DE3423365A1

DE3423365A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der passivbewegung von pneumatisch bewegten schiebern in tieftemperaturkaeltemaschinen

Info

Publication number: DE3423365A1
Application number: DE19843423365
Authority: DE
Inventors: Nachman Kibbutz Eyn Charod Pundak; Shmuel Rechovot Shtrikman
Original assignee: Ricor Ltd
Current assignee: Ricor Ltd
Priority date: 1984-06-25
Filing date: 1984-06-25
Publication date: 1986-01-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Passivbewegung von pneumatisch angetriebenen Schiebern in Tieftemperaturkältemaschinen, insbesondere in Tieftemperaturkältemaschinen von getrennten Kreis 1 auf typ.

Tieftemperaturkältemaschinen finden in einer Vi elzah1 von Gebieten Anwendung, beispie1sweise iη der Elektronenoptik, in der Elektronik, in der Vakuumtechnik und dergleichen. Der Aufbau derartiger Kältemaschinen besitzt zwei Grundbestandteile: Eine Kompressionseinheit und eine Expansionseinheit. Einige derartige Kältemaschinen arbeiten nach einem geschlossenem Kreis1 auf schema, wobei der Gasübergang von der Kompressionsstufe zur Expansionsstufe ohne die Verwendung von Ventilen erfolgt. Ein typisches Beispiel hierfür ist der Stir1ingkreis1 auf und solche die ähnlich wie dieser ablaufen.

Ferner ist eine Gruppe von Kältemaschinen mit getrennten Kreisläufen bekannt. Bei diesen Kältemaschinen ist die

.If.

Kompressionsstufe und die Expansionsstufe eindeutig voneinander getrennt und lediglich über Gasleitungen verbunden. Bei diesem Kältemaschinentyp erfolgt der Betrieb der Expansionsstufe durch pneumätisehen oder elektrischen oder Motorantrieb. Das Wirkungsprinzip der Expansionsstufe beruht auf der Volumenänderung einer Expansionszelle, welche periodisch erfolgt, und eine Phasendifferenz bezüglich der Druckimpulse aufweist, die auf diese Zelle wirken. Die Erzielung einer geeigneten Phasendifferenz zwischen den pulsierenden Volumenbewegungen und Druckimpu1 sen ist erforderlich.

Bei pneumatisch betriebenen Kältemaschinen mit getrennten Kreisläufen wird die Volumenänderung des Expansionsraumes erzielt mit Hilfe eines pneumatischen Antriebs, der durch die gleiche Druckquelle mit Druckimpulsen versorgt wird, die auch auf den Expansionsraum einwirkt. Dabei ist es erforderlich, die gewünschte Phasendifferenz sicher einzustellen.

ο ο Diese Phasendifferenz liegt im Bereich von 80 bis 120 . In diesem Bereich wird ein maximaler Wirkungsgrad sichergestel It.

In herkörrml icher Weise werden zur Erzielung dieser Phasendifferenz folgende Mittel verwendet:

a) Es wird eine mechanische Reibungskraft erzeugt, zwischen dem Expansionseinheitskörper und dem Schieber durch dessen Bewegung der Expansionsraum beendet wird. In diesem Fall wird die Schieberbewegung verzögert gegenüber dem Druckimpu1s, und zwar so lange, bis der Druckimpuls groß genug ist, um die Haftreibung zu überwinden. Die hierbei zur. Anwendung komnenden Mittel bestehen gewöhnlich aus einer Packung zwischen dem Schieber und dem Körper der Expansionseinheit. Dabei wird in Kauf genorrmen, daß der Reibungskoeffizient der Packung nicht konstant ist und im Laufe der Zeit sich ändert, aufgrund von Abnützung und Rißbildung. Hieraus ergeben sich dann Änderungen der Phasendifferenz, woraus Verringerungen des Potentials der Kältemaschine resultieren.

b) Es werden hydraulische Reibungskräfte verwendet, die insbesondere durch den Druckabfall, welcher im Regenerator erzielt wird, erzeugt werden. Dieses Druckgefälle erzeugt einen Widerstand, der eine Verzögerung der Bewegung des Schiebers hervorruft. Wenn die Druckimpu1 se sinusförrrti g ausgebi1det sind und die Bewegung des Schiebers nur mit pneumatischen Kräften beaufschlagt ist, ist es möglich, eine Phasendifferenz von

ο
etwa 90 zu erzielen. Dies entspricht den Anforderungen für einen einwandfreien Betrieb.Hierzu ist es jedoch erforderlich, daß der Regenerator so ausgebildet ist, daß der hydraulische Widerstand eine op'timale Bewegung erlaubt, ohne daß eine

- to ·

Belastung auftritt, bei der Erzielung maximaler thermischer Ausnutzung des Regenerators. Ein derartiger Regenerator wird bedeutend kompakter sein als es rein thermische Überlegungen erforderlich machen, und würde in größerem Umfang störanfälliger se in .

Un die vorstehend genannte Schwierigkeit zu überwinden, hat man der Verwendung einer Spa 1tdichtung den Vorzug gegenüber einer her körrml i chen Dichtung gegeben. Der Nachteil, den man dabei in Kauf nimmt, besteht darin, daß einerseits der Widerstand des Regenerators erhöht werden muß, um die Phasendifferenz zu halten und andererseits der erhöhte Widerstand die Betriebsbedingungen für die Spaltdichtung beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Passivbewegung von pneumatisch bewegten Schiebern in Tieftemperaturkältemaschinen zu schaffen, durch welche die erforderliche Phasendifferenz einfach er re icht wi rd.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.

Die Erfindung beruht darauf, daß die erforderliche Phasendifferenz erzielt wird, durch das Ausnützen der viskosen

Reibung bzw. Dämpfungswirkung des Gases, wenn dieses von der einen Seite des pneumatischen Polsters zur anderen Seite und zurückströmt, wobei das Gas durch einen verengten Kanal gedruckt wird, wodurch die viskose Dämpfungswirkung hervorgerufen wird. Un dies zu erzielen - auch ohne, daß die vorstehenden Nachteile auftreten - wird der Schieber physikalisch mit einem festen Körper verbunden, der das pneumatische Kissen in zwei Kammern unterteilt, die miteinander über einen äußerst engen Spalt miteinander verbunden sind.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dieser feste Körper becherförmig ausgebildet.

Eine Weiterbildung der Erfindung kann auch darin gesehen werden, daß der Schieber und der mit dem Schieber verbundene feste Körper in einem Magnetfeld angeordnet sind, das von einem Permanentmagneten oder von Elektromagneten erzeugt ist Der feste Körper besteht bei dieser Weiterbildung aus einem elektrisch gutleitendem Material. Bei dieser Weiterbildung erzeugt die Bewegung des Schiebers und des elektrisch leitfähigen festen Körpers periodische Änderungen des Magnetflusses im elektrisch leitfähigen Körper, sowie die Erzeugung eines Stroms im elektrisch leitfähigen Körper. Wenn der elektrisch leitfähige Körper Becher form, aufweist, entstehen Wirbelströme, die einen mechanischen Widerstand hervorrufen,

der abhängig ist vom im leitfähigen Körper erzeugten Strom und der Magnetflußänderung. Der mechanische Widerstand, welcher erreicht wird, steht in direkter Beziehung zur Verschiebegeschwindigkeit des Schiebers. Wenn die Schieberbewegung einen sinusförmigen periodischen Charakter aufweist,

ο
eilt die Geschwindigkeit um 90 der Schieberbewegung nach, das bedeutet, daß ohne zusätzliche Mittel die erwünschte Phasendifferenz erreicht wird, wenn der magnetische Dämpfer entsprechend ausgebildet ist.

Anhand der beiliegenden Figuren, welche Ausführungsbeispiele darstellen, wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. I einen Querschnitt durch eine Expansionseinheit eines ersten Ausführungsbeispiels , und

Fig. 2 die Expansionseinheit eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besteht eine Expansionseinheit 1, aus den folgenden Bestandteilen: Ein äußeres Gehäuse 2, ein Schieber 3, mit welchem ein fester Körper 4 verbunden ist, und welcher ein pneumatisches Polster bzw. Kissen in zwei Kammern 5 und 6 aufteilt, der Regenerator 7, welcher im Raum 8 der Expansionskammer verschieb-

bar ist. An entgegengesetzten Seiten des Schiebers sind zwei Spiralfedern 9' und 9" angeordnet, welche jedoch auch in

i Fortfall kommen können. Die gesamte Einheit ist mit einem

i . ■

j nicht näher dargestellten Kompressor über eine Gasleitung 10 verbunden.

■ Die Arbeitsweise, der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

: ist die folgende:

\ Gas kommt aus dem Kompressor über die Gasleitung 10 und ge-

langt auf her körrml i ehe Weise in den Innenraum des Regenera-' tors 7. Sobald der Druck die Vorspannung des Schiebers 3, j welcher mit dem festen Körper k verbunden ist, übersteigt,

j '■"■"."■

¹ beginnt der Schieber sich in Richtung eines Pfeiles X ' zu bewegen. Das Gas, welches im pneumatischen Polster um- ; schlossen ist, wird in die Karrmer 5 gedruckt, wobei es

' durch den verengten Kanal 11 gelangt. Hierdurch wird eine ι viskose Dämpfung erzielt. Das gilt auch, wenn das Gas in der

! ■_■■■-. -V

! Gegenrichtung fließt.

ι -

! 3e größer die viskose Dämpfung bzw. Reibung ist, um so größer ; ist die erzielte Phasenverschiebung. Demzufolge ist bei einem

weiteren Ausführungsbeispiel der Körper 4 größer ausge- \ bildet und becherförmig, wie das in Fig. 2 dargestellt ist.

3Λ23365 40·

Die viskose Reibung bzw. Dämpfung wird dann entlang den Kanälen 11 und 12 erzielt.

Ferner können zwei Permanentmagnete 13 und 14 (Fig.2) im äußeren Gehäuse 2 vorgesehen sein. Der becherförmige feste Körper 4 besteht dann aus einem elektrisch gutleitendem Mater i al . Die Vorrichtung· arbeitet dann im wesentlichen in der gleichen Weise wie im Vorstehenden schon erläutert. Der elektrisch gutleitende feste Körper k bewegt sich dann in einem Magnetfeld MF, welches durch die Permanentmagnete 13 und Ik erzeugt wird. Im festen Körper k wird dann eine Änderung des magnetischen Flusses hervorgerufen, wodurch ein Strom im festen Körper erzeugt wird. Aufgrund der Gestalt des festen Körpers k wird ein Wirbelstrom erzeugt. Dieser bewegt wiederum einen mechanischen Widerstand, der proportional zum erzeugten elektrischen Strom und proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflusses im elektrischleitenden festen Körper 4 ist.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 können Permanentmagnete oder Elektromagnete verendet werden. Für die Praxis eignen sich hierzu verschiedene Ausführungsformen, welche zur Erzielung der bei der Erfindung gewünschten Wirkung geeignet s i nd:

1. Das Magnetfeld kann außerhalb oder innerhalb, des sich hin- und herbewegenden elektrisch leitfähigen festen Körpers Ψ vorhanden sein, d. h. es eignen sich unterschiedliche Positionen für die Magnete.

2. Der elektrisch leitfähige feste Körper k kann statisch angeordnet sein, während die Magnetfelder sich hin- und herbewegen.

3. Der elektrisch leitfähige Körper k kann die in den Zeichnungen dargestellte Form aufweisen, jedoch kann dieser Körper auch die Form einer Spule besitzen, deren Widerstand veränderlich ist, so daß der Verzögerungsgrad geändert werden kann.

k. Die Federn (9¹ und 9") wirken nur so, daß

a) Schwerkräfte ausgeglichen werden

b) die Durchschnittsbewegung zentriert wird.

Jedoch können die Federn auch fortgelassen werden.

5. Es können Mittel vorgesehen sein, um die Bewegung des Schiebers "weich auszuführen", d. h., es können Perforationen vorhanden sein, um den Druck auszugleichen an den Enden der Hubbewegungen» es'können energieabsorbierende Mittel an den

Enden vorgesehen sein und dergleichen.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Trägheitskraft bzw. Schwerkraft ausgeglichen werden, gegenüber der Rückholfeder und zwischen den Magnetkräften und pneumatischen Antriebskräften. Es läßt sich auf diese Weise eine vollständige Steuerung der Verzögerung bei einem geeigneten Winkel und geeigneter Bewegungsamplitude erzielen.

Claims

Patentanwälte
Steinsdorfstr. 21-22 · D-8000 München 22 · Tel. 089 / 22 94 41 · Telex: 5 22208

TELEFAX: GR.3 89/2716063 · GR.3 + RAPIFAX + RICOH 89/2720480 · GR.2 + INFOTEC 6000 89/2720481

MOU N/t

RICOR LTD. KXBByTZ_-EYN_-CHAROD_x-ISRAEL

^_ S c h j[e b ££D._i D. käl

Patentansprüche:

j/ Verfahren zur Steuerung der Passivbewegung eines pneumatisch angetriebenen Schiebers in einer Ti ei temperaturkaitema schine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer bestimmten Phasendifferenz zwischen Volumen- und Druckimpulsen in einer Expansionseinheit Kühlmittel gas in einem pneumatischen Polster durch einen Kanal geleitet wird, derart, daß das Gas während seines Durchtritts durch den Kanal auf die Kanalwände eine viskose Reibung ausübt.
2. TieftemperaturkäJtemaschine mit einem Schieber und einer Expanionseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Körper (*f) physikalisch mit dem Schieber (3) verbunden ist, und ein pneumatisches Polster des Systems in zwei Karrmern (5, 6) unterteilt, zwischen denen ein enger Kanal (Ii) vorhanden ist.
3. Tieftemperaturkä1temaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber und der feste Körper (^) in einem Magnetfeld (MF) angeordnet sind, und der feste Körper (4) aus elektrisch leitfähigem Material besteht.
k. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der feste Körper (4), welcher am Schieber (3) vorhanden ist, becherförmig ausgebildet ist und ein Wirbelstrom in ihm erzielbar ist.
5. Tieftemperaturkä1temaschine nach einem der Ansprüche 2-4 dadurch gekennzeichnet , daß zwei Federn (9¹, 9") zur Zentrierung der Schieberbewegung in Abhängigkeit von der sich bewegenden Masse vorgesehen sind.