DE4142368A1 - Tieftemperatur-expansionsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Tieftemperatur-Expansionsvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Elementes mit einem ein Druckgefäß umfassenden Gehäuse, mit einem in dem Druckgefäß angeordneten Regenerator zum Leiten eines Gases durch eine Mehrzahl von Wärmeübertragungselementen, mit einem in dem Druckgefäß angeordneten, hin- und herbewegten Element zum Verschieben des Gases aus einem ersten Hohlraum an einen ersten Ort in einen zweiten Hohlraum an einem zweiten Ort infolge einer Druckdifferenz entlang des Elementes, und mit einem, eine Antriebskraft erzeugenden Antriebsmittel, das dem Element eine Bewegungskraft mitteilt, um es von der zweiten Position an die erste Position zu verschieben, wobei das Gas während dieser Verschiebung des Elementes Wärme, die zuvor von einer Endfläche des Druckgefäßes abgenommen wurde, an die Wärmeübergangsmittel abgibt, so daß das wärmeerzeugende Element gekühlt wird.

Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist bekannt.

Bestimmte Bauelemente, beispielsweise Lichtdetektoren, die im Infrarotbereich arbeiten, bedürfen einer Tieftemperaturkühlung, um innere Wärme abzuführen, die der Empfindlichkeit des Detektors abträglich wäre. Derartige Bauelemente sind häufig sehr klein und benötigen daher ein ebenfalls entsprechend kleines und in sich geschlossenes Kühlsystem. Ein Stirling′scher zyklischer Kühlapparat ist eine derartige Tieftemperaturkühlvorrichtung.

Der von Stirling entwickelte Zyklus macht es möglich, eine kompakte Bauform mit einem hohen Wirkungsgrad zu kombinieren. Der ursprüngliche thermodynamische Zyklus von Stirling wurde im frühen 19. Jahrhundert gefunden und besteht aus insgesamt vier Zustandsänderungen, nämlich einer Kompression bei niedriger Temperatur (Isotherme mit Wärmeabfuhr), einer Wärmezufuhr bei konstantem Volumen (Isochore), einer Expansion bei hoher Temperatur (Isotherme mit Wärmezufuhr) sowie einer Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen (Isochore). Jeweils zwei Zustandsände­ rungen spielen sich daher bei konstanter Temperatur bzw. bei konstantem Volumen ab.

Bei bekannten Umsetzungen dieses thermodynamischen Zyklus in die Praxis ging man davon ab, streng getrennte Phasenbewegungen früherer Entwürfe zu übernehmen sondern man wählte eine Kom­ bination verschiedener und gleichzeitig ablaufender Bewegungen. Der Kompressionsprozeß und der Expansionsprozeß treten als solche gleichzeitig auf, allerdings in einer Sinusform, bei der die Expansionsbewegung der Kompressionsbewegung um maximal 90° nacheilt. Der bekannte Mechanismus bestand aus einem Kompres­ sionskolben mit einem Zylinder, einem Expansionskolben mit einem Zylinder und einem Antriebsmechanismus. Der Antriebsmechanismus wandelte die Drehbewegung eines Motors und einer Kurbelwelle in eine hin- und hergehende Bewegung der beiden Kolben um, die um 90° außer Phase liefen. Ein regenerativer Wärmetauscher (Regenerator) und eine Kurbelgehäuse waren ebenfalls vorgesehen. Dieser Ansatz wurde später unter der Bezeichnung "integraler Stirlingmotor" bekannt.

Wenn der Motor zwischen zwei Temperaturbereichen betrieben wird, kann er ein Drehmoment erzeugen, wenn er in der einen thermodyna­ mischen Richtung betrieben wird, oder er kann Wärme von einer niedrigen Temperatur auf eine hohe Temperatur bringen, d. h. Kälte erzeugen, wenn er in umgekehrter thermodynamischer Richtung betrieben wird (sogenannter "Stirling-Kühler").

Bei späteren Entwicklungen entstand der sogenannte geteilte Stirling-Kühler. Diese Vorrichtung enthielt alle Bauelemente des integralen Stirling-Kühlers, jedoch keine mechanische Verbindung zum Expansionskolben. Diese Bauart erlaubte es, den Expansionsteil im Abstand vom Kompressionsteil anzuordnen. Der Expansionskolben dieser Vorrichtung wurde daher nicht mehr von einem Verbindungspleuel und einer Kurbelwelle angetrieben, sondern vielmehr mittels eines zusätzlichen Antriebskolbens. Der Antriebskolben war mit dem warmen Ende des Expansionskolbens verbunden und ragte in einen kleinen Hohlraum am äußeren Ende des Expansionsgehäuses hinein. Dieser Hohlraum wurde üblicher­ weise als "Gasfederhohlraum" bezeichnet, weil das darin enthalte­ ne Gas wie eine Feder auf den Antriebskolben wirkte. Der Kolben war dicht gelagert, so daß kein Gas von der Expansionsseite in den Gasfederhohlraum eindringen konnte.

Der Antriebskolben wurde pneumatisch hin- und herbewegt, und zwar aufgrund von zyklischen Gasdruckänderungen, die vom Kompressorkolben erzeugt wurden, der immer noch von einer Kompressor-Kurbelwelle angetrieben wurde. Das auf diese Weise zur Expansionsmaschine beförderte bzw. von dieser entnommene Gas strömte durch ein Versorgungsrohr, das üblicherweise als Versorgungsleitung bezeichnet wurde.

Die beiden Baueinheiten wurden auf diese Weise häufig mit einer Gas-Verbindungsleitung von hinreichend kleinem Durchmesser miteinander verbunden, um eine kardanische Aufhängung des Detektors zu ermöglichen, ohne große und störende Federmomente der Verbindungsleitung auf die Motoren der kardanischen Auf­ hängung auszuüben. Auf diese Weise konnte der Kompressor, der in seinen Abmessungen groß gegenüber dem Expansionsteil war, in hinreichender Entfernung aufgestellt werden, wo der erforder­ liche Raum zur Verfügung stand und auch hinreichende Möglichkei­ ten bestanden, die an ihm anfallende Wärme abzuführen.

Die vorstehend beschriebenen Entwürfe bezogen sich auf einen Leistungsbereich von 1 bis 2 Watt, während beim Entwurf von Tieftemperatur-Expansionsvorrichtungen von größerer Leistung negative Nebenwirkungen entstanden, die einen größeren Durch­ messer oder einen längeren Hub erforderten. Da jedoch ein längerer Kolben größere Massen mit sich bringt, die hin- und herbewegt werden müssen, führt dies zu einer stärkeren Vibra­ tionsanregung, die von der Bewegung der Expansionsvorrichtung auf die Befestigungsvorrichtung übertragen wird, insbesondere auf die Detektoranordnung. Derartige Vibrationen beeinträchtigen jedoch das optische Leistungsvermögen des Detektors, weil mechanische Ablenkungen der Optik und der Verbindungsdrähte zum Detektor auftreten, die sich in einer Verschlechterung des gemessenen Bildes (Rauschen) bemerkbar machen, das von dem Detektor aufgenommen wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß zwar einerseits die räumliche Trennung zwischen Kompressions- und Expansionsvorrichtung beibehalten wird, andererseits aber die mechanischen Vibrationen vermindert werden, die zu dem wärmeer­ zeugenden Element, beispielsweise dem Detektor, übertragen werden könnten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Antriebsmittel stationär mit dem Gehäuse verbunden ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil die bewegten Massen drastisch vermindert werden können. Der Verdrängerkolben wird durch die erfindungs­ gemäßen Maßnahmen nämlich leichter und kann darüberhinaus auch ausgehöhlt werden, so daß die Erzeugung von Vibrationen in der Expansionsvorrichtung vermindert wird. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Bildqualität von optischen Detektoren, insbesondere Infrarot-Detektoren aus, bei denen es aus den bereits erwähnten Gründen gewünscht wird, die mechanischen Vibrationen so gering wie möglich zu halten, weil mechanische Vibrationen zu einem Verschmieren des erzeugten optischen Bildes sowie zu elektronischem Rauschen führen. Beides manifestiert sich beispielsweise als "Schnee" in einem erzeugten Videobild und ist daher unerwünscht.

Die Erfindung stellt demgegenüber eine Tieftemperatur-Expansions­ maschine mit geschlossenem Kreislauf zur Verfügung, bei denen eine wesentliche Verminderung der schwingenden Massen erzielt wird, so daß die von der Expansionsmaschine erzeugten mechani­ schen Vibrationen deutlich vermindert werden. Die erfindungs­ gemäße Vorrichtung ergibt darüberhinaus eine Verminderung der Baugröße, insbesondere des Gehäuses, sowie es am Umgebungs­ temperatur-Ende der Expansionsvorrichtung benötigt wird. Auf diese Weise wird die Eignung der Vorrichtung verbessert, in Detektoranordnungen eingebaut zu werden, bei denen Installations­ raum von besonderer Bedeutung ist.

Die vorliegende Erfindung besteht somit in einer Expansionsvor­ richtung mit invertiertem Gasfederraum zum Einsatz beim Kühlen von Detektoren, insbesondere Infrarotdetektoren. Die Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse mit einem Flansch und einem zylindrischen Druckgefäß. In dem Druckgefäß ist ein Regenerator angeordnet, der zum Kühlen oder Heizen eines Gasmediums dient, während das Gas von einem Ende des Regenerators zu dem anderen Ende fließt. In dem Druckgefäß ist ferner, und zwar konzentrisch zu dem Regenerator ein Verdrängerkolben angeordnet, der eingesetzt wird, um das Gasmedium aus einem ersten Hohlraum (beispielsweise ein Expansionshohlraum) an einer ersten Position des Verdrängers zu einem zweiten Hohlraum (beispielsweise einem Kompressions­ hohlraum) am entgegengesetzten Ende des Verdrängers zu ver­ schieben, wenn dieser an einer zweiten Verdrängerposition ist.

Während des Betriebes der Vorrichtung weisen das Druckgefäß, der Verdränger und der zwischen dem Druckgefäß und dem Verdränger angeordnete Regenerator einen Temperaturgradienten entlang ihrer Längen auf und haben daher ein sogenanntes "warmes Ende" (in der Nähe der Umgebungstemperatur) sowie ein sogenanntes "kaltes Ende" (bei Tieftemperatur). Ein stationärer Kolben, der in den hohlen Verdränger an dessen warmen Ende hineinragt dient zum gasdichten Trennen des Hohlraums in dem Verdränger gegenüber einem Hohlraum mit sich veränderndem Gasdruck, der auf die Außenoberfläche des Verdrängers wirkt. Der Hohlraum in dem Verdränger stellt daher einen Gasfederraum dar, der bei herkömm­ lichen Vorrichtungen am äußeren Ende des Expansionsgehäuses angeordnet war.

Da die Oberfläche am warmen Ende des Verdrängers kleiner ist als die Oberfläche am kalten Ende wird der Verdränger von der ersten Position in die zweite Position aufgrund der Anwesenheit von nicht-ausgeglichenen Druckkräften verschoben, die auf beide Enden wirken. Diese Druckdifferenz liegt an, weil der auf das äußere Ende des Verdrängers einwirkende Gasdruck sich sinusförmig ändert, während der vom Inneren des Verdrängers einwirkende Gasdruck im wesentlichen konstant bleibt. Der Unterschied in den Oberflächen an den Enden des Verdrängers führt daher zu unterschiedlichen auf diese Enden wirkenden Kräften. Da das kalte Ende des Verdrängers eine größere Oberfläche hat als das warme Ende muß die infolge der Druckdifferenz am kalten Ende erzeugte Kraft notwendigerweise größer sein als die am warmen Ende des Verdrängers erzeugte Kraft. Wenn daher der Druck auf die Außenseite des Verdrängers größer ist als der Druck vom Innenraum des Verdrängers, ergibt die Summation der auf den Verdränger einwirkenden Kräfte eine Bewegung vom kalten Ende zum warmen Ende und umgekehrt.

Auf diese Weise übt das Gas am kalten Ende des Verdrängers eine Arbeit aus. Diese Arbeit entspricht einem Energieverlust des Gases und drückt sich daher in einer entsprechenden Abnahme der Gastemperatur aus.

Entgegengesetzt, jedoch eher zufällig, übt der Verdränger Arbeit auf das Gas am warmen Ende aus, so daß das Gas in diesem Hohlraum eine Temperaturerhöhung erfährt. Da die Gasdichte hoch ist, wenn der Verdränger vom kalten Ende zum warmen Ende verschoben wird und niedrig ist, wenn er in umgekehrter Richtung verschoben wird, wird mehr Arbeit vom Gas während der Bewegung warm nach kalt abgegeben als sie auf das Gas ausgeübt wird, wenn der Verdränger in entgegengesetzter Richtung läuft. Insgesamt wird daher eine Abkühlung erreicht. Der Temperaturverlust des Gases im Expansionshohlraum nahe am kalten Ende des zylindrischen Druckgefäßes gestattet daher eine Wärmeübernahme von dem Infrarot-Detektor zu dem in dem Hohlraum enthaltenen Gas.

Die Erfindung stellt daher eine Kühlvorrichtung zur Verfügung, bei der die oszillierenden Massen des Verdrängers durch Ver­ wendung eines stationären Antriebskolbens vermindert werden. Dieser konstruktive Ansatz minimiert die von der Expansionsvor­ richtung erzeugten mechanischen Vibrationen. Die innovative Konstruktion entsprechend der vorliegenden Erfindung verhindert damit die optischen Ablenkungen und die sich daraus ergebenden Verzerrungen ebenso wie elektronisches Rauschen, beispielsweise im Hörfrequenzbereich, minimiert wird, wie es typischerweise in Videobildern erscheint, die mit Infrarot-Detektoren aufgenom­ men wurden, an denen noch Expansionsmaschinen mit hoher Leistung arbeiten. Da die Anordnung des Gasfedervolumens und des Antriebs­ kolbens erfindungsgemäß vertauscht ist, weil nämlich das Gasfedervolumen in Verdrängerkolben aufgenommen ist, kann die Abmessung des Expansionsgehäuses deutlich vermindert werden.

Dies führt insgesamt zu einer weiteren Miniaturisierung der gesamten Detektoranordnung. Beim Einsatz in kardanisch aufgehäng­ ten Systemen ergibt sich ohne weiteres ein Vorteil der reduzier­ ten kardanisch aufgehängten Massen und der deswegen nur noch erforderlichen kleineren Drehmomentmotoren für die Aufhängung.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht eines integralen Stirling′schen Kühlapparates nach dem Stande der Technik, bei dem der Regenerator außerhalb des Expansionskolbens angeordnet ist;

Fig. 2 eine schematisierte Seitenansicht eines integralen Stirling′schen Kühlapparates nach dem Stande der Technik, bei dem der Regenerator in den Expansions­ kolben integriert ist;

Fig. 3 eine schematisierte Seitenansicht eines geteilten Stirling′schen Kühlapparates nach dem Stande der Technik;

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab, eine Querschnittsdarstellung einer Expansionsvorrichtung zur Verwendung bei dem geteilten Stirling′schen Kühlapparat gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Darstellung, ähnlich Fig. 4, jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie sich aus den Zeichnungen zum Zwecke der Veranschaulichung ergibt, ist die Erfindung in einer Expansionsvorrichtung mit umgekehrtem Gasfedervolumen verwirklicht, bei der ein sich hin­ und herbewegender Verdränger in einem Druckgefäß angeordnet ist und ferner ein stationärer Antriebskolben im Gehäuse angeordnet ist und der Verdränger einer Druckdifferenz ausgesetzt ist, die ein Gasmedium in Verbindung mit einer kalten Endkappe zum Kühlen einer Detektoranordnung bringt.

Der grundlegende thermodynamische Zyklus nach Stirling hat lange als Grundlage für die Entwicklung von Tieftemperatur-Kühlvor­ richtungen gedient. Aus den Fig. 1 bis 3 ergibt sich, daß alle Stirling′schen zyklischen Tieftemperatur-Kühlvorrichtungen (Expansionsmaschinen) 10 im wesentlichen einen Kompressor 12 mit einem Kompressorzylinder 14 sowie einem Kompressorkolben 16 umfassen, ferner einer Gasmedium-Verbindungsleiter 18, einen Tieftemperatur-Wärmetauscher 20 und eine Expansionsvorrichtung 22, die sich in körperlicher Verbindung mit einem Detektorelement 104 befindet. Ein Antrieb (nicht dargestellt) war ebenfalls vorgesehen, um den Kolben 16 anzutreiben und die Maschine 10 aufzuladen. Der thermodynamische Zyklus bestand, wie bereits eingangs erläutert, aus zwei isothermischen Zustandsänderungen und zwei Zustandsänderungen bei konstantem Volumen.

Bei dem ursprünglichen Stirling′schen thermodynamischen Zyklus, wie in Fig. 1 dargestellt, bestand die Kühleinheit demzufolge im wesentlichen aus einem Expansionskolben 24, der in dem Expansionszylinder aufgenommen war, aus einem Antriebsmechanismus mit einer Kompressor-Kurbelwelle 26, einem Verbindungspleuel 27 für die Expansionsvorrichtung und einem Verbindungspleuel 28 für den Kompressor 12. Auf diese Weise wurde die Drehbewegung des Antriebes in eine Hubbewegung der zueinander unter einem rechten Winkel angeordneten Kolben 16 und 24 umgewandelt. Die Kühlvorrichtung umfaßte ferner einen Regenerator 30 und ein Kurbelwellengehäuse 32 mit zugehörigem Kühler 34. Es bleibt festzuhalten, daß der Regenerator 30 außerhalb des Expansions­ kolbens 24 angeordnet war, wie Fig. 2 zeigt. Die Expansionsvor­ richtung 22 und der Kompressorzylinder 12 waren jeweils mit Heliumgas gefüllt, das als Arbeitsfluid diente. Weil der Kompressorkolben 16 und der Expansionskolben 24 unter 90° Phasenverschiebung arbeiteten, wurde das Heliumgas komprimiert, expandiert und zwischen den Zylindern hin- und hergeschoben, ohne daß Ventile erforderlich waren.

Im Betrieb wurde das Helium isothermisch komprimiert, während die anfallende Wärme an die Umgebung abgegeben wurde. Danach wurde das Gas unter der Wirkung des Expansionskolbens 24 durch Regenerator 30 hindurchbewegt, so daß es bei konstantem Volumen abkühlte. Die aus dem Gas entnommene Wärme wurde im Regenerator 30 gespeichert. Das aus dem Regenerator 30 aus­ tretende kalte Gas wurde nun isothermisch expandiert, während gleichzeitig Wärme von einer auf niedriger Temperatur befind­ lichen Quelle abgenommen wurde. Das Gas wurde dann wieder durch den Regenerator 30 hindurchgedrückt, wo es bei konstantem Volumen aufgeheizt wurde. Die in dem Regenerator 30 gespeicherte Energie wurde dann wieder zum Gas zurückgeführt, wie in Fig. 1 darge­ stellt.

Diese grundsätzliche Bauform wurde dadurch geändert, daß der Regenerator 30 in den Expansionskolben bzw. Verdränger 24 eingebaut wurde, wie in Fig. 2 dargestellt. Dieser sogenannte integrale Stirling′sche Apparat hatte jedoch den Kompressorzylin­ der 14 als Teil des Kurbelwellengehäuses mit dem darin befind­ lichen Kompressorkolben 16 noch integriert. Sowohl die Kom­ pressorkurbelwelle 26 wie auch der Verbindungspleuel 27 zur Expansionsvorrichtung wurden benutzt, um den Kompressorkolben 16 und den Expansionskolben 24 anzutreiben. Auf diese Weise wurde der Expansionskolben 24 des integrierten Stirling′schen Zyklus direkt vom Expansions-Verbindungspleuel 27 angetrieben. Ein Flansch 36 der Expansionsvorrichtung 22 war außerhalb des Kurbelwellengehäuses 32 an einem Zwischenstück 38 angeordnet. Die Gasverbindungsleitung 18 war zur Zuführung des Gases an die Expansionsvorrichtung 22 angeschlossen, während eine Endkappe 40 in physischem Kontakt mit der Detektoranordnung stand.

Um kleine Infrarot-Detektoren zu kühlen, wurde ein Kühlapparat mit geschlossenem Kreislauf entwickelt, der eine kleine, am Detektor angeordnete Tieftemperatur-Kühlvorrichtung enthielt. Eine derartige Vorrichtung wurde als geteilter Stirling′scher Kühler bezeichnet, bei dem dieselbe grundlegende Stirling′sche Technik eingesetzt wurde, allerdings unter körperlicher Trennung der Expansionsvorrichtung 22 vom Kurbelgehäuse 32, wie in Fig. 3 gezeigt.

Der Kompressor 12 und die Expansionsvorrichtung 22 wurden dabei mittels der Gasverbindungsleitung 18 miteinander verbunden, die jedoch flexibel ausgebildet war, um eine Übertragung von federnden Drehmomenten zu vermeiden. Auf diese Weise war es möglich, den Kompressor 12, der groß gegenüber der Expansionsvor­ richtung 22 war, an einen geeigneten Ort aufzustellen, wo genügend Bauraum zur Verfügung stand, und wo die anfallende Wärme gut abgeführt werden konnte. Der Expansionskolben beim geteilten Stirling′schen Kühlapparat wurde pneumatisch angetrie­ ben und umfaßte daher einen pneumatischen Gasfederhohlraum 42, um dem Verdränger 24 eine Hin- und Herbewegung mitzuteilen. Auch in diesem Falle stand die gekühlte Endkappe 40 der Expan­ sionsvorrichtung 22 in Kontakt mit dem Infrarot-Detektor 104 (nicht dargestellt).

Eine detailliertere Ansicht der Expansionsvorrichtung 22, wie sie mit einer geteilten Stirling′schen Vorrichtung nach dem Stande der Technik verwendet wurde, ist in Fig. 4 dargestellt. Die Expansionsvorrichtung 22 besteht im wesentlichen aus einem äußeren, dünnwandigen Druckgefäß 44 und einem Flansch 46, der eine Gehäusestruktur umfaßt. Das äußere Druckgefäß 44 weist eine langgestreckte, dünnwandige, rohrförmige Struktur auf, die sich zwischen dem Flansch 46 und der Endkappe 40 erstreckt. Anders als der Flansch 46 besteht das Druckgefäß 44 aus einem schlechten Wärmeleiter, beispielsweise aus rostfreiem Stahl von 0,005 bis 0,008 Zoll (0,127 bis 0,2032 mm) Dicke. Die wesentliche Funktion des Druckgefäßes 44 besteht darin, die inneren Elemente der Expansionsvorrichtung 22 aufzunehmen. Der Flansch 46 erlaubt die Befestigung der Expansionsvorrichtung 22 ebenso wie eine Wärmeabfuhr. Das Druckgefäß 44 ist fest mit dem Flansch 46 verbunden, typischerweise durch Hartlöten.

Auf der Rückseite (beispielsweise der sich auf Umgebungstempera­ tur befindlichen Seite) des Flansches 46 ist, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Expansionskappe 48 angeordnet, die im wesent­ lichen die Funktion eines Deckels ausübt, der mittels einer Mehrzahl von Befestigungselementen 50 am Flansch 46 befestigt ist. Die Expansionskappe 48 beherbergt alle Bauteile, die hinter dem Flansch 46 angeordnet sind. Eine Zuführleitung 52 durchsetzt die Expanderkappe 48 und steht mit der in Fig. 1 dargestellten Gasverbindungsleitung 18 in Verbindung. Die Zuführleitung 52 stellt das Element dar, mit dem das Gas vom Kompressor 12 an den Regenerator 30 und weitere Hohlräume in der Expansionsvor­ richtung 22 gebracht wird.

Unmittelbar innerhalb des äußeren zylindrischen Druckgefäßes 44 befindet sich der Regenerator 30, der eine zylindrische Struktur aufweist, die so bemessen ist, daß er gerade in das Druckgefäß 44 paßt. Der Regenerator 30 umfaßt eine poröse Matrix von Netzen oder Gittern oder kleinen Kugeln 54, die eine Durchströmung mit dem Gas gestatten. Das durch die poröse Matrix von Gittern 54 strömende Gas absorbiert entweder die in der Regeneratormatrix gespeicherte latente Wärme oder gibt latente Wärme in die aus einem Material mit hoher thermischer Enthalpie bestehende poröse Matrix ab. Auf diese Weise ist das austretende Gas entweder vorgekühlt oder vorgewärmt, je nach Richtung des Gasstromes.

Die Gitter 54 haben die Gestalt eines flachen Ringes und werden äußerlich vom Druckgefäß 44 sowie innerlich von einem Regenera­ torrohr 56 gehalten. Das innere Regeneratorrohr 56 ist ein dünnwandiges Rohr aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 0,005 Zoll (0,127 mm). Das innere Regeneratorrohr 56 stellt eine zylindrische Hülse dar, die im Regenerator 30 aber außerhalb des Verdrängers 24 angeordnet ist. Dieses konzentrische Rohr sorgt daher dafür, daß das Gasmedium durch die Gitter 54 und nicht um diese herum strömt, und ist in seiner Wirkung Teil einer Verdrängerdichtung, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Die Gitter 54 bestehen typischerweise aus einem feinmaschigen Material, beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Im zusammen­ gebauten Zustand werden die Gitter 54 aufeinandergelegt, so daß die Lagen sich senkrecht zur Strömungsrichtung des Gasmediums befinden.

Normalerweise wird das Gasmedium vom Kompressor 12 eingepumpt und tritt dann in das auf Umgebungstemperatur befindliche (warme) Ende der Expansionsvorrichtung 22 ein. Von dort tritt das Gasmedium aus der Zuführleitung 52 in den Regenerator 30 ein. Das Gas wird dann zunehmend durch die Kühlgitter 54 gekühlt, die in dem Regenerator 30 nebeneinander angeordnet sind, so daß das Gas, wenn es aus dem Regenrator 30 in einen Expansions­ hohlraum 58 am kalten Ende der Expansionsvorrichtung 22 austritt (beispielsweise an der Endkappe 40 gemäß Fig. 4) es sich bereits fast auf Expansionstemperatur befindet.

Die Endkappe 40 ist der kälteste Teil der Expansionsvorrichtung 22 und ist der Abschnitt, der sich in mechanischer Verbindung mit der Detektoranordnung 104 befindet. Die Endkappe 40 wirkt als Kühlkörper und kühlt den Detektor 104 infolge der Gas­ expansion innerhalb des Expansionshohlraumes 58, der sich zwischen der Endkappe 40 und dem Verdränger 24 befindet. Die Endkappe 40 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähig­ keit und kann beispielsweise aus reinem Nickel oder reinem Kupfer hergestellt werden.

Am kalten Ende des Regenerators 30 ist ein toroid-förmiger Wärmetauscher 60 angeordnet. Der Wärmetauscher 60 an diesem kalten Ende ist so angeordnet, daß das Gasmedium zunächst durch den Regenerator 30 und dann durch den Wärmetauscher 60 hindurch­ fließen muß, ungeachtet der Richtung des Gasstromes. Praktisch besteht der Wärmetauscher 60 aus einer Vielzahl von Sinterkugeln 62, beispielsweise Kupferkugeln, die eine gute Wärmeabsorption und Wärmeleitung bieten. Die Kupferkugeln können thermisch an die Endkappe 40 angekoppelt sein, beispielsweise durch Hartlöten, so daß eine hervorragende Wärmeleitung gewährleistet werden kann. Der Wärmetauscher 60 kann aber auch fortgelassen werden, ohne daß dies die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich beeinträchtigt. Allerdings unterstützt der Wärmetau­ scher 60 den Wärmeübergang von der Endkappe 40 auf das Gas.

Der Verdränger 24 ist ein integriertes Bauteil, das so im inneren Regeneratorrohr 56 angeordnet ist, daß es sich hin- und herbewe­ gen kann. Typischerweise hat der Verdränger 24 einen Hub in der Größenordnung von 0,1 Zoll (2,54 mm) und einen Durchmesser von 1 1/2 Zoll (12,7 mm).

Der Verdränger 24 kann beispielsweise aus einer dünnwandigen Glasfaser-Schale bestehen, die dann die innerste zylindrische Struktur im Druckgefäß 44 rechts vom Flansch 46 in Fig. 4 wäre. Die Glasfaser-Schale wirkt dann als Isolierkörper, der einen Wärmeübergang vom warmen Ende zum kalten Ende verhindert, während das Gasmedium vom Expansions-Hohlraum 58 zum Gasfederhohlraum 42 verschoben wird. Es ist diese Glasfaser-Schale die sich in dem Druckgefäß 44 hin- und herbewegt und die am warmen Ende durch eine Endkappe 64 abgedichtet ist. Die Endkappe 64 und eine Dichthülse 68 für den Verdränger 24 fassen an einem mit gestuften Durchmessern ausgeführten Ende der Schale des Ver­ drängers 24 ineinander, um den Innenraum des Verdrängers 24 abzudichten.

Allgemein gesprochen wird das Gasmedium vom warmen Ende zum kalten Ende der Expansionsvorrichtung während einer ersten Bewegung und vom kalten Ende zum warmen Ende während einer zweiten Hubbewegung verschoben. Während dieser Hubbewegungen wird das Gasmedium dazu gezwungen, um den Verdränger 24 herum und durch den Regenerator 30 hindurchzuströmen. Das Innere der Verdrängerschale ist mit einem porösen Isolationsmaterial ausgefüllt.

Unmittelbar innerhalb des Flansches 46 ist ein ringförmiger Wärmetauscher 66 angeordnet, der dazu dient, Wärme von dem an der Zuführleitung 52 angelieferten Gas abzuführen. Die abgeführte Wärme wird dann an den Flansch 46 weitergeleitet, der einen Teil der Gehäusestruktur bildet. Gerade innerhalb des Außen­ temperatur-Wärmetauschers 66 und außerhalb der Endkappe 64 befindet sich die Dichthülse 68 für den Verdränger 24. Die Dichthülse 68 und die Endkappe 64 wirken als Dichtung für den gleitenden Verdränger 24, so daß das Gasmedium nicht durch den Ringraum zwischen dem Verdränger 24 und dem inneren Regenerator­ rohr 56 strömen kann. Die Hülse 68 ist ein eng sitzendes Bauteil, beispielsweise ein Ring, der eine Dichtung zwischen dem Ver­ dränger 24 und dem Wärmetauscher 66 bildet, damit das Gas am kalten Ende durch den Wärmetauscher 66 in den Regenerator 30 strömen muß. Das Gas wird daher gezwungen, um den Verdränger 24 herumzufließen, und zwar durch die porösen Gitter 54 des Regenerators 30.

Mit der Endkappe 64 ist ferner über einen Gelenkzapfen 70 ein kleiner Antriebskolben 72 verbunden. Der Gelenkzapfen 70 ist ein kleiner Metallzapfen, der durch den Antriebskolben 72 hindurchreicht und diesen an der Endkappe 64 der Expansionsvor­ richtung 22 hält und auf diese Weise eine gute und flexible Ausrichtung zwischen dem Kolben 72 und dem Verdränger 24 bewirkt. Der Antriebskolben 72, der auch als Plunger bezeichnet wird, stellt die Flächendifferenz an den beiden Verdrängerenden dar, die notwendig ist, um die Bewegungskräfte auf den Verdränger 24 auszuüben. Bei entsprechend eingestellten Randbedingungen werden daher der Verdränger 24 und der Antriebskolben 72 eine Hubbewegung von einem Ende zum anderen Ende ausführen. Dies geschieht aufgrund einer Druckdifferenz, die über die Länge der Verdrängerwände und den Kolben 72 ansteht. Der Freiraum zwischen dem Antriebskolben 72 und dem Inneren der Endkappe 64 der Expansionsvorrichtung 22 wird durch eine Kolbenhülse 74 gedichtet. Die Kolbenhülse 74 führt gleichzeitig den Antriebs­ kolben 72 und verhindert eine wesentliche Gasleckage in den Gasfederhohlraum 42 und daraus. Ein verschobener Hohlraum 76 besteht zwischen der Kolbenhülse 74 und der Endkappe 64 der Expansionsvorrichtung 22. Der verschobene Hohlraum 74 stellt einen Freiraum dar, der es dem Verdränger 24 ermöglicht, eine Hubbewegung zum warmen Ende der Expansionsvorrichtung 22 auszuführen, wobei der Verdränger 24 in Fig. 4 in einer Mittel­ stellung dargestellt ist. Ein Dichtungsspiel 78 in Gestalt eines schmalen Ringraumes ist zwischen dem Antriebskolben 72 und der Kolbenhülse 74 vorgesehen. Das Dichtungsspiel 78 verhindert einen periodischen Gasübertritt zum oder vom Gasfederraum 42.

Am Ende des kleinen Antriebskolbens 72 befindet sich ein Stoßfänger 80, der im wesentlichen aus einem Stahlkern und einem darauf angeordneten gummiartigen Material besteht. Der Stoßfänger 80 hat den Sinn, auf die Kolbenhülse 74 aufzutreffen und den Verdränger 24 daran zu hindern, an die Spitze der kalten Endkappe 40 anzustoßen, wenn der Kolben 72 eine Hubbewegung vom warmen zum kalten Ende ausführt. Ein solcher Aufprall wurde andernfalls mechanische Vibrationen auslösen, die auf die Detektoranordnung 104 übertragen würden. Wenn der Kolben 72 eine Hubbewegung vom kalten Ende zum warmen Ende ausübt, dient der Stoßfänger 80 als Dämpfer für den Kolben 72 beim Aufprall auf die Innenseite der Expansionskappe 48.

Im eingeschwungenen Betrieb werden die Kräfte innerhalb der Expansionsvorrichtung 22 schnell ausgeglichen und umgekehrt, und zwar schnell genug, so daß der Verdränger 24 niemals eine Hubbewegung bis zu Grenzwerten durchführt oder auf den Stoßfänger 80 aufprallt. Eine Zentrierfeder 82, wie in Fig. 4 dargestellt, verhindert, daß der Verdränger 24 zu nahe an eine seiner Hub- Endlagen herantriftet. Während des Herunterkühlens und wenn das Arbeitsfluid (Heliumgas) noch warm ist, kann die Hubbewegung des Verdrängers 24 wegen des geringeren Druckabfalls über den Regenerator 30 noch schwerer sein und der Stoßfänger 80 prallt typischerweise mit dem Verdränger 24 zusammen.

Die vom Kompressor 12 erzeugte Druckwelle ist von der Natur der Sache her sinusförmig, so daß sich der Druck in den ver­ schiedenen Expansionshohlräumen sinusförmig ändert. Der Gasdruck im Gasfederhohlraum 42 verändert sich jedoch nicht und entspricht ungefähr dem mittleren Druckwert der oszillierenden Druckwelle.

In der Praxis leckt eine bestimmte Menge des Gasmediums hinter den Antriebskolben 72, und zwar durch das Dichtungsspiel 78 hindurch. Wenn die Druckwelle sich sinusförmig ändert, so stellt sich ein Gleichgewichtszustand im Gasfederhohlraum 42 ein. Ein solcher Zustand ist gekennzeichnet durch gleich große Leckagen in beiden Richtungen des Dichtungsspiels 78, so daß der Druck im Gasfederhohlraum gleich dem Mitteldruck der oszillierenden Druckwelle ist. Dieser mittlere Druckwert bezieht sich auf den Druck des verschobenen Hohlraums 76, der den zyklischen Druck­ schwankungen ausgesetzt ist.

Die zwischen der Kolbenhülse 74 und dem Stoßfänger 80 angeordnete Zentrierfeder 82 wird, obwohl dies nicht wesentlich ist, benutzt, um den Verdränger 24 in der Mittelstellung der Hubbewegung auszurichten. Diese Maßnahme ist nützlich, um zu verhindern, daß der Verdränger 24 an den äußersten Enden der Hubbewegung aufprallt. Es verdient, festgehalten zu werden, daß die vom Gasfederhohlraum 42 erzeugte Relativkraft wesentlich größer ist als die Ausrichtkraft der Zentrierfeder 82.

Im Betrieb wird die Expansionsvorrichtung 22 mit einer sinusför­ migen Druckwelle beaufschlagt, so daß der Druck von irgendeinem Minimalwert auf irgendeinen Maximalwert ansteigt. Der Expansions­ hohlraum 58 wird nun unter Druck gesetzt und eine vorherrschende Druckkraft bildet sich am kalten äußeren Ende des Verdrängers 24 aus. Wenn der zyklische Druck hoch ist, ist diese Druckkraft am kalten Ende in Richtung auf das warme Ende der Expansionsvor­ richtung 22 gerichtet. In entsprechender Weise wirkt eine gleiche aber entgegengesetzt gerichtete Druckkraft auf das warme äußere Ende des Verdrängers 24. Da die Oberfläche am warmen Ende um die entsprechende Frontoberfläche des Antriebskolbens 72 vermindert ist, ist die Druckkraft am warmen Ende der Expansions­ vorrichtung 22 entsprechend kleiner. Da der Druck im Gas­ federhohlraum 42 kleiner als der übrige Druck in der Expansions­ vorrichtung 22 ist, weist die resultierende Kraft zum warmen Ende hin. Die Kräftegleichung für den Verdränger 24 lautet:

F = [(P1 - P2) × A1] (1)

wobei P1 und P2 der sinusförmig schwankende Arbeitsdruck und der Druck im Gasfederhohlraum 42 sind. Wenn P1 größer als P2 ist, dann ist F positiv, was einer resultierenden Kraft in Richtung auf das warme Ende entspricht. Man kann erkennen, daß die Kräfte sich umkehren, wenn der äußere Druck während des Zyklus sich ändert und daß die Trägheit des Verdrängers 24 die einzige Gegenkraft zu den Druckkräften ist.

Wenn daher die Größe der sinusförmigen Druckwelle hoch ist, vollzieht der Verdränger 24 eine Hubbewegung vom kalten Ende zum warmen Ende. Der Verdränger 24 setzt seine Hubbewegung vom kalten Ende zum warmen Ende fort, bis der Stoßfänger 80 auf die Expansionskappe 48 aufprallt oder bis der sinusförmige Druck soweit abgesunken ist, daß sich das Kräftegleichgewicht umkehrt, wenn der Kompressor 12 damit beginnt, Gas aus der Expansionsvor­ richtung 22 während eines Saughubes abzusaugen. So wird das ursprünglich in die Expansionsvorrichtung 22 hineingepumpte Gas später wieder entnommen. Der sich ändernde Gasdruck innerhalb des Expansionshohlraumes 58 beginnt abzufallen und wenn der sich ändernde Druck unterhalb des Druckmittelwertes absinkt, der dem konstanten Druck im Gasfederhohlraum 42 entspricht, kehren sich die Kräfte um. Selbst wenn aber die Summation der Druckkräfte ihre Richtung geändert hat, so kann die kinetische Energie den Verdränger 24 immer noch für eine kurze Zeit im Zyklus in einer Bewegung halten, die der Kraft entgegengerichtet ist. Im eingeschwungenen Zustand bei heruntergekühltem Betrieb sind die Kräfte und die Hubbewegungen so eingestellt, daß der Verdränger 24 im wesentlichen bis an seine Grenzwerte heran eine Hubbewegung ausführt, die jedoch nicht groß genug ist, daß der Stoßfänger 80 in den beiden Totpunktlagen aufprallt.

Wenn daher die Größe der sinusförmigen Druckwelle niedrig ist (z. B. übersteigt der Gasdruck im Gasfederhohlraum 42 den Mitteldruck der oszillierenden Druckwelle), so bewirkt der sich hin- und herbewegende Antriebskolben 72, daß der Verdränger 24 vom warmen Ende zum kalten Ende der Expansionsvorrichtung 22 läuft. Dann wiederholt sich der gesamte Zyklus mit der resultierenden Wirkung, daß der Verdränger 24 sich vom kalten Ende zum warmen Ende bewegt, wenn der Druck in der Expansionsvor­ richtung 22 hoch ist bzw. vom warmen Ende zum kalten Ende, wenn der Druck in der Expansionsvorrichtung niedrig ist. Dies bewirkt eine Nettoarbeit, die von dem Gas in dem Expansionshohlraum 58 auf den Verdränger 24 ausgeübt wird, was einer zugehörigen Kühlrate entspricht. Indem es eine Arbeit auf den Verdränger 24 ausübt, überträgt das Gas Energie auf den Verdränger 24 und ein Teil dieser Energie wird wiederum gleichzeitig in das Gas am entgegengesetzten (warmen) Ende des Verdrängers 24 einge­ bracht. Diese Verrichtung von Arbeit senkt zugleich die Tempera­ tur an der Endkappe 40 zum Kühlen der Detektoranordnung 104.

Da die Expansionsvorrichtung 22 nach dem Stande der Technik, so wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, stets starr mit der Detektoranordnung 104 verbunden war, wurden mechanische Vibratio­ nen, die durch die oszillierenden Massen erzeugt wurden, beispielsweise die Kombination des Verdrängers 24 und des Antriebskolbens 72, unmittelbar auf die Detektoranordnung 104 übertragen, was zu optischen Ablenkungen und Verzerrungen der empfangenen Bilder führte. Diese Probleme werden besonders störend bei Expansionsvorrichtungen mit höherer Leistungsaufnahme und höherer Kühlleistung, die wiederum einen größeren Verdränger 24 voraussetzen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung arbeiten daher ein Ver­ dränger 124 und ein stationärer Antriebskolben 172 zusammen, um die oszillierende Masse einer Expansionsvorrichtung 122 zu vermindern und damit zugleich die mechanischen Vibrationen herabzusetzen, die auf die Detektoranordnung 104 von der Expansionsvorrichtung 122 übertragen werden, so daß optische Ablenkungen und Bildverzerrungen verhindert werden, wie sie von der Detektoranordnung 104 aufgenommen werden. Darüberhinaus ist die Expansionsvorrichtung 100 mit invertiertem Gasfederhohl­ raum von kleineren Abmessungen, so daß ein weiterer Schritt in der Miniaturisierung gegangen wird. Sie ist ferner leichter und reduziert damit die Trägheitskomponenten der oszillierenden Massen, sie verwendet viele herkömmliche Bauteile und Werkstoffe und ist darüberhinaus zuverlässiger im Betrieb, weil weniger bewegliche Elemente vorhanden sind. All dies wird durch einen stationären Antriebskolben erreicht.

Im einzelnen ist der Antriebskolben 172 ein stationäres Bauteil anstelle eines oszillierenden Bauteils wie beim Stande der Technik. Das einzige oszillierende Bauteil in der Expansionsvor­ richtung 100 entsprechend der Erfindung ist der Verdränger 124. Ferner ist ein pneumatischer Gasfederhohlraum 142 nunmehr innerhalb des Verdrängers 124 bzw. innerhalb dessen Schale angeordnet. Der Antriebskolben 172 ist daher lose über einen Gelenkzapfen 170 mit einem Zylinderdeckel 148 verbunden, wie in Fig. 5 dargestellt. Da der Zylinderdeckel 148 fest mit einem Flansch 146 des Gehäuses 102 durch eine Mehrzahl von Befesti­ gungselementen 150 verbunden ist, kann der Antriebskolben 174 keine Hubbewegung ausführen. Der Gelenkzapfen 170 ist fest angeordnet (beispielsweise eingepreßt) in ein Loch (nicht dargestellt) das quer durch den Zylinderdeckel 148 hindurch verläuft. Er ist jedoch lose in einem etwas größeren, ovalen Loch des Antriebskolbens 172 gehalten, um diesem ein wenig seitliche Bewegung zu ermöglichen. Auf diese Weise kann der Kolben 172 sich etwas seitlich relativ zum Gelenkzapfen 170 bewegen, jedoch nicht in axialer Richtung. Der Kolben 172 kann sich daher selbsttätig hinsichtlich der eine Hubbewegung ausführenden Elemente ausrichten.

Eine starre Anordnung des Kolbens 172 ist nicht erwünscht, weil die gegenseitige Ausrichtung und Fluchtung wichtig ist. Eine derartige Konstruktion gestattet eine enge Passung des Ver­ drängers 124 und eine gute Ausrichtung der Glasfaserschale des Verdrängers 124 zur engen Passung des Antriebskolbens 172, wobei eine Verdränger-Enddichtung 174 den Kolben 172 umgibt. Auf diese Weise dient der Gelenkzapfen 170 als Ausrichthilfe. Der Antriebs­ kolben 172 besteht aus hartem Stahl, damit während der Hubbewe­ gung kein Abrieb eintritt. Innerhalb des Verdrängerendes der Expansionsvorrichtung 122 ist an das Ende des Kolbens 172 ein Stoßfänger 180 angeschlossen. Der Stoßfänger 180 besteht typischerweise aus einem Kern aus Stahl, der in einem Elastomer eingehüllt ist. Der Stoßfänger 180 dient als Dämpfer für den Verdränger 124 gegen Aufprall und vermeidet insbesondere, daß der Verdränger 124 gegen die kalte Endkappe 140 im Betrieb anstößt. Auf diese Weise wird die Erzeugung und die Übertragung von tonfrequenten Störungen auf die Detektoranordnung 104 vermieden.

Auf der Innenseite des Stoßfängers 180 befindet sich eine Gewindebohrung 184, die an den Kolben 172 angrenzt und eine Schraubverbindung 186 des Kolbens 172 aufnimmt. Diese Kon­ struktion gestattet eine einstellbare Positionierung des Stoßfängers 180.

Ein Zapfen 188 tritt quer durch den Verdränger 124 durch und dient als Positionierhilfe beim Zusammenschrauben des Kolbens 172 mit der Gewindebohrung 184 des Stoßfängers 180. Der Stoß­ fänger 180 umfaßt ferner einen Querschlitz 190, der den Zapfen 180 ergreift oder ihn umschließt und als Verkeilung dient, so daß der Stoßfänger 180 sich nicht dreht, wenn er auf den Kolben 172 durch Druck auf den Stoßfänger 180 aufgeschraubt wird. Insbesondere bewirkt der frei drehbare Stoßfänger 180, daß der Querschlitz 190 den Zapfen 188 ergreift, so daß der Stoßfänger 180 sich selbst am Zapfen 188 festlegt. Der Zapfen 188 ist im Querschnitt rund und wird in ein Bohrloch (nicht dargestellt) in der Oberseite des Verdrängers 124 eingepreßt. Dieses Loch wird später versiegelt, um eine Leckage in dem Gasfederhohlraum 142 zu verhindern.

Da der Gasfederhohlraum 142 jetzt innerhalb des Verdrängers 124 angeordnet ist, wird der Gasfederhohlraum 142 dadurch größer. Dieses Merkmal verbessert die Hubzeit des Verdrängers 124. Dies ist der Fall, weil in einer Expansionsvorrichtung 122 mit begrenztem Gasfederhohlraum das Gasmedium im Gasfederhohlraum dazu neigt, durch die Bewegung des Antriebskolbens 172 stark komprimiert zu werden. Bei größeren Gasfederhohlräumen ist jedoch die Kompression des Gasmediums geringer, so daß sich geringere Druckschwankungen ergeben. Die Druckänderung vom Expansions­ hohlraum 158 zum Gasfederhohlraum 142 bewirkt daher größere Druckdifferenzen. Wenn daher der Druck am kalten Ende ansteigt, neigt die Druckdifferenz zwischen dem kalten Ende 140 und dem Gasfederhohlraum 142 dazu, am Ende des Verdrängerhubes größer zu werden, so daß die auf den Verdränger 124 wirkende Antriebs­ kraft verbessert wird.

Die Bemessung des Gasfederhohlraumes 142 hat stets einen genügend großen Hohlraum vorausgesetzt, um die Federkonstante so klein wie möglich zu machen. Es ist bekannt, daß die Federkraft generell mit der Hubdistanz ansteigt. Wenn die Federkonstante groß ist, wird die auf den Kolben 172 wirkende Kraft bei vergleichbarem Hub größer sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die resultierende Kraft proportional dem anliegen­ den Gasdruck multipliziert mit der Querschnittsfläche des Antriebskolbens 172, wie oben in Gleichung (1) beschrieben. Um den Druck in dem Gasfederhohlraum 142 in einem näherungsweise isobaren Zustand zu halten, muß der Gasfederhohlraum 142 groß sein. Dies ist wichtig, weil in Fällen eines kleineren Gasfe­ derhohlraumes das Gasmedium während des Endes der Hubbewegung des Verdrängers 124 vom kalten zum warmen Ende hin komprimiert wird. Unter diesen Bedingungen ist die Druckdifferenz vom Expansionshohlraum 158 zum Gasfederhohlraum 142 am Ende des Hubes vermindert. Aufgrund dieser Sachlage kann es geschehen, daß der Verdränger 124 vor Erreichen seiner Endlage angehalten wird, so daß die Hubbewegung unvollständig wird, weil die Antriebskraft nicht ausreicht. Dies wiederum schlägt sich in einer Abnahme des Kühlpotentials der Expansionsvorrichtung 122 nieder, weil die Hublänge proportional zur Kühlleistung ist.

Der Gasfederhohlraum 142 ist mit einem porösen Isolierstoff 192, beispielsweise Glasfasermaterial, ausgefüllt, das durch­ lässig für das Gasmedium ist. Es ist nicht erwünscht, eine freie Gasbewegung im Gasfederhohlraum 142 zu haben, so daß der poröse Isolierstoff 192 in den Verdränger 124 gepackt wird. Eine tassenförmige Platte 194, die unmittelbar an den Zapfen 188 angrenzt, wird als Mittel zum Rückhalten des porösen Isolier­ stoffs 192 in der Verdrängerschale eingesetzt.

Der Verdränger 124 erstreckt sich bis in eine Position, die den Stoßfänger 180 umgibt, wobei das Ende der Verdrängerschale einen kleineren Durchmesser aufweist, um in die Verdrängerkappe 174 zu passen. Die Verdrängerkappe 174 ist eine Ringhülse aus einem harten Material, beispielsweise einem gehärteten Stahl, die den stationären Antriebskolben 172 umgibt, um das Gasfedervo­ lumen 142 im Verdränger 124 abzudichten. Durch ein sehr kleines Spiel zwischen der Verdrängerkappe 174 und dem Kolben 172 vermeidet diese Anordnung den Übertritt von Gas zwischen dem Innenraum und dem Außenraum des Verdrängers 124.

In entsprechender Weise bewirkt die Dichthülse 168 des Ver­ drängers 124 eine Dichtung um den sich bewegenden Verdränger 124 herum. Die Dichthülse 168 besteht aus einem eng gepaßten harten Material, beispielsweise Aluminium. Auf diese Weise wird verhindert, daß das Gasmedium zwischen dem Verdränger 124 und der Regeneratorhülse 156 strömt, sondern statt dessen gezwungen wird, durch einen Außentemperatur-Wärmetauscher 166 zu strömen, der um die Dichthülse 168 herum angeordnet ist, um dann in den Regenerator 130 zu fließen. Der Außentemperatur-Wärmetauscher 166 hat eine ringförmige Gestalt und umgibt die Dichthülse 168 des Verdrängers 124. Der Umgebungstemperatur-Wärmetauscher 166 wird verwendet, um Wärme aus dem relativ warnen Gasmedium zu entzie­ hen, das in die Expansionsvorrichtung 122 durch einen Kompressor 12 (nicht dargestellt) durch eine Zuführleitung 152 eingepumpt wird. Der Wärmetauscher 166 besteht aus hoch wärmeleitfähigem porösem Material, beispielsweise gesinterten Bronzekugeln oder gesinterten Kupfergittern, um den notwendigen Wärmeübergang zu unterstützen.

Die Konstruktion des Gehäuses 102 umfaßt ein äußeres Druckgefäß 144 und den Flansch 146, so daß eine kleinere Gesamtlänge der Expansionsvorrichtung 122 entsteht. Dies ist deswegen der Fall, weil der Zylinderdeckel (Expansionskappe) 148, wie in Fig. 5 gezeigt, eine kleinere Breitenabmessung hat als das entsprechende Bauteil nach dem Stande der Technik. Das äußere Druckgefäß 144 nimmt den Verdränger 124 und den zugehörigen Gasfederhohlraum 142 auf, wohingegen der Flansch 156 benutzt wird, um die Verdrängervorrichtung 122 abzudichten und den stationären Antriebskolben 172 zu lagern. Ein auf Außentemperatur befind­ licher verschobener Hohlraum 176 befindet sich zwischen dem Zylinderdeckel 148 und der Verdrängerkappe 175 am warmen Ende des Verdrängers 124 und stellt einen angemessenen Raum dar, um die Hubbewegung ausführen zu können.

Der Regenerator 130 ist von zylindrischer Bauweise und wird von dem äußeren Druckgefäß 144 sowie einem inneren Regenerator­ rohr 156 eingeschlossen. Der Regenerator 130 umfaßt eine Matrix, bestehend aus einer Vielzahl von porösen Netzen 154 zum Aufnehmen der Latentwärme oder zum Abgeben der Latentwärme des Gasmediums. Dies gestattet es, das Gasmedium vorzukühlen oder vorzuheizen, je nach Richtung des Gasstroms, wie dies für einen echten regenerativen Wärmetauscher charakteristisch ist. Wenn der Verdränger 124 von einem Ende der Expansionsvorrichtung 122 zum anderen Ende verschoben wird, wird gleichzeitig das Gasmedium über den Regenerator 130 zum ersten Ende des Verdrängers 124 bei einem ersten Hub und dann zu einem zweiten Ende des Ver­ drängers 124 bei einem zweiten Hub geschoben.

Während einer solchen Bewegung wird das Gasmedium dazu gezwungen, durch einen Wärmetauscher 160 am kalten Ende zu strömen, der am Ende des Regenerators 130 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 160 am kalten Ende ist vorgesehen; um Wärme aus dem Gasmedium abzuführen, die in Verbindung mit der kalten Endkappe 140 stand. Der Wärmetauscher 160 umfaßt im wesentlichen eine Vielzahl von gesinterten Kugeln oder Gittern 162, die jeweils aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit bestehen, beispiels­ weise Kupfer.

Am Ende des äußeren Druckgefäßes 144 befindet sich die kalte Endkappe 140, die denjenigen Teil der Expansionsvorrichtung 122 darstellt, der in Kontakt mit der Detektoranordnung 104 steht. Die kalte Endkappe 140 wirkt gleichzeitig als Kühlkörper in Kombination mit dem Gas-Expansionshohlraum 158 zum Abführen von in der Detektoranordnung 104 erzeugter Wärme.

Ein zusätzliches Merkmal der Konstruktion entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Zentrierfeder (nicht darge­ stellt), die, sofern sie eingesetzt wird, zwischen den Stoßfänger 180 und die Verdrängerkappe 174 anzuordnen wäre. Die Zentrier­ feder wird während des Betriebes der Verdrängervorrichtung 122 eingesetzt, um den Verdränger 124 im Mittelpunkt des Hubes zu zentrieren. Ein Einsatz dieser Zentrierfeder verhindert, daß der Verdränger 124 auf den Stoßfänger 180 oder die kalte Endkappe 140 aufprallt, so daß mechanische Vibrationen minimiert werden.

Eine solche Konstruktion würde auch beim Einschrauben des Antriebskolbens 172 in das zugehörige Gewinde 184 des Stoßfängers 180 helfen. Die Zentrierfeder würde als Rückhalteteil gegen eine Drehbewegung des Antriebskolbens 172 wirken.

Wenn man den Antriebskolben 172 an dem Zylinderdeckel 148 befestigt, sind weniger Bauteile für den Betrieb der Expansions­ vorrichtung 122 erforderlich und es werden gleichzeitig die Außenabmessungen verhindert. Darüberhinaus sind die meisten Werkstoffe, die man bei herkömmlichen Vorrichtungen verwendet hat, ebenso geeignet, im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt zu werden. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Leistungswert und die Kühlkapazität vergrößert. Dies ist besonders wichtig, weil bei modernen Anordnungen lineare Kompressoren 12 verwendet werden, bei denen ein Kompressorkolben in einem Magnetfeld bewegt wird, um eine sinusförmige Druckwelle zu erzeugen. Da ein linearer Kompressor bei wesentlich höheren Zyklusgeschwindigkeiten, verglichen mit Hubkolbenkompressoren, arbeiten, wird mehr innere Energie abgegeben und daher erhöhte mechanische Vibrationen produziert und auf die Detektoranordnung 104 übertragen.

Nachdem es in den Eingang der Zuführleitung 152 eingetreten ist, fließt das Gasmedium durch einen ungehinderten Durchgang in den auf Umgebungstemperatur befindlichen verschiebbaren Hohlraum 176. Das Gasmedium fließt ebenso an das kalte Ende des Verdrängers 124, und zwar durch die Umgebungstemperatur befindlichen Wärmetauscher 176, den Regenerator 130, den am kalten Ende befindlichen Wärmetauscher 160 und in den Expansions­ hohlraum 158, der zwischen dem Verdränger 124 und der kalten Endkappe 140 angeordnet ist. Die hauptsächliche Funktion des stationären Antriebskolbens 172 besteht darin, um ein Mittel zum Erzeugen einer Druckdifferenz über den Verdränger 124 zu erzeugen. Diese Druckdifferenz ist proportional zur Oberflächen­ differenz des kalten Endes und des warmen Endes der Expansions­ vorrichtung 122 unter Berücksichtigung der Innenoberfläche des Verdrängers 124 und der zugehörigen Drücke. Die Oberfläche am kalten Ende der Expansionsvorrichtung 122 ist die Frontoberfläche des Verdrängers 124, während die Oberfläche am warmen Ende der Expansionsvorrichtung 122 die rückseitige Oberfläche des Verdrängers 124 ist, die wegen der Frontfläche des Antriebs­ kolbens 172 geringer ist. Es sind diese Differenz in den Oberflächen und der auf jede der Oberflächen einwirkende Gasdruck, die eine resultierende Kraft erzeugen, um den Ver­ dränger 124 in eine Hubbewegung zu betätigen.

Ähnlich Gleichung (1) lautet die Kräftegleichung am kalten Ende des Verdrängers 124 daher

F (kaltes Ende) = P_c × π R_c² (2)

wobei P_c der Druck und πR_c ² die Fläche am kalten Ende des Verdrängers 124 sind. Die Kräftegleichung für das warme Ende des Verdrängers 124 lautet demgegenüber

F (warmes Ende) = P_a × π (R_c²-R_p²) (3)

wobei P_a der Druck am warmen Ende des Verdrängers 124 und πR_c ² sowie πR_p ² die Flächen am warmen Ende des Verdrängers 124 und des Antriebskolbens 172 sind. Innerhalb des Verdrängers 124 übt der Gasfederhohlraum 142 eine Kraft von gleicher Größe jedoch entgegengesetzter Richtung auf den stationären Antriebskolben 172 bzw. den Verdränger 124 aus. Die Innenoberfläche, die auf den Verdränger 124 einwirkt, entspricht dabei der Kolbenfläche multipliziert dem Druck im Gasfederhohlraum 142. Diese innere Kraft richtet sich stets zum kalten Ende der Expansionsvor­ richtung 122. Die auf den Verdränger 124 einwirkende resultieren­ de Kraft lautet zu jedem Zeitpunkt daher

F (resultierend) = [P_c × π (R_c²)] - [P_a × π (R_c² - R_p²)] - [P(Gasfedervolumen) × πR_p²] (4)

Wenn die Kraft gemäß Gleichung (4) ungleich Null ist, entsteht ein Ungleichgewicht, aufgrund dessen der Verdränger 124 in die eine oder die andere Richtung bewegt wird. Wenn die Kraft gleich Null ist, befindet sich der Verdränger 124 im Gleichgewicht.

Die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich wesentlich von der Wirkungsweise von Expansionsvorrichtungen nach dem Stande der Technik, und zwar dadurch, daß der Verdränger 124 das einzige oszillierende Element ist. Während des Betriebes wird der Expansionshohlraum 158 mit Gasmedium in Abhängigkeit von der sinusförmigen Druckwelle befüllt, die wiederum vom Kompressor 12 bestimmt ist. In entsprechender Weise ist der Hohlraum im Verdränger 124 während des Betriebes mit einem Gasmedium befüllt, das sich während der sinusförmigen Druckwelle nicht ändert. Das auf den Antriebskolben 172 wirkende Gasmedium innerhalb des Gasfederhohlraumes 142 verbleibt daher bei einem im wesentlichen konstanten Druck der gleich dem Mitteldruck der sinusförmigen Druckwelle ist. Die Oberfläche am kalten Ende des Verdrängers 124 gegenüber dem Expansionshohlraum 158 ist größer als die Differenz der Oberflächen am warmen Ende des Verdrängers 124 und des Antriebskolbens 172. Wenn daher der Augenblickswert der sinusförmigen Druckwelle, die den Verdränger 124 umgibt, größer ist als der Mittelwert dieser Druckwelle, so vollzieht der Verdränger 124 eine Hubbewegung vom kalten Ende zum warmen Ende des Druckgefäßes 144.

Der Mittelwert der sinusförmigen Druckwelle arbeitet im Gas­ federhohlraum 142 auf der Innenseite des Verdrängers 124. Der Gasdruck im Gasfederhohlraum 142 bleibt im wesentlichen konstant. Auch wenn die Oberfläche am kalten Ende des Verdrängers 124 größer ist als die am warmen Ende, so vollzieht der Verdränger 124 eine Hubbewegung vom warmen Ende zum kalten Ende des Druckgefäßes 144, wenn der Augenblickswert der sinusförmigen Druckwelle kleiner ist als der Mittelwert dieser Druckwelle.

Aus dem vorhergehenden ergibt sich, daß die Expansionsvorrichtung 100 mit invertiertem Gasfedervolumen entsprechend der vor­ liegenden Erfindung, die oszillierende Masse der Expansionsvor­ richtung 122 vermindert und die mechanischen Vibrationen, die zur Detektoranordnung 104 übertragen werden, deutlich minimiert, so daß die optischen Ablenkungen und Verzerrungen der Bilder, die von der Detektoranordnung aufgenommen werden, vermindert sind. Darüberhinaus hat die Konstruktion der Expansionsvor­ richtung verminderte Außenabmessungen, was dem allgemeinen Trend zur Miniaturisierung entspricht und sie ist darüberhinaus auch leichtgewichtig, so daß die Trägheitskomponenten der oszillieren­ den Massen verringert werden. Weiterhin werden in wirtschaft­ licher Weise zahlreiche Bauteile und Werkstoffe verwendet, die bereits bei herkömmlichen Einrichtungen verwendet wurden. Daneben ergibt sich eine verbesserte Zuverlässigkeit infolge der geringeren Anzahl bewegter Teile sowie verbesserte Ergebnisse mit dem stationären Antriebskolben. Weil die oszillierenden Massen verringert werden, können Expansionsvorrichtungen mit größerer Kapazität eingesetzt werden, wobei darüberhinaus auch die optischen Ablenkungen und damit Bildverzerrungen vermindert werden.

Claims (17)

1. Tieftemperatur-Expansionsvorrichtung (22; 122) zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Elementes (104) mit einem ein Druckgefäß (44; 144) umfassenden Gehäuse (102), mit einem in dem Druckgefäß (44; 144) angeordneten Regenerator (30; 130) zum Leiten eines Gases durch eine Mehrzahl von Wärmeübertragungselementen (54; 154), mit einem in dem Druckgefäß (44; 144) angeordneten, hin- und herbewegten Element (24; 124) zum Verschieben des Gases aus einem ersten Hohlraum (58; 158) an einem ersten Ort in einen zweiten Hohlraum an einem zweiten Ort infolge einer Druckdifferenz entlang des Elementes (24; 124), und mit einem eine Antriebskraft erzeugenden Antriebsmittel (72; 172), das dem Element (24; 124) eine Bewegungskraft mitteilt, um es von der zweiten Position an die erste Position zu verschieben, wobei das Gas während dieser Verschiebung des Elementes (24; 124) Wärme, die zuvor von einer Endfläche (40; 140) des Druckgefäßes (44; 144) abgenommen wurde, an die Wärmeübertragungsmittel (54; 154) abgibt, so daß das wärmeerzeugende Element (104) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel (172) stationär mit dem Gehäuse (102) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Verdrängerkolben (124) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verdrängerkolben (124) ein Gasfederhohlraum (142) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasfederhohlraum (142) mit einer Lage eines porösen und für das Gas durchlässigen Isolierstoffs (192) versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die raumfesten Antriebsmittel einen Kolben (172) umfassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (172) mit dem Gehäuse (102) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (172) lose auf einem Gelenkzapfen (170) gelagert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungselemente im Regenerator (130) eine Mehrzahl aufeinanderliegender und für das Gas durchlässiger Gitter (154) umfassen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoßfänger (180) zwischen dem raumfesten Antriebsmittel (172) und dem hin- und herbewegten Mittel (124) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (102) einen Außenwärme­ tauscher (106) umfaßt, um von dem Gas absorbierte Wärme an das Gehäuse (102) zu übertragen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abführen der durch das Gas in Ver­ bindung mit der Endfläche (140) absorbierten Wärme ein Wärmetauscher (160) am kalten Ende der Vorrichtung (122) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Gasleckage hinter die randfesten Antriebsmittel die hin- und herbewegten Mittel in einer Dichthülse (168) geführt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie als geteilter Stirling-Expansions­ kühler ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Hohlraum an der ersten Position ein zwischen dem Verdrängerkolben (124) und der Endfläche (140) des Druckgefäßes (144) liegender Expansionsraum (158) ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hohlraum an der zweiten Position der im Ver­ drängerkolben (124) angeordnete Gasfederhohlraum (142) ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Hohlraum an der ersten Position der im Verdrängerkolben (124) angeordnete Gasfederhohlraum (142) ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hohlraum an der zweiten Position ein zwischen dem Verdrängerkolben (124) und der Endfläche (140) des Druckgefäßes (144) liegender Expansionsraum (158) ist.