DE2949792A1

DE2949792A1 - Kuehlsystem und kolbenverdichter mit druckstabilisierender dichtung

Info

Publication number: DE2949792A1
Application number: DE19792949792
Authority: DE
Inventors: Fred F Chellis
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1978-12-11
Filing date: 1979-12-11
Publication date: 1980-06-19
Also published as: US4244192A; GB2039665A; FR2444174B3; GB2039665B; IT1192786B; FR2444174A1; IT7969329A0

Description

Die Erfindung betrifft Kühlsysteme und insbesondere Hubkolben-Verdichter, die .in derartigen Systemen verwendet werden.

Ein Stirling-Kryogen-Kühlsystem weist einen Hubkolbenkompressor auf, der eine sinusförmige Variation des Drucks in einem Arbeits-Gasvolumen erzeugt. Das Arbeitsvolumen umfaßt den Kopfraum oberhalb des Verdichterkolbens und die inneren Leerräume in einem Kühlgerät-Kältefinger. Bei einem geteilten Stirlingsystem umfaßt das Arbeitsvolumen überdies eine Gasleitung, welche die genannten Räume miteinander verbindet. Innerhalb des Kältefingers bewegt sich ein Verdrängungselement in zeitgerechter Beziehung mit den sinusförmigen Druckvariationen, um an einem Ende des Kältefingers eine Kühlwirkung hervorzurufen.

Der übliche Stirling-Zyklus umfaßt einen durch einen Elektromotor angetriebenen Verdichter und die Erfindung wird mit Bezug auf einen geteilten Stirling-Zyklus dieser Art beschrieben.

Ein bei Stirling-Systemen auftretendes Problem besteht darin, daß ständig eine gewisse Leckage an der dynamischen Dichtung zwischen dem hin- und hergehenden Verdichterkolben und seinem Zylinder auftritt. Die Leckage erfolgt zwischen dem Arbeitsvolumen und einem Steuervolumen auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens. Wenn bei Bewegung des Kolbens in der einen Richtung eine größere Leckage auftritt als in der anderen Richtung, dann neigt der Mittelwert des Drucks im Arbeits-Gasvolumen dazu, sich relativ zu dem Gasdruck des Steuervolumens zu ändern.

Ein Dichtungstyp, der in derartigen Verdichtern verwendet werden könnte, besteht in einer im Querschnitt U-förmigen Dichtung, die in einer den Kolben umgebenden Nut sitzt. Eine der-

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artige Dichtung expandiert sich vorteilhafterweise bei einem Druckunterschied in einer Richtung, so daß die Dichtwirkung der Dichtung vergrößert wird. Unglücklicherweise ändert sich die Richtung der größeren Leckage an einer derartigen Dichtung häufig während der Lebensdauer der Dichtung, so daß große Fluktuationen des Mittelwerts der sinusförmigen Druckkurve auftreten und das Verdichtersystem unverlässlich machen.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Stirling-Kühlsystem, sowie einen Verdichter zur Verwendung in diesem System zu schaffen, bei dem der Mittelwert der sinusförmigen Druckvariationen im komprimierten Arbeits-Gasvolumen auf einen vorbestimmten Wert stabilisiert ist.

Ein Kolben bewegt sich innerhalb eines Zylinders hin und her, um abwechselnd ein begrenztes Arbeits-Gasvolumen zu komprimieren und zu expandieren und Druckänderungen im Gas zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert hervorzurufen. Eine im Querschnitt allgemein U-förmige Dichtung mit ringförmiger Lippe ist in einer den Kolben an der Zwischenfläche des Kolbens und des Zylinders umgebenden Nut angeordnet. Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung vorgesehen, die die axiale Bewegung der Dichtung einschränkt. Die ringförmige Lippe der Dichtung wird dadurch von den gegenüberstehenden Flächen der Nut im Abstand gehalten, so daß eine größere Gasleckage an der Dichtung vorbei in einer einzigen Richtung aufrechterhalten wird. Dadurch wird im Arbeitsvolumen ein konstanter mittlerer Druck aufrechterhalten.

Die Schenkel der im Querschnitt U-förmigen Dichtung erstrecken sich axial und die Dichtung neigt dazu, eine größere Leckage des Gases in der Richtung zuzulassen, in der sich die Schenkel der Dichtung erstrecken. Ein Abstandsring innerhalb der im

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Querschnitt U-förmigen Dichtung liegt an der Dichtung an und erstreckt sich über die Schenkel hinaus, um die Dichtung von der Fläche der Nut wegzuhalten und die Beständigkeit der Richtung der größeren Gasleckage sicherzustellen. Dadurch erreicht der Verdichter einen stetigen Zustand, in dem entweder der Minimalwert oder der Maximalwert des Drucks im Arbeits-Gasvolumen etwa auf dem Gasdruck in einem Steuervolumen an der entgegengesetzten Seite des Kolbens gehalten ist.

Der Minimal- oder Maximalwert des Gasdrucks im Arbeits-Gasvolumen wird dadurch eingestellt, daß ein größeres Steuervolumen von unter Druck stehendem Gas an der entgegengesetzten Seite des Kolbens hermetisch abgedichtet wird.

Vorzugsweise weisen die Schenkel der Dichtung in Richtung zum Arbeits-Gasvolumen, so daß zu diesem Volumen hin eine größere Leckage auftritt. Auf diese Weise wird der Minimaldruck des Arbeitsvolumens auf etwa den Druck im Steuervolumen eingestellt.

Wenn der den Kolben antreibende Motor und die Kurbelverbindung in dem größeren hermetisch abgeschlossenen Volumen angeordnet sind und die größere Gasleckage zum Arbeits-Gasvolumen hin verläuft, dann ist die Kurbel während des Hauptteils ihres Zyklus vorteilhafterweise einer Druckbeanspruchung ausgesetzt.

Durch die Erfindung wird also ein Stirling-Kühlsystem mit einem Verdichter geschaffen, der einen innerhalb eines Zylinders hin- und hergehenden Kolben aufweist. Der Kolben komprimiert und expandiert ein Arbeits-Gasvolumen, um sinusförmige Veränderungen des Gasdrucks in einer Kältefinger-Einheit hervorzurufen. Der mittlere Druck im Arbeitsvolumen ist trotz

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einer Gasleckage an den Verdichterkolbendichtungen vorbei durch eine im Querschnitt U-förmige Dichtung mit ringförmiger Lippe stabilisiert, die in einer den Kolben umgebenden Nut aufgenommen ist. Ein Abstandsring innerhalb der Dichtung mit ringförmiger Lippe erstreckt sich über die Schenkel der Dichtung hinaus und hält die Dichtung von einer der gegenüberstehenden Flächen der Nut weg, um sicherzustellen, daß die Dichtung beständig dazu neigt, eine größere Gasleckage in einer vorbestimmten Richtung zuzulassen. Wenn die Gasleckage in dieser vorbestimmten Richtung verläuft, erreicht der Gasdruck einen beständigen Zustand, in welchem der Gasdruck im Arbeits-Gasvolumen stabil ist bezüglich des Druckes in einem hermetisch abgedichteten, größeren Kurbelgehäuse-Gasvolumen an der entgegengesetzten Seite des Kolbens.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen geteilten Stirling-Kühlsystems;

Fig. 2 bis 5 vereinfachte schematische Darstellungen des Systems der Fig. 1, wobei vier Schritte im Kühlzyklus dargestellt sind;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Arbeitsdrucks und des Steuerdrucks im Kühlsystem der Fig. 1, welches im idealen Modus arbeitet;

Fig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche graphische Darstellung bei der jedoch eine stärkere Tendenz zur Leckage am Kompressorkolben vorbei in das Steuervolumen vorliegt;

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Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Systems, welches eine größere Neigung zur Leckage in das Steuervolumen als das in der Fig. 7 aufweist, bei dem jedoch für die Gasleckage ein geringerer Druckunterschied erforderlich ist;

Fig. 9 eine den Fig. 6 bis 8 ähnliche graphische Darstellung für ein System, bei dem eine größere Neigung zur Gasleckage in das Arbeitsvolumen hinein besteht, gemäß einer bevorzugten Betriebsweise der Erfindung;

Fig. 10 und 11 Querschnitt einer möglichen Kompressordichtung zum Gebrauch im Kühlsystem der Fig. 1, wobei diese Dichtung jedoch keinen bleibenden Betrieb des Kühlsystems ermöglicht und daher das der Erfindung zugrundeliegende Problem nicht löst;

Fig. 12 einen Querschnitt einer verbesserten Dichtanordnung in einem erfindungsgemäßen Kühlsystem;

Fig. 13 einen der Fig. 12 ähnlichen Querschnitt einer alternativen Dichtanordnung; und

Fig. 14 bis 16 der Fig. 12 ähnliche Querschnittsansichten, die alternative Dichtanordnungen zeigen.

In der Fig. 1 ist ein geteiltes Stirling-Kühlsystem 12 dargestellt. Dieses System umfaßt einen hin- und hergehenden Kompressor 14 und einen Kältefinger 16. Der Kompressor liefert eine sinusförmige Druckveränderung in einem unter Druck stehenden Kältegas im Raum 18. Diese Druckvariation wird über eine Helium-Versorgungsleitung 20 an den Kältefinger 16 über-

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tragen.

Innerhalb des Zylinders des Kältefingers 16 ist ein zylin drisches Verdrängungselement 26 frei aufwärts und abwärts bewegbar, um die Volumina des Warmraums 22 und des Kaltraums 24 innerhalb des Kältefingers zu verändern. Das Verdrängungselement 26 beherbergt einen regenerativen Wärmetauscher 28, der aus mehreren hundert feinmaschigen Kupfernetzscheiben besteht, die in Gestalt einer zylindrischen Matrix aufein ander gestapelt sind. Es sind auch andere Regeneratoren be kannt, wie z.B. solche aus aufeinander gestapelten Kugeln. Helium kann frei durch den Regenerator zwischen dem Warm raum 22 und dem Kaltraum 24 strömen. Wie nachstehend erläu tert wird, erstreckt sich ein Kolbenelement 30 nach oben von dem Verdrängungselement 26 in ein Gasfedervolumen 32 am warmen Ende des Kältefingers hinein.

Der Kompressor 14 umfaßt ein gasdichtes Gehäuse 34, welches ein hin- und hergehendes Kolbenpumpelement 36 einschließt, das seinerseits über einen Kurbelmechanismus von einem Elektro motor 38 angetrieben wird. Der Kurbelmechanismus umfaßt einen Kurbelarm 40, der an der Motorantriebswelle 42 befestigt ist, sowie einen Verbindungsarm 44, der mittels der Stifte 46 und 48 mit dem Kurbelarm und dem Kolben verbunden ist. Elektrische Energie wird an den Motor 38 über elektrische Leitungen 39 durch einen eingeschmolzenen keramischen Durchführungsverbin der 37 angelegt.

Am Kolben 36 ist eine Kappe 50 befestigt. Der Kolben 36 und die Kappe 50 begrenzen eine Ringnut, in welcher ein Dichtring 52 aufgenommen ist. Die Dichtringanordnung, die nachfolgend im einzelnen beschrieben wird, ist das Schlüsselelement der Erfindung.

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Wärme die durch Kompression und die Verluste in dem Motor erzeugt wird, wird durch thermische Leitung über das Metallgehäuse 3 4 an die Umgebungsluft abgegeben.

Das Kühlsystem der Fig. 1 weist gewissermaßen drei voneinander isolierte Volumina von unter Druck stehendem Gas auf. Das Kurbelgehäuse 34 ist hermetisch abgeschlossen, um ein Steuervolumen aus unter Druck stehendem Gas in dem Kurbelgehäuse unterhalb des Kolbens 36 aufrechtzuerhalten. Der Kolben 36 wirkt auf das Steuervolumen sowie auf das Arbeits-Gasvolumen ein. "Das Arbeits-Gasvolumen umfaßt das Gas in dem Raum 18 am oberen Ende des Kompressorzylinders 35, das Gas in der Versorgungsleitung 20 und das Gas in den Räumen 22 und 24 im Regenerator 28 des Kältefingers 16. Das dritte Gasvolumen ist das Gasfedervolumen 32, welches von dem Arbeitsvolumen durch eine Kolbendichtung 54, die den Antriebskolben 30 umgibt, abgedichtet ist.

Der Betrieb des geteilten Stirling-Kühlsystems der Fig. 1 läßt sich am besten mit Bezug auf die Fig. 2 bis 5 verstehen. An dem in der Fig. 2 gezeigten Punkt des Zyklus befindet sich das Verdrängungselement 26 am kalten Ende des Kältefingers 16 und der Kompressor komprimiert das Gas im Arbeitsvolumen. Diese Kompressionsbewegung des Kompressorkolbens 36 bewirkt, daß

der Druck P im Arbeitsvolumen von einem Minimaldruck auf w

einen Maximaldruck ansteigt. Der Druck in dem Gasfedervolumen 32 wird auf einem Pegel zwischen dem minimalen und dem maximalen Druckpegel des Arbeitsvolumens stabilisiert. An einem gewissen Punkt erzeugt also der ansteigende Druck im Arbeitsvolumen einen ausreichenden Druckunterschied am Antriebskolben 30, um die Reibung einer Verdrängungselement-Dichtung 56 und an der Antriebsdichtung 54 zu überwinden. Der Kolben und das Verdrängungselement bewegen sich dann rasch aufwärts in die in der Fig. 3 gezeigte Position. Bei dieser Bewegung des Verdrängungselements wird unter hohem Druck stehendes Arbeits-

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gas mit Urcjebungstemperatur durch den Regenerator 28 in den Kaltraum 24 gezwungen. Der Regenerator absorbiert Wärme aus dem strömenden unter Druck stehenden Gas und vermindert das Gas auf eine kryogene Temperatur.

Entsprechend dem sinusförmigen Antrieb des Kurbelwellenmechanismus beginnt nun der Kompressorkolben 36 das Arbeitsvolumen zu expandieren, wie in der Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Expansion wird das unter hohem Druck stehende Helium im Kaltraum 24 noch weiter abgekühlt. Gerade diese Abkühlung im Kaltraum 24 liefert die Kühlung zur Aufrechterhaltung eines Temperaturgradienten von über 200 K entlang der Länge des Regenerators.

An einem gewissen Punkt der Expansionsbewegung des Kolbens 36 fällt der Druck im Arbeitsvolumen ausreichend stark unter den des Gasfedervolumens 32 ab, daß der Gasdruckunterschied die Dichtungsreibung überwindet. Der Kolben 30 und das Verdrängungselement 26 werden dadurch nach unten in die in der Fig. 5 gezeigte Position getrieben, die gleichzeitig die Startposition der Fig. 2 darstellt. Das gekühlte Gas im Kaltraum 24 wird auf diese Weise durch den Regenerator getrieben, um Wärme aus dem Regenerator zu extrahieren.

Wie es auf dem Fachgebiet wohl bekannt ist, können Hubsteuereinrichtungen vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß das Verdrängungselement an keinem der beiden Enden des Kältefinger-Zylinders anstößt. Solche Steuereinrichtungen können Einwegventile und Öffnungen aufweisen, die an geeigneter Stelle im Antriebskolben 30 angeordnet sind.

Nachstehend wird nun der Betrieb der Kompressorkolbendichtung 52 betrachtet. Die jeweiligen Drücke P und P im Arbeits-

wc

volumen bzw. im Steuervolumen folgen sinusförmigen Kurven, die um 180 phasenversetzt sind. Da das Steuervolumen viel

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größer ist als das Arbeitsvolumen hat die Bewegung des Kolbens 36 auf den Druck dieses Volumens einen geringeren Einfluß, wie in der Fig. 6 dargestellt. Am Ende des Kompressionshubes beim Komprimieren des Arbeitsvolumens, liegt ein Druckunterschied Δ P an der Dichtung 52 an. Am Ende des Expansionshubes beim Expandieren des Arbeitsvolumens, liegt ein Druckunterschied Δ P„ vor. Man betrachtet nun die Situation, in welcher die Kompressorkolbendichtung 52 dazu neigt, eine größere Leckage in einer Richtung als in der anderen zu haben. Aufgrund der Beschaffenheit der Dichtung könnte beispielsweise ein Druckunterschied Λ P am Kompressionsende des Kolbenhubes zu der gleichen Leckage führen, wie ein größerer Druckunterschied Λ P_E am Expansionsende des Hubes. Der Arbeitsdruck und der Steuerdruck neigen dazu, sich auf unterschiedliche mittlere Drücke zu stabilisieren, die die Gasleckage ausgleichen. Sie könnten sich beispielsweise in dem in der Fig. 7 gezeigten Zustand stabilisieren.

Wenn andererseits gleiche Druckunterschiede Δ P_, und A P₁,

L· hi

zu gleichen Gasleckagen in den beiden Richtungen an der Dichtung 52 vorbeiführen würden, könnte sich das System auf den in der Fig. 6 gezeigten Zustand stabilisieren. Die mittleren Drücke im Steuer- und Arbeitsvolumen wären dann gleich. Eine Dichtung, die zu einer größeren Gasleckage in einer Richtung als in der anderen führt, ist eine Dichtung der Nummer AR1O4O2, wie sie von der Fluorocarbon Company auf den Markt gebracht wird und in der Fig. 10 dargestellt ist. Wie in dieser Zeichnungsfigur gezeigt, bildet der Kolben 36 mit seiner Kappe 50 eine ringförmige Nut, die obere und untere gegenüberstehende Flächen 62 und 64 aufweist. Die Ringdichtung 66 weist einen allgemein U-förmigen Querschnitt auf und sitzt innerhalb der Nut 58. Innerhalb der Dichtung ist eine Reihe von auswärts drückenden Federelementen 68 angeordnet. Die Federn drücken die jeweiligen ringförmigen Lippen 70 und 72 der Dich-

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tung nach außen gegen die Nutfläche 60 und gegen die Kompressorzylinderwand 34. Wenn der Gasdruck oberhalb der Dichtung größer ist als unterhalb der Dichtung, drückt das Gas innerhalb der im Querschnitt U-förmigen Dichtung nach außen, um die Dichtwirkung zu erhöhen. Wenn jedoch der Druck unterhalb der Dichtung größer ist als oberhalb der Dichtung, dann drückt der Gasdruck auf die sich nach oben erstreckenden Schenkel der Dichtung einwärts und vermindert daher die Dichtwirkung. Die in der Fig. 10 gezeigte Dichtung weist daher gewöhnlich in Aufwärtsrichtung entlang der Dichtung eine größere Gasleckage auf.

Bei einem in der Fig. 1 gezeigten Kühlsystem mit einer Dichtanordnung wie in der Fig. 10 gezeigt, könnte man erwarten, daß es sich in einem Zustand stabilisiert, wie er entweder in der Fig. 8 oder in der Fig. 9 dargestellt ist. Wenn beispielsweise die Schenkel der Dichtung in Richtung zum Arbeitsvolumen ausgerichtet sind, wie es in der Fig. 10 der Fall ist, dann ergäbe sich eine größere Neigung zur Gasleckage vom Steuervolumen in das Arbeitsvolumen hinein. Der Arbeitsvolumendruck würde daher relativ bezüglich des Steuervolumendrucks ansteigen, wie in der Fig. 9 dargestellt. Da das Steuervolumen beträchtlich größer ist als das Arbeitsvolumen, würde der Druck in dem Steuervolumen ziemlich konstant bleiben. Der Druck im Arbeitsvolumen würde sich relativ zum Steuervolumendruck in einem stabilen Zustand verändern, wie in der Fig. 9 gezeigt.

Wie in der Fig. 9 dargestellt ist, würde der minimale Arbeitsvolumendruck immer etwas geringer sein, als der maximale Steuervolumendruck. Dies ist darauf zurückzuführen, daß stets ein minimaler Druckunterschied erforderlich ist, um die Leckage vom Steuervolumen hervorzurufen.

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Wenn andererseits die Dichtungsanordnung der Fig. 10 umgedreht wird, so daß sich die Schenkel der Dichtung 66 nach unten zum Steuervolumen hin erstrecken, könnte der in der Fig. 8 gezeigte stabile Zustand erwartet werden. Es bestünde dann eine größere Neigung zu einer Gasleckage von dem Arbeitsvolumen zum Steuervolumen hin. Auf diese Weise würde der Arbeitsvolumendruck relativ bezüglich des Steuervolumendrucks abfallen. Es würde nur ein geringer Druckunterschied zwischen dem Maximum P und dem Minimum P vorliegen.

Wenn man bei einem Kühlsystem erwarten könnte, daß es sich in einer der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Betriebsweisen stabilisiert, dann könnte dieses System derart entworfen werden, daß es in diesem Zustand wirksam arbeitet. Wenn beispielsweise bekannt wäre, daß der Maximaldruck des Arbeitsvolumens immer etwa gleich dem mittleren Druck des Steuervolumens wäre, könnte der Steuervolumendruck ausreichend hoch eingestellt werden, um den Arbeitsdruck auf den gewünschten Wert zu ziehen.

Auch die strukturellen Elemente innerhalb des Systems könnten wirtschaftlich entworfen werden, um den maximalen Belastungen gewachsen zu sein. Beispielsweise die Verbindungsstange 44 müßte hohen Druckkräften widerstehen, wenn das Kühlsystem in der Betriebsweise der Fig. 9 betrieben würde. Andererseits müßten hohe Zugbeanspruchungen ertragen werden, wenn das System in der Betriebsweise der Fig. 8 arbeitet.

Beim Versuch, eine in der Fig. 10 gezeigte Dichtung zu verwenden, wurde gefunden, daß die Dichtung, wenn sie erstmalig in das System eingesetzt wird, etwa mit gleichen Leckagen in jeder Richtung arbeitet und daher in dem in der Fig. 6 gezeigten Zustand arbeitet. Bald danach jedoch, sobald die

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Dichtung einmal "eingelaufen" ist, würde sie, wie erwartet, mit größerer Gasleckage in der Richtung arbeiten, in der sich die Dichtungsschenkel erstrecken. Es wurde daher erwartet, daß ein System derart ausgebildet werden könnte, daß es in einer der beiden Betriebsweisen der Fig. 8 oder 9 arbeitet, und zwar während der gesamten erwarteten Lebensdauer der Dichtung. Es wurde jedoch gefunden, daß nach einer gewissen Betriebszeit in einer der Betriebsweisen der Fig. 8 oder 9 sich das System zur jeweils anderen Betriebsart hin verschiebt. Dadurch ergab sich eine große Veränderung des mittleren Druckes im Arbeitsvolumen. Mit Bezug auf die Fig. 8 und 9 wird unter der Annahme daß der Druck des Steuervolumens stabil bleibt, verständlich, daß der mittlere Druck des Arbeitsvolumens sich von etwa 6,895 bar (100 psi) weniger als der Steuervolumendruck auf etwa 6,895 bar (100 psi) größer als der Steuervolumendruck verändern kann. Dieser Druckunterschied von 13,79 bar (200 psi) des Arbeitsdrucks machte das Kühlsystem total unverlässlich.

Es wird angenommen, daß diese Veränderung der Betriebsweisen während der Lebensdauer des Systems auf einer Abnutzung der Dichtung beruht. Wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist, bewegt sich die Dichtung bei fortgesetztem Gebrauch innerhalb der Nut zwischen den gegenüberstehenden Flächen 62 und 64 hin und her und wird letztlich in den Raum zwischen der Kolbenkappe 50 und der Zylinderwand 34 (gestrichelte Linie) hinein verkeilt. Wenn die Dichtung auf diese Weise verkeilt ist, ergibt sich nicht mehr die erwartete Aufwärtsleckage. Auf der Grundlage dieser Annahme wurde die erfindungsgemäße Dichtanordnung entwickelt. Diese Anordnung stellt sicher, daß die Neigung zur größten Gasleckage an der Dichtung entlang während der erwarteten Lebensdauer des Kühlsystems in einer Richtung verläuft.

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Die Fig. 12 zeigt eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung. Ein Haltering 74 erstreckt sich von der Kolbenkappe 50 in die Nut 58 hinein. Der Haltering 74 weist eine größere axiale Breite auf als die Schenkel 76 und 78 der Dichtung 66. Durch Anstoßen an der Basis 80 der Dichtung hält somit der Haltering 74 die Dichtung 66 stets von der Fläche 62 der Nut weg. Die Lippe 72 der Dichtung wird somit daran gehindert, sich zwischen die Kolbenkappe 50 und die Wand 34 einzukeilen und daher arbeitet die Dichtung beständig und gleichbleibend in einer der ausgewählten Betriebsweisen der Fig.

8 oder 9. Es besteht also stets eine größere Neigung für eine Gasleckage in der Richtung, in der sich die Dichtungsschenkel erstrecken.

Die Fig. 13 zeigt eine alternative Ausführungsform der Dichtanordnung zum Gebrauch in einem Kühlsystem der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ring 82 nicht an der Kolbenkappe 50 festgelegt. Er weist jedoch eine axiale Länge auf, die größer ist als die der Dichtschenkel und hält daher die Dichtung von der Nutfläche 62 weg.

Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die Schenkel der Dichtung vorzugsweise zum Arbeitsvolumen hin gerichtet. Dadurch ergibt sich eine größere Neigung zur Leckage in Richtung zum Arbeitsvolumen und es stellt sich die Betriebsweise der Fig.

9 ein. In dieser Betriebsweise muß für einen gegebenen mittleren Druck des Arbeitsvolumens ein geringerer Steuerdruck vorgesehen sein. Überdies arbeitet der Kurbelmechanismus unter Druck und die größte Belastung tritt an dem breiten Mittelteil der Stange 44 auf. In der Betriebsweise der Fig. 8 steht der Mechanismus unter Zugbeanspruchung und die größte Belastung tritt an den dünnen Kreisbereichen um die Stifte 46 und 48 herum an jedem Ende der Stange auf·

Andere Dichtungen mit allgemein U-förmigen Querschnitten, die zur Durchführung der Erfindung verwendet werden können, sind

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in den Fig. 14, 15 und 16 dargestellt. In der Dichtung 83 der Fig. 14 ist eine Spiralfeder 84 aufgenommen; diese Dichtung wird von der Fluorocarbon Company unter dem Warenzeichen Omniseal, series 103 verkauft. Es ist ein Haltering dargestellt, der an der Kolbenkappe 50 befestigt ist und an der Spiralfeder 84 innerhalb der Dichtung anliegt, um die Axialbewegung der Dichtung zu begrenzen. Auf diese Weise wird ein Verkeilen der Dichtung zwischen die Kolbenkappe und die Zylinderwand verhindert.

Die in der Fig. 15 gezeigte Dichtung 87 ist der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschriebenen ähnlich; sie wird ebenfalls von der Fluorocarbon Company verkauft, und zwar unter dem Warenzeichen Omniseal, series 400. Wie gezeigt ist, wird sie mit einem Haltering 74 verwendet, der an der Kolbenkappe befestigt ist; sie könnte jedoch auch mit einem einzelnen Haltering benutzt werden.

Die in der Fig. 16 gezeigte Dichtung 88 wird von der BaI Seal Engineering Company unter dem Warenzeichen Bai-Seal verkauft. Diese Dichtung ist ebenfalls durch eine Schraubenfeder vorgespannt. Sie weist drei Lippen an jedem Schenkel auf, während die anderen Dichtungen nur eine einzige Lippe aufweisen. Auch hier drückt ein Haltering 90 nach unten gegen die Schraubenfeder.

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^ 3.0*

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Kühlsystem mit einem Kolbenverdichter zur alternierenden Kompression und Expansion eines begrenzten Arbeits-Gasvolumens für die Herbeiführung von Druckveränderungen in dem Gas zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert, wobei der Verdichter einen Kolben in einem Zylinder aufweist, eine den Kolben an der dem Zylinder zugewandten Fläche umgebende Nut und eine Dichtung innerhalb dieser Nut, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb der Nut eine im Querschnitt allgemein U-förmige Dichtung mit ringförmiger Lippe vorgesehen ist, daß eine Einrichtung zur Einschränkung der axialen Bewegung der Dich-+ tung vorgesehen ist, wobei die ringförmige Lippe der Dichtung im Abstand von den gegenüberstehenden Flächen der Nut angeordnet ist, um eine einzige Richtung der größeren Gasleckage an der Dichtung aufrechtzuerhalten und dadurch ei-

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* !NAL INSPECTED

nen konstanten mittleren Druck im Arbeitsvolumen zu erzielen.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Einschränkung der axialen Bewegung der Dichtung ein ringförmiges Teil umfaßt, welches sich in den U-förmigen Querschnitt der Dichtung hineinerstreckt.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Richtung der größeren Gasleckage zum Arbeitsvolumen des Gases hin verläuft.
4. Hermetisch abgedichtetes Kühlsystem mit einer Expansionskammer und einem Hubkolben-Verdichter, der innerhalb eines Zylinders einen Kolben aufweist, wobei ein Ende des Zylinders in Fluidverbindung mit der Expansionskammer steht und daß andere Ende des Zylinders in Fluidverbindung mit einem hermetisch abgedichteten Volumen eines unter Druck stehenden Gases, dadurch gekennzeichnet, daß in einer den Verdichterkolben umgebenden Nut eine im Querschnitt ü-förmige Dichtung mit ringförmiger Lippe aufgenommen ist, die in einer ersten Richtung bezüglich des Kolbens zu einer größeren Gasleckage neigt, und daß eine Rückhalteeinrichtung vorgesehen ist, die die ringförmige Lippe axial beabstandet von einer Fläche der Nut hält, so daß die größte Gasleckage an der Dichtung fortwährend in der ersten Richtung auftritt, um einen vorbestimmten Mittelwert des Drucks in der Expansionskammer sicherzustellen.
5. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Abstandes der ringförmigen Lippe der Dichtung einen ringför-

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migen Teil aufweist, welcher an der Dichtung anliegt.
6. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Richtung der Gasleckage zu dem Ende des Zylinders hin verläuft, welches in Fluidverbindung mit der Expansionskammer steht.
7. Hubkolben-Verdichtersystem, gekennzeichnet durch einen Zylinder, einen innerhalb des Zylinders hin- und herbewegten Kolben zur abwechselnden Kompression und Expansion und Steuerung hermetisch abgedichteter Gasvolumina, wobei das Steuervolumen viel größer ist als das Arbeitsvolumen, durch eine den Kolben an der Zwischenfläche des Kolbens und des Zylinders umgebenden Nut, einer im Querschnitt allgemein U-förmigen Dichtung mit ringförmiger Lippe innerhalb der Nut, wobei die Dichtung zu einer größeren Gasleckage in einer ersten Richtung von einem der Volumina zu dem anderen neigt, und durch ein Abstandselement zur Einschränkung der axialen Bewegung der Dichtung mit ringförmiger Lippe und zur Halterung der ringförmigen Lippe der Dichtung im Abstand zu einer Fläche der Nut, wobei die Dichtung ständig eine größere Gasleckage in der ersten Richtung als in der entgegengesetzten Richtung erlaubt, so daß der Verdichter einen stetigen Zustand erreicht, in welchem der minimale oder maximale Wert des Gasdrucks im Arbeitsvolumen etwa dem Gasdruck im Steuer-Gasvolumen entspricht.
8. Verdichtersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Abstandselement einen ringförmigen Teil umfaßt, der an der Dichtung und an einer Fläche der Nut anliegt.

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9. Verdichtersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Richtung zum Arbeitsvolumen hin verläuft.
10. Hubkolben-Verdichter, gekennzeichnet durch einen Zylinder, einen innerhalb des Zylinders hin- und hergehenden Kolben zur alternativen Kompression und Expansion eines begrenzten Arbeits-Gasvolumens und zur Herbeiführung von Druckveränderungen in dem Gas zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert, durch eine den Kolben an der Zwischenfläche des Kolbens und des Zylinders umgebende Nut, eine im Querschnitt allgemein U-förmige Dichtung mit ringförmiger Lippe innerhalb der Nut, wobei die Schenkel der Dichtung axial ausgerichtet sind und die geschlossene Basis der Dichtung einer ersten Fläche der Nut gegenübersteht während das offene Ende der Dichtung einer zweiten Fläche der Nut gegenübersteht, und wobei die Dichtung dazu neigt, eine größere Gasleckage in einer ersten Richtung, ausgehend von der Nachbarschaft der ersten Fläche an der Dichtung vorbei bis in die Nachbarschaft der zweiten Fläche, als in einer zweiten umgekehrten Richtung zuzulassen, und durch ein Abstandselement innerhalb der im Querschnitt U-förmigen Dichtung, welches an der Dichtung anliegt und sich über die Schenkel der Dichtung hinaus zur zweiten Nutfläche erstreckt, um die Dichtung von dieser Fläche wegzuhalten, wodurch die festgehaltene Dichtung beständig dazu neigt, eine größere Gasleckage in der ersten Richtung als in der zweiten Richtung zuzulassen, so daß der Verdichter einen beständigen Zustand erreicht, in welchem der minimale oder maximale Wert des Gasdrucks im Arbeitsvolumen etwa dem Gasdruck in einem Steuer-Gasvolumen auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens entspricht.

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11. Verdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Abstandselement einen Ring umfaßt.
12. Verdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Richtung zum Arbeitsvolumen hin verläuft, so daß der Minimalwert des Gasdrucks im Arbeitsvolumen etwa dem Druck des Gases im Steuervolumen entspricht.
13. Verfahren zur Kompression und Expansion eines Arbeits-Gasvolumens in einem Kühlsystem, dadurch gekennzeichnet , daß ein hin- und hergehender Kolben innerhalb eines Zylinders in Fluidverbindung mit dem Arbeitsvolumen vorgesehen ist, daß eine im Querschnitt allgemein U-förmige Dichtung mit ringförmiger Lippe in einer Nut angeordnet wird, die den Kolben umgibt, daß die Dichtung im Normalbetrieb dazu neigt, größere Gasleckagen in einer ersten Richtung bezüglich des Kolbens zuzulassen, daß die Axialbewegung der Dichtung mit ringförmiger Lippe begrenzt wird, um die Lippe in einer im Abstand zu einer Fläche der Nut liegenden Position zu halten, um einen fortgesetzten normalen Betrieb der Dichtung mit ringförmiger Lippe sicherzustellen, wobei die Dichtung fortwährend die Neigung für eine größere Gasleckage in einer Richtung aufweist, so daß der Druck im Arbeits-Gasvolumen einen vorbestimmten konstanten mittleren Druckwert annimmt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Richtung von einem Steuervolumen zu dem Arbeitsvolumen hin verläuft.

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