DE8332880U1 - Miniatur-tiefsttemperatur-kuehlgeraet - Google Patents

Description

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Miniatur-Tiefsttemperatur-Kühlgerät

Die Neuerung befaßt sich im allgemeinen mit Tiefsttem-B peratur bzw. kryogenen Kühlgeräten gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Miniatur-Tiefstemperaturkühlsysteme sind bekannt und werden in weitem Umfange verwendet, um Kristalle abzu_in kühlen, die als Strahlungsdetektoren verwendet werden. Eine Abkühlung auf Tiefsttemperaturen bzw. kryogene Temperaturen vermindert die Kristallgitterschwingungen/ so daß das Signalrauschverhältnis verbessert wird. Eine besonders wichtige Anwendung für derartige Miniatur-Tief sttemperaturkühlsysteme beruht in dem Abkühlen von Infrarotdetsktoren zur Verwendung in Nachtsicht- oder in Wärmefühlgeräten. Diese Systeme sind des weiteren nützlich für medizinische Anwendungen, wo es erwünscht ist, Gewebe mittels eines Gefriervorganges zu zerstören. Wenn auch die Erfordernisse für derartige Miniatur-Tiefsttemperaturkühlsysteme in Abhänigkeit von der Endverwendung der Kühler variieren, so ergeben sich doch typische Überlegungen für deren Konstruktion in dem Betriebswirkungsgrad, in der Dauerhaftigkeit,

_nt. in der Kompaktheit, im Gewicht, in dem Klingverhalten 2b

bzw. den mikrophonen Charakteristiken (allgemein Schwingungen, die vom Kompresormotor herrühren, Schwingungen innerhalb des Arbeitsfluids oder der physikalische Stoß von sich bewegenden Komponenten im System) und in den termophonen Eigenschaften (welche das Rauschen oder der Lärm sind, der von Temperaturgradienten im Inneren des Systems herrührt). Für Anwendungszwecke, bei denen es um Infrarotsenso-

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ren für Flugkörper geht, sind alle die vorgenannten iionstruktionsgesichtspunkte wichtig.

Bekannte Tiefsttemperaturkühlsysteme lassen sich in verschiedene Kategorien unterteilen. Bei einer Bauart formen der Kompressor bzw. Verdichter und die Expansionseinheit ein ein ganzes bildendes System, das nach dem Stirlingkreis arbeitet. Aufgrund der Nähe der Kompressor- und Expansionsabschnitte sind derartige als Einheit aufgebaute Systeme speziell anfällig hinsichtlich der Klingneigung oder mechanischen Schwingungen. Die Systeme zeigen des weiteren das Bestreben relativ schwer zu' sein und typische Betriebslebenszeiten von lediglich 300 bis 500 Stunden aufzuweisen. Aus diesem Grunde erweisen sich als eine Einheit ausgebildete Systeme als nicht besonders wirksam, speziell für einen Einsatz in Flugsystemen.

Als ein Weg zur Isolierung der Kompressorschwingung 2^ von der Expansionseinrichtung (die als der "kalte Finger" bekannt ist), sind aufgeteilte Stirling-Vorrichtungen bekannt, bei denen das Kompressorsystem von dem kalten Finger durch Leitungen getrennt ist, welche das Arbeitsfluid transportieren. Ein typisches Konstruktionsproblem _mit derartigen aufgeteilten Systemen ist der akustische Lärm, der von einem oszillierenden Verdränger erzeugt wird, welcher kontinuierlich beschleunigt und verzögert wird, während er im Inneren des kalten Fingers oszilliert. Dieser Lärm ist besonders störend bei einzel aufgespalteten Stirling-Systemen, bei denen lediglich eine einzige Leitung von einem einzigen Kompressor zu der Expansionseinheit führt.

Spaltphasensysteme wurden ebenfalls entwickelt, um die Probleme bei der Steuerung der Bewegung des Verdrängers zu lösen, so daß die Klingneigung minimal wird. In derartigen Systemen erstrecken sich zwei Leitungen von

zwei separaten Kompressoren zu der Expansionseinheit. Im allgemeinen sind die Druckwellen in jeder der Leitungen gegeneinander phasenverschoben, so daß eine "Druck-Zug "-Anordnung bewirkt wird. Dies bedeutet, daß in 5

einem derartigen System der Verdränger dadurch bewegt wird, das alternierend ein hoher Druck auf eine Seite und ein niedriger Druck auf die andere Seite aufgebracht wird, so daß das Verdrängerelement eine hin- und hergehende Bewegung erfährt. Eine derartige Spaltphasenkühleinrichtung ist in dem US-Patent 4 092 833 von Durenec beschrieben. Das Durenec'sehe System verwendet einen Kompressor mit Kolben,die in einem Winkel von 180° gegeneinander verlaufen.In diesem System haben jedoch die Kompressorkolben unterschiedliche Flächen, so daß die

¹^ Druckwellen in den einzelnen Leitungen unterschiedlich groß sind. Darüberhinaus befindet sich in dem Durenec'-sehen Patent kein Vorschlag die Spaltphasenbeziehung zu verwenden, um den Verdränger abzubremsen und dessen Bewegungsrichtung umzukehren in einer Weise, daß eine Berührung des Verdrängers mit den Wänden des Gehäuses vermieden wird. Ein derartiger Kontakt mit dem Gehäuse oder ein "Anschlagen" bewirkt nicht nur eine zusätzliche Klingneigung, sondern auch einen hörbaren akustischen Lärm. Des weiteren gibt diese Durenec'sehe Druckschrift weder die Lehre die Kühlwirkung eines zweiten Arbeitsvolumens auszunutzen, um das für das Hauptarbeitsvolumen an der Spitze des kalten Fingers bestimmte Arbeitsfluid vorzukühlen, noch legt sie derartiges vor. Darüberhinaus haben die bekannten Spaltphasenkühler kurze Betriebslebenszeiten.

Andere bekannte Kühler sind in den US-Patentschriften 3 851 173; 4 090 859; 4 078 389; 3 523 427 und 4 206

beschrieben.
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Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Neuerung ein Miniatur-.Tiefsttemperaturgerät zu schaffen, das

einen hohen Wirkungsgrad aufweist, kompakt ist und durch eine geringe Klingneigung sowie ein niedriges Niveau an thermophonen Eigenschaften ausgezeichnet ist.

Eine weitere wesentliche Zielsetzung besteht darin, ein derartiges System zu schaffen, das nach einem zweifachaufgeteilten "zusammengesetzten"bzw. "Compound" Stirlingkreis arbeitet, welches eine vergleichsweise iange Betriebslebenszeit aufweist.

Eine weitere Zielsetzung der Neuerung besteht in der Schaffung eines kryogenen Kühlers, der eine Kompressoranordnung mit zwei isolierten Kompressoren verwendet und eine Spaltphasenbeziehung von 180 herstellt.

Eine weitere Zielsetzung der Neuerung besteht in der Schaffung eines Systems, das all die vorgenannten Vorteile aufweist und das aus herkömmlichen Materialien in relativ einfacher und unkomplizierter Weise produzierbar ist.

Das neuerungsgemäße teiniatur-Tiefsttemperatursystem enthält zwei Kompressoren mit zwei Auslässen. Eine erste und eine zweite Leitung, welche ein Arbeitsfluid enthalten sind mit den Kompressorauslässen verbunden. Der Kompressor setzt das Arbeitsfluid in einer Spaltphasenbeziehung unter Druck. Diese Leitungen sind mit einer kryogenen QQ Kaltfingeranordnung verbunden, die ein längliches Gehäuse enthält, welches ein kryogen gekühltes Ende und einen inneren Anschlag enthält, der das Gehäuse in eine erste und eine zweite innere Kammer unterteilt. Die erste Kammer erstreckt sich von dem gekühlten Ende zu dem Anschlag.Ein Verdränger ist gleitend innerhalb der ersten Kammer angeordnet, so daß er in Längsrichtung eine hin- und hergehende Bewequng darin durchführen kann,und einen ersten Arbeitsraum bzw. Arbeitsvolumen zwischen dem ge-

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kühlten Ende und dem Verdränger festlegt und einen zweiten Arbeitsraum bzw. Arbeitsvolumen zwischen dem Verdränger und dem Anschlag erzeugt.

Ein erstes regneratives Bett ist im Inneren des Verdrängers angeordnet und das Gehäuse hat einen ersten Einlaß, der so ausgebildet ist, daß er eine Fluidverbindung zwischen der ersten Leitung und der ersten inneren Kammer herstellt. Der Verdränger hat erste und zweite Durchlaßmittel, so daß eine Fluidverbindung durch das erste regenerative Bett zwischen dem ersten Einlaß und dem ersten Arbeitsvolumen erzeugt wird. Zusätzlich ist ein zweites regeneratives Bett im Inneren der zweiten inneren Kammer innerhalb des Gehäuses angebracht.

Das Gehäuse hat auch einen zweiten Einlaß, der eine Fluidverbindung durch das zweite regenerative Dett zwischen der zweiten Leitung und dem zweiten Arbeitsvolumen herstellt. Es sind Mittel vorgesehen, um in dem ersten und in dem zweiten Arbeitsvolumen Übergangs- bzw. Ausgleichpufferungs-Oberdrücke zu erzeugen, wenn der Verdränger unter dem Druck-Zugeinfluß der Spaltphasenarbeitsfluidströmung von dem Kompressor eine hin- und hergehende Bewegung durchführt, so daß eine Kühlung in dem ersten und in dem zweiten Arbeitsvolumen bewirkt und ein Anschlagen kontrolliert wird.

Der Verdränger ist für eine in Längsrichtung hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Gehäuses durch gleitende Dichtungen geführt.Bei einer bevorzugten Ausführungs* form ist die erste Leitung \}n» die Außenseite des Gehäuses benachbart zu dem zweiten Arbeitsvolumen herumgewickelt, um eine Vorkühlung des in der ersten Leitung geführten Arbeitsfluids zu bewirken. Bei dieser Ausführungsform enthält der Anschlag eine sich quer durch das Innere des Gehäuses erstreckende

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Scheibe und enthält eine Öffnung, welche eine Fluidverbindung zwischen der ersten und der zweiten inneren Kammer herstellt. Eine Platte ist vorgesehen, welche dazu dient, das zweite regenerative Bett in einer festen Lage innerhalb der zweiten inneren Kammer zu halten und ein Wärmetauscher ist zwischen diese Platte und diesen Anschlag angeordnet. Ein bevorzugter Wärmetauscher enthält eine Mehrzahl von in Längsrichtung beabstandeten Ringscheiben.

Zur Verstärkung der pneumatischen Dämpfung bzw. Pufferung ist ein Phasenschieberstöpsel an dem unteren Ende des Verdrängers benachbart zu der Scheibe angebracht und derart lokalisiert, daß er die Öffnung in dem Anschlag abdichtet, wenn der Verdränger sich in einem engen Abstand von von der Scheibe befindet.Dieser Stöpsel kann ein Kissen aus einem elastisch federnden Material oder eine Feder sein, die innerhalb einer Abdeckung angeordnet ist, welche derart lokalisiert und ausgebildet· ist, daß sie das Loch in dem Anschlag abdeckt. Durch eine Abdichtung der Öffnung in der Scheibe wird die Phasenbeziehung der Drücke in den Arbeitsvoluminas derart verschoben, daß ein Dämpfungseffekt auftritt, der den Verdränger in kontrollierter Weise verzögert.

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Bei einer anderen Ausführungsform enthält der Anschlag ein massives Glied, das sich wesentlich über die Länge der zweiten inneren Kammer erstreckt,und das zweite regenerative Bett ist zwischen dem massiven Glied und dem Gehäuse angeordnet- Ein Wärmetauscher, der in Längsrichtung voneinander beabstandete Scheiben enthält, welche das zweite Arbeitsvolumen flankieren, ist so ausgebildet, daß er das zweite regenerative Bett in einer festen Lage im Inneren der zweiten inneren Kammer hält. Bei dieser Ausführungsform ist ein Wärmestrahlungsschild vorgesehen, um das Gehäuse in einem Abstand zu

umgeben, da sich von dem gekühlten Ende des Gehäuses in Richtung auf das zweite Arbeitsvolumen erstreckt. Das Strahlungsschild reduziert die auf das erste Arbeitsvolumen fallende Wärmebelastung. Der Boden des Verdrängers wirkt als dessen eigene Phasenverschiebungsvorrichtung. Wenn sich der Verdränger nach unten bewegt, schaltet er allmählich die Fluiddurchgänge zwischen den Wärmetauscherscheiben in dem zweiten Arbeitsvolumen ab.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die hier beschriebene Neuerung wird besser verständlich, wenn auf die folgenden Figuren der Zeichnung bezuggenommen wird, in der:

Fig. 1 ein Vertikalschnitt von einer Anordnung eines kalten Fingers gemäß dieser Neuerung darstellt, der geeignet ist für einen Betrieb in · einem doppel-aufgespalteten "zusammengesetzten"

bzw."Compound"Stirling-Kreis.

Fig. 2 eine Querschnittsansicht von einer weiteren

Ausführungsform eines derartigen kalten Fingers 2g darstellt.

Fig. 3 eine Draufsicht in teilweise horizontalem Schnitt eines Kompressors zeigt, der sich für eine Verwendung mit dem kalten Fingern gemäß Fig. 1 und Fig. 2 eignet.

Fig. 4 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt des Kompressors darstellt.

Fig. 5 ein Druck-Zeitdiagramm,der von dem Kompressor erzeugte Druckwellen wiedergibt.

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Fig. 6 eine Seitenansicht in teilweise vertikalem Querschnitt eines hierin beschriebenen Verdrängers wiedergibt.

Fig. 7 eine Seitenansicht in teilweise vertikalem

Querschnitt des hierin beschriebenen Verdrängers darstellt.

Fig. 8 eine Seitenansicht in teilweisen Querschnitt ei- «Q ner alternativen Ausführungsform eines Phasenver-

schieberstöpsels zur Verwendung mit dem Verdränger wiedergibt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die gleichen Bezugszeichen werden verwendet, um gleichartige Komponenten in den verschiedenen Figuren der Zeichnung zu identifizieren.

2Q Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Sie zeigt die Anordnung eines kalten Fingers IO einschließlich eines Gehäuses 12, das aus einem Material gefertigt ist, das eine geringe Wärme-Leitfähigkeit aufweist,wie korrosionsfester Stahl. Im Inneren des

2g Gehäuses 12 ist ein Anschlag 14 angebracht, der das Innere des Gehäuses 12 in zwei innere Kammern 16 und 18 unterteilt. Die Kammer 16 hat einen wesentlichen kreisförmigen zylindrischen Querschnitt. Ein Verdränger 2Ö ist so ausgebildet, daß er im Inneren der Kammer 16 in

_g0 Längsrichtung eine hin- und hergehende Bewegung durchführen kann. Der Verdränger 20 ist aus einem Material wie beispielsweise Nylon geformt.

Der Verdränger 20 ist hohl und enthält ein erstes Bett aus regenerativem Material 22, das beispielsweise Kupferkügelchen enthält. Der Verdränger 20 enthält auch Eingangsdurchlässe 24, die deutlicher aus den Figuren 6 und 7 ersichtlich sind. Ausgangsdurchlässe 26 sind

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ebenfalls in dem oberen Ende des Verdrängers 20 vorgesehen. Der Verdränger 20 hat eine Lange, die kürzer ist als die Länge der inneren Kammer 16, so daß der Verdränger 20 im Inneren der inneren Kammer 16 ein erstes Arbeitsvolumen 28 erzeugt sowie ein zweites Arbeitsvolumen 30 in einem im folgenden noch zu beschreibenden Arbeitsfluid. Das Arbeitsvolumen 28 bewirkt/ wie noch ersichtlich werden wird, eine Abkühlung des kai·· ten Endes 32 des Gehäuses 12 auf kryogene Temperaturen. Das kalte Ende 32 kann aus einem Material gemacht sein, welches eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Kupfer, damit eine wirksamere Wärmeübertragung von einer in Berührung mit dem kalten Ende 32 stehenden thermischen Belastung entsteht.

Ein zweites Bett aus regenerativem Material 34 ist im Inneren der inneren Kammer 18 eingeschlossen und wird in seiner Lage von einer Platte 36 gehalten. Die Platte ist vorzugsweise aus einem Material gemacht, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Kupfer. Eine Reihe aus in Längsrichtung voneinander beabstandeten Scheiben 38 ist zwischen der Platte 36 und dem Anschlag 14 angeordnet, wobei diese aus einem Material gefertigt sind, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß es als wirksamer Wärmetauscher dient.

Eine erste Leitung 40 umschließt das Gehäuse 12 benachbart zu dem zweiten Arbeitsvolumen 30 und steht 3Q an ihrem Anschlußende 42 in Verbindung mit der inneren Kammer 16. Eine zweite Leitung 44 mündet in die innere Kammer 18.

Im folgenden wird auf die Figuren 1, 2, 3 und 4 Bezug genommen. Eine Kompressoranordnung 50 enthält ein Massivgehäuse 52 mit einem darin angebrachten kreiszylindrischen Hohlraum 54. Eine Kolbenanordnung 56

enthält in Längsrichtung voneinander beabstandete und gegeneinander isolierte Kolben 58 und 60, die starr miteinander mittels eines Verbindungsglieds 62 verbunden sind. Das Verbindungsglied 62 enthält einen Schlitz 64, in den ein Stift 66 eingreift. Der Stift 66 ist exzentrisch auf einer Scheibe 68 gehaltert, die von einem Motor 70 angetrieben wird. Bei einer Drehung der Scheibe 68 folgt der Stift 66 der Kreisbahn, die durch den strichlierten Kreis 72 angedeutet ist. Auf diese Weise erfährt die Kolbenanordnung 66, nachdem der Stift 66 die Kreisbahn 72 durchläuft, eine hin- und hergehende Längsbewegung im Inneren des Hohlraums 54. Es versteht sich für den Fachmann, daß im Falle der Einführung eines Arbeitsfluids, wie beispielsweise

*° Helium,in den Hohlraum 54 der Druck des Arbeitsfluids alternierend zunimmt und abnimmt, wenn die Kolbenanordnung 5 6 ihre hin- und hergehende Bewegung durchführt. Des weiteren sind, wie sich aus Fig. 5 ergibt, die Druckänderungen in den Leitungen 40 und 44 um 180° phasenverschoben zueinander, da die Kolben 58 und 60 starr miteinander verbunden sind. Wenn daher die Kolbenanordnung 56 die in Fig. 3 gezeigte Lage einnimmt, wird der Druck in der Leitung 40 relativ hoch und der Druck 44 wird relativ niedrig. Diese Beziehung

²^ kehrt sich um, wenn die Kolbenanordnung 56 sich nach rechts bewegt.

Die hier beschriebene Kompressoranordnung 50 ist speziell gut geeignet für eine Verwendung mit einer kryogenen Kühleinrichtung. Da die Kolben 58 und 60 den gleichen Durchmesser und die gleiche Masse aufweisen, sind sie bezüglich des Antriebspunktes abgeglichen, so daß die mechanische Schwingung minimal gehalten wird. Daneben bewirkt did Kreuzsehieberkonstruktion mit ihrem kurzen Hebelarm und der linearen Bewegung der Kolbenanordnung 56 einen geringen Dichtungsverschleiß und somit eine lange Betriebslebensdauer. Des weiteren erkannte der Stand der Technik nicht, daß es wUnsehens-

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wert und möglich ist, einen um 180° versetzten Kompressor zu verwenden, bei dem die Kolben die gleiche Größe aufweisen. Dies ist der Fall, da der Stand der Technik nicht die hier beschriebene Phasenverschiebean-Ordnung entwickelte, welche eine pneumatische Pufferung schafft, um den Verdränger kontrolliert abzubremsen, so daß ein Anschlagen verringert wird. Diese Konstruktion führt zu einem Kompressor, der sehr kompakt ist und

der einfach herzustellen ist.
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Der Betrieb der Kompressoranordnung 50 in Verbindung mit dem kalten Finger 10 wird nun beschrieben. Wie vorstehend erwähnt, werden bei der hin- und hergehenden Bewegung der Kolbenanordnung 56 Druckwellen in den

¹^ Leitungen 40 und 44 erzeugt, die gegeneinander eine 180°-Phasenverschiebung aufweisen. Das Arbeitsfluid in der Leitung 40, wie beispielsweise Helium ,strömt um die Außenseite des Gehäuses 12 herum und tritt in die erste innere Kammer 16 an dem Ende 42 der Leitung 40' ein. Aufgrund der Anordnung der Gleitdichtungen 80 und 82, welche die Bewegung des Verdrängers 20 führen, gerät das Arbeitsfluid, welches in die innere Kammer 16 eintritt, in das Innere des Verdrängers 20 durch die Durchlässe 24 und wandert durch das regenerative

²^ Bett 22,um schließlich durch die Durchlässe 26 in das erste Arbeitsvolumen 28 auszutreten. In entsprechender V/eise tritt das Arbeitsfluid in der Leitung 44 in die zweite innere Kammer 18, durchsetzt das zweite regenerative Bett 34, fließt an der Platte 36 und den Wärmetauscherscheiben 38 vorbei und von dort in die innere Kammer 16 über eine Öffnung 84 im Anschlag 14/um das Arbeitsvolumen 30 zu bilden. Aufgrund der Dichtungen 80 und 32 verbleiben die Arbeitsvolumina 28 und mit ihren Arbeitsfluiden voneinander getrennt und iso-

³S liert.

Bei dem Betrieb der Kompressoranordnung 50 ist der Druck im Arbeitsvolumen 28 relativ hoch,wenn der Druck

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im Arbeitsvolumen 30 relativ niedrig ist, wobei sich dies zyklisch umdreht. Aufgrund dieses sich zyklisch ändernden Druckdxfferentials führt der Verdränger 20 eine hin- und hergehende Bewegung im Inneren der ersten inneren Kammer 16 durch. Es versteht sich für den Fachmann auf dem Gebiet der Thermodynamik, daß bei einer zyklischen Hin- und Herbewegung -des Verdrängers 20 die Temperaturen innerhalb beider Arbeitsvoluxnina 28 und 30 abnehmen. Dies bedeutet, daß die aufgewandte Energie zu einer Abkühlung führt, durch die gleichen Mittel, wie bei dem wohl bekannten theririodynamischen Stirlingkreis.

Ein Kühlen in beiden Arbeitsvolumen 28 und 30 ist aus zwei Gründen vorteilhaft. Zum ersten bewirkt aufgrund des Umstandes, daß die Leitung 4O das Gehäuse 12 benachbart zu dem Arbeitsvolumen 30 umkreist, die Kühlung im Arbeii svolumen 30 eine Kühlung des Arbeitsfluids in der Leiturg 40, bevor dieses in die innere Kammer 16 eintritt. Wenn daher das Arbeitsfluid das Arbeitsvolumen 28 erreicht, ist es bereits vorgekühlt, so daß die gesamte Kühlwirkung des kalten Fingers 10 verbessert wird. Zum zweiten wird der Wärme-Gradient über die Längsausdehnung des Verdrängers 20 herabgesetzt. Eine derartige Herabsetzung im Wärme-Gradienten mildert thermophone Störungen.

Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Neuerung beruht darin, daß die Struktur des kalten Fingers in Verbindung mit den Spaltphasendruckwellen, die an die Einlasse angelegt werden, eine pneumatische Pufferung des Verdrängers bewirkt , so daß ein physikalischer Kontakt zwischen dem Verdränger und dem kalten Ende 32 sowie dem Anschlag 14 vermieden oder kontrolliert wird. Bin wichtiger Faktor, der diese Pufferung erzeugt, sind die Fluidströmungswiderstände durch die regenerativen Betten 22 und 34. Dies bedeutet, daß sich aufgrund der Art der Strömungswege, wenn sich der Verdränger beispielsweise rasch dem

Ende 32 nähert, sich ein Druck in dem Arbeitsvolumen 28 aufbaut, so daß der Verdränger verlangsamt und letztlich angehalten wird, bevor er in Berührung mit dem Ende 32 gelangt. Diese Wirkung wird dadurch verstärkt, daß die Durchlässe 2 6 an einer seitlichen Stelle angebracht sind und nicht am Ende,wie dies beim Stand der Technik der Fall ist. Die seitliche Anordnung erhöht des weiteren die Wärmeübertragungscharakteristiken an dem kalten Ende 32.

Die wichtige in den Figuren 6 und 7 dargestellte Ausführungsform srhöht diesen pneumatischen Puffereffekt. Ein Phasenverschiebungsstöpsel 90 aus einem elastischen Material ist an der unteren Oberfläche des Verdrängers 20 angebracht. Wenn sich der Verdränger 20 nach unten bewegt, bedeckt der Stöpsel 90 die Öffnung 84 und dichtet somit das Arbeitsvolumen 30 ab, wodurch der Ausgleichsdruckaufbau verstärkt wird, so daß der Verdränger 20 verzögert wird. Durch eine Abdichtung der Öffnung 84 wurde die Phasenbeziehung zwischen den Drücken in den beiden Arbeitsvolumina aus der wesentlich 180 -Phasenverschiebung verschoben. Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, die geeignet ist, um eine verstärkte pneumatische Pufferung zu liefern.

Bei dieser Ausführungsform ist eine Feder 92 'an der unteren Oberfläche des Verdrängers 20 befestigt und mit einem metallischen iMaterial 94 bedeckt. Wie bei der Ausführungsform der Figuren 6 und 7 wird die Öffnung abgedichtet, wenn das Material 94 den Anschlag 14 erreicht, so daß die Druckausbildung verstärkt wird. Die Feder 92 führt die Abdeckung jm im wesentlichen die gleiche Ausgangslage bei jedem Zyklus zurück.

Eine weitere Ausführungsform einer Anordnung für einen kalten Finger 100, der sich für einen Betrieb mit der Kompressoranordnung 50 der Figur 3 eignet, ist in Figur 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Gehäuse, das Abschnitte 102 und 103 enthält in innere

Kammern 104 und 106 durch einen massiven Anschlag 108 unterteilt. Der Verdränger 110 ist so ausgebildet, daß er im Inneren der inneren Kammer 104 eine hin- und hergehende Bewegung durchführen kann. Wie im Falle der Ausführungsform von Figur 1 ist der Verdränger 110 hohl ausgebildet und mit einem Bett aus regenerativem Material wie von kleinen Kupferkügelchen gefüllt. In entsprechender Weise ist der Ringbereich zwischen dem Gehäuseabschnitt 103 und dem massiven Anschlag 108 ebenfalls mit einem Bett aus regenerativem Material gefüllt. Des weiteren enthalten in dieser Ausführungsform ist ein Hitzestrahlungsschild 111, welches den Gehäuseabschnitt 102 von dem kalten Ende 112 bis zu einem Fluideinlaß 114 umgibt. Das Strahlungsschild 111 ist aus einen, stark wärme-leitfähige>. Material, wie Kupfer» gefertigt und bewirkt eine Abhaltung von Strahlungsenergie von dem gekühlten Ende 112. Wie im Falls der Ausführungsform von Figur 1 werden in dem Gehäuse 102 zwei Arbeitsvolumina 116 und 118 erzeugt. Ebenfalls wie in dem Falle der Ausführungsform von Figur 1 sind in Längsrichtung beabstandete kreisförmige bzw. ringförmige Scheiben 120 vorgesehen, die die Wärmeübertragung verbessern. Ein zweiter Einlaß 122 steht in Verbindung mit der inneren Kammer 106. Die Einlasse 114 und 122 sind

^ mit einem Kompressor, wie beispielsweise der Kompressoranordnung 50, die in Figur 3 dargestellt ist.- verbunden. Es versteht sich somit, daß der Verdränger 110 in der inneren Kammer 104 aufgrund des Einflusses von "Druck-Zug" Druckwellen von der Kompressoranordnung 50 eine hin- und hergehende Bewegung erfährt. Diese hin- und hergehende Bewegung bewirkt eine Abkühlung sowohl in dem primären Arbeitsvolumen 116 als in dem sekundären Arbeitsvolumen 118.

Benachbart zu dem Arbeitsvolumen 118 und in einer Wärmeaustauschbeziehung zu den Scheiben 120 sind thermisch leitende Massen 130 und 132 angeordnet. Ein geeignetes

Material ist Kupfer. Sobald das Arbeitsvolumen 18 gekühlt ist , erfolgt eine Übertragung der Kühlwirkung durch das wärme-leitende Material 130 und 132, so daß eine Vorkühlung des Arbeitsfluids stattfindet/ welches in die innere Kammer 104 über die Leitung eintritt. Wie anhand des früheren Ausführungsbeispiels beschrieben, bewirkt diese Anordnung nicht'alleine eine Vorkühlung des Arbeitsfluids, sondern auch eine wesentliche Reduzierung des Wärme-Gradienten über die Länge des Verdrängers 110, was wirkungsvoll dazu beiträgt, ungewünschte thermophone Störungen zu kontrollieren. Es ist daher aufgrund der thermisch leitenden Materialien 130 und 132 nicht notwendig, daß der Einlaß 113 um die Außenseite der Anordnung 100 herumgewickelt wird.

Ein wesentlicher Aspekt der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform beruht darin, daß bei einer Nachuntenbewegung des Verdrängers dieser nacheinander den Stirnseiten der Scheiben 120 gegenüberzuzliegen kommt.

Aufgrund der engen Toleranz zwischen diesen Scheiben und dem Verdränger 110 wird der Fluidströmungsweg progressiv verringernd, sobald je eine weitere der Scheiben hierin einbezogen wird. Wenn der Verdränger die unterste Scheibe erreicht, wird die Strömung vollständig unterbrochen. Diese progressive Verringerung der Strömung bewirkt auf diese Weise eine gesteuerte Verzögerung des Verdrängers auf dem Wege einer pneumatischen Pufferung. Auf diese Weise wird ein Anschlagen wirksam von dieser Phasen-Verschiebeeinrichtung gesteuert.

Man ersieht somit, daß die Zielsetzungen der vorliegenden Neuerung insofern erreicht wurden, als ein Miniatur-Tief sttemperaturkühlsystem beschrieben wurde, das die sehr erwünschten Charakteristiken einer geringen Klingneigung und eines niedrigen thermophonen Verhaltens aufweist. Diese Ergebnisse werden erreicht, da der

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kalte Finger cine pneumatische Pufferung verwendet, um einen Kontakt zwischen dem hin- und hergehenden Verdränger und dessen Umhüllung zu vermeigen. Darüberhinaus reduziert die Vorkühlung des Arbeitsfluids in & einem zweiten Arbeitsvolumen den Wärme-Gradienten, was die Probleme thermophoner Störungen wesentlich mildert. Die beiden Kompressoren der Kompressoranordnung, welche den hin- und hergehenden Verdränger antreibt, weisen eine einfache Konstruktion auf, da sich die beiden Kolben kollinear hin- und herbewegen.Dies führt zu einer Kompressoranordnung, die erheblich einfacher herzustellen ist als bekannte Kompressoren, bei denen die Kolben in anderen Winkeln als 180 zueinander verlaufen oder die Kolben unterschiedliche Größen haben. Darüberhinaus ist die Kompressoranordnung selbstauswuchtend, da die hier beschriebene Kompressoranordnung Kolben der gleichen Größe verwenden.

Claims (16)

DIEHL & KRESSIN Ratentanwälte · European Patent Attorneys Kanzla/Office: Flüggenstraße 17 · D-8000 München 19 22. Februar 1984 K 4149-D KRYOVACS SCIENTIFIC CORPORATION Columbia Drive, Building No. 1, Unit No. 12, Amherst, New Hampshire 03031 / USA Miniatur-Tiefsttemperatur-Kühlgerät Schutzansprüche

1. Miniatur-Tiefsttemperatur-Kühlgerät mit zwei Kompressoren und zwei Auslässen, die über eine erste und eine zweite Rohrleitung, an einen kalten Finger angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet , daß der kalte Finger (10) enthält:

ein längliches Gehäuse (12) mit einem kryogen gekühlten Ende (32) und einem inneren Anschlag (14), der das Gehäuse in eine erste Kammer (16) und in eine zweite Kammer (18) unterteilt, wobei die erste Kammer sich von dem gekühlten Ende (32) zu dem Anschlag (14) erstreckt;

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einen in der ersten Kammer (16) in Längsrichtung gleitend verschiebbar angeordneten Verdränger, der einen ersten Arbeitsraum (28) zwischen dem gekühlten Ende (32) und dem Verdränger (20) sowie einen zweiten Arbeitsraum (30) zwisehen dem Verdränger (20) und dem Anschlag (14) festlegt;

ein erstes regeneratives Bett (22), das innerhalb des Verdrängers (20) angeordnet ist;

einen ersten Einlaß (42) in dem Gehäuse (12), dr_;r so angeordnet und so ausgebildet ist, daß er eine Fluidverbindung zwischen der ersten Leitung (40) und der ersten inneren Kammer (16) herstellt;

zumindest einen ersten und zumindest einen zweiten Durchlaß (24 bzw. 26) in dem Verdränger (20), welche eine Fluidverbindung durch das erste regenerative Bett (22) zwischen dem ersten Einlaß (42) und dem ersten Arbeitsraum (28) bildet;

ein zweites regeneratives Bett ( 34), das im Inneren der zweiten Kammer (18) angeordnet ist;

einen zweiten Einlaß (44) in dem Gehäuse (12), der eine Fluidverbindung durch das zweite regenerative Bett (34) zwischen der zweiten Leitung (44) und dem zweiten Arbeitsraum (30) bildet.

2. Kühlgerät nach Anspruch 1, gekennzeich net durch Dichtungen (80, 82), die zwischen dem Gehäuse (12) und dem Verdränger (20) angeordnet sind.

3. Kühlgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die erste Leitung (40) um die Außenseite des Gehäuses (12) benachbart zu dem zweiten Arbeitsraum (30) herumgewickelt ist.

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4. Kühlgerät iwich einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (14) als Scheibe ausgebildet ist, die sich quer über das Innere des Gehäuses (12) erstreckt und eine Öffnung (84)

° enthält, die eine Fluidverbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer (16, 18) herstellt,

5. Kühlgerät nnch ninem der vorstehenden Ansprüche, gekennze lehnet durch eine Platte (36), ¹^ die das zweite regenerative Bett (34) in einer festen Lage im Inneren der zweiten Kammer (18) hält, sowie durch einen Wärmetauscher (38), der zwischen der Platte (36) und dem Anschlag (14) angeordnet ist.

s. Kühlgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher eine Vielzahl von in Längsrichtung beabstandeten Ringscheiben (36) enthält.

7. Kühlgerät nnch einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (80, 82) auf entgegengesetzten Seiten des zumindest einen Durchlaßes (24) in dem Verdränger (20) angeordnet sind.

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8. Kühlgerät nach Anspruch 1, bei dem der Anschlag ein massives Glied (108) enthält, das sich wesentlich über die Länge der zweiten Kammer erstreckt und bei dem das zweite regenerative Bett zwischen dem massiven Glied

(108) und dem Gehäuse (103) angeordnet ist. 30

9. Kühlgerät nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (120), der das zweite regenerative Bett in einer festen Lage im Inneren der zweiten Kanuner (106) hält.
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9. Kühlgerät nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (120), der das zweite regenerative Bett in einer festen Lage im Inneren der zweiten Kammer (106) hält.

10. Kühlgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher in Längsrichtung beabstandete Ringscheiben (120) enthält, welche den

zweiten Arbeitsraum flankieren.
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11. Kühlgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 8 bis 10, gekennzeichnet durch ein Strahlungsschild (111), welches das Gehäuse (102) in einem Abstand umgibt und sich von d^m gekühlten Ende (112) in Richtung auf den zweiten Arbeitsraum (118) erstreckt.

12. Kühlgerät nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Verschluß (90, 92, 94), der an dem unteren Ende des Verdrängers (20) benachbart zu der

Scheibe (14) angeordnet und so lokalisiert ist, daß er die Öffnung (84) abdichtet, wenn der Verdränger (20) einen engen Abstand von der Scheibe (84) einnimmt.

13. Kühlgerät nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Verschluß ein Kissen (90) aus einem elastischen Material enthält.

14. Kühlgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß eine innerhalb seiner

Umhüllung (94) angeordnete Feder (92) enthält.

15. Kühlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kompressoren (50) einen zylindrischen Hohlraum (54) innerhalb eines Gehäuses (52)

³^ enthalten sowie ein paar von im Abstand voneinander angeordneten starr verbundenen Kolben (58, 60).

16. Kühlgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in Längsrichtung beabstandeten Scheiben (120) und der Verdränger (20) bei Annäherung desselben an seinen unteren Totpunkt die Strömung des Arbeitsf luids zunehmend eindämmen.,