DE202023101843U1

DE202023101843U1 - Ein System für mechanisch angetriebenen GM-Kryokühler und Antriebsmechanismus mit zwei Kaltfingern

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Publication number: DE202023101843U1
Application number: DE202023101843.2U
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Priority date: 2023-04-13
Filing date: 2023-04-13
Publication date: 2023-07-03
Anticipated expiration: 2033-04-14

Abstract

Ein System für einen mechanisch angetriebenen Kryokühler und Antriebsmechanismus von Gifford-McMahon mit zwei Kaltfingern, das System umfasst:
eine Heliumkompressoreinheit bestehend aus einem Kolben-/Scrollverdichter, einem Ölabscheider, einem Heliumwärmetauscher, einem Adsorber, einem Ölwärmetauscher und einem Niederdruckpuffervolumen;
ein umfassender Ölabscheidemechanismus, der in der Kompressoreinheit verwendet wird, um das Eindringen von Öl in den Kaltkopf des Kryokühlers zu verhindern, das aufgrund der kryogenen Temperatur verfestigt werden kann und den Ausfall der Kaltkopfeinheit verursacht;
eine Ventilsteuereinheit, ausgewählt aus einem oder mehreren mechanischen Drehventilen oder Magnetventilen, wobei das mechanische Drehventil aus einem Rotor besteht, der fest über einer Ventilplatte gehalten und mit Hilfe eines Motors mit einer solchen Geschwindigkeit gedreht wird, dass, wenn der Rotiert der Rotor über der Platte, entsteht ein Strömungskanal zwischen den Hoch- und Niederdruckleitungen des Kompressors mit gemeinsamem Gasströmungsweg, der es dem Hoch- und Niederdruckgas ermöglicht, abwechselnd den Kaltkopf zu verbinden und die oszillierende Druckwelle zu erzeugen, während der Magnetventile mit entsprechenden elektronischen Steuereinheiten erzeugen auch den oszillierenden Druckimpuls für den Kaltkopf des Kryokühlers;
einen Kaltkopf, bestehend aus einer Kompressionskammer, einem Verdrängergehäuse, einer Gleitringdichtung, einem Regenerator, einem Einlass- und einem Auslassgasströmungsweg, einem Einlass- und einem Auslassströmungsgleichrichter, einem Kaltkopfzylinder, einem kalten Wärmetauscher/Kühlkopf, wobei zwischen der Außenfläche des Verdrängers und der Innenfläche des Kaltkopfzylinders Gleitdichtungen vorgesehen sind, die den Fluss von Arbeitsfluid von der Kompressionskammer zu der Expansionskammer verhindern, und die Gleitdichtung vorzugsweise eine O-Ring-Dichtung ist umgeben von einer C-förmigen Teflondichtung, die einen Kältemittelfluss von der Kompressions- zur Expansionskammer verhindert und das Arbeitsfluid zwingt, durch den Regeneratorströmungskanal zu strömen, wobei der Verdränger mit einem Verdrängerantriebsschaft verbunden ist, der ferner mit einer Pleuelstange verbunden ist so dass durch die Pleuelstange und den Antriebsschaft des Verdrängers Kraft vom Motor auf den Verdränger übertragen wird und dieser sich innerhalb des Kaltkopfzylinders hin- und herbewegt, wodurch sich das Volumen sowohl der Kompressions- als auch der Expansionskammer in einem Zyklus ändert, wobei der Verdränger Gleitlager der Antriebswelle verhindert das Austreten von Kältemittel und führt die Bewegung des Verdrängers; Und
einen Antriebsmechanismus, der einen Motor, ein kreisförmiges Getriebe, ein linkes Lineargetriebe, ein rechtes Lineargetriebe, einen Zahnstangenhalter, eine Pleuelstange und ein Pleuelstangenzapfenlager umfasst, wobei das Pleuelstangenzapfenlager die Pleuelstange in ihrer Position hält und die Dichtungsanordnung das Austreten von Schmiermittel verhindert, wobei die Pleuelstange an dem Verdrängerantriebsschaft befestigt ist und die Drehbewegung des kreisförmigen Zahnrads mit dieser Anordnung in eine hin- und hergehende Bewegung umgewandelt wird, wobei aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung der Verdränger kalt ist Kopfzylinder, das Volumen sowohl der Expansionskammer als auch der Kompressionskammer ändert sich in einem Zyklus und es wird ein Kühleffekt erzeugt, wobei der Zahnradantriebsmechanismus mit einem Außengehäuse abgedeckt ist, um das Eindringen von Staub zu vermeiden und das Erscheinungsbild einfach zu machen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einfache Zahnradantriebsmechanismen, genauer gesagt auf ein System für einen mechanisch angetriebenen GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern und einen Antriebsmechanismus.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein von WE Gifford und HO McMahon von AD Little Inc. erfundener Gifford-McMahon (GM)-Zyklus-Kryokühler arbeitet nach dem thermodynamischen Gifford-McMahon-Zyklus und erzeugt einen bestimmten Kühleffekt im kryogenen Temperaturbereich, indem das Arbeitsfluid durch einen mechanischen Verdränger expandiert wird. Diese Kryokühler werden hauptsächlich in bodengestützten Anwendungen eingesetzt, um den Bedarf an kryogener Kühlung zu decken, wie z. flüssiges Helium für Anwendungen im Labormaßstab, Kalibrierung kryogener Temperatursensoren von 300 K bis 4 K usw. Die physikalische Größe eines GM-Kryokühlers ist größer als die eines Stirling-Kryokühlers; seine Betriebsfrequenz ist jedoch geringer als die eines Stirling-Kryokühlers. Einer der Hauptvorteile eines GM-Kryokühlers gegenüber seinen Mitbewerbern (z. B. Stirling-Kryokühler) besteht darin, dass er mit dem normalen Klimaanlagenkompressor mit geringfügigen strukturellen Änderungen funktioniert, um die Wärmeübertragungsrate zu verbessern (durch Hinzufügen eines zusätzlichen Wärmetauschers). Ölabscheidemechanismen (dh durch Hinzufügen von Ölabscheidern). Während des Betriebs wird zusätzliche Wärme erzeugt, da Helium als Kältemittel verwendet wird. Seit seiner Erfindung wurden mehrere strukturelle Modifikationen vorgenommen und neuartige regenerative Materialien entwickelt, um die Kühlleistung des GM-Kryokühlers zu verbessern. Durch mehrstufige Ansätze und die Verwendung von Magnetmaterialien aus seltenen Erden in den Regeneratoren der zweiten Stufe ist es jetzt möglich, mit diesem Kryokühler eine Temperatur von weniger als 2.2 K zu erreichen.
Der pneumatisch angetriebene GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern wurde entwickelt, indem zwei identische Kaltköpfe des kommerziellen Cryomech GM-Kryokühlers kombiniert wurden, um die Kühlleistung zu verbessern und ihn für die Kühlung von supraleitenden Spulen geeignet zu machen. Später verwendeten einige Patente ein ähnliches Konzept, um die Verdränger zweier Kaltköpfe durch einen gemeinsamen Antriebsmechanismus zu koppeln, der aus einer Scotch-Yoke-Antriebsanordnung bestand, um die Drehbewegung des Motors in eine hin- und hergehende Bewegung umzuwandeln.
In Anbetracht der vorstehenden Diskussion wird deutlich, dass ein Bedarf besteht, ein System für einen mechanisch angetriebenen GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern und einen Antriebsmechanismus zu haben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein einfaches Zahnradantriebssystem bereitzustellen, durch das die Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung umgewandelt wird, was schließlich hilft, die Verdränger innerhalb der jeweiligen Kaltköpfe von zwei axial angeordneten GM-Kryokühlern anzutreiben.
In einer Ausführungsform A System für einen mechanisch angetriebenen GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern und einen Antriebsmechanismus wird offenbart. Das System umfasst eine Heliumkompressoreinheit bestehend aus einem Kolben-/Scrollkompressor, einem Ölabscheider, einem Heliumwärmetauscher, einem Adsorber, einem Ölwärmetauscher und einem Niederdruckpuffervolumen.
Das System umfasst ferner einen umfassenden Ölabscheidungsmechanismus, der in der Kompressoreinheit verwendet wird, um das Eindringen von Öl in den Kaltkopf des Kryokühlers zu verhindern, das aufgrund der kryogenen Temperaturgrenze verfestigt werden kann und den Ausfall der Kaltkopfeinheit verursacht.
Das System umfasst ferner eine Ventilsteuereinheit, ausgewählt aus einem oder mehreren mechanischen Drehventilen oder Magnetventilen, wobei das mechanische Drehventil aus einem Rotor besteht, der fest über einer Ventilplatte gehalten und mit Hilfe eines Motors mit einer Geschwindigkeit gedreht wird so dass, wenn sich der Rotor über der Platte dreht, ein Strömungskanal zwischen den Hoch- und Niederdruckleitungen des Kompressors mit gemeinsamem Gasströmungsweg erzeugt wird, der es dem Hoch- und Niederdruckgas ermöglicht, alternativ den Kaltkopf zu verbinden und den oszillierenden Druck zu erzeugen Welle, während die Magnetventile mit entsprechenden elektronischen Steuereinheiten auch den oszillierenden Druckimpuls für den Kaltkopf des Kryokühlers erzeugen.
Das System umfasst ferner einen Kaltkopf, der eine Kompressionskammer, ein Verdrängergehäuse, eine Gleitringdichtung, einen Regenerator, einen Einlass- und einen Auslassgasströmungsweg, einen Einlass- und einen Auslassströmungsgleichrichter, einen Kaltkopfzylinder, einen kalten Wärmetauscher umfasst /Kühlkopf, wobei zwischen der Außenfläche des Verdrängers und der Innenfläche des Kaltkopfzylinders Gleitdichtungen vorgesehen sind, die den Fluss des Arbeitsfluids von der Kompressionskammer zur Expansionskammer verhindern, und die Gleitdichtung vorzugsweise eine ist Von einer C-förmigen Teflondichtung umgebene O-Ring-Dichtung, die einen Kühlmittelfluss von der Kompressions- zur Expansionskammer verhindert und das Arbeitsfluid zwingt, durch den Regenerator-Strömungskanal zu strömen, wobei der Verdränger mit einem Verdränger-Antriebsschaft verbunden ist, der weiter verbunden ist zu einer Pleuelstange, so dass durch die Pleuelstange und den Verdrängerantriebsschaft Kraft vom Motor auf den Verdränger übertragen wird und dieser sich im Inneren des Kaltkopfzylinders hin- und herbewegt, wodurch sich das Volumen sowohl der Kompressions- als auch der Expansionskammer in einem Zyklus ändert , wobei das Gleitlager des Antriebsschafts des Verdrängers das Austreten von Kühlmittel verhindert und die Bewegung des Verdrängers führt.
Das System umfasst ferner einen Antriebsmechanismus, der einen Motor, ein kreisförmiges Zahnrad, ein linkes Linearzahnrad, ein rechtes Linearzahnrad, einen Zahnstangenhalter, eine Pleuelstange und ein Pleuelstangenzapfenlager umfasst, wobei das Pleuelstangenzapfenlager die Verbindung hält Stange in ihrer Position und die Dichtungsanordnung verhindert das Austreten von Schmiermittel, wobei die Pleuelstange an der Antriebsstange des Verdrängers befestigt ist und die Drehbewegung des kreisförmigen Zahnrads mit dieser Anordnung in eine hin- und hergehende Bewegung umgewandelt wird, wobei aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung der Verdränger innerhalb des Kaltkopfzylinders ändert sich das Volumen sowohl der Expansionskammer als auch der Kompressionskammer in einem Zyklus und es wird ein Kühleffekt erzeugt, wobei der Zahnradantriebsmechanismus mit einem Außengehäuse abgedeckt ist, um das Eindringen von Staub zu vermeiden und das Erscheinungsbild zu verbessern einfach.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, einen Zahnradantriebsmechanismus zu entwickeln, durch den die Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung umgewandelt wird, die schließlich dazu beiträgt, die Verdränger innerhalb der jeweiligen Kaltköpfe von zwei axial angeordneten GM-Kryokühlern anzutreiben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die Kühlleistung zu verdoppeln.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die einstufige Konfiguration in eine zweistufige Konfiguration zu modifizieren, indem das warme Ende der zweiten Stufe mit dem kalten Ende der ersten Stufe über eine Kopplungsstange gekoppelt wird, um die Kühltemperatur weiter zu verringern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die Kompressorlast zu verringern, indem Puffervolumina des warmen Endes angenommen werden, und dies hilft schließlich, die Carnot-Effizienz des Systems zu verbessern.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein schnelles und kosteneffektives System für einen mechanisch angetriebenen GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern und einen Antriebsmechanismus bereitzustellen.
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung weiter zu verdeutlichen, erfolgt eine genauere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Es versteht sich, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs anzusehen sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Einzelheiten mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben und erläutert.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Zeichen in allen Zeichnungen gleiche Teile darstellen, wobei:

1 veranschaulicht einen einstufigen GM-Kryokühler mit einzelnem Verdränger und mechanischem Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ein Ventilsteuerdiagramm für einen Einzylinder-GM-Kryokühler mit einem einzigen Verdränger darstellt;
3 ein PV-Diagramm einer Expansionskammer darstellt;
4 einen Vergleich zwischen einem idealen und einem realen/numerischen PV-Diagramm der Expansionskammer darstellt;
5 schematische Darstellungen eines einstufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb zeigt;
6 ein Ventilsteuerdiagramm für einen Einzelzylinder-Doppelkaltfinger-GM-Kryokühler darstellt;
7 ein PV-Diagramm der unteren Expansionskammer darstellt;
8 ein PV-Diagramm der oberen Expansionskammer darstellt;
9 schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit einzelnem Kaltfinger und mechanischem Antrieb zeigt;
10 eine Solidworks-Zeichnung mit kaltem Zylindergehäuse veranschaulicht;
11 schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb;
12 eine Solidworks-Zeichnung eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb darstellt;
13 eine Solidworks-Zeichnung eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb zeigt;
14 zeigt verschiedene Arten von Antriebsmechanismen zum Antreiben der Verdränger beider Kühlfinger basierend auf der vorliegenden Untersuchung. (A) rechteckigrechteckig geformt, (B) rechteckig-elliptisch geformt, (C) rechteckig-achteckig geformt, (D) achteckig-achteckig geformt (E) elliptisch-elliptisch geformt;
15 schematische Darstellungen eines einstufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb mit Puffervolumen am warmen Ende;
16 ein Ventilsteuerdiagramm für einen Einzylinder-Doppelkaltfinger-GM-Kryokühler mit Puffervolumina am warmen Ende darstellt;
17 schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit einzelnem Kaltfinger und mechanischem Antrieb mit Puffervolumen am warmen Ende;
18 zeigt ein Ventilsteuerdiagramm für einen zweistufigen GM-Kryokühler mit Puffervolumen am warmen Ende;
19 schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit doppeltem Kaltfingerantrieb und mechanischem Antrieb mit Puffervolumen am warmen Ende;
20 schematische Darstellungen eines einstufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb und einem gemeinsamen Puffervolumen am warmen Ende; Und
21 zeigt schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb und einem gemeinsamen Puffervolumen am warmen Ende.

Ferner werden Fachleute erkennen, dass Elemente in den Zeichnungen der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sein müssen. Beispielsweise veranschaulichen die schematischen Darstellungen das Verfahren in Bezug auf die wichtigsten beteiligten Schritte, um dabei zu helfen, das Verständnis von Aspekten der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus können in Bezug auf die Konstruktion der Vorrichtung eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt worden sein, und die Zeichnungen können nur solche spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind um die Zeichnungen nicht mit Details zu verdecken, die für den Durchschnittsfachmann, der von der hierin enthaltenen Beschreibung profitiert, leicht ersichtlich sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:
Um das Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen, und es wird eine spezifische Sprache verwendet, um diese zu beschreiben. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weiteren Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Prinzipien der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann normalerweise einfallen würden in der Technik, auf die sich die Erfindung bezieht.
Fachleute werden verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht beschränken sollen.
Die Bezugnahme in dieser gesamten Beschreibung auf „einen Aspekt“, „einen anderen Aspekt“ oder ähnliche Ausdrücke bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Somit können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen dies aber nicht.
Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“ oder andere Variationen davon sollen einen nicht ausschließlichen Einschluss abdecken, so dass ein Prozess oder Verfahren, das eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern andere Schritte nicht umfassen kann ausdrücklich aufgeführt oder einem solchen Prozess oder Verfahren innewohnend. In ähnlicher Weise schließen ein oder mehrere Geräte oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, denen „umfasst ... ein“ vorangestellt ist, ohne weitere Einschränkungen nicht die Existenz anderer Geräte oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen aus oder andere Komponenten oder zusätzliche Geräte oder zusätzliche Teilsysteme oder zusätzliche Elemente oder zusätzliche Strukturen oder zusätzliche Komponenten.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie allgemein von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem diese Erfindung gehört. Das hierin bereitgestellte System, Verfahren und Beispiele sind nur veranschaulichend und sollen nicht einschränkend sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden unten im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein einstufiger GM-Kryokühler mit einzelnem Verdränger und mechanischem Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das System 100 umfasst eine Heliumkompressoreinheit, die einen Kolben-/Scrollkompressor (1), einen Ölabscheider (2), einen Heliumwärmetauscher (3), einen Adsorber (4), einen Ölwärmetauscher (5) und einen Niederdruck umfasst - Druckpuffervolumen (6).
In einer Ausführungsform wird in der Kompressoreinheit ein umfassender Ölabscheidemechanismus eingesetzt, um den Eintritt von Öl in den Kaltkopf des Kryokühlers zu verhindern, das aufgrund der kryogenen Temperatur verfestigt werden kann und den Ausfall der Kaltkopfeinheit verursacht.
In einer Ausführungsform ist eine Ventilsteuereinheit ausgewählt aus einem oder mehreren mechanischen Drehventilen oder Magnetventilen, wobei das mechanische Drehventil aus einem Rotor besteht, der dicht über einer Ventilplatte gehalten und mit Hilfe eines Motors an einem gedreht wird Geschwindigkeit, so dass, wenn sich der Rotor über der Platte dreht, ein Strömungskanal zwischen den Hoch- und Niederdruckleitungen des Kompressors mit gemeinsamem Gasströmungspfad (7) entsteht, der es dem Hoch- und Niederdruckgas ermöglicht, abwechselnd den Kaltkopf und den Kaltkopf zu verbinden erzeugen die oszillierende Druckwelle, während die Magnetventile mit entsprechenden elektronischen Steuereinheiten auch den oszillierenden Druckimpuls für den Kaltkopf des Kryokühlers erzeugen.
In einer Ausführungsform umfasst ein Kaltkopf eine Kompressionskammer (8), ein Verdrängergehäuse (10), eine Gleitringdichtung (11), einen Regenerator (13), Einlass- (9) und Auslass- (15) Gasströmungspfade, Einlass (12) und Auslass (14) Strömungsgleichrichter, einen Kaltkopfzylinder (17), einen kalten Wärmetauscher/Kühlkopf (18), wobei zwischen der Außenfläche des Verdrängungskörpers und der Innenfläche des Kaltkopfzylinders Gleitdichtungen angeordnet sind vorgesehen, die den Fluss des Arbeitsfluids von der Kompressionskammer zur Expansionskammer verhindern, und die Gleitringdichtung ist vorzugsweise eine O-Ring-Dichtung, die von einer C-förmigen Teflondichtung umgeben ist, die den Fluss des Kältemittels von der Kompressions- zur Expansionskammer verhindert und die Arbeitskraft erzwingt Fluid zum Strömen durch den Regenerator-Strömungsdurchgang, wobei der Verdränger mit einem Verdränger-Antriebsschaft verbunden ist, der ferner mit einer Verbindungsstange verbunden ist, so dass durch die Verbindungsstange und den Verdränger-Antriebsschaft Kraft von dem Motor auf den Verdränger übertragen wird im Kaltkopfzylinder hin- und herbewegt, infolgedessen ändert sich das Volumen sowohl der Kompressions- als auch der Expansionskammer in einem Zyklus, wobei das Gleitlager des Verdrängerantriebsschafts das Austreten von Kältemittel verhindert und die Verdrängerbewegung führt.
In einer Ausführungsform umfasst ein Antriebsmechanismus einen Motor (25), ein kreisförmiges Getriebe (23), ein linkes Lineargetriebe (22), ein rechtes Lineargetriebe (27), einen Zahnstangenhalter (24), eine Verbindungsstange (21) und eine Verbindungsstange Achslager (26), wobei das Pleuelzapfenlager das Pleuel in seiner Position hält und die Dichtungsanordnung das Austreten von Schmiermittel verhindert, wobei das Pleuel an der Verdrängerantriebsstange befestigt ist und die Drehbewegung des Kreisrads umgewandelt wird zu einer hin- und hergehenden Bewegung mit dieser Anordnung, wobei sich aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung des Verdrängers innerhalb des Kaltkopfzylinders das Volumen sowohl der Expansionskammer als auch der Kompressionskammer in einem Zyklus ändert und ein Kühleffekt erzeugt wird, wobei der Zahnradantriebsmechanismus ist mit einem Außengehäuse abgedeckt, um das Eindringen von Staub zu vermeiden und das Erscheinungsbild einfach zu gestalten.
In einer anderen Ausführungsform sind die Ventile V1 und V2 an der Hochdruckleitung bzw. der Niederdruckleitung des Kompressors angeordnet, wenn das Ventil V1 geöffnet ist, tritt das Hochdruckkältemittel (Heliumgas) in die kalten Gaskammern ein Kopf vom Kompressor, und wenn das Ventil V2 geöffnet wird, kehrt das expandierte Kühlmittel von den Gaskammern des Kaltkopfs zum Kompressor zurück, wobei das Kühlmittel von den Ventilen V1 und V2 durch den gemeinsamen Gasströmungsweg zum Kaltkopf strömt.
In einer anderen Ausführungsform besteht ein typischer GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern und mechanischem Antrieb aus einem oberen Kaltkopf und einem unteren Kaltkopf, wobei die strukturelle Konfiguration jedes Kaltkopfs identisch ist mit der einstufigen Konfiguration, bei der der untere Kaltkopf besteht aus einem unteren gemeinsamen Gasströmungspfad (7b), einer unteren Kompressionskammer (8b), einem unteren Einlassgasströmungspfad (9b), einem unteren Verdrängergehäuse (10b), einer unteren Gleitdichtung (11b), einem unteren Einlassströmungsgleichrichter (12b), unterer Regenerator (13b), unterer Auslass-Strömungsgleichrichter (14b), unterer AuslassGasströmungspfad (15b), untere Expansionskammer (16b), unterer Zylinder (17b) und unterer Kühlkopf (18b), wobei der untere Verdrängungskörper verbunden ist untere Pleuelstange (21b) mittels unterer Verdrängerantriebsstange (19b) und unteres Verdrängerantriebsstangengleitlager (20b) hält sie in ihrer Position und verhindert das Austreten von Kältemittel, wobei der obere Kaltkopf aus einem oberen gemeinsamen Gas besteht Strömungsweg (7t), obere Kompressionskammer (8t), oberer Einlassgasströmungsweg (9t), oberes Verdrängergehäuse (10t), obere Gleitringdichtung (11t), oberer Einlassströmungsgleichrichter (12t), oberer Regenerator (13t), oberer Auslass-Strömungsgleichrichter (14t), oberer Auslass-Gasströmungsweg (15t), obere Expansionskammer (16t), oberer Zylinder (17t) und oberer Kühlkopf (18t).
In einer anderen Ausführungsform ist der obere Verdränger mit der oberen Pleuelstange (21t) mittels der Antriebswelle des oberen Verdrängers (19t) verbunden, und das Achslager (20t) der Antriebswelle des oberen Verdrängers hält ihn in seiner Position und verhindert das Auslaufen des Kühlmittels. wobei der untere Kaltkopf durch die Ventile V1 und V2 mit dem Kompressorsystem verbunden ist, wobei der obere Kaltkopf durch die Ventile V3 und V4 mit dem Kompressorsystem verbunden ist, wobei V1 und V3 Einlassventile für den unteren Kaltkopf und den oberen Kaltkopf sind, V2 und V4 sind Auslassventile für den unteren Kaltkopf und den oberen Kaltkopf, wobei, wenn der untere Zylinder mit der Auslassseite des Kompressors durch V1 verbunden ist, der obere Zylinder mit der Saugseite des Kompressors durch V4 verbunden sein sollte, während der untere Zylinder dies ist Der obere Zylinder ist über V2 mit der Saugseite des Kompressors verbunden, der obere Zylinder ist über V3 mit der Druckseite verbunden, so dass, wenn ein Zylinder zum Ladevorgang geht, der andere Zylinder zum Entladevorgang geht und umgekehrt auf diese Weise die komprimierte Arbeit Flüssigkeit gelangt abwechselnd von der Druckgasversorgungseinheit zu den Kaltköpfen.
In einer anderen Ausführungsform ein zweistufiger GM-Kryokühler mit einem einzelnen Kaltkopf, bei dem das heiße Ende der zweiten Stufe mit dem kalten Ende der ersten Stufe gekoppelt ist, so dass das Arbeitsfluid von Raumtemperatur auf eine bestimmte Temperatur darin gekühlt wird erste Stufe und dann auf eine weitere niedrige Temperatur in der Expansionskammer der zweiten Stufe, wobei die erste Stufe wie eine Vorkühlung des Kühlmittels wirkt, bevor es in die zweite Stufe eintritt, und die Komponenten der zweiten Stufe der Einlassgasströmungsweg (31) der zweiten Stufe sind, Einlassstrom-Richter der zweiten Stufe (34), Regenerator der zweiten Stufe (35), Auslassstrom-Richter der zweiten Stufe (37), Auslassgasströmungsweg der zweiten Stufe (38) und Expansionskammer der zweiten Stufe (39), wobei das Gas in der Expansionskammer der zweiten Stufe expandiert wird und eine Kühlwirkung durch den Kühlkopf (40) der zweiten Stufe bereitgestellt wird und die Gleitdichtung (32) der zweiten Stufe ein Austreten von Kühlmittel verhindert und zwischen der zweiten Stufe angeordnet ist Verdrängergehäuse (33) Zweitstufenzylinder (36).
In einer anderen Ausführungsform strömt das Arbeitsfluid von der Expansionskammer der ersten Stufe zu der Expansionskammer der zweiten Stufe über den Einlassgasströmungspfad der zweiten Stufe, den Einlassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe, den Regenerator der zweiten Stufe, den Auslassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe, Auslassgasströmungsweg der zweiten Stufe, wobei nach Expansion der Kälte in der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe eine Kühlwirkung erzeugt wird, die am unteren Kühlkopf der zweiten Stufe absorbiert wird, wodurch das expandierte Kühlmittel dann von der Expansionskammer der zweiten Stufe zurückkehrt zu der Expansionskammer der ersten Stufe durch einen Auslassgasströmungspfad der zweiten Stufe, einen Auslassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe, einen Regenerator der zweiten Stufe, einen Einlassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe und einen Einlassgasströmungspfad der zweiten Stufe, wobei das heiße Ende des Verdrängers der zweiten Stufe ist mit dem unteren Ende des Verdrängers der ersten Stufe durch eine Verbindungsstange (29) verbunden, und die Verbindungsstange ist an dem Verdränger der ersten Stufe und dem Verdränger der zweiten Stufe durch einen Verbindungsstift (28) der ersten Stufe und der zweiten Stufe befestigt Verbindungsstift (30) jeweils derart, dass die Bewegung von der ersten Stufe zur zweiten Stufe übertragen wird, wobei der Verdränger der zweiten Stufe infolgedessen eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders der zweiten Stufe erfährt und sich das Volumen der Expansionskammer der zweiten Stufe in einem Zyklus ändert.
In einer anderen Ausführungsform sind die Komponenten der zweiten Stufe sowohl des oberen als auch des unteren Kaltkopfes an dem kalten Ende ihrer jeweiligen ersten Stufe über eine Kopplungsstange angebracht.
In einer anderen Ausführungsform besteht der untere Kaltkopf der ersten Stufe aus einem unteren gemeinsamen Gasströmungsweg (7b), einer unteren Kompressionskammer der ersten Stufe (8b), einem unteren Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe (9b), einem unteren Verdrängergehäuse der ersten Stufe (10b), untere Gleitringdichtung der ersten Stufe (11b), unterer Einlassströmungsgleichrichter der ersten Stufe (12b), unterer Regenerator der ersten Stufe (13b), unterer Auslassströmungsgleichrichter der ersten Stufe (14b), untere erste Stufe Auslassgasströmungsweg (15b), untere Expansionskammer der ersten Stufe (16b), unterer Zylinder der ersten Stufe (17b), unterer Kühlkopf der ersten Stufe (18b), unterer Verdränger-Antriebsschaft (19b), unterer Verdränger-Antriebsschaftzapfen Lager (20b), untere Pleuelstange (21b), linkes Lineargetriebe (22), kreisförmiges Zahnrad (23), Zahnstangenhalter (24), Motor (25), unteres Pleuelzapfenlager (26b) und rechtes Lineargetriebe (27), wobei der Verdränger innerhalb des Zylinders durch den Antriebsmechanismus angetrieben wird, wie im Fall eines mechanisch angetriebenen GM-Kryokühlers mit einem einzigen Verdränger und zwei kalten Fingern besprochen.
In einer anderen Ausführungsform ist das warme Ende des Verdrängers der zweiten Stufe des unteren Zylinders mit dem kalten Ende des Verdrängers der ersten Stufe durch eine untere Verbindungsstange (29b) verbunden, und die untere Verbindungsstange ist an dem Verdränger der ersten Stufe und dem Verdränger der zweiten Stufe unten befestigt Verbindungsstift (28b) der ersten Stufe und unteren Verbindungsstift (30b) der zweiten Stufe, so dass die Bewegung von der ersten Stufe auf die zweite Stufe übertragen wird, wobei der Verdränger der zweiten Stufe infolgedessen eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders der zweiten Stufe erfährt und das Volumen der Expansionskammer der zweiten Stufe sich in einem Zyklus ändert, wobei eine untere Gleitringdichtung (32b) der zweiten Stufe zwischen dem Außendurchmesser des Verdrängergehäuses (33b) der zweiten Stufe und dem Innendurchmesser des unteren Zylinders (36b) der zweiten Stufe angeordnet ist das Lecken von Kältemittel zu verhindern, wobei das Arbeitsfluid von der unteren Expansionskammer (16b) der ersten Stufe zu der unteren Expansionskammer (39b) der zweiten Stufe über den unteren Einlassgasströmungsweg (31b) der zweiten Stufe, den unteren Einlassstrom der zweiten Stufe strömt -Richter (34b), unterer Regenerator der zweiten Stufe (35b), unterer Auslassströmungsweg der zweiten Stufe-Richter (37b) und unterer Auslassgasströmungspfad der zweiten Stufe (38b).
In einer anderen Ausführungsform wird nach der Expansion der Kälte in der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe eine Kühlwirkung erzeugt, die am unteren Kühlkopf der zweiten Stufe (40b) absorbiert wird und das expandierte Kältemittel von der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe zurückkehrt Verdichter über den unteren Auslassgasweg der zweiten Stufe, den unteren Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat, den unteren Regenerator der zweiten Stufe, den unteren Einlassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat, den unteren Einlassgasweg der zweiten Stufe, die untere Expansionskammer der ersten Stufe , unterer Auslassstrom der ersten Stufe - Richtapparat, unterer Regenerator der ersten Stufe, unterer Einlassstrom der ersten Stufe - Richtapparat, unterer Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe, untere Kompressionskammer der ersten Stufe, unterer gemeinsamer Gasströmungsweg, Ventil V2, niedrig -Druckpuffer und Saugleitung des Kompressors.
Ein einfacher Kühlschrank besteht aus einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsgerät und einem Verdampfer. Die kryogenen Kühl-/Verflüssigungskreisläufe sind in der Lage, für viele industrielle Anwendungen eine kryogene Temperatur (typischerweise < 120 K) zu erreichen. Die kryogenen Kältekreisläufe werden basierend auf der Art des Wärmeaustauschs in einen regenerativen Kryokühler und einen rekuperativen Kryokühler kategorisiert. In der rekuperativen kryogenen Kältemaschine erfolgt ein Großteil der Wärmeübertragung durch einen rekuperativen Wärmetauscher, und das Gas wird entweder durch ein JT-Ventil oder durch einen Turboexpander/Kolben-Zylinder-Expander expandiert. Der Expansionsprozess in einem JT-Ventil ist isenthalpisch, was in einem Turboexpander isentrop ist. Einige kryogene Verflüssigungszyklen enthalten sowohl Turboexpander als auch JT-Ventile.
In regenerativen Kryokühlern erfolgt der maximale Prozentsatz des Wärmeaustauschs durch den Festbettregenerator, obwohl rekuperative Wärmetauscher für eine geringfügige Wärmewechselwirkung mit der Umgebung platziert sind. Der Rekuperator, der in rekuperativen Kryokühlern verwendet wird, ist ein Zwei-Fluid-Wärmetauscher, in dem heißes Fluid durch einen Strömungsweg strömt und kaltes Fluid durch andere Strömungswege strömt. Daher ist die Strömung des Arbeitsfluids in rekuperativen Kryokühlern stetig und in regenerativen Kryokühlern oszillierend. Stirling-Kryokühler, GM-Kryokühler, VM-Kryokühler und Pulsrohr-Kryokühler sind einige der Grundkonfigurationen von regenerativen Kryokühlern, während der JT-Kryokühler, der Brayton-Kryokühler, der Claude-Zyklus, der Kapitza-Zyklus und die auf dem Collin-Zyklus basierenden Kryokühler einige Grundkonfigurationen von rekuperativen Kryokühlern sind.
Der einstufige Kryokühler von GM besteht aus einem Heliumkompressor, einer Ventilsteuereinheit (entweder einem mechanischen Drehventil oder einem Magnetventil) und einem Kaltkopf, wie in gezeigt. Ein umfassender Ölabscheidungsmechanismus ist in der Kompressoreinheit integriert, um zu verhindern das Eindringen von Öl in den Kaltkopf des Kryokühlers, das sich aufgrund der kryogenen Temperatur verfestigen kann und den Ausfall der Kaltkopfeinheit verursacht. Die Heliumverdichteranlage besteht aus einem Kolben-/Scrollverdichter (1), einem Ölabscheider (2), einem Heliumwärmetauscher (3), einem Adsorber (4), einem Ölwärmetauscher (5) und einem Niederdruckpuffervolumen (6) wie in gezeigt. Die Ventilsteuereinheit kann ein mechanisches Drehventil oder ein elektronisch gesteuertes Magnetventil sein. Der mechanische Zellenradschleuse besteht aus einem Rotor, der fest über einer Ventilplatte gehalten wird und mit Hilfe eines Motors mit einer Geschwindigkeit gedreht wird. Wenn sich der Rotor über der Platte dreht, wird ein Strömungskanal zwischen den Hoch- und Niederdruckleitungen des Kompressors mit gemeinsamem Gasströmungsweg (7) hergestellt, der es dem Hoch- und Niederdruckgas ermöglicht, abwechselnd den Kaltkopf zu verbinden und die Schwingung zu erzeugen Druckwelle. Magnetventile mit entsprechenden elektronischen Steuereinheiten erzeugen auch den oszillierenden Druckimpuls für den Kaltkopf des Kryokühlers. Hier sind die Ventile V1 und V2 an der Hochdruckleitung bzw. Niederdruckleitung des Kompressors angeordnet. Wenn das Ventil V1 geöffnet ist, tritt das Hochdruckkältemittel (Heliumgas) vom Kompressor in die Gaskammern des Kaltkopfs ein, und wenn das Ventil V2 geöffnet ist, kehrt das expandierte Kältemittel von den Gaskammern des Kaltkopfs zum Kompressor zurück. Kältemittel strömt von den Ventilen V1 und V2 über den gemeinsamen Gasströmungsweg (7) zum Kaltkopf. Ein typischer Kaltkopf besteht aus einer Kompressionskammer (8), einem Verdrängergehäuse (10), einer Gleitringdichtung (11), einem Regenerator (13), Einlass- (9) und Auslassgasströmungswegen (15), Einlass (12) u Auslass (14), Strömungsgleichrichter, ein Kaltkopfzylinder (17), kalter Wärmetauscher/Kühlkopf (18). Normalerweise ist der Verdränger hohl geformt und mit Regenerator-Siebmaschen gefüllt, um die Gesamtkonfiguration anspruchsvoll, einfach und zuverlässig zu machen. Am oberen und unteren Ende des Verdrängers sind Löcher angebracht, durch die Gas in den Regenerator und aus dem Regenerator strömt. Typischerweise werden axiale Löcher (9) am Einlass des Verdrängerströmungskanals und radiale Löcher (15) am Auslasskanal hergestellt, wie in 1 gezeigt. Zwischen der Außenfläche des Verdrängers und der Innenfläche des Kaltwassers Zylinderkopf sind Gleitdichtungen (11) vorgesehen, die den Arbeitsflüssigkeitsstrom von der Kompressionskammer zur Expansionskammer verhindern. Die Gleitringdichtung in der vorliegenden Erfindung ist eine O-Ring-Dichtung, die von einer C-förmigen Teflondichtung umgeben ist, die einen Kältemittelfluss von der Kompressions- zur Expansionskammer verhindert. Dies zwingt das Arbeitsfluid, durch den Regenerator-Strömungsdurchgang zu strömen. Der Spalt zwischen der Oberseite des Verdrängers und dem Gehäuse des Kaltkopfzylinders wird als Kompressionskammer (8) bezeichnet. Der Raum zwischen dem Boden des Verdrängers und dem unteren Zylinder ist die Expansionskammer (16). Der Verdränger ist mit einem Verdrängerantriebsschaft (19) verbunden, der ferner mit einer Verbindungsstange (21) verbunden ist. Durch die Pleuelstange und den Antriebsschaft des Verdrängers wird die Kraft vom Motor auf den Verdränger übertragen, der sich im Inneren des Kaltkopfzylinders hin- und herbewegt, wodurch sich das Volumen sowohl der Kompressions- als auch der Expansionskammer in einem Zyklus ändert. Das Gleitlager (20) der Antriebswelle des Verdrängers verhindert das Austreten von Kältemittel und führt die Bewegung des Verdrängers. Ein Motor (25), ein kreisförmiges Getriebe (23), ein linkes Lineargetriebe (22), ein rechtes Lineargetriebe (27), ein Zahnstangenhalter (24), eine Pleuelstange (21) und ein Pleuelzapfenlager (26) bilden den Antriebsmechanismus des Kryokühlers. Das Pleuelgleitlager hält das Pleuel in seiner Position und die Dichtungsanordnung verhindert das Austreten von Schmiermittel. Die Pleuelstange ist am Verdrängerantriebsschaft befestigt. Die Drehbewegung des kreisförmigen Zahnrads wird mit dieser Anordnung in eine hin- und hergehende Bewegung umgewandelt. Durch die Hin- und Herbewegung des Verdrängers innerhalb des Kaltkopfzylinders ändert sich das Volumen sowohl der Expansionskammer als auch der Kompressionskammer zyklisch und es entsteht ein Kühleffekt. Der Getriebeantriebsmechanismus ist mit einem Außengehäuse abgedeckt, um das Eindringen von Staub zu vermeiden und das Erscheinungsbild einfach zu gestalten.

1: Verdichter,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruck-Puffervolumen,
7: gemeinsamer Gasweg,
8: Verdichtungsraum,
9: Einlassgasströmungsweg,
10: Verdrängergehäuse,
11: Gleitschuhdichtung,
12: Einlassströmungsgleichrichter,
13: Regenerator,
14: Auslassströmungsgleichrichter,
15: Auslassgasströmungsweg,
16: Expansionskammer,
17: Zylinder,
18: des Kühlkopf,
19: Antriebsstange Verdrängers,
20: Zapfenlager der Verdrängerantriebsstange,
21: Pleuel,
22: linkes Lineargetriebe,
23: Kreisgetriebe,
24: Zahnstangengehäuse,
25: Motor,
26: Pleuelzapfen Lager,
27: rechtes Lineargetriebe,
V1: Einlassventil,
V2: Auslassventil

2 veranschaulicht ein Ventilsteuerungsdiagramm für einen Einzylinder-GM-Kryokühler mit einem einzigen Verdränger. 2 veranschaulicht die Ventilsteuerungsanordnung des in 1 veranschaulichten Kryokühlers. Die Öffnungsdauern einzelner Ventile sind durch fette Linien in einem Zyklus dargestellt. Während der Ladezeit öffnet V1 und während der Entladezeit öffnet V2. Es gibt bestimmte Zeiträume, in denen sowohl V1 als auch V2 geschlossen sind, und dies wird als Wartezeit bezeichnet. Der Kühlmechanismus eines einstufigen Kryokühlers von GM wird wie folgt erklärt:

Zu Beginn des Zyklus befindet sich der Verdränger nahe dem unteren Totpunkt, daher ist das Volumen der Expansionskammer minimal und das Volumen der Kompressionskammer maximal. Das Einlassventil V1 öffnet, wodurch HochdruckArbeitsgas (Helium) von der Auslassöffnung des Kompressors über die Auslassleitung in die Kompressionskammer eintritt. Das Gas strömt durch einen Ölabscheider, einen Heliumwärmetauscher und einen Adsorber, um Öl und Verunreinigungen aus dem Helium zu entfernen. Der Verdränger beginnt sich aufgrund der Bewegung des Verdrängers durch einen Antriebsmechanismus vom unteren Totpunkt (BDC) zum oberen Totpunkt (TDC) zu bewegen, wodurch komprimiertes Gas beginnt, über den Einlassgasstrom von der Kompressionskammer zur Expansionskammer zu strömen Pfad, EinlassStrömungsgleichrichter, Regenerator, Auslass-Strömungsgleichrichter und Auslass-Ausflussweg. Dabei gibt das Gas Wärme an die Regeneratormatrix ab und wird gekühlt. Das Einlassventil schloss und Gas strömte zwischen dem Kompressor und den kalten Kopfenden. Das Auslassventil V2 öffnet, Gas wird dann innerhalb der Expansionskammer expandiert und der Verdränger beginnt sich nach unten zu bewegen, als Folge davon nimmt das Volumen der Expansionskammer ab und das Volumen der Kompressionskammer zu. Während das Gas durch den Regenerator strömt, nimmt es Wärme von der Regeneratormatrix auf und strömt zum Kompressor. Expandiertes Kältemittel tritt von der Expansionskammer über den Auslassgasströmungsweg, den Auslassströmungsgleichrichter, den Regenerator, den Einlassströmungsgleichrichter, den Einlassgasströmungsweg, die Kompressionskammer, den gemeinsamen Gasströmungsweg und die Saugleitung des Kompressors ein. Ein Zyklus endet.

3 veranschaulicht ein PV-Diagramm einer Expansionskammer . Das PV-Diagramm ist in gezeichnet und wird in vier Schritten vervollständigt, wie unten beschrieben.
Prozess ‚1‘-‚2‘: V1 öffnet und Hochdruckgas tritt in die Expansionskammer ein. Dadurch erhöht sich der Druckwert.
Prozess ‚2‘-‚3‘: V1 öffnet und der Verdränger beginnt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zu bewegen. Somit nimmt das Volumen der Expansionskammer zu.
Prozess ‚3‘-‚4‘: V2 öffnet und bei niedrigem Druck expandiertes Kältemittel strömt von der Expansionskammer zum Kompressor.
Prozess ‚4‘-‚1‘: Ventil V2 öffnet und der Verdränger beginnt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt zu bewegen. Somit nimmt das Volumen der Expansionskammer ab und ein Zyklus ist vorbei. Die Bruttokälteleistung/Ausdehnungsarbeit errechnet sich als umschlossene Fläche unter dem PV-Diagramm.
4 veranschaulicht den Vergleich zwischen dem idealen und dem realen PV-Diagramm der Expansionskammer. vergleicht das ideale PV-Diagramm mit einem reell/numerischen PV-Diagramm, das den Verdrängungsweg des Verdrängers berücksichtigt. Das ideale PV-Diagramm hat eine rechteckige Form, während das echte PV-Diagramm eine ovale Form hat. Das reale PV-Diagramm wird basierend auf dem in Referenz diskutierten mathematischen Modell gezeichnet.
5 zeigt schematische Darstellungen eines einstufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfingerantrieb und mechanischem Antrieb. zeigt einen typischen GM Kryokühler mit mechanischem Doppel-Kaltfingerantrieb, der aus einem oberen und einem unteren Kaltkopf besteht. Die strukturelle Konfiguration jedes Kaltkopfes (dh entweder unterer Kaltkopf oder oberer Kaltkopf) ist identisch mit der einstufigen Konfiguration. Der untere Kaltkopf besteht aus einem unteren gemeinsamen Gasströmungspfad (7b), einer unteren Kompressionskammer (8b), einem unteren Einlassgasströmungspfad (9b), einem unteren Verdrängergehäuse (10b), einer unteren Gleitdichtung (11b) und einem unteren Einlassströmungsgleichrichter (12b), unterer Regenerator (13b), unterer Auslassströmungsgleichrichter (14b), unterer Auslassgasströmungspfad (15b), untere Expansionskammer (16b), unterer Zylinder (17b) und unterer Kühlkopf (18b). Der untere Verdränger ist mit der unteren Pleuelstange (21b) mittels der Antriebswelle des unteren Verdrängers (19b) verbunden, und das Gleitlager (20b) der Antriebswelle des unteren Verdrängers hält ihn in seiner Position und verhindert das Austreten von Kältemittel. Ebenso besteht der obere Kaltkopf aus einem oberen gemeinsamen Gasströmungsweg (7t), einer oberen Kompressionskammer (8t), einem oberen Einlassgasströmungsweg (9t), einem oberen Verdrängergehäuse (10t), einer oberen Gleitdichtung (11t) und einem oberen Einlass Strömungsgleichrichter (12t), oberer Regenerator (13t), oberer Auslassströmungsgleichrichter (14t), oberer Auslassgasströmungspfad (15t), obere Expansionskammer (16t), oberer Zylinder (17t) und oberer Kühlkopf (18t). Der obere Verdränger ist mit der oberen Pleuelstange (21t) mittels der Antriebswelle des oberen Verdrängers (19t) verbunden, und das Gleitlager (20t) der Antriebswelle des oberen Verdrängers hält ihn in seiner Position und verhindert das Auslaufen des Kältemittels. Sowohl die obere (21t) als auch die untere (21b) Verbindungsstange sind auf dem gemeinsamen Zahnstangenhalter in entgegengesetzten Richtungen hergestellt, wie in 5 gezeigt. Der gemeinsame Antriebsmechanismus hat eine ähnliche strukturelle Konfiguration wie zuvor in 1 diskutiert. Der untere Kaltkopf ist verbunden zum Kompressorsystem durch die Ventile V1 und V2. Der obere Kaltkopf ist über die Ventile V3 und V4 mit dem Kompressorsystem verbunden. Auf andere Weise sind V1 und V3 Einlassventile für den unteren Kaltkopf und den oberen Kaltkopf, V2 und V4 sind Auslassventile für den unteren Kaltkopf und den oberen Kaltkopf.

1: Kompressor,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruck-Puffervolumen,
7b: Unten gemeinsamer Gasweg,
7t: Oben gemeinsam Gasströmungsweg,
8b: untere Kompressionskammer,
8t: obere Kompressionskammer,
9b: unterer Einlassgasströmungsweg,
9t: obererEinlassgasströmungsweg,
10b: unteres Verdrängergehäuse,
10t: oberes Verdrängergehäuse,
11b: untere Gleitringdichtung,
11t: Obere Gleitdichtung,
12b: Unterer Einlass - Richtapparat,
12t: Oberer Einlass - Richtapparat,
13b: Unterer Regenerator,
13t: Oberer Regenerator,
14b: Unterer Auslass - Richtapparat,
14t: Oberer Auslass - Richtapparat,
15b: Gasströmungswegdes unteren Auslasses,
15t: Gasströmungsweg des oberen Auslasses,
16b: untereExpansionskammer,
16t: obere Expansionskammer,
17b: unterer Zylinder,
17t: oberer Zylinder,
18b: unterer Kühlkopf,
18t: oberer Kühlkopf
19b: Antriebswelle des unteren Verdrängers,
19t: Antriebswelle des oberen Verdrängers,
20b: Wellenlager der Antriebswelledes unteren Verdrängers,
20t: Wellenlager der Antriebswelle des oberen Verdrängers,
21b: untere Pleuelstange,
21t: obere Pleuelstange,
22: linkes Lineargetriebe,
23: Kreisgetriebe,
24: Zahnstangengehäuse,
25: Motor,
26b: unteres Pleuellager,
26t: oberes Pleuellager,
27: rechtesLineargetriebe,
V1: unteres Einlassventil,
V2: unteres Auslassventil,
V3: oberer Einlass
V4: Ventil, Oberes Auslassventil

6 zeigt ein Ventilzeitdiagramm für einen Einzylinder-Doppelkaltfinger-GM-Kryokühler. Das Ventilsteuerungsdiagramm ist in 6 gezeichnet und ist identisch mit der Referenz. Es ist ersichtlich, dass die Gasladevorgänge für beide Zylinder in zueinander entgegengesetzten Phasen ablaufen. Wenn der untere Zylinder über V1 mit der Druckseite des Kompressors verbunden ist, sollte der obere Zylinder über V4 mit der Saugseite des Kompressors verbunden sein. Wenn der untere Zylinder über V2 mit der Saugseite des Kompressors verbunden ist, wird der obere Zylinder über V3 mit der Druckseite verbunden. Wenn also ein Zylinder zum Ladevorgang geht, geht der andere Zylinder zum Entladevorgang und umgekehrt. Auf diese Weise gelangt das komprimierte Arbeitsfluid abwechselnd von der Druckgasversorgungseinheit zu den Kaltköpfen.
7 zeigt das PV-Diagramm der unteren Expansionskammer. Abhängig davon ist das Diagramm der Expansionskammer des GM-Kryokühlers mit zwei Kaltfingern und mechanischem Antrieb in den und jeweils für den unteren und den oberen Kaltkopf gezeichnet. Beide PV-Diagramme sind identisch mit . Die Gasströmungsvorgänge in sind aufgrund der entgegengesetzten Betriebsphase gegenläufig. In Abwesenheit jeglicher Wartezeit sieht das ideale PV-Diagramm wie eine rein rechteckige Form aus, jedoch sind bei Vorhandensein einer gewissen Wartezeit schräge Cut-Offs in der oberen rechten und unteren linken Ecke sichtbar. Das Vorhandensein einer bestimmten optimalen Wartezeit reduziert die Kühlleistung, verbessert aber die spezifische Kühlleistung. Ausführlichere theoretische Beschreibungen zur Ventilsteuerung sind an anderer Stelle verfügbar.
Der Arbeitsmechanismus des GM-Kryokühlers mit zwei Kaltfingern, die Ventilsteuerung und der thermodynamische Zyklus werden wie folgt erklärt:

Wenn der untere Kaltkopf mit der Hochdruckleitung des Kompressors verbunden ist, tritt unter Hochdruck komprimiertes Arbeitsfluid in die untere Kompressionskammer (8b) des Kaltkopfs ein. Während dieser Zeit befindet sich der untere Verdränger (10b) entweder am unteren Totpunkt oder in der Nähe des unteren Totpunkts. Somit steigt der Druckwert von PL nach PH, wie durch die Linien ‚1b‘-‚2b‘ im PV-Diagramm in gezeigt. Aufgrund der Bewegung des unteren Verdrängers in vertikaler Aufwärtsrichtung wird das Volumen der unteren Expansionskammer steigt, und das Volumen der unteren Kompressionskammer nimmt ab, wie durch die Linien ‚2b‘-‚3b‘ im PV-Diagramm gezeigt. Während dieser Bewegung strömt Arbeitsfluid mit hohem Druck von der unteren Kompressionskammer (8b) durch den unteren Einlass-Gasströmungsweg (9b), den unteren EinlassStrömungsgleichrichter (12b), den unteren Regenerator (13b) in die untere Expansionskammer (16b).), Strömungsrichter am unteren Auslass (14b), Gasströmungspfad am unteren Auslass (15b). Anschluss 9b und Anschluss 15b sind in axialer bzw. radialer Richtung des Verdrängers ausgebildet. Somit erfolgt der Zufluss zum unteren Regenerator von der unteren Kompressionskammer in axialer Richtung und der Abfluss vom unteren Regenerator zur unteren Expansionskammer in radialer Richtung. Nach dem Schließen von V1 ist die untere Ansaugzeit beendet und die untere Wartezeit beginnt, während der ein Gasfluss zwischen dem unteren Kaltkopf und dem Heliumkompressor verhindert wird. Nach der unteren Wartezeit öffnet das untere Auslassventil V2, wodurch der untere Kaltkopf mit der Niederdruckleitung des Kompressors gekoppelt wird, das Gas expandiert, sein Druck abfällt und beginnt, sich aus der unteren Expansionskammer herauszubewegen. Somit fällt der Druck von PH auf PL ab, wie durch die Linie „3b“-„4b“ dargestellt, wie in dargestellt. Anschließend bewegt sich der Verdränger vom unteren OT zum unteren BDC in vertikaler Abwärtsrichtung (dargestellt durch Pfad „4b“-„ 1b' in 7) und dies schließt einen Arbeitszyklus für den unteren Zylinder ab. Zwischen dem Schließen des unteren Auslassventils V2 und des unteren Einlassventils V1 wird der Gasfluss zwischen dem unteren Zylinder und dem Heliumkompressor verhindert, jedoch kann Gas aufgrund der Bewegung des Verdrängers von der unteren Kompressionskammer zur unteren Expansionskammer strömen. Die Öffnungs- und Schließwinkel des oberen und des unteren Zylinders können identisch sein oder nicht.

8 veranschaulicht das PV-Diagramm der oberen Expansionskammer. Der Arbeitsmechanismus, der thermodynamische Kreislauf des oberen Kühlfingers läuft in genau entgegengesetzter Richtung ab, da sowohl der obere Verdränger als auch der untere Verdränger mit den oberen und unteren Verbindungsstangen des gemeinsamen Antriebsmechanismus verbunden sind. Zu Beginn des Zyklus befindet sich der obere Verdränger am oberen OT (oder in der Nähe des oberen OT), das Volumen der oberen Kompressionskammer ist minimal und das Volumen der oberen Expansionskammer maximal, und das Auslassventil ist geöffnet. Dies liegt daran, dass sich der untere Verdränger zu Beginn des Zyklus in der Nähe des unteren BDC befindet. Dies wird durch den Punkt „1t“ im PV-Diagramm in dargestellt. Während dieser Zeit öffnet das obere Auslassventil, wodurch der Druck abfällt, und dies wird durch „lt“-„2t“ im PV-Diagramm in dargestellt. Wann der untere Verdränger bewegt sich nach oben, der obere Verdränger bewegt sich vom oberen OT zum oberen UT, wodurch das Volumen der oberen Expansionskammer abnimmt und das Volumen der oberen Kompressionskammer zunimmt. Dies wird in durch „2t“ bis „3t“ dargestellt. Während dieser oberen Ausstoßperiode strömt Arbeitsgas von der oberen Expansionskammer (16t) zum Heliumkompressor über den oberen Auslassgasströmungspfad (15t), obere Auslassströmung - Gleichrichter (14t), oberer Regenerator (13t), oberer Einlassströmungsgleichrichter (12t), oberer Einlassgasströmungsweg (9t), obere Kompressionskammer (8t), oberer gemeinsamer Gasströmungsweg (7t) und Ventil V4. Sobald der Verdränger den oberen UT erreicht, erreicht der untere Verdränger den oberen OT. Während dieses Zeitraums öffnet sich das Ventil V3, und komprimiertes Hochdruckgas beginnt, vom Heliumkompressor durch V3 und den oberen gemeinsamen Gasströmungsweg (7t) zur oberen Kompressionskammer zu strömen. Der Druck beginnt zu steigen und dies wird durch die Linie „3t“-„4t“ im PV-Diagramm in dargestellt. Da das Volumen der oberen Kompressionskammer maximal ist, wird an dieser Position das maximale Gas angesammelt. Sobald der Verdränger mit der Bewegung vom oberen BDC zum oberen TDC beginnt, nimmt das Volumen der oberen Expansionskammer zu und das Volumen der oberen Kompressionskammer ab (gezeigt durch „3t“-„4t“), und Hochdruckgas kann strömen von der oberen Kompressionskammer (8t) zur oberen Expansionskammer (16t) durch den oberen Einlassgasströmungsweg (9t), den oberen Einlassströmungsgleichrichter (12t), den oberen Regenerator (13t), den oberen Auslassströmungsgleichrichter (14t), Gasströmungsweg am unteren Auslass (15 t) und sobald der Zyklus für den oberen Kaltkopf abgeschlossen ist. Der Kryokühler durchläuft kontinuierlich mehrere solcher Prozesse, um den Kühleffekt zu erzeugen, der später von externen Objekten durch die obere und untere Kältestufe absorbiert wird. Somit ist die Bruttokühlkapazität des unteren Kaltkopfs die umschlossene Fläche unter 1b-2b-3b-4b und 1b, und die Bruttokühlkapazität des oberen Kaltkopfs ist die umschlossene Fläche unter 1t-2t-3t-4t und 1t ohne etwaige Wartezeiten. Bei Vorliegen einer bestimmten Wartezeit beträgt der Bereich 1b*-2b-2b*-3b*-4b-4b*-1b* für den unteren Kaltkopf und 1t*-2t-2t*-3t*-4t-1t* für den oberen kalter Kopf.
9 zeigt schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit einem einzigen kalten Finger und mechanischem Antrieb. veranschaulicht das Schema eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit einem einzelnen Kaltkopf, bei dem das heiße Ende der zweiten Stufe mit dem kalten Ende der ersten Stufe gekoppelt ist. Somit wird das Arbeitsfluid in der ersten Stufe von Raumtemperatur auf eine bestimmte Temperatur und dann in der Expansionskammer der zweiten Stufe auf eine weiter niedrige Temperatur gekühlt. Mit anderen Worten wirkt die erste Stufe wie eine Vorkühlung des Kältemittels vor dem Eintritt in die zweite Stufe. Die Komponenten der ersten Stufe ähneln denen in . Die Komponenten der zweiten Stufe sind der Einlassgasströmungspfad der zweiten Stufe (31), der Einlassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe (34), der Regenerator der zweiten Stufe (35), Zweitstufen-Auslassströmungsgleichrichter (37), Zweitstufen-Auslassgasströmungsweg (38) und Zweitstufen-Expansionskammer (39). Das Gas wird in der Expansionskammer der zweiten Stufe expandiert und der Kühleffekt wird durch den Kühlkopf der zweiten Stufe (40) bereitgestellt. Die Zweitstufen-Gleitringdichtung (32) verhindert ein Austreten von Kältemittel und ist zwischen dem Zweitstufen-Verdrängergehäuse (33) und dem Zweitstufenzylinder (36) angeordnet. Das Arbeitsfluid strömt von der Expansionskammer der ersten Stufe zur Expansionskammer der zweiten Stufe über den Einlassgasströmungspfad der zweiten Stufe, den Einlassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat, den Regenerator der zweiten Stufe, den Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat, den Auslass der zweiten Stufe Gasflussweg. Nach Expansion der Kälte in der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe wird eine Kühlwirkung erzeugt, die am unteren Kühlkopf (40) der zweiten Stufe absorbiert wird. Das expandierte Kältemittel kehrt dann von der Expansionskammer der zweiten Stufe zur Expansionskammer der ersten Stufe durch den Auslassgasströmungsweg der zweiten Stufe, den Auslassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe, den Regenerator der zweiten Stufe, den Einlassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe und den zweiten zurück -Stufen-Einlassgasströmungsweg. Das Gas strömt von der Expansionskammer der ersten Stufe zum Kompressor in ähnlicher Weise wie in 1 beschrieben. Das heiße Ende des Verdrängers der zweiten Stufe ist mit dem unteren Ende des Verdrängers der ersten Stufe durch eine Verbindungsstange (29) verbunden. Die Kupplungsstange ist an dem Verdränger der ersten Stufe und der zweiten Stufe durch den Verbindungsstift (28) der ersten Stufe bzw. den Verbindungsstift (30) der zweiten Stufe angebracht. Somit kann die Bewegung von der ersten Stufe auf die zweite Stufe übertragen werden. Als Ergebnis erfährt der Verdränger der zweiten Stufe eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders der zweiten Stufe, und das Volumen der Expansionskammer der zweiten Stufe ändert sich in einem Zyklus. Die Öffnungs- und Schließintervalle der Ventile ähneln denen des in gezeigten einstufigen GM-Kryokühlers.

1: Kompressor,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruckpuffervolumen,
7: Gemeinsamer Gasweg,
8: Erste Stufe Kompressionskammer,
9: Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe,
10: Verdrängergehäuse der ersten Stufe,
11: Gleitringdichtung der ersten Stufe,
12: Einlassströmungsgleichrichter der ersten Stufe,
13: Regenerator der ersten Stufe,
14: Ausgangsströmungsgleichrichter der Stufe, Erst-
15: Ausgangsgasströmungsweg der ersten Stufe,
16: Expansionskammer der ersten Stufe,
17: Zylinder der ersten Stufe
18: Kühlkopf der ersten Stufe,
19: Antriebswelle des Verdrängers,
20: Antriebswelle des Verdrängers Gleitlager,
21: Pleuel,
22: Linkes Lineargetriebe,
23: Kreisgetriebe,
24: Zahnstangengehäuse,
25: Motor,
26: Pleuellager,
27: Rechtes Lineargetriebe,
28: Verbindungsstift der ersten Stufe,
29: Koppelstange,
30: Verbindungsstift der zweiten Stufe,
31: Gasströmungsweg der zweiten Stufe,
32: Gleitringdichtung der zweiten Stufe,
33: Verdrängergehäuse der zweiten Stufe,
34: Strömungsgleichrichter, Einlass der zweiten Stufe,
35: Regenerator der zweiten Stufe,
36: Zylinder der zweiten Stufe,
37: Auslassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe,
38: Auslassgasströmungsweg der zweiten Stufe,
39: Expansionskammer der zweiten Stufe,
40: Kühlkopf der zweiten Stufe,
V1: Einlassventil,
V2: Auslassventil

10 zeigt eine Solidworks-Zeichnung mit kaltem Zylindergehäuse. zeigt ein typisches Volumenkörpermodell für einen zweistufigen GM-Kryokühler mit mechanischem Antrieb und seine Schnittansicht.
11 zeigt schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb. zeigt das Schema eines GM-Kryokühlers mit zweistufigem Doppelkaltfinger und mechanischem Antrieb. Die Komponenten der zweiten Stufe sowohl des oberen als auch des unteren Kaltkopfes sind über eine Verbindungsstange am kalten Ende ihrer jeweiligen ersten Stufe angebracht. Da die Komponenten der ersten Stufe ähnlich wie in 5 sind; diese werden nicht noch einmal besprochen. Die Komponenten der zweiten Stufe und ihre Verbindungsmodi werden hier ausführlich besprochen. Der untere Kaltkopf der ersten Stufe besteht aus einem unteren gemeinsamen Gasströmungsweg (7b), einer unteren Kompressionskammer der ersten Stufe (8b), einem unteren Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe (9b), einem unteren Verdrängergehäuse der ersten Stufe (10b), Boden Gleitringdichtung der ersten Stufe (11b), unterer Einlassströmungsgleichrichter der ersten Stufe (12b), unterer Regenerator der ersten Stufe (13b), unterer Auslassströmungsgleichrichter der ersten Stufe (14b), unterer Auslassgasströmungspfad der ersten Stufe (15b), untere Expansionskammer der ersten Stufe (16b), unterer Zylinder der ersten Stufe (17b), unterer Kühlkopf der ersten Stufe (18b), unterer Verdränger-Antriebsschaft (19b), unteres Verdränger-Antriebsschaft-Radiallager (20b), untere Pleuelstange (21b), linkes Lineargetriebe (22), kreisförmiges Zahnrad (23), Zahnstangenhalter (24), Motor (25), unteres Pleuelzapfenlager (26b) und rechtes Lineargetriebe (27). Der Verdränger wird innerhalb des Zylinders durch den Antriebsmechanismus angetrieben, wie im Fall eines mechanisch angetriebenen GM-Kryokühlers mit einem einzelnen Verdränger und zwei kalten Fingern besprochen. Das warme Ende des Verdrängers der zweiten Stufe des unteren Zylinders ist mit dem kalten Ende des Verdrängers der ersten Stufe durch eine untere Verbindungsstange (29b) verbunden. Die untere Kopplungsstange ist an dem Verdränger der ersten Stufe und dem Verdränger der zweiten Stufe durch einen unteren Verbindungsstift (28b) der ersten Stufe und einen unteren Verbindungsstift (30b) der zweiten Stufe befestigt. Somit kann die Bewegung von der ersten Stufe auf die zweite Stufe übertragen werden. Als Ergebnis erfährt der Verdränger der zweiten Stufe eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders der zweiten Stufe, und das Volumen der Expansionskammer der zweiten Stufe ändert sich in einem Zyklus. Eine untere Zweitstufen-Gleitringdichtung (32b) ist zwischen dem Außendurchmesser des Zweitstufen-Verdrängergehäuses (33b) und dem Innendurchmesser des unteren Zweitstufen-Zylinders (36b) angeordnet, um das Austreten von Kühlmittel zu verhindern. Das Arbeitsfluid strömt von der unteren Expansionskammer der ersten Stufe (16b) zu der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe (39b) über den unteren Einlassgasströmungsweg der zweiten Stufe (31b), den unteren Einlassströmungsbegradiger der zweiten Stufe (34b), unten Regenerator der zweiten Stufe (35b), unterer Auslassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe (37b) und unterer Auslassgasströmungspfad der zweiten Stufe (38b). Nach Expansion der Kälte in der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe wird eine Kühlwirkung erzeugt, die am unteren Kühlkopf der zweiten Stufe (40b) absorbiert wird. Nach der Expansion kehrt das expandierte Kältemittel von der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe über den unteren Auslassgasströmungsweg der zweiten Stufe , den unteren Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat, den unteren Regenerator der zweiten Stufe, den unteren Einlassstrom der zweiten Stufe - zum Kompressor zurück. Gleichrichter, unterer Einlassgasweg der zweiten Stufe, unterer Expansionsraum der ersten Stufe, unterer Auslassweg der ersten Stufe, unterer Auslassstrom der ersten Stufe - Richtapparat, unterer Regenerator der ersten Stufe, unterer Einlassstrom der ersten Stufe - Richtapparat, unten Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe, untere Kompressionskammer der ersten Stufe, unterer gemeinsamer Gasströmungsweg, Ventil V2, Niederdruckpuffer und Verdichteransaugleitung.
Der obere Kaltkopf des GM-Kryokühlers mit mechanischem Doppel-Kaltfingerantrieb enthält ebenfalls ähnliche Komponenten wie der untere Zylinder, nur der Unterschied liegt in seiner Ausrichtung; dh sie wird in einander entgegengesetzten Richtungen gehalten. Wenn also das Arbeitsfluid in den Expansionskammern des unteren Zylinders einem Ladeprozess unterzogen wird, wird es im oberen Zylinder einem Entladeprozess unterzogen. Dies kann eingestellt werden, indem die Öffnungs-/Schließintervalle der Ventile V1, V2, V3 und V4 angepasst werden, wie in für den einstufigen GM-Kryokühler mit mechanischem Doppelkaltfingerantrieb erläutert. Das Gas strömt vom Kompressor zur oberen Expansionskammer der zweiten Stufe durch das Auslassrohr, das Ventil V3, den oberen gemeinsamen Gasströmungsweg, die obere Kompressionskammer der ersten Stufe, den oberen Einlassströmungsweg der ersten Stufe, den oberen Strömungsgleichrichter der ersten Stufe, oberer Regenerator der ersten Stufe, oberer Auslass-Strömungsrichter der ersten Stufe, oberer Auslass-Strömungsweg der ersten Stufe, obere Expansionskammer der ersten Stufe, oberer Einlass-Strömungsweg der zweiten Stufe, oberer Einlass-Strömungsrichter der zweiten Stufe, oberer Zweit- Regenerator der zweiten Stufe, oberer Auslass-Strömungsgleichrichter der zweiten Stufe und oberer Auslass-Strömungsweg der zweiten Stufe. Nach der Expansion kehrt das expandierte Gas mit einem niedrigeren Druck von der Expansionskammer der zweiten Stufe über den oberen Auslassströmungspfad der zweiten Stufe, den oberen Auslassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe, den oberen Regenerator der zweiten Stufe, den oberen Regenerator der zweiten Stufe zum Kompressor zurück. Einlassströmungsgleichrichter der oberen Stufe, oberer Einlassströmungspfad der zweiten Stufe, obere Expansionskammer der ersten Stufe, oberer Auslassströmungspfad der ersten Stufe, oberer Auslassströmungsgleichrichter der ersten Stufe, oberer Regenerator der ersten Stufe, oberer Einlassfluss der ersten Stufe - Richter, oberer Einlassströmungsweg der ersten Stufe, oberer Kompressionsraum der ersten Stufe, oberer gemeinsamer Gasströmungsweg, Ventil V4, Niederdruckpuffer und Kompressoransaugleitung. Auf diese Weise beendet das Gaspaket einen Zyklus. Die Kühlwirkung wird in den ersten und zweiten Stufen sowohl des unteren als auch des oberen Kaltkopfes erzeugt und diese werden von den jeweiligen thermischen Stufen absorbiert. Die Kühlleistung an der unteren Expansionskammer der ersten und zweiten Stufe wird an den unteren thermischen Stufen der ersten und zweiten Stufe absorbiert, und die obere Expansionskammer der ersten und zweiten Stufe wird an den oberen thermischen Stufen der ersten und zweiten Stufe absorbiert.

1: Kompressor,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruck-Puffervolumen,
7b: Unten gemeinsamer Gasweg,
7t: Oben gemeinsam Gasströmungsweg,
8b: untere Kompressionskammer der ersten Stufe,
8t: obere Kompressionskammer der ersten Stufe,
9b: unterer Einlassgasströmungsweg der erstenStufe,
9t: oberer Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe,
10b: untere erste StufeVerdrängergehäuse,
10t: Oberes Verdrängergehäuse der ersten Stufe,
11b: Unterer Gleitringder ersten Stufe,
11t: Oberer Gleitring der ersten Stufe,
12b: Unterer Einlassstrom der erstenStufe Gleichrichter,
12t: Oberer Einlassstrom der ersten Stufe Gleichrichter,
13b: Unterer Regenerator der ersten Stufe,
13t: Oberer Regenerator der ersten Stufe,
14b: Unterer Auslassstrom der ersten Stufe - Richtapparat,
14t: Oberer Auslassstrom der ersten Stufe -Richtapparat,
15b: Unterer Gasströmungspfad des Auslasses der ersten Stufe,
15t: obererGasströmungsweg des Auslasses der ersten Stufe,
16b: untere Expansionskammer der ersten Stufe,
16t: obere Expansionskammer der ersten Stufe,
17b: unterer Zylinder der ersten Stufe,
17t: oberer Zylinder der ersten Stufe,
18b: untere erste -Stufen-Kühlkopf,
18t: ObererKühlkopf der ersten Stufe,
19b: Unterer Antriebsschaft des Verdrängers,
19t: ObererAntriebsschaft des Verdrängers,
20b: Gleitlager des unteren Verdränger-Antriebsschafts,
20t: Gleitlager des oberen Verdränger-Antriebsschafts,
21b: Untere Verbindung Pleuelstange,
21t: oberes Pleuel,
22: linkes Lineargetriebe,
23: kreisförmiges Getriebe,
24: Zahnstangengehäuse
25: Motor,
26b: unteres Pleuellager,
26t: oberes Pleuellager,
27: rechtes Lineargetriebe,
28b: Verbindungsbolzen 1. Stufe unten,
28t: Verbindungsbolzen 1. Stufe oben,
29b: Koppelstange unten
29t: Koppelstange oben,
30b: Verbindungsbolzen 2. Stufe unten,
30t: Verbindungsbolzen 2. Stufe oben,
31b: Unterer Einlassgasströmungsweg derunten, zweiten Stufe,
31t: Oberer Einlassgasströmungsweg der zweiten Stufe,
32b: UntereGleitringdichtung der zweiten Stufe,
32t: Obere Gleitringdichtung der zweiten Stufe,
33b: Unteres Verdrängergehäuse der zweiten Stufe,
33t: Oben Verdrängergehäuse der zweiten Stufe,
34b: Unterer Einlassstromrichter der zweiten Stufe,
34t: Oberer Einlassstromrichter der zweiten Stufe,
35b: Unterer Regenerator der zweiten Stufe,
35t: Oberer Regenerator derzweiten Stufe,
36b: Untere zweite Stufe Zylinder,
36t: Oberer Zweitstufenzylinder,
37b: Unterer Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat,
37t: Oberer Auslassstrom derzweiten Stufe - Richtapparat,
38b: Unterer Gasströmungspfad des Auslasses der zweiten Stufe,
38t: Oberer Auslass der zweiten Stufe Gasströmungsweg,
39b: untere Expansionskammer der zweiten Stufe,
39t: obere Expansionskammer der zweiten Stufe,
40b: unterer Kühlkopf der zweiten Stufe,
40t: oberer Kühlkopf der zweiten Stufe,
V1: unteres Einlassventil,
V2: unterer Auslass Ventil,
V3: oberes Einlassventil,
V4: oberes Auslassventil

12 zeigt eine Solidworks-Zeichnung eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit mechanischem Doppel-Kaltfingerantrieb. und zeigen das Modell eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit zwei Kaltfingern und mechanischem Antrieb und äußeren Komponenten. Eine weitere Ansicht des zweistufigen GM-Kryokühlers mit zwei Kaltfingern und mechanischem Antrieb ist in mit einer Querschnittsansicht dargestellt, um seine inneren Teile zu demonstrieren.
13 zeigt eine Solidworks-Zeichnung eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit mechanischem Doppel-Kaltfingerantrieb.
14 zeigt verschiedene Arten von Antriebsmechanismen zum Antreiben der Verdränger beider Kühlfinger basierend auf der vorliegenden Untersuchung. (A) rechteckigrechteckig geformt, (B) rechteckig-elliptisch geformt, (C) rechteckig-achteckig geformt, (D) achteckig-achteckig geformt (E) elliptisch-elliptisch geformt. 14 zeigt die Schemata des gemeinsamen Zahnradantriebsmechanismus für verschiedene Formen von Zahnstangenhaltern. Wie in der Figur gezeigt, besteht der gemeinsame Zahnradantriebsmechanismus aus einem Paar linearer Zahnräder (linkes lineares Zahnrad 22 und rechtes lineares Zahnrad 27), die parallel zueinander angeordnet sind, und einem kreisförmigen Zahnrad (23) mit einer halben glatten Oberfläche und einer halben Lehroberfläche . Das kreisförmige Zahnrad ist an einer rotierenden Vorrichtung (dh einem Motor 25, nicht gezeigt) durch eine Welle angebracht. Am Zahnrad ist eine Keilnut angebracht, um das Durchrutschen des Zahnrads während seiner Drehung zu vermeiden. Während der Drehung des Motors dreht sich das kreisförmige Zahnrad mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Die linearen Zahnräder sind parallel zueinander ausgerichtet und ihre Zähne stehen in Kontakt mit den Zähnen des kreisförmigen Zahnrads. Beide Lineargetriebe sind mit Hilfe eines bestimmten lösbaren Gelenks an einem gemeinsamen Zahnstangenhalter (24) befestigt, sodass sie leicht montiert und demontiert werden können. Der Gestellhalter sowohl am oberen als auch am unteren Ende ist weiter mit einer Verbindungsstange befestigt. Um eine korrekte Ausrichtung vorzunehmen, wird es in vertikaler Richtung angebracht. Dies bedeutet, dass die untere Verbindungsstange (21b) in vertikaler Richtung nach unten und die obere Verbindungsstange (21t) in vertikaler Richtung nach oben verläuft. Die obere Pleuelstange ist mit dem oberen Verdrängerantriebsschaft verbunden, und die untere Pleuelstange ist mit dem unteren Verdrängerantriebsschaft verbunden. Somit wird die kreisförmige Bewegung des linearen Zahnrads auf die Verdränger übertragen und bewirkt, dass sich sowohl der obere als auch der untere Verdränger in den Kaltkopfzylindern beider Kaltfinger hin- und herbewegen. Wenn sich das kreisförmige Zahnrad dreht, berühren seine Zähne das lineare Zahnrad, wodurch die lineare Bewegung des linearen Zahnrads verursacht wird. Während dieses Zeitraums ist das andere lineare Zahnrad in Kontakt mit der glatten Oberfläche des Zahnrads, aber seine Bewegung erfolgt aufgrund der Bewegung des gemeinsamen Zahnstangenhalters aufgrund der Bewegung des anderen linearen Zahnrads. Wenn sich das Zahnrad dreht, bleibt die Zahnoberfläche mit dem rechten linearen Zahnrad verbunden, daher beginnt seine Bewegung entlang der vertikalen Aufwärtsrichtung, und während dieser Zeit kommt das linke Zahnrad in Kontakt mit der glatten Oberfläche des kreisförmigen Zahnrads. Seine Aufwärtsbewegung erfolgt jedoch aufgrund der Bewegung des Gestellhalters. Mit anderen Worten, die Bewegung des Zahnstangenhalters und der zugehörigen Pleuelstange entlang einer vertikalen Abwärtsrichtung erfolgt während der Verbindung von kreisförmigen Zahnradzähnen und linken linearen Zahnradzähnen, und eine vertikale Aufwärtsrichtung tritt während der Verbindung von kreisförmigen Zahnradzähnen und rechten linearen Zahnradzähnen auf Zähne. Während der vertikalen Abwärtsbewegung bewegt sich der untere Verdränger vom unteren OT zum unteren UT, und der obere Verdränger bewegt sich vom oberen UT zum oberen OT. Während der vertikalen Aufwärtsbewegung bewegt sich der untere Verdränger vom unteren UT zum unteren OT und der obere Verdränger vom oberen OT zum unteren OT. Daher sollte die Hublänge sowohl des oberen Verdrängers als auch des unteren Verdrängers innerhalb des oberen Zylinders und des unteren Zylinders mit der Anzahl der Zähne des linken und des rechten linearen Zahnrads übereinstimmen. Auf diese Weise bewegen sich bei jeder Drehung sowohl das linke lineare Zahnrad als auch das rechte lineare Zahnrad, der Zahnstangenhalter, die Verbindungsstangen und die Verdränger zusammen, um die hin- und hergehende Bewegung innerhalb der Kaltkopfzylinder beider Kaltfinger zu erzeugen. Die Hin- und Herbewegung dehnt das Arbeitsmedium aus und erzeugt Kühleffekte in beiden Zylindern.
14 verdeutlicht auch die unterschiedlichen Bauformen des Zahnstangenhalters zur Aufnahme der Linearräder auf beiden Seiten. Unter ihnen sind die elliptisch-elliptische Form und die achteckig-achteckigen Formen einfach im Aufbau. Jede Form kann die gewünschte Bewegung erzeugen, aber die Kriterien für die Auswahl einer bestimmten Form hängen vom Gewicht, den Materialanforderungen, den Herstellungsherausforderungen usw. ab. Die Eingriffswinkel und Module sowohl von linearen als auch von kreisförmigen Zahnrädern sollten für die Übertragung mit Bedacht gewählt werden die Bewegung geeignet, um die hin- und hergehende Bewegung der Verbindungsstangen zu erzeugen. Der Zahnstangenhalter, die linearen Zahnräder und das kreisförmige Zahnrad sind zusammen in einem Außengehäuse untergebracht. Gleitlager und O-Ring-Dichtungen sind vorgesehen, um das Austreten von Schmierfett aus dem gemeinsamen Zahnradantriebsmechanismus für die unteren und oberen Kaltköpfe zu verhindern.
15 zeigt schematische Darstellungen eines einstufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb und Puffervolumen am warmen Ende. 15 veranschaulicht das Schema eines einstufigen GM-Kryokühlers mit mechanischem Antrieb und Doppelkaltfinger mit Puffervolumen am warmen Ende, der eine Erweiterung des in Referenz dargestellten einstufigen Kaltkopfs ist. Die Komponenten sind den in 5 gezeigten ähnlich, mit Ausnahme der unteren (41b) und oberen (41t) Puffervolumina des warmen Endes für den unteren bzw. oberen Kaltkopf. Das untere Puffervolumen des warmen Endes ist mit dem unteren gemeinsamen Gasströmungsweg (7b) über das Ventil V5 verbunden, und das obere Puffervolumen des warmen Endes ist mit dem oberen verbindenden Strömungsweg (7t) über das Ventil V6 verbunden. Die Puffervolumina am warmen Ende enthalten etwas Gas bei einem Druck, der näher am Ladedruck des Systems liegt, und führen es den jeweiligen Kaltköpfen zu und lassen es während der Schließperiode von V1, V2, V3 und V4 aus dem Kaltkopf ab. Daher verringert sich eine bestimmte Arbeitsbelastung des Kompressors und dies verringert die Kompressorleistung. Dies erhöht andererseits den prozentualen Carnot-Wirkungsgrad der Gesamtkonfiguration.

1: Kompressor,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruck-Puffervolumen,
7b: Unten gemeinsamer Gasweg,
7t: Oben gemeinsam Gasströmungsweg,
8b: untere Kompressionskammer,
8t: obere Kompressionskammer,
9b: unterer Einlassgasströmungsweg,
9t: oberer Einlassgasströmungsweg,
10b: unteres Verdrängergehäuse,
10t: oberes Verdrängergehäuse,
11b: untere Gleitringdichtung,
11t: Obere Gleitdichtung,
12b: Unterer Einlass - Richtapparat,
12t: Oberer Einlass Richtapparat,
13b: Unterer Regenerator,
13t: Oberer Regenerator,
14b: Unterer Auslass - Richtapparat,
14t: Oberer Auslass - Richtapparat,
15b: Gasströmungsweg des unteren Auslasses,
15t: Gasströmungsweg des oberen Auslasses,
16b: untereExpansionskammer,
16t: obere Expansionskammer,
17b: unterer Zylinder,
17t: obererZylinder,
18b: unterer Kühlkopf,
18t: oberer Kühlkopf,
19b: Unterer Verdränger-Antriebsschaft,
19t: Oberer Verdränger-Antriebsschaft,
20b: Unteres Verdränger-Antriebsschaft-Radiallager,
20t: Oberes Verdränger-Antriebsschaft-Radiallager,
21b: Untere Pleuelstange,
21t: Obere Pleuelstange,
22: Linkes Lineargetriebe,
23: Kreisgetriebe,
24: Zahnstangengehäuse,
25: Motor,
26b: unteres Pleuelzapfenlager,
26t: oberes Pleuelzapfenlager,
27: rechtes Lineargetriebe,
41b: unteres Warmpuffervolumen,
41t: oberes Warmpuffervolumen,
V1: Unteres Einlassventil,
V2: Unteres Auslassventil,
V3: Oberes Einlassventil,
V4: Oberes Auslassventil,
V5: Unteres warmes Puffervolumen- Verbindungsventil,
V6: Oberes warmes Puffer-Verbindungsventil

16 zeigt ein Ventilsteuerdiagramm für einen GM-Kryokühler mit einem Zylinder und zwei Kaltfingern mit Puffervolumen am warmen Ende. Die Ventilsteuerungsdiagramme des einstufigen Kryokühlers vom Typ GM mit zwei Verdrängern, die Puffervolumina des warmen Endes enthalten, sind in dargestellt. Der Arbeitsmechanismus wird wie folgt erklärt:

Während des Starts befindet sich der untere Verdränger in der Nähe des unteren BDC oder in der Nähe des unteren BDC, während dieser Zeit ist das Volumen der unteren Expansionskammer minimal und das Volumen der unteren Kompressionskammer maximal. Da sowohl der untere als auch der obere Verdränger mit einem gemeinsamen Verdrängerantriebsmechanismus verbunden sind, befindet sich der obere Verdränger in der Nähe des oberen OT, wodurch das Volumen der oberen Expansionskammer maximal und das Volumen der oberen Kompressionskammer minimal ist. Nun öffnet Ventil V5, wodurch aufgrund des Hochdrucks komprimiertes Arbeitsfluid beginnt, vom Puffervolumen (41b) des unteren warmen Endes zu den Gaskammern des unteren Kaltkopfs zu fließen, und der Druck steigt in der unteren Kompressionskammer und der unteren Expansionskammer. Sobald der Druckwert den Druck des Puffervolumens am unteren warmen Ende erreicht hat, wird V5 geschlossen und V1 geöffnet, wodurch Hochdruckgas vom Kompressor beginnt, in die Gaskammern des unteren Kaltkopfs zu strömen. Wenn sich der Verdränger nach oben bewegt, nimmt das Volumen der unteren Expansionskammer zu und das Volumen der unteren Kompressionskammer ab. Sobald der Verdränger den unteren OT erreicht, ist das Volumen der unteren Expansionskammer maximal und das Volumen der unteren Kompressionskammer minimal. Dann schließt das Ventil V1; Es kann °auch vor 180 Uhr mit etwas Wartezeit schließen. Dann öffnet Ventil V5, und aufgrund des hohen Drucks im unteren Kaltkopfzylinder beginnt Gas aus den Gaskammern des unteren Kaltkopfzylinders zum Puffervolumen des unteren warmen Endes zu strömen. Somit nimmt der Druckwert in den Kompressions- und Expansionskammern des unteren Zylinders ab, aber sein Wert steigt im Puffervolumen des unteren warmen Endes. Sobald sich der Druck in den Gaskammern des unteren Kaltkopfzylinders dem Druck des Puffervolumens am unteren warmen Ende nähert, schließt V5 und V2 öffnet, wodurch verbleibendes Gas aus den Gaskammern des unteren Kaltkopfzylinders zum Kompressor abfließt. Jetzt beginnt der Verdränger, sich vom unteren OT zum unteren UT zu bewegen, und der untere Kaltkopfzylinder wird mit der Ansaugöffnung des Kompressors gekoppelt. Somit ist der Druckwert innerhalb des Kaltkopfes minimal. Ein Zyklus wird für den unteren Kaltkopf beendet. Der obere Kaltkopfzylinder arbeitet ebenfalls in einem ähnlichen Zyklus, jedoch mit einem entgegengesetzten Phasenwinkel. Zu Beginn des Zyklus befindet sich der obere Verdränger am oberen OT, während sich der untere Verdränger am unteren UT befindet. Somit ist der Druck innerhalb der oberen Expansions- und Kompressionskammern maximal. Das Ventil V6 öffnet, wodurch Hochdruckgas in das Puffervolumen des oberen warmen Endes zu strömen beginnt und der Druckwert in den Gaskammern des oberen Kaltkopfzylinders abnimmt und der Druckwert im Puffervolumen des oberen warmen Endes zunimmt. Sobald sich der Druckwert der Gaskammer des oberen Zylinders dem Druck des Puffervolumens des oberen warmen Endes nähert, schließt V6 und V4 öffnet, wodurch Gas aus den Gaskammern des oberen Kaltkopfzylinders zum Kompressor zu strömen beginnt. Anschließend beginnt der Verdränger, sich vom oberen OT zum oberen UT zu bewegen, da sich zu diesem Zeitpunkt der untere Verdränger vom unteren UT zum unteren OT bewegt. Wenn die Entladeperiode endet, Ventil V4 geschlossen ist, ist der Druck in den Gaskammern des oberen Kaltkopfzylinders minimal. Dann beginnt das Vorladen in die Gaskammern des oberen Kaltkopfs durch Öffnen von V6, und Gas beginnt, vom Puffervolumen (41t) des heißen warmen Endes zu den Gaskammern des oberen Kaltkopfzylinders zu strömen, und daher fällt der Druck im oberen Puffervolumen des warmen Endes ab aber seine Werte steigen in den oberen Kompressions- und Expansionskammern. Sobald sich der Druck in der oberen Gasexpansionskammer dem Systemladedruck nähert, schließt V6 und V3 öffnet. Somit beginnt Hochdruckgas vom Kompressor zu den Gaskammern des oberen Zylinders zu strömen, und daher steigt der Druckwert an. Der Verdränger beginnt sich vom oberen BDC zum oberen TDC zu bewegen, und daher nimmt das Volumen der oberen Expansionskammer zu, und Hochdruckgas wird von V3 zugeführt. Somit wird der Zyklus für die obere Expansionskammer beendet.

17 zeigt schematische Darstellungen eines einstufigen GM-Kryokühlers mit mechanischem Antrieb und einem einzelnen Kabeljaufinger mit Puffervolumen am warmen Ende. zeigt das Schema eines zweistufigen, mechanisch angetriebenen GM-Kryokühlers mit zwei Kaltfingern. Hier ähneln die strukturellen Konfigurationen denen von , es wurden nur Warmende-Puffervolumina für beide Kaltköpfe angebracht, wie in den Gasversorgungskreisen in für den einstufigen, mechanisch angetriebenen GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern erörtert. Somit kann den Gaskammern sowohl des oberen als auch des unteren Zylinders für einige Zeit Gas zugeführt werden, ohne den Kompressor zu belasten, und dies wird die Effizienz des Systems verbessern.

1: Kompressor,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruckpuffervolumen,
7: Gemeinsamer Gasweg,
8: Erste Stufe Kompressionskammer,
9: Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe,
10: der ersten Stufe,
11: der ersten Stufe,
12: Verdrängergehäuse Gleitringdichtung Einlassströmungsgleichrichter der ersten Stufe,
13: Regenerator der ersten Stufe,
14: Erst- Ausgangsströmungsgleichrichter der Stufe,
15: Ausgangsgasströmungsweg der ersten Stufe,
16: Expansionskammer der ersten Stufe,
17: Zylinder der ersten Stufe,
18: Kühlkopf der ersten Stufe,
19: Antriebswelle des Verdrängers,
20: Antriebswelle des Verdrängers Gleitlager,
21: Pleuel,
22: Linkes Lineargetriebe,
23: Kreisgetriebe,
24: Zahnstangengehäuse,
25: Motor,
26: Pleuellager,
27: Rechtes Lineargetriebe,
28: Verbindungsstift der ersten Stufe,
29: Koppelstange,
30: Verbindungsstift der zweiten Stufe,
31: Gasströmungsweg der zweiten Stufe,
32: Gleitringdichtung der zweiten Stufe,
33: Verdrängergehäuse der zweiten Stufe,
34: Strömungsgleichrichter, Einlass derzweiten Stufe,
35: Regenerator der zweiten Stufe,
36: Zylinder der zweiten Stufe,
37: Auslassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe,
38: Auslassgasströmungswegder zweiten Stufe,
39: Expansionskammer der zweiten Stufe,
40: Kühlkopf der zweiten Stufe,
41: Warmpuffervolumen,
V1: Einlassventil,
V2: Auslassventil,
V5: Warmpuffervolumen-Zuschaltventil

18 zeigt ein Ventilsteuerungsdiagramm für einen zweistufigen GM-Kryokühler mit Puffervolumen am warmen Ende. Die Öffnungs-/Schließintervalle der Ventile V1 bis V5 sind ähnlich zu den oben diskutierten (dicke Linien zeigen die Öffnungsdauern des Ventils) und werden daher nicht noch einmal erklärt.
19 zeigt schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb und Puffervolumen am warmen Ende. Die Öffnungs- und Schließintervalle der Ventile sind in dargestellt.

1: Kompressor,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruck-Puffervolumen,
7b: Unten gemeinsamer Gasweg,
7t: Oben gemeinsam Gasströmungsweg,
8b: untere Kompressionskammer der ersten Stufe,
8t: obere Kompressionskammer der ersten Stufe,
9b: unterer Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe,
9t: oberer Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe,
10b: untere erste Stufe Verdrängergehäuse,
10t: Oberes Verdrängergehäuse der ersten Stufe,
11b: Unterer Gleitring der ersten Stufe,
11t: Oberer Gleitring der ersten Stufe,
12b: Unterer Einlassstrom der ersten Stufe - Gleichrichter,
12t: Oberer Einlassstrom der ersten Stufe - Gleichrichter,
13b: Unterer Regenerator der ersten Stufe,
13t: Oberer Regenerator der ersten Stufe,
14b: Unterer Auslassstrom der ersten Stufe - Richtapparat,
14t: Oberer Auslassstrom der ersten Stufe - Richtapparat,
15b: Unterer Gasströmungspfad des Auslasses der ersten Stufe,
15t: oberer Gasströmungsweg des Auslasses der ersten Stufe,
16b: untere Expansionskammer der ersten Stufe,
16t: obere Expansionskammer der ersten Stufe,
17b: unterer Zylinder der ersten Stufe,
17t: oberer Zylinder der ersten Stufe,
18b: untere erste -Stufen-Kühlkopf,
18t: Oberer Kühlkopf der ersten Stufe,
19b: Unterer Antriebsschaft des Verdrängers,
19t: Oberer Antriebsschaft des Verdrängers,
20b: Gleitlager des unteren Verdränger-Antriebsschafts,
20t: Gleitlager des oberen Verdränger-Antriebsschafts,
21b: Untere Verbindung Pleuelstange,
21t: oberes Pleuel,
22: linkes Lineargetriebe,
23: kreisförmiges Getriebe,
24: Zahnstangengehäuse,
25: Motor,
26b: unteres Pleuellager,
26t: oberes Pleuellager,
27: rechtes Lineargetriebe,
28b: Verbindungsbolzen 1. Stufe unten,
28t: Verbindungsbolzen 1. Stufe oben,
29b: Koppelstange unten,
29t: Koppelstange oben,
30b: Verbindungsbolzen 2. Stufe unten,
30t: Verbindungsbolzen 2. Stufe oben,
31b: Unterer Einlassgasströmungsweg der zweiten Stufe,
31t: Oberer Einlassgasströmungsweg der zweiten Stufe,
32b: Untere Gleitringdichtung der zweiten Stufe,
32t: Obere Gleitringdichtung der zweiten Stufe,
33b: Unteres Verdrängergehäuse der zweiten Stufe,
33t: Oben Verdrängergehäuse der zweiten Stufe,
34b: Unterer Einlassstromrichter der zweiten Stufe,
34t: Oberer Einlassstromrichter der zweiten Stufe,
35b: Unterer Regenerator der zweiten Stufe,
35t: Oberer Regenerator der zweiten Stufe,
36b: Untere zweite Stufe Zylinder,
36t: Oberer Zweitstufenzylinder,
37b: Unterer Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat,
37t: Oberer Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat,
38b: Unterer Gasströmungspfad des Auslasses der zweiten Stufe,
38t: Oberer Auslass der zweiten Stufe Gasströmungsweg,
39b: untere Expansionskammer der zweiten Stufe,
39t: obere Expansionskammer der zweiten Stufe,
40b: unter Kühlkopf der zweiten Stufe
40t: oberer Kühlkopf der zweiten Stufe,
41b: unteres warmes Puffervolumen,
41t: oben warmes Puffervolumen,
V1: unteres Einlassventil,
V2: unteres Auslassventil,
V3: oberes Einlassventil,
V4: oberes Auslassventil,
V5: unteres warmes Puffervolumen-Verbindungsventil,
V6: oberes warmes Puffervolumen-Verbindungsventil

20 zeigt einen einstufigen GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern und gemeinsamen Puffervolumina am warmen Ende. Die Erklärung und die Ventilsteuervorgänge sind ähnlich denen von 16; nur die Anordnung der zweiten Stufe reduziert die Kühltemperatur.
20 zeigt schematische Darstellungen eines einstufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb und einem gemeinsamen Puffervolumen am warmen Ende. zeigt den Schaltplan eines einstufigen, mechanisch angetriebenen GM-Kryokühlers mit zwei Kaltfingern und einem gemeinsamen Puffer am warmen Ende. Diese Konfiguration unterscheidet sich von der in 15 dargestellten Konfiguration, da sie ein gemeinsames Puffervolumen und zwei Ventile V5 und V6 für sowohl den unteren als auch den oberen Kaltkopfzylinder enthält. Mit anderen Worten werden sowohl das obere als auch das untere Puffervolumen des warmen Endes durch ein gemeinsames Puffervolumen mit vergleichsweise größerem Volumen zum Stabilisieren des Drucks ersetzt, und dieses ist mit dem oberen kalten Finger durch das Ventil V5 und dem unteren kalten Finger durch V6 verbunden. Die Öffnungs- und Schließsequenzen der Ventile V1 bis V6 sind ähnlich wie in dargestellt.

1: Kompressor,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruck-Puffervolumen,
7b: Unten gemeinsamer Gasweg,
7t: Oben gemeinsam Gasströmungsweg,
8b: untere Kompressionskammer,
8t: obere Kompressionskammer,
9b: unterer Einlassgasströmungsweg,
9t: oberer Einlassgasströmungsweg,
10b: unteres Verdrängergehäuse,
10t: oberes Verdrängergehäuse,
11b: untere Gleitringdichtung,
11t: Obere Gleitdichtung,
12b: Unterer Einlass - Richtapparat,
12t: Oberer Einlass - Richtapparat,
13b: Unterer Regenerator,
13t: Oberer Regenerator,
14b: Unterer Auslass - Richtapparat,
14t: Oberer Auslass - Richtapparat,
15b: Gasströmungsweg des unteren Auslasses,
15t: Gasströmungsweg des oberen Auslasses,
16b: untere Expansionskammer
16t: oberer Expansionskammer,
17b: unterer Zylinder,
17t: obere Zylinder,
18b: unterer Kühlkopf,
18t: oberer Kühlkopf,
19b: Unterer Verdränger-Antriebsschaft,
19t: Oberer Verdränger-Antriebsschaft,
20b: Unteres Verdränger-Antriebsschaft-Radiallager,
20t: Oberes Verdränger-Antriebsschaft-Radiallager,
21b: Untere Pleuelstange,
21t: Obere Pleuelstange,
22: Linkes Lineargetriebe,
23: Kreisgetriebe,
24: Zahnstangengehäuse,
25: Motor,
26b: unteres Pleuellager,
26t: oberes Pleuellager,
27: rechtesLineargetriebe,
41: gemeinsames warmes Puffervolumen,
V1: unteres Einlassventil,
V2: unten Auslassventil,
V3: Einlassventil oben,
V4: Auslassventil oben,
V5: Verbindungsventil Warmpuffervolumen unten,
V6: Verbindungsventil Warmpuffer oben

21 zeigt schematische Darstellungen eines zweistufigen GM-Kryokühlers mit zweifachem Kaltfinger und mechanischem Antrieb und einem gemeinsamen Puffervolumen am warmen Ende. zeigt das Schema eines zweistufigen, mechanisch angetriebenen GM-Kryokühlers mit zwei Kaltfingern und einem gemeinsamen Puffervolumen am warmen Ende. Die zweistufige Konfiguration wurde hergestellt, indem die Komponenten der zweiten Stufe am kalten Ende der ersten Stufe angeschlossen wurden, um die Kühltemperatur weiter zu senken. Diese Konfiguration ähnelt auch der von 19; lediglich die beiden Puffervolumina (Puffervolumina des oberen und unteren warmen Endes) werden durch ein einzelnes Puffervolumen vergleichsweise größerer Größe zur Druckstabilisierung ersetzt. Das gemeinsame Warmende-Puffervolumen ist durch die Ventile V5 und V6 sowohl mit dem oberen als auch mit dem unteren Kaltfinger verbunden. Die Öffnungs- und Schließsequenzen der Ventile sind ähnlich wie in dargestellt.

1: Kompressor,
2: Ölabscheider,
3: Wärmetauscher (Helium),
4: Adsorber,
5: Wärmetauscher (Öl),
6: Niederdruck-Puffervolumen,
7b: Unten gemeinsamer Gasweg,
7t: Oben gemeinsam Gasströmungsweg,
8b: untere Kompressionskammer der ersten Stufe,
8t: obere Kompressionskammer der ersten Stufe,
9b: unterer Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe,
9t: oberer Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe,
10b: untere erste Stufe Verdrängergehäuse,
10t: Oberes Verdrängergehäuse der ersten Stufe,
11b: Unterer Gleitring der ersten Stufe,
11t: Oberer Gleitring der ersten Stufe,
12b: Unterer Einlassstrom der ersten Stufe - Gleichrichter,
12t: Oberer Einlassstrom der ersten Stufe - Gleichrichter,
13b: Unterer Regenerator der ersten Stufe,
13t: Oberer Regenerator der ersten Stufe,
14b: Unterer Auslassstrom der ersten Stufe - Richtapparat,
14t: Oberer Auslassstrom der ersten Stufe - Richtapparat,
15b: Unterer Gasströmungspfad des Auslasses der ersten Stufe,
15t: oberer Gasströmungsweg des Auslasses der ersten Stufe,
16b: untere Expansionskammer der ersten Stufe,
16t: obere Expansionskammer der ersten Stufe,
17b: unterer Zylinder der ersten Stufe,
17t: oberer Zylinder der ersten Stufe,
18b: untere erste -Stufen-Kühlkopf,
18t: Oberer Kühlkopf der ersten Stufe,
19b: Unterer Antriebsschaft des Verdrängers,
19t: Oberer Antriebsschaft des Verdrängers,
20b: Gleitlager des unteren Verdränger-Antriebsschafts,
20t: Gleitlager des oberen Verdränger-Antriebsschafts,
21b: Untere Verbindung Pleuelstange,
21t: oberes Pleuel,
22: linkes Lineargetriebe,
23: kreisförmiges Getriebe,
24: Zahnstangengehäuse,
25: Motor,
26b: unteres Pleuellager,
26t: oberes Pleuellager,
27: rechtes Lineargetriebe,
28b: Verbindungsbolzen 1. Stufe unten,
28t: Verbindungsbolzen 1. Stufe oben,
29b: Koppelstange unten,
29t: Koppelstange oben,
30b: Verbindungsbolzen 2. Stufe unten,
30t: Verbindungsbolzen 2.Stufe oben,
31b: Unterer Einlassgasströmungsweg der zweiten Stufe,
31t: Oberer Einlassgasströmungsweg der zweiten Stufe,
32b: Untere Gleitringdichtung der zweiten Stufe,
32t: Obere Gleitringdichtung der zweiten Stufe,
33b: Unteres Verdrängergehäuse der zweiten Stufe,
33t: Oben Verdrängergehäuse der zweiten Stufe,
34b: Unterer Einlassstromrichter der zweiten Stufe,
34t: Oberer Einlassstromrichter der zweiten Stufe,
35b: Unterer Regenerator der zweiten Stufe,
35t: Oberer Regenerator der zweiten Stufe,
36b: Untere zweite Stufe Zylinder,
36t: Oberer Zweitstufenzylinder,
37b: Unterer Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat,
37t: Oberer Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat,
38b: Unterer Gasströmungspfad des Auslasses der zweiten Stufe,
38t: Oberer Auslass der zweiten Stufe Gasströmungsweg,
39b: untere Expansionskammer der zweiten Stufe,
39t: obere Expansionskammer der zweiten Stufe,
40b: unterer Kühlkopf der zweiten Stufe,
40t: oberer Kühlkopf der zweiten Stufe,
41: gemeinsames warmes Puffervolumen,
V1: unten Einlassventil,
V2: Unteres Auslassventil,
V3: Oberes Einlassventil,
V4: Oberes Auslassventil,
V5: Unteres warmes Puffervolumen-Verbindungsventil,
V6: Oberes warmes Puffervolumen-Verbindungsventil

Ein einstufiger, mechanisch angetriebener GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern, der einen gemeinsamen Antriebsmechanismus verwendet, um die Verdränger in den Kaltkopfzylindern eines Paares linearer Zahnräder (Zahnstangen), eines kreisförmigen Zahnrads mit Zähnen in seinem Halbkreis, eines gemeinsamen Zahnstangenhalters, anzutreiben und ein Paar Verbindungsstangen, die mit dem Zahnstangenhalter in entgegengesetzten Richtungen befestigt sind. Die Pleuelstangen sind an den Verdrängerantriebsschäften sowohl des oberen als auch des unteren Zylinders befestigt. Die Drehbewegung des Motors wird mit dieser Anordnung in eine hin- und hergehende Bewegung umgewandelt, die schließlich hilft, die Verdränger in beiden Zylindern anzutreiben. Dieser Anspruch ist eine der neuartigen Ideen zu bestehenden Antriebsmechanismen für GM-Kryokühler.
Es wurden verschiedene Konfigurationen von Zahnstangenhaltern vorgeschlagen, um die Zahnstangen (lineare Zahnräder) auf gegenüberliegenden Seiten zu halten. Gleitlager- und Dichtungsanordnungen wurden hergestellt, um das Austreten von Fett von der Antriebsanordnung zu den Kaltköpfen zu verhindern.
Der einstufige, mechanisch angetriebene GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern wird weiter in einen zweistufigen, mechanisch angetriebenen GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern umgewandelt, indem die Komponenten der zweiten Stufe (Verdrängergehäuse der zweiten Stufe, Regenerator, Strömungsgleichrichter, Zylinder, Koppelstange) angebracht werden und seine Verbindungsstifte) am kalten Ende der ersten Stufe. Dadurch kann die Kühltemperatur weiter gesenkt werden.
In einer anderen Anordnung ist ein Paar Puffervolumina des warmen Endes am warmen Ende beider Kaltfinger des mechanisch angetriebenen GM-Kryokühlers mit zwei Kaltfingern angeordnet. Die Puffervolumina werden auf einen Druck geladen, der näher am Ladedruck des Systems liegt, und sind mit den unteren und oberen gemeinsamen Gasströmungspfaden verbunden. Daher findet eine Fluidverbindung zwischen den Gaskammern sowohl des oberen als auch des unteren Kaltkopfes mit den entsprechenden Puffervolumina des warmen Endes statt. Dies verringert die Belastung des Kompressors und erhöht den prozentualen Carnot-Wirkungsgrad des Systems. Diese Anordnung ist sowohl für einstufige als auch für zweistufige mechanisch angetriebene GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern geeignet. Dieser Anspruch ist auch eine der neuartigen Ideen zu bestehenden Antriebsmechanismen für GM-Kryokühler.
In einer anderen Anordnung wird ein mechanisch angetriebener einstufiger und zweistufiger Doppelkaltfinger-GM-Kryokühler mit einem gemeinsamen Puffervolumen am warmen Ende mit einem Paar Verbindungsventilen entwickelt. Das Gas aus dem gemeinsamen Puffervolumen kommuniziert während bestimmter Dauern der Wartezeit der Kompressorventile mit den Gaskammern sowohl des oberen als auch des unteren Zylinders. Dadurch wird die Belastung des Verdichtersystems reduziert und der prozentuale Carnot-Wirkungsgrad des Systems weiter erhöht. Zusätzlich kann das System leicht miniaturisiert werden, indem ein einziges Warmende-Puffervolumen für beide kalten Finger beibehalten wird, und wird seine Zuverlässigkeit erhöhen.
Außerdem werden die Ventilsteuerungsanordnungen für jede Konfiguration bereitgestellt, Expansionskammer-PV-Diagramme werden gezeichnet, um den Kühlmechanismus in den Expansionskammern sowohl des oberen als auch des unteren Kaltkopfzylinders zu erläutern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen einstufigen und zweistufigen Doppelkühlfinger-GM-Kryokühler, der in der Lage ist, eine bestimmte Kälteleistung von bis zu 2,2 K zu erzeugen. Die Kryokühler werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen verwendet, wie unten aufgeführt:

• Verflüssigung von kryogenen Flüssigkeiten wie Helium, Wasserstoff, Neon, Stickstoff, Argon, Sauerstoff usw.
• Rekondensation von Helium in Geräten zur Magnetresonanztomographie (MRI) .
• Kühlung sowohl von Niedertemperatur- als auch Hochtemperatur-Supraleitermagneten, um ihren supraleitenden Zustand beizubehalten.
• Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitungskabeln (HTS), HTS-Motoren und HTS-Generatoren.
• Kühlung von HTS-Magneten in MagLev-Zügen.
• Kalibrierung von kryogenen Temperatursensoren.
• Prüfung von Materialeigenschaften in kryogenen Temperaturgrenzen.

Die Ziele dieser Erfindung beinhalten:

• Ein einstufiger Doppelkaltfinger-Kryokühler vom Typ GM mit zwei axial angeordneten Kaltköpfen (einer unten und einer oben) und die Verdränger beider Kaltköpfe sind mit einem gemeinsamen Zahnradantrieb verbunden. Der übliche Zahnradantriebsmechanismus besteht aus einem Motor, einem kreisförmigen Zahnrad mit Zähnen in der Hälfte seines Kreises, einem Paar linearer Zahnräder (als Zahnstangen bezeichnet), einem Zahnstangenhalter und einem Paar Verbindungsstangen. Als Teil dieser Erfindung werden verschiedene Formen mechanischer Stützstrukturen als Gestellhalter bezeichnet.
• Ein einstufiger Kryokühler vom Typ GM mit zwei Kaltfingern, der zwei axial angeordnete Kaltköpfe und Verdränger der ersten Stufe beider Kaltköpfe enthält, die mit einem gemeinsamen Zahnradantriebsmechanismus verbunden sind. Zusätzlich ist der Verdränger der zweiten Stufe des unteren Kaltkopfes über eine Koppelstange (Aluminium) mit dem Verdränger der ersten Stufe verbunden. Auf diese Weise wird der einstufige GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern und mechanischem Antrieb in einen zweistufigen GM-Kryokühler mit zwei Kaltfingern und mechanischem Antrieb umgewandelt. Somit kann die Kühltemperatur weiter reduziert werden (~ 4,2 K oder niedrigere Temperatur kann in den thermischen Stufen beider Kaltköpfe der zweiten Stufe erreicht werden).
• Sowohl einstufige als auch zweistufige Doppelkaltfinger-GM-Kryokühlerkonfigurationen sind ferner in einer anderen Erfindung zusätzlich zu der früher präsentierten Erfindung mit Warmende-Puffervolumen und Verbindungsventilen verbunden. Diese Anordnung (dh Puffer und Ventil am warmen Ende) lädt und entlädt Gas in die Gaskammern beider Kaltköpfe während einiger Wartezeiten des Verdichterventilabschnitts. Als Ergebnis dieser Anordnung steigt der prozentuale Carnot-Wirkungsgrad des Systems.
• Thermodynamische Zyklen sind sowohl an der unteren Expansionskammer als auch an der oberen Expansionskammer gezeichnet, um die Bewegung von Gaspaketen zur Erzeugung eines produktiven Kühleffekts zu erklären.

Die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung geben Ausführungsbeispiele. Der Fachmann wird erkennen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente gut zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente von einer Ausführungsform können zu einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Beispielsweise können hierin beschriebene Reihenfolgen von Prozessen geändert werden und sind nicht auf die hierin beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen irgendeines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge implementiert werden; auch müssen nicht unbedingt alle Handlungen durchgeführt werden. Auch solche Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, können parallel zu den anderen Handlungen durchgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist keineswegs durch diese spezifischen Beispiele beschränkt. Zahlreiche Variationen, ob ausdrücklich in der Beschreibung angegeben oder nicht, wie Unterschiede in Struktur, Abmessung und Materialverwendung, sind möglich. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so breit wie durch die folgenden Ansprüche angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben in Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass Vorteile, Vorzüge oder Lösungen auftreten oder stärker ausgeprägt werden, sind jedoch nicht als kritische, erforderliche oder wesentliche Merkmale oder Komponenten von auszulegen einige oder alle Ansprüche.

Claims

Ein System für einen mechanisch angetriebenen Kryokühler und Antriebsmechanismus von Gifford-McMahon mit zwei Kaltfingern, das System umfasst: eine Heliumkompressoreinheit bestehend aus einem Kolben-/Scrollverdichter, einem Ölabscheider, einem Heliumwärmetauscher, einem Adsorber, einem Ölwärmetauscher und einem Niederdruckpuffervolumen; ein umfassender Ölabscheidemechanismus, der in der Kompressoreinheit verwendet wird, um das Eindringen von Öl in den Kaltkopf des Kryokühlers zu verhindern, das aufgrund der kryogenen Temperatur verfestigt werden kann und den Ausfall der Kaltkopfeinheit verursacht; eine Ventilsteuereinheit, ausgewählt aus einem oder mehreren mechanischen Drehventilen oder Magnetventilen, wobei das mechanische Drehventil aus einem Rotor besteht, der fest über einer Ventilplatte gehalten und mit Hilfe eines Motors mit einer solchen Geschwindigkeit gedreht wird, dass, wenn der Rotiert der Rotor über der Platte, entsteht ein Strömungskanal zwischen den Hoch- und Niederdruckleitungen des Kompressors mit gemeinsamem Gasströmungsweg, der es dem Hoch- und Niederdruckgas ermöglicht, abwechselnd den Kaltkopf zu verbinden und die oszillierende Druckwelle zu erzeugen, während der Magnetventile mit entsprechenden elektronischen Steuereinheiten erzeugen auch den oszillierenden Druckimpuls für den Kaltkopf des Kryokühlers; einen Kaltkopf, bestehend aus einer Kompressionskammer, einem Verdrängergehäuse, einer Gleitringdichtung, einem Regenerator, einem Einlass- und einem Auslassgasströmungsweg, einem Einlass- und einem Auslassströmungsgleichrichter, einem Kaltkopfzylinder, einem kalten Wärmetauscher/Kühlkopf, wobei zwischen der Außenfläche des Verdrängers und der Innenfläche des Kaltkopfzylinders Gleitdichtungen vorgesehen sind, die den Fluss von Arbeitsfluid von der Kompressionskammer zu der Expansionskammer verhindern, und die Gleitdichtung vorzugsweise eine O-Ring-Dichtung ist umgeben von einer C-förmigen Teflondichtung, die einen Kältemittelfluss von der Kompressions- zur Expansionskammer verhindert und das Arbeitsfluid zwingt, durch den Regeneratorströmungskanal zu strömen, wobei der Verdränger mit einem Verdrängerantriebsschaft verbunden ist, der ferner mit einer Pleuelstange verbunden ist so dass durch die Pleuelstange und den Antriebsschaft des Verdrängers Kraft vom Motor auf den Verdränger übertragen wird und dieser sich innerhalb des Kaltkopfzylinders hin- und herbewegt, wodurch sich das Volumen sowohl der Kompressions- als auch der Expansionskammer in einem Zyklus ändert, wobei der Verdränger Gleitlager der Antriebswelle verhindert das Austreten von Kältemittel und führt die Bewegung des Verdrängers; Und einen Antriebsmechanismus, der einen Motor, ein kreisförmiges Getriebe, ein linkes Lineargetriebe, ein rechtes Lineargetriebe, einen Zahnstangenhalter, eine Pleuelstange und ein Pleuelstangenzapfenlager umfasst, wobei das Pleuelstangenzapfenlager die Pleuelstange in ihrer Position hält und die Dichtungsanordnung das Austreten von Schmiermittel verhindert, wobei die Pleuelstange an dem Verdrängerantriebsschaft befestigt ist und die Drehbewegung des kreisförmigen Zahnrads mit dieser Anordnung in eine hin- und hergehende Bewegung umgewandelt wird, wobei aufgrund der hin- und hergehenden Bewegung der Verdränger kalt ist Kopfzylinder, das Volumen sowohl der Expansionskammer als auch der Kompressionskammer ändert sich in einem Zyklus und es wird ein Kühleffekt erzeugt, wobei der Zahnradantriebsmechanismus mit einem Außengehäuse abgedeckt ist, um das Eindringen von Staub zu vermeiden und das Erscheinungsbild einfach zu machen.
System nach Anspruch 1, wobei die Ventile V1 und V2 an der Hochdruckleitung bzw. Niederdruckleitung des Kompressors angeordnet sind, wenn das Ventil V1 geöffnet ist, tritt das Hochdruckkältemittel (Heliumgas) ein die Gaskammern des Kaltkopfs vom Kompressor, und wenn das Ventil V2 geöffnet wird, kehrt das expandierte Kältemittel von den Gaskammern des Kaltkopfs zum Kompressor zurück, wobei das Kältemittel von den Ventilen V1 und V2 über einen gemeinsamen Gasströmungsweg zum Kaltkopf strömt.
System nach Anspruch 1, wobei ein typischer GM-Kryokühler mit zwei kalten Fingern und mechanischem Antrieb besteht, der aus einem oberen Kaltkopf und einem unteren Kaltkopf besteht, wobei die strukturelle Konfiguration jedes Kaltkopfs identisch mit der einstufigen Konfiguration ist. wobei der untere Kaltkopf aus einem unteren gemeinsamen Gasströmungspfad, einer unteren Kompressionskammer, einem unteren Einlassgasströmungspfad, einem unteren Verdrängergehäuse, einer unteren Gleitringdichtung, einem unteren Einlassströmungsgleichrichter, einem unteren Regenerator, einem unteren Auslassströmungsgleichrichter, einem unteren Auslassgasströmungspfad besteht , untere Expansionskammer, unterer Zylinder und unterer Kühlkopf, wobei der untere Verdränger mit der unteren Pleuelstange mittels einer Antriebsstange des unteren Verdrängers verbunden ist, und ein Gleitlager der Antriebsstange des unteren Verdrängers ihn in seiner Position hält und das Austreten von Kältemittel verhindert, wobei Der obere Kaltkopf besteht aus einem oberen gemeinsamen Gasströmungsweg, einer oberen Kompressionskammer, einem oberen Einlassgasströmungsweg, einem oberen Verdrängergehäuse, einer oberen Gleitringdichtung, einem oberen Einlassströmungsgleichrichter, einem oberen Regenerator, einem oberen Auslassströmungsgleichrichter, einem oberen Auslassgasströmungspfad, obere Expansionskammer, oberer Zylinder und oberer Kühlkopf.
System nach Anspruch 3, wobei der obere Verdränger mit der oberen Pleuelstange mittels einer Antriebsstange des oberen Verdrängers verbunden ist und das Gleitlager der Antriebsstange des oberen Verdrängers ihn in seiner Position hält und das Austreten des Kältemittels verhindert, wobei der untere kalt ist Kopf ist mit dem Kompressorsystem durch Ventil V1 und V2 verbunden, wobei der obere Kaltkopf mit dem Kompressorsystem durch Ventil V3 und V4 verbunden ist, wobei V1 und V3 Einlassventile für unteren Kaltkopf und oberen Kaltkopf sind, V2 und V4 sind Auslassventile für den unteren Kaltkopf und den oberen Kaltkopf, wobei, wenn der untere Zylinder mit der Auslassseite des Kompressors durch V1 verbunden ist, der obere Zylinder mit der Saugseite des Kompressors durch V4 verbunden sein sollte, wobei, wenn der untere Zylinder mit der Saugseite verbunden ist Auf der Seite des Kompressors durch V2 ist der obere Zylinder mit der Druckseite durch V3 verbunden, so dass, wenn ein Zylinder zum Ladevorgang geht, der andere Zylinder zum Entladevorgang geht und umgekehrt, auf diese Weise das komprimierte Arbeitsfluid austritt Druckgasversorgungseinheit zu den Kaltköpfen alternativ.
System nach Anspruch 1, wobei ein zweistufiger GM-Kryokühler mit einzelnem Kaltkopf, in dem das heiße Ende der zweiten Stufe mit dem kalten Ende der ersten Stufe gekoppelt ist, so dass das Arbeitsfluid von Raumtemperatur auf gekühlt wird auf eine bestimmte Temperatur in der ersten Stufe und dann auf eine weitere niedrige Temperatur in der Expansionskammer der zweiten Stufe, wobei die erste Stufe wie eine Vorkühlung des Kühlmittels wirkt, bevor es in die zweite Stufe eintritt, und die Komponenten der zweiten Stufe ein Einlassgasstrom der zweiten Stufe sind Weg, Einlassströmungs-Richter der zweiten Stufe, Regenerator der zweiten Stufe, Auslassströmungs-Richter der zweiten Stufe, Auslassgasströmungsweg der zweiten Stufe und Expansionskammer der zweiten Stufe, wobei das Gas in der Expansionskammer der zweiten expandiert wird -Stufe und Kühleffekt wird durch den Kühlkopf der zweiten Stufe bereitgestellt und die Gleitringdichtung der zweiten Stufe verhindert das Austreten von Kältemittel und ist zwischen dem Verdrängergehäuse der zweiten Stufe und dem Zylinder der zweiten Stufe angeordnet.
System nach Anspruch 5, wobei das Arbeitsfluid von der Expansionskammer der ersten Stufe zu der Expansionskammer der zweiten Stufe über den Einlassgasströmungspfad der zweiten Stufe, den Einlassströmungsbegradiger der zweiten Stufe, den Regenerator der zweiten Stufe und die zweite Stufe strömt Auslassströmungsgleichrichter, Auslassgasströmungsweg der zweiten Stufe, wobei nach Expansion der Kälte in der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe eine Kühlwirkung erzeugt wird, die am unteren Kühlkopf der zweiten Stufe absorbiert wird, wodurch das expandierte Kältemittel dann zurückkehrt Expansionskammer der zweiten Stufe zur Expansionskammer der ersten Stufe durch Auslassgasströmungspfad der zweiten Stufe, Auslassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe, Regenerator der zweiten Stufe, Einlassströmungsgleichrichter der zweiten Stufe und Einlassgasströmungspfad der zweiten Stufe , wobei das heiße Ende des Verdrängers der zweiten Stufe mit dem unteren Ende des Verdrängers der ersten Stufe durch eine Kopplungsstange verbunden ist und die Kopplungsstange an dem Verdränger der ersten Stufe und dem Verdränger der zweiten Stufe durch einen Verbindungsstift der ersten Stufe und eine Verbindung der zweiten Stufe angebracht ist Stift jeweils derart, dass die Bewegung von der ersten Stufe zur zweiten Stufe übertragen wird, wobei der Verdränger der zweiten Stufe infolgedessen eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders der zweiten Stufe erfährt und sich das Volumen der Expansionskammer der zweiten Stufe in einem Zyklus ändert.
System nach Anspruch 1, wobei die Komponenten der zweiten Stufe sowohl des oberen als auch des unteren Kaltkopfes über eine Verbindungsstange am kalten Ende ihrer jeweiligen ersten Stufe angebracht sind.
System nach Anspruch 1 und 7, wobei der untere Kaltkopf der ersten Stufe aus einem unteren gemeinsamen Gasströmungsweg, einer unteren Kompressionskammer der ersten Stufe, einem unteren Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe, einem unteren Verdrängergehäuse der ersten Stufe, unten zuerst, besteht Gleitringdichtung der ersten Stufe, unterer Einlassstrom der ersten Stufe - Gleichrichter, unterer Regenerator der ersten Stufe, unterer Auslassstrom der ersten Stufe - Gleichrichter, unterer Gasströmungsweg des Auslasses der ersten Stufe, untere Expansionskammer der ersten Stufe, unterer Zylinder der ersten Stufe , unterer Kühlkopf der ersten Stufe, unterer Verdränger-Antriebsschaft, unteres Verdränger-Antriebsschaft-Gleitlager, untere Pleuelstange, linkes Lineargetriebe, kreisförmiges Zahnrad, Zahnstangenhalter, Motor, unteres Pleuel-Gleitlager und rechtes Lineargetriebe, wobei der Verdränger wird innerhalb des Zylinders durch den Antriebsmechanismus angetrieben, wie im Fall des mechanisch angetriebenen GM-Kryokühlers mit einem einzigen Verdränger und zwei kalten Fingern besprochen.
System nach den Ansprüchen 7 und 8, wobei das warme Ende des Verdrängers der zweiten Stufe des unteren Zylinders mit dem kalten Ende des Verdrängers der ersten Stufe durch eine untere Kopplungsstange verbunden ist und die untere Kopplungsstange an dem Verdränger der ersten und zweiten Stufe angebracht ist Verdränger der zweiten Stufe durch den unteren Verbindungsstift der ersten Stufe und den unteren Verbindungsstift der zweiten Stufe, so dass die Bewegung von der ersten Stufe auf die zweite Stufe übertragen wird, wobei der Verdränger der zweiten Stufe infolgedessen eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders der zweiten Stufe und des Volumens erfährt der Expansionskammer der zweiten Stufe in einem Zyklus ändert, wobei eine untere Gleitdichtung der zweiten Stufe zwischen dem Außendurchmesser des Verdrängergehäuses der zweiten Stufe und dem Innendurchmesser des unteren Zylinders der zweiten Stufe angeordnet ist, um das Austreten von Kältemittel zu verhindern, durch das das Arbeitsfluid hindurchtritt von der unteren Expansionskammer der ersten Stufe zur unteren Expansionskammer der zweiten Stufe über den unteren Einlassgasströmungspfad der zweiten Stufe, den unteren Einlassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat, den unteren Regenerator der zweiten Stufe, den unteren Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat und den Boden Auslassgasströmungsweg der zweiten Stufe.
System nach Anspruch 9, wobei nach Expansion der Kälte in der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe eine Kühlwirkung erzeugt wird, die am unteren Kühlkopf der zweiten Stufe absorbiert wird und das expandierte Kühlmittel von der unteren Expansionskammer der zweiten Stufe zurückkehrt zum Verdichter über den unteren Auslassgasweg der zweiten Stufe, den unteren Auslassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat, den unteren Regenerator der zweiten Stufe, den unteren Einlassstrom der zweiten Stufe - Richtapparat, den unteren Einlassgasweg der zweiten Stufe, die untere erste Stufe Expansionskammer, unterer Auslassstrom der ersten Stufe - Gleichrichter, unterer Regenerator der ersten Stufe, unterer Einlassstrom der ersten Stufe - Gleichrichter, unterer Einlassgasströmungsweg der ersten Stufe, untere Kompressionskammer der ersten Stufe, unterer gemeinsamer Gasströmungsweg, Ventil V2 , Niederdruckpuffer und Verdichtersaugleitung.