DE69300919T2

DE69300919T2 - Halterungsmittel für Kolben/Verdränger für eine kryogene Kältemaschine.

Info

Publication number: DE69300919T2
Application number: DE69300919T
Authority: DE
Inventors: Nobuo C O Mitsubishi Den Fujii; Yoshihiro C O Mitsub Katagishi; Hiroyuki C O Mitsubishi Kiyota; Takeshi C O Mitsubish Miyazawa; Kazuki Niitsu; Tatsuru Ohishi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2013-01-29
Also published as: US5351490A; DE69300919D1; EP0553818B1; EP0553818A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine kryogene Kältemaschine und insbesondere auf Mittel zum Stützen eines Kolbens/Verdrängerkolbens zur Verwendung in einer derartigen kryogenen Kältemaschine.
Eine herkömmliche Stirling-Kältemaschine (siehe Dr.R.G.Ross, Jr., Tiger/ITIR Briefing, "Oxford Stirling Cooler Technical Overview", Oktober 10, 1989, Jet Propulsion Laboratory, California, Institute of Technology, Pasadena. CA 91109 oder US-A-4397155) ist beispielsweise ausgebildet zum Kühlen von Infrarotsensoren herab bis zu 77K und umfaßt im allgemeinen einen Kompressor und einen Kaltfinger, der durch eine Leitung mit dem Kompressor verbunden ist. Der Kompressor enthält einen vertikalen Zylindersitz innerhalb des oberen Endes eines Kompressorgehäuses und einen für eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders befestigten Kolben. Mehrere flache Kalbenaufhängungsfedern sind horizontal innerhalb des Kompressorgehäuses angeordnet, um den Kolben zu stützen, so daß ein reibender Kontakt des Kolbens mit der Innenwand des Zylinders und somit ein Abrieb des Kolbens und des Zylinders verhindert werden. Jede der Kolbenaufhängungsfedern ist in der Form einer kreisförmigen Scheibe und enthält mehrere spiralförmige Schlitze, um mehrere Spiralarme zu ergeben (siehe Fig. 16). Die Spiralarme werden vertikal ausgelenkt, wenn der Kolben innerhalb des Zylinders hin- und herbewegt wird.
Mehrere ringförmige äußere Halter sind an der Innenwand des Gehäuses befestigt und so angeordnet, daß sie die äußeren Umfangskanten der Kolbenaufhängungsfedern zwischen sich aufnehmen. In gleicher Weise sind mehrere ringförmige innere Halter an einer Kolbenstange befestigt und so angeordnet, daß sie die inneren Umfangskanten der Kolbenaufhängungsfedern zwischen sich aufnehmen. Bei dieser Anordnung sind jedoch die Spiralarme anfällig für Ermüdungsfehler als eine Folge der periodischen Ausübung lokaler Beanspruchungen während der normalen Operation des Kompressors. Dies wird bewirkt durch den Umstand, daß die inneren und äußeren Enden der Spiralarme im wesentlich in Punktkontakt mit den Umfangskanten der inneren und äußeren Halter gehalten werden (siehe Fig. 17) und einer hohen Beanspruchungskonzentration unterworfen sind, wenn die Spiralarme ausgelenkt werden.
Der Kaltfinger enthält einen Niedrigtemperatur-Zylinder, in welchem ein Verdrängerkolben hin- und herbewegt wird. Der Verdrängerkolben hat einen Körper und sich eine von dem Körper nach unten erstreckende Stange. Das Innere des Niedrigtemperatur-Zylinders wird durch den Verdrängerkolben in zwei Kammern unterteilt, nämlich eine Niedrigtemperatur-Kammer oberhalb des Verdrängerkolbens und eine Hochtemperatur- Kammer unterhalb des Verdrängerkolben-Körpers. Ein Regenerator ist innerhalb des Verdrängerkolben-Körpers befestigt. Eine Gasöffnung ist innerhalb des Verdrängerkolben-Körpers ausgebildet, um eine Fluidverbindung zwischen der Niedrigtemperatur-Kammer und der Hochtemperatur-Kammer über den Regenerator zu schaffen. Eine erste Manschette ist innerhalb des unteren Teils des Niedrigtemperatur-Zylinders befestigt, um einen Teil des Verdrängerkolben-Körpers zu umgeben. Eine zweite Manschette ist unterhalb der Hochtemperatur-Kammer befestigt. Die Verdrängerkolben-Stange erstreckt sich durch die zweite Manschette und in eine Federkammer. Mehrere flache Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern (siehe Fig. 18) sind innerhalb der Federkammer befestigt, um den Verdrängerkolben zu stützen, so daß ein Reibkontakt des Verdrängerkolbens mit der ersten Manschette und der zweiten Manschette und folglich eine Abnutzung des Verdrängerkolbens und der Manschetten bei der Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens verhindert werden. Jeder der Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern ist in der Form einer kreisförmigen Scheibe und hat mehrere spiralförmige Schlitze, um mehrere Spiralarme zu ergeben. Die Spiralarme 30a werden vertikal ausgelenkt, wenn der Verdrängerkolben hin- und herbewegt wird.
Mehrere ringförmige äußere Halter sind an der Innenwand der Federkammer befestigt, um die äußeren Umfangskanten der Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern zwischen sich aufzunehmen. In gleicher Weise sind mehrere ringförmige innere Halter an der Verdrängerkolben-Stange befestigt, um die inneren Umfangskanten der Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern zwischen sich aufzunehmen. Bei dieser Anordnung sind jedoch die Spiralarme anfällig für Ermüdungsfehler als eine Folge der periodischen Ausübung von lokalen Beanspruchungen während des normalen Betriebs des Verdrängerkolbens. Dies wird bewirkt durch den Umstand, daß die inneren und äußeren Enden der Spiralarme im wesentlich in Punktkontakt mit den Umfangskanten der inneren und äußeren Halter gehalten werden (siehe Fig. 19) und einer hohen Beanspruchskonzentration unterworfen sind, wenn die Spiralarme ausgelenkt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zum Stützen eines Kolbens/Verdrängerkolbens zur Verwendung in einer kryogenen Kältemaschine vorzusehen, gekennzeichnet durch niedrigere lokale Beanspruchungen und verringerte Anfälligkeit für Ermüdungsfehler, um die Lebensdauer der gesamten kryogenen Kältemaschine zu erhöhen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 4, 7 und 10. Vorteilhafte Abwandlungen der kryogenen Kältemaschine gemäß Anspruch 1 sind möglich durch Verwendung der Merkmale der Unteransprüche.
Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen werden.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer Stirling-Kältemaschine;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht von Mitteln zum Stützen eines Kolbens, gemacht entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf Fig. 2, welche eine Form von äußeren Haltern (nur einer ist gezeigt), zeigt, zwischen welchen Kolbenaufhängungsfedern eingesetzt sind;
Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 3, welche jedoch eine abgewandelte Form der äußeren Halter zeigt (nur einer ist gezeigt);
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht von Mitteln zum Stützen eines Verdrängerkolbens, gemacht entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf Fig. 5, zeigend eine Form von äußeren Haltern (nur einer ist gezeigt), zwischen denen Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern eingesetzt sind;
Fig. 7 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 6, die jedoch eine abgewandelte Form der äußeren Halter zeigt (nur einer ist gezeigt);
Fig. 8 ist eine vergrößerte Ansicht von Mitteln zum Stützen eines Kolbens, gemacht entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf Fig. 8, zeigend eine Form von inneren Haltern (nur einer ist gezeigt), zwischen denen Kolbenaufhängungsfedern eingesetzt sind;
Fig. 10 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 9, die jedoch eine abgewandelte Form der inneren Halter zeigt (nur einer ist gezeigt);
Fig. 11 ist eine vergrößerte Ansicht von Mitteln zum Stützen eines Verdrängerkolbens, gemacht entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist eine Draufsicht auf Fig. 11, zeigend eine Form von inneren Haltern (nur einer ist gezeigt), zwischen denen Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern eingesetzt sind;
Fig. 13 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 12, die jedoch eine abgewandelte Form der inneren Halter zeigt (nur einer ist gezeigt);
Fig. 14 ist eine Draufsicht auf Mittel zum Stützen eines Kolbens, die nicht zur vorliegenden Erfindung gehören;
Fig. 15 ist eine Draufsicht auf Mittel zum Stützen eines Verdrängerkolbens, die nicht zur vorliegenden Erfindung gehören;
Fig. 16 ist eine Draufsicht auf eine Kolbenaufhängungsfeder nach dem Stand der Technik;
Fig. 17 ist eine Draufsicht auf die Kolbenaufhängungsfeder nach Fig. 16, die mit inneren und äußeren Haltern zusammenarbeitet, um einen Kolben zu stützen;
Fig. 18 ist eine Draufsicht auf eine Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder nach dem Stand der Technik; und
Fig. 19 ist eine Draufsicht auf die Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder nach Fig. 18, die mit inneren und äußeren Haltern zusammenarbeitet, um einen Verdrängerkolben zu stützen.
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche oder entsprechende Teile in mehreren Ansichten der Zeichnung.
Bezugnehmend nun auf Fig. 1 weist eine Stirling-Kältemaschine 10 im allgemeinen einen Kompressor 12 und einen Kaltfinger 14, der durch eine Leitung 16 mit dem Kompressor 12 verbunden ist, auf. Der Kompressor 12 enthält ein Kompressorgehäuse 18, innerhalb welchem ein vertikaler Zylinder 20 befestigt ist, und einen Kolben 22, der für eine hin- und hergehende Bewegung mit einem kleinen Spiel innerhalb des Zylinders 20 befestigt ist. Mehrere flache Kolbenaufhängungsfeder 24 sind innerhalb des Kompressorgehäuses 18 angeordnet, um den Kolben 22 zu stützen, so daß ein Reibkontakt des Kolbens 22 mit der Innenwand des Zylinders 20 und somit eine Abnutzung des Kolbens 22 und des Zylinders 20 verhindert werden.
Wie besser in den Fign. 2 und 3 gezeigt ist, ist jede der Kolbenaufhängungsfedern 24 in der Form einer kreisförmigen Scheibe und enthält einen oder mehrere spiralförmige Schlitze 24a, um Spiralarme 24b zu ergeben. Die Spiralarme 24b werden vertikal ausgelenkt, wenn der Kolben 22 innerhalb des Zylinders 20 hin- und herbewegt wird. Mehrere ringförmige äußere Halter 30 sind an der Innenwand des Gehäuses 18 befestigt und so angeordnet, daß sie die äußeren Umfangskanten der Kolbenaufhängungsfedern 24 zwischen sich aufnehmen. In gleicher Weise sind mehrere ringförmige innere Halter 30 an einer Kolbenstange 22a befestigt und so angeordnet, daß sie die inneren Umfangskanten der Kolbenaufhängungsfedern 24 zwischen sich aufnehmen.
Bezugnehmend wieder auf Fig. 1 ist eine sich bewegende Wicklung 36 an der Kolbenstange 22a befestigt und enthält eine zylindrische Spule 38 aus einem nichtmagnetischen Material und einen elektrisch leitenden Draht 40, der um die Spule 38 gewickelt ist. Ein Paar von Zuführungsdrähten 42 und 42 haben die einen Enden mit Enden des elektrisch leitenden Drahtes 40 verbunden und die anderen Enden mit einem entsprechenden Paar von Anschlüssen 44 und 44 verbunden. Ein Permanentmagnet 46 und ein Joch 48 sind innerhalb des Gehäuses 18 befestigt und bilden gemeinesam einen magnetischen Kreis. Der magnetische Kreis hat einen Raum 50, in welchem die sich bewegende Wicklung 36 frei in der axialen Richtung des Kolbens 22 hin- und herbewegbar ist. Ein Permanentmagnetfeld wird horizontal innerhalb des Raumes 50 gebildet. Ein Hochdruck-Arbeitsgas wie Helium ist in das Innere des Kompressors 12 eingefüllt. Eine Kompressionskammer 52 ist oberhalb des Kolbens 22 innerhalb des Zylinders gebildet. Der Kolben 22 und der Zylinder 20 sind so angeordnet, daß sie ein ringförmiges Spiel bilden, das so klein wie möglich ist, um im wesentlichen das Hindurchgehen von Arbeitsgas zwischen dem Kolben 22 und dem Zylinder 20 zu verhindern.
Der Kaltfinger 14 enthält einen Niedrigtemperatur- Zylinder 55, in welchem ein Verdrängerkolben 57 hin- und herbewegt wird. Der Verdrängerkolben 57 hat einen Körper 57a und eine Stange 57b, die sich von dem Körper 57a nach unten erstreckt. Das Innere des Niedrigtemperatur-Zylinders 55 wird durch den Verdrängerkolben 57 in zwei Kammern geteilt, nämlich eine Niedrigtemperatur-Kammer 59 oberhalb der Verdrängerkolbens 57 und eine Hochtemperatur-Kammer 61 unterhalb des Verdrängerkolben-Körpers 57a. Ein Regenerator 63 ist innerhalb des Verdrängerkolben-Körpers 57a befestigt. Eine Gasöffnung 65 ist in dem Verdrängerkolben-Körper 57a gebildet, um eine Fluidverbindung zwischen der Niedrigtemperatur-Kammer 59 und der Hochtemperatur- Kammer 61 über den Regenerator 63 zu schaffen. Der Regenerator 63 ist mit regenerierendem Material wie Siebscheiben 67 aus Kupfer gefüllt. Eine erste Manschette 69 ist innerhalb des unteren Teils des Niedrigtemperatur-Zylinders 55 befestigt, um einen Teil des Verdrängerkolben-Körpers 57a zu umgeben. Eine zweite Manschette 71 ist unterhalb der Hochtemperatur-Kammer 61 befestigt. Die Verdrängerkolben-Stange 57b erstreckt sich durch die zweite Manschette 71 und in eine Federkammer 73.
Ein Hochdruck-Arbeitsgas wie Helium wie in dem Kompressor 12 ist in die verschiedenen Kammern des Kaltfingers 14 eingefüllt. Der Verdrängerkolben-Körper 57a und die erste Manschette 69 sind so angeordnet, daß sie einen ringförmigen Abstand bilden, der so klein wie möglich ist, um im wesentlichen das Hindurchgehen von Arbeitsgas zwischen dem Verdrängerkolben-Kolben 57a und der ersten Manschette 69 zu verhindern. In gleicher Weise sind die Verdrängerkolben- Stange 57b und die zweite Manschette 71 so angeordnet, daß sie einen ringförmigen Abstand bilden, der so gering wie möglich ist, um im wesentlichen das Hindurchgehen von Arbeitsgas zwischen der Verdrängerkolben-Stange 57b und der zweiten Manschette 71 zu verhindern. Mehrere flache Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern 75 sind innerhalb der Federkammer 73 befestigt, um den Verdrängerkolben 57 zu stützen, so daß ein Reibkontakt des Verdrängerkolbens 57 mit der ersten Manschette 69 und der zweiten Manschette 71 und somit einer Abnutzung des Verdrängerkolbens 57 und der Manschetten 69 und 71 verhindert werden, wenn der Verdrängerkolben 57 durch die erste Manschette 69 und die zweite Manschette 71 hin- und herbewegt wird.
Wie besser in den Fign. 5 und 6 gezeigt ist, ist jede der Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern 75 in der Form einer kreisförmigen Scheibe und hat mehrere spiralförmige Schlitze 75a, um Spiralarme 75b zu ergeben. Die Spiralarme 75b werden vertikal ausgelenkt, wenn der Verdrängerkolben 57 hin- und herbewegt wird. Mehrere ringförmige äußere Halter 77 sind an der Innenwand der Federkammer 73 befestigt, um die äußeren Umfangskanten der Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern 75 zwischen sich aufzunehmen. In gleicher Weise sind mehrere ringförmige innere Halter 79 an der Verdrängerkolben-Stange 57b befestigt, um die inneren Umfangskanten der Verdrängerkolben-Aufhängungsfedern 75 zwischen sich aufzunehmen.
Die Kompressionskammer 52 des Kompressors 12 ist durch die Leitung 16 mit der Hochtemperatur-Kammer 61 des Kaltfingers 14 verbunden. Die Kompressionskammer 52, die Leitung 16, die Niedrigtemperatur-Kammer 59, die Hochtemperatur-Kammer 61, der Regenerator 57 und die Gasöffnung 65 sind alle miteinander verbunden und bilden gemeinsam eine Arbeitskammer.
Im Betrieb wird ein Wechselstrom zu dem elektrisch leitenden Draht 40 über den Anschluß 44 und den Zuführungsdraht 42 geführt. Dies entwickelt eine Lorentz-Kraft in der axialen Richtung des elektrisch leitenden Drahtes 40 der sich bewegenden Wicklung 36 als ein Ergebnis der gegenseitigen Beeinflussung des Wechselstroms und des Magnetfeldes in dem Raum 50. Der Kolben 22 wird dann in Schwingungen versetzt oder hin- und herbewegt innerhalb des Kompressorzylinders 20 unter der Einwirkung der Kolbenaufhängungsfedern 24, um eine sinusförmige Schwingung des Druckes von Gas in der Arbeitskammer von der Kompressionskammer 52 zu der Niedrigtemperatur-Kammer 59 zu bewirken.
Die zweite Manschette 71 und die Verdrängerkolben- Stange 57b sind so angeordnet, daß sie ermöglichen, daß die Abmessung des ringförmigen Abstands so klein ist, daß eine wirksame Dichtung geschaffen werden kann. Jedoch kann eine derartige Dichtung verloren gehen, wenn der Kolben über eine Zeitperiode betrieben wird. Dies bewirkt, daß der Druck in der Federkammer 73 angenähert auf einem Zwischenpegel zwischen dem maximalen und minimalen pulsierenden Ausgang des Kolbens 22 gehalten wird.
Wenn der pulsierende Ausgang des Kolbens 22 zu der Hochtemperatur-Kammer 61 übertragen wird, wird eine vertikale Last auf den Verdrängerkolben 57 ausgeübt. Die Last wird dargestellt durch den Unterschied zwischen den Drücken in der Hochtemperatur-Kammer 61 und der Federkammer 73, multipliziert mit der Querschnittsfläche der Verdrängerkolben-Stange 57b. Unter dieser Last sowie der Wirkung der Verdrängerkolben- Aufhängungsfedern 75 schwingt der Verdrängerkolben 57 vertikal innerhalb des Kaltfingers 14 mit derselben Frequenz, jedoch um 90º in der Phase versetzt, wie der Kolben 22.
Wenn der Verdrängerkolben 57 innerhalb des oberen Teils des Kaltfingers 14 positioniert ist, wird der Kolben 22 hochbewegt, um ein Arbeitsgas in der gesamten Arbeitskammer zu verdichten. Ein Arbeitsgas in der Kompressionskammer 52 strömt dann durch die Leitung 16 in die Hochtemperatur-Kammer 61. Die Wärme, welche erzeugt wird, wird durch das Gehäuse 18 und die Leitung 16 an die Atmosphäre abgegeben. Der Verdrängerkolben 57 wird dann nach unten bewegt, um zu bewirken, daß das Arbeitsgas innerhalb der Hochtemperatur-Kammer 61 durch den Regenerator 63 und die Gasöffnung 65 in die Niedrigtemperatur-Kammer 59 strömt. Zu dieser Zeit wird das Arbeitsgas in dem Regenerator 63 gekühlt. Der Kolben 22 wird danach nach unten bewegt, um das Arbeitsgas in der gesamten Arbeitskammer auszudehnen. Das Arbeitsgas in der Niedrigtemperatur Kammer 59 wird auch ausgedehnt. Dies ergibt eine Abnahme der Temperatur des Arbeitsgases in der Niedrigtemperatur-Kammer 59. Der Verdrängerkolben 57 wird als nächstes nach oben bewegt, um zu bewirken, daß das Arbeitsgas in der Niedrigtemperatur-Kammer 59 durch den Regenerator 63 und die Gasöffnung 65 in die Hochtemperatur-Kammer 61 strömt. Zu dieser Zeit wird der Regenerator 63 gekühlt. Der Kolben 22 wird wieder nach oben bewegt, um das Arbeitsgas zu verdichten. Derselbe Operationszyklus wird dann wiederholt. Das Arbeitsgas erzeugt Wärme, wenn es verdichtet wird durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 22, und absorbiert Wärme von außen, wenn es durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 22 ausgedehnt wird. Wie vorstehend erläutert wird, wird das Arbeitsgas ausgedehnt, wenn der Verdrängerkolben 57 innerhalb des oberen Teils des Kaltfingers 14 angeordnet ist oder wenn das Volumen der Niedrigtemperatur-Kammer 59 klein ist. Umgekehrt wird das Arbeitsgas ausgedehnt, wenn der Verdrängerkolben 57 sich im unteren Teil des Kaltfingers 14 befindet oder wenn das Volumen der Niedrigtemperatur-Kammer 59 groß ist. Somit ist die Niedrigtemperatur-Kammer 59 hauptsächlich einer Gasausdehnung während jedes Operationszyklus unterworfen und absorbiert Wärme von einem Ende des Kaltfingers, um einen Gegenstand zu kühlen.
Bezugnehmend wieder auf Fig. 3 enthält jeder der ringförmigen äußeren Halter 30 mehrere Vorsprünge 30a. Die Vorsprünge 30a erstrecken sich nach innen von den äußeren Enden der Spiralenschlitze 24a, um die äußeren Enden der Spiralarme 24b der Kolbenaufhängungsfeder 24 zwischen sich aufzunehmen. Jeder der Vorsprünge 30a hat eine Seite 30b, die sich radial zu der Kolbenaufhängungsfeder 24 erstreckt, um einen linearen Kontakt mit dem entsprechenden Spiralarm 24b zu bilden. Diese Anordnung, linearer Kontakt anstelle von Punktkontakt wie beim Stand der Technik, verringert die lokale Beanspruchungsintensität an den äußeren Enden der Spiralarme 24b, wenn die Spiralarme 24b periodisch ausgelenkt werden. Alternativ kann ein ringförmiger äußerer Halter 31 Vorsprünge 31a haben, die sich von den äußeren Enden der spiralförmigen Schlitze 24a erstrecken, um die äußeren Enden der Spiralarme 24b zwischen sich aufzunehmen, und jeder der Vorsprünge 31a kann sich schräg zu der radialen Richtung der Kolbenaufhängungsfeder 24 erstrecken, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Bezugnehmend auf Fig. 6 enthält jeder der ringförmigen äußeren Halter 77 mehrere Vorsprünge 77a. Die Vorsprünge 77a erstrecken sich nach innen von den äußeren Enden der spiralförmigen Schlitze 75a, um die äußeren Enden der Spiralarme 75b der Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder 75b zwischen sich aufzunehmen. Jeder der Vorsprünge 77a hat eine Seite 77b, die sich radial zu der Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder 75 erstreckt, um einen linearen Kontakt mit dem entsprechenden Spiralarm 75b zu bilden. Diese Anordnung, linearer Kontakt anstelle von Punktkontakt wie beim Stand der Technik, verringert die lokale Beanspruchungsintensität an den äußeren Enden der Spiralarme 75b, wenn die Spiralarme 75b periodisch ausgelenkt werden. Alternativ kann ein ringförmiger äußerer Halter 78 Vorsprünge 78a haben, die sich von den äußeren Enden der spiralförmigen Schlitze 75a nach innen erstrecken, um die äußeren Enden der Spiralarme 75b zwischen sich aufzunehmen, und jeder der Vorsprünge 78a kann sich schräg zu der radialen Richtung der Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder 75 erstrecken, wie in Fig. 7 gezeigt ist.
Bezugnehmend auf Fig. 9 enthält jeder der ringförmigen inneren Halter 80 mehrere Vorsprünge 80a. Die Vorsprünge 80a erstrecken sich von den inneren Enden der spiralförmigen Schlitze 24a nach außen, um die inneren Enden der Spiralarme 24b jeder Kolbenaufhängungsfeder 24 zwischen sich aufzunehmen. Jeder der Vorsprünge 80a hat eine Seite 80b, die sich radial zu der Kolbenaufhängungsfeder 24 erstreckt, um einen linearen Kontakt mit dem entsprechenden Spiralarm 24b zu bilden. Diese Anordnung, linearer Kontakt anstellen von Punktkontakt wie beim Stand der Technik, verringert die lokale Beanspruchungsintensität an den inneren Enden der Spiralarme 24b, wenn die Spiralarme 24b periodisch ausgelenkt werden. Alternativ kann ein ringförmiger innerer Halter 81 Vorsprünge 81a haben, die sich von den inneren Enden der spiralförmigen Schlitze 24a nach außen erstrecken, um die inneren Enden der Spiralarme 24b zwischen sich aufzunehmen, und jeder der Vorsprünge 81a kann sich schräg zu der radialen Richtung der Kolbenaufhängungsfeder 24 erstrecken.
Bezugnehmend auf Fig. 12 enthält jeder der ringförmigen inneren Halter 84 mehrere Vorsprünge 84a. Die Vorsprünge 84a erstrecken sich nach außen von den inneren Enden der spiralförmigen Schlitze 75a, um die inneren Enden der Spiralarme 75b der Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder 75 zwischen sich aufzunehmen. Jeder der Vorsprünge 84a hat eine Seite 84b, die sich radial zu der Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder 75 erstreckt, um einen linearen Kontakt mit dem entsprechenden Spiralarm 75b zu bilden. Diese Anordnung, linearer Kontakt anstelle von Punktkontakt wie beim Stand der Technik, verringert die lokale Beanspruchungsintensität an den inneren Enden der Spiralarme 75b, wenn die Spiralarme 75b periodisch ausgelenkt werden. Alternativ kann ein ringförmiger innerer Halter 85 Vorsprünge 85a haben, die sich radial von den inneren Enden der spiralförmigen Schlitze 75a nach außen erstrecken, um die inneren Enden der Spiralarme 75b zwischen sich aufzunehmen, und jeder der Vorsprünge 85a kann sich schräg zu der radialen Richtung der Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder 75 erstrecken.
Bezugnehmend auf Fig. 14 hat eine Kolbenaufhängungsfeder 90 mehrere spiralförmige Schlitze 90a, um mehrere Spiralarme 90b zu schaffen. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die Kolbenaufhängungsfeder 90 mehrere Öffnungen 90c. Die inneren und äußeren Enden der spiralförmigen Schlitze 90a erstrecken sich tangential zu und enden in den entsprechenden Öffnungen 90c. Die Öffnungen 90c befinden sich zwischen den inneren und äußeren Enden der spiralförmigen Schlitze 90a bzw. den inneren und äußeren Haltern 32 und 82. Diese Anordnung ist vorgesehen, um die lokale Beanspruchungsintensität an den inneren und äußeren Enden der Spiralarme 90b herabzusetzen durch Verteilung der Beanspruchungen entlang der Öffnungen 90c, wenn die Spiralarme 90b periodisch ausgelenkt werden.
Bezugnehmend auf Fig. 15 hat eine Verdrängerkolben- Aufhängungsfeder 92 mehrere spiralförmige Schlitze 92a, um mehrere Spiralarme 92b zu schaffen. In dem illustrierten Ausführungsbeispiel enthält die Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder 92 mehrere Öffnungen 92c. Die inneren und äußeren Enden der spiralförmigen Schlitze 92a erstrecken sich tangential zu und enden an den entsprechenden Öffnungen 92c. Die Öffnungen 92c befinden sich zwischen den inneren und äußeren Enden der spiralförmigen Schlitze bzw. den inneren und äußeren Haltern 79 und 86. Diese Anordnung ist ebenfalls vorgesehen, um die lokale Beanspruchungsintensität an den inneren und äußeren Enden der Spiralarme 92b herabzusetzen durch Verteilung der Beanspruchungen entlang der Öffnungen 92c, wenn die Spiralarme 92b periodisch ausgelenkt werden.

Claims

1. Kryogene Kältemaschine (10) mit einem Kompressor (12) enthaltend ein Kompressorgehäuse (18), einen in dem Gehäuse (18) befestigten Zylinder (20), einen in dem Zylinder (20) hin- und hergehenden Kolben (22) und eine in dem Zylinder (20) gebildete und ein veränderliches Volumen aufweisende Kompressionskammer (52), und einem Kaltfinger (14) enthaltend einen Niedrigtemperatur- Zylinder (55), einen Verdrängerkolben (57), der innerhalb des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) hin- und herbewegbar und geeignet ist, das Innere des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) in eine Niedrigtemperatur-Kammer (59) und eine Hochtemperatur-Kammer (61) zu teilen, einen innerhalb des Verdrängerkolbens (57) befestigten Regenerator, und Mitteln zum Stützen des Kolbens (22) enthaltend wenigstens eine flache Kolbenaufhängungsfeder (24) mit einer inneren und einer äußeren Umfangskante und mehreren spiralförmigen Schlitzen (24a) zur Bildung mehrerer spiralförmiger Arme (24b), die auslenkbar sind, wenn der Kolben (22) innerhalb des Kompressor-Zylinders (20) hin- und hergeht, wobei jeder der mehreren spiralförmigen Arme (24b) ein inneres und ein äußeres Ende hat;

mehrere ringförmige innere Halter (32), die am Kolben (22) befestigt und geeignet sind, die innere Umfangskante der wenigstens einen Kolbenaufhängungsfeder (24) zwischen sich aufzunehmen; und

mehrere ringförmige äußere Halter (30,31), die am Kompressorgehäuse (18) befestigt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren ringförmigen äußeren Halter (30,31) mehrere Vorsprünge (30a,31a) enthalten, die sich nach innen über die volle Breite der äußeren Enden der spiralförmigen Arme (24b) erstrecken, um die äußeren Enden der spiralförmigen Arme (24b) in der wenigstens einen flachen Kolbenaufhängungsfeder (24) zwischen sich aufzunehmen, wobei die Anzahl der Vorsprünge (30a,31a) der Anzahl der spiralförmigen Arme (24b) entspricht.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, worin jeder der mehreren Vorsprünge (30a) eine Seite (30b) hat, die sich radial zu der wenigstens einen flachen Kolbenaufhängungsfeder (24) erstreckt.

3. Kältemaschine nach Anspruch 1, worin jeder der mehreren Vorsprünge (31a) eine Seite (31b) hat, die sich schräg zur radialen Richtung der wenigstens einen flachen Kolbenaufhängungsfeder (24) erstreckt.

4. Kryogene Kältemaschine (10) mit einem Kompressor (12) enthaltend ein Kompressorgehäuse (18), einen in dem Gehäuse (18) befestigten Zylinder (20), einen in dem Zylinder (20) hin- und hergehenden Kolben (22) und eine in dem Zylinder (20) gebildete und ein veränderliches Volumen aufweisende Kompressionskammer (52), und einem Kaltfinger (14) enthaltend einen Niedrigtemperatur- Zylinder (55), einen Verdrängerkolben (57), der innerhalb des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) hin- und herbewegbar und geeignet ist, das Innere des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) in eine Niedrigtemperatur-Kammer (59) und ein Hochtemperatur-Kammer (61) zu teilen, einen innerhalb des Verdrängerkolbens (57) befestigten Regenerator, und Mitteln zum Stützen des Kolbens (22) enthaltend wenigstens eine flache Kolbenaufhängungsfeder (24) mit einer inneren und einer äußeren Umfangskante, mehreren spiralförmigen Schlitzen (24a) zur Bildung mehrerer spiralförmiger Arme (24b), die auslenkbar sind, wenn der Kolben (22) innerhalb des Kompressor-Zylinders (20) hin- und hergeht, wobei jeder der mehreren spiralförmigen Arme (24b) ein inneres und ein äußeres Ende hat;

mehreren ringförmigen äußeren Haltern (82), die an dem Kompressorgehäuse (18) befestigt und geeignet sind, die äußere Umfangskante der wenigstens einen Kolbenaufhängungsfeder (24) zwischen sich aufzunehmen; und

mehreren ringförmigen inneren Haltern (80,81), die an dem Kolben (22) befestigt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren ringförmigen inneren Halter (80,81) mehrere Vorsprünge (80a,81a) enthalten, die sich nach außen über die volle Breite der inneren Enden der spiralförmigen Arme (24b) erstrecken, um die inneren Enden der spiralförmigen Arme (24b) in der wenigstens einen flachen Kolbenaufhängungsfeder (24) zwischen sich aufzunehmen, wobei die Anzahl der Vorsprünge (80a,81a) der Anzahl der spiralförmigen Arme (24b) entspricht.

5. Kältemaschine nach Anspruch 4, worin jeder der mehreren Vorsprünge (80a) eine Seite (80b) hat, die sich radial zu der wenigstens einen flachen Kolbenaufhängungsfeder (24) erstreckt.

6. Kältemaschine nach Anspruch 4, worin jeder der mehreren Vorsprünge (81a) eine Seite (81b) hat, die sich schräg zu der radialen Richtung der wenigstens einen flachen Kolbenaufhängungsfeder (24) erstreckt.

7. Kryogene Kältemaschine (10) mit einem Kompressor (12) enthaltend ein Kompressorgehäuse(18), einen in dem Gehäuse (18) befestigten Zylinder (20), einen in dem Zylinder (20) hin- und hergehenden Kolben (22) und eine in dem Zylinder (20) gebildete und ein veränderliches Volumen aufweisende Kompressionskammer (52), und einem Kaltfinger (14) enthaltend einen Niedrigtemperatur-Zylinder (55), einen Verdrängerkolben (57), der innerhalb des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) hin- und herbewegbar und geeignet ist, das Innere des Niedrigtemperaturzylinders (55) in eine Niedrigtemperatur-Kammer (59) und eine Hochtemperatur- Kammer (61) zu teilen, einen innerhalb des Verdrängerkolbens (57) befestigten Regenerator, eine sich von dem Niedrigtemperatur-Zylinder (55) erstreckende Federkammer (73), und Mittel zum Stützen des Verdrängerkolbens (55) enthaltend wenigstens eine flache Verdrängerkolben- Aufhängungsfeder (75) mit einer inneren und einer äußeren Umfangskante und mehreren spiralförmigen Schlitzen (75a) zur Bildung mehrerer spiralförmiger Arme (75b), die auslenkbar sind, wenn der Verdrängerkolben (57) innerhalb des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) hin- und hergeht, wobei jeder der mehreren spiralförmigen Arme (75b) ein inneres und ein äußeres Ende hat;

mehrere ringförmige innere Halter (79), die am Verdrängerkolben (75) befestigt und geeignet sind, die innere Umfangskante der wenigstens einen Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder (75) zwischen sich aufzunehmen; und

mehrere ringförmige äußere Halter (77,78), die an der Federkammer (73) befestigt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren ringförmigen äußeren Halter (77,78) mehrere Vorsprünge (77a,78a) enthalten, die sich nach innen über die volle Breite der äußeren Enden der spiralförmigen Arme (24b) erstrecken, um die äußeren Enden der spiralförmigen Arme (24b) in der wenigstens einen flachen Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder (75) zwischen sich aufzunehmen, wobei die Anzahl der Vorsprünge (77a,78a) der Anzahl der spiralförmigen Arme (24b) entspricht.

8. Kältemaschine nach Anspruch 7, worin jeder der mehreren Vorsprünge (77a) eine Seite (77b) hat, die sich radial zu der wenigsten einen flachen Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder (75) erstreckt.

9. Kältemaschine nach Anspruch 7, worin jeder der mehreren Vorsprünge (78a) eine Seite (78b) hat, die sich schräg zu der radialen Richtung der wenigstens einen flachen Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder (75) erstreckt.

10. Kryogene Kältemaschine (10) mit einem Kompressor (12) enthaltend ein Kompressorgehäuse (18), einen in dem Gehäuse (18) befestigten Zylinder (20), einen in dem Zylinder (20) hin- und hergehenden Kolben (22) und eine in dem Zylinder (20) gebildete und veränderliches Volumen aufweisende Kompressionskammer (52), und einem Kaltfinger (14) enthaltend einen Niedrigtemperatur-Zylinder (55), einen Verdrängerkolben (57), der innerhalb des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) hin- und herbewegbar und geeignet ist, das Innere des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) in eine Niedrigtemperatur-Kammer (59) und eine Hochtemperatur-Kammer (61) zu teilen, einen innerhalb des Verdrängerkolbens (57) befestigten Regenerator, eine sich von dem Niedrigtemperatur-Zylinder (55) erstreckende Federkammer (73), und Mittel zum Stützen des Verdrängerkolbens (57) enthaltend wenigstens eine flache Verdrängerkolben- Aufhängungsfeder (75) mit einer inneren und einer äußeren Umfangskante und mehreren spiralförmigen Schlitzen (75a) zur Bildung mehrerer spiralförmiger Arme (75b), die auslenkbar sind, wenn der Verdrängerkolben (57) innerhalb des Niedrigtemperatur-Zylinders (55) hin- und hergeht, wobei jeder der mehreren spiralförmigen Arme (75b) ein inneres und ein äußeres Ende hat;

mehreren ringförmigen äußeren Haltern (86) , die an dem Niedrigtemperatur-Zylinder (55) befestigt und geeignet sind, die äußere Umfangskante der wenigstens einen Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder (75) zwischen sich aufzunehmen; und

mehreren ringförmigen inneren Haltern (84,85), die an dem Verdrängerkolben (57) befestigt sind,

dadurch gekennzeichn et, daß die mehreren ringförmigen inneren Halter (84,85) mehrere Vorsprünge (84a,85a) enthalten, die sich nach außen über die volle Breite der inneren Enden der spiralförmigen Arme (75b) erstrecken, um die inneren Enden der spiralförmigen Arme (75b) in der wenigstens einen flachen Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder (75) zwischen sich aufzunehmen, wobei die Anzahl der Vorsprünge (84a,85a) der Anzahl der spiralförmigen Arme (75b) entspricht.

11. Kältemaschine nach Anspruch 10, worin jeder der mehreren Vorsprünge (84a) eine Seite (84b) hat, die sich radial zu der wenigstens einen flachen Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder (75) erstreckt.

12. Kältemaschine nach Anspruch 10, worin jeder der mehreren Vorsprünge (85a) eine Seite (85b) hat, die sich schräg zu der radialen Richtung der wenigstens einen flachen Verdrängerkolben-Aufhängungsfeder (75) erstreckt.