DE4239935C2 - Maschine zur Erzeugung einer Kälteleistung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur Erzeugung einer Kälteleistung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Maschinen sind bekannt, insbesondere in Ge­ stalt von als Kältemaschinen arbeitenden Stirling-Moto­ ren. Hierzu wird beispielsweise auf die DE 38 36 959 A1 verwiesen.

Insbesondere ist zum Stand der Technik auf die DE 25 16 591 A1 zu verweisen. Bei dieser bekannten Maschine ist im Inneren des Zylinders ein Dauermagnet angeordnet. Im Magnetfeld dieses Dauermagneten ist eine mit dem Kolben verbundene Spule bewegbar, welche durch elektri­ sche Anschlüsse, die durch die Zylinderwandung nach außen geführt sind, elektrisch erregbar ist. Hierdurch kann eine auf magnetischen Kräften beruhende Bewegung des Kolbens erreicht werden. Aufgrund des Elektromagne­ ten, der im Magnetfeld des Dauermagneten bewegbar ist, können relativ hohe energetische Verluste entstehen. Weiter ist die Durchführung der elektrischen Anschlüsse durch die Zylinderwandung erforderlich. Dies hindert oder erschwert zumindest wesentlich eine erstrebte voll­ ständige Kapselung des Zylinders im Hinblick auf das darin eingeschlossene Arbeitsmedium. Im übrigen ist ein solcher Antrieb auch nicht in der erwünschten Weise einfach aufgebaut.

Im Hinblick auf den zuletzt genannten Stand der Technik stellt sich der Erfindung die Aufgabe, eine Maschine zur Erzeugung einer Kälteleistung mit einem Zylinder und einem Arbeitskolben anzugeben, die antriebsmäßig günsti­ ger ausgestaltet ist.

Diese Aufgabe ist beim Gegenstand des Anspruches 1 ge­ löst. Grundsätzlich läßt sich mit einer solchermaßen ausgestatteten Maschine bereits ein (Kälte-)Kreislauf erzeugen. Die hermetische Kapselung des Zylinders ermög­ licht es insbesondere, Gase wie Helium oder Wasserstoff als Arbeitsmittel zu verwenden. Des weiteren sind aber auch Gase wie etwa Luft und Stickstoff bei einer derarti­ gen Maschine einsetzbar. Die vollständige Kapselung ist erreicht durch den berührungsfreien Antrieb des Kolbens von außerhalb des Zylinders. Bei einer Bewegung des Kolbens auf die Drossel zu wird das in dem Zylinder zwischen Kolben und Drossel befindliche Gas komprimiert, so daß es zu einer Temperaturerhöhung kommt. Diese Tempe­ raturerhöhung kann in einem Wärmetauscher, der den Zylin­ der in diesem Bereich umgibt, zur Aufheizung eines Wärme­ trägermediums genutzt werden. Das solchermaßen in dem Zylinder komprimierte Gas durchströmt sodann die Dros­ sel, wonach es durch den Ausdehnungseffekt (Joule-Thom­ son-Effekt) abkühlt. Durch bevorzugt einen weiteren, in diesem Bereich den Zylinder umgebenden Wärmetauscher kann hierdurch einem weiteren Medium Wärme entzogen werden, also die Abkühlung des Gases als Kühlleistung genutzt werden. Die Zurückbewegung des Kolbens geschieht bevorzugt langsamer als die Kompressionsbewegung. Durch die Zurückbewegung wird das Gas im wesentlichen bzw. zu einem gewissen Teil wieder in den Raum zwischen Kolben und Drossel, die Drossel in umgekehrter Richtung durch­ setzend, zurückgesaugt (oder gegebenenfalls auch aktiv gedrückt). Der Prozeß kann daraufhin von neuem durchlau­ fen werden. Die Drossel besteht bevorzugt aus einem Maschengitter. Beispielsweise können dies mehrere über­ einandergelegte Lagen eines Drahtgitters geringer Ma­ schenweite sein. Es ist auch möglich, die Drossel aus beispielsweise Metallwolle auszubilden. Weiter bevorzugt besteht das Maschengitter aus Metalldrähten. Es emp­ fiehlt sich auch, den Kolben in eine Ausgangslage mit einer Feder vorzuspannen. Die Rückbewegung des Kolbens nach dem Kompressionsvorgang kann dann aufgrund der Federkraft erfolgen. Um die Betätigung des Kolbens von außen durch Magnetkraft durchzuführen, empfiehlt es sich auch, den Kolben insbesondere stirnseitig dauermagne­ tisch auszubilden. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Kolben etwa seitlich magnetisch oder dauermagnetisch auszubilden, wenn mit entsprechenden Magneten seitlich auf den Kolben eingewirkt wird. Zugeordnet dem Dauermag­ neten des Kolbens wirkt ein außerhalb der Zylinderkapsel­ ung zur Bewegung des Kolbens angeordneter und den Dauer­ magneten des Kolbens gleich oder entgegengesetzt gepol­ ter Dauermagnet. Ein entgegengesetzt gepolter Dauerma­ gnet ist erforderlich, wenn die Rückholbewegung des Kolbens beispielsweise auch magnetisch durchgeführt werden soll. Für die Kompressionsbewegung des Kolbens ist es natürlich erforderlich, den außerhalb des Zylin­ ders angeordneten Dauermagneten gleichgepolt wie den Magneten des Kolbens vorzusehen. Es ist auch möglich, den äußeren Dauermagneten als Elektromagneten auszubil­ den, so daß ohne eine Bewegung des äußeren Dauermagneten über eine elektrische Schaltung das Inwirkungtreten oder nicht Inwirkungtreten des Dauermagneten erreichbar ist. Darüber hinaus ist es auch möglich, mehrere äußere Dauer­ magneten vorzusehen, die wechselweise mit dem Dauermagne­ ten des Kolbens zusammenwirken. Diese können beispiels­ weise nachfolgend über eine Stirnfläche des Zylinders, wenn der Dauermagnet des Kolbens auch stirnflächenseitig vorgesehen ist, hinwegbewegt werden. Im einzelnen ist hierzu weiter bevorzugt vorgesehen, daß die äußeren Dauermagnete drehbar zum aufeinanderfolgenden Inwirku­ ngtreten bezüglich des inneren Dauermagneten angeordnet sind. Hierzu können die äußeren Dauermagneten beispiels­ weise auf einem Radkranz oder Speichen eines Rades ange­ ordnet sein, dessen Achse parallel zur Zylinderachse verläuft und beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben wird. In weiterer Ausgestaltung der Maschine ist vorgesehen, daß in dem Zylinder ein zweiter Kolben angeordnet ist, bezüglich der Drossel gegenüberliegend zu dem ersten Kolben. Dieser zweite Kolben kann seiner­ seits aktiv bewegbar sein. Im Rahmen der Erfindung zu­ nächst bevorzugt ist jedoch, wenn der zweite Kolben gegen die Wirkung einer Feder bewegbar ist, derart, daß die Feder den Kolben auf die Drossel zuzubewegen sucht. Bei einem Kompressionsvorgang ausgelöst durch den ersten Kolben wird der zweite Kolben dann durch das Arbeitsgas, das durch die Drossel hindurchgeströmt ist, zurückbe­ wegt. Das Arbeitsgas wird aber dann nach Ende des Kom­ pressionsvorganges durch den zweiten Kolben wiederum Zurückgepreßt in den Raum des ersten Kolbens, durch die auf den zweiten Kolben wirkende Feder. Wie bereits wei­ ter oben angesprochen worden ist, ist der Zylinder bevor­ zugt von zwei voneinander gesonderten Wärmetauschern umgeben, einmal im Bereich des ersten Kolbens (bis in den Bereich der Drossel hineinragend) und zum anderen im Bereich des zweiten Kolbens, oder des Raumes, in dem bevorzugt der zweite Kolben angeordnet ist (wiederum bis in den Bereich des Drossel hineinragend). Der zweite Wärmetauscher im Bereich des zweiten Kolbens kann bevorzugt in Form eines Latentwärmespeichers ausgebil­ det sein. Hierdurch ist es möglich, die mit einer solchen Maschine erreichbare Kälteleistung derart zwischenzuspei­ chern, daß sie zum Betrieb insbesondere eines Hauskühl­ schrankes geeignet verwendbar ist. Zeitunterschiede zwischen produzierter Kälte und Kälteabnahme werden hierdurch ausgeglichen. Dies ermöglicht einen wartungsar­ men Betrieb, geringeren Regelaufwand und wenige An- und Abfahrvorgänge. Der Latentwärmespeicher ist bevorzugt in einer Weise ausgebildet, wie es insbesondere durch die DD 2 80 113 A1 bekannt ist (vgl. auch mit der EP 0 522 259 A1).

Eine weitere Form von Latentwärmespeichersys­ temen, welche in bezug auf die Vorliegende Erfindung geeignet sind, sind solche, die den Phasenwechsel flüs­ sig/gasförmig nutzen.

Bevorzugt ist auch, daß für eine Rückströmung des Arbeitsgases in den sich bei einer Kompressionsbewegung des Kolbens ergebenden Raum zwischen oberen Zylinderboden und oberer Kolbenfläche ein Bypass zu der Drossel vorgesehen ist. Das zwischen dem Kolben und der Drossel befindliche Arbeitsgas wird bei der Kompressionsbewegung von dem Kolben durch die Drossel gepreßt. Gleichzeitig kann jedoch Arbeitsgas in dem oben sich ergebenden Raum zwischen oberen Zylinderbo­ den und Kolben einströmen. Die - bevorzugt schnelle - Kompressionsbewegung des Kolbens wird hierdurch noch weiter erleichtert. Bei der - bevorzugt durch eine Feder - erfolgenden Rückbewegung des Kolbens wird auch wieder Arbeitsgas aufgrund des Unterdruckes die Drossel durch­ setzen. Gleichzeitig ist bevorzugt in dem genanntem Bypass ein Ventil vorgesehen, das bei dieser Rückbewe­ gung des Kolbens schließt. Es wird lediglich Arbeitsgas, das zuvor zwischen oberen Zylinderboden und Kolben einge­ strömt ist, über den Zwischenraum zwischen Kolben und Zylinder in den Unterdruckraum zwischen Kolben und Dros­ sel strömen. Bevorzugt ist weiter der Bypass als eine vollständig innerhalb des Zylinders angeordnete, die Drossel durchsetzende Rohrleitung gebildet. Die Rohrlei­ tung durchsetzt geeigneterweise auch den Kolben und dient hierbei als Kolbenführung. Weiter kann die Rohrlei­ tung im unteren und/oder oberen Zylinderboden fixiert sein. Das erwähnte Rückschlagventil ist bevorzugt inner­ halb der Rohrleitung vorgesehen und schließt, wie be­ reits angesprochen, bei (federbetätigter) Rückbewegung des Kolbens. Am oberen und unteren Rohrende sind Öffnun­ gen ausgebildet, über welche das Arbeitsgas aus- bzw. einströmen kann. Bei dieser Ausgestaltung werden Strö­ mungsverluste durch gegenläufige Gasströme weitgehend ausgeschlossen. Auch wird über die Menge des überströmen­ den Gases die Frequenz äußerer Erregungen stabil auf eine Kolbenbewegung ohne Resonanzerscheinungen übertra­ gen, damit wird zugleich die Leistungsfähigkeit des Systems gezielt beeinflußt. Die freie Beweglichkeit des Kolbens entlang der Rohrleitung wird durch eine Mindest­ toleranz zwischen einer durchgängigen Kolbenbohrung und dem Außenmantel des Rohres gewährleistet. Die Rohrlei­ tung bzw. ein Außenmantel der Rohrleitung ist mit der Drossel fest und gasdicht verbunden. Die Verankerung der Rohrleitung im unteren und/oder oberen Zylinderboden kann durch Stifte oder Rastausbildungen im Zylinderboden realisiert sein. Das Rückschlagventil ist bevorzugt als Kugelventil ausgebildet.

In weiterer Ausgestaltung ist auch vorgesehen, daß die Drossel unterschiedlich große Einström- und Ausströmöff­ nungen aufweist. Als Einströmöffnung wird hier diejenige Öffnung bzw. Oberfläche der Drossel bezeichnet, welche bei einem Komprimierungsvorgang zunächst mit dem kompri­ mierten Gas beaufschlagt wird. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, daß eine beim Komprimieren durchström­ te Einströmöffnung der Drossel größer ist als die Aus­ strömöffnung der Drossel. Es ist auch zweckmäßig, wenn das Überströmrohr in der Drossel endet. Hierbei emp­ fiehlt es sich, daß das Überströmrohr einer Ausströmöff­ nung der Drossel zugewandt endet bzw. im Bereich oder der Ebene dieser Ausströmöffnung endet. Die Ausströmöff­ nung der Drossel kann auch durch eine Öffnungsplatte gebildet sein, auf welcher die Drossel aufsitzt. Auf dieser Öffnungsplatte kann entsprechend auch ein Endquer­ schnitt des Überströmrohres aufsitzen. Bevorzugt ist jedoch, daß das Überströmrohr vermittels einer Dichtung auf der Öffnungsplatte aufsitzt. Auch kann zweckmäßiger weise ein auf der Öffnungsplatte bzw. der Dichtung auf­ sitzender Endbereich des Überströmrohres sich trichter­ förmig erweiternd ausgebildet sein. Die Dichtung kann eine geschlitzt elastische Scheibe sein, beispielsweise eine Gummischeibe. Die Schlitze können hierbei bevorzugt sternseitig ausgebildet sein. Die Schlitze sind des weiteren so ausgebildet, daß bei einem Druck von oben sich eine Schließung der Dichtung ergibt, bei einem Ansaugen jedoch ein Durchströmen der Dichtung. Darüber hinaus ist noch bevorzugt, daß auch Durchtrittsöffnungen zu der Drossel durch die Öffnungsplatte oder Öffnungs­ scheibe im Bypass zu der Dichtungsscheibe ausgebildet sind.

Aus der nachstehenden Beschreibung und anhand der beige­ fügten Zeichnung ergeben sich weitere Einzelheiten der Erfindung, wobei die Zeichnung jedoch lediglich Ausfüh­ rungsbeispiele darstellt. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht der Kältemaschine; und

Fig. 2 eine weitere schematische Querschnittsansicht der Kältemaschine, bei Ausbildung mit einem Kolben und Überströmrohr;

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2, bei einer Kom­ pressionsbewegung des Kolbens;

Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 2. bzw. Fig. 3 bei einer Rückbewegung des Kolbens;

Fig. 5 eine Detail-Ansicht des Rückschlagsventils in der Rohrleitung;

Fig. 6 eine schematische Schaltungsanordnung für den Betrieb einer Kältekammer mittels einer Kälte­ maschine nach Fig. 1;

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfüh­ rungsform der Kältemaschine;

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Dichtungsscheibe;

Fig. 9 eine Darstellung gemäß Fig. 7, jedoch bei umgekehrter Strömungsrichtung.

Dargestellt und beschrieben ist eine insbesondere als Kältemaschine arbeitende Maschine 1 mit einem Zylinder 2 und in dem Zylinder bewegbar angeordneten Kolben 3, 4. Der Zylinder 2 ist vollkommen gekapselt ausgeführt, so daß in dem Zylinder 2 ein Arbeitsgas wie insbesondere Helium oder Wasserstoff eingeschlossen sein kann, ohne daß sich bei üblicher Lebensdauer einer solchen Maschine erhebliche Leckageverluste einstellen. Insbesondere kann der Zylinder 2 mit einer Deckplatte 2′ hermetisch ver­ schweißt sein.

Im Raum des unteren Kolbens 4, d. h. unterhalb des Kol­ bens 4 und dem Zylinderboden 2′′ kann auch noch locker gepackt Metallwolle enthalten sein. Damit läßt sich eine Vergrößerung der Kälteübertragungsfläche erreichen. Insbesondere ist diese Ausgestaltung auch von Bedeutung bei den nachstehend noch beschriebenen Ausführungen, bei welchen im unteren Raum kein gesonderter zweiter Kolben 4 enthalten ist.

Der Kolben 3 ist stirnseitig mit einem Dauermagneten 5 versehen, der beispielsweise in die Stirnfläche 6 des Kolbens 3 eingelassen ist. Weiter ist der Kolben 3 mit­ tels einer Feder 7 gegen eine Drossel 8 (bzw. eine Halte­ rung 8′ der Drossel 8) abgestützt. Außenseitig des Zylin­ ders 2 ist ein Rad 9 angeordnet, auf dessen Speichen 10 Dauermagnete 11, 12 angeordnet sind. Beim Ausführungsbei­ spiel sind lediglich zwei solcher Dauermagnete 11, 12 dargestellt. Es können jedoch auch wesentlich mehr Dauer­ magnete auf weiteren Speichen 10 vorgesehen sein. Das Rad 9 ist mit einer Achse 13 drehfest verbunden, so daß sich das Rad 9 mit der Achse 13 zusammen dreht. Die Achse 13 ist durch einen Motor 14, beispielsweise einen Elektromotor, angetrieben.

Wenn ein Dauermagnet 11 sich oberhalb des Dauermagneten 5 befindet und beide Dauermagneten 11, 5 gleichgepolt sind, stoßen sich diese gegenseitig ab, so daß es bei der dargestellten Maschine 1 zu einem Zurückweichen des Kolbens 3 in Richtung der Drossel 8 kommt. In dem Zylin­ der 2 enthaltenes Arbeitsgas, beispielsweise Helium wird hierdurch komprimiert und es kommt zu einer Temperaturer­ höhung in dem Bereich 15 des Zylinders 2. Da das Gehäuse des Zylinders 2 beispielsweise aus einem gut wärmeleiten­ den Material wie Messing besteht, kann die entstandene Wärme über die Außenwandung des Zylinders 2 abgeführt werden. Die Außenwandung des Zylinders 2 oberhalb der Drossel 8 umgebend ist ein Wärmetauscher 16 angeordnet, der aus einer Hüllwandung 17 besteht, welche den Zylin­ der 2 zwischen einem unteren Flansch 18 und einem oberen Flansch 19 umgibt. Zwischen der Wandung 17 des Wärmetau­ schers und der Zylinderwandung 2 strömt ein Wärmeträger­ medium, beispielsweise Wasser. Auf dieses Wärmeträgerme­ dium wird die bei der beschriebenen Kompression erzeugte Wärmemenge übertragen. Das Wärmeträgermedium kann durch eine Leitung 27 in den Wärmetauscher 16 einströmen und über eine Leitung 28 ausfließen.

Das derart komprimierte Arbeitsgas strömt durch die Drossel 8 in den unteren Bereich des Zylinders 2. Hier­ durch wird der Kolben 4 zurückbewegt. Gleichzeitig er­ gibt sich beim Durchströmen der Drossel 8 durch den Joule-Thomson-Effekt eine Abkühlung des Arbeitsgases, so daß es entsprechend auch zu einer Abkühlung des Zylin­ ders 2 im unteren Bereich kommt. Durch das die Drossel 8 durchströmende Gas wird weiter der Kolben 4 gegen die Kraft einer Feder 20 zurückbewegt. Die Abkühlung des Gases führt zu einer Kälteleistung, die vergleichbar der Wärmeleistung im oberen Bereich des Zylinders 2 durch einen den Zylinder 2 im unteren Bereich umgebenden weite­ ren Wärmetauscher 21 abführbar ist. Bei diesem Wärmetau­ scher 21 handelt es sich speziell, wie weiter oben wei­ ter beschrieben, um einen Latentwärmespeicher vorzugswei­ se der dort angegebenen Art.

Bei der Drossel 8 handelt es sich um mehrfach übereinan­ dergelegte Lagen von Drahtmaschen in Gewebeform.

Nachdem das Arbeitsgas im wesentlichen die Drossel 8 durchströmt hat und der Kolben 4 gegen die Kraft der Feder 20 zurückbewegt worden ist, stellt sich der Kolben 3 aufgrund der Federkraft 7 und der Kolben 4 nachfolgend aufgrund der Kraft der Feder 20 wieder zurück, wodurch das Gas in umgekehrter Richtung wieder die Drossel 8 durchsetzt. Sodann kann ausgelöst durch einen Elektroma­ gneten 11 bzw. 12 der Kreisprozeß wiederholt werden.

Es versteht sich, daß das Material insbesondere des oberen Wärmetauschers 16 aus einem antimagnetischen Material bestehen muß, um nicht die Wirkung der Dauerma­ gnete zu beeinträchtigen.

Das Arbeitsgas ist in dem Zylinder 2 unter einem gewis­ sen Ausgangsdruck, also auch im entspannten Zustand gehalten. Dieser Druck kann beispielsweise 20 bar betra­ gen.

Die untere Feder 20 ist weiter bevorzugt etwas stärker ausgebildet als die obere Feder 7, um das reibungslose Funktionieren der Maschine zu verbessern.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 sind lediglich ein Kolben 3 und eine Feder 7 vorgesehen. Weiter ist bei dieser Ausführungsform zentral in dem Zylinder 2 eine Rohrleitung 29 angeordnet, die als Bypass zu der Drossel 8 bzw. als Überströmrohr wirkt. Die Rohrleitung 29 be­ sitzt obere Ausströmöffnungen 31 und untere Einströmöff­ nungen 32. Mittels Halterungen 33, 34 ist die Rohrlei­ tung 29 in dem unteren Zylinderboden 2′′ bzw. dem oberen Zylinderboden 2′ gehaltert. Im unteren Bereich der Rohr­ leitung 29 ist ein Rückschlagventil 30 angeordnet.

Die Rohrleitung 29 dient gleichermaßen als Kolbenfüh­ rungsrohr. Die Rohrleitung 29 hat die Aufgabe, stets einen gerichteten Gasstrom zu gewährleisten. Strömungs­ verluste durch gegenläufige Gasströme werden damit prak­ tisch ausgeschlossen. Gleichermaßen wird über die Menge des überströmenden Gases die Frequenz äußerer Erregungen stabil auf eine Kolbenbewegung ohne Resonanzerscheinun­ gen übertragen, damit zugleich die Leistungsfähigkeit des Systems gezielt positiv beeinflußt.

Die freie Beweglichkeit des Kolbens 3 in Richtung der Drossel 8 (und zurück) wird durch eine Mindesttoleranz zwischen einer durchgängigen Kolbenbohrung und dem äuße­ ren Mantel der Rohrleitung 29 gewährleistet.

Die Rohrleitung 29 ist an ihrem Außenmantel mit der Dros­ sel 8 fest und gasdicht verbunden.

Das Rückschlagventil 30 öffnet bei einer Kompressionsbe­ wegung des Kolbens 3, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Aus den Strömungspfeilen ist ersichtlich, daß einer­ seits das Arbeitsgas durch die Drossel 8 hindurchge­ drückt wird, andererseits über die Einströmöffnungen 32 Arbeitsgas durch die Rohrleitung 29 in den Raum 35 strömt. Wie sich insbesondere auch aus Fig. 5 ergibt, ist das Rückschlagventil 30 bei einer derartigen Gasströ­ mung geöffnet.

Mit Einsetzen der Kolbenrückbewegung (infolge des zuvor in den Raum 35 eingeströmten Arbeitsgases gesteuert langsamer) schließt das Rückschlagventil 30 augenblick­ lich durch den entstehenden Überdruck im oberen Zylinder­ raum 35, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist.

In Fig. 6 ist ein Schaltschema dargestellt, welches die Einbindung einer Maschine bzw. eines Kälteaggregates gemäß Fig. 1 in den Betrieb einer Kältekammer bzw. insbe­ sondere eines Kühlschrankes 22 darstellt. Der Kühl­ schrank 22 ist über einen Wärmetauscher 23 mit dem Latentwärmespeicher 24 verbunden. Der Latentwärmespei­ cher 24 umgibt den unteren Bereich des Zylinders 2, also denjenigen Bereich des Zylinders 2, in dem sich der Kolben 4 bewegt. In dem oberen Bereich des Zylinders 2 ist der Wärmetauscher 16 vorgesehen, aus dem bei 25 beispielsweise Wärme ausgekoppelt werden kann.

Der Kolben 3 kann oberseitig mit Pufferelementen, bei­ spielsweise Gummipuffer 26, versehen sein. Solche können auch an dem Kolben 4 vorgesehen sein (vgl. bspw. Fig. 3, 4).

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist der Kolben 3 mit einem größeren Durchmesser ausgebildet, als es dem unteren Zylinderraum entspricht.

Die Rohrleitung 29 endet im unteren Bereich der Drossel 8. Hierbei ist die Drossel ober- und unterseitig durch eine Öffnungsplatte 36 bzw. 37 begrenzt. In der Öffnungs­ platte 36 bzw. 37 sind Durchtrittsöffnungen ausgebildet. Diese sind in der Zeichnung lediglich durch gestrichelte Linien angedeutet.

Die Einströmöffnungen, jedenfalls die effektiven Ein­ ström- und Ausströmöffnungen der Öffnungsplatten 36, 37 sind unterschiedlich. Besonders wenn die Ventilwirkung des nachfolgend noch beschriebenen Ventiles (Dichtung 38) berücksichtigt wird.

Die beim Komprimieren durchströmte Einströmöffnung (Öff­ nungsplatte 37) der Drossel ist größer als die Ausström­ öffnung der Drossel (Öffnungsplatte 37).

Die als Überströmrohr ausgebildete Rohrleitung 29 endet unter Ausbildung eines Trichters 39 oberhalb der unteren Öffnungsplatte 37. In der Trichterwandung des Trichters 39 sind Einströmöffnungen 32 ausgebildet.

Zwischen dem Endbereich des Trichters 39 der Rohrleitung 29 und der Öffnungsplatte 37 ist die Dichtung 38, die in Fig. 8 nochmals gesondert dargestellt ist, zwischenge­ schaltet. Es handelt sich hierbei um eine elastische Scheibe, beispielsweise Gummischeibe, mit sternförmigen Schlitzen 40. Die Schlitze 40 sind so ausgebildet, daß bei einer Druckbelastung von oben ein dichtender Ver­ schluß erreicht ist, dagegen bei einer Druckbelastung von unten, also oberem Unterdruck, sich ein Öffnen der Dichtung ergibt.

Wesentlich ist auch, daß in der unteren Öffnungsplatte 37 randseitige Öffnungen ausgebildet sind, durch welche im Bypass zu der Dichtung 38 Gas durch die Drossel 8 strömen kann.

Die Funktion ist wie folgt. Bei einer Bewegung des Kol­ bens 3 (mit Bezug zu Fig. 7) nach unten wird gemäß den Pfeilen 41 Gas komprimiert und durchsetzt die Drossel 8. Gleichzeitig wird, wie durch die Pfeile 42 angedeutet, Gas aus dem unteren Raum 43 durch die Rohrleitung 29 nachgesaugt und tritt oberhalb des Kolbens 3 aus. Die Dichtung 38 öffnet bei dieser Druckbelastung, wie vorste­ hend beschrieben. Das aufgrund der Komprimierung (Pfeile 41) die Drossel 8 durchsetzende Gas tritt entsprechend den Pfeilen 41′ in den unteren Raum 43 ein.

Bei umgekehrter Bewegung des Kolbens 3, was in Fig. 9 angedeutet ist, wird das Gas oberhalb des Kolbens 3 komprimiert und in die Rohrleitung 29 hineingedrückt (Pfeile 44). Gleichzeitig wird aus dem unteren Raum 43 entsprechend den Pfeilen 45 Gas angesaugt, das nun, aufgrund des Überdrucks in der Rohrleitung 29 die Dich­ tung 38 praktisch nicht durchsetzen kann, sondern im Bypass hierzu entsprechend den Pfeilen 45′ strömt. Dar­ über hinaus durchsetzt auch Gas entsprechend den Pfeilen 46 den trichterförmigen Abschnitt der Rohrleitung 29 und wird aufgrund des herrschenden Unterdruckes wieder nach oben gesaugt.

In Fig. 9 ist des weiteren noch dargestellt, daß der untere Raum 43 durch eine Verschlußschraube 47 verschlos­ sen sein kann. Es versteht sich daß die Verschlußschrau­ be 47 hermetisch dichtend ausgebildet sein muß.

Im übrigen ist bei der Ausgestaltung der Kältemaschine gemäß den Fig. 7 und 9 eine analoge Ausbildung zu den vorstehenden Ausführungen gegeben, so daß bezüglich weiterer Einzelheiten auf die dortige Beschreibung ver­ wiesen wird.

Claims (30)

1. Maschine (1) zur Erzeugung einer Kälteleistung, mit einem Zylinder (2), einem Kolben (3), einer Drossel (8) und Wärmeüberträgern (16, 21), wobei in dem Zylinder (2) ein Arbeitsgas einen thermodynamischen Kreisprozeß durchläuft und wobei der Kolben (3) magnetisch unter Einbeziehung von Dauermagneten bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits im Inneren des Zylinders (2) an dem Kolben (3) ein innerer Dauermagnet (5) und andererseits außerhalb des Zylinders (2) mindestens ein äußerer Magnet (11, 12) angeordnet ist, durch die der Kolben (3) im vollständig gekapselten Zylinder (2) berührungsfrei von außen durch eine Wandung (4) des Zylinders (2) hindurch bewegbar ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (8) aus einem mehrlagigen Maschengitter oder einer Metallwolle besteht.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschengitter aus Metalldrähten gebildet ist.

4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) in eine Ausgangslage federvorgespannt ist.

5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas Helium ist.

6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas Wasserstoff ist.

7. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Dauermagnet (5) an der Stirnseite des Kolbens (3) angeordnet ist.

8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Magnet (11) ein Elektromagnet ist.

9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere äußere Magneten (11, 12) als Dauermagneten vorgesehen sind, die wechsel­ weise mit dem Dauermagneten (5) des Kolbens (3) zusam­ menwirken.

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Dauermagneten (11, 12) zur aufeinander­ folgenden Wechselwirkung mit dem inneren Dauermagneten (5) drehbar angeordnet sind.

11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (2) in seinem unteren Bereich, bezüglich des Kolbens (3) jenseits der Drossel (8), von einem Wärmetauscher (21) umgeben ist.

12. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Rückströmung des Arbeitsgases ein Bypass zu der Drossel (8) vorgesehen ist.

13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass aus einer vollständig innerhalb des Zylinders angeordneten, die Drossel (8) durchsetzenden Rohrleitung (29) besteht.

14. Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (29) auch den Kolben (3) durchsetzt.

15. Maschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohrleitung (29) im unteren und/oder oberen Zylinderboden (2′, 2′′) fixiert ist.

16. Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (29) als Kolbenführung dient.

17. Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (29) ein Rück­ schlagventil (30) aufweist, das bei (federbetätigter) Rückbewegung des Kolbens (3) schließt.

18. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinder (2) ein zweiter Kolben (4) angeordnet ist, wobei sich zwischen dem ersten Kolben (3) und dem zweiten Kolben (4) die Drossel (8) befindet.

19. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (2) im Bereich des zweiten Kolbens 4 von einem Wärmetauscher (21) in Form eines Latentwär­ mespeichers umgeben ist.

20. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (8) unterschied­ lich große Einström- und Ausströmöffnungen aufweist.

21. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine beim Komprimieren durchströmte Einströmöffnung der Drossel (8) größer ist als die Ausströmöffnung der Drossel (8).

22. Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (29) in der Drossel (8) endet.

23. Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (29) einer Austrittsöffnung der Drossel (8) zugewandt endet.

24. Maschine nach einem der Ansprüche 20 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung der Dros­ sel (8) durch eine Öffnungsplatte (37) gebildet ist.

25. Maschine nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohrleitung (8) auf der Öffnungsplat­ te (37) aufsitzt.

26. Maschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (29) an ihrem auf der Öffnungsplat­ te (37) aufsitzenden Endbereich sich trichterförmig erweiternd ausgebildet ist.

27. Maschine nach einem der Ansprüche 24 bis 26, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Endbereich der Rohrleitung (29) und der Öffnungsplatte (37) eine Dich­ tung (38) zwischengeschaltet ist.

28. Maschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (38) eine geschlitzte elastische Schei­ be ist.

29. Maschine nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Durchtrittsöffnungen im Bypass zu der Dichtung (38) ausgebildet sind.

30. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (16) aus einer Hüllwandung (17) besteht, welche den Zylinder (2) umgibt, mit Leitungen (27, 28) an der Hüllwandung (17) zum Ein- und Ausströmen eines Wärmeübertragermediums.