DE3037458A1

DE3037458A1 - Stirling-type refrigeration machine - has second cylinder with bellows chamber connected to pipe between two cylinders

Info

Publication number: DE3037458A1
Application number: DE19803037458
Authority: DE
Inventors: Christoph Prof. Dr.rer.nat. 6301 Leihgestern Heiden
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-03
Filing date: 1980-10-03
Publication date: 1982-04-22

Abstract

The refrigeration machine has a first piston whose dia. decreases in steps towards the free end. A correspondingly-stepped first cylinder, with insulation, fits closely round this piston and is connected by a pipe to a second uninsulated cylinder, there being a common drive for the two pistons so that the first lags that in the second cylinder by 90 deg., gas being used in the cylinders. The second cylinder (2) contains a bellows (22) forming a hermetically sealed chamber (23) connected to the pipe (20) between the cylinders. A bellows-type hermetic seal (24) acts between the first cylinder (6) and the connecting rod (14) of the first piston (8).

Description

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Die Erfindung betrifft eine Stirling-Kältemaschine mit einem ersten Kolben, dessen Durchmesser gegebenenfalls von seinem kolbenstangensextigen Ende in mehreren Stufen zu seinem freien Arbeitsende hin
abnimmt, in einem ersten entsprechend gestuften
Zylinder mit Kälteisolation, der den ersten Kolben mit geringem radialen Spiel umgibt und eine axiale Bohrung zur Durchführung der Kolben stange enthält, mit einem zweiten Kolben in einem zweiten Zylinder ohne Kälteisolation, mit einer Rohrleitung aus dem ersten Zylinder in den zweiten Zylinder, mit einem Antrieb, der beide Kolben, den. ersten Kolben ·
dem zweiten Kolben um etwa 90° nacheilend, antreibt„ und mit einem Arbeitsgas in den Zylindern»The invention relates to a Stirling refrigeration machine with a first piston, the diameter of which, if necessary, extends from its piston rod end in several stages to its free working end
decreases, in a first stepped accordingly
Cylinder with cold insulation, which surrounds the first piston with little radial play and contains an axial bore for the implementation of the piston rod , with a second piston in a second cylinder without cold insulation, with a pipe from the first cylinder into the second cylinder , with a drive , the two pistons, the. first piston
lagging the second piston by about 90 °, drives " and with a working gas in the cylinders"

Derartige Stirling-Kältemaschinen sind bekannt,
vergl. z.B. die Buchveröffentlichung G=. Walker,
Stirling-Cycle Machines, Oxford Un.i /ersity Press (1973) oder I.E. Zimmermann, R. Radebouq¹! and J.D. Siegwarth, Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications, H.D. Hohlbohm and H. Lübbig, eds, Walther de Gruyter, Berlin (1977) p. 287. Diese bekannten Stirling-Kältemaschinen werden u.A. eingesetzt, umSuch Stirling refrigeration machines are known
compare, for example, the book publication G =. Walker ,
Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press (1973) or IE Zimmermann, R. Radebouq ¹ ! and JD Siegwarth, Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications, HD Hohlbohm and H. Lübbig, eds, Walther de Gruyter, Berlin (1977) p. 287. These well-known Stirling refrigeration machines are used, among other things, to

— O —- O -

mit geringer Antriebsleistung am Arbeitsende des ersten Kolbens/Zylinders über einen längeren Zeitraum hinweg eine tiefe Temperatur.zu erzeugen und aufrecht zuerhalten, die bei Verwendung von Helium' als Arbeitsgas 10 K und weniger erreichen kann. Meßobjekte, welche bei diesen tiefen Temperaturen untersucht werden sollen, werden z.B. mit einer Außenwand des ersten Zylinders im Bereich des Arbeitsendes, bevorzugt mit der dortigen Stirnwand verbunden, und damit auf der dort herrschenden Temperatur gehalten.with low drive power at the working end of the first piston / cylinder over a longer period of time to create a low temperature. and upright to obtain, which can reach 10 K and less when using helium 'as the working gas. Objects to be measured, which are to be examined at these low temperatures are e.g. with an outer wall of the first cylinder in the area of the working end, preferably connected to the front wall there, and thus kept at the prevailing temperature there.

Bei der Stirling-Kältemaschine - und in gleicher Weise auch bei der bekannten Philips-Gaskältemaschine (vergl. z.B. Lueger, Technisches Lexikon, Band I, S. 355) befindet sich das Arbeitsgas in der ersten Periode des thermody nami sehen Kreisprozesses im zweiten Zylinder und wird dort komprimiert, wobei die entstehende Wärme von der nicht isolierten Zylinderwandung in die Umgebung abgegeben wird. Während der zweiten Periode strömt das verdichtete warme Gas längs des ersten Kolbens zu dessen Arbeitsende hin und erwärmt dabei den Kolben, wobei sich das Gas selbst abkühlt. In der dritten Periode wird das verdichtete, längs des ersten Kolbens, insbesondere an dessen Arbeitsende befindliche kalte Gas durch eine entsprechende Kolbenbewegung entspannt, wobei es seiner Umgebung Wärme entzieht. In der vierten Periode strömt das kalte Gas längs des ersten Kolbens (Regenerator) zurück, kühlt diesen ab, um sich selbst wieder zu erwärmen. Damit ist der Kreisprozess geschlossen.With the Stirling refrigeration machine - and in the same way also with the well-known Philips gas refrigerator (cf. e.g. Lueger, Technisches Lexikon, Volume I, p. 355) the working gas is in the first period of thermody nami see the cycle in the second cylinder and is compressed there, with the resulting heat from the non-insulated cylinder wall into the environment is delivered. During the second period, the compressed warm gas flows along the first Piston towards the end of its work and heats the piston, whereby the gas cools itself down. In the The third period is the compressed one along the first piston, in particular at its working end the cold gas located is relaxed by a corresponding piston movement, whereby it heats its surroundings withdraws. In the fourth period, the cold gas flows back along the first piston (regenerator), cools it down in order to heat itself up again. In order to the cycle is closed.

Normalerweise besitzt das Arbeitsgas zur Erreichung eines hohen Kühlwirkungsgrades einen überdruck vonUsually has the working gas to achieve a high cooling efficiency an overpressure of

einigen Atmosphären, der bevorzugt bis zu 20 Atmosphären reicht- Nachteilig bei den bisher bekannten Stirling-Kältemaschinen ist es, daß die Zylinderkammern gegen die verschiebbaren Kolben mittels herkömmlicher O-Ringe oder anderer Dichtringe abgedichtet sind, und daß aufgrund der endlichen Dichtfähigkeit dieser Dichtungen das Arbeitsgas ständig entweicht. Dadurch muß ständig Arbeitsgas nachgefüllt werden. Dies ist prinzipiell möglich, schränkt jedoch die Verwendbarkeit und Handhabbarkeit dieser Maschinen stark ein,da ein lan gerer. Betrieb dann nur bei angeschlossener Arbeitsgas-Flasche möglich ist, so daß ein Betrieb in medizinischen Kleinlabors etc. in der Regel!wegen der damit verbundenen Umstände erschwert wird.some atmospheres, which is preferably up to 20 atmospheres - a disadvantage with the previously known It is Stirling refrigeration machines that the cylinder chambers are sealed against the sliding pistons by means of conventional O-rings or other sealing rings, and that due to the finite sealing ability of these seals, the working gas is constantly escaping. Through this working gas has to be topped up constantly. This is possible in principle, but restricts the usability and manageability of these machines, as a lan gerer. Operation is then only possible when the working gas cylinder is connected, so that operation in medical Small laboratories etc. usually! Because of the associated circumstances is made more difficult.

Ein Betrieb mit ständiger Zufuhr von Arbeitsgas aus einem Reservoir besitzt noch einen weiteren Nachteil, da das zugeführte Arbeitsgas stets mit unvermeidlichen geringen Verunreinigungen versehen ist, die z.B. bei 0,1 bis 1 Volumen-% liegen können. Da die Verunreinigungsgase in der Regel einen wesentlich höheren Kond^ensationspunkt besitzen als das Arbeitsgas, kondensiert das Verungungsgase einen wesentlich höheren Kondensationspunkt besitzen als das Arbeitsgas, kondensiert das Verunreinigungsgas, während das Arbeitsgas, und dies gilt insbesondere für Helium, durch die Kolbendichtungen entweicht. Das in den Zylindern enthaltene Arbeitsgas wird dadurch zunehmend verunreinigt. Ja sich die Verunreinigungen stets an den besonders Kalten Stellen abscheiden, kommt es dort zu merklichen Kondensatbelägen, welche bei den sehr geringen Zwischenräumen zwischen erstem Kolben und Zylinder zu Reibung führt, wodurch der Kühlwirkungsgrad.zusätzlich verschlechtert wird«Operation with constant supply of working gas from a reservoir has another disadvantage, because the supplied working gas is always provided with unavoidable minor impurities, e.g. 0.1 to 1 volume% can be. Since the pollutant gases usually have a much higher condensation point than the working gas, the Verunggas condenses a significantly higher condensation point own as the working gas, the pollutant gas condenses while the working gas, and this is true especially for helium, which escapes through the piston seals. The working gas contained in the cylinders becomes increasingly polluted as a result. Yes the impurities always deposit in the particularly cold spots, there will be noticeable condensate deposits, which leads to friction in the very small gaps between the first piston and cylinder, whereby the cooling efficiency. is additionally worsened «

Eine weitere mögliche Quelle für Verunreinigungen stellt derjenige Abschnitt der Kolbenstange des erstenAnother possible source of contamination is that portion of the piston rod of the first

Kolbens dar, welcher ständig in den ersten Zylinder hinein bzw. aus diesem heraus wandert, da sich im Außenraum Fremdgase an diesen Abschnitt anlagern und innerhalb des Zylinders dann in das Arbeitsgas übergehen und Fremdgase an diesen Abschnitt anlagern und innerhalb des Zylinders dann in das Arbeitsgas übergehen und sich an den kältesten Stellen adsorbieren. Schließlich müssen auch die Dichtungsringe wegen der ständigen Kolbenbewegung geschmiert werden, und der Schmierstoff stellt wegen seines endlichen Dampfdrucks ebenfalls eine Quelle für in das Arbeitsgas dampfende Verunreinigungsstoffe dar.Piston, which constantly migrates into and out of the first cylinder, because in the External gases accumulate on this section and then pass into the working gas within the cylinder and Attach foreign gases to this section and then pass into the working gas within the cylinder and adsorb in the coldest places. Finally, the sealing rings must also because of the constant Piston movement are lubricated, and the lubricant is also due to its finite vapor pressure a source of pollutants vaporising into the working gas.

Die unbefriedigende Dichtfähigkeit der bei den bekannten Stirling-Maschinen verwendeten Kolbendichtungen stellt somit ein beträchtliches Problem dar, welches den Kühlwirkungsgrad und die Einsatzfähigkeit dieser Kältemaschinen für lang dauernden ununterbrochenen. Betrieb erheblich reduziert.The unsatisfactory sealing ability of the piston seals used in the known Stirling engines thus poses a significant problem affecting cooling efficiency and serviceability Chillers for long uninterrupted. Operation significantly reduced.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Stirling-Kältemaschine der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß das Arbeitsgas hermetisch abgedichtet zwischen dem ersten Zylinder und dem zweiten Zylinder hin und her transportierbar ist.The object of the invention is therefore to provide a Stirling refrigeration machine of the type mentioned in such a way that the working gas is hermetically sealed is transportable back and forth between the first cylinder and the second cylinder.

Diese Aufgäbe wird bei einer Kältemaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im zweitenZylinder ein Balg angeordnet ist und mit der Rohrverbindung kommunizierend eine hermetisch dichte Balgenkammer bildet, und daß zwischen dem zweiten Zylinder und der Kolbenstange des ersten Kolbens eine Balgendichtung hermetisch dicht angeordnet ist.In the case of a refrigeration machine, this task is the one at the beginning mentioned type solved according to the invention in that a bellows is arranged in the second cylinder and with the Communicating pipe connection forms a hermetically sealed bellows chamber, and that between the second Cylinder and the piston rod of the first piston a bellows seal is arranged hermetically sealed.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß im zweitenZylinder ein Balg eingesetzt ist, der um die Mündung der Rohrverbindung herum eine hermetisch dichte Balgenkammer bildet, und daß als Dichtung zwischen dem ersten Kolben und dem ersten Zylinder eine Balgendichtung hermetisch dicht angebracht ist, so daß die Kammer des ersten Zylinders mit der Rohrverbindung und der Balgenkammer im zweiten Zylinder ein hermetisch dichtes System bildet, aus dem kein Arbeitsgas entweichen kann. Das System kann daher ohne ständige Zufuhr an Arbeitsgas betrieben werden. Es entfällt dadurch die ständig zunehmende Verschmutzung des Arbeitsgases und die zunehmende Kondensation der Verunreinigungen am ersten Kolben/Zylinder. Da der Balg im zweiten Zylinder sowie die Balgendichtung am ersten Zylinder aus nicht-dampfendem geeigneten Metalloder Kunststoffmaterial besteht und vakuumdicht angelötet oder angeklebt sind, geben diese Elemente selbst keine Verunreinigungen in das Arbeitsgas ab. Alle obengenannten Nachteile der bisher bekannten Stirling-Kältemaschinen werden dadurch wirkungsvoll und in einfacher Weise beseitigt.The advantages of the invention are in particular that a bellows is used in the second cylinder a hermetically sealed bellows chamber forms around the mouth of the pipe connection, and that as a seal a bellows seal is hermetically sealed between the first piston and the first cylinder, so that the chamber of the first cylinder with the pipe connection and the bellows chamber in the second cylinder Forms a hermetically sealed system from which no working gas can escape. The system can therefore be used without constant Supply of working gas can be operated. This eliminates the constantly increasing pollution of the Working gas and the increasing condensation of the impurities on the first piston / cylinder. Because the bellows in the second cylinder and the bellows seal on the first cylinder made of suitable non-steaming metal or Plastic material and are vacuum-tight soldered or glued, these elements give themselves no impurities in the working gas. All of the above-mentioned disadvantages of the previously known Stirling refrigeration machines are thereby effectively and easily eliminated.

Auf den Balg innerhalb des zweiten Zylinders wirkt von außen der in der Zylinderkammer herrschende Druck« In der Balgenkammer herrscht stets ein gegenüber diesem Außendruck nur geringfügig verringerter Innendruck, so daß das Balgenmaterial stets nur einer kleinen Druckdifferenz ausgesetzt ist und daher ^T,enig ermüdet» Um auch die Balgendichtung zwischen Kolbenstange des ersten Kolbens und dem ersten Zylinder nur mit einem entsprechend geringen Differenzdruck zu beaufschlagen, wird bevorzugt um die Balgendichtung außen herum eineTo the bellows within the second cylinder acts from the outside, the pressure in the cylinder chamber pressure "In the bellows chamber always prevails an over this external pressure only slightly reduced internal pressure, so that the bellows material is constantly exposed to only a small pressure difference and, therefore, ^T, enig tired" To also to apply only a correspondingly low differential pressure to the bellows seal between the piston rod of the first piston and the first cylinder is preferably around the bellows seal on the outside

Dichtungshaube aus festem Material gesetzt, und der Raum zwischen Dichtungshaube und· Balgendichtung wird mittels einer zweiten Rohrverbindung mit dem entsprechenden Außenraum des Balgs im zweiteriZylinder verbunden. Auf diese Weise unterliegt die Balgendichtung zwischen dem ersten Kolben/Zylinder stets nur demselben kleinen Differenzdruck, der auf den Balg im zweitenZylinder wirkt. Die Ermüdung der Balgendichtung wird dadurch ebenfalls auf ein Minimum reduziert. Das außen auf den Balg und die Balgendichtung wirkende Gas ist vom Arbeitsgas hermetisch abgedichtet und besteht bevorzugt aus Luft oder einem anderen billigen technischen Gas.The sealing hood is made of solid material and the space between the sealing hood and the bellows seal is opened connected to the corresponding outer space of the bellows in the second cylinder by means of a second pipe connection. In this way, the bellows seal between the first piston / cylinder is always subject to only the same one small differential pressure acting on the bellows in the second cylinder. The fatigue of the bellows seal is thereby also reduced to a minimum. The one acting on the outside of the bellows and the bellows seal Gas is hermetically sealed from the working gas and preferably consists of air or another cheap one technical gas.

Wenn das Arbeitsende des ersten ι Kolbens/Zylinders auf eine besonders tiefe Temperatur abgekühlt werden soll, die im Bereich von etwa 10'K liegen kann, muß als Arbeitsgas sehr reines Helium verwendet werden. Der Balg und die Balgendichtung müssen dann aus heliumdichten Material bestehen. ■' Bei Verwendung von Kunststoffbalgen findet hierbei u.U. eine geringe Diffusion von Helium durch das Balgenmaterial statt. In diesem Fall sollte als Gas im Außenraum der Balgen ebenfalls Helium verwendet werden, an das aber nicht mehr hohe Reinheitsforderungen gestellt werden müssen.When the working end of the first piston / cylinder is on a particularly low temperature is to be cooled, which can be in the range of about 10'K, must than Working gas very pure helium can be used. The bellows and the bellows seal must then be made of helium-tight Material. If plastic bellows are used, there may be a slight diffusion of Helium held by the bellows material. In this case, the bellows should also be used as a gas in the outer space Helium can be used, but it is no longer high Requirements for purity must be made.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are through characterized the features of the subclaims.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht, teilweise im Schnitt, der'erfindungsgemäßen Stirling-Kältemaschine;1 shows a schematic overall view, partly in section, of the invention Stirling refrigeration machine;

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Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des ersten . Kolbens; und Fig. 2 shows a cross section through an embodiment of the first. Piston; and

Fig. 3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des- ersten .. Kolbens, bei dem die Außenhaut teilweise weggebrochen ist.3 shows a side view of a further embodiment of the first piston, at which the outer skin has partially broken away.

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform derFig. 4 shows a further embodiment of the

Maschine mit pneumatischen Kompressoren»Machine with pneumatic compressors »

Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer Stirling-Kältemaschine, teilweise im Schnitt. Die Kältemaschine enthält einen ^zwe-iten_{Kolben 4}^ _{der in einem} zweiten Zylinder 2 verschiebbar gelagert ist und an seinem Umfang Umfang O-Ringdichtungen 3 trägt. Der Zylinder 2 besitzt keine Kälteisolation und kann daher in der Zylinderkammer 16 entstandene Wärme in die Umgebung abführen. Ein zweiterKolben 8besitzt mehrere Stufen, deren Durchmesser der Kolbenstange 14 benachbart am größten ist und in drei weiteren Stufen zum freien Arbeitsende 12 hin abnimmt. Der erste Kolben 8 ist in einem ersten Zylinder 6 mit geringem radialen Umfangsspiel angeordnet. Der erste Zylinder 6 besitzt am Arbeitsende 12 eine geschlossene Stirnwand 6', die zur Aufnahme der zu kühlenden Meßprobe 40 dienen kann. Die gegenüberliegende Stirnwand 6'" des ersten Zylinders 6 besitzt eine zentrale Bohrung Ί, durch die die Kolbenstange 14 des ersten , Reibens 8 hindurchgeführt wird. Der erste Zylinder ό und der erste Kolben 8 sind maßlich so aufeinander abgestimmt, daß bei vollständig in den Zylinder 6 eingefahrenem Kolben 6 am freien Arbeitsende 12 sowie an den Stufenabsätzen zwischen Kolben und Zylinder eine axiale Distanz von etwa 0,1 mm oder weniger verbleibt. Der Kolben 8 be-Fig. 1 shows a view of a Stirling refrigeration machine, partially in section. The refrigeration machine contains a ^second _{piston 4} ^ _{which is} slidably mounted in a second cylinder 2 and carries O-ring seals 3 on its circumference. The cylinder 2 has no cold insulation and can therefore dissipate the heat generated in the cylinder chamber 16 into the environment. A second piston 8 has several steps, the diameter of which is greatest adjacent to the piston rod 14 and decreases in three further steps towards the free working end 12. The first piston 8 is arranged in a first cylinder 6 with little radial circumferential play. The first cylinder 6 has a closed end wall 6 'at the working end 12, which can serve to hold the test sample 40 to be cooled. The opposite end wall 6 '"of the first cylinder 6 has a central bore Ί through which the piston rod 14 of the first friction 8 is passed. The first cylinder ό and the first piston 8 are dimensionally matched so that when completely in the cylinder 6 retracted piston 6 at the free working end 12 and at the stepped shoulders between piston and cylinder an axial distance of about 0.1 mm or less remains.

steht z.B. aus Nylon, der Zylinder 6 kann aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial besthen. Um den ersten Zylinder 6 herum ist eine Kälteisolation 9 gelegt/ die aus irgend einem geeigneten Gefäß 9, 9¹, 9¹¹ bestehen kann, welches evakuiert ist und zum freien Arbeitsende 12 hin zusätzliche kälteisolierende Strahlungsschirme 9', 3" um den ersten i. Zylinder 6 herum legt.stands for example from nylon, the cylinder 6 can consist of a glass fiber reinforced plastic material. A cold insulation 9 is placed around the first cylinder 6 / which can consist of any suitable vessel 9, 9 ¹ , 9 ¹¹ , which is evacuated and, towards the free working end 12, additional cold-insulating radiation shields 9 ', 3 "around the first i. Cylinder 6 lays around.

Die Kammer 16 des zweitenZylinder 2 steht über eine Rohrverbindung 20 mit der Kammer 18 des ersten Zylinders 6 in Verbindung. Die Mündung der Rohrverbindung 20 liegt in der Stirnwand des zweitenZylinders 2 und in der Kolbenseitigen Stirnwand 6¹¹ des ersten Zylinders 6.The chamber 16 of the second cylinder 2 is connected to the chamber 18 of the first cylinder 6 via a pipe connection 20. The mouth of the pipe connection 20 lies in the end wall of the second cylinder 2 and in the end wall 6 ^{11 of} the first cylinder 6 on the piston side.

Ein Antrieb 28 mit einer Antriebswelle 29 eines Antriebsmotors (nicht dargestellt) besitzt ein . Kurbelgestänge 30, 31, welches den zweitenKolben 4 im zweitenZylinder 2 hin und herschiebt. Mit dem ersten' Kubelgestänge 30, 31 ist ein weiteresKurbelgestange 32, 33 verbunden, welches an die Kolbenstange 14 des ersten Kolbens 8 angeschlossen ist und den ersten Kolben 8 im ersten . Zylinder 6 mit derselben Frequenz wie den zweitenKolben 4, jedoch mit einer Phasenverzögerung von etwa 90 hin,und her verschiebt.A drive 28 with a drive shaft 29 of a drive motor (not shown) has a. Crank linkage 30, 31 which pushes the second piston 4 back and forth in the second cylinder 2. With the first ' Kubel linkage 30, 31 is a further crank linkage 32, 33 connected, which is connected to the piston rod 14 of the first piston 8 and the first Piston 8 in the first. Cylinder 6 with the same frequency as the second piston 4, but with a phase delay shifts back and forth from about 90.

Im zweiten Zylinder 2 ist vor der Mündung der Rohrverbindung 20 ein topfförmiger, einseitig offener Balg 22 mit seiner freien Umfangskante 22' hermetisch so mit der Innenwand des ersten Zylinders 2 verbunden, daß eine hermetisch dichte Balgenkammer 23 vor der Mündung der Rohrverbindung 20 gebildet wird und über die Rohrverbindung 20 mit der Kammer 18 des ersten-In the second cylinder 2 is in front of the mouth of the pipe connection 20 a cup-shaped, one-sided open bellows 22 with its free peripheral edge 22 'hermetically so connected to the inner wall of the first cylinder 2 that a hermetically sealed bellows chamber 23 in front of the Mouth of the pipe connection 20 is formed and via the pipe connection 20 with the chamber 18 of the first

Zylinders 6 kommuniziert. Außen um den Balg 22 herum befindet sich ein Teil der Zylinderkammer 16.Cylinder 6 communicates. A part of the cylinder chamber 16 is located on the outside around the bellows 22.

Die zentrale Bohrung 7 in der kolbenstangenseitigen Stirnwand 6¹¹ besitzt einen gegenüber der Kolbenstange 14 wesentlich größeren Durchmesser. Zwischen dem ersten Zylinder 6 und der Kolbenstange 14 des erstenThe central bore 7 in the end wall 6 ¹¹ on the piston rod side has a diameter that is significantly larger than that of the piston rod 14. Between the first cylinder 6 and the piston rod 14 of the first

• Kolbens 8 ist eine Balgendichtung 24 eingefügt, die einerseits mit der Außenfläche der Stirnwand 6 '' und andererseits mit der Kolbenstange 14 hermetisch verbunden ist. Der Balg 22 und die Balgendichtung bestehen aus einem geeigneten Metall oder Kunststoffmaterial,'und die erforderlichen hermetischen Verbindungen werden z.B. durch Löten, Schweißen, Verkleben oder vakuumdichter Planverbindungen erzeugt» • Piston 8 is fitted with a bellows seal 24, which on the one hand connects to the outer surface of the end wall 6 '' and on the other hand, is hermetically connected to the piston rod 14. The bellows 22 and the bellows seal consist of a suitable metal or plastic material, 'and the required hermetic connections are created e.g. by soldering, welding, gluing or vacuum-tight flat connections »

Über die Balgendichtung 24 ist eine Dichtungshaube gesellt, die ebenfalls mit einem freien Rand auf der Außenseite der Stirnwand 6'' des ersten Zylinders 6 aufsitzt und mit einem anderen Rand bis zur Kolbenstange 14 reicht. An den Rändern der Dichtungshaube 26 sind O-Ringe 27 als Dichtung vorgesehen=About the bellows seal 24 is a sealing hood, which is also with a free edge on the Outside of the end wall 6 ″ of the first cylinder 6 is seated and with another edge up to the piston rod 14 is enough. At the edges of the sealing hood 26, O-rings 27 are provided as a seal =

Von dem den Balg 22 umgebenden Raum 16 innerhalb des Zylinders 2 ist eine zweite Rohrverbindung 25 in den Innenraum der Dichtungshaube 26 vorhanden, um auch für die Balgendichtung 24 einen Dn ckausgleich zu schaffen. Der in der Kammer 16 herrschende Druck wird einerseits über den Balg 22 mit geringem Druckabfall in die Balgenkammer23 übertragen, die über die Rohrverbindung 20 mit der Kammer 18 des ersten ZylindersFrom the space 16 surrounding the bellows 22 within the cylinder 2, a second pipe connection 25 is in the Interior of the sealing hood 26 is present in order to compensate for pressure also for the bellows seal 24 create. The pressure prevailing in the chamber 16 is on the one hand via the bellows 22 with a slight pressure drop transferred into the bellows chamber23, which is via the pipe connection 20 with the chamber 18 of the first cylinder

6, und damit mit dem Innenraum der Balgendichtung 24 in Verbindung steht. Der in der Kammer 16 des ersten Zylinders 2 herrschende Außendruck am Bälg 22 wird über die zweite Rohrverbindung 25 auf den durch die Dichtungshaube 26 abgeschirmten Außenraum der Balgendichtung 24 übertragen, so daß auch die Balgendichtung 24 nur einem geringem Differenzdrück unterworfen ist und daher ermüdungsfrei arbeitet. Als Gas in der Kammer 16 wird Luft oder ein anderes technisches Gas verwendet. Als Arbeitsgas innerhalb des durch Balgenkammer 23, Rohrverbindung 20 und Zylinderkammer 18 gebildeten Systems wird zur Erzielung besonders tiefer Temperaturen am Arbeitsende 12 des ersten Kolbens/Zylinders besonders reines Helium eingesetzt.6, and thus with the interior of the bellows seal 24 communicates. The one in chamber 16 of the first Cylinder 2 prevailing external pressure on the bellows 22 is via the second pipe connection 25 to the through the Sealing hood 26 transferred to the shielded outer space of the bellows seal 24, so that the bellows seal 24 is only subject to a slight differential pressure and therefore works without getting tired. As a gas in the Chamber 16 is air or another technical gas used. As working gas inside the bellows chamber 23, pipe connection 20 and cylinder chamber 18 formed system is to achieve particularly low temperatures at the end of work 12 of the first Piston / cylinder especially pure helium is used.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des ersten Kolbens 8. Der Kolben 8 besteht aus massivem Material, welches am Umfang mehrere radial ausgerichtete Längsnuten 48 besitzt, um die nutzbare Wärmekapazität des zweiten Kolbens 8 - der als Regenerator wirkt - zu erhöhen, weil durch diese Maßnahme die Oberfläche relativ zum Volumen des betreffenden Kolbenabschnitts erhöht wird, wodurch die Wärmekapazität des gesamten Volumens besser genutzt wird.Fig. 2 shows a cross section through an embodiment of the first piston 8. The piston 8 consists of solid material, which has a plurality of radially aligned longitudinal grooves 48 on the circumference to the usable Heat capacity of the second piston 8 - which acts as a regenerator - to increase because of this Measure the surface is increased relative to the volume of the piston section in question, whereby the Heat capacity of the entire volume is better used.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des ersten Kolbens 8, teilweise im Schnitt. Um am Arbeitsende möglichst tiefe Temperaturen zu erzielen, wird der erste Kolben 8 aus einer am Umfang und den beiden Stirnseiten durchbrochenen Außenhaut 42 aufgebaut,Fig. 3 shows another embodiment of the first Piston 8, partly in section. In order to achieve the lowest possible temperatures at the end of work, the first piston 8 constructed from an outer skin 42 perforated on the circumference and the two end faces,

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welche die erforderliche mechanische Stabilität besitzt und eine Füllung 42 aus einem Material hoher Wärmekapazität und geringer Wärmeleitung in axialer Richtung des Kolbens 8 besitzt. Als Füllung wird z.B. kugelförmiges Blei verwendet, jedoch lassen sich auch andere Materialien hoher Wärmekapazität, wie z.B. Gold, einsetzen.which has the required mechanical stability and a filling 42 made of a material higher Has heat capacity and low heat conduction in the axial direction of the piston 8. The filling is e.g. spherical lead is used, but other materials with high heat capacity can also be used, such as gold.

Durch die punktförmigen Auflageflächen benachbarter Bleikugeln wird die Wärmeleitung in axialer Richtung des Kolbens gegenüber massivem Material stark verringert. Das Arbeitsgas strömt bei dieser Ausführungsform der Erfindung sowohl zwischen der Innenwand des ersten Zylinders und der Außenwand des ersten Kolbens als auch im Innern des ersten . Kolbens durch die Kugelfüllung hindurch nach unten und nach oben.Due to the point-like contact surfaces of neighboring Lead balls, the heat conduction in the axial direction of the piston is greatly reduced compared to solid material. The working gas flows in this embodiment of the invention both between the inner wall of the first cylinder and the outer wall of the first piston and inside the first. Piston through the ball filling down and up through it.

Fig. 4 zeigt einen Teil einer weiteren Ausführungsform der Kältemaschine. Dargestellt ist der zweite Zylinder 2, bei dem der Balg 22 einen Teilraum um die Mündung der Rohrverbindung 20 herum hermetisch gegen den restlichen Teil der Zylinderkammer abdichtet. Zur periodischen Druckbeaufschlagung des Balgs 22 wird anstelle des zweiten Kolbens eine pneumatische Druckansteueuerung vorgesehen. Eine Druckgasleitung 50 verbindet denjenigen Teil der Zylinderkammer, der außerhalb des Balgs 22 liegt, mit einer Druckgasquelle, welche über ein Einlaßventil 52 den Balg 22 mit Druckgas beaufschlagt, das jeweils anschließend über die Druckgasleitung 50 und ein Auslaßventil 54 abgelassen wird. Die Steuerung der Ventile 52, 54 erfolgt ebenfalls periodisch vom Antrieb des ersten Kolbens auf eine solche Weise, daß der erste Kolben jeweils etwa eine Viertel-periode nach Erreichen desFig. 4 shows part of a further embodiment of the refrigeration machine. The second is shown Cylinder 2, in which the bellows 22 hermetically hermetically surrounds a partial space around the mouth of the pipe connection 20 seals against the remaining part of the cylinder chamber. For periodic pressurization of the bellows 22 a pneumatic pressure control is provided instead of the second piston. A pressurized gas line 50 connects that part of the cylinder chamber which is outside the bellows 22 with a source of pressurized gas, which pressurized gas is applied to the bellows 22 via an inlet valve 52, each of which then follows via the compressed gas line 50 and an outlet valve 54 is drained. The valves 52, 54 are also controlled periodically by the drive of the first Piston in such a way that the first piston about a quarter-period after reaching the

Druckmaximums im zweiten Zylinder 2 seine vollständig in den ersten Zylinder 6 eingefahrene Stellung erreicht. Als Ventile 52, 54 eignen sich entweder Magnetventile oder mechanische Schieber. Diese Ausführungsform der Erfindung besitzt den Vorteil, daß im zweiten Zylinder auf einen beweglichen Kolben vollständig ver- . ziehtet werden kann.Maximum pressure in the second cylinder 2 its completely reached in the first cylinder 6 retracted position. Either solenoid valves are suitable as valves 52, 54 or mechanical sliders. This embodiment of the invention has the advantage that in the second The cylinder is completely connected to a movable piston. can be drawn.

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

Claims

Prof. Dr. rer. nat. Christoph Heiden, 6301 loan yesterday, Beethovenstr. 18th

Stirling refrigeration machine

EXPECTATIONS

1J Stirling refrigeration machine with a first piston, whose diameter may be of. its piston rod end in several stages to his free end of work decreases, in a first appropriately stepped cylinder with cold insulation, the surrounds the first piston with little radial play and an axial bore for the passage of the piston rod contains, with a second piston in a second cylinder without cold insulation, with a pipeline from the first cylinder into the second cylinder, with a drive that has both pistons, dea first Piston lagging the second piston by about 90 °, drives, and with a working gas in the cylinders,

WWR / eo

characterized in that a bellows (22) is arranged in the second cylinder (2) and with the pipe connection (20) communicating forms a hermetically sealed bellows chamber (23), and that between the first Cylinder (6) and the piston rod (14) of the first piston (8) have a bellows seal (24) hermetically sealed is arranged.

2. Refrigerating machine according to claim 1, characterized in that a peripheral edge (24 ') of the bellows seal (24) on the pierced end wall (6 ¹¹ ) of the first cylinder (6), and that the other ^{peripheral edge (24 11} ) of the bellows seal (24 ) is attached to the piston rod (14) in a hermetically sealed manner.

3. Refrigerating machine according to claim 1 or 2, characterized in that the bellows (22) in the second cylinder (2) is designed as a pot, the peripheral edge of which (22 ') hermetically around the mouth of the pipe connection (20) is tightly attached to the inner wall of the second cylinder (2).

4. Refrigerating machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that a sealing hood around the bellows seal (24) for pressure compensation

(26) is provided which against the displaceable piston rod (14) of the first piston (8) by means a seal (27) made of elastomeric material is sealed and with the cylinder chamber (16) of the second cylinder (2) via a second pipe connection

(25) is in connection.

5. Refrigerating machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bellows (22) and the

Bellows seal (24) consist of a helium-tight material, and that the working gas is helium.

6. Refrigerating machine according to one of the preceding claims, characterized in that to achieve the lowest possible temperatures at the working end (12) of the first piston (8) a filling (42) from a Material of high heat capacity and low heat conduction is provided in the axial direction of the piston (8) which is held by a perforated, mechanically stable outer skin (44) of the first piston (8).

7. Refrigerating machine according to claim 6, characterized in that the filling (44) consists of spherical Material.

8. Refrigerating machine according to claim 6 or 7, characterized in that the filling consists of lead.

9. Refrigerating machine according to one of the preceding claims, characterized in that the first piston (8) at least in predetermined longitudinal sections has radially aligned longitudinal grooves (48).

10. Stirling refrigeration machine, with a first Piston, the diameter of which may increase in several stages from one end on the piston rod side his free end of work abniir.at, all in one first appropriately stepped cylinder with cold insulation, which the first piston with low radial Surrounds game and contains an axial bore for the implementation of the piston rod, with a second, periodic pressurized cylinder, with a pipe from the first cylinder to the second cylinder, with

a drive that drives the first piston to the pressure cycle periodically drives within the second cylinder trailing by 90 °, and with a working gas in the Cylinders, characterized in that a bellows (22) is arranged in the second cylinder (2) and with the Communicating pipe connection (20) forms a hermetically sealed bellows chamber (23), and that between the first cylinder (6) and the piston rod (14) of the first piston a bellows seal (24) is hermetically sealed »

11. Refrigerating machine according to claim 10, characterized in that that the working gas only in the first cylinder (6), the pipe connection (20) and the bellows (22) is present, and that in the second cylinder (2) outside the bellows (22) a compressed gas line (50) opens, through which the outer space of the bellows (22) in the second cylinder (2) can be acted upon with compressed gas.