DE3049993T1

DE3049993T1 - Cryogenic apparatus

Info

Publication number: DE3049993T1
Application number: DE803049993T
Authority: DE
Inventors: D Sarcia
Original assignee: Oerlikon Buhrle USA Inc
Current assignee: Oerlikon USA Holding Inc
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1982-03-18
Also published as: US4305741A; EP0038360B1; JPH0252784B2; DE3049993C2; GB2071298B; JPS56501536A; EP0038360A1; GB2071298A; EP0038360A4; CH657445A5; WO1981001192A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Tiefkühlmaschinen und insbesondere auf Verbesserungen im Verfahren und den Vorrichtungen, die zur Erzeugung von Kälte relativ niedriger Temperaturen von z.B. 110° K bis 14⁰K benutzt werden.

Es gibt verschiedene Kühlzyklen und Vorrichtungen, die ·.." * darauf abzielen den zunehmenden Bedarf für höchst betriebs!-, sichere Kältemaschinen mit langer Lebensdauer zu erfüllen,--·" die auf verschiedenen Feldern der Technik Anwendung finden,: : beispielsweise bei elektronischen Nachrichtensystemen, bei* Flugkörpernachführsystemen, bei Superleitfähigkeitssysternenv bei Magneten mit hoher Feldstärke sowie für medizinische:...:, und biologische Laboratorien, um hier dünne Proben zu gewinnen und Lösungen einzufrieren. Derartige Kältezyklen und Vorrichtungen, die sämtlich auf einem gesteuerten Zyklus eines expansiblen Gases mit Wärmeaustausch berühren, um Kälte zu gewinnen, sind beispielsweise in den folgenden US-PS beschrieben. US-PS 29 06 101, 29 66 034, 29 66 035, 30 45 436, 31 15 015, 31 15 016, 31 19 237, 31 48 512, 31 88 819, 31 88 820, 31 88 821, 32 18 815, 33 33 ^33, 32 74 786, 33 21 926, 36 25 015, 37 33 837, 38 84 259, ^O 78 389 und 41 18 943.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Kühlsystemen, welche ein Arbeitsvolumen benutzen, das von einem Zylinder gebildet wird, in dem ein Kolben verschiebbar ist, wobei ein Regenerator zwischen den beiden gegenüberliegenden Enden des Zylinders angeordnet ist, derart, daß bei Bewegung des Kolbens nach einem Ende des Zylinders das Kühlgas darin durch den Regenerator nach dem gegenüberliegenden Ende des Zylinders überführt wird. Derartige Systeme können unterschiedlich aufgebaut sein und unterschiedliche Zyklen benutzen. Unter diesen

Verfahren sind das GIfford-McMahon-Verfahren, das Taylor-Verfahren, das Solvay-Verfahren und das Split-Stirllng-Verfahren bekannt. Diese Kühlverfahren und Vorrichtungen erfordern Ventile oder Kolben zur Steuerung der Strömung und Bewegung des Arbeitsgases und der Bewegung des Kolbenjsj^* Die Gasströmung und die Kolbenbewegung müssen kontinuierlich; und genau so gesteuert werden, daß das System gemäß einer vorbestimmten Zeitfolge arbeiten kann, die durch das je- : weilige Kühlverfahren gefordert wird, welches im System ·' Anwendung findet. Allgemein wird eine feste Zeitfolge ν or-^ gesehen. Es kann jedoch auch erforderlich sein, die Zeit-: folge in gewisser Hinsicht zu ändern, beispielsweise die , Zeit,während der das Hochdruckgas in den Zylinder eingeführt wird, oder man möchte die Zeitperiode ändern, während der die Expansion und die Kühlung durchgeführt werden.

Die bekannten Ventile der Kältemaschinen der oben beschriebenen Beispiele können unterschiedliche Formen annehmen, jedoch haften den bekannten Ventilanordnungen und den mit diesen ausgerüsteten Kältemaschinen die folgenden Nachteile an: Komplexer Aufbau; relativ hohe Herstellungskosten; Schwierigkeiten bei der Modifikation, beispielsweise der Zeitfolge; relativ kurze Lebensdauer; schlechte Betriebssicherheit; Schwierigkeit der Einstellung nach dem Zusammenbau; kleiner Bereich von Kältekapazitäten. Das Problem des komplexen Aufbaus hat sich als besonders schwerwiegend dort erwiesen, wo versucht werden mußte, selbstregulierende Ventilsysteme anzuwenden. Zusätzliche spezifische Probleme haben sich bei bekannten Kältemaschinen gezeigt, und zwar im Hinblick auf eine Disintegration von Bleischrot im Regeneratorabschnitt infolge des Krachs, der vom Kolben durch die mechanischen Anschläge immer dann verursacht wurde, wenn er einer Richtungsumkehr unterworfen wird. Die übermäßige

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Größe der Ventilanordnung oder der Kältemaschine wegen der Konstruktion oder Lage des Ventils ist kritisch im Hinblick auf die kurze Lebensdauer der Dichtungen zwischen den verschiedenen sich bewegenden Teilen. Außerdem ergibt sich ein verminderter Wirkungsgrad infolge der übermäßig: '.-* großen Arbeltsabsorption, z.B. durch hohe Reibungsverluste; : Außerdem hatten die bekannten Anordnungen den Nachteil, darß^ sie schlecht mit geringen Kolbengeschwindigkeiten arbeiten...· konnten, die für solche Maschinen zu bevorzugen sind. Unter : den verschiedenen Typen von Ventilsystemen, die benutzt worden sind, befinden sich Drehventile, die beispielsweise-_: in den US-PS 31 19 237, 36 25 015 beschrieben sind, und - _>:> außerdem strömungsmittelbetätigte Ventile, die aus der US-PS 33 21 926 hervorgehen und nockenbetätigte Ventile gemäß der US-PS 29 66 035,und schließlich mechanisch betätigte Schieberventile gemäß der US-PS 3I 88 821 und kolbenbetätigte Ventile gemäß der US-PS 37 33 837.

Die US-PS 37 33 837 beschreibt eine Kältemaschine, bei der die Abkühlung eines Gases durch Expansion des Gases in einer Expansionskammer erreicht wird, wobei die Gasströmung nach der Expansionskammer und von dieser weg durch ein Ventil gesteuert wird, welches einen Ventilschieber besitzt, der von dem Kolben betätigt wird. Die Kältemaschine ist selbstregelnd in der Weise ausgebildet, daß die Bewegung des gleitbaren Ventilschiebers durch den Kolben gesteuert wird und die Bewegung des Kolbens durch ein Gasdruckdifferential verursacht wird, welches durch die Lage des Ventils bestimmt wird. Die Kältemaschine gemäß der US-PS 37 33 837 weist gewisse Nachteile auf. Zunächst führen alle Schieberventile zu einem relativ großen Totvolumen, das immer mit Gas ausgefüllt ist. Da das Gas in dem Totvolumen nicht gekühlt wird, ist die Maschine hinsichtlich ihres Wirkungsgrades

beschränkt. Der Totraum kann dadurch vermindert werden, daß der Durchmesser des oberen Endes des Kolbens vermindert wird. Da dies jedoch die wirksame Querschnittsfläche vermindert, ergibt sich dadurch der Nachteil, daß die pneumatische Antriebskraft auf den Kolben vermindert wird. Andererseits*·.." ist eine Vergrößerung des Durchmessers des oberen Endes des: : Kolbens, was im Hinblick auf eine größere Kapazität der Kältemaschine erwünscht wäre, nachteilig, da dies nicht ^:„„.,^: geschehen kann, ohne proportional die Gesamtgröße des Scfrieb'erventils zu erhöhen. Zweitens liegt der feste Teil des Ventils außerhalb des Kältemaschinenzylinders, während der beweg-:**;": liehe Ventilkörper innerhalb des Zylinders angeordnet ist. . Daher eignet sich das Ventil nicht zum vorherigen Zusammenbau mit präzise ineinander passenden Teilen, und ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Kolbengeschwindigkeit nicht auf einfache Weise und schnell geändert werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kältemaschine zu schaffen, die durch einen Ventilmechanismus gekennzeichnet ist, der nicht nur relativ einfach und billig herzustellen ist, sondern auch die Möglichkeit schafft, für unterschiedliche Bemessungen geeignet zu sein, wobei darüber hinaus noch ein verbesserter Kühlzyklus erreicht wird.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Kältemaschine, bei der der Ventilmechanismus leicht entnommen werden kann, um überprüft und erforderlichenfalls ersetzt zu werden.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Kältemaschine, die so angeordnet und ausgebildet ist, daß die Richtung der Gasströmung (Einblasen oder Abblasen) nur dann umgekehrt wird, wenn der Kolben das Ende seines Aufwärtshubes oder seines Abwärtshubes erreicht wird, wodurch gewährleistet

wird, daß eine maximale Gasvolumenübertragung durch den Regenerator zustande kömmt und demgemäß ein besserer Wirkungsgrad beim KühlVorgang.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer selbst-· '-■' regelnden Kältemaschine mit einem Strömungssteuer-Schieber.-* ^: ventil, welches so ausgebildet ist, daß eine Bewegung des.".. Kolbens mit einem Gasdurchsatz nach einem vorbestimmten " —" Kühlzyklus erreicht wird. "-__- -

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Kälte-^:..^:,^: maschine mit einer Ventilanordnung zur Steuerung der Ströoujiig des Kühlmittels, welche gekennzeichnet ist durch eine Totgangverbindung zwischen dem hin- und hergehenden Ventilkörper und dem Kolben.

Die Kältemaschine gemäß der Erfindung weist einen Zylinder und einen darin laufenden Verdrängerkolben auf und erste und zweite Kammern, deren Volumen durch die Bewegung des Verdrängerkolbens verändert wird, wobei Leitungen die erste und zweite Kammer verbinden. Den Leitungen ist ein thermischer Speicher zugeordnet. Ein Steuerventil für das Kühlmittel bewirkt ein Einblasen von Hochdruckgas nach der ersten Kammer und ein Austreten von Niederdruckgas aus dieser Kammer, wobei ein Druckdifferential über dem Verdrängerkolben liegt, welches zyklisch so geändert wird, daß eine vorbestimmte Bewegung dem Verdrangerkolben aufgeprägt wird, und diese Bewegung des Verdrangerkolbens besteht aus einer Folge von vier Stufen, nämlich: Einem Verweilen in der obersten Totpunktstellung; einer Bewegung nach unten; einem Verweilen in der untersten Stellung; einer Bewegung nach oben. Das Ventil weist einen hin- und hergehenden Kolbenschieber auf, der Kanäle besitzt um das Gas nach der ersten Kammer bzw.

von dieser weg zu leiten und der Ventilschieber wird so betätigt, daß Hochdruckmittel in die erste Kammer und die Leitung eintritt, während der ersten und zweiten Bewegungsphase des Verdrangerkolbens, während das Niederdruckgas aus der ersten Kammer während der dritten und vierten der Bewegung abgeführt wird. Das Strömungssteuerventil durch den Verdrängerkolben betätigt, wenn letzterer seine oberste bzw. unterste Stellung erreicht und die Anordnung ist so getroffen, daß der Druck sowohl in der ersten als_:" auch in der zweiten Kammer geändert wird, so daß das erforderliche sich zyklisch ändernde Druckdifferential erhalten;"; wird. Die Kältemaschine kann eine einzige Kühlstufe auf-, weisen oder zwei oder mehrere Stufen hintereinander, wie" dies in den US-PS 3I 88 818 und 32 18 815 beschrieben ist. Außerdem kann das System Hilfskühlstufen aufweisen, die einen oder mehrere Joule-Thomson Wärmeaustauscher und Expansionsventile enthalten, wie dies in der US-PS ?4 I5 O77 beschrieben ist.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. I in vergrößerter Darstellung einen Teilschnitt einer Ausführungsform der Erfindung, bestehend aus einer sich selbst regelnden Gifford-McMahon Kältemaschine, wobei der Verdrängerkolben und der Ventilmechanismus in einer ersten gewählten Stellung dargestellt ist;

Fig. 2 ■

und 3 schematische Schnittansichten entsprechend der Darstellung in Fig. 1, jedoch in anderen Arbeitsphasen;

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Fig. 4 einen Teilschnitt der ein gegenüber den Figuren 1 bis 3 abgewandeltes Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 5 einen Schnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer selbstregelnden Kältemaschine, ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 1 mit einer bevorzugten Ausführungsform des Ventilschiebers zur Steuerung des Kühlgases;

Fig. 6 eine Teilansicht der Maschine nach Fig. 5 um 90° ge,
versetzt;

um 90° gegenüber der Ansicht nach Fig. 5

Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie 7-7 gemäß Fig. 5;

Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie 8-8 gemäß Fig. 5;

Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie 9-9 gemäß Fig. 6;

Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie 10-10 gemäß Fig. 6.

In der folgenden Beschreibung wird gelegentlich von "oberen" und "unteren" Abschnitten gesprochen. Dies bezieht sich auf die Darstellung in der Zeichnung, denn die Kältemaschine kann im Raum in jeder Richtung orientiert werden. In der Beschreibung ist Heliumgas als bevorzugtes Arbeitsmittel angegeben. Die Erfindung kann jedoch auch in Verbindung

mit anderen Gasen verwirklicht werden, je nach den Kühltemperaturen, die erforderlich sind. So können beispielsweise auch Luft und Stickstoff Anwendung finden.

In den Figuren 1 bis 3 ist eine Kältemaschine dargestellt^-^ die gemäß dem Gifford-McMahon Kühlzyklus arbeitet. Die ;":": Kältemaschine weist ein äußeres Gehäuse .2 mit einem oberen. Plansch 4 auf, mit dem sie mit einem Kopf 6 verbunden ist. Ein unterer Plansch 8 des Kopfes 6 ist an dem Plansch 4 .'*:", mit Schraubbolzen 9 festgelegt. Das Gehäuse der Kältemaschine ist am unteren kälteren Ende durch eine relativ dicke Stirnplatte 10 geschlossen. Falls erforderlich, kann eine Wärme-. station in Gestalt eines mit Plansch versehenen Rohres 12 am unteren Ende der Gehäusewand angebracht sein. Die Stirnplatte 10 und die Wärmestation 12 bestehen aus einem geeigneten Material, z.B. Kupfer, welches eine gute thermische Leitfähigkeit bei den durch das System erzeugten Tiefsttemperaturen aufweist, wobei die Stirnplatte und die Wärmestation in Wärmeaustauschbeziehung mit dem kalten Strömungsmittel innerhalb der Kältemaschine dienen, so daß hiervon Wärme abgezogen wird. Die Wärmestation kann auch andere Form aufweisen, und es können z.B. Spulen das untere Ende des Gehäuses 2 umschließen. Stattdessen kann, wie in der US-PS 29 66 034 beschrieben, die am unteren Ende des Gehäuses 2 verfügbare Kälte benutzt werden, um einen Infrarot-Detektor zu kühlen, der an der Stirnwand 10 befestigt ist.

Ein Verdrängerkolben 40 bewegt sich innerhalb des Gehäuses, um eine obere warme Kammer 16 variablen Volumens und eine untere kalte Expansionskammer 18 variablen Volumens zu bilden. Eine gleitende Strömungsmitteldichtung ist zwischen dem oberen Abschnitt 20 des Verdrängerkolbens und der inneren Oberfläche des Kältemaschinengehäuses 2 in Gestalt eines

elastischen Dichtrings 22 angeordnet, der in einer Nut des Kolbens eingesetzt ist. Der untere Abschnitt 23 des Kolbens steht in Gleitsitz mit dem Kältemaschinengehäuse, aber es brauchen keine Vorkehrungen getroffen zu werden, um eine Strömungsmitteldichtung dazwischen auszubilden.

Die Kammern 16 und 18 stehen in Strömlings verbindung mit einem Strömungsmittelpfad, der geeignete Wärmespeicher hält. Der Strömungsmittelpfad umfaßt einen Regenerator 24;,' der innerhalb des Kolbens 14 angeordnet ist,und es ist eine Leitung oder es sind mehrere Leitungen oder Kanäle 26 im '■_'-} Kolben angeordnet, die von dem oberen Abschnitt des Regen-e— rators nach der Kammer 16 führen. Der Strömungsmittelpfad weist außerdem Gänge im Regenerator selber auf, und außerdem eine Reihe von Radialkanälen 28 in der unteren Wand 32 des Verdrängerkolbens. Außerdem ist ein Ringkanal 30 zwischen der unteren Wand des Verdrängerkolbens und der inneren Oberfläche des Gehäuses 2 angeordnet. Gemäß bekannter Praxis kann die Matrix des Regenerators aus Packungen von Bleikugeln, feinen Metallschirmen oder Metalldrahtsegmenten oder anderen geeigneten Wärmespeichermaterial bestehen, das für die Gasströmung einen geringen Strömungswiderstand aufweist. Die genaue Konstruktion des Regenerators kann verändert werden, ohne die Arbeitsweise der Erfindung zu beeinträchtigen. Die untere Wand 32 des Verdrängerkolbens ist aus einem Metall hergestellt, das eine gute thermische Leitfähigkeit bei Temperaturen besitzt, die innerhalb der kalten Kammer 18 auftreten.

Das obere Ende des Verdrangerkolbens 14 weist eine koaxiale Bohrung 34 kreisförmigen Querschnitts auf. Die Bohrung ist am oberen Ende derart vergrößert, daß eine Schulter gebildet

Kh

wird, gegen die ein Metallring J>6 anliegt. Im oberen Ende der Gegenbohrung ist ein elastischer Dichtring 38 so angeordnet, daß eine Gleitströmungsmltteldichtung zwischen dem Verdrängerkolben und dem gegenüberliegenden Abschnitt des Ventilaufbaus besteht. Eine Platte 40 ist am oberen Ende ·**.,* des Verdrängerkolbens mittels Schrauben 42 festgelegt. Die"*;": Platte 40 dient zur Halterung der Dichtungen 22 und j58.

Der Kopf 6 ist mit einer ersten Hochdrucköffnung 44 zum -"*:*. Einlaß eines Hochdruckgases nach der Kältemaschine versehen, und besitzt außerdem eine zweite Niederdrucköffnung 46, um"V: das unter geringem Druck stehende Gas auszulassen. Beispielsweise ist das Gas Heliumgas. Der Kopf weist eine zylindrische koaxiale Bohrung 48 mit einem vergrößerten Gewindeabschnitt am oberen Ende auf, der durch eine Schraubkappe 50 geschlossen ist. Die Bohrung 48 ist dem Ventilmechanismus angepaßt, der ein Ventilgehäuse 52 und einen Ventilkörper 54 aufweist. Das Gehäuse 52 weist einen Abschnitt 55 mit vergrößertem Durchmesser auf, der einen Paßsitz innerhalb der Bohrung 48 bildet. Ein oberer Abschnitt 57 mit vermindertem Durchmesser erstreckt sich in die Kappe 50 und ein unterer Abschnitt 59 mit vermindertem Durchmesser erstreckt sich in die Axialbohrung 34, die im oberen Ende des Verdrängerkolbens ausgebildet ist. Das Ventilgehäuse 52 ist an dem Kopf 6 durch geeignete Mittel, beispielsweise durch Friktionssitz oder einen Rollstift oder eine Schraubverbindung festgelegt, so daß das Ventilgehäuse gegenüber dem Gehäuse 2 festgelegt ist. Die Dichtung 38 erfaßt das untere Ende 59 des Ventilgehäuses und bildet eine gleitende Strömungsmitteldichtung zwischen dem Ventilgehäuse und dem Verdrängerkolben. Dadurch wird eine Antriebskammer 60 variablen Volumens zwischen den beiden Teilen ausgebildet. Die Kammer 60 wird im folgenden als "Antriebskammer" bezeichnet, während die Kammern 16 bzw. 18 als die

"warme" bzw. "kalte" Kammer bezeichnet werden.

Das Ventilgehäuse 52 ist mit zwei relativ langen Ausnehmungen 62 und 64 versehen, die so angeordnet sind, daß sie mit d,en öffnungen 44 bzw. 46 in Verbindung stehen. Außerdem weist "--'

das Ventilgehäuse zwei radiale Kanäle 66 und 68 auf, die ^:_^{: :} mit den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmung 62 und zwei _

zusätzlichen radialen öffnungen 70 und 72 in Verbindung ■ ·

stehen, die wiederum mit der Ausnehmung 64 in Verbindung : : ; stehen.

Zusätzlich zu den erwähnten Kanälen hat das Ventilgehäuse. 52 zwei diametral gegenüberliegende radial verlaufende öffnungen 74 und 76 (Pig. 2), die in die Kammer l6 einmünden .

Der Ventilkörper 54 ist so bemessen, daß er in strammen Gleitsitz im Ventilgehäuse 52 einpaßt. Der Ventilkörper 54 ist mit einem Umfangsflansoh 78 am unteren Ende versehen, der so bemessen ist daß er einen Gleitsitz mit dem Verdrängerkolben in der Bohrung 34 aufweist und den Ring 36 abfängt, wenn der Verdrängerkolben relativ zum Ventilgehäuse 52 nach unten bewegt wird (Fig. 2). Ein O-Ring 8O ist in einer Nut im Ventilkörper gegen den Plansch 78 abgestützt und greift am unteren Ende des Ventilgehäuses 52 an und wirkt dadurch als Dämpfungsglied, wenn sich der Ventilkörper im Ventilgehäuse nach oben bewegt. Das obere Ende des Ventilkörpers 54 ist mit einem zweiten Umfangsflansch 82 versehen, der als Schulter für einen weiteren O-Ring 84 dient, der in einer Nut im Ventilkörper eingelegt ist. Der O-Ring 84 ist so angeordnet, daß er das obere Ende des Ventilgehäuses 52 abfängt,und er wirkt dadurch als Dämpfungsglied für den Ventilkörper. Der Ventilkörper ist gegen

Drehung durch einen Stift 85 gesichert, der in ein Loch im Ventilgehäuse 52 eingreift und in einen vertikal verlaufenden schmalen Schlitz 86 im Ventilkörper eingreift. Der Schlitz 86 und der Stift 85 sind so bemessen, daß der Ventilkörper axial soweit verschoben werden kann, daß die\ O-Ringe 80 und 84 an den entsprechenden Enden des Ventil-:*"·" gehäuses angreifen und dadurch die Bewegung des Ventilkörpers 54 begrenzen. Falls erforderlich, können die O-Ringe: 80 und 84 jedoch auch wegfallen und die Bewegung des Ven," tilkörpers kann durch Eingriff zwischen den Planschen 78 und 82 und den Enden des Ventilgehäuses bewirkt werden, _: vorausgesetzt daß die Plansche so angeordnet sind, daß der Ventilkörper in der nachstehend beschriebenen Weise " wirken kann. Stattdessen kann der Stift 85 auch am oberen und unteren Ende des Schlitzes 86 anschlagen. Um einen Zusammenbau und eine Demontage zu ermöglichen, besteht der Ventilkörper 54 aus zwei Teilen 55A und 55B, die lösbar miteinander beispielsweise über eine Schraubverbindung verbunden sind. Die Teile 55A und 55B können auch durch geeignete Mittel, beispielsweise durch ein Klebemittel das unter der Bezeichnung "LOCTITE" auf dem Markt ist, zusammengehalten werden.

Im folgenden wird weiter auf die Figuren 1 bis .3 Bezug genommen. Der Ventilkörper 54 hat einen Mittelkanal 88, der an beiden Enden offen ist, d.h. so daß er mit der Kammer 60 und auch mit der Kammer 90 zwischen dem oberen Ende des Ventilkörpers, dem oberen Ende des Ventilgehäuses und der Kappe 50 in Verbindung steht. Außerdem weist der Ventilkörper 54 zwei aufeinander ausgerichtete radial verlaufende Kanäle 92 und 94 auf, die den Mittelkanal 88 schneiden. Außerdem sind zwei axial verlaufende Schlitze oder Ausnehmungen 96 und 98 vorgesehen, die von gleicher Länge sind

jedoch gegeneinander in Längsrichtung des Ventilkörpers versetzt sind. Die Kanäle 92 und 94 sind so angeordnet, daß der Kanal 92 auf die öffnung 66 ausgerichtet wird, wenn der Ventilkörper in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 1) befindlich ist, und der Kanal 94 wird auf die :*. ': öffnung 70 ausgerichtet, wenn der Ventilkörper in seiner .":". unteren Endstellung (Fig. 2) befindlich ist. Die Ausnehmungen 96 und 98 sind so angeordnet, daß bei in oberster Grenz- ; _: stellung befindlichem Ventilkörper die Ausnehmung 96 mit .--:*. dem Kanal 68 in Verbindung steht, jedoch gegenüber der öff fnung 74 durch die innere Oberfläche des Ventilgehäuses ab-*.', gesperrt ist, während die Ausnehmung 98 eine volle Verbindung zwischen den öffnungen 72 und 76 herstellt. Wenn der Ventil-" körper in seiner unteren Grenzstellung befindlich ist, dann schafft die Ausnehmung 96 eine volle Verbindung zwischen den öffnungen 68 und 74 und gleichzeitig steht die Ausnehmung 98 mit der öffnung 76 in Verbindung, ist jedoch ansonsten gegenüber der öffnung 72 durch die innere Oberfläche des Ventilgehäuses abgesperrt, wie dies aus den Figuren 1 und 2 erkennbar ist. Außerdem ist das Ventil so angeordnet, daß der Ventilkörper 54 eine Übergangs-Zwischenstellung (Fig. 3) einnehmen kann, in der sowohl die Hochdrucköffnung 44 als auch die Niederdrucköffnung 46 von der Kammer l6 abgesperrt sind. Weil das Ventil diese Zwischenstellung einnehmen kann, kann es als Dreizustandsventil betrachtet werden, d.h. es ist in der Lage alternativ die öffnungen 74 und 76 abzusperren oder diese gleichzeitig abzusperren. Es ist zweckmäßig, daß die Übergangsstellung so schmal ist, daß eine schnelle Umschaltung zwischen den Hoch- und Niederdruckverbindungen nach der Kammer 16 möglich wird. Demgemäß ist das Ventil so ausgebildet, daß in der Übergangsstellung der untere Endrand der Ausnehmung 96 auf den oberen Rand der öffnung 74 ausgerichtet ist, während der obere Endrand der

Ausnehmung 98 auf den unteren Rand der öffnung 72 ausgerichtet ist und der obere Rand des Kanals 92 auf den unteren Rand der öffnung 66 ausgerichtet ist, während der untere Rand des.Kanals 94 auf den oberen Rand der öffnung 70 ausgerichtet ist mit dem Ergebnis, daß in der

Übergangsstellung die Kammer 16 sowohl von der Hochdruck—"_' '■ öffnung als auch von der Niederdrucköffnung abgeschaltet ist, wobei jedoch nur eine kleine Bewegung des Ventilkörp^rg,-nach oben oder unten erforderlich ist, um die Hochdruck- ;"*:*; öffnung 44 oder die Niederdrucköffnung 46 mit der Kammer 16 zu verbinden. Wenn das Ventil in der Ubergangsstellung be.*- \\. findlich ist, verläuft jedoch in der Praxis ein kleiner Leckstrom zwischen (a) den Kanälen 74 und 68,(b) den Kanälen 76 und 72, (c) den Kanälen 66 und 92 und den Kanälen 7O und 94, weil ein Spiel erforderlich ist, um den Ventilkörper 54 im Gehäuse 52 verschieben zu können und ebenso wegen der unvollkommenen Ausbildung oder Anordnung der verschiedenen Teile und Kanäle im Schieberventil.

In der üblichen Installation ist bei der Kältemaschine nach Fig. 1 bis 3 die öffnung 44 mit einem Reservoir 100 für Hochdruckgas und die öffnung 46 an ein Reservoir 102 für Niederdruckgas angeschlossen. Es ist jedoch klar, daß das Niederdruckgas in die Atmosphäre ausgelassen werden könnte (offener Zyklus) oder dem System zurückgeführt werden kann (geschlossener Zyklus), indem geeignete Leitungen vorgesehen werden, die erst nach einem Kompressor 104 und dann in ein Hochdruckreservoir 100 führen, wie dies in Fig. 1 der US-PS 29 66 035 beschrieben ist.

Die Beschreibung der Arbeitsweise der Maschine gemäß Fig. 1 bis j5 beginnt mit der Annahme, daß der Ventilschieber 54

in seiner unteren Grenzstellung befindlich ist (Fig, 2), und der Verdrängerkolben 14 wird nach oben bewegt und er befindet sich kurz vor seinem oberen Totpunkt,(TDC) an einer Stelle, an der zuerst am Bodenende des Ventilschiebers 54 angreift. An dieser Stelle sind Gasdruck und Gastemperatur wie folgt: Kammer 16: Hochdruck und Zimmertemperatur; Karrtfgej· 18: Hochdruck und niedrige Temperatur; Kammern 60 und 90:'--* * Niederdruck und Zimmertemperatur. Wenn der Verdrängerkolbeou sich weiter nach oben bewegt, berührt seine Oberfläche 35;;;*' den Ventilschieber 54 und verschiebt letzteren nach oben ^:.,^{: :} über den Übergangspunkt bis er die obere Grenzstellung nagji, Fig. 1 erreicht und dann hat der Kolben seinen oberen Toi**-.V punkt erreicht. Wenn der Ventilschieber über seine Übergäagö.-stellung hinausläuft, beginnt das Gas aus der Kammer 16 über die Kanäle 64, 72, 98 und 76 auszutreten, so daß der Druck in den Kammern 16 und l8 vermindert wird. Gleichzeitig beginnt der Niederdruck in den Kammern l6 und 90 anzusteigen infolge der über die Kanäle 44, 62, 92 und 88 eintretenden Hochdruckluft. Wenn der Ventilschieber in seiner oberen Grenzstellung befindlich ist und wenn der Verdrängerkolben in seiner oberen Totpunktstellung befindlich ist, dann wird kaltes Hochdruckgas in der Kammer l8 über den Regenerator ausgeblasen und dabei wird das Gas durch die Regeneratormatrix aufgeheizt. Wegen des sich erhöhenden Druckes in der Kammer 60 und des niedrigeren Druckes in den Kammern . .16 und 18 wird nunmehr eine Differentialkraft auf den Verdrängerkolben ausgeübt, und diese bewirkt, daß er sich nach unten bewegt und das Gas aus der Kammer 18 in die Kammer l6 verdrängt. Wenn sich der Verdrängerkolben jedoch nach unten zu bewegen beginnt, dann bleibt der Ventilschieber 54 in seiner oberen Grenzstellung. Demgemäß wird das Ventil, wenn sich der Verdrängerkolben nach unten bewegt, weiterhin Niederdruckgas aus der Kammer 16 abblasen und der Regenerator

kühlt sich weiter ab, da er Wärme an das restliche kalte Gas abgibt, das aus der Kammer 18 verdrängt wird» Die Kaltgasströmung nach außen durch den Regenerator expandiert bei der Aufheizung und so wird der Regenerator weiter abgekühlt.

Wenn sich der Verdrängerkolben seinem unteren Totpunkt nähert, fängt er den Ventilschieber 54 ab und bewegt ihn _:""" über seine Übergangsstellung nach unten in die untere Grensr. stellung gemäß Fig. 2. Der Verdrängerkolben läuft weiter und hält in seiner unteren Totpunktstellung an. Wenn der Ventil.--, körper die Übergangsstellung passiert, dann beginnt das Gas * aus den Kammern 60 und 90 über die Kanäle 88, 94,.64 und ^:4tT~ auszutreten, so daß der Druck in jenen Kammern abfällt. Gleichzeitig strömt Hochdruckgas über die Kanäle 44, 62, 68, 96 und 74 in die Kammer 16. Auf diese Weise wird die Kammer 16 mit Hochdruckgas unter niedriger Temperatur gefüllt, welches in die Kammer 18 einströmt und gekühlt wird, wenn es durch den Regenerator strömt. Der sich erhöhende Druck in den Kammern 16 und 18 in Verbindung mit dem Niederdruck in den Kammern 60 und 90 erzeugt ein Druckdifferential über dem Verdrängerkolben, das ausreicht ihn wiederum nach oben laufen zu lassen. Wenn sich der Verdrängerkolben nach oben bewegt, dann drückt er mehr Gas unter Hochdruck und Raumtemperatur aus der Kammer l6 über den Regenerator nach der Kammer 18, wodurch dieses zusätzliche Gas gekühlt und veranlaßt wird, ein kleineres Volumen einzunehmen. Diese Volumenverminderung schafft die Möglichkeit, daß mehr Gas aus der Kammer l6 in die Kammer l8 verdrängt wird. Der Verdrängerkolben setzt seine Bewegung nach oben bis in seine obere Totpunktstellung fort und dabei trifft er wiederum auf den Ventilschieber und schiebt diesen in seine obere Grenzstellung, wodurch bewirkt wird, daß sich der Arbeits-

zyklus wiederholt. Wenn der Verdrängerkolben seine obere Totpunktstellung erreicht, dann befindet sich kaltes Hochdruckgas in der Kammer 18 und Niederdruckgas unter Raumtemperatur in der Kammer 60 und Hochdruckgas mit Raumtemperatur in der Kammer 16. Die Arbeitsgeschwindigkeit der Kält^--..· maschine gemäß Fig. 1 bis J3 wird durch die Rate gesteuert^'*;": mit der der Druck im Antriebsvolumen 60 zwischen Hochdruck ·

und Niederdruck an den öffnungen 44 und 46 umgeschaltet wird.: Demgemäß werden Schraubnadelventile im Kopf 6 vorgesehen,^WIe. bei 106 und 108 dargestellt, um die wirksame Öffnungsgröße . der Kanäle 66 bzw. 70 einzustellen. Die äußeren Enden der:*":'; Nadelventile sind mit einem Schlitz versehen, um einen Schraubenzieher aufnehmen zu können, damit sie gedreht werden können, und damit eine Einstellung der Strömungsrate erfolgen kann, während die Einheit in Betrieb befindlich ist.

Bei der vorbeschriebenen Arbeitsweise wurde angenommen, daß der Verdrängerkolben eine genügend große Massenkraft besitzt, um den Ventilschieber über seine Übergangsstellung hinwegzuheben, so daß eine kontinuierliche Arbeitsweise gewährleistet wird. Jedoch wird die jeweilige Ventilkonstruktion, die in der Vorrichtung nach Fig. 1 bis 3 benutzt wird, in gewisser Hinsicht durch die Tatsache in ihrer Wirkung begrenzt, daß der Ventilkörper einer Radialkraft infolge einer Differenz zwischen den Strömungsmitteldrücken ausgesetzt wird, denen der Ventilkörper an den Kanälen 66, 68 (Hochdruck) und 70, 72 (Niederdruck) ausgesetzt wird. Diese Radialkraft übt einen Sog auf den Ventilkörper aus. Wenn die Vorrichtung mit relativ hoher Geschwindigkeit läuft, d.h. mit etwa 20 Hz, dann hat der Verdrängerkolben eine genügend große Massenkraft um die Sogkraft zu überwinden, und den Ventilschieber schnell genug über den Übergangspunkt hinwegzuheben. Wenn

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jedoch die Geschwindigkeit des Verdrängerkolbens weitgehend herabgesetzt ist, beispielsweise auf j5 Hz, dann kann die Massenkraft zu klein sein und die Sogkraft kann bewirken, daß sich das Ventil so langsam bewegt, daß es am Übergangspunkt oder in der Nähe desselben anhält, was möglicherweise..' dazu führt, daß der Verdrängerkolben einer Gleichgewichts- .' : bedingung ausgesetzt ist und infolge einer unzureichenden Druckdifferenz über seinen entgegengesetzten Kolbenflächen,.,.,-* stehen bleibt. Die minimale Geschwindigkeit, die erfordert"!pb ist um eine kontinuierliche hin- und hergehende Bewegung des Verdrängerkolbens zu gewährleisten, ändert sich gemäß dent : : Sog der überwunden werden muß. -

In diesem Zusammenhang muß festgestellt werden, daß bei in Übergangsstellung befindlichen Ventilschieber (Fig. 3) ein kleiner Leckstrom von Gas an den verschiedenen öffnungen des Ventils auftritt. Wenn der Verdrängerkolben sich nach oben aus der Stellung nach Fig. 2 in die Stellung nach Fig. bewegt und weit genug fortgeschritten ist, um den Ventilschieber 54 bis zur Übergangsstellung gemäß Fig. 3 zu verschieben, dann kann ein Leckstrom zwischen den Kanälen 72 und 76 und ebenso zwischen den Kanälen 66 und 92 auftreten, mit der Folge, daß das Hochdruckströmungsmittel in den Kammern 16 und 18 über die Öffnung 46 abzuströmen beginnt und der Niederdruck in der Kammer 60 wieder ansteigt infolge des Zuflusses von Hochdruckgas über die öffnung 44. Infolgedessen werden die Drücke in der Kammer 16 und 60 gleich und der Verdrängerkolben bleibt stehen, wenn er nicht genügend Massenkraft besitzt um den Ventilschieber aus seiner Übergangsstellung in die Stellung nach Fig. 1 zu verschieben, denn in diesem Moment wird der Verdrängerkolben einem Druckdifferential ausgesetzt, das ihn nach unten zurückführt, wodurch ein kontinuierlicher Arbeitszyklus erhalten wird.

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An dieser Stelle muß festgestellt werden, daß die pneumatische Kraft, die auf den Verdrängerkolben arbeitet, die Differenz darstellt zwischen dem Produkt des Druckes in der Kammer 60 und der Fläche auf seiner Oberfläche 35, und dem Produkt des Druckes in der Kammer 18 und der entsprechende^ *- Fläche der Stirnwand 32, da die Wirkung des Druckes in der---'-\ Kammer 18, der auf die übrige Fläche der Unterseite der Stirnwand 32 und die freiliegende Unterfläche 25 des untere«--. Abschnitts 23 des Verdr anger kol bens wirkt, unwirksam gemacniL.' wird durch den identischen Druck in der Kammer l6, der auf--" die wirksame obere Stirnfläche des Verdrangerkolbens wirkt>-_>d.h. die wirksame Fläche der oberen Oberfläche der Platte -* · 40 und der Dichtungen 22 und 38. In gleicher Weise kann ein"·-- Leckstrom zwischen den Kanälen 68 und 74 und zwischen den Kanälen 64 und 94 auftreten, wenn der Verdrängerkolben sich nach unten aus der Stellung nach Fig. 1 in die Stellung nach Fig. 2 bewegt und weitgenug fortgeschritten ist, um den Ventilschieber 34 nach unten in seine Übergangsstellung geschoben hat, und die Folge davon ist, daß der Druck in den Kammern 16 und l8 infolge von Einströmen von Hochdruckgas anzusteigen beginnt und das Hochdruckgas in den Kammern 60 und 90 beginnt abzuströmen. Infolgedessen werden die Drücke in den Kammern 16 und 60 wiederum gleich und es kann eine Gleichgewichtsbedingung wiederum auftreten, d.h. der Verdrängerkolben 14 kann stehen bleiben, wenn der Kolben keine genügend große Masse besitzt, um den Ventilschieber in seine untere Grenzstellung zu überführen, an welcher Stelle der Druck sich rasch ändert, wobei die Kammern 60 und 90 voll nach dem Niederdruckpegel abgelassen werden und die Kammern 16 und 18 voll unter Druck gesetzt werden, bis auf den Hochdruckpegel.

Bei der praktischen Durchführung mit Ventilschiebern gemäß Fig. 1 bis 3 erfolgt eine Betätigung mit Geschwindigkeiten,

die gerade groß genug sind um die Sogkraft zu überwinden, so daß eine kontinuierliche Arbeitsweise gewährleistet wird, jedoch so niedrig, daß eine maximale KühlWirksamkeit erhalten wird. Eine bevorzugte Arbeitsgeschwindigkeit bei dieser Ausführungsform liegt bei etwa 10 Hz, obgleich höhere*; und kleinere Geschwindigkeiten möglich sind. Im typischen.--;-, Fall arbeitet die Vorrichtung kontinuierlich wenn sie mit "\ ungefähr 8 Hz oder mehr betrieben wird, jedoch hat sie die'""*. Tendenz stillzustehen, wenn sie auf etwa 5 Hz oder weniger-"", herabgesteuert wird. Bei Geschwindigkeiten zwischen 5Hz uird 8 Hz ist eine kontinuierliche Arbeitsweise weniger sicher.--.-, als bei höheren Geschwindigkeiten. Diese Beschränkung " hinsichtlich der niedrigen Arbeitsgeschwindigkeit wird auss-'" geglichen durch die relativ niedrigen Kosten und die Einfachheit der Schieberventilausbildung.

Pig. 4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 4 entspricht der Figur 1, unterscheidet sich jedoch in verschiedener Hinsicht. Zunächst ist ein Kopf 6a vorgesehen, der gleich dem Kopf β ist mit dem Unterschied, daß keine Kanäle 66 und JO vorhanden sind, und daß die Nadelventile 106 und 108 fehlen. Es ist ebenfalls eine Kappe 5OA vorgesehen, die sich von der Kappe 50 jedoch dadurch unterscheidet, daß sie eine Öffnung 124 enthält, die mit dem Mittelkanal 66 des Ventilschiebers in Verbindung steht. Außerdem wird ein Ventilgehäuse 52A benutzt, das keine Kanäle 66 und 70 hat,und ein Ventilschieber 54A der keine Kanäle 92 und 94 besitzt. Die Öffnung 124 ist mit einer Zwischendruckquelle 1^0 verbunden, während die Öffnungen 44 und 46 an die Hochdruck- bzw. Niederdruckquelle 100 bzw. 102 angeschlossen sind. Die Quelle 1^0 liefert einen mittleren Druck IP, der vorzugsweise in der Mitte zwischen den Drücken von Hochdruck und Niederdruckgas liegt. Diese

Vorrichtung arbeitet ähnlich wie die Vorrichtung nach Fig. 1 bis 3 mit der Ausnahme, daß der Zwischendruck eine Verminderung der Größe des Druckdifferentials bewirkt, was eine hin- und hergehende Bewegung des Verdrängerkolbens bewirkt, da der Druck in der Kammer 60 konstant bleibt "-'- :

statt zwischen Hochdruck und Niederdruck zu schwanken. .; .Γ:

Die Art und Weise die Tendenz des Kolbens zum Anhalten bei"": kleinen Arbeitsfrequenzen zu überwinden, geschieht durch.--;-. Benutzung eines verbesserten Schieberventils, welches die"" Sogprobleme des Ventils gemäß Fig. 1 bis 3 beseitigt. Dies&s"-verbesserte Schieberventil ist Gegenstand der gleichzeitig mit vorliegender Anmeldung eingereichten Patentanmeldung; und dort in den Figuren 5 bis 10 dargestellt (US S/N 089272/79) Nunmehr wird auf die Figuren 5 bis 10 Bezug genommen. Die dort dargestellte Vorrichtung ist die gleiche wie die Vorrichtung nach Fig. 1 bis 3 mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Unterschiede. Der Kopf 6B besitzt zwei öffnungen 44a und 46a, die längs der Achse der Vorrichtung gegeneinander versetzt sind und mit der Niederdruckquelle bzw. der Hochdruckquelle 102 bzw. 100 in Verbindung stehen. Dieses verbesserte Schieberventil weist ein Ventilgehäuse 52B mit zwei Umfangsnuten 148 und I50 auf, die mit den öffnungen 44A und 4oA verbunden sind und als Ringleitungskammern wirken. Das Ventilgehäuse 52B ist mit zwei diametral gegenüberliegenden öffnungen 152 versehen, die eine Nut 148 schneiden und mit einem zweiten Paar gleicher öffnungen 154, die die Nut I50 schneiden. Die öffnungen 154 sind um 90⁰ gegenüber den öffnungen 152 versetzt. Der Ventilkörper 54B ist ebenfalls mit zwei schmalen relativ längen, diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen I56 versehen, die eine Länge haben die gerade ausreicht, daß ihre oberen Enden exakt auf die öffnungen ausgerichtet sind, wenn ihre unteren Enden exakt auf zwei

diametral gegenüberliegende öffnungen l6o ausgerichtet sind, die im Ventilgehäuse 52C ausgebildet und kurz unter dem Kopf so angeordnet sind, daß sie mit der Kammer 16 in Verbindung stehen. Der Ventilkörper 54B besitzt ein zweites Paar schmaler relativ kurzer, diametral gegenüberliegender Ausnehmungen I58, die eine Länge besitzen, die gerade aus·?*·., reicht daß ihre obere Enden genau auf die öffnungen 154 ays"*" gerichtet werden, wenn ihre unteren Enden exakt auf zwei diametral gegenüberliegende öffnungen 162 ausgerichtet siftd, : die im Ventilgehäuse 52B in der gleichen Höhe wie die Öff_r nungen 160 aber um 90 versetzt zu diesen angeordnet sind., Die Ausnehmungen I56 und I58 sind so angeordnet, daß die ;**;"; Enden der Ausnehmungen I58 durch das Ventilgehäuse blockiert werden, und die Ausnehmungen 156 sind vollständig auf die öffnungen I52 und ΙβΟ ausgerichtet, wenn der Ventilschieber in seiner oberen Grenzstellung gemäß Fig. 5 befindlich ist. In gleicher Weise sind die Enden der Ausnehmungen I56 durch das Gehäuse 52B abgesperrt und die Ausnehmungen 158 sind vollständig auf die öffnungen I54 und 162 ausgerichtet, wenn der Ventilschieber in seiner unteren Grenzstellung (Fig. 6) befindlich ist. Die erwähnten öffnungen und Ausnehmungen sind so angeordnet, daß das Ventil eine mittlere Übergangsstellung besitzt, in der außer einem Leckstrom infolge des notwendigen Spiels und Herstellungstoleranzen von öffnungen und Ausnehmungen die Strömung zwischen den öffnungen 162 und 46A und zwischen den öffnungen 16O und 44A beendet ist. Dieser Übergangspunkt tritt ein, wenn die oberen Ränder der Ausnehmungen 156 auf die unteren Ränder der öffnungen I52 und die unteren Ränder der Ausnehmungen I58 auf die oberen Ränder der Ausnehmungen I62 ausgerichtet sind.

Das Schieberventllgehäuse gemäß Fig. 5 bis 10 ist außerdem durch zwei Paare diametral gegenüberliegender öffnungen 164 und 166 (Fig. 8 und 7) gekennzeichnet, die Nuten 148 und I50

J*

schneiden, jedoch in Urafangsrichtung von den öffnungen 152 und I54 versetzt liegen. Die öffnungen 164 und I66 sind vorzugsweise um 45° gegenüber den öffnungen I52 und 154 um die Mittelachse des Ventils versetzt. Zwei Schraubnadelventile 165 und 167 im Kopf 6B wirken mit öffnungen 164 bzw. 166 zusammen, um die Strömungsrate des Gases durch diese :*. : öffnungen zu steuern. Zusätzlich hat der Ventilschieber 54E". zwei Paare diametral gegenüberliegender Öffnungen I68 und "Ϊ69, die den Mittelkanal 88 schneiden. Die öffnungen 168 und 1:64"; liegen in einer ersten gemeinsamen Ebene, die sich längs .d«^ Mittelachse des Ventils erstreckt und die öffnungen I69 ■ uffd 166 liegen in einer zweiten gleichen Ebene, Der axiale Ab-'-', stand zwischen den öffnungen I68 und I69 ist derart, daß bei in oberer Grenzstellung gemäß Fig. 5 befindlichem Ventilschieber die öffnungen 168 gegenüber den öffnungen 164 versetzt sind (Fig. 8) und außerdem durch das Gehäuse 52C abgesperrt sind, während die öffnungen I69 auf die öffnungen 166 ausgerichtet sind (Fig. 7). In gleicher Weise stehen bei in unterer Grenzstellung gemäß Fig. 6 befindlichem Ventilschieber die öffnungen I68 mit den öffnungen 164 (Fig. 10) in Verbindung, und die öffnungen 169 sind gegenüber den öffnungen 166 (Fig. 9) versetzt und durch das Gehäuse 52c abgesperrt.

Wenn demgemäß das Ventil in seiner oberen Grenzstellung befindlich ist, dann wird die öffnung 44A mit der Kammer 16 verbunden und die öffnung 46A wird wiederum über den Kanal 88 mit der Kammer 6Ö verbunden. In der unteren Ventilstellung ist die Kammer Ιό mit der öffnung 46A verbunden, und die Kammer 60 ist an die öffnung 44A angeschlossen. Infolgedessen ist die Arbeitsweise der Kühlmaschine gemäß Fig. 5 bis 10 gleich jener gemäß Fig. 1 bis 3 mit dem Unterschied, daß dann wenn der Ventilschieber in seiner oberen Grenzstellung befindlich

ist, die Kammer 16 mit der Niederdruckquelle 102 über die öffnung 44A verbunden ist, und wenn der Ventilschieber in seiner unteren Grenzstellung befindlich ist/ dann verbindet die öffnung 46A die Kammer 16 mit der Hochdruckquelle 100. Was jedoch noch wichtiger ist: Das Ventil kann bei niedrigen Geschwindigkeiten arbeiten, z.B. kann der Verdrängerkolbeo ".,"· 14. mit einer Frequenz von 2 bis 5 Hz arbeiten, ohne daß er '":': infolge einer Gleichgewichtsbedingung stehen bleibt. Dies · ist eine Folge der Tatsache, daß der Ventilschieber exakt^:_ ■ gegen einander wirkenden Strömungsmitteldrücken an gegen-;"'· überliegenden öffnungen I52 ausgesetzt ist und auch an gegenüberliegenden öffnungen 154, 164 und I66. Demgemäß besteht*;"; kein Druckdifferential auf dem Ventilschieber, welches eine . Sogkraft erzeugen könnte. Wenn das Gas im Leckstrom zwischen dem Ventilschieber 54B in das Gehäuse 52B abströmt, dann wird zwischen diesen Teilen ein Strömungsmittel stehen bleiben, welches die Wirkung hat, die Sogkraft weiter zu vermindern, d.h. es entsteht eine Wirkungsweise ähnlich wie bei einem Luftlager. Ein weiterer Vorteil des Systems gemäß Fig. 5 bis 10 besteht darin, daß die Arbeitsgeschwindigkeit des Verdrängerkolbens einfach dadurch eingestellt werden kann, daß die Einstellung der Nadelventile I65 und I67 geändert wird unter der Annahme im wesentlichen konstanter Drücke an den Niederdruck- und Hochdrucköffnungen 44A bzw. 46A. Der cryogenische Kühlzyklus der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt die gleichen Stufen wie der Arbeitszyklus der Vorrichtung nach Fig. 1 bis J>.

Die vorstehenden Ausführungsbeispiele sind geeignet unter Anwendung des Gifford-McMahon-Zyklus zu arbeiten und es ist klar, daß die Erfindung auch auf andere Weise abgewandelt werden kann und mit anderen bekannten Kühlzyklen arbeiten kann. Die Erfindung ergibt zahlreiche Vorteile einschließlich

der Möglichkeit einer Steuerung der Verdrängerkolbengeschwind igkeit und eine Anpaßbarkeit an unterschiedliche Größen und Kapazitäten, wobei eine Kompatibilität mit bestehenden cryogenetischen Technologien (z.B. die Verwendung herkömmlicher Regeneratoren) möglich wird. Die Erfindung zeichnet sich durch eine Einfachheit des Aufbaus. "; und die Möglichkeit eines leichten Austausche und durch dii?-. Betriebssicherheit des Schieberventils aus. Es kann die Größe des Verdrängerkolbens verändert werden, ohne daß der Durchmesser oder die Länge des Ventilschiebers proportionälverändert werden müßten. Außerdem ergibt sich ein relativ* kurzer Ventilschieberhub und die Möglichkeit,die Stößbe.-w wegung von Kolben und Ventilkörper zu dämpfen. Beispielsweise

kann der Ventilschieberhub zwischen seinen Endstellungen-'

3,2 mm betragen. Die O-Ringe 80 und 84 dämpfen den Ventilschieber und vermindern den Lärm, und der Ventilschieber arbeitet bei Umgebungstemperatur selbst wenn das untere Ende des Zylinders 2 Tieftemperaturen zwischen 110° K und 14° K ausgesetzt sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie mit einem Regenerator außerhalb des Verdrängerkolbens gemäß bekannter Praxis arbeiten kann, oder auch mit zwei oder mehreren gleichen Kühlstufen in Reihe, wie z.B. in den US-PS 31 88 818 und 32 18 815 dargestellt. Außerdem können Hilfskühlstufen mit einem oder mehreren Joule-Thomson-Wärmeaustauschern benutzt werden und Expansionsventile wie sie gebräuchlich sind. Vorzugsweise aber nicht notwendigerweise sind die öffnungen 66, 68, 74 unc 76 und die Kanäle 92 und 94 rund ausgebildet und haben den gleichen Durchmesser, und die Kanäle 96 und 98 haben die gleiche wirksame Querschnittsfläche. Die gleiche Ausbildung ist zu bevorzugen für die entsprechenden Teile der Vorrichtung nach Fig. 5 bis 10. Weitere mögliche Abwandlungen sind für den Fachmann selbstverständlich.

Claims

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Patentansprüche

Kältemaschine, bei der ein unter Druck stehendes Gas aus einer ersten Kammer variablen Volumens mit einer anfänglichen Kühlung nach wenigstens einer zweiten Kammer variablen Volumens zur darauf folgenden Expansion und weiteren Abkühlung nach Ablaß von der Kühlmaschine geführt wird, wobei das Gas durch die Kältemaschine durch die Bewegung ^: des Kolbens gefördert wird, der durch Einführen von Hochdruckgas und Ablassen von Nfiederdruckgas bewegt wird, :

dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluidic-Antrleb für den Kolben vorgesehen ist, der in Kombination folgende Teile aufweist: Ein Ventil mit einem Ventilgehäuse und einem Ventilkörper, wobei das Ventilgehäuse eine Hochdruckeinlaßöffnung, eine Niederdruckauslaßöffnung und wenigstens eine Übertragungsöffnung aufweist, die mit der Kammer in Verbindung steht, wobei der Ventilkörper in zwei Richtungen relativ zum Gehäuse verschieblich ist und erste und zweite Kanäle aufweist, die abwechselnd mit der Einlaßöffnung bzw. der Auslaßöffnung gemäß der Stellung des Ventilkörpers mit der tibertragungsöffnung verbunden werden.
2. Kältemaschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper in zwei Richtungen durch den Kolben verschiebbar ist, daß der Kolben eine begrenzte Bewegung unabhängig von dem Ventilkörper derart durch-

führen kann, daß eine Übertragung einer beträchtlichen Gasmenge in einer gegebenen Richtung als Folge der Versetzung durch den Kolben möglich wird, bevor der Ventilkörper veranlaßt wird die Gasströmungsverbindungen zwischen Einlaß- bzw. Auslaßöffnung und Übertragungsöffnung umzukehren.
3. Kältemaschine nach Anspruch 1, : : dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben teleskopartig mit wenigstens ^:_ einem Teil des Ventils verbunden ist. ";
4. Kältemaschine nach Anspruch 1, : dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben teleskopartig mit wenigstens einem Teil des Ventils zusammenwirkt.
5. Kältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Ventilkörper in eine Zwischenkammer variablen Volumens einsteht, die von dem Kolben gebildet wird, daß der Ventilkörper von dem Kolben beaufschlagt wird, und daß das Ventil Leitungen aufweist, um abwechselnd die Auslaßbzw. Einlaßöffnung mit der Zwischenkammer Je nach Stellung des Ventilkörpers zu verbinden.
6. Kältemaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper von einem Ende des Ventilgehäuses vorsteht und von dem Kolben erfaßbar ist.
7. Kältemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben in einem Zylindergehäuse gleitbar angeordnet ist, und daß das Ventilgehäuse mit dem Zylindergehäuse fest verbunden ist.
8. Kältemaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopf am Gehäuse angebracht ist, der das Ventilgehäuse trägt, und daß der Kopf erste und zweite Öffnungen aufweist, um Einlaß-bzw. Auslaßöffnungen mit einem Hochdruckreservoir bzw. einem Niederdruckreservoir zu verbinden.
9. Kältemaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckreservoir und das Niederdruckreservoir an die erste bzw. zweite Leitung angeschlossen sind, und daß ein Kompressor das Gas verdichtet, welches vom Niederdruckreservoir abgeführt wird, wobei das verdichtete Gas dem Hochdruckreservoir zugeführt wird.
10. Kältemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennz e i ohne t, daß der Ventilkörper und der Kolben mit folgenden Mitteln ausgestattet sind: (a) erste und zweite gegenüberliegende Mittel, um den Ventilkörper zu veranlassen, vom Kolben erfaßt und verschoben zu werden, wenn der Kolben sich in einer ersten Richtung bewegt; (b) dritte und vierte gegenüberliegende Mittel, die den Ventilkörper veranlassen,

vom Kolben erfaßt und verschoben zu werden, wenn er in einer zweiten, zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung verschoben wird.
11. Kältemaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper vom Kolben in der Bewegungsrichtung des Kolbens verschoben wird.
12. Kältemaschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, -

daß ein Regenerator vorgesehen ist, um die Wärme auszutauschen, die dem vom Kolben verdrängten Gas innewohnt.
13. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die unabhängig von dem Ventil arbeiten, um die Strömungsrate des Gases so einzustellen, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens gesteuert wird.
14. Kältemaschine nach Anspruch 12, dadurch gekenn ζ e ichne t, daß der Regenerator im Kolben untergebracht ist.
15· Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper gleitbar hin- und hergehend in dem Ventilgehäuse gelagert ist, wobei ein Ende des Ventilkörpers in eine dritte Kammer variablen Volumens einsteht, die vom Ventilgehäuse und vom Kolben definiert wird, und daß eine vierte Kammer

variablen Volumens durch Mittel gebildet wird, die mit dem gegenüberliegenden Ende des Ventilkörpers und des Ventilgehäuses zusammenwirken, und daß das Ventil einen Kanal aufweist, um den Druck in der dritten und vierten Kammer variablen Volumens auszugleichen.
16. Kältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichn et, daß eine öffnung in dem Ventilgehäuse vorgesehen ist, um ein Gas unter einem vorbestimmten Druck wenigstens einer der dritten und vierten Kammer variablen Volumens zuzuführen, und zwar unabhängig von dem Modus der Gasströmung, die durch die Verbindungen zwischen Einlaß- bzw. Auslaß- ;■ öffnungen und der Übertragungsöffnung bestimmt ist.
17. Kältemaschine nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömungsmitteldichtung zwischen dem Ventilgehäuse und dem Kolben vorgesehen ist, um die dritte Kammer gegenüber de:- ersten Kammer abzusperren.
18. Kältemaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der als Schieber ausgebildete Ventilkörper im Ventilgehäuse gleitbar ist und erste und zweite Mittel aufweist, um: (a) die Einlaßöffnung mit der ersten Kammer über die Übertragungsöffnung zu verbinden, wenn der Ventilkörper in einer ersten Stellung befindlich ist, und (b) die Auslaßöffnung

mit der ersten Kammer über die Übertragungsöffnung zu verbinden, wenn der Ventilschieber in einer zweiten Stellung befindlich ist.
19. Kältemaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kopf und ein an einem Ende des Kopfes befestigtes Gehäuse aufweist, daß der Kopf einen Kanal aufweist, um die Einlaß- und · Auslaßöffnungen mit der Hochdruckleitung bzw. der Niederdruckleitung zu verbinden, daß das ^:.

Ventilgehäuse von dem Kopf getragen wird, und daß der Kolben innerhalb des Gehäuses so angeordnet ist, daß die erste und zweite Kammer auf gegen- :

überliegenden Seiten des Kolbens und den jeweiligen Enden des Gehäuses zu liegen kommen.
20. Kältemaschine nach Anspruch I9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse und der Kolben teleskopartig ineinandergreifen und der Ventilkörper vom Kolben in unterschiedlichen Stellungen des Kolbens erfaßt und von diesem in der einen oder anderen Stellung erfaßt und in der ersten Richtung oder einer zweiten entgegengesetzten Richtung verschoben wird.
21. Kältemaschine nach Anspruch I9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Kälte aus der zweiten Kammer wieder zu gewinnen.
22. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben -innerhalb eines Zylinders in einer Vierstufenfolge beweglich ist, wobei dieser Kolben (a) in einer obersten Stellung verweilt, (b) sich nach unten bewegt; (c) in einer untersten Stellung verweilt und sich (d) wieder nach oben bewegt; ■ '

daß erste und zweite Kammern vorgesehen sind, deren". Volumen durch die Stellung des Kolbens bestimmt ist,., daß Leitungen die erste und zweite Kammer verbinden,., daß den Leitungen ein thermischer Speicher zugeordnet ist,

daß ein Speicher für das Hochdruckgas vorgesehen ·..",-ist, :...:.

daß ein Speicher für das abströmende Niederdruckgas vorgesehen ist,

daß ein Riegelventil dem Hochdruck- und Niederdruckspeicher zugeordnet ist um zu bewirken, daß das Hochdruckgas in die erste Kammer und die Leitung eintritt während der ersten und zweiten Arbeltsstufe des Kolbens,und daß Niederdruckgas während der dritten und vierten Stufe der Kolbenbewegmg abgelassen wird, daß das Ventil ein Ventilgehäuse aufweist, welches gegenüber dem Zylinder festgelegt ist und einen Ventilkörper aufweist, der im GehLuse gleitbar ist, daß das Gehäuse Einlaß- und Auslai-öffnungen aufweist, die mit dem Hoch- und Niederdruckreservoir in Verbindung stehen, daß das Ventilgehäuse und der Ventilkörper außerdem zusammenwirkende Mittel aufweisen, um abwechselnd die erste Kammer mit Einlaßbzw. Auslaßöffnungen zu verbinden, während gleichzeitig eine Abschaltung von der anderen Öffnung erfolgt

je nach der Bewegung des Ventilkörpers zwischen zwei Grenzstellungen, und daß zusammenwirkende Mittel auf dem Kolben und dem Ventilkörper vorgesehen sind, um (a) den Ventilkörper zu veranlassen in einer seiner Endstellungen zu verbleiben und gleichzeitig der Kolben in seiner obersten Stellung verbleibt, und (b) den Ventilkörper zu veranlassen, in der anderen Grenzstellung zu verbleiben, wobei der Kolben gleichzeitig in seiner abgesenkten Lage verbleibt.