DE3049985C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung der Bewegung des Verdrängers einer Kältemaschine, die nach Art eines Gifford/ McMahon-Prozesses ausgebildet und betrieben wird und einen kolbenförmig ausgebildeten, axial verschiebbaren Verdränger aufweist, welcher einen Regenerator zum Abkühlen bzw. Anwärmen eines Arbeitsgases enthält und an den gegenüberliegenden Seiten eine warme und eine kalte Kammer begrenzt.

Derartige Kältemaschinen, wie sie beispielsweise in der DE-OS 21 56 668 beschrieben sind, werden zur Erzeugung sehr niedriger Temperaturen von z. B. 110°K bis 14°K benutzt. Derartige Maschinen erfordern eine präzise Steuerung des Verdrängers, damit das System gemäß einer vorbestimmten Zeitfolge zuverlässig arbeiten kann.

Bei der in der DE-OS 21 56 668 dargestellten Kältemaschine ist versucht worden, das Ventilsystem für das Einleiten und Auslassen von Gas aus der Expansionskammer dadurch zu verein­ fachen, daß der Verdränger selbst als Steuerkolben arbeitet. Auch bei dieser bekannten Maschine sind jedoch zwischen Hoch­ druckeinlaß und Antriebskammer und zwischen der Antriebskammer und dem Einlaß in den Leitungssystemen komplizierte Ventilan­ ordnungen vorgesehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Steuerung eines Verdrängers derart zu gestalten, daß seine Bewegungsumkehr selbsttätig unter Wegfall der bekannten äußeren Steuerventile herbeigeführt wird, wobei die Hubfrequenz einstellbar ist und auch eine Bewegung mit geringer Frequenz von wenigen Hz sicher durchgeführt werden kann. Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebe­ nen Merkmale.

Danach wird die Ventilanordnung in das Innere des Maschinenge­ häuses verlegt und der koaxial im Gehäuse angeordnete Steuer­ kolben ist in der Lage die Bewegungsumkehr selbsttätig herbei­ zuführen, so daß zwischen Hochdruckquelle und Kältemaschine keine Ventile eingebaut werden müssen. Durch die symmetrische Anordnung der Bohrungen und Kanäle im Steuerkolben werden die durch das Druckmittel hervorgerufenen Kräfte gegenseitig auf­ gehoben, so daß eine niedrige Kolbenfrequenz erreicht werden kann. Der Steuerkolben bleibt bei dieser Anordnung auch an den Umkehrpunkten nicht hängen.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen 2 bis 8.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittansicht einer erfindungs­ gemäßen Kältemaschine mit selbstregelndem Gifford-McMahon Zyklus, wobei der Verdränger und der Steuerkolben in einer ersten Stellung befindlich sind;

Fig. 2 eine Teilansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 um 90° gegenüber der Darstellung nach Fig. 1 verdreht;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht nach der Linie 4-4 gemäß Fig. 1;

Fig. 5 einen Querschnitt der gleichen Vorrichtung längs der Linie 5-5 nach Fig. 2;

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 gemäß Fig. 2;

Fig. 7 und 8 rechtwinklig zueinander stehende Schnitt­ ansichten einer erfindungsgemäß abgewandelten Kältemaschine;

Fig. 9 eine schematische Darstellung der äußeren Ventilverbindungen für die Maschine nach Fig. 7 und 8;

Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie 10-10 gemäß Fig. 7;

Fig. 11 einen Schnitt nach der Linie 11-11 gemäß Fig. 7;

Fig. 12 einen Schnitt nach der Linie 12-12 gemäß Fig. 8;

Fig. 13 einen Schnitt nach der Linie 13-13 gemäß Fig. 8;

Fig. 14 ein Druck-Volumen-Diagramm, welches für die Vorrichtung nach Fig. 7 bis 13 charakteristisch ist.

In der folgenden Beschreibung wird an gewissen Stellen auf "obere" und "untere" Abschnitte Bezug genommen. Diese Ausdrücke "oberer" und "unterer" werden in einem relativen Sinne benutzt, denn es ist klar, daß die Kältemaschine in jeder Lage orientiert werden kann.

Im folgenden wird auf die Fig. 1 bis 6 der Zeichnung Bezug genommen. Die dargestellte Kältemaschine ist so aus­ gebildet, daß sie gemäß dem Kühlzyklus Gifford-McMahon arbeitet Die Kältemaschine umfaßt ein äußeres Gehäuse 2 mit einem oberen Flansch 4, mit dem sie an einem Kopf 6 angeflanscht ist. Ein Bodenflansch 8 am Kopf 6 ist mit dem Flansch 4 durch geeig­ nete Schraubbolzen 9 verbunden. Das Gehäuse der Kältemaschine ist am unteren kälteren Ende durch eine relativ dicke End­ platte 10 verschlossen.

Ein Verdränger 14 bewegt sich innerhalb des Gehäuses um eine obere warme Kammer 16 variablen Volumens und eine untere kalte Expansionskammer 18 variablen Volumens zu bilden. Eine Gleitdichtung 22 ist zwischen dem oberen Abschnitt 20 des Verdrängers und der inneren Oberfläche des Kältemaschinengehäuses 2 angeordnet.

Die Kammern 16 und 18 stehen in Strömungsverbindung über einen Strömungspfad, der Wärmespeicher enthält. Der Strömungsmittelpfad weist einen Regenerator 24 auf, der innerhalb des Verdrängers 14 angeordnet ist und außerdem eine oder mehrere Leitungen 26 im Kolben, die von dem oberen Ab­ schnitt des Regenerators nach der Kammer 16 laufen. Der Strömungspfad weist außerdem Kanäle im Regenerator selber auf und weiter eine Reihe radialer Kanäle 28, die in der unteren Wand 32 des Verdrängers angeordnet sind. Ferner ist ein Ringkanal 30 zwischen der unteren Kolbenwand und der inneren Oberfläche des Gehäuses 2 angeordnet.

Das obere Ende des Verdrängers 14 ist mit einer Bohrung 34 ausgestattet. Die Bohrung ist in ihrem oberen Ende vergrößert, so daß sie eine Schulter formt, gegen die ein metallischer Ring 36 anliegt. Ein elastischer Dichtring 38 ist im oberen Ende der Gegenbohrung eingesetzt, wodurch eine Gleitdichtung zwischen dem Verdränger und dem anliegenden Abschnitt des im folgenden beschriebenen Ventilaufbaus gebildet wird. Am oberen Ende des Verdrängers ist eine Platte 40 befestigt. Diese Platte 40 dient dazu, die Halterung der Dichtungen 22 und 38 zu unterstützen.

Der Kopf 6 ist mit einer ersten Öffnung 46 versehen, um unter Hochdruck stehendes Strömungsmittel in die Kälte­ maschine einzuführen und es ist eine zweite Öffnung 44 vorgesehen, um das unter niedrigerem Druck stehende Strömungs­ mittel abzulassen. Beispielsweise wird als Strömungsmittel Heliumgas benutzt. Der Kopf besitzt eine koaxiale zylindrische Bohrung 48 mit einem vergrößerten Gewindeabschnitt im oberen Ende, und die Bohrung ist durch eine Schraubkappe 50 verschlos­ sen. Die Bohrung 48 gehört zu dem Ventilmechanismus, der einen Zylinder 52 und einen Steuerkolben 54 umfaßt. Der Zylinder 52 hat einen Abschnitt 55 mit größerem Durchmesser, der in der Bohrung 48 sitzt.

Ein Dichtring 38 umfaßt das untere Ende 59 des Zylinders 52 und bildet eine Gleitdichtung zwischen dem Zylinder und dem Verdränger, wodurch eine An­ triebskammer 60 variablen Volumens zwischen den beiden Teilen ausgebildet wird.

Der Zylinder 54 ist mit einem Umfangsflansch 78 am unteren Ende versehen, der im Gleitsitz mit der Bohrung 34 des Verdrängers steht und den Ring 36 abfängt, wenn der Verdränger relativ zu dem Zylinder nach unten bewegt wird. In einer Nut des Steuerkolbens ist ein O-Ring 80 mon­ tiert, der gegen den Flansch 78 und das unter Ende des Zylinders 52 und dadurch als Stoßdämpfer wirkt. Das obere Ende des Steuerkolbens 54 ist mit einem zweiten Umfangs­ flansch 82 versehen, der als Schulter für einen weiteren O-Ring 84 wirkt, der in einer Nut im Steuerkolben ausgebildet ist.

Im folgenden wird weiter auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Ventilkörper 54 besitzt einen Mittelkanal 88, der mit der Kammer 60 und auch mit der Kammer 90 in Verbindung steht.

Der ortsfeste Führungszylinder 52 ist mit zwei Umfangsnuten 148 und 150 versehen, die die Öffnungen 44 und 46 verbinden und als Ring­ kammern dienen. Das Ventilgehäuse 52 ist mit zwei diametral gegenüberliegenden Öffnungen 152 versehen, die die Nut 148 schneiden, und ein zweites Paar gleicher Öffnungen 154 durch­ setzt die Nut 150. Die Öffnungen 154 sind gegenüber den Öff­ nungen 152 um 90° versetzt. Der Steuerkolben 54 ist außerdem mit zwei schmalen, diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen 156 (Fig. 1) versehen, deren Länge gerade aus­ reicht, damit ihre oberen Enden exakt mit den Öffnungen 152 fluchten können, wenn ihre unteren Enden exakt mit einem Paar diametral gegenüberliegender Öffnungen 160 fluchten, die im Zylinder 52 ausgebildet und kurz unter dem Kopf derart angeordnet sind, daß sie mit der Kammer 16 in Ver­ bindung stehen. Der Steurkolben 54 besitzt ein zweites Paar schmaler relativ kurzer diametral gegenüberliegender Aus­ nehmungen 158 (Fig. 2), die eine Länge besitzen, die gerade ausreicht um ihre oberen Enden exakt mit den Öffnungen 154 fluchten zu lassen, wenn ihre unteren Enden exakt mit zwei diametral gegenüberliegenden Öffnungen 162 fluchten, die im Ventilgehäuse 52 in der gleichen Höhe, aber um 90° gegen­ über den Öffnungen 160 versetzt angeordnet sind. Die Aus­ nehmungen 156 und 158 sind so angeordnet, daß die Enden der Ausnehmungen 158 durch das Ventilgehäuse abgesperrt werden und die Ausnehmungen 156 fluchten vollständig mit den Öff­ nungen 152 und 160, wenn der Steuerkolben in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 1) befindlich ist. In gleicher Weise sind die Enden der Ausnehmungen 156 durch den Zylinder 52 abgesperrt und die Ausnehmungen 158 fluchten vollständig mit den Öffnungen 154 und 162, wenn der Steuerkolben in seiner unteren Grenzstellung (Fig. 2) befindlich ist. Die erwähnten Öffnungen und Ausnehmungen sind außerdem so ange­ ordnet, daß das Ventil eine mittlere Übergangsstellung auf­ weist, in der außer einem Leckstrom, der infolge des not­ wendigen Spiels auftreten kann, eine Strömung zwischen den Öffnungen 162 und 46 und zwischen den Teilen 160 und 44 verhindert ist. Diese Übergangsstellung ist dann vorhanden, wenn die oberen Ränder der Ausnehmungen 156 mit den unteren Rändern der Öffnungen 152 fluchten und die unteren Ränder der Ausnehmungen 158 mit den oberen Rändern der Öffnungen 162 Der Zylinder gemäß Fig. 1 und 2 ist außerdem durch zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen 164 und 166 gekennzeichnet (Fig. 4 und 3), die die Nuten 148 und 150 schneiden, jedoch in Umfangsrichtung gegenüber den Öffnungen 152 bzw. 154 versetzt sind. Die Öffnungen 164 und 166 sind vorzugsweise um 45° gegenüber den Öffnungen 152 und 154 jeweils um die Mittelachse des Ventils versetzt. Zwei Nadelventile 165 und 167 im Kopf 6 wirken mit Öffnungen 166 und 164 zusammen, um die Strömung durch diese Öffnungen zu verändern. Außer­ dem besitzt der Steuerkolben 54 zwei diametral gegenüber­ liegende Öffnungen 168 und 169, die mit dem Mittelkanal 88 zusammenwirken. Die Öffnungen 168 und 164 liegen in einer ersten gemeinsamen Ebene, die längs der Mittelachse des Ventils verläuft, und die Öffnungen 169 und 166 liegen in einer zweiten gleichen Ebene. Der Axialabstand zwischen den Öffnungen 168 und 169 ist so bemessen, daß dann wenn der Steuerkolben in seiner oberen Grenzstellung befindlich ist (Fig. 1), die Öffnungen 168 nicht mit den Öffnungen 164 fluchten (Fig. 4), sondern durch den Zylinder 52 abgesperrt sind während die Öffnungen 169 auf die Öffnungen 166 (Fig. 3) ausgerichtet sind. Wenn der Steuerkolben nach seiner un­ teren Grenzstellung verschoben ist (Fig. 2), stehen in gleicher Weise die Öffnungen 168 mit den Öffnungen 164 in Fluchtung (Fig. 6) und die Öffnungen 169 sind gegenüber den Öffnungen 166 (Fig. 5) durch das Gehäuse 52 abgesperrt.

Wenn der Steuerkolben in seiner oberen Grenzstellung be­ findlich ist, dann ist die Öffnung 44 mit der Kammer 16 verbunden, und die Öffnung 46 ist über den Kanal 88 mit der Kammer 60 verbunden. In der abgesenkten Stellung ist die Kammer 16 mit der Öffnung 46 und die Kammer 60 mit der Öffnung 44 verbunden. In der Einbaustellung in der Kältemaschine gemäß Fig. 1 und 2 ist die Öffnung 46 mit einer Quelle von Hochdruckströmungs­ mittel 100 verbunden, und die untere Öffnung 44 ist mit einer Quelle von Niederdruckströmungs­ mittel 102 verbunden.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung, die in den Fig. 1 bis 6 veranschaulicht ist, wird unter der Annahme erläutert, daß der Steuerkolben 54 in seiner unteren Grenzstellung (Fig. 2) befindlich und der Verdränger 14 nach oben bewegt und kurz vor seiner oberen Totpunktstellung an jenem Punkt befindlich ist, wo er zuerst das Bodenende des Steuer­ kolben 54 berührt. An dieser Stelle sind die Strömungs­ mitteldruck- und Temperaturverhältnisse in der Kältemaschine die folgenden: Kammer 16: Hochdruck und Raumtemperatur; Kammer 18: Hochdruck und niedrige Temperatur; Kammern 60 und 90: Niederdruck und Raumtempertur. Wenn der Verdränger sich weiter nach oben bewegt, dann stößt seine Oberfläche 35 an dem Steuerkolben 54 an und schiebt letzteren nach oben über den Übergangspunkt bis die obere Grenzstellung (Fig. 1) erreicht ist und der Kolben seine obere Totpunktstellung erreicht. Wenn der Steuerkolben in seine Übergangsstellung überführt ist, beginnt das Strömungsmittel aus der Kammer 16 über Kanäle 160, 156, 152 und 148 auszutreten, wodurch der Druck in den Kammern 16 und 18 vermindert wird. Gleichzeitig beginnt der niedrige Druck in den Kammern 60 und 90 anzu­ steigen infolge des über die Öffnungen 150, 166, 169 und 88 eintretenden Hochdruckgases. Wenn der Steuerkolben in seiner oberen Grenzstellung befindlich ist und der Verdränger seine obere Totpunktstellung erreicht hat, dann wird das kalte Hochdruckgas in der Kammer 18 über den Regenerator abgelassen und dabei wird es durch die Regeneratormatrix aufgeheizt. Wegen des nunmehr erhöhten Druckes in der Kammer 60 und des niedrigen Druckes in den Kammern 16 und 18 wird eine differen­ tielle Kraft auf den Kolben ausgeübt und er wird veranlaßt, sich nach unten zu bewegen und das Gas aus der Kammer 18 in die Kammer 16 zu drücken. Wenn der Verdränger jedoch mit seinem Abwärtshub beginnt, verbleibt der Steuerkolben 54 in seiner oberen Grenzstellung. Wenn sich der Verdränger nach unten bewegt, dann fährt das Ventil fort Niederdruckgas aus der Kammer 16 abzuführen und der Regenerator kühlt sich weiter ab, da er Wärme auf das übrige kalte Gas abgibt, das aus der Kammer 18 verdrängt wird. Das Kaltgas, welches durch den Regenerator strömt, expandiert bei der Erhitzung, wodurch der Regenerator weiter abgekühlt wird.

Wenn der Verdränger sich seiner unteren Totpunktstellung nähert, fängt er den Steuerkolben 54 ab und bewegt diesen über seine Übergangsstellung in die untere Grenzstellung gemäß Fig. 2. Der Verdränger läuft bis in seine untere Totpunktstellung und bleibt dort stehen. Wenn der Steuerkolben über die Übergangsstellung hinweggelaufen ist, dann beginnt das Gas aus den Kammern 60 und 90 über die Kanäle 88, 168, 164 und 148 abzuströmen, so daß der Druck in diesen Kammern fällt. Gleichzeitig wird Hochdruckgas in die Kammer 16 über Kanäle 150, 154, 158 und 162 einströmen, so daß die Kammer 16 veranlaßt wird, sich mit Hochdruckgas zu füllen, welches auf niedriger Temperatur steht und in die Kammer 18 abfließt und weiter gekühlt wird, wenn das Gas durch den Regenerator strömt. Der sich erhöhende Druck in den Kammern 16 und 18 zusammen mit dem niedrigen Druck in den Kammern 60 und 90 erzeugt ein Druckdifferential über dem Verdränger, welches ausreicht ihn zu veranlassen, wieder nach oben zu laufen. Wenn der Verdränger sich nach oben bewegt, dann drückt er mehr Hochdruckgas bei Raumtemperatur aus der Kammer 16 über den Regenerator in die Kammer 18, wodurch dieses Gas zusätzlich abgekühlt und veranlaßt wird, ein kleineres Vo­ lumen einzunehmen. Diese Verminderung des Volumens schafft die Möglichkeit, daß das Gas aus der Kammer 16 in die Kammer 18 verdrängt wird. Der Verdränger bewegt sich weiter nach oben bis in seine obere Totpunktstellung und hierbei trifft er wiederum auf den Steuerkolben und verschiebt diesen in seine obere Grenzstellung, wodurch der Zyklus, der oben be­ schrieben wurde, wiederholt wird. Wenn der Verdränger seine obere Totpunktstellung erreicht hat, dann befindet sich kaltes Hochdruckgas in der Kammer 18 und Niederdruckgas unter Raum­ temperatur in der Kammer 60 sowie Hochdruckgas unter Raum­ temperatur in der Kammer 16.

Die Arbeitsgeschwindigkeit der Kältemaschine gemäß Fig. 1 bis 3 wird durch die Geschwindigkeit gesteuert, mit der der Druck in der An­ triebskammer 60 zwischen Hoch- und Niederdruck an den Öffnungen 46 und 44 umgeschaltet wird. Demgemäß werden die Nadel­ ventile 165 und 167 im Kopf 6 benutzt, um die wirksame Öff­ nungsgröße in den Kanälen 166 bzw. 164 einzustellen, und dadurch die Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens 14 zu steuern.

Bei der vorbeschriebenen Arbeitsweise wurde angenommen, daß der Verdränger eine genügend große Massenkraft besitzt, um den Steuerkolben über seine Übergangsstellung so zu verschieben, daß eine kontinuierliche Arbeitsweise gewährleistet wird. Bei bekannten Schieberventilausbildungen, wie sie in Fig. 1 bis 3 der DE-OS 30 49 993 be­ schrieben sind, wird die Ventilkonstruktion durch die Tatsache erschwert, daß die Ventilkammer einer Radialkraft ausgesetzt wird, weil eine Differenz zwischen den Strömungsmitteldrücken besteht, wegen der gegeneinandergerichteten Hochdruck- und Niederdrucköffnungen. Diese Radialkraft übt einen Sog auf den Steuerkolben aus. Wenn die Vorrichtung mit relativ hoher Ge­ schwindigkeit betätigt wird, d. h. mit 20 Zyklen pro Sekunde, dann hat der Verdränger eine genügende Massenkraft, um die Sog­ kraft zu überwinden und den Steuerkolben schnell über seinen Übergangspunkt hinwegzuführen. Wenn die Geschwindig­ keit des Verdrängers jedoch weitgehend vermindert wird, z. B. unter 5 Hz, dann kann die Massenkraft nicht mehr ausreichend sein und die Sogkraft kann bewirken, daß der Verdränger eine Gleich­ gewichtsstellung erreicht und infolge eines nicht ausreichenden Druckdifferentials über ihm stehen bleibt.

Wenn der Steuerkolben in seiner Übergangsstellung befind­ lich ist, dann tritt ein kleiner, aber bedeutsamer Leckstrom an den verschiedenen Öffnungen des Ventils auf. Wenn demgemäß der Verdränger sich aus der Stellung gemäß Fig. 2 in die Stellung nach Fig. 1 anhebt und den Steuerkolben 54 in die Übergangs­ stellung überführt hat, dann tritt ein Leckstrom zwischen den Öffnungen 152 und 160 und zwischen den Kanälen 88 und 154 mit der Folge, daß das Hochdruckgas in den Kammern 16 und 18 über die Öffnung 44 abzufließen be­ ginnt und der Niederdruck in der Kammer 60 infolge der Hoch­ druckströmung über die Öffnung 46 ansteigt. Infolgedessen werden die Drücke in den Kammern 16 und 60 gleich und der Verdränger hört mit seiner Bewegung auf, bis er genug Massenkraft hat um den Steuerkolben aus der Übergangsstellung in die Stellung nach Fig. 1 zu verschieben. In diesem Moment wird der Verdränger einem Druckdifferential ausgesetzt, durch das er nach unten kontinuierlich in sein Arbeitszyklus bewegt wird. Die pneu­ matische Kraft, die auf den Verdränger wirkt, ist die Differenz zwischen dem Produkt des Druckes in der Kammer 60 und der Oberfläche 35 bzw. dem Produkt des Druckes in der Kammer 18 und der entsprechenden unteren Oberfläche der Stirnwand 32 ist. Die Wirkung des Druckes in der Kammer 18, der auf die restliche Fläche der Unterseite der Wand 32 und die freiliegen Unterseite des unteren Abschnitts 23 des Verdrängers einwirkt, wird durch die Wirkung des identischen Druckes in der Kammer 16 ausgeglichen, die auf die wirksame obere und untere Oberfläche des Verdrängers wirken. In gleicher Weise tritt ein Leckstrom zwischen den Kanälen 88 und 152 und zwi­ schen den Kanälen 154 und 162 ein, wenn der Verdränger sich aus der Stellung nach Fig. 1 nach der Stellung gemäß Fig. 2 be­ wegt wird, und er dabei den Steuerkolben 54 in seine Über­ gangsstellung verschoben hat. Dies hat zur Folge, daß der Druck in den Kammern 16 und 18 anzusteigen beginnt, weil Hochdruckgas einströmt und das Hochdruckgas in den Kammern 60 und 90 wird nicht mehr abgeblasen. Infolgedessen werden die Drücke in den Kammern 16 und 60 gleich, und es kann wiederum ein Gleichgewicht auftreten, d. h. der Verdränger 14 kann anhalten, bis der Verdränger genügend Massenkraft besitzt, um den Steuerkolben in seine untere Endstellung zu bewegen, und an dieser Stelle ändern sich die Drücke rapide, wobei die Kammern 60 und 90 auf Niederdruckpegel entspannt werden und die Kammern 16 und 18 auf Hochdruck gebracht werden.

Die Kältemaschine gemäß den Fig. 1 bis 6 kann mit geringer Kolbengeschwindigkeit arbeiten, d. h. der Verdränger 14 kann mit einer Frequenz zwischen 2 und 5 Hz arbeiten, ohne infolge der Gleichgewichtsstellung anzuhalten. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß der Ventilschieber exakt entgegenwirkenden Strömungsmitteldrücken an den beiden gegenüberliegenden Öff­ nungen 152 bzw. 154 und 164 sowie 166 ausgesetzt wird. Demgemäß liegt auf dem Steuerschieber kein Druckdifferential in Radialrich­ tung, welches eine Sogkraft erzeugen könnte. Wenn ein Gas zwischen dem Steuerkolben 54 und dem Gehäuse 52 B im Leckstrom vorbeiströmt, dann würde eine Sperrflüssigkeits­ schicht zwischen diesen Teilen erzeugt, wodurch die Sogkraft weiter vermindert würde, d. h. eine Bedingung ähnlich wie bei einem Luftlager. Ein weiterer Vorteil des Systems gemäß Fig. 1 bis 6 besteht darin, daß die Arbeitsgeschwindigkeit des Verdrängers einfach dadurch eingestellt werden kann, daß die Nadelventile 165 und 167 eingestellt werden, wobei angenommen wird, daß im wesentlichen konstante Drücke an den Niederdruck- bzw. Hoch­ drucköffnungen 44 bzw. 46 stehen.

Die Fig. 7 bis 12 veranschaulichen eine weitere Ausführungs­ form eines Steuerkolbens gemäß der Erfindung, eingebaut in einer Kältemaschine, bei welcher eine präzise Steuerung des Kolbens durch eine äußere Hilfsvorrichtung in Gestalt eines Magnetventils vorhanden ist. Dieser Steuerschieber ist eben­ falls dadurch gekennzeichnet, daß ausgeglichene Drücke radial auf den Steuerkolben wirken, so daß keine Sogkraft indu­ ziert wird, die eine Folge eines radialen Druckdifferentials ist. Die Vorrichtung gemäß Fig. 7 bis 12 weist einen Kopf 6 B mit zwei Öffnungen 44 A und 46 A auf, die gegeneinander längs der Achse versetzt sind und mit einer Niederdruckquelle bzw. einer Hochdruckquelle 102 bzw. 100 in Verbindung gebracht werden können, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Der Kom­ pressor 104 verdichtet die Luft aus der Quelle 102 und fördert sie nach der Quelle 100. Das obere Ende des Kopfes ist durch eine Kappe 50 A mit einer Öffnung 124 geschlossen.

Die Kältemaschine besitzt eine verbesserte Ausführungsform des Schieberventils, das aus einem Zylinders 52 A besteht, welche zwei Umfangsnuten 148 und 150 besitzt, die die Öff­ nungen 44 A bzw. 46 A verbinden und als Ringleitungskammern dienen. Der Zylinder 52 A ist mit zwei diametral gegen­ überliegenden Öffnungen 152 versehen, die die Nut 148 schnei­ den und mit zwei ähnlichen Öffnungen 154, die die Nut 150 durch setzen. Die Öffnungen 150 sind um 90° gegenüber den Öffnungen 152 versetzt. Der Steuerkolben 54 A weist einen Mittelkanal 88 auf, der die Kammern 60 und 90 verbindet und außerdem mit zwei schmalen relativ langen, diametral gegenüberliegenden Öffnungen 156 (Fig. 7) versehen ist, deren Länge gerade aus­ reicht, damit ihre oberen Enden exakt mit den Öffnungen 152 fluchten können, wenn ihre unteren Enden mit zwei diametral gegenüberliegenden Öffnungen 160 fluchten, die im Zylinder 52 A ausgebildet sind, und sie liegen kurz unter dem Kopf, so daß sie mit der Kammer 16 in Verbindung stehen. Der Steuerkolben 54 A besitzt außerdem zwei weitere schmale, relativ kurze diametral gegenüberliegende Ausnehmungen 158 (Fig. 8), deren Länge gerade ausreicht, daß ihre oberen Enden exakt mit den Öffnungen 154 fluchten können, wenn ihre unteren Enden exakt mit zwei diametral gegenüberliegenden Öffnungen 162 fluchten, die in dem Zylinder 52 A in der gleichen Höhe jedoch um 90° gegenüber den Öffnungen 160 versetzt angeordnet sind. Die Ausnehmungen 156 und 158 sind so angeordnet, daß die Ausnehmungen 158 durch den Zylinder abgesperrt werden und die Ausnehmungen 156 mit den Öffnungen 152 und 160 fluchten, wenn der Steuerkolben in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 7) befindlich ist. In gleicher Weise sind die Ausnehmungen 156 durch den Zylinder 52 A abgesperrt, und die Ausnehmungen 158 fluchten mit den Ausnehmungen 154 und 162 wenn der Steuerkolben in seiner unteren Endstellung (Fig. 8) befindlich ist. Die erwähnten Öffnungen und Ausnehmungen sind außerdem so angeordnet, daß das Ventil eine Zwischenübergangsstellung aufweist, wo abge­ sehen von einem Leckstrom infolge des Spiels und der Tole­ ranzen wie oben erwähnt, die Gasströmung zwischen den Öffnungen 162 und 46 A und zwischen den Öffnungen 160 und 44 A abgesperrt ist. Dieser Übergangspunkt wird erreicht, wenn die oberen Ränder der Ausnehmungen 156 auf der gleichen Höhe liegen wie die unteren Ränder der Öffnungen 152, und die unteren Ränder der Ausnehmungen 158 in gleicher Höhe liegen wie die oberen Ränder der Öffnungen 162.

Die Maschine gemäß Fig. 7 bis 13 weist außerdem ein Dreiwege- Magnetventil 186 auf. Zwei der Öffnungen des Ventils 186 sind mit der Hochdruckquelle bzw. der Niederdruckquelle ver­ bunden und eine dritte Öffnung ist an eine Öffnung 124 über ein manuell eintellbares Strömungssteuerventil 190 angeschlossen. Das Ventil 186 ist derart angeordnet, daß es selek­ tiv die Öffnung 124 mit der einen oder anderen der Druck­ quellen 100 bzw. 102 verbinden kann, je nachdem ob der Elektro­ magnet erregt oder abgeschaltet ist. Demgemäß ist die Öffnung 124 ständig mit einer der beiden Druckquellen verbunden. Das Ventil 190 kann ein Nadelventil sein. Das Magnetventil der Vorrichtung nach Fig. 7 bis 13 ist an eine um­ steuerbare Gleichspannungsquelle angeschlossen, vorzugsweise an eine Spannungsquelle, die ein Spannungssignal erzeugt, welches zwischen 0 und einem positiven Pegel mit einer vor­ bestimmten Frequenz umschaltet, d. h. die Spannungsquelle liefert eine Reihe quadratischer oder rechteckiger Impulse mit einer Frequenz zwischen 3 bis 12 Hz.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 7 bis 13 beschrieben. Es soll angenommen werden, daß (a) der Verdränger 14 kurz vor seiner oberen Totpunktstellung befindlich ist und gerade das untere Ende des Steuerkolbens 54 A berührt, welch letzterer in seiner unteren Grenz­ stellung gemäß Fig. 8 befindlich ist, so daß die Hochdruck­ öffnungen 162 nach der Hochdrucköffnung 46 A offen sind; (b) das Elektromagnetventil 162 ist so eingestellt, daß die Öffnung 124 mit der Niederdruckquelle 102 verbunden ist. Das Druckdifferential über dem Verdränger bewegt diesen weiter nach oben, so daß er den Steuerkolben in seine obere Grenz­ stellung nach Fig. 7 bewegt. Dadurch werden die Hochdruck­ öffnungen 162 geschlossen und die Niederdrucköffnungen 160 nach der Niederdrucköffnung 44 A geöffnet. Nunmehr werden die Kammern 16 und 18 entlüftet und der Druck in diesen Kammern wird gleich dem Druck in der Kammer 60. So hält der Verdränger in der Nähe seiner oberen Totpunktstellung an. An dieser Stelle wird das Magnetventil veranlaßt umzuschalten, wo­ durch die Hochdruckquelle 100 mit der Öffnung 124 verbunden wird, so daß der Druck in der Kammer 60 erhöht wird. Die Drücke in den Kammern 16 und 18 sind immer noch niedrig, so daß sich der Verdränger infolge des ansteigenden Druckes in der Kammer 60 nach unten zu bewegen beginnt. Durch die nach unten gerichtete Bewegung des Verdrängers wird der Steuerschieber ab­ gefangen und weit genug nach unten gedrückt, um die Nieder­ drucköffnungen 160 abzusperren und die Hochdrucköffnungen 162 zu öffnen. Nunmehr ändert sich der Druck in den Kammern 16 und 18 von einem Niederdruck auf einen Hochdruck und er gleicht sich mit dem Druck in der Kammer 60 aus, worauf der Verdränger in seiner unteren Totpunktstellung anhält. Als nächstes schließt das Magnetventil die Hochdrucköffnung und öffnet die Niederdrucköffnung, wodurch der Druck in der Kammer 60 von Hochdruck auf Niederdruck umgeschaltet wird. Infolge­ dessen bewirkt das Druckdifferential über dem Verdränger eine Aufwärtsbewegung und es wird wiederum der Steuerkolben in seine obere Grenzstellung überführt. Dies führt dazu, daß die Niederdrucköffnungen 160 geöffnet und die Hochdrucköffnungen 162 geschlossen werden. Der Druck in den Kammern 16 und 18 wird nunmehr wiederum mit dem Druck in der Kammer 60 ausge­ glichen, wodurch der Kolben veranlaßt wird, in seiner oberen Totpunktstellung anzuhalten. An diesen Punkt wird das Magnet­ ventil wieder in der Weise betätigt, daß die Hochdruckleitung nach der Öffnung 124 geöffnet wird, worauf der Zyklus sich fortsetzt und in der beschriebenen Weise wiederholt.

Das vorbeschriebene System gemäß den Fig. 7 bis 13 arbeitet sehr betriebssicher und ist präzise steuerbar. Es ist durch ein im wesentlichen quadratisches oder rechteckiges Druck- Volumen-Diagramm gemäß Fig. 14 gekennzeichnet, wobei P und V die Drücke bzw. Volumen in der Kammer 18 darstellen. Die Linie zwischen (1) und (2) repräsentiert die Aufwärtsbewe­ gung des Verdrängers. Die Linie zwischen (2) und (3) repräsen­ tiert die Entspannung (Kühlung durch Entspannung), die in der oberen Totpunktstellung des Verdrängers erfolgt. Die Linie zwischen (3) und (4) repräsentiert die nach unten gerichtete Bewegung des Verdrängers, und die Linie (4) bis (1) repräsentiert die Kompression, die infolge des sich fortsetzenden Zuflusses von Hochdruckgas bei Raum­ temperatur in die Kammern 16 und 18 auftritt, während der Verdränger in der unteren Totpunktstellung befindlich ist. Die Geschwindigkeit, mit der der Kolben bewegt wird, ist durch das Nadelventil 190 steuerbar, und die Arbeitsfrequenz des Kolbens wird durch das Ventil 186 gesteuert.

Claims (8)

1. Steuerung der Bewegung des Verdrängers (14) einer Kältemaschine, die nach Art eines Gifford/McMahon-Prozesses ausgebildet und betrieben wird,
mit einem kolbenförmig ausgebildeten, axial verschiebbaren Verdränger (14), welcher einen Regenerator (24) zum Abkühlen bzw. Anwärmen eines Arbeitsgases enthält und an den gegen­ überliegenden Seiten eine warme (16) und kalte Kammer (18) begrenzt, dadurch gekennzeichnet,
daß die der warmen Seite des Verdrängers zugewandte Kolben­ fläche in zwei Teilflächen aufgeteilt ist, die erste Teilfläche (40) wom jeweiligen Druck des Arbeitsgases und die zweite Teilfläche (35), die eine Antriebskammer (60) begrenzt, von einem steuerbaren Druck periodisch beaufschlagt wird, um eine axiale periodische Bewegung des Verdrängers (14) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der der warmen Kammer (16) zuge­ wandte Teil des Verdrängers (14) eine Bohrung (34) enthält, deren Boden (35) die zweite Teilfläche bildet,
daß in der Bohrung (34) der Antriebskammer (60) der Kopf (78) eines Steuerkolbens (54) geführt, mit axialem Spiel mit dem Verdränger (14) verbunden, und ansonsten in einem ortsfesten Zylinder (52) geführt ist, daß bei jeder Bewegung des Ver­ drängers (14) in eine Endlage das axiale Spiel überwunden und der Steuerkolben zwischen einer ersten bzw. zweiten Stellung verschoben wird,
daß im Steuerkolben (54) und in dem ortsfesten Zylinder (52) Steuerbohrungen und -kanäle (62, 92, 88; 64, 70, 88) vorgesehen sind, die in der ersten Stellung (Fig. 1) des Steuerkolbens (54) die Zufuhr eines Hochdruckgases und in dessen zweiter Stellung (Fig. 2) die Zufuhr eines Niederdruckgases zur zweiten Teil­ fläche (35) ermöglichen, um die Bewegungsumkehr des Verdrängers (14) herbeizuführen, und daß die Steuerkanäle (156, 158) im Steuerkolben (54 a) paarweise diametral gegenüberliegend und symmetrisch angeordnet sind.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkanäle (158, 156) paar­ weise über Ringkanäle im Führungszylinder (52 a) verbunden sind.

3. Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkanäle (148, 150) im axialen Abstand zueinander als Ringnuten auf der Außenseite des Führungs­ zylinders (52 a) verlaufen und über Einlaßöffnungen (154) bzw. Auslaßöffnungen (152) mit den Steuerkanälen (156, 158) in Verbindung stehen.

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (154) bzw. die Auslaßöffnungen (152) jeweils gleichgroß sind.

5. Steuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (154) den gleichen Querschnitt besitzen wie die Auslaßöffnungen (152).

6. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben in die Antriebs­ kammer (60) einsteht und eine weitere Kammer (90) über dem Steuerkolben definiert ist, und daß der Steuerkolben (54) eine axial durchgehende Bohrung (88) aufweist, die die Antriebskammer (60) mit der weiteren Kammer (90) verbindet.

7. Steuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steueröffnung (124) in der Wandung der Kammer (90) vorgesehen ist, über die die weitere Kammer (90) mit einem Druck gespeist werden kann.

8. Steuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung (124) durch ein Magnetventil (186) steuerbar ist.