DE2311596A1 - Kaeltemaschine - Google Patents

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 5. März 1973

Hughes Aircraft Company P 2662 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Kältemaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kältemaschine mit einem ein gasförmiges Kältemittel enthaltenden Zylinder und einem in dem Zylinder verschiebbar angeordneten Kolben, der mit einer Antriebseinrichtung verbunden , tat, die sich in einer mit dem Inneren des Zylinders verbundenen Kammer eines den Zylinder tragenden Kurbelgehäuses befindet.

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..us der US-PS 1 275 507 ist ein Dreikamner-Kreisprozeß bekannt, der gewöhnlich als Vuilleumier-Zyklus oder kurz VM-Zyklus bezeichnet wird. Eine modernere Kältemaschine, aie nach diesem Kreisprozeß arbeitet, ist in der US-PS 5 423 948 beschrieben. Weitere Einzelheiten zu diesem Kreisprozeß finden sich in einem Aufsatz von Pitcher und DuPre: "Miniature Vuilleumier-Cycle Refrigerator" in ADVANCES IN CRYOGEIi ENGINEERING, Band 15, New York 1970, Seiten 44-7 bis 451.

Jie Kältemaschine der eingangs beschriebenen Art arbeitet HdC; dem Vuilleumier-Zyklus und benutzt dabei die Kammer des Kurbelgehäuses zugleich als eine der bei dem Kreisprozeß benötigten Kammern, in|dem sich das gasförmige kältemittel befindet. Für einen möglichst guten Wirkungsgrad einer solchen Kältemaschine ist es wichtig, aaß das Volumen der Kammer im Kurbelgehäuse möglichst Klein ist. Die Abmessungen der Kammer sind jedoch durch den Hub des in dem Zylinder angeordneten Kolbens und den Raumbedarf für eine ausreichend stabile Verbindung zwischen Kolben und der in ,der Kammer angeordneten Antriebseinrichtung gegeben.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Kältemaschine der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß die Kammer im Kurbelgehäuse ein möglichst geringes Volumen aufweist, um den Wirkungsgrad der Kabelmaschine zu verbessern, ohne jedoch den optimalen Kolbenhub zu vermindern oder die Verbindung zwischen Kolben und ^n'criebseinrichtung zu schwächen.

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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kammer des Kurbelgehäuses im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und die Antriebseinrichtung eine die Kammer im wesentlichen ausfüllende zylindrische Scheibe umfaßt,'um das in der Kammer enthaltene Volumen an gasförmigem Kältemittel auf ein Minimum zu reduzieren·

Bei der erfindungsgemäßen Kältemaschine werden also nicht die äußeren Abmessungen der Kammer vermindert, sondern es wird die Kammer weitgehend ausgefüllt, um das in ihr verbleibende Volumen zu vermindern. Auf diese Weise ist es möglich, einen maximalen Wirkungsgrad bei einem zugleich einfachen und robusten Aufbau der Kältemaschine zu erzielen, der eine große Lebensdauer der Kältemaschine gewährleistet·

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Scheibe einer Stirnfläche eine exzentrisch angeordnete, ringförmig geschlossene Nut auf, in der ein Laufring angeordnet ist, mit dem der Kolben verbunden ist· Eine solche Anordnung trägt sowohl zur Ausfüllung der Kammer und damit Verminderung des Kammervolumen bei und ergibt zugleich eine besonders betriebssichere Verbindung zwischen Kolben und der Antriebseinrichtung.

Die Erfindung ermöglicht es weiterhin, eine Vuilleumier-Käloemaschine mit zwei zyklisch bewegten Kolben so auszubilden, daß der Phasenwinkel zwischen den Arbeitszyklen der beiden Kolben auf einen von 90° abweichenden

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Wert einstellbar ist, um den Wirkungsgrad der Kältemaschine weiter zu erhöhen.

V.eitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung örgeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispieles, Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden· Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Kältemaschine nach der Erfindung,

?ig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 durch die Kältemaschine nach Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Linie 3-3 duich die Kältemaschine nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 durch die Kältemaschine nach Fig. 1,,

Fig. 5 einen vergrößerten Teilschnitt mit teilweise aufgebrochenen Teilen längs der Linie 5-5 durch die Anordnung nach Fig. 4,

Fig. 6, 7 "und 8 Schnitte ähnlich Fig. 2 bei verschiedenen Stellungen der Kolben,

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i^?ig. 9 eine schematische Darstellung der Kältemaschine zur Veranschaulichung der verschiedenen vorhandenen Volumen und deren Verbindung,

Fig. 10 und 11 pV-Diagramme, welche den Zustand im kalten

bzw. heißen Volumen anzeigen und

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Kühlleistung und dem Phasenwinkel zwischen den Arbeitszyklen der Kolben.

Um die Bedeutung der Erfindung verstehen zu können, ist es erforderlich, den Vuilleumier-Zyklus zu kennen. Die in den Fig. 1, 2, 4 und 6 bis 8 dargestellte bevorzugte ausführungsform einer Kältemaschine 10 weist einen heißen Zylinder 12 und einen kalten Zylinder 14 auf. Diese beiden Zylinder sind auf einem Kurbelgehäuse 16 befestigt. In beiden Zylindern befindet sich ein Verdränger oder Kolben 18 bzw. 20. Wenn sich der heiße Kolben 18 im heißen Zylinder 12 bewegt, Unterteilt er das Innere des heißen Zylinders in ein heißes Volumen 22 und ein normales Volumen 2A-. Die Temperatur des normalen Volumens 24 liegt geringfügig über der Umgebungstemperatur, weil von den gasförmigen Kältemittel bei der Temperatur des normalen Volumens von der Umgebung keine Wärme aufgenommen wird. Diesem Volumen wird jedoch normales Volumen genannt, weil ei3 weder eine absichtlich erhöhte oder absichtlich abgesenkte Temperatur aufweist. ^l

Zum Erwärmen des Kältemittels in dem heißen Volumen 22 iijt ein Heizelement 26 vorgesehen. Der heiße Kolben 18

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enthält, wie in Fig. 9 schematise?, angedeutet, einen Regenerator, so daß ein Wäraeausta^ch zwischen dem Kältemittel und der Regenerators.-;:, ? 19 Bt at π findet, wenn der Kolben den Zylinder 12 durchläuft

ft.

In gleicher V/eise unterteilt dsr kalte Kolben 20 den kalten Zylinder 14 in ein kalten ^cluraen 23 und ein normales Volumen 30· Auch in aez kalten Kolben 20 iet ein Regenerator 21 eingebaut, der ur,er vordere und hintere öffnungen 23 bzw. ?.~) zur.aivrlich lis, wie es die Fig. 2 und 3 zeigen. Somit kann auch ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Regeneratormasse stattfinden, wenn das Käitcoii ttsl dan Kolben während dessen Bewegung durch der* kalten Zylinder durchströmt. Die Kühlung findet arc Ende 34· des kalten Zylinders 14 statt.

Der heiße und der kalte Kolben sind in noch zu beschreibender Weise mechanisch so miteinander verbunden, daß sie ihre Bewegungen mit einer Phasenverschiebung von 90° gegeneinander ausführen. Bei der dargestellten ausführungsform der Kältemaschine geht diese (Tatsache aus der um 90° versetzten Anordnung der Zylinder hervor.

j könnten jedoch die Zylinder auch eine andere Relativstellung zueinander haben und der Phasenwinkel durch die Relativstellung der die Kolben antreibenden Kurbeln bestimmt ist«

Die beschriebene Kältemaschine ist eine mit konstantem Volumen arbeitende Vorrichtung, weil das von der kalten Kammer 28, der heißen Kammer 22 und der Gesamtheit des

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normalen Volumens, das die normalen Volumen 24 und 30 der Zylinder und die diese Volumen verbindenden Kanäle, einschließlich des normalen Volumen des Kurbeigehäusee 16, umfaßt, gebildete Gesamtvolumen konstant ist· Dieses Gesamtvolumen ist jedoch nach der Stellung der heißen und kalten Kolben 18 und 20 in unterschiedliche Abschnitte unterteilt· Obwohl durch 'die Bewegung der beiden Kolben das Gesamtvolumen nicht verändert werden kann, finden doch bei der Bewegung der Kolben Druckänderungen statt, weil das das Gesamtvolumen ausfüllende Gas Druckänderungen erleidet. Wenn, einzeln betrachtet, der heiße Kolben 18 sich in Richtung auf die Kurbel bewegt, drückt er Gas aus der normalen Kammer 24 auf seine heiße Seite, also in die heiße Kammer 22. Da diese Bewegung- eine Zunahme der mittleren Temperatur des Gases in diesen beiden Abschnitten des Gesamtvolumens zur Folge hat, nimmt der mittlere Druck in der gesamten Kältemaschine zu· Wenn dagegen der kalte Kolben 20 sich in Richtung auf die Kurbelwelle bewegt, drückt er Gas aus dem normalen Volumen 30 in das kalte Volumen 28. Da das Gas auf diese Weise gekühlt wird, nimmt der Gesamtdruck ab·

Im Betrieb läuft die Kurbelwelle bei der durch die Fig. 2 und 6 bis 8 gegebenen Blickrichtung im Uhrzeigersinn um· Die relativen Größen des kalten Volumens 28 und des heißen

Volumens 22 bei der zyklischen Bewegung der Kolben ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt· Wenn sich die Kurbelwelle im Uhrzeigersinn dreht, ändern sich die Druck-Volumen-Verhältnisse in der angegebenen Weise· Bei der in Fig» 7 wiedergegebenen Stellung befindet sich der kalte Kolben

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in seiner äußersten Stellung im kalten Zylinder 14, während der heiße Kolben 18 im heißen Zylinder 12 eine Mittelstellung einnimmt und sich in Richtung auf die Kurbelwelle bewegt. Wenn die Kurbelwelle um 90° in die Stellung nach Fig. 8 weiterläuft, geht der kalte Kolben 20 in eine mittlere Stellung zurück, während der heiße Kolben 18 in seine untere Totpunktstellung bewegt wird. Während der Bewegung durch diesen Quadranten werden beide Kolben in Richtung auf die Kurbelwelle bewegt. Wie oben angegeben, besteht bei einer Bewegung des heißen Kolbens 18 in dieser Richtung die Tendenz, den Druck zu erhöhen, während eine Bewegung des kalten Kolbens 22 in dieser Richtung im Sinne einer Druckverminderung wirkt. Diese Wirkungen gleichen sich im wesentlichen aus, so daß sich der mittlere Druck nicht wesentlich ändert, wie es die Kurven 10 und 11 anzeigen. Die resultierende Wirkung dieses Bewegungsabschnittes besteht darin, daß eine gewisse Menge des gasförmigen Kältemittels in,das kalte Volufcen 28 gebracht worden ist, ohne eine wesentliche Druckänderung zu erfahren.

Die weitere Bewegung der Kurbelwelle im Uhrzeigersinn zu der in Fig. 2 wiedergegebenen Stellung bringt den kalten Kolben 20 in seine innere Totpunktstellung und den warmen Kolben 18 in eine Mittelstellung. Während der Drehung der Kurbelwelle durch diesen Quadranten bewegt sich der warme Kolben 18 von der Kurbelwelle fort, während der kalte Kolben 20 in Richtung auf die Kurbelwelle bewegt wird. Wie oben dargelegt, hat eine

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Bewegung der Kolben in dieser Richtung in beiden Fällen ein Kühlen des Gases zur Folge und es fällt der Druck von einem im wesentlichen konstanten hohen Wert P₂ auf einen neuen, im wesentlichen konstanten unteren Wert P^ ab, wie es die Fig. 10 und 11 zeigen. Ss handelt sich hier um den Kühlabschnitt des Zyklus, der durch eine Expansion des Gases im kalten Volumen charakterisiert ist. V/enn die Kurbelwelle von der Stellung nach Fig. 2 in die Stellung nach Fig. 6 übergeht, bewegt sich der heiße Kolben 18 in seine obere Totpunktstellung, während der kalte Kolben 20 in eine mittlere Stellung bewegt wird. Während dieser Bewegung bringt der kalte Kolben 20 Gas in einen wärmeren Bereich, während der heiße Kolben 18 Gas in einen kälteren Bereich bringt, was wiederum im wesentlichen ohne Einfluß auf den Druck bleibt, wie es in den Fig. 10 und 11 angegeben ist· Infolgedessen bleibt der Druck im wesentlichen bei dem unteren Wert P^ und es wird Gas von der heißen Kammer in die kalte Kammer 28 gefördert.

Im nächsten Quadrant der Bewegung von der Stellung nach Fig. 6 zur Stellung nach Fig. 7 wird der kalte Kolben in seine äußere Totpunktstellung gebracht, wodurch das kalte Volumen 28 reduziert wird, während der heiße Kolben in Hichtung auf die Kurbelwelle in eine Mittelstellung gebracht wird und so den Ausgangspunkt für die Kühlphase des Zyklus erreicht. Diese Bewegung bewirkt, daß beide Kolben einen Druckanstieg verursachen, so daß der Gasdruck vom Wert P^ zum Wert P^ zunimmt.

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Die Druck-Volumen-Kurven nach den Fig. 10 und 11 zeigen, daß die von dem Ga3 im kalten Volumen geleistete Arbeit genau der Arbeit gleicht, die dem Gas im heißen Volumen zugeführt wird. Die von den gasförmigen Kältemitteln in den beiden Volumen geleisteten mechanischen pV-Arbeiten stehen in einer solchen Wechselwirkung, daß sie miteinander gekoppelt und gleich sind. Die bei der Expansion des kalten Kältemittels geleistete Arbeit ist der bei der Kompression des heißen Kältemittels geleisteten Arbeit gleich. Daher bewirkt eine thermodynamische Wärmezufuhr durch das Heizelement 26 einen gleichen thermodynamischen Wärmeentzug oder eine Kühlung an der vom Ende 34 des kalten Zylinders 14 gebildeten Kühlstelle·

Es ist jedoch zu beachten, daß die Druckänderung in hohem Maße von der Größe des normalen Volumens abhängt. Die gleiche Temperaturänderung wird eine um so geringere Druckänderung zur Folge haben, je größer das normale Volumen ist. Infolgedessen sollte das normale Volumen so weit wie möglich vermindert werden, um größere relative Druckänderungen während eines Zyklus und infolgedessen eine bessere Kühlleistung pro Volumeneinheit der Kältemaschine zu erzielen.

Da die Gesamtheit der Volumen 24, 30 und 32 das Volumen mit Normaltemperatur bildet, die gerade so viel höher ist als die Temperatur der Umgebung, daß von dem Normalvolumen Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann, trägt dieses Volumen nicht zu Druckänderungen bei, die

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sich aus der mittleren Temperatur der gesamten Menge des Kältemittels ergeben. Statt dessen vermindert das Volumen des Kurbelgehäuses das Druckverhältnis und ist demgemäß für den Wirkungsgrad der Kältemaschine schädlich. Bei einer Reduktion des Volumens 52 des Kurbelgehäuses auf Null würden alle Volumen zu den verschiebbaren gehören, die zur Zyklusarbeit beitragen· Demgemäß würde eine Reduzierung des Volumens 52 des Kurbelgehäuses auf Null zu maximalen Druckänderungen im System bei der beschriebenen Bewegung des Kältemittels von einem Volumen zum anderen führen· Bei dem höchsten Druckverhältnis wird auch die größte Kühlleistung bei einer Kältemaschine gegebener Größe erzielt· Wenn es auch nicht möglich ist, das Volumen 52 dee Kurbelgehäuses auf Null zu reduzieren, weil eine Verbindung zwischen den normalen Volumen 24- und 50 der beiden Zylinder vorhanden sein muß, so kann doch das normale Volumen 52 des Kurbelgehäuses auf ein Minimum gebracht werden. Die Fig. 5\ **■ und 5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform, mit der nach der Erfindung das Volumen des Kurbelgehäuses auf ein Minimum reduziert werden kann.

An dem Kurbelgehäuse 16 ist ein Motor 56 befestigt. Bei dem Motor 56 handelt es sich im Prinzip um einen Geschwindigkeitsregler, der die Geschwindigkeit des Kühlzyklus bestimmt, Obwohl der Motor Leistung aufnimmt, ist diese Leistung gering und dient im wesentlichen nur zur Überwindung der Reibung. Die Leistungsaufnahme des Motors ist nicht die dem System zuzuführende

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Hauptleistung. Die Motorwelle· 38 erstreckt in das Kurbelgehäuse 16, ist in dem Kurbelgehäuse mit üblichen Lagern drehbar gelagert und mit üblichen Dichtungen versehen, um das Entweichen von Kältemittel zu / verhindern· Auf dem Ende der Motorwelle 38 sind Schei— ' ben 40 und 42 "befestigt und werden vom Motor gedreht. In jede der Scheiben 40 und 42 ist eine exzentrische Nut 46 bzw. 47 eingearbeitet. Auf die Innenfläche dieser Nuten sind Kugellager 48 bzw. 50 aufgepreßt, die Laufringe 52 bzw. 54 tragen.-Diese Laufringe füllen die Nuten 46 und 47 im wesentlichen aus. Die äußeren Ringe der Kugellager und die Laufringe haben >gegenüber den Wandungen der Nuten ein geringes Spiel.

Die gesamte Anordnung mit den Scheiben 40 und 42 befindet sich innerhalb einer von dem Kurbelgehäuse 16 gebildeten Kammer 56, die eine zylindrische Gestalt aufweist und die Scheiben 40 und 42 dicht umgibt. Daher ist 4as freie Volumen dieser Kammer auf das notwendige Spiel reduziert. In einem geeigneten Lagermaterial, wie beispielsweise den in Fig. 2 dargestellten Lagerhülsen 62 und 64, sind Führungsbohrungen 58 und angebracht, in denen Kolbenstangen 66 und 68 verschiebbar gelagert sind. Die Führungsbohrungen schneiden die Kammer 56, so daß die Kolbenstangen mit den exzentrischen Laufriiigen verbunden werden können. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Mittellinie der Führungsbohrung 58 im wesentlichen mit der in Fig. 3 linken Seite der Kammer 56 fluchtet, während die Mittellinie der Führungsbohrung 60 im wesentlichen mit der in Fig. 3 rechten

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Seite der Kammer=fluchtet· Die Kolbenstangen gelbst sind an ihren Enden mit Abflachungen 70 bzw. 72/versehen, die in einer Durchmesserebene der Kolbenstangen liegen. Die die Abflachungen bildenden Aussparungen werden an ihren Enden von Flächen 74- und 76 begrenzt, bei denen es sich um Abschnitte von Zylinderflächen handelt, die im wesentlichen den gleichen Radius wie die Scheiben haben. Die Flächen 74- und 76 sind an solchen Stellen der Kolbenstangen angebracht, daß sie der Umfangsfläche der Scheiben dicht gegenüberstehen, wenn die Kolben ihre innerste Stellung einnehmen, wie es in Fig. 3 für den heißen Kolben 18 mit der Kolbenstange 66 dargestellt ist, bei der zwischen ihrer Fläche 74- und der Scheibe 40 nur ein enger Spalt vorhanden ist. Ebenso stehen die Enden der Kolbenstangen den Enden der Führungsbohrungen dicht gegenüber, wenn sie sich in ihrer innersten Stellung befinden· /

Die Verbindung zwischen den Kolbenstangen und den Laufringen erfolgt mit Hilfe von Zapfen 78 bzw. 80· Diese -Zapfen greifen in geeignete Lager in den Kolbenstangen ein. Da zwischen den Zapfen und den Bohrungen in den Kolbenstangen eine Schwingbewegung existiert, können zur Verminderung der Reibung, wie in Fig. 3 dargestellt, Kugellager angewendet werden.

Die Abstände zwischen den Teilen sind in der Zeichnung übertrieben groß dargestellt, um die Abstände zwischen den '.Teilen deutlich zu machen und zu zeigen, welche Teile gegenüber den anderen ohne Berührung beweglich sind. Die

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Abstände werden jedoch auf das absolut notwendige Spiel vermindert, insbesondere zwischen den Bohrungen 58 und 60, um das Volumen 32 des Kurbelgehäuses auf ein Minimum zu vermindern. Eine Gasverbindung zwischen den Volumen 24 und J2 kann durch Anbringen einer schmalen Abflachung an der Außenseite der Kolbenstange 65 erfolgen,/ die einen Gasdurchtritt aus dem verdrängten Volumen unter den Kolben 18 zur Kammer 56 des Kurbelgehäuses gestattet". Im übrigen ist das für den freien. Lauf der Teile belassene Spiel ausreichend, trm der. Durchtritt des Kältemittels zu ermöglichen«

Der kalte Kolben 20 kann ei.:t-^ ed er einen Kolben größeren Durchmessers am Ende einer dünneren Kolbenstange aufweisen oder den gleichen Durchmesser haben wie die Kolbenstange, wie es in -Fig. 3 dargestellt ist. In diesem Fall befindet sich das geseilte normale Volumen in der Führungsbohrung 60 und wird von dem inneren Ende der Kolbenstange 68 verdrängt, wie es am besten Fig. 3 zeigt. Der Eintritt von dem verdrängten Volumen 30 in den Regenerator 21 erfolgt durch die öffnungen 25. /

Es ist ersichtlich, daß dieser Aufbau zu einem minimalen Volumen 32 des Kurbelgehäuses führt, 'weil der größte Teil des vorhandenen Raumes mit Metall ausgefüllt ist. 'was an normalem Volumen 32 im Kurbelgehäuse verbleibt, ist durch das absolut notwendige Spiel zwiscae*: den gegeneinander beweglichen Teilen bedingt, ^ogar die Volumen an den inneren Enden der Kolbenstangen worden bei der Bewegung der Kolbenstangen verändert, so äaS> ein Minimum an unveränderlichem Volumen verbleibt. Auf diese V/eiso wird der

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Wirkungsgrad der Kältemaschine im Vergleich zu demjenigen einer Kältemaschine mit einem größeren Volumen des Kurbelgehäuses verbessert·

Eine nach der Erfindung hergestellte kleine VM-Kältemaschine kann beispielsweise einen Hub der Kolben von 6,25 mm aufweisen· Bei diesem Hub ergibt sich für die Scheiben 40 und 42 ein Durchmesser von 37t5 mm und eine geeignete Gesamtaxial!änge von 6,25 mm. Der Abstand zwischen den Scheiben und der Kammer kann auf einen so geringen Wert wie 0,05 mm reduziert werden· Auch der Abstand zwischen den Enden der Kolbenstangen und den Enden der Führungsbohrungen braucht nur 0,05 mm zu betragen· Ebenso kann auch der Abstand zwischen den Flächen 74 und 76 an den Kolbenstangen und der Umfangefläche der Scheiben «uf 0,05 mm reduziert werden· Mit kleinen Abflachungen an der Kolbenstange 66 zur Herstellung einer Verbindung zur Kammer 56 sind diese Abstände innerhalb der Kammer 56 ausreichend, um den Fluß dea gasförmigen Kältemittels zwischen den beiden Zylindern zu ermöglichen. / '

Bei dem Wirkungsgrad, den eine nach der Erfindung verbesserte Kältemaschine erreicht, bei der das unverdrangte normale Volumen nahezu auf Null reduziert worden ist, sind die Unterschiede zwischen der theoretischen und der praktischen Leistung ausreichend, um eine Veränderung des Phasenwinkels gegenüber der theoretischen Phasenverschiebung von 90° auf eine Phasenverschiebung zu rechtfertigen, die zu einer größeren Kühlleistung

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führt. Vom Optimum abweichende Bedingungen, die zu Verlusten führen, umfassen mechanische Reibungsverluste, durch den Fluß des Kältemittels bedingte Druckdifferenzen und eine V/ärmeübertragung durch Wärmeleitung. Diese Verluste verändern auch in einer sehr gut konstruierten Kältemaschine ausreichend die Arbeitsbedingungen gegenüber dem Idealzustand, daß eine größere Kühlleistung erzielt wird, wenn mit einem anderen als dem theoretisch korrekten Phasenwinkel von 90° gearbeitet wird. Tatsächlich werden nur bei sehr gut konstruierten Maschinen die anderen Verluste so weit reduziert, daß die Anwendung eines von 90° abweichenden Phasenwinkels eine solche Differenz der Kühlleistung zur Folge hat, daß es sich lohnt, mit einem anderen Phasenwinkel zu arbeiten.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist, wie aus den Fig. 3, 4 und 5 ersichtlich, die Scheibe 4ä auf einem Achszapfen 82 gelagert, der von der Scheibe 40 absteht. Durch diese Anordnung sind die beiden Scheiben gegeneinander verdrehbar. In der Scheibe 42 ist eine Welle 84 mit einem Zahnrad 86 drehbar gelagert. Dieses Zahnrad greift in einen Zahnring 88 ein, der in einer ringförmigen Nut der Scheibe 40 befestigt ist. V/enn es erwünscht ist, das Normalvolumen auf ein Minimum zu halten, kann der Zahnring 88 und die ihn aufnehmende Nut auf einen Ringabschnitt begrenzt sein, wie es die Fig. 3 und 5 zeigen·

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Ein Drehen des Zahnrades 86 hat eine Relatiwerdrehung der Scheiben 40 und 42 zur Folge. Die Anordnung ist schwergängig genug, daß die Scheiben 40 und 42 ihre relative Winkelstellung beibehalten, wenn auf die Y/eile 84 kein Drehmoment ausgeübt wird· Eine andere Verriegelung der Scheiben kann bei Bedarf mit üblichen Mitteln vorgenommen werden. ,

Die Drehung der Welle 84 mit dem Zahnrad 86 kann auf jede geeignete V/eise erfolgen. Normalerweise ist eine Justierung des Phasenwinkels während des Arbeitens der Kältemaschine 10 nicht erforderlich, sondern es genügt, wenn eine Verdrehung der Scheiben gegeneinander bei stehender Maschine erfolgen kann. Zu diesem Zweck ist das Ende der Welle 84 geschlitzt und es ist in dem Kurbelgehäuse 16 ein Schlüssel 90 verschiebbar und drehbar angeordnet. Wenn der Schlüssel von außen in das Gehäuse gedrückt wird, kann er in den Schlitz am Ende der Welle 84 eingreifen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Dann kann der Schlüssel gedreht werden, so daß das Zahnrad 86 in Verbindung mit dem Zahnring eine Kelatiwerdrehung der Scheiben zur Änderung des Phasenwinkels bewirkt. Die Anordnung ist vorzugsweise so getroffen, daß eine Feder oder der Druck in der Kältemaschine den Schlüssel nach außen drückt, solange er nicht in Gebrauch ist. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die üffnung für den Schlüssel 90 durch eine Kappe 92 verschlossen sein, die eine Abdichtung für das gasförmige Kältemittel bildet.

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In der Praxi3 wird eine Kältemaschine _u:.ü!fcuhai· mit einem nominellen Phasenwinkel montiert- und betrieben werden· Die Prüfung der Maschine ergibt:· αίβ Daten ihrer Kühlleistung. Dann ??ird eine klein·.* '/eratellung vorgenommen werden, die von einer weiteren Prüfling gefolgt wird, um festzustellen, ob sieh eine Erhöhung der Kühlleistung ergeben hat odor nicht. Fig. 12 veranschaulicht die Kühlleistung einer speziellen Kältemaschine in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel. Es wurde festgestellt, daß diese spezielle Kältemaschine bei einem Phasenwinkel von 105° eine größere Kühlleistung hatte als bei dem theoretisch optimalen Phasenwinkel von 90°.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß dieses Ausführungsbeispiel in vielfältiger V/eise abgewandelt werden kann und eine Vielzahl verschiedener Ausführungsformen möglich ist, ohne den durch die folgenden Ansprüche gesteckten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (8)

Patentansprüche

1.) Kältemaschine mit einem ein gasförmiges Kältemittel enthaltenden Zylinder und einem in dem Zylinder verschiebbar angeordneten Kolben, der mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist, die sich in einer mit dem Inneren des Zylinders verbundenen Kammer eines den Zylinder tragenden Kurbelgehäuses befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (56) des Kurbelgehäuses (16) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und die Antriebseinrichtung eine die Kammer (56) im wesentlichen ausfüllende zylindrische Scheibe (40/ umfaßt, um das in der Kammer enthaltene Volumen (32) an gasförmigem Kältemittel auf ein Minimum zu reduzieren.

2k Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse (16) zwei Zylinder (12 und 14) mit je einem Kolben (18 bzw· 20) trägt, das Innere beider Zylinder (12 und 14) mit der Kammer (56) des Kurbelgehäuses (16) verbunden ist, beide Kolben > (18 und 20) mit der gleichen Antriebseinrichtung (40, 42) verbunden sind und die Antriebseinrichtung eine Verstellung der relativen Phasenlagen der Arbeitszyklen der beiden Kolben ermöglicht.

3. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn— < zeichnet, daß die Scheibe (40) um eine Achse drehbar/ ist, die wenigstens annähernd mit der Achse der

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Kammer (56) des Kurbelgehäuses (16) zusammenfällt, und in einer Stirnfläche eine exzentrisch angeordnete, ringförmig geschlossene Nut (4-6) aufweist, in die ein mit dem Kolben (18) ver- J bundener, seitlich abstehender Zapfen (78) eingreift.

4. Kältemaschine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß in der Nut (46) ein Laufring (52) angeordnet und der Zapfen (78) mit dem Laufring verbunden ist.

5· Kältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufring (52) in der Nut (46) auf einem Wälzlager (48) befestigt ist.

6· Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kolben (18) eine Kolbenstange (66) verbunden ist, die in einer Führungsbohrung (58) des Kurbelgehäuses (16) gelagert ist, und (.die Kolbenstange (66) durch die Führungsbohrung hindurch in die Kammer (56) des Kurbelgehäuses (16) hineinragt und innerhalb der Kammer mit der Antriebseinrichtung (40) verbunden ist.

7· Kältemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (66) zylindrisch ausgebildet ist und ihre Achse die Drehachse der Scheibe (40) im wesentlichen rechtwinklig schneidet und im wesentlichen in der Ebene einer Stirnfläche der Scheibe liegt.

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8. Kältemaschine nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (66) in der inneren/ Totpunktstellung des Kolbens (18) der Scheibe (40) mit einem gerade als Spiel ausreichenden geringen Abstand gegenübersteht·

9· Kältemaschine nach Anspruch 8_t dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (66) an ihrem freien Ende eine seitliche Abflachung (70) aufweist, die in einer Durchmesserebene der Kolbenstange liegt und von einer Fläche (74) begrenzt wird, die den gleichen Krümmungsradius aufweist wie die Scheibe (40) und die Kammer (36) im Kurbelgehäuse (16)·

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