DE3044427A1

DE3044427A1 - Verdraenger fuer refrigeratoren

Info

Publication number: DE3044427A1
Application number: DE19803044427
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. 5354 Weilerswist Heisig; Hans-Hermann Dr.rer.nat. 5030 Hürth Klein; Karl-Heinz Ing.(grad.) 5170 Jülich Völker
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1980-11-26
Filing date: 1980-11-26
Publication date: 1982-06-24
Also published as: US4397156A; CH654402A5; DE3044427C2

Description

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LEYBOLD-HERAEUS GMBH ' Köln-Bayental

Verdränger für Refrigeratoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdränger für Refrigeratoren mit einem in einem Hohlraum des Verdrängers befindlichen Regenerator.

Refrigeratoren sind Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen thermodynamische Kreisprozesse ablaufen (vgl, z. B, die US-PS 29 06 101). Ein einstufiger Refrigerator umfaßt im wesentlichen eine Kammer mit einem Verdränger. Die Kammer wird in bestimmter Weise alternierend· mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckgasquelle verbunden, so daß während der Hin- und Herbewegung des Verdrängers der thermodynamische Kreisprozeß (Stirling-Prozeß, Gifford/McMahon-Prozeß usw..) abläuft, wobei das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden kann. Die Folge ist, daß. einem bestimmten Bereich der Kammer Wärme entzogen wird. Mit zweistufigen Refrigeratoren dieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich z, B, Temperaturen bis unter 10 Kelvin erzeugen.

Wesentlicher Bestandteil eines Refrigerators ist der Regenerator, durch den das Arbeitsgas vor und nach der Entspannung strömt. Aus der DE-AS 13 01 343 ist es bekannt, den Regenerator innerhalb des zylindrisch gestalteten Verdrängers anzuordnen. In einem solchen Fall muß der Regenerator zum einen gut wärmespeichernde Eigenschaften haben, damit ein ausreichend hoher Wärmetausch zwischen dem Arbeitsgas und dem Regenerator stattfindet. Zum anderen muß der Verdränger insgesamt schlecht wärmeleitend sein, da sonst die auf der einen Seite der Kammer entzogene Wärme durch Wärmeleitung schnell wieder ersetzt würde. Als Regeneratormaterialien sind Bronze- oder Bleikugeln, Bronze-Wolle oder auch Bronze-Netze bekannt.

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.Nachteilig an Verdrängern mit diesen Regeneratormaterialien ist, daß ihre Herstellung insgesamt kostspielig und aufwendig ist. Besteht das Regeneratormaterial aus Kugeln, dann muß mit gasdurchlässigen Kappen oder Netzen dafür gesorgt werden, daß die Kugeln nicht austreten können. Bronzenetze sind kostspielig und schwierig in den Verdränger· hohlraum einzubringen. Bei Bronzewolle besteht ein ähnliches Problem wie bei den Kugeln. Keinesfalls dürfen Teile davon austreten, da sonst die Gefahr der Beschädigung der Kammerwandungen besteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdränger der eingangs genannten Art zu schaffen, der wesentlich einfacher herzustellen ist und bei dem die Gefahr des Austretens von Verdrängermaterial nicht mehr besteht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Regenerator zumindest teilweise aus Sintermaterial, vorzugsweise aus gesinterten Bronzekugeln, besteht. Sintermaterialkörper können in jeder beliebigen Größe hochgenau hergestellt werden, so daß die Anzahl der Teile, aus denen ein erfindungsgemäßer Verdränger besteht, gegenüber vorbekannten Verdrängern wesentlich reduziert ist. Die Schwankungen der Packungsdichte der üblichen Regeneratoren treten hier nicht auf.

Da Sintermaterial bessere wärmeleitende Eigenschaften als übliches Regeneratormaterial hat, ist es zweckmäßig, mehrere voneinander beabstandet angeordnete Sintermetallscheiben axial hintereinanderliegend: vorzusehen. Dadurch kann die _g_ Wärmeleitung auf das notwendige Maß reduziert werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, lediglich Sintermetallscheiben an einem oder an beiden Enden des Regeneratorraumes anzuordnen und zwischen diesen Scheiben das übliche Regeneratormaterial (Bronzewolle, Bleikugeln oder dgl.)

•vorzusehen. Die Sintermetallscheiben haben dann zwei 5

Funktionen: Zum einen dienen sie als gasdurchlässige Abdeckscheiben, zum anderen dienen sie selbst als Regenerator, so daß der vorhandene Regeneratorraum optimal ausgenutzt ist,

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführüngsbeispielen erläutert werden.

In der Figur 1 ist ein zweistufiger Refrigerator 1 teilweise im Schnitt dargestellt. Im Gehäuse 2 ist in nicht näher dargestellter, an sich bekannter Weise ein Ventilsystem untergebracht, das in einer bestimmten Reihenfolge eine Hochdruck- und eine Niederdruckgasquelle, die an den Anschlußstutzen 3 und 4 angeschlossen sind, mit den Kanälen 5, 6 und 7 verbindet, Der Kanal 6 mündet in einen Zylinder 8, in dem sich ein mit dem Verdränger 9 der ersten Stufe 11 des Refrigerators befindlicher Antriebskolben befindet. Ein den Kolben 12 gegenüber der Innenwand des Zylinders 8 abdichtender Ring ist mit 13 bezeichnet. Mit Hilfe dieses Antriebs wird der Verdränger 9 in der vom zylindrischen Gehäuse 14 gebildeten Kammer 15 hin- und herbewegt, über den Stift 16 ist der Verdränger 17 der zweiten Stufe 18 des Refrigerators mit dem Verdränger 9 der

ersten Stufe verbunden, so daß auch der Verdränger 17 in der vom zylindrischen Gehäuse 19 gebildeten Kammer 21 eine Hin- und Herbewegung ausführt. Die Achse des gesamten Systems ist mit 10 bezeichnet.

Die Verdränger 9 und 17 sind im wesentlichen zylindrisch gc gestaltet. Ihre inneren Hohlräume 22 und 23 dienen der Unterbringung der im einzelnen noch genauer zu beschreibenden Regeneratoren.

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Über die Kanäle 5 und 7 wird das Arbeitsgas zu- bzw. 5

abgeführt. Es strömt über die Bohrungen 24 durch den Regenerator des Verdrängers 9 in den Expansionsraum 25, welcher der untere Teil der Kammer 15 ist. Dort ixpai.liert es und entzieht diesem Bereich der ersten Stufe 11 des Refrigerators Wärme. Das vorgekühlte Gas strömt weiter durch die Bohrung 27 im Verdränger 17 der zweiten Stufe 18, durch den im Innenraum 23 dieses Verdrängers 17 liegenden Regenerator und durch die Bohrung 28 am unteren Ende des Verdrängers 17 in den Expansionsraum 29 der zweiten Stufe 18. Dort erfolgt eine weitere Expansion mit diesen Bereich der zweiten Stufe abkühlende Wirkung. Über den gleichen Weg strömt das Gas zurück und kühlt die Regeneratormaterialien ab, so daß die im nächsten Zyklus wieder einströmenden Gase im Regenerator bereits vorgekühlt

werden.
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Zur Abdichtung der Verdränger 9 und 17 gegenüber ihren zugehörigen Kammerwandungen 14 und 19 dienen Dichtringe 31 und 32, die in Außennuten 33 und 34 der Verdrängerwandungen untergebracht sind. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die einfache Ausbildung der Verdränger 9 und 17 mit den dazugehörenden Regeneratoren. Dazu ist zunächst der Verdränger 9 mitsamt seinem Antriebskolben einteilig ausgebildet und besteht vorzugsweise aus fasergefülltem Kunststoff. Als Regenerator dienen eine

Sintermetallscheibe 35, ein topfförmiges Formstück 36 und zwischen diesen beiden Elementen untergebrachtes, im einzelnen nicht dargestelltes Regeneratormaterial. Das können in an sich bekannter Weise Bronzewolle oder ..uch Bronzekugeln sein. Durch die Sintermetallscheibe 35 ist

sichergestellt, daß das Regeneratormaterial nicht durch die Bohrungen 24 austritt.

Das Formstück 36 ist topfförmig mit einem relativ breiten Rand 37 gestaltet und schließt mit seinem Bodenteil den

Innenraum 22 des Verdrängers 9 ab. Seine Ränder dienen der /7

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Begrenzung der Hin- und Herbewegung des Kolbensystems. Besteht das Formstück aus Kunststoff, dann bewirken die Ränder darüber hinaus eine Dämpfung der Verdrängerbewegung. Kunststoff ist gasundurchlässig, so daß uicht dargestellte Durchströmöffnungen für das Arbeitsgas vorhanden sein müssen. Diese Durchströmöffnungen sind nicht erforderlich,wenn das Formstück - wie in Figur 1 dargestellt - aus Sintermaterial besteht. Es ist für das Arbeitsgas durchlässig, verhindert den Austritt von Regeneratormaterialteilchen aus dem Hohlraum 22, hat selbst Regeneratorwirkung und dient der Halterung des Stiftes

Eine besonders zweckmäßige Ausführung zeigt Figur 1. Als Abschluß des Regeneratorraumes 22 des Verdrängers 9 dient das bereits beschriebene topfförmige Sintermetallformstück 36. In dieses Formstück 36 ist ein weiteres, etwa topfförmig gestaltetes Formstück 38 eingesetzt, dessen Rand 39 die Dämpfungsfunktion übernimmt.

Der Regenerator der zweiten Stufe besteht aus zwei Sintermetallscheiben 41 und 42, welche ebenfalls die Aufgabe haben, das zwischen ihnen befindliche beliebige Regeneratormaterial nicht durch die Bohrungen 21 und 28 austreten zu lassen. Da das Sintermaterial selbst ein geeignetes Regeneratormaterial ist, ist der vorhandene Raum optimal ausgenutzt.

In den Figuren 2, 3 und 4 sind weitere Möglichkeiten der Gestaltung eines Verdrängers dargestellt. Beim Ausführungs beispiel nach Figur 2 befinden sich im Verdränger 9 eine Reihe Sintermetallscheiben 43. Sie sind mit geringem Abstand voneinander angeordnet, damit ein ausreichend hoher Wärmewiderstand erhalten bleibt.

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5 Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 entspricht im wesentlichen dem Verdränger 17 der zweiten Stufe 18 des Refrigerators nach Figur T. Es sind lediglich zwei Sinter i;fitall^r;Cheiben 44 und 45 vorgesehen. Diese bilden den Raum 46, der mit üblichem Regeneratormaterial gefüllt 10 ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist die untere Sintermetallscheibe so angeordnet, daß am unteren Rand des Verdrängerkörpers 9 der Stift 16 zur Halterung des Verdrängers 17 der zweiten Stufe befestigt werden kann.

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Claims

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LEYBOLD-HERAEUS GMBH Köln-Bayental

Verdränger für Refrigeratoren

ANSPRÜf ΉΕ

Verdränger für Tieftemperatur-Kältemaschinen mit einem in einem Hohlraum des Verdrängers befindlichen Regenerator, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator zumindest teilweise aus.Sintermaterial besteht.

Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Sintermaterial aus gesinterten Bronzekugeln besteht.

3. Verdränger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch.

gekennzeichnet, daß mehrere voneinander beabstandet angeordnete Sintermetallscheiben (43) bezogen auf die Achse (10) des Verdrängers - axial hintereinanderliegend vorgesehen sind.

Verdränger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die dem Expansionsraum (25, 29) zugewandte öffnung des Verdrangerhohlraumes (22, 23) mit einer Sintermetallscheibe (36, 44, 45) verschlossen ist und daß der verbleibende Hohlraum mit bekanntem Regeneratormaterial (Bronzesiebe, Bleikugeln, Bronzewolle oder dgl.) gefüllt ist.

Verdränger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daj- auf beiden vom Arbeitsgas durchströmten Stirnseiten des Verdrängers (9, 17) Sintermetallscheiben (35, 36 bzw. 44, 45) vorgesehen sind und daß der von diesen Scheiben gebildete Zwischenraum mit bekanntem Regeneratormaterial gefüllt ist.

ORIGINAL !MSPECTED

6. Verdränger nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das dem Expansionsraum (25) zugewandte Ende mit einem topfförmigen Formstück (36) verschlossen ist.

7. Verdränger nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück (36) aus Kunststoff besteht, mit seinem Bodenteil, den Regeneratorraum (22) verschließt und mit seinem Randteil (37) der Begrenzung der Verdrängerbewegung dient.

8. Verdränger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das topfförmige Formstück (36) aus Sintermaterial besteht.

9. Verdränger nach Anspruch 8', dadurch- gekenn zeichnet, daß ein zusätzliches Dämpfungselement (38) aus Kunststoff vorgesehen ist.

10. Verdränger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (38) ebenfalls topfförmig gestaltet ist und in das Formstück (36) eingesetzt ist.

11. Verdränger nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück (36) der Halterung eines STiftes (16) zur Anlenkung eines weiteren Verdrängers (17) einer Refrigeratorfolgestufe dient.

12- Verdränger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß p.r außer dem Regeneratormaterial - einstückig ausgebildet ist.

13. Verdränger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Antriebskolben (12) ausgerüstet und mit diesem einteilig ausgebildet ist. ,_