DE2516591A1

DE2516591A1 - Gaskaeltemaschine

Info

Publication number: DE2516591A1
Application number: DE19752516591
Authority: DE
Inventors: Jan Mulder
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-04-29
Filing date: 1975-04-16
Publication date: 1975-11-06
Also published as: SE421450B; ATA325175A; GB1507291A; DK180975A; CH584389A5; AU8050375A; SE7504900L; JPS50145952A; FR2269041A1; IT1037666B; NL7405725A; DE2516591B2; AT333323B; US3991585A; BE828505A; FR2269041B1; CA1015570A; BR7502561A; JPS5428980B2; NL156810B

Description

PHN.7518 WIJ/AvdV j)_r. ρc<!·.τ* ί^{.'Ί·»1« 28.2.75

AkU Ν*,; ί'Η λ/ "⁷- < ^c 2516531

"Gaskältemaschine" .

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaskältemaschine mit einem innerhalb mindestens eines Zylindersgebildeten Arbeitsraum, in dem ein Arbeitsmedium einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, welcher Raum einen Kompressionsraum im Betrieb höherer mittlerer Temperatur und einen Expansion.sraum im Betrieb niedrigerer.' mittlerer Temperatur enthält, die über Wärmeaustauscher, unter denen einen Regenerator, miteinander verbunden sind, wobei im Betrieb ein mit einem Antrieb gekuppelter Kolben mit seiner Arbeitsoberfläche das Volumen des

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Kompressionsraumes zum Erzeugen von Druckänderungen im Arbeitsmedium ändert und ein gegenüber dem Kolben phasenverschoben hin- und her bewegbarer Verdränger mit der einen Arbeitsoberfläche das Volumen des Expansionsraums und mit der anderen Arbeitsoberfläche das Volumen des Kompressionsraums in bezug auf die Druckänderungen ändert.

Eine derartige Kältemaschine ist aus dem Artikal "Free displacer refrigeration" (Advances in Cryogenic Engineering, Heft 14, 1968, Seiten 36I-369; Plenum Press - New York 19^9) bekannt.

Bei dieser bekannten auf dem Stirling-Zyklus herrührende Maschine wird der Verdränger vom Arbeitsmedium selbst und zwar unter Anwendung des Strömungsverlustes dieses Mediums im Regenerator angetrieben. Der Regenerator kann innerhalb oder ausserhalb des Verdrängers angeordnet sein. Meistens besteht der Regenerator aus einer in ein Gehäuse aufgenommenen Füllmasse aus gasdurchlässigem Material (Metallgazenschichten; Bleikügelchen usw.). Der Regenerator kann jedoch auch durch eine ringförmigen Spalt zwischen dem Verdränger und der umgebenden Zylinderwand (französische Patentschrift 2.074.337 bzw. kanadische Patentschrift 921.71^) oder durch eine Parallelschaltung eines normalen Hauptregenerators

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und eines Spalt-Hilfsregenerators, wie dies in der deutschen Patentanmeldung P 2442 556.7 vorgeschlagen ist, gebildet werden.

Ausser einem Regenerator enthält die

Stirling-Kältemaschine noch weitere Wärmeaustauscher: einen sogenannten "Gefrierer" zwischen dem Expansionsraum und dem Regenerator, d.h. einen Wärmeaustauscher, in dem expandiertes Arbeitsmedium einem zu kühlenden Gegenstand Wärme entziehen kann, während meistens auch 'zwischen dem Kompressionsraum und dem Regenerator ein Kühler vorhanden ist, in dem dem Arbeitsmedium .Kompressionswärme entnommen werden kann.

Der grosse Vorteil dieser bekannten Kältemaschine ist ihre verhältnismässige Einfachheit durch das Fehlen mechanischer Antriebsvorkehrungen beim Verdränger. Beim Bestreben weiterer Vereinfachung und Miniaturisierung, Vergrösserung der Betriebssicherheit und Lebensdauer, Verringerung der mechanischen Schwingungen und des Geräuschpegels sowie bei den Versuchen, den Gesteh*ungspreis herabzusetzen, bildet der Antrieb des Kofübens ein wesentlicher Faktor.

Es wurden mehrere Versuche gemacht, den drehenden Antrieb, wobei ein Elektromotor über einen Kurbel-/Triebstangenmechanismus den Kolben antreibt, durch ein einfacheres und preisgünstigeres System zu ersetzen.

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So ist es beispielsweise aus den

U.S. Patentschriften 3.220.201 und 3.765.187 bekannt, bei Stirling-Kältemaschinen ein lineares elektro- . magnetisches Getriebe ("direct linear electromagnetic actuator"; "solenoid drive linear motor") zu verwenden, wobei ein Anker aus weichmagnetischem Material (Weicheisen) hin- und herbewegt wird und zwar unter dem Einfluss des von einem Elektromagneten erzeugten magnetischen Wechselfeldes. Eine tatsächliche Konstruktionsvereinfachung und Gestehungspreisherabsetzung der Kältemaschine ergibt dies jedoch nicht.

Der elektromagnetische Antrieb (Linearmotor)" weist ausserdem den bekannten Nachteil auf, dass wegen der einander anziehenden Magneten des Ständers und des Ankers und der unvermeidlichen Toleranzen in der Zentrierung des beweglichen Teils der Maschine Querkräfte auftreten, die. zu grossen Reibungsverlusten schnellem Verschleiss, Geräusch und mechanischen Schwingungen führen.

Damit die Trägheitskräfte des bewegenden

Teils ausgewuchtet werden, werden Spiralfedern verwendet. Wegen der insgesamt grossen Masse des Weicheisenankers, des Kolbens und der Verbindungsstange müssen die Spiralfedern ziemlich schwer ausgebildet sein und müssen eine grosse Starrheit aufweisen. Die Federkennlinie

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ändert sich im Laufe der Zeit und dadurch die Wirkungskraft der Maschine. Dies erfordert eine periodische Erneuerung der Federn.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, eine Kältemaschine der obengenannten Art zu schaffen, die durch Anwendung eines einfachen Kolbenantriebs eine sehr grosse allgemeine konstruktive Einfachheit, sehr geringe Abmessungen und. einen sehr niedrigen Gestehungspreis aufweist, zusammen mit einer langen Lebensdauer, einer grossen Betriebssicherheit, einem niedrigen Geräuschpegel und minimalen mechanischen Schwingungen.

Die erfindungsgemässe Kältemaschine weist das Kennzeichen auf, dass der Kolben einen elektrodynamischen Antrieb aufweist mit einer mit dem Kolben gekuppelten und im Be.trieb mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz f gespeisten Ankerspule, die in einem von einem Magnetkreis erzeugten Dauermagnetfeld unter dem Einfluss auf die Ankerspule ausgeübter Lorentz-Kräfte hin- und herbeweglich ist, wobei das System aus Kolben/ Ankerspulengefüge und Arbeitsmedium im Betrieb mit einer im wesentlichen der Frequenz f entsprechenden Resonanzfrequenz f schwingt, die der nachfolgenden Beziehung entspricht:

^S2 ■	' ^Pm	^e	+	η	V W. 1
1	V			i=1	T W. 1
• e

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in der

S = Arbeitsoberfläche des Kolbens

P = mittlerer Arbeitsmediumdruck im Arbeitsraum der m

Maschine
M = Gesamtmasse des Kolben/Ankerspulengefüges T = Umgebungstemperatur in "Kelvin

36 _ / P\ _ spezifische Wärme bei konstantem Druck ,

C C C

ν spezifische Wärme bei konstantem Volumen Arbeitsmediums im Kompressionsraum

V = Volumen des Konipressionsraumes

T = mittlere Betriebstemperatur in °Kelvin des Arbeitsmediums in Kompressionsraum

<*r> _ / p_\ _. spezifische Wärme bei konstantem Druck

β CG

V spezifische Wärme bei konstantem Volumen des Arbeitsmediums im Expansionsraum

V = Volumen des Expansionsraums

T = mittlere Betriebstemperatur in ⁰KeIvIn des Arbeitsmediums im Expansionsraum

V = Arbeitsvolumen des i Wärmeaustauschers w.

T = mittlere Betriebstemperatur in °Kelvin des

Arbeitsmediums im i Wärmeaustauscher η = Gesamtanzahl Wärmeaustauscher.

Auf diese Weise ist eine äusserst einfache und gedrängte und daher sehr interessante preisgünstige Verdrängerkältemaschine erhalten worden, wobei das Arbeitsmedium ausser dem thermodynamischen Kreislauf

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die wichtige Punktion eines Federelementes erfüllt, das für die gegebene Masse des Kolben/Ankerspulengefüges die Resonanzfrequenz des Systems bestimmt. Auf diese Weise ist ein spezielles mechanisches Federsystem mit grosser Starrheit mit all den Komplikationen und gestehungspreiserhöhenden Effekten nicht notwendig. Das es übrigens nützlich ist oder nützlich sein kann, eine sehr schlaffe Stützfeder zu verwenden, damit der Ruhezustand des Kolbens fixiert wird, ist Punkt zwei. Eine derartige schlaffe Feder hat auf die Resonanzfrequenz des Systems des Kolben/Ankerspulengefüges und Arbeitsmediums px^aktisch keinen Einfluss.

Die erfindungsgemässe Kältemaschine bietet weiter den Vorteil, dass die Resonanzfrequenz leicht und schnell durch Änderung des mittleren Arbeitsmediumdruckes und/oder- des Basisvolumens des Arbeitsraumes eingestellt werden kann.

Die Ankerspule ist im wesentlichen nichts anderes als ein auf einem Leichtgewichtsröhrchen (beispielsweise aus Hartpapier) gewickelter dünner elektrischer Stromdraht. Im Hinblick auf die geringe Masse der Ankerspule sind die dabei auftretenden Massenträgheitskräfte gering.

Es sei bemerkt, dass es bereits lange Zeit bekannt ist (siehe beispielsweise die deutsche

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Auslegeschrift 1.139·575)» den. Kompressor eines Haushaltkompressionskühlschrankes elektrodynamisch anzutreiben. Dabei ist jedoch der aus dem Kolben und der Ankerspule bestehende bewegliche Teil mit einem mechanischen Federsystem gekuppelt, damit eine Resonanzfrequenz verwirklicht wird, die der Frequenz des Wechselstromes, mit dem die Ankerspule gespeist wird, nahezu entspricht. Wie bereits obenstehend bemerkt, bringt ein mechanisches Federsystem jedoch viele technische Komplikationen mit sich und dies wirkt zu sehr gestehungspreiserhöhend. Di.e Federn müssen ziemlich schwer ausgebildet sein und eine grössere Starrheit aufweisen, damit sie der Resonanzforderung des Systems entsprechen können. Damit grosse Reibungsverluste vermieden werden, müssen die Federn dem Kolben eine einwandfreie Geradeführung erteilen und vorzugsweise für eine zentrisch angreifende Federkraft sorgen. Dadurch, dass die Federkennlinie im Laufe der Zeit sich ändert und· damit der Wirkungsgrad des Kühlschrankes, muss das Federsystem nach gewisser Zeit ersetzt werden bzw. man muss sich mit einem Kühlschrank mit einer verhältnismässig kurzen wirksamen Lebensdauer abfinden.

Bei der erfindungsgemässen Gaskältemaschine dagegen sind die beschriebenen Nachteile dadurch vermieden worden, dass das Arbeitsmedium selbst als

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Federsystem angewandt wird, so dass ein mechanisches Federsystem im Grunde nicht notwendig ist. Daran liegt die nachfolgende Erkenntnis zugrunde. Beim elektrodynamisch angetriebenen Haushaltkühlschrankkompressor mit dem Ein- und Auslassventil für das Kühlmittel, (beispielsweise Freon), muss der Kolben beim Kompressionshub zu einem bestimmten Augenblick kinetische Energie abgeben um abgegremst zu werden. In dem Augenblick, wo dies erfolgen muss, ist jedoch das Auslassventil des Kompressors geöffnet und der Druck im Arbeitsraum des Kompressors bleibt konstant, so dass der Kolben seine kinetische Energie nicht dem Kühlmittel konstanten Drucks abgeben kann. Zum Bremsen sorgt in diesem Fall das mechanische Federsystem. Bei der erfindungsgemässen Gaskältemaschine ändert jedoch der Kolben das Volumen des geschlossenen Arbeitsraumes, in dem sich eine konstante Gewichtsmenge Arbeitsmedium befindet. Beim Kompressionshub des Kolbens nimmt der Arbeitsmediumdruck- immer zu und im Grunde gibt es also die Möglichkeit, den Kolben auf dem Arbeitsmedium abbremsen zu lassen. Dadurch, dass die gegebene Beziehung erfüllt wird, erfolgt dies tatsächlich auf eine derartige Weise, - dass das Arbeitsmedium den federnden Teil des aus Kolben/Ankerspulengefüge und Arbeitsmedium bestehenden

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auf die Wechselstromfrequenz der Ankerspule abgestimmten Resonanzsystems bildet.

Bei der erfindungsgemässen Gaskältemaschine schwingt das System aus Kolben/Ankerspulengefüge und Arbeitsmedium mit einer gut definierten und in der Zeit sehr konstanten Frequenz. Die Frequenz des Wechselstromes, mit dem die Spule gespeist w,ird (Speisung beispielsweise aus dem öffentlichen elektrischen Versorgungsnetz), ist in der Praxis ja kaum Schwankungen ausgesetzt. Dies bedeutet, dass der Kolben ständig eine rein harmonische Bewegung (Sinusform) ein und derselben Frequenz durchführt. Dadurch ist es an sich möglich, die durch die Kolbenbewegung hervorgerufene mechanische Schwingungsamplitude der Maschine auf einfache Weise auszugleichen. Die Bewegung des Verdrängers spielt jedoch auch eine Rolle. Bei der aus dem genannten A_rtikel "free displacer refrigeration" bekannten Kältemaschine machtder Verdränger keine harmonische Bewegung: der Hub wird dadurch begrenzt, dass der Verdränger gegen Zylinderwandteile schlägt. Eine derartige Bewegung, die mit dem Namen "Rechtecksinus" bezeichnet wird, enthält beil Analyse ausser einer Grundharmonischen eine Vielzahl höherer harmonischer Schwingungen, die nicht oder kaum auszugleichende mechanische Schwingungen der Maschine herbeiführen.

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Die Maschine erzeugt dadurch viel Lärm. Das Schlagen des Verdrängers gegen die Zylinderwandteile macht es ausserdem unmöglich, die Maschine mit einer hohen Drehzahl anzutreiben, was bedeutet, dass nur niedrige spezifische Kühlleistungen (Anzahl Watt pro Volumeneinheit der Maschine) verwirklichbar sind.

Bei der erfindungsgemässen Gaskältemaschine sind diese Nachteile dadurch vermieden worden, dass mindestens ein mit dem Verdränger zusammenarbeitendes federndes Element als verdrängerhubbegrenzendes Mittel vorhanden ist, wobei das Fedorelement und der Verdränger eine derartige Federkonstante bzw. Masse aufweisen, dass das System aus Federelement und Verdränger eine Resonanzfrequenz f.. aufweist, die über der Resonanzfrequenz f des Systems auf Kolben/Ankerspulengefüge und Arbeitsmedium liegt.

Auf diese Weise ist erreicht worden, dass auch der Verdränger eine rein harmonische Bewegung macht mit derselben Frequenz wie die Frequenz, mit der der Kolben hin- und herbewegt, jedoch untereinander phasenverschoben und zwar wegen des Anstosses des Verdrängers durch das Arbeitsmedium. Da die Summe der beiden harmonischen Bewegungen wieder eine harmonische Bewegung ergibt, ist es nun möglich geworden, die durch die Kolben- und Verdrängerbewegung

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hervorgerufene mechanische Schwingungsamplitude der Maschine auf einfache Weise mit Hilfe der bekannten passiven Schwingungsdämpfer völlig . aufzuheben.

Weil dafür gesorgt wird, dass die Resonanzfrequenz f₁ des Systems aus Federelement und Verdränger höher ist als die Resonanzfrequenz f des Systems aus Kolben/Ankerspulengefüge und Arbeitsmedium, ist erreicht, dass die Volumenänderung des Expansionsraumes gegenüber der Druckänderung in diesem Raum voreilt, so dass im Expansionsraum Kälte erzeugt wird (ψ pd V positiv) und über den Gefrierer der Umgebung bzw. einem zu kühlenden Gegenstand Wärme entnommen werden kann.

Bei einer günstigen Ausfuhrungsform der erfindungsgemässen Gaskältemaschine ist die Resonanzfrequenz f₁ um mindestens 20 $ grosser als die Resonanzfrequenz f. '

Es hat sich herausgestellt, dass also auf optimale Weise Kälte erzeugt werden kann.

Es ist möglich, den Hub des Verdrängers dadurch zu begrenzen, dass im Expansionsraum und/oder Kompressionsraum ein Federelement angeordnet wird. In beiden Fällen bringt dies jedoch den Nachteil mit sich, dass ein schädlicher Raum gebildet wird. Namentlich für den Expansionsraum mit im Betrieb

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niedriger Temperatur und mit dem Arbeitsmedium grosser Dichte bedeutet dies ein kleines Maximum/ Minimumdruckverhältnis und daher eine geringe Kälteerzeugung.

Damit dieser Nachteil aufgehoben wird, wird eine weitere günstige Ausführungsform der erfindungsgemassen Gaskältemaschine dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement in einem zwischen dem Expansions- und Kompressionsraum liegenden Zwischenraum angeordnet ist, der durch zusammenarbeitende Wandteile des Verdrängers und Zylinders gebildet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen !Längsschnitt durch eine Gaskältemaschine,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Gaskältemaschine, wobei an der oberen und unteren Seite des Verdrängers mit dem Verdränger zusammenarbeitende Federelemente vorhanden sind und der Kolben zur Festlegung seiner Mittelstellung mit einer sehr schlaffen Stützfeder versehen ist.

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Gaskältemaschine, wobei der Verdränger nur an der Unterseite ein zusammenarbeites Federelement aufweist.

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Fig. 4 und 5 einen Schnitt durch

Gaskältemaschinen, wobei ein mit dem Verdränger Zusammenarbeites Federelement zwischen der zusammenarbeitenden Verdränger-' und Zylinderwand vorhanden ist.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem ein Kolben 2 und ein freier Verdränger 3 phasenverschoben hin- und herbeweglich sind. Zwischen der Arbeitsoberfläche 2a des Kolbens 2 und der Arbeitsoberfläche 3a des Verdrängers befindet sich ein Kompressionsraum h mit einem darin angeordneten Kühler 5· Der Verdränger 3 grenzt mit der "oberen Arbeitsoberfläche 3b an einen Expansionsraum 6, der mit dem Kompressionsraum k den Arbeitsraum bildet. Im Verdränger 3 ist ein Regenerator 7 angeordnet, der an der Unterseite für Arbeitsmedium über eine zentrale Bohrung 8 und an der Oberseite über eine zentrale Bohrung 9 und radiale Strömungskanäle 10 zugänglich ist. Die Maschine ist mit einem Gefrierer als Wärmeaustauscher für den Wärmeaustausch zwischen expandiertem kaltem Arbeitsmedium und dem zu kühlenden Gegenstand versehen.

Zwischen dem Kolben 2 und der Wand des Zylinders 1 sind Dichtungen 12 und 13 vorhanden und zwischen dem Verdränger 3 und dem Zylinder Dichtungen 14 und 15·

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Wenn im Betrieb der Kolben 2 und der Verdränger 3 phasenverschoben gegenübereinander bewegen, wird ein Arbeitsmedium (beispielsweise Helium oder Wasserstoff) im Arbeitsraum der Maschine wechselweise komprimiert und expandert, wobei infolge der Expansion Kälte erzeugt wird. Die Erklärung für die Kälteerzeugung lässt sich im genannten Artikel "Free displacei" refrigeration" (Advances in cryogenic engineering, Heft 14, 19^8, Seiten 361-369) finden. Die Kompression des Arbeitsmediums erfolgt wenn dieses sich im wesentlichen im Kompressionsraum h befindet. Das Arbeitsmedium strömt nacheinander über den Kühler 5» unter Abgabe von Kompressiönswärme,durch die Bohrung 8, den Regenerator 7 > unter Abgabe von Wärme, durch die Bohrung 9 > die radialen Strömungskanäle 10 und den Gefrierer zum Expansionsraum 6. Expansion des Arbeitsmediums erfolgt, wenn dieses sich im wesentlichen im.Expansionsraum 6 befindet. Das Arbeitsmedium strömt dann wieder über den angegebenen Weg in umgekehrter Reihenfolge zurück, wobei im Gefrierer 11 einem nicht dargestellten zu kühlenden Gegenstand Wärme entnommen wird, während im Regenerator 7 die vorher gespeicherte Wärme wieder aufgenommen wird. '

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Nun folgt die Beschreibung des Kolbenantriebs. Der Kolben 2 trägt an der Unterseite ein Leichtgewichti"öhrchen 16 aus nicht-magnetischem und nicht-magnetisierbarem Material, wie Hartpapier oder Aluminium. Um das Röhrchen 16 ist ein elektrischer Stromleiter zu einer Ankerspule 17 gewickelt, an die Stromzuführungsdrähte 18 und 19 angeschlossen sind, die durch die Wand eines mit dem Zylinder 1 gasdicht verbundenen Gehäuses 20 hinausgeführt 'und dort mit elektrischen Kontakten 21 und 22 versehen sind. Die Ankerspule 17 ist in axialer Richtung des Kolbens hin- und herbeweglich und zwar in einem ringförmigen. Spalt 23» in dem ein Dauermagnetfeld^herrscht, dessen Kraftlinien sich in radialen Richtungen erstrecken und zwar quer zu der Bewegungsrichtung der Ankerspule.

Das Dauermagnetfeld ist im vorliegenden Fall mit Hilfe eines ringförmigen Dauermagneten Zh mit sich an der Über- und Unterseite befindlichen Polen, einer aus Weicheisen bestehenden Ringscheibe 25» einem aus massivem Weicheisen bestehenden Zylinder und einer aus Weicheisen bestehenden kreisförmigen Scheibe 27 erhalten worden.

Der Dauermagnet und die aus Weicheisen bestehenden Teile bilden zusammen einen geschlossenen

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Magnetkreis, d.h., einen Kreis geschlossener magnetischer Kraftlinien. Im Betrieb sind die Kontakte 21 und 22 an eine elektrische Wechselstromquelle (beispielsweise das öffentliche elektrische Versorgungsnetz) mit einer Frequenz f (beispielsweise 50 Hz) angeschlossen. Auf die wechselstromführende Ankerspule 17 werden nun unter dem Einfluss des Dauermagnetfeldes im Spalt 23 wechselweise nach oben und nach unten gerichtete Lorentz-Kräfte ausgeübt, wodurch das Gefüge aus Kolben 2, Büchse 16 und Ankerspule 17 ins Schwingen gerät. Dies erfolgt derart, •dass die Resonanzfrequenz des Systems, das aus" dem beweglichen Gefüge und dem Arbeitsmedium im Arbeitsraum besteht, der Wechselstromfrequenz f wenigstens nahezu entspricht' (eine Abweichung von 10^ ist noch akzeptierbar).

Dabei dient das Arbeitsmedium im Arbeitsraum als Federsystem. Dem- Schwingungssystem aus Kolben/ Ankerspulengefüge und Arbeitsmedium braucht der Wechselstrom über die Ankerspule 17 nur so viel Energie zuzuführen, wie zum Ausgleichen der durch das Arbeitsmedium geleisteten Arbeit so.wie der Reibungsverluste notwendig ist. Dass das System bei der Frequenz f schwingt ist dadurch erreicht worden, dass eine Anzahl Maschinenparameter derart gewählt worden sind, dass die

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nachstehende Beziehung erfüllt \tfird:

f =

M . T <- . ■==■

Darin ist:

S = Arbeitsoberfläche 2a des Kolbens 2

P = mittlerer Arbeitsmediumdruck in dem im wesentm

liehen durch den Kompressionsraum 4 und den Expansionsraum 6 gebildeten Arbeitsraum

M = Summe der Massen des Kolbens 2, der Büchse 16 und der Ankerspule 17

T = Umgebungstemperatur in °Kelvin

■Λ ι p\ _ spezifische ¥ärme bei konstantem Druck

CCC

ν spezifische Wärme bei konstantem Volumen des Arbeitsmediums im Kompressionsraum 4

V = Volumen des Kompressionsraums 4

T = mittlere Betriebstemperatur in °Kelvin des

Arbeitsmediums im Kompressionsraum 4 ^p _ t p_\ _ spezifische Wärme bei konstantem Druck

ö C

"v e spezifische Wärme bei konstantem Volumen des Arbeitsmediums im Expansionsraum 6

V = Volumen des Expansionsraums 6

T = mittlere Betriebstemperatur in °Kelvin des Arbeitsmediums im Expansionsraum 6

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/ν-

T / IT

Kühler w Regenerator 7 w^yGefrierer

in der

V = Arbeitsmediumvolumen des betreffenden Wärmew .

austauschers und

T = mittlere Ar.beitsmediumtemperatür in °Kelvin im Betrieb im betreffenden Wärmeaustauscher.

Es dürfte einleuchten, dass die Resonanzfrequenz f auf einfache Weise dadurch geändert werden kann, dass beispielsweise der mittlere Arbeitsmediumdruck in der Maschine geändert wird.

Bei der in grossen Zügen der Fig. 1 entsprechenden Gaskältemaschine nach Fig. 2 sind für entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet worden. Nun ist eine sehr schlaffe Stützfeder 30 vorhanden, die für eine feste Zwischenstellung (Ruhestellung) des Kolbens sorgt. Eine derartige Stützfeder weist gegenüber dem Arbeitsmedium als Gasfeder eine praktisch vernachlässngbare Federkonstante auf und hat daher auf das Resonanzsystem aus Kolben/Ankerspulengefüge und Arbeitsmedium kaum einen Einfluss. Die Enden der Stützfeder 30 können nicht seitlich weggleiten und zwar dadurch, dass sie um VorSprünge 31 und 32 liegen.

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Auf beiden Seiten des freien Verdrängers 3 gibt es Fedei^lemente 33 und Jk, die den Hub des Verdrängers begrenzen. Die Federelemente 33 und 3k und der Verdränger 3 bilden ein Masse/Federsystem, wodurch der Verdränger ebenso wie der Kolben eine rein harmonische Bewegung mit derselben Frequenz macht wie der Kolben, jedoch gegenüber demselben phasenverschoben. Die Federkonstanten der Federelemente 33 und 3k und die Masse des Verdrängers 3 sind derart gewählt worden, dass die Frequenz f₁, mit der dieses System schwingen kann, höher liegt als die Resonanz- _ frequenz f des Systems aus Kolben/Ankerspulegefüge und Arbeitsmedium. Im Betrieb mit gleichen Schwingungsfrequenzen des Kolbens 2 und des Verdrängers 3 eilt die Volumenänderung des Expansionsraums 6 dann gegenüber der in diesem Raum auftretenden Druckänderung vor mit der Folge, dass im Expansionsraum 6 Kälte erzeugt wird. Eine optimale .Kälteerzeugung erfolgt, wenn fmindestens um 20 $, vorzugsweise um etwa 30$ grosser ist als f.

Dadurch,dass der Kolben sowie der Verdränger, eine rein harmonische Bewegung mit in der Zeit konstanter Frequenz durchführen, ist die Summe dieser Bewegungen wieder eine rein harmonische Bewegung mit einer konstanten Frequenz. Die durch die harmonische Kolben-

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und Verdrängerbewegung erzeugte mechanische Schwingung der Maschine lässt sich daher auf einfache Weise mit Hilfe allgemein bekannter nicht dargestellter passiver Schwingungsdämpfer, wie ein Masse/Federsystem, auswuchten.

Die Gaskältemaschine nach Fig. 3 weicht von der nach Fig. 2 im wesentlichen darin ab, dass die Federelemente 33 und "}>h durch nur ein Federelement 3^' ersetzt worden sind, das einerseits an der Unterseite des Verdrängers 3 und andererseits an der Zylinderwand befestigt ist. Der Vorteil dabei ist, dass nun im Expansionsraum kein schädlicher Raum gebildet wird, der das Vorhandensein des Federelementes sonst mit sich bringen würde.

Zwar verursacht das Federsystem 3^ ' noch einen schädlichen Raum im Kompressionsraum 4. Letzteres ist auch vermieden worden bei der Gaskältemaschine nach den Fig. h und 5» wobei das Federelement in einem durch die zusammenarbeitende Verdrängerund Zylinderwand gebildeten Raum angeordnet ist.

Bei der Gaskältemaschine nach Fig. h

weist der Verdränger örtlich einen kleineren Durchmesser auf, wodurch ein ringförmiger Zwischenraum hO zwischen dem Zylinder 1 und dem Verdränger 3 gebildet ist. Die Wand des Zylinders 1 ist mit einem Vorsprung 41 versehen. Das Federelement k2 ist einerseits am Vorsprung

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. 28.2.75

41 und andererseits an der Ringfläche 43 des Verdrängers 3 befestigt.

Bei der Gaskältemaschine nach Fig. 5

ist der Regenerator 7 als Spaltregenerator ausgebildet. Dazu ist der aus einem die Wärme schlecht leitenden Kunststoff hergestellte Verdränger 3 mit einem dünnen aus rostfreiem Stahl bestehenden Mantel 50 versehen, während die Zylinderwand 1a ebenfalls aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.

. ' Das Arbeitsmedium auf dem Weg vom Kompressionsraum 4 zum Expansionsraum 6 strömt durch den Spalt 51 unter Abgabe von Wärme an den regenerativen Metallwänden 50 und 1a. Bei Strömung in der umgekehrten Richtung nimmt das Arbeitsmedium die in diesen Metallwänden gespeicherte Wärme wieder auf.

Der Zylinder 1 hart ötlich einen Längsteil mit einer kleineren Wanddicke, so dass ein Zivischenraum 52 zwischen der Zylinder- und Verdrängerwand gebildet ist. In diesem Zwischenraum 52 befindet sich ein Vorsprung 53 des Verdrängers 3 und ein Federelement 54, das einerseits an der Unterseite des Vorsprunges 53 und andererseits an der Ringfläche ^3 des Zylinders 1 befestigt ist.

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Claims

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28.2.75

PATENTANSPRÜCHE:

/i . J Gaskältemaschine mit einem innerhalb mindestens eines Zylinders gebildeten Arbeitsraum,' in dem ein Arbeitsmedium einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft, welcher Arbeitsraum einen Kompressionsraum im Betrieb höherer mittlerer Temperatur und einen Expansionsraum im Betrieb niedrigerer mittlerer Temperatur enthält, die über Wärmeaustauscher, unter denen einen Regenerator, miteinander verbunden sind, wobei im Betrieb ein mit einem Antrieb gekuppelter Kolben mit seiner Arbeitsoberfläche das Volumen des Kompressionsraumes zum Erzeugen von Druckänderungen im Arbeitsmedium ändert und ein gegenüber dem Kolben phasenverschoben hin— und herbeweglicher Verdränger mit der einen Arbeitsoberfläche das Volumen des Expansionsraumes und mit der anderen Arbeitsoberfläche das Volumen des Kompressionsraumes in Antwort auf die Druckänderungen ändert, dadurch gekennzeichnet; dass der Kolben einen elektrodynamischen Antrieb aufweist mit einer mit dem Kolben gekuppelten und im Betrieb mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz f gespeisten Ankerspule aufweist, die in einem von einem Magnetkreis erzeugten ■Dauermagnetfeld hin- und herbeweglich ist und zwar unter dem Einfluss auf die Ankerspule ausgeübter

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Lorentz-Kräfte, wobei das System aus Kolben/ Ankerspulengefüge und Arbeitsmedium im Betrieb mit einer in wesentlichen der Frequenz f entsprechenden Resonanzfrequenz f schwingt, die der nachfolgenden Beziehung entspricht:

f =1

ΣΖ

in der

S = Arbeitsoberfläche des Kolbens

P = mittlerer Arbeitsmediumdruck im Arbeitsraum m

der Maschine,

M = Gesamtmasse des Kolben/Ankerspulengefüges T = Umgebungstemperatur in ⁰KeIvIn

-x« _ / p\ _ spezifische Wärme bei konstantem D_ruck

C CC

ν spezifische Wärme bei konstantem Volumen des Arbeitsmediums im Kompressionsraum

V = Volumen des Kompressionsräumes

T = mittlere Betriebstemperatur in °Kelvin des

Arbeitsmediums im Kompressionsraum •ν» / p\ _ spezifische Wärme bei konstantem Druck c e spezifische Wärme bei konstantem Volumen des Arbeitsmediums im Expansionsraum

V = Volumen des Expansionsräumes

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'28.2.75

T = mittlere Betriebstemperatur in °Kelvin des Arbeitsmediums im Expansionsraum

V = Arbeitsmediumvolumen des i Wärmeaustauschers w.
ι

T = mittlere Betriebstemperatur in °Kelvin des

Arbeitsmediums im i Wärmeaustauscher η = Gesamtanzahl Wärmeaustauscher.
2. 'Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit dem Verdränger zusammenarbeitendes Federelement als Verdrängerhub begrenzendes Mittel \orhanden ist, wobei das Federelement und der Verdränger eine derartige Federkonstante bzw. Masse aufweisen, dass das System aus dem Federelement und dem Verdränger eine Resonanzfrequenz f hat, die übex* der Resonanzfrequenz f des Systems aus Kolben/ AnkerspuHengefüge und Arbeitsmedium liegt. 3« Gaskältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz f.. um mindestens 20$ grosser ist als die Resonanzfrquenz f. h. Gaskältemaschine nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement in einem zwischen dem Expansions- und Kompressionsraum liegenden Zwischenraum angeordnet ist, der durch zusammenarbeitende Wandteile des Verdrängers und des Zylinders gebildet ist.

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