DE3135566A1 - Kryogene kaeltemaschine - Google Patents

Description

Patentanwälte p j ρΊν.1 ft gg.-Cxi ri -Wallach

D i ρ f.- I n §. 6 ü nttieT'Koch

Ao Dipl.-Phys.Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 0275 ■ Telex 5 29 513 wakai d

Datum: _8> September 1981

Unser Zeichen: · 17 256 - K/Ap

Anmelder: Qerlikon-Buhrle U-S.A. Ine

One Penn Plaza
New York, New York 10001
USA

•Bezeichnung: Kryogene Kältemaschine

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Es sind zahlreiche Kältemaschinen entwickelt worden, um den sich ständig vergrößernden Bedarf der Tiefsttemperatur-Erzeugung zu erfüllen. Alle bekannten Vorrichtungen basieren auf einem gesteuerten Kreis, in dem ein ausdehnbares Strömungsmittel in Verbindung mit geeigneten Wärmeaustauschern arbeitet, um Kälte zu erzeugen. Beispiele derartiger kryogener Kältemaschinen sind in den folgenden US-PSbeschrieben: 33 33 433; 33 21 926; 36 25 015; 37 33 837; 38 84 259;

40 78 389 und 41 18 943. .

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Kühlsystem, bei dem ein Arbeitsvolumen zum Teil durch einen Verdrängerkolben, bestimmt wird, wobei dieser hin- und herläuft um ein sich vergrößerndes bzw. verkleinerndes Arbeitsvolumen zu schaffen. Dabei ' ist eine Venti!vorrichtung vorgesehen, die ein Kühlmittel in das Arbeitsvolumen bzw. aus diesem heraustreten läßt, je nach der Bewegung des Verdrängerkolbens..

Ferner ist ein thermischer Generator vorgesehen, durch den das kühlmittel strömt un.d von dem das Kühlmittel gemäß der Bewegung des Verdrängerkolbens abgezogen wird. Derartige Systeme können.verschiedene Form aufweisen und unterschiedliche Zyklen benutzen einschließlich der bekannten Zyklen "Gifford-McMahon", "Taylor", "Solvay" und "Split Stirling", in jedem Fall muß die Bewegung des Verdrängerkolbens kontinuierlich und genau so gesteuert werden, daß das System gemäß dem jeweiligen Kühlzyklus· arbeiten kann, für den das System ausge-. legt ist. ■ '

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Es sind verschiedene Möglichkeiten vorgesehen worden, um die erwünschten Kühlzyklen zu erhalten. Dabei war es auch bekannt, unterschiedliche Ventilanordnungen und Mittel zu benutzen, um eine gesteuerte Bewegung des Verdrängerkolbens zu ermöglichen.

Trotzdem ergaben sich in der Anwendung der bekannten Vorrichtungen ingenieurmäßige Beschränkungen. In gewissen Fällen wiesen die benutzten Ventilanordnungen zur Steuerung des Kühlmittels einen oder mehrere der nachstehenden Nachteile auf: Einen unzweckmäßigen komplexen Ko.nstrukti.onsauf bau; relativ hohe Herstellungskosten; Schwierigkeiten der Einstellung beim Betrieb; relativ kurze Lebensdauer; eine Eignung für nur einen kleinen Bereich .von Kühlkapazitäten. Andere Probleme, die sich in Verbindung mit bekannten kryogenen Kältemaschinen mit gasgetriebenen Verdrängerkolben ergaben, war die übermäßige Größe der Ventilanordnung oderder Kältemaschine wegen dieser Ventilanordnung oder der Lage dieser Ventilanordnung.. Außerdem ergab sich ein nachteiliger Stoß jedesmal dann/ wenn der Verdrängerkolben einer- Richtungsumkehr unterworfen wurde. Schließlich litten die bekannten Vorrichtungen an einem ■ niedrigen Wirkungsgrad infolge des verzerrten PV-Diagramms und es war ein übermäßig hoher Arbeitseingang infolge der Friktionsverluste erforderlich, oder die Vorrichtungen arbeiteten bei Zyklen mit geringer Frequenz unzuverlässig,und·.diese geringen Frequenzen sind für eine solche Vorrichtung gerade zu bevorzugen.-Ein weiterer wichtiger Nachteil bekannter Anordnungen besteht darin, daß diese nicht einem Doppelstufen-Zyklus angepaßt werden konnten. In diesem Zusammenhang

muß man sich vergegenwärtigen, daß es an sich bekannt ist, Kältemaschinen zu benutzen., bei denen, in einer ersten Kühlstufe eine erste gewählte niedrige Temperatur von z.B. 77° K erreicht wird , während in einer zweiten Stufe, die in Reihe mit der ersten Stufe geschaltet ist, eine zweite' noch tiefere Temperatur von beispielsweise 20° K-erreicht wird. Die räumliche Lage der Wärmetauscher, die diese beiden Stufen charakterisieren, kann so sein,.daß die' Verwendung der Kältemaschine bei bestimmten Anwendungen, z.B. in einer kryogenen Pumpe kompliziert wird. Außerdem war es bei bekannten Kältemaschinen schwierig oder übermäßig kostspielig, die Kühlkapazitäten in der .ersten oder zweiten Stufe bei unterschiedlichen An-Wendungen zu modifizieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde; eine kryogene Kältemaschine zu schaffen, die eine Kombina- ■ ■tion von Vorteilen aufweist, die bisher nicht erreicht •20 werden konnten. ·

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer kryogenen Kältemaschine, die die Vorteile einer Mehrstufenkühlung vereinigt mit einem einfachen und betriebssicheren Venti laufbaü, wobei diese Kältemaschinen, auch für kryogene Doppelstufenpumpen anwendbar ist.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer neuartigen und verbesserten Schiebenventilanordnung "30 zur Steuerung des Kühlmittels in das Arbeitsvol.umen

einer kryogenen Kältemaschine.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer ■ kryogenen Kältemaschine, die gekennzeichnet ist durch eine Kühlkammer variablen Volumens und eine solche Arbeitsweise, daß der Druck und das Volumen des Kühlmittels in der Kühlkammer in der Weise geändert werden, daß ein wirksamer Kühlzyklus zustande kommt.

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Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer kryogenen Kältemaschine, die für unterschiedliche Kühlkapazitäten relativ klein herstellbar ist und leicht zusammengebaut und repariert werden kann, und die darüber hinaus selbstregulierend ist und einen gesteuerten Kühlzyklus ergibt.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer neuartigen kryogenen Kältemaschine mit einer neuartigen Form von Wärmeaustauschern.

Ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Kältemaschine zu schaffen, die so ausgebildet ist, daß die Richtung der Gasströmung (Einspritzen oder Abblasen) nur dann umgekehrt werden kann, wenn der Verdrängerkolben sich fast am Ende seines Hubes nach oben oder unten befindet, wodurch eine hohe Gasvolumenübertragung durch den Regenerator gewährleistet wird,· und demgemäß ein besserer Kühlwirkungsgrad.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer neuartigen kryogenen Vakuumpumpe..

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die gestellte Aufgabe bei einer zweistufigen Kältemaschine gelöst durch die folgenden Merkmale: Ein'Zylinder mit einem darin hin- und hergehenden Verdrängerkolben, der erste und zweite Abschnitte aufweist, die sich als Baueinheit bewegen; eine erste und zweite Kammer variablen Volumens, die durch den Zylinder und den ersten und zweiten Abschnitt des Verdrängerkolbens definiert sind; eine Ventilanordnung zur Einspritzung eines Kühlmittels und zur Entfernung des Kühlmittels aus der ersten und zweiten Kammer; Mittel zur. Erzeugung eines Strömungsmitteldruck-Differentials über dem Verdrängerkolben, wenn das Kühlmittel sich in die erste und zweite Kammer bewegt, so daß eine vorbestimmte Bewegung auf den Verdrängerkolben aufgeprägt wird; einen ersten und zweiten thermischen

-2Ά __JS4Lele.h_e_r^^ Kammer zugeordnet·

ist; einen ersten und zweiten Wärmeaustau3cherT~MTT^teT zur Verbindung der ersten und zweiten Kammer mit dem ersten und zweiten thermischen Speicher; eine Leitung " zur Verbindung der beiden Speicher mit der Ventilan-Ordnung derart, daß ein Kühlmittel zwischen der Venti!vorrichtung und der ersten und zweiten Arbeitskammer strömen kann. Der erste Wärmetauscher und die erste Kammer bilden eine Kühlstufe,· und die andere Kühlstufe umfaßt einen zweiten-Wärmetauscher und die.........

zweite Kammer. 't . ■

Der Verdrängerkolben ist einer gesteuerten hin- und hergehenden Bewegung ausgesetzt, die vier Stufen aufweist: (a) Verweilen in einer ersten Grenzstellung; (b) eine Bewegung von der ersten Grenzstellung nach einer zweiten Grenzstellung; (c) ein Verweilen in der zweiten Grenzstellung; (el·) eine Zurückbewegung" in die erste Grenzsteilung. Die Ventilanordnung bewirkt, daß Hochdruckmittel in die erste und zweite Kammer während zweier aufeinanderfolgen-

1Q der Stufen der Verdrängerkolbenbewegung eintritt, während Niederdruckmittel aus der ersten und zweiten Kammer während der zweiten folgenden Stufe des Verdrängerkolbens austritt. Das Ventil weist einen hin- und hergehenden Ventilschieber auf, der allein durch den Verdrängerkolben betätigt wird,-wenn dieser sich seiner ersten bzw. zweiten Grenzstellung nähert. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Hilfsleitung mit einem Steuerventil vorgesehen, um selektiv die Gasströmung nach der zweiten Kammer und dem zweiten thermischen Speicher und von diesem weg. zu steuern,· so daß die Temperatur in der zweiten Stufe ansteigen kann, ohne daß die Temperatur der ersten Stufe der Kältemaschine geändert werden müßte. Es können.auch zwei oder mehrere thermische Speicher parallel mit der ersten oder zweiten Kammer geschaltet werden.

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

Figur 1 eine Teilschnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kryogen-Kältemaschine der Gifford-McMahon Bauart, wobei der Verdränger- und Steuerventilmechanismus in einer ersten 'Grenzstellung-dargestel It ist "

Figur 2 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht des Steuerventilmechanismus und des Verdrängers in einer zweiten Grenzstellung ...

Figur 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß F i g u r ' 1 .

Figur 4 eine Ansicht die veranschaulicht,- wie die Kältemaschine aufgebaut sein kann, die'zwei oder mehrere erste und zweite Stufen von thermischen . ' Regeneratoren enthält

Figur 5' einen Vertikal schnitt der erkennen läßt, • wie die Vorrichtung nach Figur 1 bis 3 in einer Kryogen-Nennpumpe eingebaut ist und .

Figur 6 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Kältemaschine.

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In der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispieles wird von "oberen "und "unteren" Abschnitten gesprochen. Diese Ausdrücke werden im relativen Sinne benutzt und es ist klar, daß die Kältemaschine in jeder Lage

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orientiert werden kann. Demgemäß beziehen sich die Ausdrücke "oben" und "unten" nur auf die Lage, die in der Zeichnung dargestellt ist. Heliumgas wird als bevorzugtes Arbeitsmittel benutzt. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch in Verbindung .

mit anderen Gasen benutzt werden kann, je nach den Kühltemperaturen, die erforderlich sind. Als Gase kommen auch noch Luft und Stickstoff in Betracht, jedoch ist die Erfindung auch hierauf nicht beschränkt.

Gemäß Figur 1 und 2 weist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung einen metallischen Kopf 2 und eine darauf sitzende Kappe 3 auf. Der Kopf 2 trägt ein Steuerventil 4, welches die Strömung des gewählten Kühlmittels in Gasform, z.B. Helium nach und" von den beiden Kühlvolumenkammern 6 und 8 über zwei getrennte thermische Regeneratoren 10 und 12 und zwei Wärmetauscher 14 und 16 steuert, die den Regeneratoren 10 bzw. 12 zugeordnet sind, wenn sich der Verdränger' 17 bewegt. Das Ventil 4 dient auch dazu, ein Kühlmittel unter einem vorbestimmten Druck einer Antriebsvolumenkammer 18 und einer Kammer 19 zuzuführen.

25, Der· Kopf 2 ist mit mehreren in Längsrichtung verlaufenden Bohrungen ausgestattet, die im Abstand um den Umfang herum angeordnet sind und eine Vielzahl von Bolzen 22 aufnehmen, die durch geeignete Bohrungen in der Kopfkappe 3 geführt sind und mit ihren Gewindeenden 22A in Gewindebohrungen einer Trägerplatte 26 eingeschraubt sind. Die Kappe 3 ist hohl, so daß eine · Zwischenantriebsdruckkammer 28 über dem Kopf 2 geschaffen wird.

Der Kopf ist mit einer ersten Öffnung 30 zur Einführung eines Hochdruckkühlmittels nach der Kühlmaschine ausgestattet, während eine zweite Öffnung 32 Nied.erdruck.-Strömungsmittel aus der Kältemaschine austreten läßt. Bei einem üblichen Einbau ist die Kältemaschine mit ihrer Öffnung 30 an eine Hochdruckquelle 3OA angeschlossen und die Öffnung 32 ist mit einem,Niederdruckreservoir 32A verbunden. Es ist klar, daß das Niederdrückmittel entweder in die Atmosphäre abgelassen werden kann (offener Zyklus) oder in das System über geeignete Leitungen zurückgeführt werden kann (geschlossener Zyklus), die zunächst nach einem Kompressor 33' und dann nach einem Hochdruckreservoir 3OA führen, wie dies in der Figur 1 der US-PS 29 6.6 beschrieben ist. Der Kopf 2 hat eine Mittelbohrung-34, die das Steuerventil 4 aufnimmt. Die Hochdruck- bzw. Niederdrucköffnung 30 bzw. 32 sind über Kanäle 36 und 38 mit der Bohrung 34 verbunden. Zusätzlich ist der Kanal 36 über eine Leitung 40 an die Kammer 28 angeschlossen. Vorzugsweise ist die Leitung 40 mit einer öffnung 42 verminderten Durchmessers ausgestattet, so daß die Strömungsrate gesteuert werden kann, mit der .Hochdruckmittel in die Kammer 28 eintritt. Der Kanal 38 -ist ebenso über eine Leitung 46

25· und ein einstellbares Nadelventil 48 mit dem Kanal verbunden, der nach der Kammer 28 führt. Das Nadelventil 48 kann von irgendeiner geeigneten'Ausb.i ldung sein und vorzugsweise ist es als Einstellschraube ausgebildet, die in einer Gewindebohrung 52 des Kopfes eingeschraubt ist.

Dieses Nadelventil weist einen Abschnitt- 53 auf, der auf den Kanal 46 ausgerichtet und so angeordnet ist, daß die wirksame Fläche des Ablaßendes des Kanalst'46 gemäß dem Eindringen des Ab-Schnitts 53 in den Kanal 46 modifiziert wird, was durch Drehung des Nadelventils in der Bohrung 52 bewirkt wird. Da die Kammer 28 sowohl an die Hochdrucköffnung 30 als auch an die Niederdrucköffnung. 32 angeschlossen ist, dient das"Nadelventil 48 dazu, eine Einstellung des Druckes in der Kammer auf einen Pegel IP vorzunehmen, der zwischen den Drücken von Hochdruckquelle 3OA bzw. Niederdruckquelle 32A liegt.

Im folgenden wird weiter auf Figur 1 Bezug genommen.. Die Bohrung' 34 weist einen Abschnitt 54 mit vermindertem Durchmesser auf. Das· Ende dieses Bohrungsabschnittes 54 ist durch einen Stopfen 56 verschlossen, .der durch Schrauben 58 an Ort und S.telle gehalten wird. Vorzugsweise hat der Stopfen -56" eine Umfangsn.ut , um einen O-Ring 60 aufzunehmen, der eine Strömungsdichtung zwischen dem Stopfen und dem Bohrungsabschnitt 54 gewährleistet. Der Stopfen nimmt nur einen Teil des Abschnitts 54 der Bohrung 34 mit geringerem Durchmesser ein, so daß eine Kammer 62 über dem Steuerventil 4 verbleibt. Die Kammer ist an die Kammer 28 über Mittel im Kopf 2 verbunden, die aus einem Kanal 64, einem Nadelventil 66 und einem Kanal 68 bestehen. Das Nadelventil 66 entspricht dem Nadelventil 48, und es besitzt einen

Abschnitt 69, der durch Drehung des .Ventilkörpers in einer Gewindebohrung 70 verschoben werden kann. Der Nadelventilabschnitt 69 wirkt mit dem Kanal 64 so zusammen,' daß die Lage des Abschnitts 69 die ■ wirksame Fläch.e-des Einlaßendes des Kanals 64 bestimmt, d.h. dort wo der Ventilabschnitt 69 getroffen wird. Das Nadelventil 66 dient zur Einstellung der Arbeitsgeschwindigkeit des Verdrängers 17, da hierdurch die Rate gesteuert wird, mit der.

das Strömungsmittel in den Antriebsraum 18 ein- bzw. aus diesem abströmen kann.

Das Ventil 4 weist ein Ventilgehäuse 72 und einen Ventilschieber 74 auf. Das Gehäuse 72 liegt in einer Bohrung 64 und ist am Kopf 2' beispielsweise durch Fri-ktionssitz oder durch einen nicht dargestellten Rollstift festgelegt. Das Ventilgehäuse ist mit einer·Mittelbohrung 76 ausgestattet, .in der der Ventilschieber 74 gleitbar ist. Außerdem weist das Ventilgehäuse 72 drei in Umfangsrichtung- verlaufende Nuten 78, 80 und 82 an der äußeren Oberfläche auf. Die Nut 78 ist so angeordnet, daß sie mit dem Kanal 38 in Verbindung steht. Die Nut-82 ist so angeordnet, daß sie mit dem Kanal 36 in Verbindung steht. Die Nut 80 ist zwischen den Nuten und 82.SO angeordnet, daß sie mit einer Ringnut 83 im. Kopf 2 in Verbindung ste.ht. Die Nut 83 stellt .eine Verbindung mit der gegenüberliegend angeordneten Bohrung 84 und 86 dar, die nach den thermischen Regeneratoren . 1.0 und 12 führen, .wie dies beschrieben wurde. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Bohrungen 84 und zwei Kanäle 86 vorgesehen. Jede Nut 78, 80 und 82 schneidet eine gleiche Zahl identischer

radial verlaufender kleiner Öffnungen 85, die •ihrerseits die Mittelbohrung 76 schneiden.

Der Ventilschieber 74 läuft in Gleitsitz im Ventilgehäuse 72. Dieser Ventilschieber 74 weist eine Mittelbohrung 90 auf, die von der Kammer 62 nach der Antriebsvolumenkammer 18 führt. Außerdem ist der Ventilschieber mit Flanschen 92 und 94 an seinen gegenüberliegenden Enden ausgestattet, und es sind Nuten benachbart zu jenen Flanschen vorgesehen, die elastische O-Ringe 93 und 95 aufnehmen. Die Flansche 92 und 94 sind so bemessen, daß die benachbarten Endoberflächen des Ventilgehäuses 72 überlappt werden, und sie wirken als Schulter, um die O-Ringe 93 und 95 zu haltern. Letztere sind so bemessen und angeordnet, daß sie an der benachbarten Stirnfläche des Ventilgehäuses 72 angreifen, wenn der Ventilschieber 74 in der in Figur 1·.bzw. 2 dargestellten Stellung befindlich ist. Die O-Ringe und 95 bestimmen die beiden Grenz-stel lungen des Ventilkörpers 74 und sie wirken als Stoßdämpfer, um den Stoß-zu dämpfen, der auftreten kann wenn der Ventilsch.ieber 74 die eine oder andere Grenzstellung erreicht.

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Außerdem weist der Ventilschieber 74 eine langgestreckte, in Umfangsrichtung verlaufende Nut 96 auf, die so angeordnet ist, daß (a) wenn das.Ventil 74 in seiner untersten Grenzstellung (Figur 1) befindlieh ist, die Nut 96 eine Verbindung zwischen den

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Umfangsnuten 80· und 82 herstellt, während die Umfangsnut 78 durch einen benachbarten Abschnitt der äußeren Oberfläche des Ventilschiebers 74 abgesperrt ist, und (b).wenn der Ventilschieber in seiner oberen Grenzstellüng . b.ef indlich ist (Figur Z) die Nut 96'eine Verbindung zwischen den Umfangsnuten 78 und 80 herstellt, während die· Umfangsnut 82 durch einen benachbarten Abschnitt der äußeren Oberfläche des Venti lschieb'ers .74 . abgesperrt ist. Wenn sich demgemäß der Ventilschieber 74 in seiner unteren' Grenzstellung befindet, dann' ist die Hochdrucköffnung 30 an. die Kanäle 84 und 86 über die Umfangsnuten 80 und 82 angeschlossen. Wenn andererseits der Venti'lschieber 74 in seiner oberen Grenzstellung .befind!ich ist, dann sind die Kanäle 84 und 86 an die Niederdrucköffriung 32 über die Umfangsnuten 78 und 80.angeschlossen. ·

Die Regeneratoren 10 und 12 bestehen aus metallischen Zylindern 100.und 102, und sie besitzen metallische Deckel 104 und 106 ,■ d i e an metallische Leitungen 108 b.zw. 110 angeschlossen sind. Die Leitungen und 1*10 treten durch die Trägerplatte 26 hindurch und sind an dieser befestigt, so daß die Regeneratoren 10 bzw. 12 abgestützt·werden. Der Kopf 2 ist mit radial verlaufenden Kanälen 112 und 114 versehen, .die die Kanäle 84 und 86 mit den Leitungen 108 und 110 verbinden.

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Im folgenden wird weiter auf die Figuren 1 und 2 der Zeichnung Bezug genommen. Der Kopf 2 ist mit einem Fortsatz 115 verminderten Durchmessers versehen, der in ein Loch einer .Trägerplatte 56 einpaßt. In dem gleichen Loch, in"der Platte 26 liegt in dichtem Paßsitz zu dem.Fortsatz 115 ein Zylinder 116, der vorzugsweise aus einem geeigneten wärmeleitfähigen Material, z.B. Stahl hergestellt ist. Das gegenüberliegende' Ende des Zylinders 116 ist durch eine untere Stirnwand 118 abgeschlossen.

Diese letztere besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Zylinder. 116 und besitzt eine ■Mittelöffnung, in der ein zweiter Zylinder 120 aus gleichem Material eingebaut ist. Das untere Ende des. Zylinders 120 wird durch den Wärmetauscher 16 geschlossen, der im einzelnen weiter unten beschrieben wird. ...

Das untere Ende des Ventilgehäuses 72 ist von einem" Verdränger 17 umschlossen, der aus einem ersten (oberen) Abschnitt 122 besteht, der in dem Zylinder. 116 gleitet, und es ist ein zweiter (unterer) Abschnitt 124 vorgesehen, der im Zylinder 120 gleit- · bar ist. Der obere Abschnitt 122 weist eine Mittelbohrung 126 auf, um das Ventilgehäuse 72 aufzunehmen. Die Bohrung 126 ist. im Hinblick auf das Ventilgehäuse 72 überbemessen und mit einem Abschnitt 128 vergrößerten Durchmessers am oberen Ende versehen.. In diesem oberen Endabschnitt 128 befindet sich ein Metallring 130, der in die äußere Oberfläche des Ventilgehäuses

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72 gleitbar einpaßt. Der.Ring 130 ist an dem Abschnitt 122 des Verdrängers durch geeignete Mittel verbunden. Außerdem weist der Verdränger zwei elastische Dichtungen 132 und 134 auf, die durch einen Haltering 136 gesichert sind'. Dieser wird an Ort und Stelle durch Schrauben gehalten, die in Gewindelöcher im Abschnitt 122. des'Verdrängers eingeschraubt sind. Die Dichtung 132 bildet eine Gleitdichtung gegenüber dem Ventilgehäuse 72, und sie kann auch dazu dienen, den Ring 130 an Ort und Stelle zu halten, ■während die Dichtung 134 eine Gleitdichtung gegenüber' der benachbarten- Oberfläche· des umgehenden Zylinders 116 bildet. Das. untere Ende des Verdrängerabschnitts 124 ist mit einem Haltering 156 ausgestattet, der einen elastischen Dichtungskörper 158 an Ort und Stelle, hält, der gleitbar im Zylinder 120 i.st und eine hermetische Dichtung zwischen dem Zylinder und dem Abschnitt 124 herstellt. Der Ring 156 liegt, wie aus der Zeichnung ersichtlich, im Abstand zum Zylinder

•20 120. .

Wie aus Figur 1 und 2 erkennbar, ist der Verdränger zwischen einer unteren Grenzstellung, in der der Ring 130·. am Flansch -94 des Ventilschiebers 74 anliegt, wenn letzterer in seiner oberen Grenzstellung befindlich ist und einer oberen Grenzstellung beweglich, in-der die- Oberfläche· 141 des Abschnitts 122 durch den Flansch 94 des Ventilschiebers angehalten ist, wenn letzterer in seiner obersten Stellung befindlich ist.

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Die Länge des Verdrängerabschnitts 122 ist so bemessen, daß die- untere. Oberfläche 148 kurz vor der Wand 118 liegt-, wenn der Ventilschieber. 74 und der Verdrängerabschnitt 122 in ihrer unteren Grenzstellung befindlich sind. Um'eine schnelle Strömung in die Kammer 6 über die Leitung 112 hinein und aus dieser heraus zu gewährleisten, ist ein Teil der Unterseite 148 des Abschnitts 122 hinterschnitten, so daß eine ausgenommene Oberfläche 149 gebildet wird, die einen Spalt zwischen sich und der Stirnwand 118 bildet, wenn .die Oberfläche 148 an der Stirnwand fast oder ganz anliegt.

Der thermische Regenerator. 12 besteht aus., einer zweistufigen Vorrichtung. Ein erster oberer Abschnitt besteht aus mehreren Bronzeschirmen, die schematisch bei 170 dargestellt sind und benutzt werden, um eine Abkühlung auf eine Temperatur von etwa 27° K zu erlangen. Der zweite untere Abschnitt des thermischen Regenerators 12 ist mit einer Vielzahl sphärischer Bleikugeln gefüllt, die schematisch bei 172 dargestellt sind, und die dazu dienen eine Kühlung auf. eine Temperatur von etwa 20° K zu erreichen Die relativen Längen der Abschnitte der Bronzeschirme 170 und der Bleiperlen 172 ist eine Frage.der Optimierung. Vorzugsweise hat der Bronzeschirm eine Maschenweite von 0,075 mm (200 mesh), während die Bleiperlen einen Durchschnittsdurchmesser von 0,25 mm bis 0,30 mm.aufweisen. Die Regeneratorabschnitte 170 und" 172 liegen innerhalb des Zylinders 102.Das untere Ende des. Zylinders ist durch eine

Metallstirnwand 180 abgeschlossen. Diese Stirnwand ist mittels einer Metal leitung 182 an den Wärme-• tauscher 16 angeschlossen. Der Regenerator 10 besteht aus einer Mehrzahl von, Bro.nzeschirmen 184, die eine Durchschnittssiebweite von· 0,11 mm aufweisen und im Zylinder 100 angeordnet sind. Das untere Ende des Zylinders 102 wird durch den Wärmetauscher 14 abgeschlossen.

Der Wärmeaustauscher 16 weist einen kupferpfropfen 190 auf, der am unteren Ende des Zylinders 120 angeordnet ist. Der Pfropfen 190 hat einen oberen Abschnitt 192 mit relativ großem Durchmesser und einen unteren Abschnitt 184 mit relativ kleinem Durchmesser. Der untere Abschnitt 194 des Kupfer-■ pfropfens 190 mit kleinerem Durchmesser steht in einen Stahlring 200 ein und ist in diesem befestigt. Dieser Stahlring erstreckt sich . in den.Zylinder und ist in diesem festgelegt. Der obere Abschnitt 192 ist hohl und mit .mehreren axial .verlaufenden ■Kanälen 196 versehen, die durch seine Wand hindurchlaufen. Die äußere Oberfläche des oberen Abschnitts 192 ist von der inneren Oberfläche des Zylinders 120 im Abstand derart angeordnet, daß ein schmaler Ringkanal 198 verbleibt, der eine Breite von z.B..ungefähr-0,025 mm bis 0,15 mm aufweist und mit dem Ringspalt zwischen dem Rand des Halterings 156 und dem Zylinder- 120 in Verbindung steht. Außerdem hat der Pfropfen 190 eine ringsum laufende Nut 197, die die Kanäle' 196 und 198 schneidet. Ein

■ Stahls'topfen 200. ist. innerhalb des oberen Abschnitts 1=2 festgelegt,· so daß ein Raum 202 gebildet wird,

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der als Ringleitung zur Zuführung von Strömungsmittel nach den Radialöffnungen 196 dient, die mit dem Ringkanal 198.in Verbindung stehen. In der Mitte steht die Ringleitungskammer 202 mit einem Kanal 206 in dem Abschnitt 194 in Verbindung,- der durch' eine Seitenöffnung imRing 200 nach der Leitung 182 führt. Durch diese Konstruktion wird es mögiich, daß das Kühlmittel zwischen der Kühlkammer 8 und dem thermischen Generator 12 über die Leitung 182,den Kanal 206, die Leitung 20-2, die Radialkanäle 196, die Nut 197 und den Ringkanal 198 strömen kann. Im folgenden wird auf die'Figuren 1 und "2 Bezug genommen". Der Wärmetauscher 14 weist einen Kupferpf rop.fen 208 auf, dessen unteres Ende.

an einem.Stahlring 209 befestigt ist, der ihn umgibt und nach dem Bodenende des Zylinders 10 des thermischen Generators verläuft und in diesem festgelegt ist. Der Pfropfen 208 besitzt einen Kanal 210, der mit einem. Loch im Ring 209 in Verbindung steht. In dem Loch des Rings befindet .sich ein Ende der Leitung 212.-Das andere Ende der Leitung 212 ist in einem Loch in der Stirnwand 118 festgelegt. Das' obere Ende des Pfropfens 208 wird durch eine Hülse 100 umgeben und erfaßt, und ist mit einer Mehrzahl radialer Schlitze oder Nuten 214 verseifen, die mit der Bohrung 216 relativ großen Durchmessers ' eine Verbindung herstellen. In jedem Radialschlitz befindet sich ein Einsatz 218, der aus einem relativ schmalen Abschnitt 220 und zwei relativ breiten End-" abschnitten 222 besteht. Der Teil 220 hat eine" Dicke die beträchtlich geringer ist als die Breite der-

Nuten 214, während die Endabs'chnitte 222 so bemessen sind, daß sie in die gegenüberliegenden Seiten der Nuten 214 einpassen. Diese Einsätze sind so bemessen, daß ihre äußeren'Endabschnitte 222 an der inneren Oberfläche des Zylinders 100 angreifen, während ihre inneren Abschnitte 222 mit der inneren Oberfläche"des Stopfens 208 fluchten, innerhalb der öffnung 216 ist ein Stab 226 gelagert·, der an den inneren Endabschnitten 222 der Einsätze 218 angreift und daher vollständig die Bohrung 216 blockiert und kein Strömungsmittel hindurchtreten läßt. Wie aus Figur 1 und 2 ersichtlich, sind die äußeren Endabschnitte 222 der Einsätze 218 mit herabhängenden Fortsätzen 230 versehen, die an den Oberflächen 232 .angreifen, welche den'Boden der Nuten 214 bilden und so die Einsätze 218 von diesen Oberflächen im Abstand halten. Infolgedessen wird eine Ringkammer 234 geschaffen, die die unteren Enden aller Nuten 214 mit dem Kanal 210 verbindet. Das obere Ende des Stopfens 208 besitzt eine Gegenbohrung 238, die eine obere Kammer bildet. Die Stange 226 besitzt, einen Flansch 229, der über der oberen Endoberfläche des Stopfens 208.liegt und die Innenseite der Kammer 238 bildet. Der Flansch und der erhobene äußere Abschnitt des oberen Endes des Stopfens 208 bildet den unteren Träger für die Schirme. 184, Infolgedessen kann das Kühlmittel in der einen oder anderen Richtung zwischen der Kühlkammer und dem thermischen Regenerator 10 über die Leitung 212, den Kanal 210, die Leitung 234, die Nuten 214 und die Kammer 238. abfließen. Die Stopfen 208 und 194.wirken mit den

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Ringen 209 und 200 so zusammen, daß sie als erste bzw. zweite Stufe des Wärmeaustauschers arbeiten. Wie weiter unten erläutert, wird die erste Stufe des Wärmeaustauschers auf eine Temperatur von ungefähr 77° K'abgekühlt, während die zweite Stufe des Wärmeaustauschers auf eine Temperatur.von etwa 20° K abgekühlt wird. Gemäß der Erfindung ist. die · Länge des Zylinders 120 derart bemessen, daß die zweite Stufe 194, 200 des Wärmetauschers axial unter die erste Stufe 208, 209 des Wärmeaustauschers versetzt ist.

Die Bewegung des Verdrängers nach oben oder nach unten hängt vom Vorhandensein einer Differentialkraft ab, die durch Strömungsmitteldrücke in den Kammern 6, '8, 18 und 19 erzeugt werden. Der Druck im Antriebsvolumen 18 bleibt so lange unverändert, wie der Druck' in der Kammer 28 unverändert bleibt, während die Strömungsmitteldrücke in den Kammern 6, 8 und 19 vo η der Einstellung des Ventilkörpers abhängen.. Wenn der Druckabfall über den Wärmetauschern und den thermischen Regeneratoren als vernachlässigbar angesehen wird, dann ist der Druck in der Kammer 19 immer im wesentlichen gleich dem Druck in den Kammern 6 und 8. Demgemäß stellt die Differentialkraft über dem Verdränger 17 die Differenz zwischen (a) der Summe des Produktes vom ■Druck in der Kammer 18 und der Fläche 1.41 und des' Produktes des Druckes in der Kammer 19'und der wirksamen Fläche 122 in der Kammer 19 dar, und (b)

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die Summedes Produktes von Druck in der Kammer 6 und wirksame Fläche 148 und 149 des Abschnitts 122, und des Produktes des Druckes in der Kammer 8 und der wirksamen Unterfläche des" Versetzerabschnitts 124 (Ring 156 und Dichtung 158). Dabei ist zu berücksichtigen , daß dann wenn der.Verdränger sich in seiner unteren Grenzstellung befindet, der Haltering 156 an dem oberen Ende des Zapfens 190 oder in der Nähe desselben angreift. Vorzugsweise werden zur Verminderung von. Lärm und zur Erhöhung der Lebensdauer die Oberfläche 148 und der Ring· 156 kurz vor Erreichen der Wand 118 und des Stopfens 190 stillgesetzt, wenn der Verdränger seine untere Grenzstel l.ung erreicht.

. .

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Figur 1 bis 3 beschrieben. Dabei wird von der Annahme' ausgegangen, daß der Ventilschieber 74 in seiner untersten Grenzstellung (Figur 1) befindlieh ist. und der Verdränger 17 nach oben bewegt wird und sich an einer Stelle kurz vor dem oberen Totpunkt befindet, wo die innere Oberfläche 141 am unteren Ende des Ventilschiebers 74 angreift.

Wenn der Verdränger 17 kurz vor seiner oberen Totpunktstellung befindlich ist, wie dies gerade beschrieben wurde, dann sind Strömungsmitteldruck und Temperatur in der Kältemaschine wie folgt verteilt:, (a) die Kammer 19 steht unter Hochdruck und Raumtemperatur; (b) die Kammern..6 .und 8 stehen unter . Hochdruck und auf niedriger Temperatur; Cc) die

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Kammern 18 und 62 stehen auf einem Zwischendruck IP und auf Raumtemperatur. Wenn der Verdrängerkolben sich weiter nach oben bewegt, dann greift die Oberfläche 141 am Ventilschieber 74 an und ■ 5 schiebt diesen in seine obere Grenzstellung (Figur 2), wenn der Ver'drängerkolben. seine obere Totpunktstellung erreicht. Wenn der Ventilschieber sich aus • seiner unteren GrenzstelLung in seine o.bere Grenzstellung oder umgekehrt bewegt, dann durchläuft

10· er einen Übergangspunkt. Bei diesem Übergangspunkt fluchtet der untere Rand der Umfangsnut 96 mit den oberen Rändern der öffnungen 85 der Nut 82, während der untere Rand dieser gleichen Umfangsnut 96 mit den unteren Rändern der öffnungen 85 der · " Nut 78 fluchtet. Wenn der Ventilschieber diese Übergangsstellung durchläuft, dann beginnt das Strömungsmittel aus der Kammer 19 nach der öffnung 32 über die Kanäle 112 und 114 auszutreten, wodurch der Druck in den Kühlkammern 6. und 8. Vermindert wird. Wenn das Schiebeventil in seiner oberen Grenzstellung (Figur 2) befindlich ist und der Verdränger sich in seiner oberen Totpunktstellung befindet, dann wird das kalte Hochdruckgas'in den Kammern 6 und 8 über den Regenerator 10 bzw. 12 ausgeblasen. Wenn das Gas ausgeblasen wird, dann wird es durch die Matrizen der beiden Regeneratoren aufgeheizt, wodurch letztere gekühlt werden. Wegen des niedrigeren Druckes in den Kammern 6 und 8 wird nunmehr eine neue Differentialkraft auf den Verdrängen kolben 17 ausgeübt, die diesen nach unten bewegt.

Wenn der Verdrängerkolben seine Bewegung nach unten

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beginnt,· dann bleibt der Ventilschieber 74 in der oberen Grenzstellung infolge des dichten Paßsitzes mit dem Ventilgehäuse 72 und des Einflusses der Gasströmung, die durch, seine öffnungen 85 fließen, an die die Kanäle 78' und 80 anschließen. Wenn sich der Verdrängerkölben nach unten bewegt, dann drückt er unter niedrigem Druck stehendes kaltes Strömungsmittel aus den .Kammern 6 und 8 aus, und da der Ventilschieber 74 in seiner oberen· Grenzst.el lung befindlich ist, läßt .das Ventil 4 weiter Niederdruckgas aus den Kammern 6 und 8 über die Regeneratoren austreten. Die beiden- Regeneratoren kühlen sich weiter ab, wenn sie Wärme an den übrigen Kaltgasstrom abgeben, der aus den Kammern 6 und 8 ausgetrieben wird. Das kalte Gas, das durch die Regeneratoren 10 und 12 strömt, dehnt sich bei der Erhitzung aus und kühlt diese Regeneratoren weiterhin. ·

Wenn der·Verdränger Ί7 sich dem unteren Totpunkt nähert, dann nimmt der Ring 130 den Ventilschieber 74 mit und bewegt ihn über die Übergangsstellung nach der unteren Grenzstellung'(Figur 1). Der Verdrängerkolben hält an, wenn der . Venti!schieber 74 seine untere Grenzstellung erreicht hat.

Wenn der sich nach unten bewegende Ventilschieber 74 die Ubergangsstellung durchläuft., dann strömt Hochdruckströmungsmittel aus der Quelle -30A in die Kammer 19 über die Kanäle 84 und 86 ein, wodurch bewirkt wird, daß die Kammer mit Hochdruckgäs

niedriger Temperatur gefüllt wird, welches durch die beiden Regeneratoren in die Kammern 6 und 8 gelangt. Wenn·das warme Gas in die Kammern 6 und strömt, wird es gekühlt wenn es durch die kühlen 5" Regeneratoren 10 und 12 hindurchtritt. Der ansteigende Druck in den Kammern 6 und 8 in Verbindung mit dem unverändertem Zwischendruck in der Kammer

18 führt zu einer Differentialkraft über dem Verdrängerkolben·, die ausreicht um eine Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens einzuleiten. Wenn der Verdrängerkolben sich nach oben bewegt, dann bewirkt dies, daß mehr Gas unter hohem Druck bei Raumtemperatur aus der Kammer 19 durch·die Regeneratoren nach den Kammern 6 und 8 gelangt, wodurch ■ dieses zusätzliche Gas abgekühlt wird und. sich im Volumen verringert. Diese Vo.lumenverringerung schafft die Möglichkeit, daß mehr Gas aus der Kammer

19 in·die Kammern 6 und 8 eingesaugt wird.

Wenn der Verdrängerkolben sich in seine obere Totpunktstellung bewegt, dann trifft er wiederum auf den Ventilschieber und verschiebt diesen in seine obere Endstellung. Hierdurch wird bewirkt, daß der zuerst beschriebene Arbeitszyklus wiederholt· wird.

Wenn.der Verdrängerkolben seine obere Totpunktstellung erreicht, dann weist das System wiederum kaltes Hochdruckgas in den Kammern 6 und 8, Zwi- ' schendruckgas von Raumtemperatur in der Kammer 18 und' Hochdruckgas bei Raumtemperatur In der Kammer

19 auf. ! ·

Das Volumen der Kammer 8 kann wesentlich kleiner sein als jenes der Kammer 6, wenn der Wärmeaustauscher 16 kleiner ist als der Wärmeaustauscher 14. Da jedoch der Wärmetauscher 16 auf etwa 20° K abgekühlt wird ist es wesentlich, daß eine maximale Übertragung von Gas. in die Kammer 8 hinein und aus dieser heraus gewährleistet wird, um eine maximale Kühlwirkung in diesem Stadium zu erreichen. Die Arbeitsweise des Ventils 4, das seinen Zustand nur dann ändert, wenn der Verdrängerkolben sich seiner oberen oder unteren Grenzstellung nähert, verbessert die Wirksamkeit der.Kühlung in der zweiten Stufe, weil genug Zeit verbleibt,' in der sich der Druck in dem versetzten Volumen 8 von Niederdruck auf Hochdruck am Einlaßabschnitt des Zyklus ändern kann, und ebenfalls von Hochdruck auf Niederdruck im Ausblasabschnitt des Zyklus..

Die. Kühlkapazität des Systems kann natürlich dadurch vergrößert werden, daß die Durchmesser von

■ Verdrängerkolben 122 und 124 vergrößert werden, wodurch das Volumen der Kammern 6 und 8 vergrößert wird. Ein weiteres Ansteigen der Kühlkapazität kann auf die in·Figur 4 dargestellte Weise erreicht werden.

. Da die erste und zweite Kühlstufe parallel zueinander verlaufen und da die Regenerator/Wärmetauscher-Aufbauten radial voneinander distanziert sind, kann die Kühlkapazität mit mäßigem Aufwand relativ leicht vergrößert werden,, indem zwei oder mehrere

erste Kühlstufen und/oder zwei oder mehrere zweite thermische Regeneratoren an die Trägerplatte 26 angeschlossen werden, und indem sie durch den gleichen Steuerventil/Verdrängerkolbenaufbau gesteuert werden- Wie aus Figur 2 ersichtlich, können zwei der ersten Kühlstufeh, die ' schematisch durch die thermischen Regeneratoren 1OA und 1OB repräsentiert sind, und zwei Regeneratoren 12A und 12B der zweiten Stufe symmetrisch - um den Verdrängeraufbau 17 angeordnet und durch das Ventil 4 gesteuert werden. Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, muß man sich vergegenwärtigen, daß die Vorrichtung nach Figur 4 zwei diametral gegenüberliegende-Kanäle 84 besitzt, die im Winkel von 90° gegenüber zwei diametral ' gegenüberliegenden Kanälen 86 liegen, wobei ein Paar'jeder Leitungen 108 und 110- die Kanäle 84 und 86 mit den Regeneratoren 1OA und 10B bzw. 12A und .12B verbindet. Zwei Leitungen 182 verbinden die Regeneratoren 12A und 12B mit einem einzigen Wärmertauscher 16, und zwei Leitungen 212 verbinden zwei Wärmetauscher 1.4 mit derKammer 6. Es wurde berech-" net, daß obgleich nur ein Wärmetauscher 16-der zweiten Stufe in der Doppelanordnung gemäß Figur vorhanden ist, die Kühlkapazität fast verdoppelt werden kann, wenn der Durchsatz des Kühlmittels " verdoppelt wird.

Figur 5 veranschaulicht die Anwendung der.Erfindung auf eine kryogene Pumpe.. Die Figur 5 basiert aus der Kältemaschine gemäß Figur'1 und 2, jedoch ist

■ zu berücksichtigen, daß die Vorrichtung nach Figur 5 eine Kältemaschine mit Mehrfach-Regeneratoren in der ersten und zweiten Stufe aufweisen kann, wie dies unter Bezugnahme auf Figur 4 erläutert wurde. Abgesehen von der Kältemaschine und der Anordnung der Heizstationeri ist die Kryogen-Pumpe von herkömmlicher Ausbildung- Sie besteht aus einem Behälter 248 i.n Form eines Zylinders 250, der an einem Ende durch eine Trägerplatte 26 abgeschlossen ist und am gegenüberliegenden Ende einen Flansch .252 trägt. Der Flansch 252 wird hermetisch durch Bolzen 254 und' Muttern 255 und eine Dichtung 256 mit dem Flansch eines zweiten Behälters 258 verbunden, der als Arbeitszone wirken kann, in. der irgend ein zu behandelnder Gegenstand,- z.B. eine Probe, ein Muster, ein elektronisches Schaltungselement oder dergleichen untergebracht.werden kann, welches auf niedriger Temperatur und niedrigem Druck gehalten werden soll. Innerhalb des Behälters 248 befindet sich eine Schalungsabschirmung 262 ii, Form eines Zylinders, der am oberen Ende durch eine Stirnwand 264 geschlossen ist, und der am unteren Ende offen ist. Die Abschirmung 262 besteht aus'Metall hoher Reflexionsfähigkeit und hoher thermischer Leitfähigkeit. Die Erwärmungsstation 208, 209 der ersten Stufe der Kältemaschine greift an der oberen Seite der Abschirmungswand 264 an, während die Wärmestation 194, 200 der zweiten Stufe und das untere Ende des • Regenerators 12'durch Löcher in jener Stirnwand hindurchstehen. An der Abschirmung ist eine herkömmliche Winkel-Prallplatte 266 angeordnet, die über

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das offene Ende der Abschirmung verläuft. Unter dieser Platte 266 ist mit der Wärmestation 194, 200 verbunden eine Kryogentafel 268' angeordnet, die aus zwei aneinandergef ü'gten,. kegelstumpf-

5" förmigen Gehäusen besteht, die aus" Perforationsmaterial, z.B. einem feinen Metallschirm bestehen, die mit Holzkohlenmehl angefüllt sind. Die Abschirmung 262 und die Winkelplatte 266 stehen auf etwa 77° K und sie sind der Wärmestation 208, 209 zu- -geordnet. Demgegenüber steht die Kryogentafel 268 auf etwa 20° K und ist der Wärmestation 194, 200 zugeordnet. Der Behälter 250 oder auch stattdessen der Behälter 258 ist über eine durch ein Ventil gesteuerte Leitung 270 mit einer mechanischen Vakuumpumpe 272 verbunden und wahlweise über eine weitere ventilgesteuerte-Leitung 274 mit einer Ionenpumpe 276. ■ . ■

Bei. der üblichen Arbeitsweise werden die Kammern der Behälter 248 und 258 anfänglich durch die Pumpen 272 und 276 evakuiert,und dann werden die Kammern während diese Pumpen noch arbeiten, einer Kryogen-Pumpung unterworfen, indem die Gase an den kalten Oberflächen der Tafel 266 an der"Kryogenplatte 268 und der Abschirmung 262 und den freiliegenden Oberflächen der Wärmetauscher 14 und 16 kondensiert werden. Der Wasserdampf friert auf den auf 77° K stehenden Oberflächen aus, wobei Sauerstoff und Stickstoff auf den äußeren Oberflächen der auf 20° K stehenden Kryogentafel 268 erstarren. Wenn edle Gase

vorhanden sind, dann werden diese durch die Holz-

kohlepartikel in der Kryogentafel 268 absorbiert.

Es ist bekannt, daß bei einer Sättigung von Holzkohle Mehl durch edle Gase die Notwendigkeit besteht, diese Holzkohle durch Entfernung der absorbierten Gase' zu regenerieren. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß die Kryogentafel auf 77° K oder höher erwärmt wird, so daß die edlen Gase verdampfen, und indem dann die.se Gase durch die mechanische Vakuumpumpe abgesaugt werden. Wenn eine auf 20° K stehende Kryogentafel auf.77° K oder eine noch höhere Temperatur gebracht wird, dann nimmt dies Zeit in Anspruch und bei bekannten V.orrich.-tungen erforderte diese Arbeitsweise ein Abschalten der gesamten Kältemaschine mit der Folge, daß die auf 77° K stehenden Oberflächen ebenfalls erwärmt wurden und daher eine längere Zeit erforderlich war, um die regenerierte Kryogentafel wieder auf ihre erforderliche Temperatur von 20° K abzukühlen.

Dieses.Problem wird durch die Abwandlung gemäß Figur 6 im wesentlichen beseitigt.

Die Abwandlung gemäß Figur 6 ermöglicht eine Abschaltung der zweiten Stufe (Regenerator 12 und Wärmetauscher 16), während die erste Stufe weiter arbeitet. In diesem Fall ist der Kopf 2 weiter abgewandelt, indem der Kanal 114 durch zwei Kanäle 86A und 86B ersetzt ist, und indem ein Magnetventil 290 hinzugefügt ist, welches in einer Bohrung 292 angeordnet ist, die mit den Kanälen 86A und 86B in Verbindung steht.

Der Kanal 86A schneidet den Kanal 86. Das Ventil 290 besitzt einen Stößel mit einem verjüngten Ventilkopf 294, der mit einem Sitz zusammenwirkt, der am äußeren Ende des Kanals 86A angeordnet ist.

Solange das Magnetventil nicht erregt- ist, kann eine Strömung zwischen der Nut 80 und dem Rohr 110 über den Kanal 86A, die Bohrung 292 und den -Kanal 86B fließen. Wenn das Ventil erregt ist, dann wird der Ventilkopf 294 so weit vorgeschoben, daß er voll auf dem Sitz ruht und die Strömung nach dem Regenerator 12 hin und von diesem her abschaltet. Der Verdrängerkolben und die erste Kühlstufe arbeiten jedoch weiter, da ein Strömungsmittel nach der Kammer 19 und den Regenerator 10 über die Leitung 84 fließen · kann (der Kanal- 86 leitet ebenfalls ein Strömungsmittel nach der Kammer 19). Infolgedessen verbleibt die Erwärmungsstation 208 auf etwa 77° K., während die Wärmestation 194 auf etwa die gleiche Temperatur 'angehoben wird. Nachdem die Kryogentafel 268 regeneriert ist, wird die Kühlung der Wärmestation 194 wieder eingeleitet, indem das Magnetventil 290 entregt wird. ■ .

Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile zusätzlich zu dem bereits beschriebenen und zwar einschließlich der Tatsache, daß die Konstruktion in gewisser Weise abgewandelt werden kann, um eine.Anpassung an die jeweiligen Herstellungstechniken und Erfordernissen des Einzelbetriebes zu bewirken. Die beiden Wärmetauscher sind einfach, betriebssicher und wirksam.

Der Wärmetauscher 14 ist insbesondere zweckmäßig, da die Benutzung der Einsätze 218 in den Nuten 214 es einfach macht, relativ schmale Spalte, auf gegenüberliegenden Seiten der Einsätze vorzusehen, die etwa 0,112·bis 0,152 mm aufweisen. Ohne die · Einsätze 218 wäre es schwierig und kostspielig, die Nuten 214 so schmal zu machen,"daß eine hoch wirksame Kühlung des gasförmigen Kühlmittels gewährleistet wird.

Ein weiterer Vorteil beruht auf der Tatsache, daß der Verdränger 17 aus Plastikmaterial, wie in der Zeichnung dargestellt, oder aus· Metall gefertigt · werden kann. Ein bevorzugtes Plastikmaterial hierfür ist Polypropylen. Ein aus Plastikmaterial bestehender Verdrängerkolben.hat den Vorteil, daß er durch Gießenoder Spritzen hergestellt werden kann und leicht von Gewicht ist.

Natürlich kann .die Erfindung auch noch in anderer Weise verwirklicht werden. So ist es beispielsweise möglich, den Wärmetauscher 16 so auszubilden wie den Wärmetauscher 14 oder umgekehrt. Es können auch andere Wärmetauscher anstelle der dar-. gestellten Wärmetauscher 16 oder 14 benutzt werden. Für.gewisse Anwendungen können die Einsätze 218 weggelassen werden, und die Schlitze werden so schmal gestaltet, daß sie dem beabsichtigten Zweck dienen können.

Claims (21)

• · ·♦ Patentansprüche Kryogene Kältemaschine, bei der (a) ein unter Druck stehendes Gas durch Wärmeaustausch und Expansion bei seiner Bewegung in eine Kammer variablen. Volumens über einen thermischen Regenerator abgekühlt wird, (b) das Gas durch hin- und hergehende. Bewegung eines Verdrängerkolbens übertragen wird und (c) eine zyklisch arbeitende Venti!vorrichtung das Einleiten von Hochdruckgas nach der Kammer und das Ablassen von Niederdruckgas aus der Kammer· steuert, dadurch.gekennzeichnet, daß ein Verdrängerkolben mit einem ersten μπα einem zweiten Verdrängerabschnitt vorgesehen ist, daß mit dem Verdrängerkolben Mittel zusammenwirken, die

1.5 . eine erste, eine zweite und eine dritte Kammer variablen Volumens bilden, daß ein Steuerventil mit Ventilgehäuse und mit Ventilschieber, der in diesem Ventilgehäuse verschiebbar ist, vorgesehen sind, wobei, das Ventilgehäuse einen . Hochdruckeinlaß, einen Niederdruckauslaß und wenigstens eine Übertragungsöffnung aufweist, daß das Ventil zwischen vorbestimmten ersten und zweiten'Grenzstel Ringen beweglich und so angeordnet ist, daß es abwechselnd Einlaß und Auslaß· mit· der übertraguhgsöffnung verbindet, wenn es sich in derersten bzw. zweiten Grenzstellung befindet,- daß das Ventil außerdem-Mittel aufweist, um ein unter Druck stehendes

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Gas nach der dritten Kammer zu überführen, daß der erste und zweite Regenerator so geschaltet sind, daß sie das Gas zwischen der Übertragungsöffnung und der- ersten und zweiten. Kammer übertragen, daß der Wärmeaustauscher in Wärmeverbindung mit dem Gas steht, welches nach der ersten und zweiten Kammer übertragen wird, und -daß Mittel vorgesehen sind, um (a) den Ventilschieber in die erste Grenzstellung durch den Verdrängerkolben zu versetzen, wenn der Verdrängerkolben sich in einer ersten Richtung bewegt und (b) den Ventilschieber zu veranlassen, sich in die zweite Grenzstellung durch den Verdrängerkolben zu bewegen, wenn sich der Verdrängerkolben in einer zweiten entgegengesetzten Richtung bewegt.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kammern variablen Volumens zum Teil von dem ersten und zweiten Abschnitt des Verdrängerkorbens gebildet werden.

3. Kältemaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochdruckgaseinlaß und ein-Niederdruckgasauslaß vorgesehen sind, daß erste und zweite thermische Regeneratoren das Gas nach der ersten bzw. zweiten kammer leiten, daß erste und.zweite "Wärmetauscher

in WärnieiUisUusch'verb" iriclurH] mit dom Gar. sLehen, welches nach der ersten und zwei ton Kammer bzw·, von diesn weggeführt, wird, daß ein unter Druck stehendes Gas'der dritten Kammer zugeführt wird, daß eine Steuereinrichtung' die Einlaßöffnung mit.dem ersten : . und zweiten thermischen. Generator verbindet, wenn sich der·Verdrängerkolben in einer Richtung I)CWtMiI. und um■■ (JCMi. AuUaIV ml t dein ersten und zweiten thermischen .Regenerator zu ver-. binden,'wenn sich der Verdrängerkolben in der entgegengesetzten Richtung bewegt, wobei der Verdrängerkolben so angeordnet ist, daß er sich in einer ersten Richtung bewegt, wenn der Gasdruck in der ersten und zweiten Kammer den Ga.sdruck- in der dritten Kammer überschreitet, und um.eine Bewegung in der Gegenrichtung zu machen, wenn der Druck in der dritten Kammer den Druck' in der ersteh· und zweiten Kammer überschreitet. ·

4. Kältemaschine nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,' daß der Verdrängerkolben erste und zweite Abschnitte besitzt, und daß die erste und zweite Kammer teilweise von dem. ersten und zweiten Abschnitt gebild.et sind. '·"'". · '

5. Kältemaschine, nach -Anspruch 3, '

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung ein·Schieberventil ist.

6. Kältemaschine nach Anspruch 5,

■ dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberventil ein Druckmittel nach der dritten Kammer leitet.

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7. Kältemaschine nach- Anspruch 6,

dadurch, gekennzeichnet, daß das Schieberventil ein Ventilgehäuse und einen Ventilschieber aufweist, daß das Ventilgehäuse erste und zweite Öffnungen, aufweist, die mit dem-Gaseinlaß bzw. dem Gasaus.laß und einer dritten

Öffnung verbunden sind, daß der Ventilschieber in dem Ventilgehäuse zwischen einer ersten und' einer" zweiten Grenzstellung beweglich ist und Mittel aufweist, um die dritte Öffnung an die erste und zweite- Öffnung anzuschalten, wenn er sich in der ersten bzw. zweiten Grenzstellung befindet, und daß Mittel vorgesehen · sind,· um die dritte Öffnung mit dem ersten bzw. zweiten Regenerator zu verbinden.

8. Kältemaschine nach Anspruch 6,

■ dadurch" gekennzeichnet, daß das Schieberventil mit einer ersten und einer zweiten Öffnung an den Einlaß "bzw." Auslaß angeschlossen ist, und daß der erste und zweite Regenerator mit der ersten oder zweiten Öffnung verbunden ist, je nach dem ob sich der "Verdrängerkolben'in der ersten oder zweiten Richtung bewegt.

9. Kältemaschine nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberventil -

die dritte Kammer mit einer Druckgasquelle verbindet.

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• ' Ό · · ρ ( 1

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10. Kältemaschine nach Anspruch 8,'

dadurch gekennzeichnet., daß eine vierte Kammer mit den Einlaß- und Auslaßöffnungen·verbunden ist, und daß die vierte Kammer an die dritte Kammer'angeschlossen ist.

11. Kältemaschine nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßöffnung mit der dritten Kammer verbunden .10. sind,, so daß der Druck in der dritten. Kammer in der Höhe zwischen dem Druck an'der ersten und zweiten öffnung steht. ■ . . ·

12. Kältemaschine nach. Anspruch 3,·

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Wärmetauscher an den ersten und zweiten • thermischen Regenerator angeschlossen und von diesem getragen - i.st. ■' ' · ·

13. Kältemaschine nach· Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,'daß erste und zweiter thermischer Regenerator exzentrisch zum Verdrängerkolben angeordnet "sind.

14. Kältemaschine nach' Anspruch .13,

dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Wärmetauscher .gegeneinander in Richtung parallel zur Achse des Verdrängerkolbens versetzt sind, und daß eijn Wärmeaustauscher radial gegenüber der Achse 'versetzt ist.

313S566

15. Kältemaschine nach Anspruch 3,

" dadurch gekennzeichnet, daß einer der Wärmetauscher einen Block aus warmeleitfähigem Material besitzt, der mehrere Schlitze aufweist, welche mehrere schmale Kanäle für das Gas bilden, und " ' daß die Kanäle zwischen gegenüberliegenden

Enden verlaufen, um das Strömungsmittel zwischen den schmalen Kanälen und einem der Regeneratoren zu führen, und daß Mittel vorgesehen sind, um das Strömungsmittel zwischen den schmalen Kanälen und einer der ersten.oder zweiten Kammer zu führen.

16. Kältemaschine nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet, daß der eine Wärmeaustauscher einen zweiten Block aus warmeleitfähigem Material besitzt, und daß das Strömungsmittel zwischen den schmalen Kanälen und einer der Kammern über einen Kanal im zweiten Block . geleitet wird.

17. Kältemaschine nach Anspruch 3,.

dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsventil selektiv die Gasströmung zwischen der Einlaß-Öffnung und dem ersten bzw. zweiten thermischen Regenerator unterbricht, so daß der eine thermische Regenerator abgeschaltet werden kann, während der andere weiter arbeitet.

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18. Kältemaschine nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Regeneratoren eine Matrix aus wärmeleitfähigem Material aufweisen, und daß die Matrix des einen Regenerators eine größere Wärmeübertragungskapazität als die Matrix des anderen Regenerators hat.

19. Kältemaschine nach Anspruch 3;

dadurch gekennzeichnet, daß sie mit anderen

Bauteilen zusammen eine kryogene Pumpe bildet, wobei diese Bauteile ein Gehäuse, eine Winkelplatte innerhalb des Gehäuses, eine Strahlungsabschirmung und eine kryogene Tafel aufweisen^ ■ die an einem der Wärmeaustauscher zwischen der

Wärmeabschirmung und der Winkelplatte angeordnet ist, während der andere Wärmetauscher in Wärmelei'tverbindung mit der Strahlungsabschirmung steht.

20. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: ' · .

Es ist ein Verdrängerkolben vorgesehen, der einen ' ersten und einen zweiten Abschnitt mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist; · ·

es ist .ein erstes und ein zweites Gehäuse vorgesehen, in denen die ersten und zweiten.

Abschnitte des Verdrängerkolbens laufen und hiermit zusammenwirken, um eine erste.und zweite Kammer variablen Volumens zu bilden;

ein erster und ein zweiter Wärmetauscherabschnitt stehen in Wärmeleitverbindung mit der ersten und zweiten Kammer und'leiten ein Kühlmittel nach der ersten und zweiten Kammer bzw. von dieser weg; . '

'

es ist ein erster und ein zweiter thermischer •Regenerator vorgesehen, der vom Kühlmittel durchströmt wird; -

der erste-und zweite thermische Regenerator ist an den ersten bzw. zweiten Wärmetauscher angeschaltet.; . ·

es ist ein Ventil vorgesehen,- um die Kühlmittel· strömung'nach dem ersten und zweiten Wärmetauscher und von diesem weg über den ersten und zweiten thermischen Generator zu leiten, wobei das Ventil einen Ventilschieber aufweist, der mit dem ersten Abschnitt des Verdrä.rigerkolbens über eine Totgangverbindung angeschlossen ist und hiermit zusammenwirkt, um eine dritte Kammer variablen Volumens zu bilden, und wobei der Ventilschieber zwischen einer ersten Grenzstellung (hierbei wird ein Kühlmittel unter Druck nach der ersten und

zweiten Kammer über den ersten und zweiten Regenerator geleitet) und einer zweiten Grenzstellung beweglich ist (in dieser zweiten Stellung wird das Kühlmittel aus den ersten und zweiten Kammern über den ersten und zweiten

Regenerator ausgeblasen), und wobei wenigstens einer der Wärmetauscher exzentrisch zu dem Verdrängerkolben angeordnet ist.

.

21. Kältemaschine nach Anspruch 20,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben frei durch ein Strömungsmittel differential .beweglich ist, und daß der Ventilschieber den Druck in der dritten Kammer so steuert, daß der Verdrängerkolben in den Gehäusen gemäß den

Strömungsmitteldrücken in der ersten, zweiten und·dritten Kammer hin- und herläuft.