Merkmale früherer Konstruktionen auf neue Weisen, um einen hohen Wirkungsgrad mit relativ einfachen Konfigurationen zu erzielen, bei denen zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Kolbens nur eine kleine Druckdifferenz auftritt, eine mechanisch oder pneumatisch betätigte Antriebsspindel vorgesehen ist und der Öffnungs- und Schließvorgang der Einlass- und Auslassventile mit der Kolbenposition koordiniert ist. Im Fall einer pneumatisch betätigten Maschine werden der Gasstrom zur Antriebsspindel und zu den Einlass- und Auslassventilaktuatoren durch ein Drehventil gesteuert, in dem die Öffnungs- und Schließzeitsteuerung der Ventile eingebaut ist. Eine mechanisch angetriebene Spindel kann ein Drehventil an dem Ende der Antriebswelle aufweisen, das den Gasstrom zu den Einlass- und Auslassventilaktuatoren schaltet. Sowohl eine pneumatisch als auch eine mechanisch betätigte Antriebsspindel kann ein Wechselventil aufweisen, das durch die Antriebsspindel geschaltet wird, um die Einlass- und Auslassventile pneumatisch zu betätigen. Der Druck am warmen Ende des Kolbens um die Antriebsspindel kann unter Verwendung von Absperrventilen, die zwischen dem warmen Ende des Kolbens und den Kompressorzufuhr- und -rückführleitungen verbunden sind, einen zwischen dem warmen und dem kalten Ende verbundenen Regenerator oder aktive Ventile, die Ports in den gleichen Dreh- oder Wechselventilen nutzen, die die Einlass- und Auslassventile betätigen, etwa beim Druck am kalten Ende des Kolbens gehalten werden, während der Kolben sich bewegt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Querschnittansicht einer Maschine 100 mit einem Kolben in einem Zylinder mit einer pneumatisch angetriebenen Spindel am warmen Ende und schematische Darstellungen der Ventile und Wärmetauscher;
- 2 zeigt eine Maschine 200 mit einem Kolben in einem Zylinder mit einem Scotch-Yoke-Mechanismus, der am warmen Ende des Kolbens mit der Antriebsspindel verbunden ist, einem Drehventil am Ende der Antriebsspindel und einer Einlassventilanordnung, allesamt im Querschnitt. Die anderen Ventile und Wärmetauscher sind schematisch dargestellt;
- 3 zeigt eine Maschine 300 mit einem Kolben in einem Zylinder mit einer pneumatisch angetriebenen Spindel am warmen Ende und mit einem Wechselventil, das einen Gasstrom zu Einlass- und Auslassventilaktuatoren schaltet. Ein Regenerator ist im Inneren des Kolbens dargestellt, um eine Einrichtung zu zeigen, die das warme und das kalte Ende des Kolbens etwa beim gleichen Druck hält, wobei diese Komponenten allesamt im Querschnitt dargestellt sind. Die anderen Ventile und Wärmetauscher sind schematisch dargestellt;
- 4 zeigt eine Maschine 400 mit einem Kolben in einem Zylinder mit einem motorbetriebenen Scotch-Yoke-Mechanismus, der eine Spindel am warmen Ende des Kolbens antreibt, wobei der Kolben einen Regenerator aufweist, der das warme und das kalte Ende verbindet, um diese etwa beim gleichen Druck zu halten, wobei diese Komponenten allesamt im Querschnitt dargestellt sind. Die Einlass- und Auslassventile und die Wärmetauscher sind schematisch dargestellt. Ein Drehventil, das einen Gasstrom zu Ventilaktuatoren schaltet, wie in 2 dargestellt ist, ist ebenfalls Teil dieser Anordnung;
- 5 zeigt eine Maschine 500 mit einem Kolben in einem Zylinder mit einer pneumatisch angetriebenen Spindel am warmen Ende und einem Regenerator im Inneren des Kolbens, der das warme und das kalte Ende des Kolbens etwa beim gleichen Druck hält, wobei diese Komponenten allesamt im Querschnitt dargestellt sind. Die anderen Ventile und Wärmetauscher sind schematisch dargestellt;
- 6 zeigt Druck-Volumen-Diagramme für eine oder mehrere der in den 1 bis 5 dargestellten Maschinen; und
- 7 zeigt Ventilöffnungs- und -schließfolgen der in den 1 bis 5 dargestellten Maschinen.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In den in den 1 bis 5 dargestellten fünf Ausführungsformen werden die gleichen Bezugszeichen und die gleichen Diagrammdarstellungen verwendet, um äquivalente Teile und Komponenten zu bezeichnen. Weil Expansionsmaschinen normalerweise mit dem kalten Ende nach unten ausgerichtet sind, um Konvektionsverluste im Wärmetauscher zu minimieren, wird die Bewegung des Kolbens vom kalten Ende zum warmen Ende hin als Aufwärtsbewegung bezeichnet, so dass der Kolben sich auf- und abwärts bewegt.
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1 zeigt eine Querschnittansicht/schematische Ansicht einer Maschinenanordnung 100. Es sind eine Option A und eine Option B dargestellt, wobei zunächst die Option A beschrieben wird. Ein Kolben 1 bewegt sich hin- und hergehend in einem Zylinder 6, der eine kalte Endkappe 9, einen warmen Montageflansch 7 und einen warmen Zylinderkopf 8 aufweist. Eine Antriebsspindel 2 ist am Kolben 1 befestigt und bewegt sich hin- und hergehend in einem Antriebsspindelzylinder 69. Das am kalten Ende verdrängte Volumen DVc, 3, ist von dem am warmen Ende verdrängten Volumen DVw, 4, durch den Kolben 1 und eine Dichtung 50 getrennt. Das über der Antriebsspindel verdrängte Volumen DVs, 5, ist vom Volumen DVw durch eine Dichtung 51 getrennt. Der Gasdruck im Volumen DVs ändert sich zyklisch von einem hohen Druck Ph zu einem niedrigen Druck Pl, wenn Ventile V1, 12, und V2, 13, das Volumen DVs abwechselnd mit einer Hochdruckzufuhrleitung 30 und einer Niederdruckrückführleitung 31 verbinden. Eine Abkühlung wird erzeugt, wenn ein Einlassventil Vi, 10, geöffnet wird, während das Volumen DVc minimal ist, wodurch der Kolben 1, während der Druck im Volumen DVc Ph beträgt, gegen Ausgleichsdrücke in den Volumina DVw und DVs nach oben gedrückt wird, woraufhin das Ventil Vi geschlossen wird, das Ventil Vo, 11, geöffnet wird, wodurch sich das Gas im Volumen DVc ausdehnt, während es zu Pl herausströmt, und abkühlt, während es expandiert. Gas mit dem Druck Pl wird aus dem Volumen DVc herausgedrückt, wenn der Kolben 1 sich zum kalten Ende 9 hin zurück bewegt. Durch das Ventil Vo herausströmendes kaltes Gas durchläuft eine Leitung 35 zum Wärmetauscher 41, wo es erwärmt wird, indem die Last abgekühlt wird, und strömt dann durch eine Leitung 36 zum Gegenstrom-Wärmetauscher 40, wo es ankommendes Gas mit dem Druck Ph abkühlt, bevor das Hochdruckgas durch eine Leitung 34 zum Ventil Vi strömt.
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Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Ventil Vi geöffnet wird, befindet sich Gas mit dem Druck Ph im Volumen DVs und Gas mit dem Druck Pl im Volumen DVw. Durch Zuführen von Hochdruckgas zum Volumen DVc wird der Kolben nach oben gedrückt, wodurch der Druck im Volumen DVw zu Ph hin und im Volumen DVs zu einem Druck über Ph ansteigt, bis das Ventil V2 geöffnet wird, wodurch das Volumen DVs über die Leitung 33 mit Pl verbunden wird. Wenn der Druck im Volumen DVw den Druck Ph erreicht, strömt Gas durch das Absperrventil CVh, 16, zur Hochdruckleitung 30. Tatsächlich wird bezüglich des Gases im Volumen DVw Arbeit verrichtet, die der im Generator einer Maschine mit Schwungradantrieb entspricht. Die Fläche der Antriebsspindel muss ausreichend sein für das Kraftgleichgewicht zwischen Ph, abzüglich des Druckabfalls im Wärmetauscher, am kalten Ende des Kolbens, um den Druck Ph, der auf das warme Ende des Kolbens im Volumen DVw wirkt, und den Druck Pl, der auf die Spindel wirkt und die Dichtungsreibung zu überwinden, damit der Kolben sich nach oben bewegt. Die Geschwindigkeit, mit der der Kolben sich bewegt, ist proportional zum Kraftungleichgewicht. Wenn der Kolben sich an der oberen Hubposition befindet, wird das Ventil Vi geschlossen, woraufhin das Ventil Vo geöffnet und das Ventil V2 geschlossen wird, und anschließend wird das Ventil V1 geöffnet. Wenn sich Gas mit dem Druck Ph im Volumen DVs und mit dem Druck Pl im Volumen DVc befindet, beginnt der Kolben sich nach unten zu bewegen, wobei der Druck im Volumen DVw auf Pl absinkt und bei Pl gehalten wird, während der Kolben sich nach unten bewegt, während Gas mit dem Druck Pl von der Leitung 31 durch das Absperrventil CV1, 17, strömt. Wenn das Volumen DVc minimal ist, wird das Ventil V1 geschlossen, wodurch der Zyklus abgeschlossen ist. In einer Ausführungsform dieser Maschine weist ein Multiport-Drehventil Ports für die Ventile V1 und V2 und Ports auf, die Stößel aktivieren, wie in 2 dargestellt ist, die die Ventile Vi und Vo öffnen und schließen.
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Die Ausführungsform 100 ist mit einer Option B dargestellt, in der Absperrventile CVh, 16, und CVI, 17, durch aktive Ventile V3, 14, und V4, 15, ersetzt sind. Ein Drehventil kann Ports zum Implementieren der Ventile V1, V2, V3 und V4 und zum Öffnen und Schließen der Ventile Vi und Vo aufweisen.
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2 zeigt eine Querschnittansicht/schematische Ansicht einer Maschinenanordnung
200. Ein Kolben
1, ein Zylinder
6, eine kalte Endkappe
9 und ein warmer Montageflansch
7 gleichen den entsprechenden Komponenten in
1. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Antriebsspindel
2 durch eine Kupplung
29 mit einer Antriebswelle
23 verbunden, die durch eine Scotch-Yoke-Antriebsanordnung
22 hin- und hergehend bewegt wird. Außer den Komponenten
23 und
29 weist die Antriebsanordnung ein Exzenter
24, ein Lager
25, einen mit Schlitz versehenen Mitnehmer
26, eine Antriebswellenführung
28 und Buchsen
27 auf, die den Mitnehmer führen. Die Buchsen
27 sind in
4 dargestellt, die eine Vorderansicht dieser Anordnung zeigt. Die Scotch-Yoke-Anordnung wird durch einen Motor
20 und eine Motorwelle
21 angetrieben. Die Welle
21 dreht außerdem ein Drehventil
18, das durch einen Bolzen
48 damit verbunden ist. Die Ventilscheibe
18 wird auf eine ähnliche Weise durch Differenzdruckkräfte gegen einen stationären Sitz
19 gehalten, wie dies in der Patentanmeldung
US 2007/0119188 A1 beschrieben ist.
2 zeigt eine mögliche Konstruktion des in
1 schematisch dargestellten Einlassventils Vi, 10. Das Auslassventil Vo kann eine ähnliche Konstruktion haben. Die Einlassventilanordnung
60 weist einen Ventilteller
61, eine Feder
62, eine Zugstange
63, einen Ventilstößelkolben
64, einen Federhalter
65, ein Gehäuse
66 und einen Sitz
67 auf. Eine Ventilzugstangendichtung
52 und eine Stößeldichtung
53 schließen Gas im verdrängten Volumen DVi, 54, ein, wodurch der Ventilteller
61 vom Sitz
67 angehoben wird, wenn Gas mit dem Druck Ph von der Leitung
37 zugeführt wird, und setzt den Ventilteller
61 zurück, wenn der Druck durch Ports Vih und Vil in der Grenzfläche zwischen dem Drehventil
18 und dem Sitz
19 auf Pl geschaltet wird. Die Ausgleichskraft auf den Stößel
64 veranlasst, das der Gasdruck im Gehäuse
39 aufgrund einer Öffnung
59 im Ventilsitz
19 den Druck Pl annimmt. Die Grenzfläche zwischen der Scheibe
18 und dem Sitz
19 weist außerdem einen Port V3, über den dem Volumen DVw Gas mit dem Druck Ph über die Leitung
32 zugeführt wird, und einen Port V4 auf, über den Gas mit dem Druck Pl über die gleiche Leitung ausgelassen wird. Das Auslassventil
11 kann ähnlich wie die Einlassventilanordnung
60 durch Ports im Drehventil konstruiert werden, über die ein Stößel betätigt wird.
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3 zeigt eine Querschnittansicht/schematische Ansicht einer Maschinenanordnung 300. Ein Kolben 1 weist einen Regenerator 42 in seinem Körper auf, der eine Öffnung 43 aufweist, die ihn mit dem Volumen DVc verbindet, und Öffnungen 44, die ihn mit dem Volumen DVw verbinden. Diese Anordnung ermöglicht, dass Gas zwischen den beiden verdrängten Volumina strömen kann, um in beiden Volumina im Wesentlichen den gleichen Druck aufrechtzuerhalten. Für den Regenerator ist ein relativ kleines Volumen erforderlich, so dass mit dem Regenerator verbundene Verluste minimal sind. Der Druckabfall über den Regenerator ist kleiner als der Druckabfall über den Wärmetauscher 40, so dass die Druckdifferenz zwischen den Volumina DVc und DVw kleiner sein wird als in den Ausführungsformen 100 und 200. Der Kolben 1 wird über ein Ventil V1, 12, das das Volumen DVS, 5, über die Leitung 33 mit der Leitung 30 verbindet, an der der Druck Ph bereitgestellt wird, und ein Ventil V2, 13, das das Volumen DVs mit der Leitung 31 verbindet, an der der Druck Pl bereitgestellt wird, durch Gasdruck angetrieben, der zwischen den auf die Antriebsspindel 2 wirkenden Drücken Ph und Pl wechselt. Es wird vorausgesetzt, dass die Ventile Vi und Vo der in 2 dargestellten Ventilanordnung 60 ähnlich sind. Ventilstößel, wie die in 2 dargestellten Ventilstößel 64, betätigen die Ventile Vi und Vo, wenn der Gasdruck in den Leitungen 37 und 38 sich zyklisch zwischen Ph und Pl ändert. Ein Wechselventil 70 gleitet in einer Buchse 71 zwischen der dargestellten unteren Position und einer oberen Position, wo der Kolben 1 sich an der oberen Hubposition befindet. Schlitze 72 und 73 verbinden alternierend Gas mit dem Druck Ph von der Leitung 30 und Gas mit dem Druck Pl von der Leitung 31 mit Leitungen 37 und 38 über Ports 74, 75, 76 und 77 auf der Kompressorseite des Ventils 70 und mit den Leitungen 37 und 38 über Ports 78, 79, 80 und 81 auf der Maschinenseite des Wechselventils 70. Wenn der Kolben 1 sich an der unteren Position befindet, strömt Gas mit dem Druck Ph über den Port 74, den Schlitz 72 und den Port 79 zur Leitung 37, wo es veranlasst, dass ein Stößel das Ventil Vi offen hält. Der Stößel für das Ventil Vo ist über die Leitung 38, den Port 81, den Schlitz 73 und den Port 77 mit dem Druck Pl verbunden, wodurch veranlasst wird, dass das Ventil Vo geschlossen wird. Wenn das Ventil V2 geöffnet wird und das Volumen DVs über die Leitung 33 und die Antriebsgasöffnung 45 mit dem Niederdruck verbindet, bewegt sich der Kolben 1 nach oben. Das Wechselventil 70 bewegt sich nicht, bis der Kolben 1 fast die obere Hubposition erreicht und das Wechselventil 70 nach oben drückt, so dass die Schlitze 72 und 73 mit den oberen Ports in der Buchse 71 ausgerichtet werden und veranlassen, dass das Ventil Vi geschlossen und das Ventil Vo geöffnet wird. Der Stößel für das Ventil Vi ist über die Leitung 37, den Port 78, den Schlitz 72 und den Port 75 mit dem Druck Pl verbunden. Der Stößel für das Ventil Vo ist über die Leitung 38, den Port 80, den Schlitz 73 und den Port 76 mit dem Druck Ph verbunden. Das Schalten des Drucks im Volumen DVs von Pl auf Ph durch Schließen des Ventils V1 und Öffnen des Ventils V2 veranlasst, dass der Kolben 1 nach unten bewegt wird. Das Wechselventil 70 bewegt sich nicht, bis der Kolben 1 fast die untere Hubposition erreicht. Ein „O“-Ring 55 ist einer von einer Folge von „O“-Ringen im Antriebsspindelzylinder 69, die den Umfang der Buchse 71 dichten, um axiale Gasleckverluste vom Hoch- zum Niederdruck zu verhindern.
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Die Antriebsgasöffnung 45 ist manuell oder elektrisch einstellbar, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der der Kolben 1 sich nach oben und unten bewegt. Wenn eine Maschine zum Abkühlen einer Last verwendet werden soll und erwünscht ist, die vom Kompressor ausgegebene Arbeit konstant zu halten, ist es erforderlich, bei einer maximalen Maschinengeschwindigkeit bei Raumtemperatur zu beginnen und die Maschinengeschwindigkeit mit abnehmender Temperatur zu vermindern. Ziel ist es, die Öffnung 45 derart einzustellen, dass der Kolben 1 einen vollen Hub ausführt, aber nicht sehr lange an den Hubenden verweilt. Alternativ ist ein Betrieb bei einer konstanten Geschwindigkeit mit einer festen Öffnung möglich, die für einen Betrieb bei einer minimalen Temperatur ausgelegt ist. Während des Abkühlens wird der Kompressor einen Teil des Gases umleiten.
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4 zeigt eine Querschnittansicht/schematische Ansicht einer Maschinenanordnung 400. Sie weist dahingehend die gleichen Merkmale auf wie die Maschinenanordnung 300, dass sie einen Regenerator 42 im Körper des Kolbens 1 zum Minimieren der Druckdifferenz zwischen den Volumina DVc und DVw aufweist, und hat den mechanischen Antriebsmechanismus der Maschine 200. Die Scotch-Yoke-Antriebsanordnung 22, die in 2 in Seitenansicht dargestellt ist, ist in 4 in Vorderansicht dargestellt. Eine am Ende der Motorwelle 21 montierte Drehventilscheibe 18 sowie ein Ventilsitz 19, die in 2 dargestellt sind, sind Teil der Maschine 400, in 4 ist aber nur die Motorwelle 21 dargestellt. Das gleiche trifft für die Einlassventilanordnung 60 zu. Eine ähnliche Ventilanordnung zum Öffnen und Schließen des Ventils Vo ist Teil der Maschine 400, aber nicht dargestellt. Die Drehventilscheibe 18 und der Sitz 19, die Ports zum Betätigen von Ventilstößeln über Leitungen 37 und 38 aufweisen, wie in den 2 und 3 dargestellt ist, sind ebenfalls Teil der Maschine 400, aber in 4 nicht dargestellt. Die Vorderansicht der Scotch-Yoke-Antriebsanordnung 22 zeigt einen Motor 20, eine Kupplung 29, die die Antriebswelle 23 mit der Antriebsspindel 2 verbindet, ein Exzenter 24, ein Lager 25, einen mit Schlitz versehenen Mitnehmer 26, eine Antriebswellenführung 28 und Führungsbuchsen 27. Die anderen dargestellten Komponenten sind vorstehend beschrieben worden.
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Die Maschine 400 hat eine vielseitige Konstruktion, weil die Geschwindigkeit geändert werden kann, die Druckdifferenz zwischen den Volumina DVc und DVw unabhängig von der Ventilzeitsteuerung immer klein sein wird und ein Spielraum in der Ventilzeitsteuerung besteht, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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5 zeigt eine Querschnittansicht/schematische Ansicht einer Maschinenanordnung 500. Sie weist dahingehend die gleichen Merkmale auf wie die Maschinen 300 und 400, dass sie einen Regenerator 42 im Körper des Kolbens 1 zum Minimieren der Druckdifferenz zwischen den Volumina DVc und DVw aufweist. Der Kolben 1 wird durch Gasdruck angetrieben, der durch ein Ventil V1, 12, das das Volumen DVS, 5, über eine Leitung 33 mit der Leitung 30 verbindet, an der der Druck Ph bereitgestellt wird, und ein Ventil V2, 13, das das Volumen DVs mit der Leitung 31 verbindet, an der der Druck Pl bereitgestellt wird, zwischen den auf die Antriebsspindel 2 wirkenden Drücken Ph und Pl alternierend umgeschaltet wird. Es wird vorausgesetzt, dass Ventile Vi und Vo der in 2 dargestellten Ventilanordnung 60 ähnlich sind. Ventilstößel, wie der Stößel 64 in 2, betätigen die Ventile Vi und Vo, wenn der Gasdruck in den Leitungen 37 und 38 sich, gesteuert durch Ventile 81, Vih, 82, Vil, 83, Voh und 84, Vol, zwischen Ph und Pl zyklisch ändert. Ein Drehventil, wie das in 2 dargestellte Drehventil, kann Ports für die Ventile V1, V2, Vih, Vil, Voh und Vol aufweisen, die gemäß der gewünschten Schaltfolge und relativen Zeitsteuerung in die Ventilscheibe und den Sitz eingebaut sind. Die anderen dargestellten Komponenten sind vorstehend beschrieben worden.
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6 zeigt Druck-Volumen-Diagramme, und 7 zeigt Ventilöffnungs- und -schließfolgen für eine oder mehrere der in den 1 bis 5 dargestellten Maschinen. Die Zustandspunktnummern in den P-V-Diagrammen entsprechen der in 7 dargestellten Ventilöffnungs-/-schließfolge. Die Zeitsteuerung für die Ventilöffnungs- und Schließvorgänge ist nicht dargestellt, sondern nur die Folge. Das P-V-Diagramm 6a bezieht sich auf die Maschine 100, Option A, die an Stelle der Ventile V3 und V4, die in der Option B dargestellt sind, Absperrventile aufweist. Punkt 6 stellt einen Zustand dar, in dem der Kolben 1 sich am Hubende befindet, das Volumen DVc minimal ist, die Volumina DVc und DVw den Druck Pl haben und das Volumen DVs den Druck Ph hat. Dann wird das Ventil Vo geschlossen und das Ventil Vi geöffnet. Dadurch nimmt das Volumen DVc zu, bis das Gas im Volumen DVw auf den Druck Ph komprimiert ist (Punkt 1). Am Punkt 1 wird das Ventil V1 geschlossen, woraufhin das Ventil V2 geöffnet wird, so dass der Druck im Volumen DVs Pl beträgt. Der Kolben 1 bewegt sich nach oben, während Gas über das Absperrventil CVh bei Druck Ph zur Leitung 30 strömt. Das Einlassventil Vi wird am Punkt 2 zu einem Zeitpunkt geschlossen, zu dem der Kolben 1 sich am oberen Hubende befindet und das Volumen DVw minimal ist. Das Ventil Vo wird geöffnet (Punkt 3), woraufhin der Druck im Volumen DVc auf Pl abfällt. Restgas mit dem Druck Ph in den Zwischenraumvolumen am warmen Ende veranlasst den Kolben 1, mit seiner Abwärtsbewegung zu beginnen, wenn das Ventil V2 geschlossen und das Ventil V1 geöffnet wird (Punkt 4). Weil Gas mit dem Druck Ph im Volumen DVs den Kolben nach unten antreibt, wird Gas über das Absperrventil CV2 bei Druck Pl in das Volumen DVw gesaugt. Wenn der Kolben 1 das kalte Ende erreicht, wird das Ventil Vo geschlossen (Punkt 5).
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Durch Ersetzen der Absperrventile in der Maschine 100, Option A, durch aktive Ventile, Option B, kann die Maschine gemäß dem P-V-Diagramm 6b betrieben werden. Nachdem der Kolben bei Punkt 5 die untere Position erreicht hat, wird das Ventil V4 geschlossen und dann das Ventil V3 geöffnet, wodurch sich der Druck im Volumen DVw von Pl auf Ph ändert. Im Volumen DVs liegt weiterhin der Druck Ph vor, so dass, wenn das Ventil Vi geöffnet wird (Punkt 6), der Kolben sich nicht bewegt, bis bei Punkt 1 das Ventil V1 geschlossen und das Ventil V2 geöffnet wird. Das Gas mit dem Druck Pl im Volumen DVs veranlasst, dass der Kolben 1 nach oben bewegt wird, wodurch Gas mit dem Druck Ph in das Volumen DVc angesaugt wird. Der Kolben 1 erreicht seine obere Position, bevor das Ventil Vi bei Punkt 2 geschlossen wird. Dann wird das Ventil V3 geschlossen und das Ventil V4 geöffnet, bevor das Ventil Vo bei Punkt 3 geöffnet wird. Der Gasdruck in den Volumina DVs und DVw ist aufgrund des Druckabfalls im Wärmetauscher 40 tatsächlich etwas niedriger als Pl, so dass der Kolben nicht mit seiner Abwärtsbewegung beginnt, bis bei Punkt 4 das Ventil V2 geschlossen und das Ventil V1 geöffnet wird.
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Die Maschine 200 arbeitet auch gemäß dem P-V-Diagramm 6b. Die Scotch-Yoke-Anordnung 22 ersetzt den Spindelantrieb und die Ventile V1 und V2. Nachdem der Kolben bei Punkt 5 seine untere Position erreicht hat, wird das Ventil Vo geschlossen, woraufhin das Ventil V4 geschlossen wird, woraufhin in schneller Folge die Ventile V3 und Vi bei Punkt 6 geöffnet werden. Der Gasdruck im Volumen DVc erreicht den Druck Ph, wenn der Scotch-Yoke-Antrieb beginnt, den Kolben aufwärts zu bewegen (Punkt 1). Der Gasdruck beträgt Ph, bis der Kolben die obere Position erreicht und das Ventil Vi geschlossen wird (Punkt 2). Dann werden das Ventil V3 geschlossen und das Ventil V4 geöffnet bevor Vo geöffnet wird (Punkt 3). Dadurch fällt der Gasdruck im Volumen DVc schnell auf Pl ab, während der Kolben sich, beginnend bei Punkt P4, nach unten bewegt.
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Die Maschine 300 arbeitet auch gemäß dem P-V-Diagramm 6b. Die Ventile V3 und V4 sind aufgrund des internen Regenerators 42 entbehrlich, der die Volumina DVc und DVw beim gleichen Druck hält. Wenn der Kolben 1 die untere Position erreicht (Punkte 5 und 6), wird das Ventil Vo geschlossen und das Ventil Vi geöffnet, wobei der Druck im Volumen DVs Pl beträgt, wodurch der Kolben auf der unteren Position gehalten wird. Weil das Gas in den Volumina DVc und DVw den Druck Ph hat (Punkt 6), bewegt sich der Kolben nicht, bis bei Punkt 1 das Ventil V1 geschlossen und das Ventil V2 geöffnet wird. Das Gas im Volumen DVs mit dem Druck Pl veranlasst, dass der Kolben nach oben bewegt wird, wodurch Gas mit dem Druck Ph in das Volumen DVc angesaugt wird. Wenn der Kolben 1 die obere Position erreicht, wird das Wechselventil 70 geschaltet, um das Ventil Vi bei Punkt 2 zu schließen und das Ventil Vo bei Punkt 3 zu öffnen. Der Gasdruck im Volumen DVc fällt auf Pl ab, woraufhin das Ventil V2 geschlossen und das Ventil V1 geöffnet wird (Punkt P4), wodurch veranlasst wird, dass der Kolben 1 sich nach unten bewegt.
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Die Maschine 400 arbeitet gemäß dem PV-Diagramm 6c. Sie hat keine Ventile V1, V2, V3 oder V4. Der Kolben 1 wird durch eine Scotch-Yoke-Anordnung 22 angetrieben, und ein Regenerator 42 gleicht den Druck in den Volumina DVc und DVw aus. Bevor der Kolben 1 die untere Position erreicht (Punkt 5), wird das Ventil Vo geschlossen, so dass der Druck in den Volumina DVc und DVw zunimmt, während der Kolben 1 sich zum kalten Ende bewegt, wodurch kaltes Gas im Volumen DVc zum Volumen DVw herüberströmt, das sich auf Raumtemperatur befindet. Bei Punkt 6 wird das Ventil Vi geöffnet, wodurch der Druck in den Volumina DVc und DVw schnell auf Ph ansteigt. Bei Punkt 1 bewegt sich der Kolben nach oben, wodurch Gas mit dem Druck Ph in das Volumen DVc gesaugt wird. Bevor der Kolben die obere Position erreicht, wird das Ventil Vi geschlossen (Punkt 2), wobei der Gasdruck abnimmt, während der Kolben sich zur oberen Position bewegt (Punkt 3), wodurch warmes Gas im Volumen DVw zum Volumen DVc herüberströmt. Dann wird das Ventil Vo geöffnet, wodurch der Gasdruck im Volumen DVc auf Pl absinkt. Dann beginnt der Kolben 1 sich nach unten zu bewegen (Punkt 4) und drückt das Gas mit dem Druck Pl durch das Ventil Vo heraus, während er sich zum Punkt 5 bewegt.
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Die Maschine 500 arbeitet gemäß dem P-V-Diagramm 6c. Sie weist keine Ventile V3 oder V4 auf, weil der Regenerator 42 die Drücke in den Volumina DVc und DVw gleich hält. Bevor der Kolben 1 die untere Position erreicht (Punkt 5), wird das Ventil Vo geschlossen (Voh, 83, schließt und Vol, 84, öffnet), woraufhin der Druck in den Volumina DVc und DVw zunimmt, während der Kolben 1 sich zum kalten Ende bewegt, wodurch kaltes Gas im Volumen DVc zum Volumen DVw, das sich bei Raumtemperatur befindet, übertragen wird. Bei Punkt 6 wird das Ventil Vi geöffnet (Vil, 83, schließt und Vih, 82, öffnet), wodurch der Druck in den Volumina DVc und DVw schnell auf Ph ansteigt. Bei Punkt 1 wird das Ventil V1 geschlossen und dann das Ventil V2 geöffnet, wodurch veranlasst wird, dass der Kolben sich nach oben bewegt, wodurch Gas mit dem Druck Ph in das Volumen DVc gesaugt wird. Bevor der Kolben 1 seine obere Position erreicht, wird das Ventil Vi geschlossen (Vih schließt und Vil öffnet) (Punkt 2), woraufhin der Gasdruck abfällt, während der Kolben sich zur oberen Position bewegt (Punkt 3), wodurch warmes Gas im Volumen DVw zum Volumen DVc übertragen wird. Dann wird das Ventil Vo geöffnet (Vol schließt und Voh öffnet), woraufhin der Gasdruck im Volumen DVc auf Pl absinkt. Bei Punkt 4 wird das Ventil V2 geschlossen und das Ventil V1 geöffnet. Dann beginnt der Kolben 1 sich nach unten zu bewegen und drückt das Gas mit dem Druck Pl durch das Ventil Vo heraus, während er sich zum Punkt P5 bewegt.
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Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der für die verschiedenen Maschinen berechneten Kühlleistungen. Die Maschinen
300 und
400 arbeiten gemäß dem gleichen Kreisprozess wie die Maschine
100b und haben nur eine geringfügig höhere Leistung, weil im Antriebsmechanismus etwas weniger Gas verwendet wird, so dass diese nicht aufgeführt sind. Für alle Maschinen wird vorausgesetzt, dass der Druck am Ventil Vi 2,2 MPa und am Ventil Vo 0,8 MPa beträgt. Der Heliumdurchsatz beträgt 6,0 g/s und beinhaltet einen Strom zur Antriebsspindel, zu den Ventilaktuatoren für die Ventile Vi und Vo und Gas, das Hohlraumvolumina beispielsweise für den Regenerator zulässt. Es wird vorausgesetzt, dass der Wärmetauscher einen Wirkungsgrad von 98% besitzt. Es wird vorausgesetzt, dass alle Maschinen einen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit und einen Mechanismus zum Steuern der Geschwindigkeit des Kolbens und eine Ventilzeitsteuerung aufweisen, durch die ein voller Hub mit einer nur kurzen Verweilzeit an den Hubenden erhalten wird. Mit Ausnahme der Maschine
400 sind die Maschinen so dimensioniert worden, dass eine Masse von Raumtemperatur auf etwa 30 K abgekühlt werden kann, wobei eine maximale Geschwindigkeit von 6 Hz im warmen Zustand vorausgesetzt wird, die mit der Temperatur abnimmt, so dass die Maschinen den vorausgesetzten Durchsatz bei den vorausgesetzten Drücken über den größten Teil des Abkühlprozesses verwenden. Die Kühlleistung Q und die Betriebsgeschwindigkeit N sind für Temperaturen T am Ventil Vi von 200 K und 60 K dargestellt. Es ist klar, dass eine Maschine konstruiert werden könnte, die bei einer festen Geschwindigkeit in einem engen Temperaturbereich, z.B. 120 K, arbeitet, um eine Kryopumpe zum Einfangen von Wasserdampf zu betreiben. Die Maschine
500 ist ein Beispiel einer Konstruktion, die für einen Betrieb im Temperaturbereich von 30 K bis 80 K optimiert worden ist. Sie hat einen kleineren Durchmesser Dp und einen kürzeren Hub S als die anderen, so dass sie im Niedrigtemperaturbereich mit höheren Geschwindigkeiten betreibbar ist. Eine derartige Kältemaschine würde mit einem Wärmetauscher mit einem höheren Wirkungsgrad von beispielsweise 98,5% konstruiert. Gemäß Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die Maschine
100a am wenigsten effizient ist. Dies hat seinen Grund im niedrigen Druck des Gases im Volumen DVw, wenn am Punkt
1 Gas mit dem Druck Ph zugeführt wird. Bei den Maschinen
100a,
100b,
200 und
300 treten jeweils Verluste in Verbindung mit der Zufuhr von Gas mit dem Druck Ph, bis der Kolben die obere Position erreicht und dem anschließenden Gasauslass zu Pl auf. Die Maschinen
400 und
500 haben den besten Wirkungsgrad, weil bei ihnen das Ventil Vi früh geschlossen wird, so dass Gas expandiert, während der Kolben sich vom Punkt
2 zu Punkt
3 bewegt, und das Ventil Vo früh geschlossen wird, so dass eine gewisse Rekompression auftritt, während der Kolben sich von Punkt
5 zu Punkt
6 bewegt. Der Maschinenwirkungsgrad nimmt zu, während sie abkühlt, und die Maschine wird langsamer, weil ein geringerer Teil des Gases am warmen Ende verwendet wird. Der Wirkungsgrad ist bei etwa 80 K maximal und nimmt dann ab, weil Verluste am Wärmetauscher dominieren.
Tabelle 1 Vergleich der Leistungsfähigkeit
| Motor | 100a | 100b | 400 | 500 |
| Antrieb | Pneumatisch | Pneumatisch | Scotch-Yoke | Pneumatisch |
| Dp - mm | 101,4 | 101,4 | 82,4 | 101,4 |
| S-mm | 25,4 | 25,4 | 20 | 25,4 |
| V1, V2 | Drehventil | Drehventil | Drehventil | Drehventil |
| V3, V4 | CVs | Drehventil | Regenerator | Regenerator |
| P-V Fig. | 6a | 6b | 6c | 6c |
| Tc- K | 200 - | 200 | 200 | 200 |
| N-Hz | 4,4 | 4,5 | 5,7 | 5,8 |
| Q-W | 840 | 1070 | 560 | 1220 |
| Tc- K | 60 | 60 | 60 | 60 |
| N-Hz | 1,4 | 1,5 | 4,5 | 2,3 |
| Q-W | 110 | 230 | 335 | 315 |
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Innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzumfangs der Erfindung sind weitere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise könnten die Einlassventilanordnung 60 und eine entsprechende Auslassventilanordnung, die als pneumatisch betätigt beschrieben wurden, alternativ elektrisch oder durch durch den Motor 20 angetriebene Nocken betätigt werden.
