DE1501107A1 - Kaeltemaschine - Google Patents

Description

PipUng. H. ZOEPKE

Patentanwalt ~ 1. OEZ. 1966

8 München 12-RWlWIBtW W 1501107

PHK. 1253

jw/wa.

N. V. PHDLIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, • £INDH0V£N /

Kältemaschine."

Die Erfindung bezieht eich auf eine Vorrichtung, die mindestens einer. Zylinder mit einem darin bewegbaren kolbenförmigen Körper enthält, durch den das Volumen eines in diesen Zylinder liegenden Expansionβräumeβ variiert werden kann, in welohem Raum im Betrieb eine mittlere Temperatur herrscht, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur, während zwischen diesem Körper und einer mit ihm zusammenarbeitenden Zylinderwand ein an einer Seite mit dieaem Raum in Verbindung stehender Spalt vorhanden ist, der an seiner von diesem Raum abgewandten Seite durch eine »wischen dem kolbenförmiger. Körper und der Zylinderwand vorhandene Abdichtung begrenzt ist.

Vorrichtungen der eingangs angegebenen Art aind bekanr.t und k3hnen a*B. ils eine Koibenexpansionamaschine ausgebildet aein, in der der Dnjok eines Hochdruckmediume bei niedriger Temperatur erniedrigt wird.

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'' Ein anderes Beiapiel einer derartigen Vorrichtung irfc «in« geml«· dem 3tirling-Prinaip arbeitende Gaskältemaschine, lint derartig· Maschin· entfallt einen oder mehrere Konpreseioneraume mit einem Inderbaren Volumen. , lind einen oder mehrere damit in Verbindung ai»hende Sxpanslonsr&ume, &%· gleichfalls ein änderbare· Volumen haben und in denen im Betrieb niedrig·*· mittlere Temperaturen herrschen als in den genannten Korapreeeionarlumen. In der Verbindung awisehen jedem Paar ier genannten Blum· befindet sioh dabei ein Regenerator, und aura Variieren des Volumen· der genannten Blume mit gegenseitigem Phasenuntereohied sind bewegbare kolbenförmige Körper vorhanden.

Bei einem weiteren Beispiel einer Vorrichtung der Art, auf die sioh die vorliegende Erfindung beaiβfet, ist ein in einem geschlossenen Zylinder bewegbarer doppeltwirkender kolbenförmiger Körper vorhanden. Der Raum an dar einen Seit« cwa kolbenförmigen Körpers hat dabei eine niedrigere mittlere Te»peratus ale der Raum an der anderen Seite des Körpers. Diese beiden Räume stehen üb«r einen Regenerator miteinander in Verbindung, wobei der Raum mit höherer Temperatur abwechselnd mit einem Hochdruckbehälter und mit einem Niederdmokbehälter in Verbindung gebracht werden kann. Die Verbindung mit de» Niederdruokbehftlter wird zustande gebracht, wenn das Volumen des kälteren Raumes nahezu maximal ist, so dass darin hauptsächlich Expansion auftritt.

Bei diesen Maschinen hat der kolbenförmige Körper, der das Volumen

des Sxpansionerauroes andern kann, im allgemeinen dünne Winde und eine ziemlich gross« Höhe« Dies hat den Zweck, den kalten Expansionsraum vom Rau» an der anderen Seite des kolbenförmigen Körpers su isolieren. Weiter hat dies den Vorteil, dass die Ahdiohtung «wischen dem kolbenförmigen ; KJJrper und dem mit ihm susammenarbeitenden Zylinder in einiger ftitfemung von

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kalten Baum und somit bei höherer Temperatur zustande gebracht werden kann. An der Btelle der Abdichtung haben der kolbenförmige Körper und der Zylinder einen eögliohst kleinen Durchmeeserunterschied. Nun iet es bei den bekannten Maschinen ObIicn, dem kolbenförmigen Körper zwischen Stirnfllohe und Abdichtung einen etwas kleineren Durchaeeser zu geben ale an der Stelle der Abdichtung, wodurch ein Spalt swischen dem Zylinder und dem kolben ftSraigen Körper entsteht. Dies ist deswegen gemacht worden, weil •onst durch Herstellungeungenauigkeiten und Toleranzen die Gefahr besteht« da·· eich der lange kolbenförmige Körper im Zylinder verklemmt.

Bei diesen bekannten Maschinen tritt jedoch der Nachteil auf, das· die im Expansion·raus erzeugte Kälte durch die den genannten Spalt begrenzenden W&nde und durch das Medium in diesem Spalt zur Umgebung wegflieset, was somit für die Maschine einen Verlust bedeutet. Ein grosser Nachteil dabei iet, daas bei der abnehmenden Temperatur, bei der Kälte erzeugt werden muss, die Kälteproduktion proportional zur Temperatur abnimmt, während der genannte Kälteverlust proportional zur abnehmenden Temperatur zunimmt. Dieser Verlust wird also relativ immer grosser, je niedriger die Temperatur iet, bei der die Kälte erzeugt wird. Infolge der niedrigeren Temperatur wird der Temperaturgradient vom Expansions raum zur Abdichtung grosser, so dass ein grösserer Kälte verlust aus dem Ez pan si ons raum auftritt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dae Vegfliessen der Kälte aue dem Expansion·raum abnimmt, wenn der Temperaturgradient in axialer Richtung kleiner ist.

Zur Verwirklichung dieser Erkenntnis ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dasB sie Mittel enthält, um die Wand des kolbenförmigen Körpers und/oder des Zylinders, die den genannter. Spalt begrenzt, auf wenigstens eir.^rr. Teil der axialen Länge über den gar.zer Umfang zusatzlich

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zu kühlen. /

Durch diese zusätzliche Kühlung weist der betreffende Wandteil eine niedrigere Temperatur auf, so daee der .Temperaturgradient zwischen diesem Teil und dem. Expansion8raum kleiner sein wird als es ohne dies· Zusatzkühlung der Fall ist. Dadurch,dass diese den Spalt begrenzenden Wände an mehreren Stellen zusätzlich gekühlt werden, kann nahezu jeder erwünschte Temperaturgradient erhalten werden. Auf dieee Weise wird der Verlust der im Expansionβraum erzeugten Kälte auf ein Minimum beschränkt. > Die Kälte, die nun verloren geht, ist den Spaltwänden zügeführte Kälte,

die bei einer höheren Temperatur als die im Expansionsraum herrschende

und somit mit einem besseren Wirkungsgrad erzeugt ist. Daduroh vermag die Vorrichtung mit einem besseren Gesamtwirkungsgrad Kälte zu erzeugen.

Bei einer günstigen Ausführungeform der erfindungsgeoäeeen Vorrichtung sind die Wände des kolbenförmigen Körpers und des Zylinders, dieden Spalt begrenzen, gestuft ausgebildet, derart, dass in axialer Richtung betrachtet der Spalt in wenigstens zwei Teile geteilt ist, wobei ein näher beim kältesten Expansionsraum liegender Spaltteil auf einem kleineren Durchmesser liegt ale ein weiter von diesem Raum entfernter Spaltteil, so dass das Volumen des Raumes unter dem Einfluss der infolge der gestuften Farm entstandenen Ringoberflächen gleichphaaig ait dem Volumen des kältesten Expansionβräume variieren kann. Dadurch wird in den genannten Räumen Kälte erzeugt, so dass der Temperaturgradient in dem Spalt und seinen Wänden kleiner sein wird als bei den bekannten Naschinen. Die Spaltwände wirken dabei als Regenerator für das in die genannten Räume hinein und aus denselben abfliessende Medium. Auf diese Weise ist mit sehr einfachen Mitteln eine örtliche Kühlung der SpaItwande erhalten.

Bei einer weiteren günstigen Auafführungsfera der erfindungs-909843/0615 BAD ORIGINAL

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gemässen Vorrichtung sind die Winde des kolbenförmigen Körpers und des Zylinders/ die den Spalt begrenaen, wenigstens auf einem Teil ihrer axialen Länge beide konisch Ausgebildet, wobei der kleinste Durchmesser dieser Wände in der Richtung dea kältesten Expansionsraums liegt. Dabei wird im Raum» der von den konischen Wänden begrenzt wird, wieder Kälte erzeugt, so

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dass diese konischen Wände gekühlt werden. Dadurch wird der Temperaturgradient im Spalt herabgesetzt.

Bei einer weiteren Auefflhrung der erfindungsgemaseen Vorrichtung sind eine oder mehrere Stellen der Wand des Zylinders und/oder dee kolbenförmigen Körpers, die auoh den genannten Spalt begrenzt, je am ganzen Umfang wärmeleitend mit einer KUltequelle verbunden, wobei jede dieser Kältequellen eine niedrigere Temperatur aufweist als die damit verbundene Stelle, so dass dieser Stelle Wärme ^ntaogen werden kann.

Ausführungebeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in folgenden näher beschrieben. Ee zeigern

Fig. 1 einen echematisohen Schnitt durch eine bekannte Gaskältemaschine,

Pig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine Gaskältemaschine, bei \hv die Wände des Verdrängerte ils, der den Expansion8raum mit der niedrigsten Temperatur beeinflusst, und der damit zusammenarbeitende Zylinder gestuft ausgebildet sind,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine Gaskältemaschine, bei der die iiände des Ve rd ränger te i lsi, doi- den Expansionsraum mit der niedrigsten Temperatur beeinflusst, und der damit zusammenarbeitende Zylinitir konisch ausgebildet sind,-

Fitj. 4 eine andere kälteerzeugende Vorrichtung, bei-der der Körper, der das Volumen des Expan si ons räume variieren kann,

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sowie der damit zusammenarbeitende Zylinder gestuft ausgebildet sind.

Pig« 5 einen aohematlsohen Schnitt durch eine kllteersevgende Vorrichtung! die aus awei Qaekalteeasohinen besteht, dl« ihr« KIlte bei sohiüdenen Temperaturen leisten} dabei ist der kalte Teil der Maschine, die ihre KElte bei der hSheren Temperatur leistet, wlrmeleitend mit einer. Stelle des Teile-ε der Jiylinderwand, der mit 1er letzten Verdringeratufe.

■κ ausammenarbeitet, verbanden.

In Fig» 1 iat eine bekannte Gaskältemaschine dargestellt, die einen Kompressionskolben 1 en thill t, der mit seiner Oberseite das Volvnen des Kompreesicnaraune 2 variieren kann. Mit der Bezugsziffer 3 ist ein auB iwei Teilen 4 und 5 mit verschiedenem !Durchmesser bestehender Verdränger angedeutet, Di» obere Fläche des YerdrSngerteils 4 kann bei Bewegung das Volumen des Sxpanßioneraumn 6 variieren, wahrend die RingoberflSohe 7 das Volumen eires Zwißohan^jcpunßionerauma 8 variieren Kann. Der Kompressionskolben 1 vnA de? Verdränger 3 sind mittels einer Kolbenstange 1C bzw. einer Verdrängen tang© 9 mit einem nicht gezeichneten Getriebe verbunden, das

W diese KSrper mit einem gegenseitigen Fbasenuntersohied bewegen kann. Der Kompreaeionsraum 2 ßteht Über einen Kühler 11, einen ersten

■ Regenerator 12 und einen ersten Gefrierer 13 mit dem Zwisohenexpansionsraum in Verbindung. Der Zwlsohenexpansionsraum θ steht über einen zweiten Begenerator 14-und einen zweiten Gefrierer 15 mit dem Expanaionsraum 6 in Verbindung. Der Verdrängerteil 4 liegt mit Spiel in dem mit ihm zusammenarbeitenden Zylinderteil, so dass zwischen diesem Verdringerteil und den Zylinder ein enger Spalt 17 vorhanden ist, der an seiner oberen Seite in offener Verbindung steht mit dem Expansions raum 6 uml ><m Meiner unteren Seite duroh die am Verdrängerteil 4 angebracht» Abdichtung 18 abgeschlossen ist. Diese

Abdichtung hat also eine hShere Temperatur als der Expansionsraun 6.

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D»r Vtrdrlngerteil 5 mit ietn grBeseren Durchmesser iut auf entsprechende IU Ue ausgebildet.

» Die Wirkungsweise dieaer bekannten Vorrichtung ist bekannt und

wird dtβwegen nicht nther erlSutert.

Ik Betrieb herrscht in Zwischenexpaneionsraum B₁ z.B. eine

Temperatur von 10O⁰K und im Expansionsraum 6 ein« Temperatur von 2O⁰K. Vtbsr dem 6j>alt 17 steht also, vie in Fig. 1 angedeutet i«t, ein Temperaturgradient von 20 su 10O⁰K. Dadurch leckt durch die Wände, die den Spalt 17 tegrenken, und auoh durch das Mediui im Spalt eine Kältemenge sum Zwiechen-•xpansioneraum 8 weg. Venn man bedenkt, dass die Kälteerzeugung proportional ist epr Temperatur, bei der die Expansion stattfindet, also bei dieeer niedrigen Temperatur mtr klein sein "kann j dUrft ee klar sein, dass KBl teverluete aus diesem Baum die Produktion sehr nachteilig beeinfluüsen, de .'art sogar, dass es unter Urne tin den untauglich ist, bei der erwCr.echten niedrigen Temperatur noch KÄlte xu leinten und sogar unmöülich sein kann, die erwiJnBchte niedrige Temperatur eu erreicher.. Bioß ist gevise der Fall, wenn nicht wie in der dargestellten Maschine ein ßwstufter VerdrSncer, sondern ein zylindrischer Verdränger mit überall t'l^elcbem Dirchmess^r angewandt wir'i, lesser, vom Raum 6 abgewählte Seite iiuin auf Zimmert^rtperatur (30O⁰K) ateht.

In-Fif 2 ist eine GaakBltemaechine gezeichr.et, die ir. grocsen Zügen 4er Gaskältemaschine gemass Fig. 1 entspricht. Der Unterschied zwischen diesen zwei Maschinen int, daee der Verdrängerteil 4 und iie damit susaaeenarbeiterde ZjIinderwand gestuft ausgebildet sinri, so das? Ring-OberflSehen 20 und 21 gebildet sind, die bei Bewegung das Volumen der Räume 22 und 23 variierer können. Diese Rliure stehen Cter die Teile 17' und 17'' dee en^er. Spalte« ir.it dem Eipansior.frauir 6 in Verbin-ivr.g. Oa lie

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Volumenänderangen der Räume 22 und 23 mit denen des ExpaneionsrauBB 6 gieioh*

phasig sind, bilden diese Räume ebenfalls Expaneionsräume, eo dass darin Kälteerzeugung stattfindet, wobei die Wände'de. r Spalt teile 17' und 17" al* Regenerator for das. Medium wirken, das in die Räume 22 und 23 hinein bsw. aus denselben herausflieset. Durch"diese Kaiteerzeugung ergibt eioh in diesen Räumen eine Temperatur,.die niedriger ist als die Temperatur an den entsprechenden Stellen bei der Maschine gemäss Fig. 1. Der Temperature rlauf vom Raum 6 (20⁰K) zum Raum 8 (100⁰K) ist in Fig. 2 dargestellt. Daraus -geht hervor, dass der Temperaturgradient im ersten Teil viel weniger steil ist als bei Fig. 1. Dadurch ist der KSl te verlust aus dem Raun 6 kleiner*. Selbstverständlich tritt nun, da der Temperaturunterschied »wischen Raua und Raum 8 gross ist, an dieser Stelle eine bedeutende Kälteübertragung in Riohtung des Raumes 8 auf. Die dadurch verloren gehende KtIte ist jedoch bei höherer Temperatur (40 iC) und somit mit einem besseren Wirkungsgrad erzeugt, so dasβ ein Verlust dieser Kälte weniger schwer wiegt als sin Verlust der Kälte aus dem Raum 6. Infolgedessen arbeitet diese Gaskältemaschine ait einem höheren Wirkungsgrad, d.h. sie leistet mehr Kälte bsi einer bestimmten Temperatur oder sie kann eine niedri4j«re Temperatur erreichen als die bekannte Gaskaltemaschine gemass Fig. 1.

Statt der geetuften Ausführung dee Verdrängerteils 4 kann dieser Teil auch, wie bei der Gaskältemaschine gemass Fig, 3, konisch ausgebildet werden.

Dabei variiert das Volumen des Raumes 25 unter de« Einfluss des konischen.Verdrängerteile gleichphasig mit dem Volumen des Rauees 6, so dass der Raum 25 ebenfalls ein Expansionsraum ist. In diesem Raum wird also ebenfalls Kälte erzeugt, jedooh nicht bei der im Rau* 6 herrschenden niedrigen Temperatur, sonlern bei einer im Kittel höheren Temperatur. Der

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Kälteverlust aus dem Raun 6 ist also wieder kleiner als bei der Maschine gemäss Fig. 1, während die wegleckende Kälte aus dem Raum 25 bei höherer Temperatur und somit bei einem höheren Wirkungsgrad eraeugt ist, ■

Fig. 4 zeigt schematiach eine kälteeraeugende Vorrichtung', die einen in einem geschlossenen Zylinder 30 bewegbaren doppeltwirkenden kolben,-förmigen Körper 31 enthält. Die beiden Räume 32 und 33 auf beiden Seiten des kolbenförmigen Körpers 31 stehen miteinander in Verbindung. In dieser M

Verbindung liegt ein Regenerator 34. Der kolbenförmige Körper 31 ist Über eine Kolbenstange 35 mit einem nicht gezeichneten Getriebe verbunden.

An den Raum 33 schliessen eine Leitung 36 und eine Leitung 37 an, die regelbare Absperrventile 3θ und 39 enthalten. Die Leitung 36 schliesst Über ein Vorratsgefä3s 40 und einen Wärmeaustauscher 41 an den Einlass einer Kompressionsvorrichtung 42 an. Die Leitung 37 echliesst Ober ein Puffergefäss 43 tuid den Wärmeaustauscher 41 an den Auslass des Kompressors 42 an.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt. Wenn der Kolben 31 nahezu seine unterste Lage einnimmt und das Volumen des Raumes 33 dann nahezu maximal ist, wird das Absperrventil 39 geöffnet und das ganze System fClltr ™ sich mit Hochdruclcmedium. Bei geöffnetem Stand des Absperrventils 39 bewegt eich dann der Kolben 31 nach oben. Wenn der Kolben 31 seine oberste Lage einnimmt und das Volumen des Rauites 32 dann maximal ist, wird das Absperrventil 39 geschlossen und das Absperrventil 38 geöffnet. Diese Betätigung der Absperrventile ist eventuell auch schon möglich während des Aufwärtshi.bßs des Kolbens 31. 3ei der durch das Oeffnen des Absperrventils 38

verursachten Druckverminderung wird das Medium kälter, 00 dass im Raum 32 eine gewisse Kälteerzeugung erhalten wird. Im Raum 32 stellt sich eine sohr nie-lrigß mittlere Temperatur ein z.B. 20 K. Um Verlust der in diesem Raum orzeugten Kälte zu vermeiden, ist der Kolben 31 wieder gestuft

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ausgebildet. Dadurch ist der Kolben 31 mit HingoberfHohen 45 und 46 vereehen, die das Volumen dea Raumes 47 und 48 gleiohphaeig mit den Volumen des Raumes 32 variieren* Diese Räume sind somit auch Expansionsräume, so dass darin auoh Kälte eraeugt wird, jedoch bei einer hBhsren Temperatur und Bomit mit einem höheren Wirkungsgrad. Bei dieser Vorrichtung wird also, auf gleiche Weise wie bei der Gaskältemaschine gemiss Fig« 2 Kalt·verlust

k aus dem Raum 32 vermieden*

Bei den in den vorstehenden Figuren dargestellten Vorrichtungen

^: wird KÄlteverlust aus dem kältesten Expansionaraum dadurch vermieden, das» bei einer höheren Temperatur Kälte erzeugt wird, mit der die Spaltwan de gekühlt werden. Diese Zuaatzkälte wird dabei von der Maschine selber erzeugt»

Ee ist selbstverständlich auoh möglich, diese Zueatzkälte mit einer anderen Maschine zu erzeugen.

Dies ist BChematisoh in Fig. 5 dargestellt*

In dieser Figur sind nebeneinander ewei Qaekältemasohinen A und 3 dargestellt« Im Expansionsraum 6 der Maschine A wird nun bei einer Temperatur von 20⁰K Kälte erzeugt. Im Expansionβraum 6 der Maschine B wird bei einer Temperatur von a.B, 30⁰K Kälte erzeugt. Der kalte Expansion·raun 6 der Maschine B ist mittels eines Leitungssystems 30, in dem sich ein Medium befindet, mit einer Stelle 51 der Zylinderwand verbunden, die einen Teil der Begrenzung des Spalte 17 bildet. Die Stelle 51 ist derart gewählt, dass sie ohne Zusatzkühlung eine Temperatur höher ale 3O⁰K aufweisen wCrd·. Das Medium im Leitungssystem 50 ist derart gewählt worden, dass es bei 20⁰K gegen die Wände des Expansibnsraum 6 der Masohine B kondensiert und : an der Stelle 5I verdampft, wobei also die Zylinderwand gekühlt wird. Auf diese Weise iat der Temperaturgradient bei der Masohine A swischen den Raum 6 und der Stelle 5I kleiner als wenn keine Kühlung stattfinden würde»

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ist der Kältevorlust aus dem Raum 6 bei der Maschine A kleiner feti der bekannten Gaskältemaschine geraSse Fig. 1.

Das Leitungssjetem 50 kann wenn erwünscht auch durch eine andere

Verbindung, wie ein Kupferband,ersetzt werden.

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Claims (4)

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1. Vorrichtung, die mindestens einen Zylinder mit einem darin bewegbaren kolbenförmigen K8rper enthält, durch den das Volumen eines in dem Zylinder liegenden Bipanaionsraumes variiert werden kann, in welchem Raun im Betrieb eine mittlere Temperatur herrscht, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur, während zwischen diesem kolbenförmigen Körper und der mit ihm zusammenarbeitenden Zylinderwand ein auf einer Seite mit diesem Raum in Verbindung .stehender Spalt vorhanden ist, der auf seiner von diesem Raum abgewandten Seite durch eine zwischen dem kolbenförmigen Körper und der Zylinderwand vorhandene Abdichtung begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine Mittel enthält, um die Wand des kolbenförmigen Körpers und/oder Zylinlers, die den genannten Spalt begrenzt, auf wenigstens einem Teil der axialen Länge am ganzen Umfang zusätzlich zu kühlen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des kolbenförmigen Körpers und des Zylinders, die den Spalt begrenzen, gestuft ausgebildet sind, derart, dass, in axialer Richtung betrachtet der Spalt in wenigstens zwei Teile geteilt ist, wobei ein näher beim kältesten Eiiansionsraum liegender Spaltteil auf einem kleineren Durchmesser liegt als ein weiter von diesen. Raum entfernter Spaltteil, so das« das Volumen der Räume unter ierr; Einfluss der infolge der gestuften Form entstandenen Ringoberflächen gleichphasig mit dem Volumen des Expansionsräume variieren kann.

3· Vorrichtung r.ach Anspruch 1, dadxrch gekennzeichnet, dass die

Wände des kolbenförmigen KSrpers und des Zylinders, die den Spalt be^r»r.zen, wenigstens auf einem Teil ihrer axialen LKn £p beiae konisch ausgebildet Bind, wobei der kleinste IKi oh besser dieser WiIn i*> in der Richtung des kältesten

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzelehnet, daea eine

oder mehrere Stellen der Wand dee Zylinders und/oder >lea Icolbenf8rtnigen Körpers, d*ie auch den genannten Spalt begrenzt, je am ganzen Umfang wärmeleitend mit einer Kaltequelle verbunden sind, wobei ,jede dieser Kältequellen eine niedrigere Temperatur aufweist als dia damit verbundene Stelle, so dass diesen Stellen Wärme entzogen werden kann.

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