DE3211778A1

DE3211778A1 - Kryogene kaeltemaschine

Info

Publication number: DE3211778A1
Application number: DE19823211778
Authority: DE
Inventors: Domenico S. 01741 Carlisle Mass. Sarcia
Original assignee: Oerlikon Buhrle USA Inc
Current assignee: Oerlikon USA Holding Inc
Priority date: 1981-03-30
Filing date: 1982-03-30
Publication date: 1982-12-09
Anticipated expiration: 2002-03-31
Also published as: DE3211778C2; CH659880A5; GB2098308B; FR2502761B1; JPH0432302B2; US4333755A; JPS57174663A; FR2502761A1; GB2098308A

Description

Kryogene Kältemaschine

Die Erfindung "bezieht sich auf eine kryogene Kältemaschine, bei der ein unter Druck stehendes Strömungsmittel durch einen Wärmetausch und durch eine Ausdehnung im Verlauf einer Bewegung in und aus einer ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer über einen thermischen Regenerator gekühlt wird und bei der die Bewegung des Strömungsmittels durch eine Hin- und Herbewegung eines Verdrängerkolbens und eine zyklische Betätigung eines Steuerventils erzielt wird, das die Einführung von unter hohem Druck stehendem Strömungsmittel in die Kammer und den Ausstoß von unter niedrigem Druck stehendem Strömungsmittel aus der Kammer steuert.

Es ist eine große Anzahl von verschiedenen Arten von kryogenen Kältemaschinen bekannt, die alle auf der kontrollierten zyklischen Bewegung eines ausdehnbaren

y" *

Strömungsmittels "beruhen, wobei ein geeigneter Wärmetausch zur Erzielung einer Kühlung durchgeführt wird. Beispiele hierfür sind in den US-Patentschriften

2 996 034, 2 996 035, 3 274 786, 3 333 4-33, 3 312 239,

3 321 926, 3 625 015, 3 673 809, 3 717 004, 3 733 837,

3 788 088, 3 802 211, 3 884 259, 4 036 027, 4- 078 389 und

4 118 943 sowie in der britischen Patentschrift 1 352 beschrieben.

Die vorliegende Erfindung geht im wesentlichen von einem Kühlsystem aus, das einen Kühlzyklus ausführt, wie er in den US-Patenten 2 996 035 und 3 625 015 beschrieben ist.

Bei dem Kühlzyklus gemäß der US-Patentschrift 2 996 wird ein unter hohem Druck stehendes Strömungsmittel in eine "warme" Kammer eingeleitet und strömt entlang eines Wärmespeicherpfades in zumindest eine "kalte" Ausdehnungskammer mit veränderlichem Volumen, wobei das Volumen dieser Kammer durch die Bewegung eines Verdrängerkolbens geändert wird und das Strömungsmittel unter niedrigem Druck in einen Niederdruck-Strömungsmittelbehälter oder an die Einlaßseite eines Kompressors ausgestoßen wird. Bei einem derartigen Kühlzyklus muß die Steuerung d.er Strömungsmittel-Strömung und der Bewegung des Verdrängerkolbens dauernd und genau zeitlich gesteuert werden, wobei die Betätigung der die Strömungsmittelbewegung steuernden Ventile in geeigneter Weise mit der Bewegung des Verdrängerkolbens koordiniert werden muß.

Bei der Kältemaschine gemäß der US-Patentschrift 3 625 wird die Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens mit Hilfe von mechanischen Antriebseinrichtungen erzielt,

während die Steuerung der Strömungsmittelbewegung durch Ventile mit Hilfe eines Drehventils erfolgt, das mechanisch mit den intriebseinrichtungen für den Verdrängerkolben verbunden ist.

Obwohl diese rotierende Ventilanordnung zuverlässig ist, ist sie relativ kompliziert und zwischen dem Kurbelgetriebe-Joch, das den Verdrängerkolben antreibt, und der Hauptantriebswelle eingefügt, die das Kurbelgetriebe-Joch mit einem Elektromotor koppelt, der als Hauptantriebsquelle für die Kältemaschine dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kryogene Kältemaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau, insbesondere des Steuerventils, eine relativ geringe Größe aufweist und einen genau steuerbaren Kühlzyklus ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ohteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Kältemaschine ist das bekannte rotierende Ventil durch ein relativ kleines Ventil mit relativ einfacher Konstruktion ersetzt, das in keiner Weise in die Verbindung des Kurbelgetriebe-Joches mit dem Hauptantrieb eingreift, sondern direkt durch den Verdrängerkolben betätigt wird. Die erfindungsgemäße Kältemaschine kann für unterschiedliche Kühlkapazitäten ausgelegt werden und ist relativ klein und leicht zu zerlegen und

zu reparieren, wobei sich ein genau gesteuerter Kühlzyklus ergibt. Der Ausdruck "Kältemaschine" wird hier in allgemeiner Bedeutung verwendet und schließt auch Verflüssigungseinrichtungen ein.

Bei der erfindungsgemäßen Kältemaschine wird der Verdrängerkorben mechanisch angetrieben und weist Teile auf, die das Steuerventil nur dann zur Umkehrung der Gasströmung betätigen, wenn sich der Verdrängerkolben im wesentlichen am Ende seines nach oben oder nach unten gerichteten Hubes befindet, so daß sichergestellt ist, daß die Gasübertragung durch den Regenerator mit hohem Volumen erfolgt und sich ein besserer Kühlwirkungsgrad ergibt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Kältemaschine weist diese einen Zylinder, einen in dem Zylinder beweglichen Verdrängerkolben, erste und zweite Kammern, die ein veränderliches Volumen aufweisen und durch den Zylinder und den darin angeordneten Verdrängerkolben begrenzt sind, Antriebseinrichtungen, die mechanisch mit dem Verdrängerkolben gekoppelt sind, um diese in dem Zylinder hin- und herzubewegen, so daß das Volumen der ersten und zweiten Kammern abwechselnd vergrößert und verkleinert wird, mit den ersten und zweiten Kammern verbundene thermische Speichereinrichtungen, die eine Strömung des Strömungsmittels zwischen den ersten und zweiten Kammern ermöglichen, einen Wärmetauscher, der mit der zweiten Kammer verbunden ist, und Steuerventileinrichtungen in Form eines Ventilschiebers auf, der betriebsmäßig mit dem Verdrängerkolben gekoppelt ist, um Kühlströmungsmittel in die erste Kammer einzuleiten und Kühlströmungsmittel aus dieser Kammer entsprechend der Bewegung des

Yerdrängerkolbens auszustoßen. Der Verdrängerkolben führt eine gesteuerte Hin- und Herbewegung aus, wobei die Bewegung des Verdrängerkolbens aus den folgenden vier Schritten besteht: _;

(A) Stoppen in einer ersten Grenzstellung;

(B) Bewegen von dieser ersten Grenzstellung in eine zweite Grenzstellung;

.(C) Stoppen an der zweiten Grenzstellung; und (D) Zurückbewegen zur ersten Grenzstellung.

Der Tentilschieber bewirkt das Eintreten von unter hohem Druck stehendem Strömungsmittel in die erste Kammer während zweier aufeinanderfolgender Schritte der Verdrängerkolben-Bewegung und den Ausstoß von unter niedrigem Druck stehendem Strömungsmittel aus der ersten Kammer während der anderen beiden aufeinanderfolgenden Schrxtte der Bewegung des Verdrängerkolbens. Das Steuerventil weist einen hin- und herbeweglichen Ventilschieber auf, der lediglich dann durch den Verdrängerkolben bewegt wird, wenn sich dieser seinen ersten und zweiten Grenzstellungen nähert, und es ist ein Ventilgehäuse vorgesehen, in dem der Ventilschieber verschiebbar angeordnet ist, wobei das Ventilgehäuse in einem Kopf angeordnet ist. Der hin- und herbewegliche Ventilschieber ist derart angeordnet, daß er verschiebbar eine Welle aufnimmt, die den Verdrängerkolben betriebsmäßig mit den Antriebseinrichtungen koppelt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Längsschnittansieht einer Ausführungsform einer kryogenen Kältemaschine, die nach dem Gifford-McMahon-Zyklus arbeitet, wobei die Verdrängerkolben- und Steuerventilmechanismen in einer ersten Grenzstellung gezeigt sind,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittansicht entlang der Linie 3-3 nach Fig. 2,

Fig. 4 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, bei der der Steuerventilmechanismus und ein Teil des Verdrängerkolbens in einer zweiten Grenzstellung gezeigt sind,

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 nach Fig. 4,

Fig. 6 und 7 der Fig. Ί ähnliche Ansichten einer weiteren Ausführungsform der Kältemaschine,

Fig. 8 eine bruchstückhafte Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Kältemaschine.

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In der folgenden Beschreibung werden die Begriffe "oben", "■unten", "warm", "kalt" und dergleichen aus Vereinfachungsgründen und in einer relativen Hinsicht verwendet, wobei sich diese Begriffe auf die Zeichnungen beziehen. Weiterhin ist es verständlich, daß die Kältemaschine in irgendeiner Weise ausgerichtet sein kann und daß die in der Zeichnung dargestellte Position nur aus Gründen einer einfachen Beschreibung gewählt wurde, wobei diese Ausrichtung allerdings die allgemein in der Praxis verwendete Ausrichtung ist. Weiterhin ist es verständlich, daß, obwohl Heliumgas das bevorzugte Arbeits-Strömungsmittel ist, die Kältemaschine auch mit anderen Gasen in Abhängigkeit von den gewünschten Kühltemperaturen verwendet werden kann, und zwar unter Einschluß von Luft und Stickstoff und anderen Gasen.

Die in den Mg. 1 bis 4- dargestellte Ausführungsform der Kältemaschine weist einen metallischen Kopf 2 und eine daraufsitzende Kappe 3 auf. Der Kopf 2 trägt ein Steuerventil 4-, das die Strömung des ausgewählten Kühlmittels in Gasform, beispielsweise Helium, nach und von den beiden, ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammern 6 (Fig. 4-) und 8 (Fig. 1) über einen thermischen Regenerator 10 steuert, der einem Verdrängerkolben 14- zugeordnet ist, der in einem einen Wärmetauscher 18 tragenden Metallzylinder 16 angeordnet ist. Der Kopf 2 ist mit öffnungen zur Aufnahme von Schrauben 20 versehen, die durch Bohrungen in einem Flansch 30 an der Kappe 3 hindurchlaufen und in Gewindebohrungen in einem kreisförmigen Befestigungsring 22 eingeschraubt sind, so daß der Kopf, die Kappe und der Befestigungsring miteinander als Einheit verbunden sind. Diese Einheit ist mit Hilfe voxi Schrauben

24 an einer Befestigungsplatte 26 befestigt. Der Ring weist eine Mittelöffnung auf, die derart bemessen ist, daß sie straff einen kurzen Ansatz 28 des Kopfes 2 aufnimmt, während die Platte 26 mit einer vergrößerten Öffnung 30 zur Aufnahme des Zylinders 16 versehen ist. Das obere Ende des Zylinders 16 ist in einer Gegenbohrung im Ring 22 angeordnet und an diesem Ring mit Hilfe geeigneter Maßnahmen befestigt, vorzugsweise durch Schweißen oder Hartlöten. Entsprechend bilden der Zylinder 16, der Ring 22, die Kappe 3 und der Kopf 2 eine getrennte Teilbaugruppe .

Der Kopf 2 ist mit einer sich in Längsrichtung erstrekkenden Bohrung 20 mit sich änderndem Durchmesser versehen. Wie es aus den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, weist die Bohrung einen unteren Abschnitt 34- mit größerem Durchmesser, einen mittleren Abschnitt mit relativ kleinem Durchmesser und einen oberen Abschnitt 36 mit einem Durchmesser auf, der zwischen den Durchmessern des unteren und mittleren Abschnitts liegt.

In dem unteren Bohrungsabschnitt 34-"ist ein Schieberventilgehäuse 38 befestigt, das zusammen mit einem Ventilschieber 40 das Steuerventil 4 bildet. Das Ventilgehäuse 38 ist so bemessen, daß es einen festen Sitz in dem einen größeren Durchmesser aufweisenden Bohrungsabschnitt 34 aufweist, und wird mit Hilfe eines Rollstiftes, beispielsweise wie bei 42 gezeigt, oder durch andere geeignete Befestigungseinrichtungen, beispielsweise eine Schraubengewindeverbindung oder eine Stellschraube, an seinem Platz gehalten. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht das Ventilgehäuse 38 aus Keramikmaterial und

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der Ventilschieber 40 besteht aus einer Metallhülse 44, an deren Außenoberfläche erste und zweite Keramikringe 46 und 48 befestigt sind, die durch eine metallische Abstandshülse 50 getrennt sind. Die Keramikringe 46 und 48 weisen eine derartige Größe auf, daß sie einen engen Gleitsitz in dem Ventilgehäuse 40 ergeben. Die Metallhülse 44 weist einen Flansch 45 auf, der mit dem Ring 48 zusammenwirkt, um eine kreisförmige gewählte unterlegscheibenartige leder 47 und einen diese umgebenden Reibring 49 aufzunehmen. Die Feder 47 hält den Reibring 49 gegen das Ventilgehäuse 38, mit dem Ergebnis, daß sich der Ventilschieber 40 nicht gegenüber dem Ventilgehäuse 38 bewegt, wenn er nicht durch den Verdrängerkolben angetrieben wird, wie dies noch näher erläutert wird- Der Ring 49 kann aus irgendeinem geeigneten elastischen Material, beispielsweise aus Metall, Gummi oder einem Kunststoffmaterial mit einem geeigneten Reibungskoeffizienten gegenüber dem Ventilgehäuse hergestellt sein. Für den Ring 49 steht eine große Auswahl von Materialien zur Verfügung, weil das Ventil nicht in wesentlichem Ausmaß gekühlt wird.

Wie dies weiterhin aus den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, weist das Ventilgehäuse 38 drei in axialem Abstand angeordnete Gruppen von radialen Anschlüssen oder Öffnungen 52, 54 und 56 mit identischer Größe auf. Die Öffnungen 52 bilden die Niederdruck-Auslaßöffnungen, die Öffnungen 54-sind Übertragungsöffnungen und die Öffnungen 56 sind Hochdruck-Einlaßöffnungen. Vorzugsweise weist jede Gruppe von Öffnungen eine gerade Anzahl auf, wobei die öffnungen so angeordnet sind, daß Jede Öffnung diametral einer anderen öffnung gegenüberliegt. Eine derartige Anordnung

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trägt dazu "bei, daß sichergestellt ist, daß der Strömungsmitteldruck um den Ventilschieber 40 herum gleichförmig ist, so daß der Ventilschieber nicht seitlich fest gegen das Gehäuse 38 gedruckt wird, was eine Reibungskraft hervorrufen würde, die eine geeignete Betriebsweise des Ventils behindern würde»

In. dem Kopf 2 und in Ausrichtung mit den radialen öffnungen 525 54 und 56 sind drei sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten 60, 62 bzw.64 angeordnet. Die Umfangsnut 60 steht mit mehreren am Umfang verteilten Kanälen in Verbindung, die am oberen Ende des Kopfes 2 enden und mit einer Kammer 68 in Verbindung stehen, die zwischen dem oberen Ende des Kopfes 2 und der Kappe 3 ausgebildet ist. Die nächstniedrigere Umfangsnut .62 steht mit einer Anzahl von Kanälen 70 in Verbindung, die zur Kammer 6 führen. Die unterste Umfangsnut 64 steht mit einem Kanal 72 in Verbindung, der zu einer Einlaßöffnung 74 führt, die durch ein Anschlußteil 76 gebildet ist, das an dem Kopf 2 befestigt ist. Das Anschlußstück 76 kann mit einer Leitung 80 verbunden werden, die zu einer Hochdruckgasquelle führt.

Wie dies weiterhin aus den Pig. 1 und 2 zu erkennen ist, umgibt die Hülse 44 des Ventilschiebers 40 eine Welle 84, die verschiebbar in dem Kopf 2 mit Hilfe eines Lagers 86 befestigt ist, das in dem oberen Bohrungsabschnitt 36 befestigt ist» Oberhalb des Lagers 86 befindet sich ein Dichtungselement 90, das eine hermetische Abdichtung der verschiebbaren Welle gegenüber dem Kopf 2 bewirkt. Das Dichtungselement 90 wird durch eine Halteplatte 92 festgehalten, die ihrerseits mit Hilfe von Schrauben

"befestigt ist, die in den Kopf 2 eingeschraubt sind.

Die Hülse 44 des VentilSchiebers 40 .weist derartige Abmessungen auf, daß sie nicht mit der Welle 84 in Eingriff steht. Das untere Ende der Hülse 44 ist vergrößert, um einen Flansch 94 zu bilden. Die Welle 84 erstreckt sich durch die Hülse 44 in eine Sackbohrung in einem Stopfen 96, und diese beiden Teile sind miteinander über einen Rollstift 98 verbunden. Der Stopfen 96 weist vorzugsweise ungefähr den gleichen Außendurchmesser wie der Plansch auf, so daß er als Anschlag für den Ventilschieber wirkt.

Das untere Ende der Ventilhülse 44 und der Flansch 94 erstrecken sich in eine Bohrung 100, die im oberen Ende des Verdrängerkolbens 14 ausgebildet ist. Ein Rollstift 102 ist in miteinander ausgerichteten Öffnungen in dem Verdrängerkolben und dem Stopfen 96 angeordnet und dient zur Befestigung des Verdrängerkolbens an der Welle 84, so daß sich diese beiden Teile als Einheit gegenüber dem Zylinder 16 bewegen.

Das obere Ende der Welle 84 ist an einem Kurbelgetriebe-Joch 108 befestigt, das einen langgestreckten horizontalen Schlitz 110 aufweist, der in kreisförmig gekrümmten und etwas vergrößerten Enden 112 endet. Eine Seite des Joches 108 ist mit einer Nut 114 versehen, um das Ende einer Führungsschraube 116 gleitend aufzunehmen, die in eine Bohrung in der Kappe 3 eingeschraubt ist und mit dem Joch zusammenwirkt, um eine Drehung der Welle 84 zu verhindern. Am oberen Ende des Joches 108 ist eine weitere Welle 84A befestigt, die als Verlängerung der Welle 84

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wirkt» Das obere Ende der Welle 84A ist verschiebbar in einem Lager 118 befestigt, das in einer Bohrung in der Kappe 3 angeordnet ist» Eine Hilfskappe 120 ist an der Kappe 3 befestigt und so ausgebildet, daß sie das obere Ende der Welle 841 aufnimmt, wenn diese das obere Ende des Betriebshubes erreicht. Eine Dichtung 124 ergibt eine hermetische Abdichtung des Kappenfußes 110, so daß der Strömungsmitteldruck in der Kammer 68 aufrechterhalten wird.

Gemäß den Fig» 1 und 2 ist eine Seitenwand der Kappe 3 mit einer öffnung 126 versehen, durch die hindurch sich die Antriebswelle 128 eines Elektromotors 130 erstreckt, der als Hauptantrieb der Kältemaschine dient» An dem freien Ende der Welle 128 ist eine Kurbelnabe 134 befestigt. Ein Motorflansch 131 ist an der Kappe 3 mit Hilf© von Schrauben 132 befestigt. An der Kurbelnabe 134 ist exzentrisch ein Kurbelzapfen 136 befestigt, auf dem eine Rolle 138 angeordnet ist, die in der !Tut 110 des Joches 108 angeordnet ist. Der Motor 13Ο ist in einem Gehäuse 142 eingeschlossen, das mit Hilfe geeigneter Einrichtungen, beispielsweise durch Schrauben 143, an der Kappe befestigt ist. Das Gehäuse 142 ist mit einem Anschlußstück 144 für den Anschluß einer Leitung 146 versehen, die al® Auslaßleitung für Wiederdruckströmungsmittel dient. Kanäle 147 und 149 in dem Motor 13Ο ermöglichen es dem Ni©- derdruckströmungsmedium, aus der Kammer 68 über den Motor 130 und das Gehäuse 142 ssur Leitung 146 au strömen.

Atta der vorstehenden Beschreibung ist au ©rkennen, daß, wenn der Motor 13Ο eingeschaltet wird, sich die Well© und bei ο,Ιθοθι» Drehung üb©r di®

Jochverbindung eine Hin- und Herbewegung der Welle 84-hervorgerufen wird. Die Welle 84- bewegt sich derart hin und her, daß sich der Verdrängerkolben 14- zwischen einer ersten Grenzstellung (Fig. 1), in der sich der Verdrängerkolben weit oben im Zylinder 16 und kurz vor einer Berührung des Ansatzes 28 befindet, und einer zweiten Grenzstellung (Fig. 2) bewegt, in der sich der Verdrängerkolben 14- weit unten in dem Zylinder 16 und kurz vor einer Berührung mit der metallischen Endwand 21 des Zylinders 16 befindet.

Der Verdrängerkolben 14 weist gemäß den Fig. 1 und 4- eine Anzahl von Kanälen 15Ο auf, die mit einer inneren Kammer 152 in Verbindung stehen, die den Regenerator 10 enthält. Der letztere kann verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise aus Bronzesieben, Bleischrot oder anderem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen oder diese umfassen, und zwar entsprechend der gewünschten Kühltemperatur. Das obere Ende des Verdrängerkolbens 14- ist durch eine perforierte kreisringförmige Platte verschlossen, die an dem Verdrängerkolben mit Hilfe geeigneter Schrauben befestigt ist und als Befestigung für eine elastische Abdichtung 160 dient. Zur Erleichterung des Zusammenbaus besteht die Platte I56 aus zwei halbkreisförmigen Abschnitten. Die Platte 156 weist mit den Kanälen 15Ο ausgerichtete Öffnungen auf. Die Dichtung ist in einer Umfangsnut am oberen Ende des Verdrängerkolbens 14- angeordnet und steht in Gleiteingriff mit der Innenoberfläche des Zylinders 16, so daß ein Gasaustritt zwischen dem Verdrängerkolben und der Innenoberfläche des Zylinders 16 am oberen Ende des Verdrängerkolbens verhindert wird. Der Innendurchmesser der Halteplatte 156 weist

gegenüber dem Außendurchmesser der Hülse 44 ein Übermaß auf, so daß der Ventilschieber 40 sich frei gegenüber dem Verdrängerkolben bewegen kann. Dieser Innendurchmesser ist jedoch kleiner als der Außendurchmesser des Flansches 94, so daß die Halteplatte mit diesem Flansch in Eingriff kommen kann, wenn sich der Verdrängerkolben nach unten bewegt, wie dies beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist, um auf diese Weise als Anschlag für den Ventilschieber zu wirken.

Das untere Ende des Verdrängerkolbens weist einen einen verringerten Durchmesser aufweisenden Abschnitt 1!?O auf, der einen Abstand von der Innenoberfläche des Zylinders 16 aufweist, um einen kreisringförmigen Spalt 172 zu bilden. Der Spalt 172 und das Strömungsmedium, das durch diesen hindurchströmt, bilden einen inneren Wärmetauscher zur Entfernung von Wärme aus dem umgebenden Teil des Zylinders 16. Am Verbindungspunkt des einen verringerten Durchmesser aufweisenden Abschnittes 170 mit dem übrigen Teil des Verdrängerkolbens 14 ist dieser mit einer Reihe von radialen Öffnungen 176 versehen, die eine Verbindung zwischen dem kreisringförmigen Spalt 172 und der inneren Kammer 152 herstellen. Das untere Ende der Kammer 152 des Verdrängerkolbens 14 ist durch einen Stopfen 178 verschlossen, der vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit besteht. Der Stopfen 178 ist an dem Verdrängerkolben 14 mit Hilfe geeigneter Einrichtungen, beispielsweise durch Schrauben, durch Hartlöten oder durch Schweißen, angebracht.

Gemäß den Eig. 1 und 4 umfaßt ein von dem Metallzylinder 16 getragener äußerer Wärmetauscher 18 einen Hauptteil

180 mit hoher thermischer Leitfähigkeit, der schalenförmig ist und an dem unteren Ende des Zylinders 16 in Berührung mit der eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisenden Endwand 21 verbunden ist. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist zu erkennen, daß das untere Ende des äußeren Wärmetauscherhauptteils 180 mit derjenigen Vorrichtung verbunden, ist, die gekühlt werden soll, beispielsweise einem Infrarotdetektor oder einer Vakuumkammer.

Wie dies aus den Mg. 1 bis 4 zu erkennen ist, weist die Ventilhülse 44 einen kleineren Außendurchmesser auf als die Keramikringe 46 und 48, so daß sich eine kreisringförmige Nut 190 ergibt. Die axiale Länge der Hut 190 ist vorzugsweise derart, daß dann, wenn sich der Ventilschieber in seiner oberen Grenzstellung (Pig. 1) befindet, das obere Ende der Nut mit den oberen Kanten der radialen öffnungen 52 abschließt, während das gegenüberliegende Ende der gleichen Nut unterhalb der Unterkanten der Öffnungen 54 liegt, so daß eine Verbindung zwischen der Kammer 68 und der ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer 6 hergestellt ist. Wenn sich der Ventilschieber jedoch in seiner unteren Grenzstellung (Pig. 2) befindet, schließt das untere Ende der kreisringförmigen Nut 190 mit den unteren Kanten der radialen Öffnungen 56 ab, während ihr oberes Ende oberhalb der Oberkanten der öffnungen 54 liegt, so daß eine Verbindung zwischen der Leitung 80 und der ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer 6 hergestellt ist. Wenn sich der Ventilschieber in seiner oberen Grenzstellung befindet, so ist die Leitung 80 gegenüber der Kammer 6 verschlossen. Wenn sich der Ventilschieber in der unteren Grenzstellung befindet, so ist die Kammer 68 gegenüber der Kammer 6 verschlossen. Die

Grenzstellungen des VentilSchiebers 40 sind durch die Strecke bestimmt, über die der Ventilschieber in der einen oder anderen Richtung durch den Verdrängerkolben bewegt wird, weil die Reibung zwischen dem ßeibring 49 und dem Ventilgehäuse so eingestellt ist, daß sich der Ventilschieber lediglich dann und so lange bewegt, wie der Verdrängerkolben diese Bewegung erzwingt» Menu, dies erwünscht ist, kann die Länge der Nut 190 geändert werden, do ho sie kann verkürzt werden, so daß (a) wenn sich das Ventil in der oberen Grenzstellung (Pig«. 1) befindet, die oberen und unteren Enden der Hut glatt mit den Oberkanten der Öffnungen 52 und den Unterkanten der Öffnungen 54 abschließen, und (b) wenn sich der Ventilschieber in seiner unteren Grenzstellung (Pig» 2) befindet, die oberen und unteren Enden der Nut glatt mit den Oberkanten der Öffnungen 54 bzw. den Unterkanten der Öffnungen 56 abschließen»

Die Betriebsweise der Kältemaschine umfaßt die Zuführung eines unter hohem Druck stehenden Strömungsmediums von einer geeigneten Quelle«, beispielsweise der Auslaßseite eines Kompressors 200 über eine Leitung 8O₅ und das Ausströmen von unter niedrigem Druck stehendem Strömungsmittel zu einem unter niedrigem Druck stehenden Vorratsbehälter, beispielsweise zur Einlaßseite des Kompressors 200, über die Leitung 146.

Die Betriebsweise der in den Fig» 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform wird mm, beginnend mil; der Annahme₉ beschrieben, daß sich der Ventilschieber 40 in seiner unteren Grenzstellung (Fig» 4) befindet und daß sich der Ver~ drängerkolben 14 nach oben bewegt, wobei sich das obere

Ende des Verclrängerkolbens an einem Punkt kurs vor dem oberen Totpunkt befindet, an dem der Stopfen 96 zuerst mit dem Flansch 94 am unteren Ende des Ventilschiebers i" Eingriff kossat®

Wenn sich der Verdrängerkolben 14 gerade kurz vor seiner gerade beschriebenen oberen Totpunktstellung befindet,, se sind die Strömixagsmitteldr-uck- vnä iDsrnperaturl-säingun^i?- in der Kältemaschine wie folgt: (a) Die Kammer 6 x-yeist einen hohen Druck und, eine hohe Saumtemperatur auf: (b) die Kammer 8 weist ©inen hohen Druck und eine niedrige {Temperatur auf«, Wenn der Verdrängerkolben seine Bewegung nach oben fortsetzte kommt der Stopfen 96 mit dem Flansch 94 des Ventilschiebers 40 in Eingriff und verschiebt diesen nach oben. Der Ventilschieber 40 erreicht seine obere Grenzstellung (Fig. 1) gleichzeitig₅ wenn der Verdrängerkolben seine obere Totpunktposition erreichte Wenn sich der Ventilschieber von seiner unteren G-renzstel= lung zur oberen Grenzstellung oder umgekehrt bewegt_s bewegt er sich über einen Übergangspunkt» In diesem Übergangspunkt schließt die Unterkante der Hut 190 mit den Oberkanten der Öffnungen 56 ab, während die obere Kante der gleichen Umfsagsnut mit den Unterkanten der Öffnungen 52 abschließt» Wenn der Ventilschieber diesen Übergangspunkt durchläuft, beginnt das Strömungsmittel aus der Kammer 6 zur Leitung 146 über die Kanäle 70 und 66 und die Kammer 68 auszuströmen, so daß der Druck in den Kammern 6 und 8 verringert wird. Wenn sich der Ventilschieber in seiner oberen G-renzstellung (Fig» 1) befindet und der Verdrängerkolben sich in seiner oberen Totpunktposition befindet, strömt kaltes, unter hohem Druck stehendes Gas in der Kammer 8 durch den Regenerator 10 bzw« die

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warme Kammer 6 aus« Während das Gas ausströmt, wird es durch die Matrix des Regenerators aufgeheizt und kühlt diesen Regenerator. Wenn der Verdrängerkolben nun seine nach unten gerichtete Bewegung beginnt, die erfolgt, nachdem der Ventilschieber seine obere Grenzstellung erreicht hat, so bleibt der Ventilschieber in seiner oberen Grenzstellung und der Verdrängerkolben drückt unter niedrigem Druck stehendes kaltes Strömungsmittel aus der Kammer 8 heraus, und das Ventil läßt weiterhin unter niedrigem Druck stehendes Gas aus den Kammern 6 und 8 ausströmen. Der Regenerator wird weiter abgekühlt, weil er Wärme an den Rest des kalten Gases abgibt, das aus der Kammer verdrängt wird. Das durch den Regenerator 10 strömende kalte Gas dehnt sich bei der Erwärmung aus, wodurch der Regenerator weiter abgekühlt wird. Wenn sich der Verdrängerkolben seiner unteren Totpunktposition nähert, kommt der Haltering 156 mit dem Ventilschieber in Eingriff und bewegt diesen über die Ubergangsposition zur unteren Grenzstellung (Fig. 4).

Wenn der sich nach unten bewegende Ventilschieber seine Übergangsposition durchläuft, strömt unter hohem Druck stehendes Strömungsmittel aus der Leitung 80 über die Kanäle 72 und 70 in die Kammer 6, so daß diese Kammer mit unter hohem Druck stehendem und eine niedrige Temperatur aufweisendem Gas gefüllt wird, das über den Regenerator in die Kammer 8 strömt. Wenn das warme Gas in die Kammer 8 strömt, wird es beim Hindurchlaufen durch den kalten Regenerator 10 gekühlt. Der Druck in den Kammern 6 und steigt an, während das unter hohem Druck stehende Gas über die Leitung 80 eingepumpt wird. Der Verdrängerkolben erreicht seine untere Grenzstellung und beginnt dann

aufgrund der Wirkung des Kurbelgetriebes erneut seine nach oben gerichtete Bewegung. Wenn sich der Verdränger= kolben nach oben bewegt, bewirkt er die Strömung von weiterem, unter hohem Druck stehendem und Raumtemperatur aufweisendem Gas von der Leitung 80 in die Kammer 8 über die Kammer 6 und den Regenerator 10, mit dem Ergebnis,, daß dieses zusätzliche Gas gekühlt wird, während es durch den Regenerator hindurchströmt, wobei gleichzeitig eine Volumenverringerung auftritt. Diese Volumenverringerung ermöglicht es, daß mehr Gas in die Kammer 8 eingesaugt wird, während sich der Verdrängerkolben nach oben bewegt.

Wenn sich der Verdrängerkolben zu seiner oberen Totpunktposition bewegt, trifft er wiederum auf den Ventilschieber auf und bewegt diesen in die obere Grenzstellung, so daß das Gas in den Kammern 6 und 8 erneut über die Kammer 68, die Kanäle 14-7 und 14-9 sowie die Leitung 146 ausgestoßen wird.

Der vorstehend beschriebene Arbeitszyklus wird wiederholt, wenn der Verdrängerkolben weiter durch den Hauptantrieb hin- und herbewegt wird. Es sei bemerkt, daß dann, wenn der Verdrängerkolben seine obere Totpunktposition erreicht, das System wiederum kaltes, unter hohem Druck stehendes Gas in der Kammer 8 und Raumtemperatur aufweisendes , unter hohem Druck stehendes Gas in der Kammer enthält.

Die beschriebene Ausführungsform und ihre Betriebsweise ergibt zusätzlich zu den bereits genannten wesentliche Vorteile, unter Einschluß der Tatsache, daß die

Konstruktion in verschiedener Weise abgeändert werden kann, um sie an zur Verfugung stehende Herstellungstech« niken und Forderungen hinsichtlich der Betriebseigenschaften anzupassen» Die inneren und äußeren Wärmetauscher , die auch andere Formen aufweisen können, sind ein· fach, zuverlässig und wirkungsvoll _a Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß der Regenerator 10 ebenfalls verschiedene Formen aufweisen kann, beispielsweise Siebe oder Bleischrot, wie dies weiter oben beschrieben wurde, und zwar in Abhängigkeit von der (Temperatur, auf die das Gas abgekühlt werden soll«,

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der !Tatsache,, daß der Verdrängerkolben aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden kann. Weiterhin ist es zu erkennen^ daß der thermische Regenerator außerhalb des Zylinders 16 angeordnet sein kann, wie dies beispielsweise in Fig» 5 der GB-Pat ent schrift 1 352 153 gezeigt ist«, wobei in diesem Fall der Verdrängerkolben ein massives Teil oder ein an beiden Enden verschlossenes hohles Teil sein kann, und es können geeignete Leitungen an den oberen und unteren Enden des Zylinders 16 vorgesehen sein, die eine Verbindung mit dem äußeren. Regenerator herstellen»

Eine weitere mögliche Modifikation besteht darin«, daß andere mechanische Einrichtungen zur Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens vorgesehen werden, beispielsweise ein seine Drehrichtung automatisch umkehrender Elektromo·= tor oder ein pneumatisch oder hydraulisch betätigtes Stellglied, beispielsweise ein doppelt wirkendes pneumatisches Stellglied, das direkt mit der Welle 84-A verbunden ist. Eine weitere mögliche Modifikation besteht in

einer Änderung der Konstruktion des Schieber-ventils₉ beispielsweise dadurch, daß mechanische Anschläge zum Stoppen des VentilSchiebers vorgesehen werden, wer in dieser seine GrenzStellungen erreicht. Weiterhin kann die Kältemaschine eine zwei- oder dreistufige Einrichtung sein, wie beispielsweise in den US-Patentschriften 3 802 211 und 4 036 02? "und in der GB-PS 1 352 153 beschrieben ist.

Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei Modifikationen der beschriebenen Ausführungsform unter Verwendung ion Schiebe= ventilen, die ähnlich denen sind, die in der G-B-Pa t ent schrift 1 352 153 beschrieben sind. Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtiuig nach Fig. 6 ist ein Verdrängerkolben 200 in einem Zylinder 202 angeordnet«. Las-obere Ende des Verdrängerkolbens endet in einem Ansatz 206 mit einem Flansch 208. Einander gegenüberliegende Schultern 210 und 212 sind an dem Verdrängerkolben an dem unteren Ende des Ansatzes und durch den Flansch am oberen Ende des Ansatzes gebildet. Der Verdrängerkolben 200 ist hohl und enthält einen Regenerator 214, der aus irgendeinem geeigneten Material bestehen kann, beispielsweise aus Phosphor-Bronze-Sieben» Kanäle 216 und 218 in dem Verdrängerkolben ermöglichen eine Gasströmung zwischen der Ausdehnungskammer 220, die zwischen dem Verdrängerkolben und dem unteren Ende des Zylinders gebildet ist, und der Kammer oder dem Raum 222, der zwischen dem Ansatz 206 und dem Zylinder gebildet ist. Die Kammer 222 bewegt sich in Längsrichtung des Zylinders mit dem Verdrängerkolben» Eine 0-Ring-Dichtung 224, die in einer Hut im oberen Ende des Verdrängerkolbens benachbart zur Schulter 210 angeordnet ist, verhindert eine Gasströmung in die und aus

der Ausdehnungskammer 220 als Folge einer Umgehung des Eegenerators dadurch, daß das Gas in den kreisringförmigen Spalt strömt, der durch das Spiel zwischen dem Verdrängerkolben und dem Zylinder gebildet ist. Der Flansch 208 liegt vorzugsweise eng an der Innenoberfläche des Zylinders 202, um eine Führung des Verdrängerkolbens bei seiner Hin- und Herbewegung zu unterstützen, wobei keine Maßnahmen getroffen sind, um eine Gasströmung zwischen dem Flansch und dem Zylinder zu verhindern» Eine oder mehrere öffnungen 226 in dem Flansch 208 ermöglichen eine schnelle Gasströmung von dem Baum 222 in den Raum 223, der zwischen dem Flansch 208 und dem oberen Ende des Zylinders gebildet ist.

Ein Einlaß an die Ausdehnungskammer 220 ist durch eine Vielzahl von kleinen, in Umfangsrichtung angeordneten Öffnungen 232 gebildet, die in der Wand des Zylinders 202 ausgebildet sind. Ein Auslaß für diese Ausdehnungskammer 220 ist durch eine Anzahl von kleinen, in Umfangsrichtung angeordneten Öffnungen 234- gebildet, die ebenfalls in der Wand des Zylinders 202 unterhalb der Öffnungen 232 ausgebildet sind. An der Stelle der Öffnungen 232 und 234 umgibt die Außenwand des Zylinders 202 ein Umfangsring 236, der mit der Wand des Zylinders zusammenwirkt, um kreisringförmige Krümmer 238 und 240 für die Gasströmung zu bilden, die in die Öffnungen 232 und aus den Öffnungen 234 herausströmt. Eine Einlaßleitung 244 von einer (nicht gezeigten) Hochdruckgasquelle steht mit dem Krümmer 238 in Verbindung, während eine Auslaßleitung 246 für den Ausstoß von Gas, das aus der Ausdehnungskammer 220 austritt, von dem Krümmer 240 zu einer Kiederdruckgasquelle führt, wie dies noch näher erläutert wird.

Ob die Auslaßöffnungen oder die Einlaßöffnungen zum Raum 222 offen sind, hängt von der Relativposition eines Ventilschiebers in Form eines Ringes 250 ab, der sich in dem Zylinder im kreisringförmigen Raum 222 befindet. Der Ring 250 steht in Reibeingriff mit der Innenoberfläche des Zylinders 202 und besteht aus einem Material, das derart ausgewählt ist, daß der Reibungskoeffizient zwischen dem Ring und dem Zylinder derart ist, daß der Ring in einer vorgegebenen Position verbleibt, bis er mit dem Verdrängerkolben in Eingriff kommt und sich mit dem Verdrängerkorben in einer ersten und zweiten Richtung bewegt, solange der Verdrängerkolben diesen Ring in dieser Richtung drückt. Der Ring stoppt dann in seiner momentanen Position, wenn er außer Eingriff mit dem Verdrängerkolben kommt. Der Ventilring weist einen Abstand von dem Ansatz 222 auf, so daß ein schnelles Hindurclibtrömen des Kühlgases möglich ist, doch ist der Innendurchmesser des Ringes groß genug, damit er mit den Schultern 210 und 212 in Eingriff kommen kann.

Der Ventilring w®i->· eine Länge (die entlang der Achse des Zylinders gemessene Abmessung) auf, die wesentlich größer als die maximale Entfernung zwischen den Einlaßöffnungen 232 und den Auslaßöffnungen 234- ist, so daß verhindert wird, daß beide Sätze von Öffnungen gleichzeitig offen sind. Damit die Maschine eine wirkungsvolle Betriebsweise aufweist, ist die Länge des Ventilringes, der Abstand zwischen den Öffnungen 232 und 234- und der Abstand zwischen den Schultern 210 und 212 so gewählt, daß die Einlaßöffnungen 232 geschlossen und die Auslaßöffnungen 234- geöffnet sind, wenn das Volumen der Ausdehnungskammer 220 verringert wird, um das Ausmaß der

Gaskompression, zu verringern, die in der Kammer su dieser Zeit in dem Betriebszyklus auftritt» Weiterhin ist die Bemessung derart, daß die Einlaßöffnungen 232 offen sind, während die Auslaßöffnungen 234- geschlossen sind., wenn das Volumen der Ausdehnungskammer 220 vergrößert wird, so daß sich das Gas in der Ausdehnungskammer ausdehnen und abkühlen kann«,

Eine verbesserte Abkühlung x^ird dadurch erzielt«, daß die Schultern 210 und 212 einen derartigen Abstand aufweisen, daß die Strecke zwischen diesen Schultern ausreichend größer als die Länge des Ventilringes 250 ist, damit die Einlaßöffnungen 232 für den größeren Teil der Periode offen sind, während der sich der Verdrängerkolben nach unten bewegt, um das Volumen der Kammer 220 zu verringern, wobei weiterhin ermöglicht wird, daß die Einlaßöffnungen 232 und die Auslaßöffnungen 234- für den größeren Teil der Periode geöffnet bzw. geschlossen sind, während der sich der Verdrängerkolben nach oben bewegt, um das Volumen der Kammer 220 zu vergrößern»

Das obere Ende des Ansatzes 206 ist an einer Antriebswelle 84 befestigt, mit deren Hilfe der Verdrängerkolben 200 hin- und herbewegt wird» Das obere Ende des Zylinders 200 ist mit einer Kopfplatte 260 versehen, die eine od©r mehrere hermetische Dichtungen 263 trägt, die die Well© 84 in verschiebbarer Weise führen. Die Kopfplatte 260 ist durch eine Kappe 262 abgedeckt«, Schrauben 264 befestigen die Kopfplatte 260 und die Kappe 262 an einem Flansch 266 am oberen Ende des Zylinders. Die Kappe 262 trägt ein Gleitlager 268, das die Welle 84A führt, wobei ein Hilfskappenteil 270 das obere Ende der Welle 84A aufnimmt,

■■wenn diese Sas ob ©re Encle "ilireg Betriebslrubes or':-eic-M:~ Das Hilfskappenteil 2?O ist lionaetiseli gegenüber dem oW- ;?®ix End® der Kappe 262 abgedichtet« v/i® bei der AizsfiÜix-tüigszor-m n-?.ch den Fig» 1 bis 3 gezeigt;, wir";"! die Feil? 8'!- durch ein^ii Elektromotor. 1?O angetrieben ₅ der übs-r ei:_ BiurbelgetriebswToch. 108 wirkt» Der Motor ist in sines Gebanse 142A c-ingasehlosseiis öas an eiern Eappenteil 262 mit Hilfe von Schrauben 1^-5 befestigt ist= Der Motor 1JO •fir-d i"O,??sugsweise durch das aus οθοι Krümmer 240 aus strömende Säliluittsl gskühlto Entsprechend ist die Kappe 270 ffli^:: ei:·:·/?.? Übsrtragujigsöffnimg F^.sgs-bilcletj mit der die Auslaßleituu;: 24S verbOndeii ist₅ wobei das HotorgeliätTss ii-2.'.·. ein Auslaß-iiB.g;Glilußstüdk 144A aufweist tmd die Kappe 262 öifmmgen 26? aafifeisto Auf diese Weise kann das gasförmige Eüiilmittel bei niedrigst Druck s.us öer Kammer 228 über das Kotor-geiiäP-se ύοίχ 6,θβ V^^ärängsrkolben bei dss^ei:. Äiacli oben gerichteter Besue^'jig an^gestoßsa warden, vxiä gasföi:uig:-33 ICühlmittel oasr I^ft wird iL-, die Eaiamer 228 voii'äss ¥srtoäiiii@3?kolb©ja 'eingesogen₉ wezni sich dieser 2i?.ch iaiten b?-:.?9gto Dtise Hin·= und Herbewegimg τοπ gaefö^» Eis^Bc¹'' ^tröi^-'v.'".."" -"""·'.'/ jsX in dsm Gsiistiss Ί^-2-Α. bc-ii'irfst eine Süfcliivis ci'is Meters 13Oo Das Ayslaß-AnschltiBstiick 14^^!-Α ia"j "cr?v^s--"ia; oit einer Ieitimg 146 verbuaden, die z~ox linlaSgeite sinss Kompressors fülirt, während die Auslafissite des EoEpresso;?s mit der Einlaßleitnag 244

Zh Betrieb wirci der Verdrängerkolben 200 durch den Motor 130-hin·=- imel herbewegte Unter Druck stellendes Kühlgas wird d&m Zylinder 202 vJoer die Leitung 244 zugeführt, wenn sich der Yentilring 250 an einer derartigen Stelle befindet j daß er die Einlaßöffnungen 232 freigibt =

Andererseits strömt Kühlgas aus dem Zylinder über die Leitungen 24-6 und 146 aus, wenn der Venturing die Auslaßöffnungen 234 offen läßt. Wie dies weiter oben erwähnt wurde, bleibt der Ventilring 250 in irgendeiner vorgegebenen Position stehen, bis er aus dieser Position durch den Eingriff mit einer der Schultern 210 und 212 herausbewegt wird.

Wenn sich der Ventilring 250 an einer derartigen Position befindet, daß die Einlaßöffnungen 232 verschlossen sind, während die Auslaßöffnungen 234 geöffnet sind, und wenn sich der Verdrängerkolben nach unten bewegt, so wird Gas aus der Ausdehnungskammer 220 herausbewegt und strömt über den Regenerator 214 und Kanäle 216 und 218 in den Raum 222, worauf das Gas aus diesem Raum durch die Auslaßöffnungen 234 und die Leitung 246 austritt.

Während der Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 200 kommt die Schulter 212 mit dem Ventilring 250 in Eingriff. Wenn der Verdrängerkolben seine Abwärtsbewegung •fortsetzt, wird der Ventilring derart verschoben, daß die Auslaßöffnungen 234 geschlossen und gleichzeitig die Einlaßöffnungen 232 geöffnet werden, so daß unter hohem Druck stehendes Gas in den Zylinder über die Leitung 244 und die Einlaßöffnungen eintreten kann. Das eintretende Gas gelangt durch den Kanal 218, den Regenerator 214 und den Kanal 216 in die Ausdehnungskammer 220. Abgesehen von dem Zeitpunkt, zu dem die Kältemaschine gerade gestartet wurde, wird das Gas beim Hindurchlaufen durch den Regenerator gekühlt, der durch kaltes ausströmendes Gas aus den vorhergehenden Zyklen abgekühlt wurde. Wenn das Gas in die Ausdehnungskammer 220 strömt, wird der Druck in

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dieser Kammer vergrößert.

Der Verdrängerkolben erreicht seine untere Grenzstellung, wird gestoppt und wieder nach oben "bewegt, ohne daß er auf das untere Ende des Zylinders 202 auftrifft. Es ist zu erkennen, daß die exakte Position des 'Verdrängerkolbens, "bei der die Einlaßöffnungen geöffnet und die Auslaßöffnungen verschlossen xferden, durch geeignetes Anordnen der Öffnungen 232 relativ zu den Öffnungen 234- gewählt werden kann. Wenn sich der Verdrängerkolben erneut nach oben bewegt, bleibt der Ventilring 250 in seiner unteren Grenzstellung, die erreicht wurde, wenn der Verdrängerkolben gestoppt wurde. In dieser unteren Ventilgrenzstellung sind die Öffnungen 232 vollständig offen« während die Öffnungen 234- durch den Ventilring 250 vollständig verschlossen sind. Der Ventilring 250 bleibt in seiner unteren Grenz stellung, in der er die Öffnungen 234-verschließt, bis er wiederum mit der Schulter 210 des Verärängerkolbens in Eingriff kommt, wenn dieser seine nach oben gerichtete Beilegung fortsetzt, Wenn sich der Verdrängerkolten ii.cs.ch oben bewegt, wird das Volumen der Ausdehnungskammer 220 vergrößert, so daß mehr Gas in diese Kammer von den Einlaßöffnungen 252 über den Kanal 218, den ^Regenerator 214 und den Kanal 216 eintreten kann. Die se Si· eintretende Gas hält den Druck der Ausdehnungskammer auf dem Pegel des Gasdruckes in der Einlaßleitung 244. ■' - - '

Wenn der Verdrängerkolben seine nach oben gerichtete Bewegung fortsetzt, kommt die Schulter 210 mit dem Ventilring 250 in Berührung und drückt diesen in eine Position, in der die Einlaßöffnungen 232 verschlossen sind, während

die Auslaßöffnungen 234- offen sind« ¥enn dies erfolgt, beginnt das Gas aus der Ausdehnungskammer 220 auszuströmen, wodurch der Regenerator beim Hindurchströmen des Gases zu den Arislaßöffnungeii 234- gekühlt wird«

Wenn die Auslaßöff mangen 234- geöffnet sind, so daß Gasaus der Ausdehnungskammer 220 ausströmen kann, beginnt der Druck in dieser Kammer abzusinken und das aus der Kältemaschine über die Leitungen 24-6 und 14-6 austretende Gas weist einen niedrigen Druck auf.

Es ist zu erkennen, daß die Kammer 223 lediglich eine Verlängerung der Kammer 222 ist, so daß der Gasdruck auf der Oberseite des Flansches 208 gleich dem Gasdruck auf dessen Unterseite ist«

Die zeitliche Steuerung der Bewegung des Ventilringes 250 hängt von der Länge der Bewegungsbahn ab, die der Verdrängerkolben vom Beginn seines nach oben oder nach unten gerichteten Hubes durchläuft, bis er mit dem Ventilring in Berührung kommt» Diese Lange ist gleich der Differenz zwischen der Länge des Ringes 250 und der Länge des Abstandes 222j do h. dem Abstand zwischen den Schultern 210 und 212.

Bei der Kältemaschine nach Figo 6 kann eine Oberfläche durch einen Wärmetausch mit der Endoberfläche 203 des kälteren (ausdehnungskammerseitigen) Endes des Zylinders 202 gekühlt werden«

Die Ausführungsform der Kältemaschine nach Pig» 7 ist allgemein ähnlich eier Ausführungsform nach KLg₀ G₉ jedoch

mit der Ausnahme, daß die Einlaß- und Auslaßöffnungen vertauscht sind und daß zwei Flansche 208 und 208A an <3o2 Ansatz 206 des Verdrängerkolbens ausgebildet sind, so daß drei kreisringförmige Säume 222A₉ 222B und 223 gebildet werden. Der Ringraum 222B ist teilweise durch aufeinander· gerichtete Schultern 212 und 213 gebildet, während der Ringraum 222A teilweise durch aufeinander gerichtete Schultern 213A und 210 gebildet ist. Der Ringraum 223 "befindet sich zwischen dem Plansch 208 und einer Kopfplatts 260 und steht mit dem Eingraum 222B in Verbindung, der seinerseits mit dem Eingraum 222A in Verbindung steht= Die Flansche 208 und 208A liegen eng an der Innenoberfläche des Zylinders 202 an, so daß sich eine Führung für den Verdrängerkolben bei dessen Bewegung ergibt. Die Öffnungen 226 in den Flanschen 208 und 208A ermöglichen eine schnelle Bewegung von Kühlgas zwischen, den Ringräumen 222A, 222B und 223- Der Kanal 218 erstreckt sich zwischen dem Regenerator 214 und dem Ringraum 222B» Zusätzlich befinden sich zwei Ventilringe 250 und 25OA in den Ringräumen 222B bzw. 222A_S und diese Ventilringe stehen in Reibeingriff mit der T^menob er fläche des Zylinders 202, so daß sie in einer vorgegebenen Position in Längsrichtung des Zylinders verbleiben, bis sie durch den Eingriff mit einer der Schultern des Verdrängerkolbens bewegt werden« Der Ventilring 250 dient als Ventilelement für die Auslaßöffnungen 234, während der Ventilring 25OA als Ventilelement für die Einlaßöffnungen 232 dient» Vorzugsweise ist in der in den Zeichnungen gezeigten Weise die Kältemaschine derart ausgelegt, daß die Differenz zwischen den Längen des Ringes 250 und des Ringraumes 222B größer als die Differenz zwischen den Längen des Ringes 25OA und des Ringraumes 222A ist. Die Kältemaschine kann jedoch auch

so ausgebildet sein, daß die beiden Differenzen gleich sind»

Gemäß Fig. 7 ist der Ring 250 in einer Stellung gezeigt, in der die Auslaßöffnungen 234 offen sind, während der Ring 25OA sich in einer Position befindet, in der die Einlaßöffnungen 232 verschlossen sind. Unter diesen Bedingungen weist das Gas in der Ausdehnungskammer 220 einen niedrigen Druck auf. Wenn sich der Verdrängerkolben nunmehr nach unten bewegt, wird Gas aus der Ausdehnungskammer 220 -verschoben, so daß dieses Gas durch den Regenerator strömt und über die Öffnungen 234 ausgestoßen wird. Wenn sich der Verdrängerkolben 200 nach unten bewegt, stößt die Schulter 213A gegen den Ring 25OA₅ so daß dieser nach unten gedruckt wird. Wenn der Verdrängerkolben seine Bewegung nach unten fortsetzt, kommt die Schulter 212 mit dem Ring 250 in Eingriff und drückt diesen nach unten. Die Schulter 212 stößt an den Ring 250, bevor der Ring 25OA ausreichend weit verschoben wird, um die Einlaßöffnungen 232 zu öffnen. Der Ring 250 verschließt die Auslaßöffnungen 234 gleichzeitig mit der Freigabe der Einlaßöffnungen durch den Ring 250A. Wenn die Einlaßöffnungen offen sind, strömt Gas unter einem höheren Druck in die Ausdehnungskammer 220, wobei dieses Gas beim Durchlaufen des Regenerators 214 vorgekühlt wird (mit Ausnahme während des ersten Arbeitszyklus der Maschine)β Entsprechend steigt der Druck in der Ausdehnungskammer 220 an. Der Verdrängerkolben erreicht seine untere Grenzstellung, stoppt und beginnt dann sich erneut nach oben zu bewegen, und zwar ohne daß er auf die untere Endwand des Zylinders 202 auftrifft.

Beim nach oben gerichteten Hub des Verdrängerkorbens kommt die Schulter 210 mit dem Sing 250A zur Verschiebung dieses Hinges in Eingriff, bevor die Schulter 213 äes Verdrängerkolbens mit dem Ring 250 in Eingriff kommt und diesen verschiebt. Entsprechend werden die Einlaßöffnungen 232 verschlossen, bevor die Auslaßöffnungen geöffnet sind, und es gibt eine Periode während des aufwärts gerichteten Hubes des Verdrängerkolbens, während der kein Gas in die Ausdehnungskammer 220 eintritt oder aus dieser ausströmt. Das Gas in der Ausdehnungskammer dehnt sich bei dem nach oben gerichteten Hub des Verdrängerkolbens aus, um eine besonders wirkungsvolle Kühlung zu erzielen. Danit die Singe 250 und 25OA gleichzeitig die Einlaßöffnungen 232 und die Auslaßöffnungen 234- während eines (Teils des nach oben gerichteten Hubes des Verdrängerkolbens verschließen können, ist die Differenz zwischen den Längen des Ringes 250 und der Aussparung 222B größer als die Differenz zwischen den Längen des Ringes 25OA und der Ausnehmung 222A.

Damit weiterhin die Einlaßöffnungen von dem Ring 250A während des Hubes des Verdrängerkolbens relativ früh verschlossen werden, ist die Differenz der Längen zwischen der Ausnehmung 222A und dem Ring 250A sehr klein ausgebildet. Es ist weiterhin xtfünschenswert, den Ring 250A mit ausreichender Länge auszubilden, damit die Einlaßöffnungen 232 nicht während der Aufwärtsbewegung des Ringes 25OA während des nach oben gerichteten Hubes des Verdrängerkolbens erneut geöffnet werden. Die Einlaßöffnungen werden im Vergleich zur Kältemaschine nach Fig. 6 relativ früh während des nach oben gerichteten Hubes geöffnet=,

Es ist zu erkennen, daß sich bei den Ausführungsformen nach den Fig. 6 und 7 das Steuerventil von der Ausführungsform nach den Fig» 1 bis 4 dadurch unterscheidet, daß es kein getrenntes Ventilgehäuse aufweist, sondern daß ein Teil des Zylinders 202 das Ventilgehäuse "bildete Entsprechend sind die Ventile nach den Pig» 6 und 7 einfacher ausgebildet als die Ventile der Ausführungsform nach den Pig» 1 bis 4°

Es ist verständlich, daß die Ausführungsformen nach den Fig., 6 und 7 ebenfalls in vielfältiger Weise wie die Ausführungsform nach den Pig. 1 bis 5 abgeändert werden können, do h. es kann beispielsweise ein externer Regenerator oder eine zusätzliche Stufe vorgesehen sein«, wie dies in den Fig. 5 und 6 der GB-Patentschrift 1 552 153 gezeigt ist.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kältemaschine, die in vieler Hinsicht ähnlich der Ausführungsform nach Fig» 1 ist. In diesem Fall ist der Verdrängerkolben 14 mit zusätzlichen Kanälen versehen, die es einem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Kühlmittel ermöglichen, in das obere Ende des thermischen Regenerators 10 über einen lereisringformigen Kanal 85 einzutreten, der zwischen der Welle 84 und der Hülse -W-A eines Schiebeventils 4A ausgebildet ist. Dieses Schiebeventil umfaßt ein Ventilgehäuse 38A und einen Ventilschieber 40A₀ Das Ventilgehäuse 38A ist in einem Bohrungsabschnitt 34· des Kopfes 2 befestigt und mit swei mit axialem Abstand angeordneten Sätaen von radialen Öffnungen 52 und 56 von identischer Größe ausgebildet ο In dem Kopf 2 und in radialer Ausrichtung mit den Öffnungen 52 und 56 sind zwei

kreisringförmige Muten 60 und, 64 mit den gleichen axialen Abmessungen wie die Öffnungen 52 und 56 ausgebildete Die Hut 60 steht mit einem Kanal 72 in Verbindung, der au einem Einlaßanschluß führt, der mit einem Einlaßrohr 80 für den Einlaß von unter hohem Druck stehendem Kühl-Strömungsmittel versehen ist» Die Nut 64 führt zu einem Kanal 66, der zu einer Kammer 68 führt, die durch die Kappe 3 gebildet ist» Obwohl dies nicht dargestellt ist_s ist verständlich, daß die Ausführungsform nach PIg₀ 8 einen mit der "welle 84 über einen Eurbelgetriebe-Joehraechanisffius verbundenen Motor aufweist, der in einem Motorgehäuse eingeschlossen ist, das mit der Kammer 68 in Verbindung steht und einen Auslaßanschluß zum Verbinden der Kammer mit einer Quelle für unter niedrigem Druck stehendes Gas aufweist, und awar in der gleichen Weise, wie dies in den Pig. 1 bis 4 gezeigt 1st»

Das untere Ende des Ventilgehäuses 38A äst offen und steht mit der ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer 6 in Verbindung, die zwischen dem Ansatz 28 des Kopfes 2 und clsa -v^ren Ende des Verdrängsr-kolbens 14 gebildet ist« Der Ventilschieber 4OA umfaßt die Hülse 44A und einen Keramikring 46, der am oberen Ende der Hülse befestigt ist» Der Keramikring 46 weist eine äußere Hut auf, in der eine unterlegscheibenartige Feder 4? und ein Eeibring 49 angeordnet ist_s wie dies weiter oben beschrieben xfurde. Die Feder 47 hält den Hing 49 gegen äa;3 Ventilgehäuse 38 fest, so daß sich der Ventilschieber nur dann in dem Ventilgehäuse bewegt, wenn er durch den Verdrängericorb en angetrieben wird» Das untere Ende der Hülse 44A weist einen Umfangsflansch 94 auf, der so bemessen ist, daß er nicht gegen die Innenoberfläche 100 des

Verdrängerkolbens reibt, jedoch mit der Halteplatte 156 in Eingriff kommen kann. Die axiale Länge des Ringes 46 ist derart gewählt, daß sie gleich der Strecke zwischen den Oberkanten der Öffnungen 52 und den Unterkanten der Öffnungen 56 ist. Auf diese Weise kann der Ring 46 so angeordnet werden, daß er die Öffnungen 52 und 56 gleichzeitig verschließt«, Zusätzlich ist die Länge der Hülse 44A so gewählt j daß, (a) wenn sich der Verdrängerkolben nach oben in die obere Totpunktposition bewegt, er den Ventilschieber in eine obere Grenzstellung bewegt, in der die Unterkante des Ringes 46 mit den Oberkanten der öffnungen 56 glatt abschließt oder sich gerade über diesen befindet, so daß die Öffnungen 56 vollständig offen und die Öffnungen 52 vollständig geschlossen sind, und daß (b) bei der Bewegung des Verdrängerkolbens in seine untere Totpunktposition das Ventilelement in die untere Grenzstellung bewegt wird, in der die Oberkante des Ringes 46 mit den Unterkanten der Öffnungen 52 abschließt oder gerade unter diesen liegt, so daß die Öffnungen 52 vollständig offen sind und die Öffnungen 56 vollständig verschlossen sind. Entsprechend strömt, wenn sich der Ventilschieber in seiner oberen Grenzstellung befindet (Fig. 8) Gas von dem Verdrängerkolben 14 über die Kanäle 150, den Kanal 99 zwischen der Hülse 44A und dem Gehäuse 38A, die Öffnungen 56, die Nut 64 und den Kanal 66 aus. Wenn sich das Ventil in der unteren Grenzstellung befindet, tritt unter hohem Druck stehendes Gas in den Verdrängerkolben über den Kanal 72, die Nut 60, die Öffnungen 52, den Ringraum 85 und die Kanäle 15OA ein» Der KühlVorgang ist durch den gleichen Gifford-McMahon-Zyklus gekennzeichnet wie die Systeme nach den Pig. 1 bis 7·

Claims

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Patentanwälte .Λ*M * IJ -J a[f>l,_r:jng. Cu rt'Wai lach Europäische Patentvertreter DI ρ J. -1 η g. β Ü η t h e r Ko C h

European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 -Telefon (O 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 30. März 1982

Unser Zeichen: 17 414 P/Hu

Pat ent ans prü.c he

Kryogene Kältemaschine, bei der ein unter Druck stehendes Strömungsmittel durch einen Wärmetausch und eine Ausdehnung bei seiner Bewegung in und aus einer ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer über einen thermischen Regenerator gekühlt wird und die Bewegung des Strömungsmittels durch die Hin- und Herbewegung eines Verdrängerkolbens in einem Zylinder und die zyklische Betätigung eines Steuerventils erreicht wird, die das Einleiten des unter hohem Druck stehenden Strömungsmittels in die Kammer und das Ausstoßen von unter niedrigem Druck stehendem Strömungsmittel aus der Kammer steuert, dadurch gekennzeichnet , daß der Verdrängerkolben (14; 200) und der damit zusammenwirkende Zylinder (16; 202) erste und zweite Kammern bilden, von denen die erste Kammer ein Volumen aufweist, das sich entsprechend der Bewegung des Verdrängerkolbens in dem Zylinder ändert, daß Leitungselemente und ein thermischer Regenerator (10; 216) die ersten und zweiten Kammern miteinander verbinden, daß mit dem Verdrängerkolben (14; 200) Einrichtungen (84, 108, 130) verbunden sind, die diesen in dem Zylinder hin- und herbewegen, daß das Steuerventil die Strömung des

_ ρ —

Kühl-Strömungsmittels zu υηα von der ersten Kammer steuert und einen Hochdruck-Einlaßanschluß, einen Niederdruck-Auslaßanschluß und ein Ventilelement (4-6, 48; 250; 250, 25OA; 40A) aufweist, das zwischen ersten und zweiten Positionen beweglich ist und die Einlaß- und Auslaßanschlüsse mit der zweiten Kammer verbindet, wenn sich das Ventilelement in der ersten bzw. zweiten Position befindet, und daß Einrichtungen (44; 208; 44A) vorgesehen sind, die eine Verschiebung des Ventilelementes durch den Verdrängerkolben in die erste Position hervorrufen, wenn sich der Verdrängerkolben in einer ersten Richtung bewegt, und die eine Verschiebung des Ventilelementes durch den Verdrängerkolben in die zweite Position hervorrufen, wenn sich dieser Verdrängerkolben in der zweiten, entgegengesetzten Richtung bewegt.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zur Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens (14; 200) durch einen Elektromotor (130) gebildet sind.

3- Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurc.h gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zur Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens (14; 200) eine Kurbelgetriebe-Jochverbindung (108) zwischen dem Motor (130) und. dem Verdrängerkolben einschließen.

4. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

3 -

daß die Einrichtungen zur Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens (14; 200) unabhängig von dem Steuerventil betätigbar sind.

5· Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der thermische Regenerator (10; 214) in dem Verdrängerkolben (14; 200) angeordnet ist.

6. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sich das Volumen der zweiten Kammer entsprechend der Bewegung des Verdrängerkolbens (14; 200) ändert.

7- Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Kammern an gegenüberliegenden Enden des Verdrängerkolbens (14; 200) angeordnet sind.

8. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (4; 250; 250, 250A; 40A) koaxial zu dem Verdrängerkolben (14; 200) angeordnet ist.

9. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil ein Ventilgehäuse (38) aufweist, das getrennt von dem Zylinder (16) ausgebildet ist.

10. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse durch einen Teil des Zylinders (202) gebildet ist.

11. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement kreisringförmig ist und einen Ansatz des Verdrängerkorbens umgibt.

12. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil ein keramisches Ventilgehäuse (38) aufweist und daß das Ventilelement (46, 48) zumindest eine Keramikoberfläche aufweist, die in Gleiteingriff mit dem Ventilgehäuse steht.

13· Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und 11, 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventilgehäuse einen Übertragungsanschluß aufweist, der mit der zweiten Kammer verbunden ist, and daß das Ventilelement so angeordnet ist, daß es abwechselnd die Einlaß- und die Auslaßanschlüsse mit dem Übertragungsanschluß verbindet.

14. Kältemaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Ventilgehäuse eine Anzahl von Einlaßöffnungen, Auslaßöffnungen und Übertragungsöffnungen aufweist und eine Einlaßkrümmerkammer, die mit den Einlaßöffnungen in Verbindung

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steht, eine Auslaßkrümmerkammer, die mit den Auslaß-Öffnungen in Verbindung steht, und eine Übertragungskrümmerkammer, die mit den Übertragungsöffnungen in Verbindung steht, aufweist, und daß Einrichtungen zum Verbinden der Einlaß- und Auslaß-Krümmerkammern mit Hoch- bzw. Niederdruck-Kühlmittelquellen und Einrichtungen zum Verbinden der Übertragungskrümmerkammer mit der zweiten Kammer vorgesehen sind.

Kryogene Kältemaschine, bei der ein unter Druck stehendes Strömungsmittel durch einen Wärmetauscher und durch eine Ausdehnung bei der Bewegung in und aus einer ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer über einen thermischen Regenerator gekühlt wird und bei der die Bewegung des Strömungsmittels durch eine Hin- und Herbewegung eines Verdrängerkolbens in einem Zylinder und durch zyklisches Betätigen eines Steuerventils erzielt wird, das die Einleitung von unter hohem Druck stehender Flüssigkeit in die Kammer und den Ausstoß von unter niedrigem Druck stehendem Strömungsmittel aus der Kammer steuert, dadurch gekennzeichnet , daß der Verdrängerkolben und der Zylinder zusammenwirken, um erste und zweite Kammern zu bilden, die ein Volumen aufweisen, das sich entsprechend der Bewegung des Verdrängerkolbens in dem Zylinder ändert, daß Leitungselemente und der thermische Regenerator die ersten und zweiten Kammern verbinden, daß mit dem Verdrängerkolben Antriebseinrichtungen für eine Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens in dem Zylinder verbunden sind, daß das Steuerventil die. Strömung des Kühl-Strömungs-

mittels zu und von der ersten Kammer steuert, daß das Steuerventil einen Hochdruck-Einlaßanschluß, einen Mederdruck-Auslaßanschluß und ein Ventilelement einschließt, das zwischen ersten und zweiten Positionen beweglich und derart ausgebildet ist, daß es die Einlaß- und Auslaßöffnungen mit der zweiten Kammer verbindet, wenn es sich in der ersten bzw. zweiten Position befindet, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die eine Verschiebung des Ventilelementes in die erste Position durch den Verdrängerkolben hervorrufen, wenn sich der Verdrängerkolben in einer ersten Richtung bewegt, und die eine Bewegung des Ventilelementes in die zweite Position hervorrufen, wenn sich der Verdrängerkolben in der zweiten entgegengesetzten Richtung bewegt.

16. Kältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Antriebseinrichtungen mit dem Verdrängerkolben mit Hilfe von mechanischen Einrichtungen verbunden sind, die sich durch das Ventilelement hindurch erstrecken.