DE1228636B - Vorrichtung mit wenigstens einem Zylinder mit einem darin beweglichen kolbenfoermigen Koerper - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F25b

Deutsche Kl.: 17 a - 5

Nummer: 1228 636

Aktenzeichen: N 259991 a/17 a

Anmeldetag: 21. Dezember 1964

Auslegetag: 17. November 1966

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einem Zylinder mit einem darin beweglichen kolbenförmigen Körper, durch den das Volumen eines in diesem Zylinder liegenden Arbeitsraumes änderbar ist, in dem im Betrieb unter der Umgebungstemperatur liegende Temperaturen auftreten, wobei zwischen dem kolbenförmigen Körper und dem Zylinder ein an einer Seite mit dem Arbeitsraum in Verbindung stehender Spalt vorhanden ist, der an seiner anderen Seite durch eine zwischen dem kolbenförmigen Körper und dem Zylinder vorhandene Abdichtung begrenzt ist, die im Betrieb eine höhere Temperatur aufweist als die, welche im Arbeitsraum herrscht.

Bekannte Vorrichtungen der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind z. B. Kaltgaskühhnaschinen, Kolben-Expansionsmaschinen, Kältekompressoren usw.

Bei diesen Maschinen hat der das Volumen des kalten Arbeitsraumes ändernde Kolben im allgemeinen dünne Wände und eine größere Länge. Dies ist geschehen, um den Kurbelkasten vom Arbeitsraum zu isolieren und auch, um die Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder bei der Umgebungstemperatur durchführen zu können. Bei den Abdichtungen weisen der Kolben und der Zylinder einen minimalen Unterschied im Durchmesser auf. Nun ist es bei diesen bekannten Vorrichtungen üblich, dem Kolben zwischen der Stirnfläche und der Abdichtung einen etwas kleineren Durchmesser zu geben als bei der Abdichtung. Dies geschieht, weil durch Fabrikationsungenauigkeiten und Toleranzen sonst die Möglichkeit besteht, daß sich der lange Kolben im Zylinder festläuft.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen tritt aber der Nachteil auf, daß ein verhältnismäßig großer Kältebetrag durch die Wände des Spaltes und durch das Mittel im Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder zur Umgebung entweicht, was für diese Maschinen also einen Verlust bedeutet. Dieser Verlust hat ein Kälteleck zur Folge, was einen Verlust an Nutzleistung bedeutet.

Nach der Erfindung ergibt sich überraschenderweise, daß dieser Nachteil in hohem Maße dadurch beseitigt werden kann, daß diejenigen Wandteile des kolbenförmigen Körpers und/oder des Zylinders, welche die Begrenzung des Spaltes bilden, derart gestaltet sind, daß der Spalt sich mindestens über einen Teil seiner axialen Abmessung in Richtung der Abdichtung erweitert.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung erweitert sich der Spalt gerade in einer Richtung entgegenVorrichtung mit wenigstens einem Zylinder mit einem darin beweglichen kolbenförmigen Körper

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Zoepke, Patentanwalt, München 12, Ridlerstr. 37

Als Erfinder benannt:

Hendrik Jozef Verbeek, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 24. Dezember 1963 (302 577)

gesetzt zu der bei den bekannten Vorrichtungen, und überraschenderweise führt dies zu einer beträchtlichen Herabsetzung des Kälteverlustes.

Aus fabrikationstechnischem Gesichtspunkt ist es. günstig, die Wandteile des kolbenförmigen Körpers und/oder des Zylinders, welche gleichzeitig den Spalt begrenzen, nach der Erfindung kegelstumpfförmig zu gestalten. Der Spalt bekommt dann im Axialschnitt eine konische Form, wobei die größte Spaltbreite an der Seite der Abdichtung liegt.

Bei Vorrichtungen der vorliegenden Art hat der Spalt stets eine sehr kleine Breite, die von mehreren Faktoren abhängig ist, wie dem Hub, dem Durchmesser und der Länge des kolbenförmigen Körpers, dem in axialer Richtung auftretenden Temperaturgradienten und dem im Arbeitsraum auftretenden Druck bzw. dessen Änderungen, der Drehzahl, dem Mittel usw.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung hat der Spalt an seiner vom Arbeitsraum abgekehrten Seite eine Breite von 0,1 bis 0,5 mm.

Eine weitere günstige Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß die den Spalt begrenzenden Wandteile derart verlaufen, daß die Spaltbreite in jedem Punkt des Spaltes einem Wert proportional ist, der kleiner ist als oder gleich dem Wärmeleitungskoeffizienten

609 727/83

3 4

des Arbeitsmittels bei der im Betrieb zu dieser Stelle Abdichtung eine höhere Temperatur aufweist als die, gehörigen Temperatur und größer ist als oder gleich welche im Arbeitsraum herrscht.

der Wurzel aus diesem Wärmeleitungskoeffizienten. Wie aus der Figur ersichtlich ist, befindet sich

Es ergibt sich, daß bei einem Spalt, dessen Breite zwischen dem Kolbenteil 6 und dem Zylinder 1 ein auf diese Weise verläuft, der Kälteverlust besonders 5 Spalt 8. Der Kolbenteil 6 ist derart kegelstumpfförgering ist. mig gestaltet, daß der Spalt 8 sich zur Abdichtung

. Es hat sich ergeben, daß, wenn der Kolben sich hin erweitert.

nicht vollkommen zentrisch im Zylinder befindet, Die Spaltbreite ist in der Zeichnung deutlichkeits-

was zu ungleichen Spaltbreiten über den Umfang halber viel größer dargestellt, als es in der Praxis der führt, ein stellenweise viel größerer Kälteverlust auf- io Fall ist. Es handelt sich hier um Spalte, die an ihrer tritt. Im ganzen erhöht sich der Kälteverlust daher warmen Seite eine Breite aufweisen, die in der in beträchtlichem Maße. Größenordnung von 0,1 bis 0,5 mm liegt.

Um dies zu vermeiden, weist nach einer weiteren Der Spalt verengt sich zur kalten Seite hin, so daß

günstigen Ausführungsform die Vorrichtung nach an der Stelle, an der der Spalt im Arbeitsraum ausder Erfindung das Kennzeichen auf, daß der enge 15 mündet, die Spaltbreite besonders klein ist.
Spalt eine relative Exzentrizität von höchstens 20% Wie bemerkt, herrscht in axialer Richtung über

aufweist. den Spalt ein von der Temperatur des Arbeitsraumes

Nach einer weiteren günstigen Ausführungsform an ansteigender Temperaturverlauf. Nun ist es beweist die Vorrichtung nach der Erfindung das Kenn- kannt, daß der Wärmeleitungskoeffizient (X) des zeichen auf, daß nahezu an der Stelle, an der der 20 Arbeitsmittels, das z. B. Wasserstoff oder Helium enge Spalt im Arbeitsraum ausmündet, ein ringför- sein kann, temperaturabhängig ist. Bei einer höheren miges Zentrierelement im Spalt vorhanden ist, wel- Temperatur ist der Wärmeleitungskoeffizient des ches über seinen Umfang regelmäßig verteilte Öff- Arbeitsmittels höher als bei einer niedrigeren Temnungen aufweist, durch die der Spalt mit dem peratur.

Arbeitsraum in Verbindung steht. Hierdurch wird in 25 Nach der Erfindung hat sich ergeben, daß besoneinfacher Weise eine gute Zentrierung des Kolbens ders geringe Kälteverluste auftreten, wenn die Spaltim Zylinder erzielt, so daß kein zusätzlicher Kälte- breite proportional zu einem Wert verläuft, der verlust durch Abweichungen in der Spaltbreite auf- kleiner ist als oder gleich dem Wärmeleitungskoeffitritt. zienten und größer ist als oder gleich der Wurzel aus

Infolge der regelmäßig verteilten Öffnungen wird 30 dem Wärmeleitungskoeffizient ist.
weiterhin das Arbeitsmittel sehr gleichmäßig über Der Verlauf der Wand des Kolbenteils 6 ist daher

den Umfang des Spaltes verteilt. derart gewählt, daß für zwei beliebige Punkte A

Die Erfindung wird an Hand einiger in den Zeich- und B des Spaltes gilt, daß

nungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher er-

läutert. In 35 xAA. < A < J

Fig. 1, 2 und 3 sind einigeKolben-Zylinder-Kom- ΨλΊ ^" d₂ ^ 2 '

binationen schematisch und nicht maßgerecht dargestellt, bei denen der Verlauf der Spaltwände ver- wobei d_t und d₂ die Spaltbreiten an der Stelle A bzw. anschaulicht ist; der Stelle B und X₁ und X₂ die Wärmeleitungskoeffi-

F i g. 4 und 5 zeigen im Schnitt bzw. in Draufsicht 40 zienten des Arbeitsmittels bei einer zur Stelle A geeine Zylinder-Kolben-Kombination, bei der zwischen hörigen Temperatur bzw. bei einer zur Stelle B gedem Kolben und dem Zylinder ein Zentrierring vor- hörigen Temperatur darstellen,
handen ist; in Auf diese Weise ist mit äußerst einfachen Mitteln

F i g. 6 und 7 sind zwei Ausführungsformen einer der bei Anwendung eines normalen Spaltes mit par-Kaltgaskühlmaschine schematisch im Schnitt darge- 45 allelen Wänden oder eines Spaltes, der an der kalten stellt, bei denen der Spalt zwischen der Verdränger- Seite weiter ist als an der warmen Seite, auftretende und der Zylinderwand auf den wärmen Raum zu er- Kälteverlust aufgehoben,
weitert ist. Obwohl in F i g. 1 die Wand des Teiles 6 als Teil

In F i g. 1 ist mit 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem eines Kegelmantels mit einer geraden Erzeugenden ein Kolben 2 beweglich ist. Der Kolben 2 ist mittels 50 gestaltet ist, kann man diese Wand auch als geeiner Triebstange 3 mit einem nicht dargestellten krümmte Erzeugende verlaufen lassen.
Getriebe verbunden. Der Kolben 2 kann mit seiner Weiterhin ist es möglich, die Wand stufenweise

Oberseite das Volumen eines Arbeitsraumes 4 an- auszubilden, wie es in F i g. 2 dargestellt ist.
dem. Dieser Arbeitsraum kann z. B. der Expansions- Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann die veränder-

raum einer Kaltgaskühlmaschine oder Expansions- 55 liehe Fläche auch in der Zylinderwand vorgesehen kolbenmaschine sein. In diesem Raum herrschen werden. Dies ist aber nur bei Vorrichtungen gut daher im Betrieb niedrige Temperaturen. möglich, in denen der Kolben 2 nur einen beschränk-

Der Kolben 2 ist aus zwei Teilen 5 und 6 aufge- ten Hub ausführt.

baut. Der Teil 5 stellt den eigentlichen Kolbenteil In den F i g. 4 und 5 ist die Art und Weise dar-

dar. Zwischen dem Teil 5 und dem Zylinder 1 be- 60 gestellt, wie der Kolben 2 durch Verwendung eines findet sich eine Abdichtung 7, die als Spaltabdich- Zentrierringes gut im Zylinder 1 zentriert werden rung ausgebildet sein kann; auch ist es möglich, für kann. Der Zentrierring 10 ist dabei mit Löchern 11 die Abdichtung Kolbenfedern, O-Ringe oder eine versehen, die regelmäßig über seinen Umfang verteilt Rollmembranabdichtung zu verwenden. sind. Dies bietet den Vorteil, daß das Arbeitsmittel

Der Teil 6 des Kolbens (die Kolbenkappe) weist 65 sehr gleichmäßig über den Spalt verteilt wird, was, eine über seine axiale Abmessung in Richtung aut wie bereits erwähnt, vorteilhaft ist.
die Abdichtung ansteigende Temperatur auf. Dies Wenn nämlich diese gleichmäßige Verteilung nicht

bedeutet, daß der Kolbenteil 5 und somit auch die vorhanden ist, ergibt sich ein beträchtlicher Kälte-

verlust an den Stellen, an denen eine größere Mittelmenge in den Spalt hinein- und aus ihm herausströmt.

In F i g. 6 schließlich ist als Ausführungsbeispiel eine Kaltgaskühlmaschine dargestellt. Diese Kühlmaschine besitzt einen Zylinder 21, in dem sich ein Verdränger 22 und ein Kolben 23 phasenverschoben bewegen können. Der Verdränger und der Kolben sind durch Kolbenstangen 24 bzw. 25 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Der Kolben 23 kann das Volumen des Kompressionsraumes 26 ändern.

Dieser Raum steht über einen Kühler 27, einen Regenerator 28 und einen Gefrierer 29 mit dem Expansionsraum 30 in Verbindung. Zwischen dem Verdränger 22 und dem Zylinder 21 befindet sich ein Spalt 31, der entsprechend der F i g. 1 gestaltet ist.

F i g. 7 zeigt eine etwas abweichende Ausführung einer Kaltgaskühlmaschine.

Diese Maschine besitzt einen Zylinder 41, in dem ein Kompressionskolben 42 beweglich ist, und einen Zylinder 43, in dem sich ein Verdränger bewegen kann. Der Kompressionskolben und der Verdränger sind durch Kolbenstangen 44 bzw. 45 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden, welches den Verdränger und den Kompressionskolben mit einem bestimmten Phasenunterschied bewegen kann.

Der Verdränger besteht aus drei Teilen, nämlich einer Verdrängerkappe 46, einem den Regenerator enthaltenden Teil 47 und einem Dichtungsteil 48. Weiterhin ist im Zylinder 43 ein Kühler 49 untergebracht.

Das Arbeitsmittel kann aus dem Kompressionsraum 50 über den Kühler 49, den Regenerator 47 und Löcher 51 im Verdränger durch den Spalt 52 hindurch an der Verdrängerkappe entlang zum Expansionsraum 53 strömen.

Bei dieser Maschine ist der Verdrängerteil 47 konisch gestaltet, so daß der Spalt zwischen diesem Teil und dem Zylinder sich nach unten erweitert.

Eine in der Praxis ausgeführte Kühlmaschine der vorliegenden Bauart hatte folgende Hauptabmessungen, und dabei traten im Betrieb nachstehende Verhältnisse auf:

Länge des Verdrängers 36 mm

Durchmesser des Verdrängers ... 12 mm
Hub des Verdrängers 12 mm

Druckverhältnis

im Expansionsraum ±3

Druckpegel 10 Atm.

Temperatur im Expansionsraum 25° K
Drehzahl 1500 Umdr./Min.

Das verwendete Arbeitsmittel war Helium.
Unter diesen Verhältnissen betrug die Breite des sich erweiternden Spaltes an der kalten Seite 0,1 mm und an der warmen Seite 0,25 mm, und die Spaltwände waren genau konisch gestaltet. Es wurde festgestellt, daß der Kälteverlust bei dieser Maschine viel kleiner war als bei einer entsprechenden Maschine, bei der die Spaltwände parallel zueinander verliefen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung mit wenigstens einem Zylinder ίο mit einem darin beweglichen kolbenförmigen Körper, durch den das Volumen eines in diesem Zylinder liegenden Arbeitsraumes änderbar ist, in dem im Betrieb unter der Umgebungstemperatur liegende Temperaturen auftreten, wobei zwisehen dem kolbenförmigen Körper und dem Zylinder ein an einer Seite mit dem Arbeitsraum in Verbindung stehender Spalt vorhanden ist, der an seiner anderen Seite durch eine zwischen dem kolbenförmigen Körper und dem Zylinder vor-

ao handene Abdichtung begrenzt ist, die im Betrieb eine höhere Temperatur aufweist als die, welche im Arbeitsraum herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Wandteile des kolbenförmigen Körpers und/oder des Zylinders, welche die Begrenzung des Spaltes bilden, derart gestaltet sind, daß der Spalt sich wenigstens über einen Teil seiner axialen Abmessung in Richtung der Abdichtung erweitert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Wandteile des kolbenförmigen Körpers und/oder des Zylinders, welche die Spaltbegrenzung bilden, konisch gestaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt an seiner vom Arbeitsraum abgekehrten Seite eine Breite aufweist, die zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Wandteile des kolbenförmigen Körpers, welche den Spalt begrenzen, derart verlaufen, daß die Spaltbreite im jeden Punkt des Spaltes proportional zu einem Wert ist, der kleiner ist als oder gleich dem Wärmeleitungskoeffizienten des Mittels bei der im Betrieb zu dieser Stelle gehörigen Temperatur und größer ist als oder gleich der Wurzel aus diesem Wärmeleitungskoeffizienten ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der enge Spalt eine relative Exzentrizität von höchstens 2O°/o aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nahezu an der Stelle, an der der enge Spalt im Arbeitsraum ausmündet, ein ringförmiges Zentrierelement in diesem Spalt vorhanden ist, welches über den Umfang regelmäßig verteilte Öffnungen aufweist, durch die der Spalt mit dem Arbeitsraum in Verbindung steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 727/83 11.65 © Bundesdruckerei Berlin