DE3211778C2 - Gaskältemaschine nach Gifford-McMahon - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaskältemaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Es ist eine große Anzahl von verschiedenen Arten von Gaskälte­ maschinen bekannt, die alle auf der kontrollierten zyklischen Bewegung eines ausdehnbaren Strömungsmittels beruhen, wobei ein geeigneter Wärmetausch zur Erzielung einer Kühlung durch­ geführt wird.

Aus der DE-OS 21 56 668 ist eine Gaskältemaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Ventilelement durch eine axiale Verlängerung des Verdrängerkolbens betätigt wird, wobei zwischen dieser Verlängerung des Verdrängerkolbens und dem Ventilelement ein definiertes axiales Spiel besteht, und der Antrieb des Verdrängerkolbens und damit des Ventilelementes in einer ersten Richtung erfolgt entweder durch Einwirkung eines Teils des Arbeitsgases mit verringertem Druck auf die von dem Verdrängerkolben abgewandte Fläche der Verlängerung oder durch eine auf diese Fläche wirkende Feder, während der Antrieb in der entgegengesetzten Richtung durch den Druck des Arbeitsgases selbst erreicht wird. Hierbei ist jedoch das Volumen der beiden Kammern nicht konstant sondern unterliegt infolge des pneuma­ tischen Antriebs erheblichen Volumenschwankungen, was von den Vorgaben für einen idealen Giffort-McMahon-Prozess mit zwei Isochoren abweicht.

Dieser Nachteil wird zwar bei einer Gaskältemaschine nach dem US-Patent 4 180 984 vermieden, die einen elektromotorischen An­ trieb für die Bewegung des Verdrängerkolbens vorsieht, doch wird hierbei ein kompliziert aufgebautes Drehschieberventil verwen­ det, das in einem erheblichen Abstand von dem Gehäuse der Gas­ kältemaschine angeordnet ist, so daß die Verbindungsleitungen zwischen dem Drehschieberventil und dem Gehäuse der Gaskälte­ maschine eine erhebliche Länge und damit ein erhebliches Volumen aufweisen müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gaskältemaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfach aufge­ bautem Ventil mit geringer Größe so ausgebildet ist, daß die idealen Vorgaben für einen Gifford-McMahon-Prozess mit isochoren Zustandsänderungen ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

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

Bei der erfindungsgemäßen Gaskältemaschine ist das bekannte Drehschieberventil durch ein relativ kleines Ventil mit axial geführtem Ventilelement mit relativ einfacher Konstruktion ersetzt, das 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 ein genau gesteuer­ ter Gifford-McMahon-Prozeß erreichbar ist. Der Ausdruck "Gaskältemaschine" wird hier in allgemeiner Bedeutung verwendet und schließt auch Verflüssigungseinrichtungen ein.

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

Bei der erfindungsgemäßen Gaskältemaschine führt der Verdränger­ kolben eine gesteuerte Hin- und Herbewegung aus, wobei die Bewe­ gung des Verdrängerkolbens aus den folgenden vier Schritten besteht:

• (A) Stoppen in einer ersten Endlage;
• (B) Bewegen von dieser ersten Endlage in die zweite Endlage;
• (C) Stoppen an der zweiten Endlage, und
• (D) Zurückbewegen zur ersten Endlage.

Das Ventil bewirkt das Eintreten von unter hohem Druck stehendem Arbeitsgas in die erste Kammer während zweier aufeinanderfolgen­ der Schritte der Verdrängerkolben-Bewegung und den Ausstoß von unter niedrigem Druck stehendem Arbeitsgas aus der ersten Kammer während der anderen beiden aufeinanderfolgenden Schritte der Bewegung des Verdrängerkolbens. Das Ventil weist ein in Axialrichtung hin- und herbewegliches Ventilelement auf, das lediglich dann durch den Verdrängerkolben bewegt wird, wenn sich dieser seinen ersten und zweiten Endlagen nähert, und es ist ein Ventilgehäuse vorgesehen, in dem das Ventilelement verschiebbar angeordnet ist, wobei das Ventilgehäuse in einem Ventilgehäusekopf angeordnet ist. Das hin- und herbewegliche Ventilelement ist derart angeordnet, daß es verschiebbar eine Kolbenstange aufnimmt, die den Verdrängerkolben betriebsmäßig mit den Antriebseinrichtungen koppelt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Längsschnittansicht einer Ausführungs­ form einer Gaskältemaschine, die nach dem Gifford- McMahon-Zyklus arbeitet, wobei die Verdrängerkolben- und Ventilmechanismen in einer ersten Endlage 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 Ventil­ mechanismus und ein Teil des Verdrängerkolbens in einer zweiten Endlage gezeigt sind,

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

Fig. 6 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungs­ form der Kältemaschine.

In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe "oben", "unten", "warm", "kalt" und dergleichen aus Vereinfa­ chungsgründen auf die Zeichnungen bzw. sind in einer relativen Hinsicht zu verstehen. 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 Aus­ richtung allerdings die allgemein in der Praxis verwende­ te Ausrichtung ist. Weiterhin ist es verständlich, daß, obwohl Heliumgas das bevorzugte Arbeitsgas ist, die Kältemaschine auch mit anderen Gasen in Abhän­ gigkeit von den gewünschten Kühltemperaturen verwendet werden kann, und zwar unter Einschluß von Luft und Stick­ stoff und anderen Gasen.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform der Kältemaschine weist ein metallisches Ventilgehäuse 2 und eine daraufsitzende Kappe 3 auf. Das Ventilgehäuse 2 trägt ein Ventil 4, das die Strömung des ausgewählten Kühlmittels in Gasform nach und von den bei­ den, ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammern 6 (Fig. 4) und 8 (Fig. 1) über einen thermischen Regenera­ tor 10 steuert, der einem Verdrängerkolben 14 zugeordnet ist, der in einem mit einem Wärmetauscher 18 verbundenen Gehäuse 16 angeordnet ist. Das Ventilgehäuse 2 ist mit Öff­ nungen zur Aufnahme von Schrauben 20 versehen, die durch Bohrungen in einem Flansch 30 an der Kappe 3 hindurchlau­ fen und in Gewindebohrungen in einem kreisförmigen Befe­ stigungsring 22 eingeschraubt sind, so daß das Ventilgehäuse, die Kappe und der Befestigungsring miteinander als Einheit verbunden sind. Diese Einheit ist mit Hilfe von Schrauben 24 an einer Befestigungsplatte 26 befestigt. Der Ring 22 weist eine Mittelöffnung auf, die derart bemessen ist, daß sie mit einem Ansatz 28 des Ventilgehäuses 2 in Eingriff steht, während die Platte 26 mit einer vergrößerten Öff­ nung 30 zur Aufnahme des Gehäuses 16 versehen ist. Das obere Ende des Gehäuses 16 ist in einer Gegenbohrung 32 im Ring 22 angeordnet und an diesem Ring mit Hilfe geeig­ neter Maßnahmen befestigt, vorzugsweise durch Schweißen oder Hartlöten. Entsprechend bilden das Gehäuse 16, der Ring 22, die Kappe 3 und das Ventilgehäuse 2 eine getrennte Teil­ baugruppe.

Das Ventilgehäuse 2 ist mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Bohrung 20 mit sich änderndem Durchmesser verse­ hen. 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 klei­ nem Durchmesser und einen oberen Abschnitt 36 mit einem Durchmesser auf, der zwischen den Durchmessern des unte­ ren und mittleren Abschnitts liegt.

In dem unteren Bohrungsabschnitt 34 ist eine Ventilbüchse 38 befestigt, das zusammen mit einem Ventil­ element 40 das Ventil 4 bildet. Die Ventilbüchse 38 ist so bemessen, daß sie einen festen Sitz in dem Bohrungsabschnitt 34 aufweist, und wird, bei­ spielsweise wie bei 42 gezeigt, durch eine Stellschraube, an seinem Platz gehalten. Bei der dargestellten Ausführungs­ form besteht die Ventilbüchse 38 aus Keramikmaterial und das Ventilelement 40 besteht aus einer Metallhülse 44, an deren Außenoberfläche erste und zweite Keramikringe 46 und 48 befestigt sind, die durch eine metallische Ab­ standshülse 50 getrennt sind. Die Keramikringe 46 und 48 weisen eine derartige Größe auf, daß sie einen engen Gleitsitz in der Ventilbüchse 38 ergeben. Die Metallhül­ se 44 weist einen Flansch 45 auf. Zwischen den Flansch und dem Keramikring 48 befindet sich eine kreisförmige gewellte Feder 47 und ein diese umgebenden Klemmring 49 aufzunehmen. Die Feder 47 drückt den Klemmring 49 gegen die Ventilbüchse 38, womit sich das Ven­ tilelement 40 den gegenüber dem Ventilgehäuse 38 be­ wegt, wenn es durch den Verdrängerkolben angetrie­ ben wird, wie dies noch näher erläutert wird. Der Klemmring 49 kann aus irgendeinem geeigneten elastischen Material, beispielsweise aus Metall, Gummi oder einem Kunststoffma­ terial mit einem geeigneten Reibungskoeffizienten gegen­ über dem Ventilgehäuse hergestellt sein.

Wie dies weiterhin aus den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, weist die Ventilbüchse 38 drei in axialem Abstand ange­ ordnete Gruppen von radialen Öffnungen 52, 54 und 56 mit identischer Größe auf. Die Öffnungen 52 bilden die Niederdruck-Auslaßöffnungen, die Öffnungen 54 sind Steuerleitungsöffnungen 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 an­ deren Öffnung gegenüberliegt. Eine derartige Anordnung trägt dazu bei, daß sichergestellt ist, daß der Strö­ mungsmitteldruck um das Ventilelement 40 herum gleich­ förmig ist, so daß das Ventilelement nicht seitlich fest gegen die Ventilbüchse 38 gedrückt wird, was eine Bewegung des Ventils behindern würde.

In dem Ventilgehäuse 2 und in Ausrichtung mit den radialen Öffnun­ gen 52, 54 und 56 sind drei sich in Umfangsrichtung er­ streckende Nuten 60, 62 bzw. 64 angeordnet. Die Umfangs­ nut 60 steht mit mehreren am Umfang verteilten Kanälen 66 in Verbindung, die am oberen Ende des Ventilgehäuses 2 enden und mit einer Kammer 68 in Verbindung stehen, die zwischen dem oberen Ende des Ventilgehäuses 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 einem Hochdruckanschluß 74 führt, der durch ein Anschlußteil 76 gebildet ist, das am Ventil­ gehäuse 2 befestigt ist. Das Anschlußteil 76 kann mit einer Leitung 80 verbunden werden, die zu einer Hochdruckgas­ quelle führt.

Wie dies weiterhin aus den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, ist die Kolbenstange 84, axial verschiebbar in dem Ventilgehäuse 2 mit Hilfe eines Lagers 86 befestigt ist, das in dem oberen Bohrungsabschnitt 36 be­ festigt. Oberhalb des Lagers 86 befindet sich eine Dichtung 90, welche die Kolbenstange gegenüber dem Ventilgehäuse 2 hermetisch abdichtet. Die Dichtung 90 wird durch eine Halteplatte 92 fest­ gehalten, die in das Ventilgehäuse 2 geschraubt ist.

Die Metallhülse 44 des Ventilelementes 40 ist gegenüber der Kolbenstange 84 axial verschiebbar. Das untere Ende der Metallhülse 44 bildet einen Flansch 94. Die Kolbenstange 84 ist an einem Ende mit einem Stopfen 96 verbunden, und diese beiden Teile sind miteinander über einen Stift 98 verbunden. Der Stopfen 96 weist vorzugsweise ungefähr den gleichen Außendurchmesser wie der Flansch 94 auf, so daß er als Anschlag für den Ventilschieber wirkt.

Das untere Ende der Metallhülse 44 und der Flansch 94 er­ strecken sich in eine Bohrung 100, die im oberen Ende des Verdrängerkolbens 14 ausgebildet ist. Ein Stift 102 dient zur Verbindung des Verdrängerkolbens mit der Kolbenstange 84, so daß sich diese beiden Teile als Einheit gegenüber dem Gehäuse 16 bewegen.

Gemäß den Fig. 1 und 4 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 des Verdrängerkolbens dient. An dem freien Ende der Antriebswelle 128 ist eine Kurbelnabe 134 befe­ stigt. An der Kurbelnabe 134 ist exzentrisch ein Kurbelzapfen 136 befestigt, auf dem eine Rolle 138 angeordnet ist, die in dem Schlitz 110 des Joches 108 angeordnet ist. Das Gehäuse 142 ist mit einem Niederdruck-Anschlußstück 144 für den Anschluß einer Leitung 146 versehen, die als Auslaßleitung für unter niedrigen Druck stehendes Arbeitsgas dient. Kanä­ le 147 und 149 in dem Elektromotor 130 ermöglichen es dem Arbeitgas aus der Kammer 68 über den Elektromotor 130 und das Gehäuse 142 zur Leitung 146 zu strömen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, daß, wenn der Elektromotor 130 eingeschaltet wird, sich die Antriebsrolle 128 dreht und bei dieser Drehung eine Hin- und Herbewegung der Kolbenstange 84 hervorgerufen wird. Die Kolbenstange 84 bewegt sich derart hin und her, daß sich der Verdrängerkolben 14 zwischen einer ersten Endlage (Fig. 1), in der sich der Verdrän­ gerkolben weit oben im Gehäuse 16 und kurz vor einer Be­ rührung des Ansatzes 28 befindet, und einer zweiten Endlage (Fig. 4) bewegt, in der sich der Verdrän­ gerkolben 14 weit unten in dem Gehäuse 16 und kurz vor einer Berührung mit der metallischen Endwand 21 des Gehäuses 16 befindet.

Der Verdrängerkolben 14 weist gemäß den Fig. 1 und 4 eine Anzahl von Kanälen 150 auf, die mit einer inneren Kammer 152 in Verbindung stehen, die den Regenerator 10 ent­ hält. Der letztere kann verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise aus Bronzesieben, Bleischrott oder anderem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen oder diese umfassen, und zwar entsprechend der gewünsch­ ten Kühltemperatur. Das obere Ende des Verdrängerkolbens 14 ist durch eine perforierte kreisringförmige Platte 156 verschlossen, die an dem Verdrängerkolben mit Hilfe ge­ eigneter Schrauben befestigt ist und als Befestigung für eine elastische Dichtung 160 dient. Zur Erleichterung des Zusammenbaus besteht die Platte 156 aus zwei halb­ kreisförmigen Abschnitten. Die Platte 156 weist mit den Kanälen 150 ausgerichtete Öffnungen auf. Die Dichtung ist in einer Umfangsnut am oberen Ende des Verdrängerkolbens 14 angeordnet und steht in Gleiteingriff mit der Innen­ oberfläche des Gehäuses 16, so daß ein Gasaustritt zwi­ schen dem Verdrängerkolben und der Innenoberfläche des Gehäuses 16 am oberen Ende des Verdrängerkolbens verhin­ dert wird. Der Innendurchmesser der Platte 156 weist gegenüber dem Außendurchmesser der Metallhülse 44 ein Übermaß auf, so daß das Ventilelement 40 sich frei gegenüber dem Verdrängerkolben bewegen kann. Dieser Innendurchmesser ist jedoch kleiner als der Außendurchmesser des Flansches 94, so daß die Platte 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 das Ventilelement zu wirken.

Das untere Ende des Verdrängerkolbens weist einen Abschnitt 170 mit einem verringerten Außendurchmesser auf, der einen Abstand von der Innenoberfläche des Gehäuses 16 besitzt und einen kreisringförmigen Spalt 172 bil­ det. Der Spalt 172 und das Arbeitsgas, das durch diesen hindurchströmt, bilden einen inneren Wärmetauscher für das Gehäuse 16. An der Übergangsstelle des 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 ver­ schlossen, der vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit besteht. Der Stopfen 178 ist an dem Verdrängerkolben 14 mit Hilfe geeigneter Einrichtun­ gen, beispielsweise durch Schrauben, durch Hartlöten oder durch Schweißen, angebracht.

Gemäß den Fig. 1 und 4 ist am Gehäuse 16 ein äußerer Wärmetauscher 18, 180 mit hoher thermischer Leitfähigkeit befestigt. Obwohl dies nicht ge­ zeigt ist, ist das untere Ende des äuße­ ren Wärmetauscher-Hauptteils 180 mit derjenigen Vorrich­ tung verbunden, die gekühlt werden soll, beispiels­ weise mit einem Infrarotdetektor oder einer Vakuumkammer.

Wie dies aus den Fig. 1 bis 4 zu erkennen ist, befindet sich zwischen den beiden Keramikringen 46 und 48 eine kreisring­ förmige Nut 190. Die axiale Länge der Nut 190 ist vorzugsweise derart, daß dann, wenn sich das Ventilelement in seiner oberen Endlage (Fig. 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 Öff­ nungen 54 liegt, so daß eine Verbindung zwischen der Kam­ mer 68 und der ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer 6 hergestellt ist. Wenn sich das Ventilelement jedoch in seiner unteren Endlage (Fig. 2 und 4) befindet, schließt das untere Ende der kreisringförmigen Nut 190 mit den unteren Kanten der radialen Öffnungen 56 ab, wäh­ rend ihr oberes Ende oberhalb der Oberkanten der Öffnun­ gen 54 liegt, so daß eine Verbindung zwischen der Leitung 80 und der ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer 6 hergestellt ist. Wenn sich das Ventilelement in seiner oberen Endlage befindet, so ist die Leitung 80 ge­ genüber der Kammer 6 verschlossen. Wenn sich das Ventil­ element in der unteren Grenzstellung befindet, so ist die Kammer 68 gegenüber der Kammer 6 verschlossen. Die Endlagen des Ventilelementes 40 sind durch die Strecke bestimmt, über die das Ventilelement 40 in der einen oder anderen Richtung durch den Verdrängerkolben bewegt wird, weil die Reibung zwischen den Klemmring 49 und der Ventilbüchse 38 so eingestellt ist, daß sich das Ventilelement 40 lediglich dann und so lange bewegt, wie der Verdrängerkolben diese Bewegung erzwingt. Wenn dies erwünscht ist, kann die Länge der Nut 190 geändert wer­ den, d.h. sie kann verkürzt werden, so daß (a) wenn sich das Ventilelement in der oberen Endlage (Fig. 1) be­ findet, die oberen und unteren Enden der Nut glatt mit den Oberkanten der Öffnungen 52 und den Unterkanten der Öffnungen 54 abschließen, und (b) wenn sich das Ventil­ element in seiner unteren Endlage (Fig. 2) befin­ det, 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 Arbeitsgases von einer geeigneten Quelle, beispielsweise der Auslaßseite eines Kompressors 200 über eine Leitung 80, und das Aus­ strömen von unter niedrigem Druck stehendem Arbeitsgas zu einem unter niedrigem Druck stehenden Vorratsbe­ hälter, beispielsweise zur Einlaßseite des Kompressors 200, über die Leitung 146.

Gemäß Fig. 4 befindet sich das Ventilelement 40 in seiner unte­ ren Endlage (Fig. 4) und der Ver­ drängerkolben 14 bewegt sich nach oben, bis sich das obere Ende des Verdrängerkolbens an einem Punkt kurz vor dem oberen Totpunkt befindet, an dem der Stopfen 96 zuerst mit dem Flansch 94 am unteren Ende des Ventilelementes in Eingriff kommt. In dieser Kolbenstellung sind die Druck- und Temperaturbedingungen in der Kältemaschine wie folgt: (a) Die Kammer 6 weist einen hohen Druck und eine hohe Raumtemperatur auf; (b) die Kammer 8 weist einen hohen Druck und eine niedri­ ge Temperatur auf. Wenn der Verdrängerkolben seine Bewe­ gung nach oben fortsetzt, kommt der Stopfen 96 mit dem Flansch 94 des Ventilelementes 40 in Eingriff und ver­ schiebt diesen nach oben. Das Ventilelement 40 erreicht seine obere Endlage (Fig. 1) gleichzeitig, wenn der Verdrängerkolben seine obere Totpunktposition erreicht. Wenn sich das Ventilelement von seiner unteren Endlage zur oberen Endlage oder umgekehrt bewegt, be­ wegt er sich über einen Übergangspunkt. In diesem Über­ gangspunkt schließt die Unterkante der Nut 190 mit den Oberkanten der Öffnungen 56 ab, während die obere Kante der gleichen Umfangsnut mit den Unterkanten der Öffnungen 52 abschließt. Wenn das Ventilelement diesen Übergangs­ punkt durchläuft, beginnt das Arbeitsgas aus der Kammer 6 zur Leitung 146 über die Kanäle 70 und 66 und die Kammer 68 auszuströmen, so daß der Druck in den Kam­ mern 6 und 8 verringert wird. Wenn sich das Ventilelement in seiner oberen Endlage (Fig. 1) befindet und der Verdrängerkolben sich in seiner oberen Totpunktposi­ tion befindet, strömt kaltes, unter hohem Druck stehendes Arbeitsgas in der Kammer 8 durch den Regenerator 10 bzw. die warme Kammer 6 aus. Während das Gas ausströmt, wird es durch die Matrix des Regenerators aufgeheizt und kühlt diesen Regenerator. Der Verdrängerkolben beginnt seine nach unten gerichtete Bewegung, nachdem das Ventilelement seine obere Endlage er­ reicht hat, und drückt unter nied­ rigem Druck stehendes kaltes Arbeitsgas aus der Kam­ mer 8 heraus. Der Regenerator wird weiter abgekühlt und gibt Wärme an den Rest des kalten Arbeitsgases ab, das aus der Kammer 8 verdrängt wird. Das durch den Regenerator 10 strömende kalte Arbeitsgas dehnt sich bei der Erwärmung aus, während der Regenerator weiter abgekühlt wird. Wenn sich der Verdrän­ gerkolben seiner unteren Totpunktposition nähert, kommt die Platte 156 mit dem Ventilelement in Eingriff und bewegt dieses über die Übergangsposition zur unteren Endlage (Fig. 4).

Wenn das sich nach unten bewegende Ventilelement seine Übergangsposition durchläuft, strömt unter hohem Druck stehendes Arbeitsgas aus der Leitung 80 über die Ka­ näle 72 und 70 in die Kammer 6, so daß diese Kammer mit unter hohem Druck stehendem und eine niedrige Temperatur aufweisendem Arbeitsgas gefüllt wird, das über den Regenerator in die Kammer 8 strömt. Wenn das warme Arbeitsgas in die Kammer 8 strömt, wird es beim Hindurchlaufen durch den kalten Regenerator 10 gekühlt. Der Druck in den Kammern 6 und 8 steigt an, während das unter hohem Druck stehende Arbeitsgas über die Leitung 80 eingepumpt wird. Der Verdrängerkolben erreicht seine untere Endlage und beginnt dann aufgrund der Wirkung des Kurbelbetriebes erneut seine nach oben gerichtete Bewegung. Wenn sich der Verdränger­ kolben nach oben bewegt, bewirkt er die Strömung von wei­ terem, unter hohem Druck stehendem und Raumtemperatur aufweisendem Arbeitsgas von der Leitung 80 in die Kammer 8 über die Kammer 6 und den Regenerator 10, mit dem Ergebnis, daß dieses zusätzliche Arbeitsgas gekühlt wird, während es durch den Regenerator hindurchströmt, wobei gleichzeitig eine Volumenverringerung auftritt. Diese Volumenverringerung ermöglicht es, daß mehr Arbeitsgas in die Kammer 8 eingesaugt wird, während sich der Verdrängerkolben nach oben be­ wegt.

Wenn sich der Verdrängerkolben zu seiner oberen Totpunkt­ position bewegt, trifft er wiederum auf das Ventilelement auf und bewegt dieses in die obere Endlage, so daß das Arbeitsgas in den Kammern 6 und 8 erneut über die Kammer 68, die Kanäle 147 und 149 sowie die Leitung 146 ausge­ stoßen wird.

Der vorstehend beschriebene Arbeitszyklus wieder­ holt, sich durch den motorischen An­ trieb. Es sei bemerkt, daß dann, wenn der Verdrängerkolben seine obere Totpunktposition erreicht, das System wiederum kaltes, unter hohem Druck stehendes Arbeitsgas in der Kammer 8 und Raumtemperatur aufwei­ sendes, unter hohem Druck stehendes Arbeitsgas in der Kammer 6 enthält.

Eine weitere mögliche Modifikation besteht darin, daß an­ dere mechanische Einrichtungen zum motorischen Antrieb der 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 pneuma­ tisches Stellglied, das direkt mit der Stange 84A verbun­ den ist. Eine weitere mögliche Modifikation besteht in einer Änderung der Konstruktion des Ventils, bei­ spielsweise dadurch, daß mechanische Anschläge zum Stop­ pen des Ventilelementes vorgesehen werden, wenn dieses seine Endlagen erreicht. Weiterhin kann die Kälte­ maschine eine zwei- oder dreistufige Einrichtung sein, wie beispielsweise in den US-Patentschriften 3 802 211 und 4 036 027 und in der GB-PS 1 352 153 beschrieben ist.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kältema­ schine, die in vieler Hinsicht ähnlich der Ausführungs­ form nach Fig. 1 ist. In diesem Fall ist der Verdränger­ kolben 14 mit zusätzlichen Kanälen versehen, die es einem unter hohem Druck stehenden Arbeitsgas ermög­ lichen, in das obere Ende des thermischen Regenerators 10 über einen kreisringförmigen Kanal 85 einzutreten, der zwischen der Kolbenstange 84 und der Hülse 44A eines Ven­ tils 4A ausgebildet ist. Dieses Ventil umfaßt eine Ventilbüchse 38A und ein Ventilelement 40A. Die Ven­ tilbüchse 38A ist in einem Bohrungsabschnitt 34 des Ventil­ gehäuses 2 befestigt und besitzt zwei mit axialem Abstand ange­ ordnete Sätze von radialen Öffnungen 52 und 56 von identischer Größe. In dem Ventilgehäuse 2 und in ra­ dialer Ausrichtung mit den Öffnungen 52 und 56 sind zwei kreisringförmige Nuten 60 und 64 mit den gleichen axialen Abmessungen wie die Öffnungen 52 und 56 ausgebildet. Die Nut 60 steht mit einem Kanal 72 in Verbindung, der zu einem Hochdruck-Einlaßanschluß führt, der mit einem Einlaßrohr 80 für den Einlaß von unter hohem Druck stehendem Arbeitsgas 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, ist verständlich, daß die Ausführungsform nach Fig. 6 ebenfalls einem Motor zum Antrieb des Verdrängerkolbens aufweist, und zwar in der gleichen Weise, wie dies in den Fig. 1 bis 4 gezeigt ist.

Das untere Ende der Ventilbüchse 38A ist offen und steht mit der ein veränderliches Volumen aufweisenden Kammer 6 in Verbindung, die zwischen dem Ansatz 28 des Ventil­ gehäuses 2 und dem oberen Ende des Verdrängerkolbens 14 ge­ bildet ist. Das Ventilelement 40A umfaßt die Hülse 44A und einen Keramikring 46, der am oberen Ende der Hülse befestigt ist. Der Keramikring 46 weist eine äußere Nut auf, in der eine ringförmige Feder 47 und ein Klemmring 49 angeordnet ist, wie dies weiter oben be­ schrieben wurde. Die Feder 47 hält das Ventilelement gegen das Ventilgehäuse 38 fest, welches sich damit nur dann in dem Ventilgehäuse bewegt, wenn es durch den Ver­ drängerkolben 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 Platte 156 in Eingriff kommen kann. Die axiale Länge des Keramikringes 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 Keramikring 46 so an­ geordnet werden, daß er die Öffnungen 52 und 56 gleich­ zeitig verschließt. Zusätzlich ist die Länge der Hülse 44A so gewählt, daß, (a) wenn sich der Verdrängerkolben nach oben in die obere Endlage bewegt, er das Ventilelement in eine obere Endlage bewegt, in der die Unterkante des Keramikringes 46 mit den Oberkanten der Öff­ nung 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 unte­ re Endlage das Ventilelement in die untere Endlage bewegt wird, in der die Oberkante des Keramikrin­ ges 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 das Ventilelement in seiner oberen Endlage befindet (Fig. 8) Arbeitsgas von dem Verdrängerkolben 14 über die Kanäle 150, den Kanal 99 zwischen der Hülse 44A und dem Ventilgehäuse 38A, die Öffnungen 56, die Nut 64 und den Kanal 66 aus. Wenn sich das Ventilelement in der unteren Endlage befin­ det, tritt unter hohem Druck stehendes Arbeitsgas in den Ver­ drängerkolben über den kanal 72, die Nut 60, die Öffnun­ gen 52, den Ringraum 85 und die Kanäle 150A ein. Der Kühlvorgang entspricht den Gifford-Mc-Mahon-Zyklus nach den Fig. 1 bis 5.

Claims (8)

1. Gaskältemaschine nach Gifford-McMahon, mit einem Gehäuse (16) mit zwei Kammern (6, 8), mit einem zwischen den beiden Kammern (6, 8) angeordneten, einen Regenerator (10) enthaltenden Verdrängerkolben (14), welcher die beiden Kammern voneinander trennt und einen Gasaustausch zwischen den beiden Kammern (6, 8) ermöglicht, mit einem motorischen Antrieb (108, 130, 134) zum zyklischen Bewegen des Verdrängerkolbens (14) in seinem Gehäuse (16), mit einem Hoch- und einem Niederdruckanschluß (74, 144) für ein Arbeitsgas, und mit einer in einem Ventilgehäuse (2) angeordneten Ventilelement (40) zum gesteuerten Zu- und Ableiten des Arbeitsgases in bzw. aus den Kammern (6, 8) welches im Ventilgehäuse (2) koaxial zur Achse des Verdrängerkolbens (14) verschiebbar und in Abhängigkeit von der Bewegung des Verdrängerkolbens von diesem und mit einem definierten axialen Spiel zu diesen zwischen zwei Endlagen bewegbar ist, wobei in jeweils einer Endlage eine Öffnung (56, 52) für den Hoch- bzw. Niederdruckanschluß verschlossen und die gegenüberliegende Öffnung für die Zuleitung in eine Kammer des Gehäuses (16) der Gaskältemaschine freigegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Gehäuses (16) der Gaskältemaschine im wesentlichen konstant ist und der Antrieb des Verdrängerkolbens (14) über eine separate Kolbenstange (84) erfolgt, daß das Ventilgehäuse (2) koaxial zur Kolbenstange (84) angeordnet und mit dem Gehäuse (16) der Gaskältemaschine über eine Steuerleitung (70) verbunden ist und daß in der Wandung des Ventilgehäuses (2) zwischen den beiden Öffnungen (56, 52) für den Hoch- und Niederdruck eine Öffnung (54) für die Steuerleitung (70) vorhanden ist, die von dem Ventilelement (40) in seinen jeweiligen Endlagen mit den Hoch- bzw. Niederdruck­ anschluß verbindbar ist.

2. Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (2) an dem Gehäuse (16) der Kältemaschine befestigt und von diesem trennbar ist.

3. Gaskältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in das Ventilgehäuse (2) eine aus Keramikmaterial bestehende Ventilbüchse (38) eingesetzt ist, die jeweils eine Vielzahl von Einlaßöffnungen (56), Auslaßöffnungen (52) und Steuerleitungsöffnungen (54) aufweist.

4. Gaskältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Spiel des Ventilelementes durch einen zylinderförmigen Hohlraum (100) in dem Verdränger­ kolben (10) gebildet ist, der ein Ende des Ventilelementes (40) aufnimmt, und daß an diesem Ende des Ventilelementes (40) und den beiden Enden des Hohlraums (100) des Verdrängerkolbens (10) Anschläge (94, 96, 156) ausgebildet sind, welche die jeweiligen Endlagen des axialen Spiels festlegen.

5. Gaskältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (40) eine Hülse (44, 44A) aufweist, die axial verschiebbar auf der Kolbenstange (84) befestigt ist und das eine Ende des Ventilelementes bildet.

6. Gaskältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Ventilelement (40) und der Ventilbüchse (38) eingesetzten Klemmring (49) zum Festhalten des Ventilelementes (40) in der jeweiligen Endlage, wenn das Ventilelement nicht durch den Verdrängerkolben (14) angetrieben wird.

7. Gaskältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kanal (85), der sich zwischen dem Ventilelement (40A) und der Kolbenstange (84) erstreckt und mit dem Regenerator (10) in Verbindung steht, damit unter hohem Druck stehendes Arbeitsgas in den Regenerator (10) des Verdrän­ gerkolbens (14) von der Hochdruck-Öffnung strömen kann, wenn sich das Ventilelement (40A) in einer seiner beiden Endlagen befindet, in der unter hohem Druck stehendes Arbeitsgas dem Gehäuse (16) der Kältemaschine über die Steuerleitung zugeführt wird.

8. Gaskältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement in einer Position zwischen den beiden Endlagen gleichzeitig die Öffnungen (52, 56) für den Hoch- und Niederdruckanschluß der beiden Kammern (6, 8) des Gehäuses (16) verschließt.