EP0437661A1 - Cold finger with a Gifford-McMahon cryogenic regrigerator - Google Patents

Cold finger with a Gifford-McMahon cryogenic regrigerator Download PDF

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EP0437661A1
EP0437661A1 EP90101004A EP90101004A EP0437661A1 EP 0437661 A1 EP0437661 A1 EP 0437661A1 EP 90101004 A EP90101004 A EP 90101004A EP 90101004 A EP90101004 A EP 90101004A EP 0437661 A1 EP0437661 A1 EP 0437661A1
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displacer
cold head
working gas
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Abstract

The invention relates to a cold finger with a Gifford-McMahon cryogenic refrigerator (1) which has a cylindrical working space (3) in a casing (2) and a displacer (4) which is equipped with a central regenerator (5) and, during the operation of the cold finger, moves backwards and forwards between two extreme positions in the working space, and with a piston (6) fixed on one end face of the displacer and having a smaller diameter than the displacer (4) and a cylinder (7), associated with the piston (6), into which a conduit (22) for the supply of working gas opens; in order to obtain effective damping of the movement of the displacer in this cold finger, it is proposed that the displacer (4) be assigned means (21, 43 to 47) which exert on the displacer a force acting continuously in the direction of one of the two extreme positions of the movement of the displacer and that a restrictor (23) for obtaining damping be provided in the conduit (22) for supplying working gas to the cylinder (7). …<IMAGE>…

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kaltkopf mit einem nach dem Gifford/McMahon-Prinzip arbeitenden Refrigerator und weiteren Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Kaltköpfe dieser Art werden als Kältequelle in Kryostaten, Kryopumpen usw. eingesetzt.The invention relates to a cold head with a refrigerator operating according to the Gifford / McMahon principle and further features according to the preamble of claim 1. Cold heads of this type are used as a cold source in cryostats, cryopumps, etc.

Refrigeratoren sind Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen ein thermodynamischer Kreisprozeß abläuft. Der Ablauf dieses Prozesses soll zunächst anhand der Figuren 1a bis 1e erläutert werden.Refrigerators are low-temperature chillers in which a thermodynamic cycle takes place. The course of this process will first be explained with reference to FIGS. 1a to 1e.

Dargestellt ist ein einstufiger Refrigerator 1, mit einem Gehäuse 2 und einem zylindrischen Arbeitsraum 3. Innerhalb dieses Arbeitsraumes 3 befindet sich der Verdränger 4 mit einem zentralen Regenerator 5. Während des Betriebs des Refrigerators bewegt sich der Verdränger 4 zwischen den beiden Totpunkten OT und UT hin und her.A single-stage refrigerator 1 is shown, with a housing 2 and a cylindrical work space 3. The displacer 4 with a central regenerator 5 is located within this work space 3. During the operation of the refrigerator, the displacer 4 moves between the two dead centers OT and UT and forth.

Die hier betroffene Kaltkopf-Ausführung ist mit einem Gasantrieb ausgerüstet, wie er beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung 254 759 bekannt ist. An einer Stirnseite des Verdrängers 4 ist ein Antriebskolben 6 mit einem gegenüber dem Verdränger reduzierten Durchmesser vorgesehen. Dem Antriebskolben 6 ist der Antriebszylinder 7 zugeordnet.The cold head version affected here is equipped with a gas drive, as is known, for example, from European patent application 254 759. A drive piston 6 with a reduced diameter compared to the displacer is provided on one end face of the displacer 4. The drive piston 7 is assigned to the drive cylinder 7.

Zum Betrieb des Kaltkopfes 1 ist ein Arbeitsgas - vorzugsweise Helium - erforderlich, das unter Hochdruck (HD, beispielsweise 22 bar) und unter Niederdruck (ND, beispielsweise 7 bar) vorliegt. Dieses Arbeitsgas dient auch zur Versorgung des Gasantriebes. Zur Versorgung des Arbeitsraumes 3 und des Antriebszylinders 7 mit dem Arbeitsgas ist schematisch eine Gasverteilereinheit 8 dargestellt, welche hier als ein Ventilsystem ausgebildet ist. Andere Gaszufuhrsteuereinrichtungen sind möglich, beispielsweise ein von einem Motor angetriebenes Drehventil, wie es aus der genannten europäischen Patentanmeldung bekannt ist.To operate the cold head 1, a working gas - preferably helium - is required which is present under high pressure (HP, for example 22 bar) and under low pressure (LP, for example 7 bar). This working gas also serves to supply the gas drive. To supply the working space 3 and the drive cylinder 7 with the working gas, a gas distributor unit 8 is shown schematically, which is designed here as a valve system. Other gas supply control devices are possible, for example a rotary valve driven by a motor, as is known from the European patent application mentioned.

Bestandteil der Figur 1 ist ein Indikatordiagramm (Fig. 1a), das den Ablauf des Kreisprozesses angibt. Bei Punkt I befindet sich der Verdränger entsprechend Figur 1b im oberen Totpunkt. Das im Arbeitsraum 3 befindliche Arbeitsgas steht unter Niederdruck. Der Arbeitszylinder 7 des Antriebskolbens 6 steht unter Hochdruck. In dieser Stellung des Verdrängers wird dann der Arbeitsraum 3 mit dem Hochdruck-Anschluß für das Arbeitsgas verbunden. Dadurch erhöht sich der Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum 3, so daß der Punkt II im Indikatordiagramm erreicht wird. Die Lage des Verdrängers 4 bleibt in dieser Zeit unverändert.Part of FIG. 1 is an indicator diagram (FIG. 1a), which indicates the course of the cycle. At point I, the displacer is in top dead center according to Figure 1b. The working gas in the working space 3 is under low pressure. The working cylinder 7 of the drive piston 6 is under high pressure. In this position of the displacer, the working space 3 is then connected to the high-pressure connection for the working gas. This increases the working gas pressure in work area 3, so that point II in the indicator diagram is reached. The position of the displacer 4 remains unchanged during this time.

Um zum Punkt III des Diagrammes zu gelangen, wird der Verdränger 4 vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT verschoben. Dieses geschieht mit Hilfe des Gasantriebes 6, 7, 8, indem im Arbeitszylinder 7 eine Druckänderung von Hochdruck auf Niederdruck vorgenommen wird, so daß der Verdränger 4 die in Figur 1c dargestellte Stellung einnimmt.In order to get to point III of the diagram, displacer 4 is shifted from top dead center OT to bottom dead center UT. This is done with the aid of the gas drive 6, 7, 8, by changing the pressure from high pressure to low pressure in the working cylinder 7, so that the displacer 4 assumes the position shown in FIG. 1c.

Während der beiden zuletzt beschriebenen Phasen strömt Arbeitsgas durch den Regenerator 5 in Richtung zum oberen Totpunkt und kühlt sich dabei ab, da der Regenerator 5 aufgrund vorhergegangener Verdrängerbewegungen bereits eine tiefe Temperatur hat.During the last two phases described, working gas flows through the regenerator 5 in the direction of top dead center and cools down as the regenerator 5 already has a low temperature due to previous displacement movements.

Während sich der Verdränger 4 im unteren Totpunkt befindet (Figur 1 d), wird im Arbeitsraum 3 eine Druckänderung von Hochdruck zu Niederdruck vorgenommen. Dadurch findet eine Entspannung des Arbeitsgases und damit eine Abkühlung statt. Das abgekühlte Arbeitsgas durchströmt den Regenerator 5 in umgekehrter Richtung und kühlt ihn weiter ab. Im Indikatordiagramm entspricht diese Phase dem Übergang von Punkt III zu Punkt IV.While the displacer 4 is at the bottom dead center (FIG. 1d), a pressure change from high pressure to low pressure is carried out in the working space 3. As a result, the working gas relaxes and thus cools down. The cooled working gas flows through the regenerator 5 in the opposite direction and further cools it down. In the indicator diagram, this phase corresponds to the transition from point III to point IV.

Abschließend wird der Verdränger 4 in seine Ausgangslage, dem oberen Totpunkt, zurückbewegt, indem der Arbeitszylinder 7 mit dem Hochdruck-Anschluß verbunden wird. Figur 1 e zeigt den Verdränger 4 wieder in seiner Ausgangslage wie in Figur 1 d.Finally, the displacer 4 is moved back to its initial position, the top dead center, by connecting the working cylinder 7 to the high-pressure connection. Figure 1 e shows the displacer 4 again in its starting position as in Figure 1 d.

Während dieser Hin- und Herbewegung des Verdrängers 4 wird dem Gehäuse 2 im Bereich des oberen Totpunktes ständig Wärme entzogen. Mit einstufigen Refrigeratoren dieser Art lassen sich Temperaturen bis ca. 30 K erzeugen. Vielfach sind die Refrigeratoren zweistufig ausgebildet, wie es in der oben genannten europäischen Patentanmeldung offenbart ist. Mit zweistufigen Refrigeratoren lassen sich Temperaturen bis unter 10 K erzeugen.During this back and forth movement of the displacer 4, heat is constantly removed from the housing 2 in the area of the top dead center. With single-stage refrigerators of this type, temperatures up to approx. 30 K can be generated. In many cases, the refrigerators are designed in two stages, as disclosed in the above-mentioned European patent application. With two-stage refrigerators, temperatures below 10 K can be generated.

Bei der Bewegung des Verdrängers treten dynamische Kräfte, Beschleunigungskräfte, Trägheitskräfte u. dgl. auf, die ihre Maxima in den Umkehrpunkten erreichen. Diese Kräfte übertragen sich auf das Gehäuse des Kaltkopfes und damit auf die angeschlossenen Einrichtungen. Sind diese stoßempfindlich, dann können Kaltköpfe der hier betroffenen Art häufig nicht eingesetzt werden.When the displacer moves, dynamic forces, acceleration forces, inertial forces and the like occur. Like. who reach their maxima in the reversal points. These forces are transferred to the cold head housing and thus to the connected equipment. If these are sensitive to shocks, cold heads of the type affected here can often not be used.

Es sind bereits Vorschläge gemacht worden, diese störenden Stöße und Vibrationen zu dämpfen. Aus der europäischen Patentschrift 19 426 ist es bekannt, zwischen dem Kaltkopf und einem stoßempfindlichen Instrument (beispielsweise einem Elektronenmikroskop) eine Dämpfungseinrichtung anzuordnen, welche relativ aufwendig ist. Aus der europäischen Patentanmeldung 160 808 ist bekannt, innerhalb des Arbeitsraumes eine Flachfeder anzuordnen. Diese nimmt jedoch innerhalb des Arbeitsraumes einen endlichen Raum ein, der einen die Effektivität des Kaltkopfes reduzierenden Totraum bildet.Proposals have already been made to dampen these disturbing shocks and vibrations. From European patent 19 426 it is known to arrange a damping device between the cold head and a shock-sensitive instrument (for example an electron microscope), which is relatively complex. From European patent application 160 808 it is known to arrange a flat spring within the working space. This takes however, a finite space within the working space, which forms a dead space that reduces the effectiveness of the cold head.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kaltkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 derart zu gestalten, daß die störenden Vibrationen bzw. Stoßkräfte, die aufgrund der Verdrängerbewegung auftreten, weitestgehend reduziert sind.The present invention has for its object to design a cold head with the features of the preamble of claim 1 such that the disturbing vibrations or impact forces that occur due to the displacement movement are largely reduced.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kaltkopf die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltenden Merkmale aufweist.According to the invention, this object is achieved in that the cold head has the features contained in the characterizing part of patent claim 1.

Bei einem in dieser Weise ausgebildeten Kaltkopf findet eine wirksame dynamische Dämpfung der Verdrängerbewegung statt. In beiden Richtungen wirkt die Tatsache, daß das Arbeitsgas infolge der Drossel verzögert aus dem Arbeitszylinder ausströmt bzw. darin eintritt (je nach Richtung der ständig wirkenden Kraft), dämpfend, so daß die Stöße, die mit der Umkehrung der Verdrängerbewegung in den beiden Totpunkten verbunden sind, weitestgehend reduziert sind. Zusätzlich findet in der Bewegungsrichtung, welche entgegen der ständig wirkenden Kraft ausgeführt wird, eine Dämpfung aufgrund dieser Kraft statt. Die erfindungsgemäße Lösung hat darüber hinaus noch den Vorteil eines einfachen Aufbaus mit wenig Dichtungen und Verschleißteilen, so daß der Wartungsaufwand gering ist.With a cold head designed in this way, there is effective dynamic damping of the displacement movement. In both directions, the fact that the working gas flows out of the working cylinder with a delay due to the throttle or enters it (depending on the direction of the constantly acting force) has a damping effect, so that the shocks associated with the reversal of the displacement movement in the two dead centers are largely reduced. In addition, damping takes place in the direction of movement, which is carried out against the constantly acting force, due to this force. The solution according to the invention also has the advantage of a simple structure with few seals and wearing parts, so that the maintenance effort is low.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 2 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

  • Figur 2 einen für den Einbau in einen Kaltkopf geeigneten Refrigerator, bei dem das ständig Kraft ausübende Bauteil eine Feder ist,
  • Figur 3 einen Kaltkopf nach der Erfindung mit einer Gasverteilereinheit mit Drehventil,
  • Figur 4 eine Andruckfeder für den Antriebsmotor des Drehventils,
  • Figuren 5 bis 7 Kaltköpfe nach der Erfindung mit elektromagnetischen oder permanentmagnetischen Bauteilen und
  • Figur 8 einen gesplitteten Kaltkopf.
Further advantages and details of the invention will be explained on the basis of the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 2 to 8. Show it
  • FIG. 2 shows a refrigerator suitable for installation in a cold head, in which the constantly exerting component is a spring,
  • FIG. 3 shows a cold head according to the invention with a gas distributor unit with a rotary valve,
  • FIG. 4 shows a pressure spring for the drive motor of the rotary valve,
  • Figures 5 to 7 cold heads according to the invention with electromagnetic or permanent magnetic components and
  • Figure 8 shows a split cold head.

Sämtliche Ausführungsbeispiele nach den Figuren 2 bis 8 zeigen, daß das Gehäuse 2 des Refrigerators 1 aus dem zylindrischen Abschnitt 11, der Kappe 12 (am kalten Ende) und dem zylindrischen Zwischenstück 13 besteht. Aufgrund der Dichtung 14 ist eine sichere Trennung der "kalten" Seite des Verdrängers 4 von seiner "warmen" Seite gewährleistet. Der ebenfalls mit einer Dichtung 15 ausgerüstete, auf der "warmen" Seite des Verdrängers angeordnete Kolben 6 ist im Zylinder 7 geführt, welcher Bestandteil des Zwischenstückes 13 ist. Der Zylinder 7 ist von einem Ringraum 16 umgeben, der von entsprechenden Aussparungen im Verdränger 4 und im Zwischenstück 13 gebildet wird. In den Ringraum 16 mündet auf der Seite des Zwischenstückes 13 die Bohrung 17, über die der Arbeitsraum 3 mit Arbeitsgas versorgt wird. Verdrängerseitig münden in den Ringraum 16 Bohrungen 18, welche vom Arbeitsgas durchströmt werden, das entweder in den Regenerator 5 einströmt oder ausströmt. Seitliche Bohrungen 19 und ein reduzierter Durchmesser des "kalten" Endes des Verdrängers 4 bilden die Strömungswege des Arbeitsgases zwischen dem Regenerator 5 und dem Arbeitsraum 3.All of the exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 8 show that the housing 2 of the refrigerator 1 consists of the cylindrical section 11, the cap 12 (at the cold end) and the cylindrical intermediate piece 13. Due to the seal 14, a safe separation of the "cold" side of the displacer 4 from its "warm" side is guaranteed. The piston 6, which is also equipped with a seal 15 and is arranged on the “warm” side of the displacer, is guided in the cylinder 7, which is part of the intermediate piece 13. The cylinder 7 is surrounded by an annular space 16 which is formed by corresponding cutouts in the displacer 4 and in the intermediate piece 13. In the annular space 16 opens on the side of the intermediate piece 13, the bore 17 through which the working space 3 is supplied with working gas. On the displacement side, bores 18 open into the annular space 16, through which the working gas flows, which either flows into the regenerator 5 or flows out. Lateral bores 19 and a reduced diameter of the “cold” end of the displacer 4 form the flow paths of the working gas between the regenerator 5 and the working space 3.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2, 3 und 8 befindet sich innerhalb des Ringraumes 16 eine den Zylinder 7 umgebende Schraubenfeder 21, welche sich auf den Verdränger 4 und das Zwischenstück 13 abstützt und ständig eine Kraft ausübt, die versucht, den Verdränger 4 zu seinem "kalten" Ende hin zu verschieben. Diese Feder ist so bemessen, daß sie eine Verdrängerbewegung in Richtung Kolben 6 ohne weiteres zuläßt. Vor dem Erreichen des Totpunktes tritt jedoch eine Federdämpfung der Bewegung ein, welche die Gasdämpfung unterstützt, so daß sich nach außen auswirkende Stöße vermieden sind.In the exemplary embodiments according to FIGS. 2, 3 and 8, a helical spring 21 surrounding the cylinder 7 is located within the annular space 16, which is supported on the displacer 4 and the intermediate piece 13 and constantly exerts a force that tries to move the displacer 4 towards it to postpone the "cold" end. This spring is dimensioned so that it allows a displacement movement in the direction of the piston 6 easily. Before reaching the dead center, however, a spring damping of the movement occurs, which supports the gas damping, so that outward impacts are avoided.

In den Zylinder 7 mündet eine Bohrung 22, über die dieser mit Arbeitsgas versorgt werden kann. In dieser Bohrung 22 befindet sich eine Drossel 23, die der Dämpfung der Bewegung des Verdrängers 4 dient. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2, 3, 5, 6 und 8 wird bei einer Verdrängerbewegung in Richtung seines kalten Endes die Versorgung des Zylinders 7 mit Arbeitsgas derart gesteuert, daß die Bohrung 22 mit dem Niederdruck-Anschluß verbunden ist. Die von der Feder 21 zunächst unterstützte Verdrängerbewegung wird vor dem Erreichen des Totpunktes dadurch gedämpft, daß das Arbeitsgas nur mit einer begrenzten Rate durch die Drossel 23 in den Arbeitszylinder 7 einströmen kann. Die Größe der Drossel 23 ist so einzustellen, daß eine wirksame Dämpfung erzielt wird.In the cylinder 7 opens a bore 22 through which it can be supplied with working gas. In this bore 22 there is a throttle 23, which serves to dampen the movement of the displacer 4. In the exemplary embodiments according to FIGS. 2, 3, 5, 6 and 8, the supply of the cylinder 7 with working gas is controlled during a displacement movement in the direction of its cold end in such a way that the bore 22 is connected to the low-pressure connection. The displacement movement initially supported by the spring 21 is damped before reaching the dead center in that the working gas can only flow into the working cylinder 7 through the throttle 23 at a limited rate. The size of the throttle 23 is to be set so that effective damping is achieved.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist durch ein Pfeil schematisch angedeutet, daß die Drossel 23 verstellbar ausgebildet ist. Zusätzlich ist ein am Refrigeratorgehäuse befestigter Beschleunigungssensor 24 vorgesehen. Der Beschleunigungssensor liefert seine Signale an eine Steuereinheit 25, mit der eine automatische Verstellung der Drossel 23 vorgenommen werden kann. Mit einer derartigen Einrichtung kann eine optimale Dämpfung unabhängig vom Betriebszustand erzielt werden.In the embodiment of Figure 2 is indicated schematically by an arrow that the throttle 23 is adjustable. In addition, an acceleration sensor 24 attached to the refrigerator housing is provided. The acceleration sensor supplies its signals to a control unit 25, with which the throttle 23 can be automatically adjusted. With such a device, optimal damping can be achieved regardless of the operating state.

Figur 3 läßt die Art und Weise der Gasversorgung erkennen. Am Zwischenstück 13 ist ein Gehäuse 26 befestigt, in dessen Innenraum 27 sich ein Antriebsmotor 28 und ein Drehventil 29 befinden. In dem Bereich, in dem das Drehventil 29 dem Zwischenstück 13 aufliegt, münden die Bohrung 17 und - zentral - eine weitere Bohrung 31. Diese Bohrung 31 und auch die Bohrung 22 mit der Drossel 23 stehen mit einer Querbohrung 32 in Verbindung, welche nach außen herausgeführt ist und mit einem Niederdruck-Anschluß 33 in Verbindung steht. Der Hochdruck-Anschluß ist mit 34 bezeichnet und mündet im Gehäuseinnenraum 27. Das Drehventil 29 ist so ausgebildet, daß die Bohrung 17 in der gewünschten Weise alternierend mit unter Hochdruck und unter Niederdruck stehendem Arbeitsgas versorgt wird.Figure 3 shows the manner of gas supply. On the intermediate piece 13, a housing 26 is fastened, in the interior 27 of which there is a drive motor 28 and a rotary valve 29. In the area in which the rotary valve 29 rests on the intermediate piece 13, the bore 17 and - centrally - another bore 31 open out. This bore 31 and also the bore 22 with the throttle 23 are connected to a transverse bore 32, which points outwards is led out and communicates with a low pressure port 33. The high-pressure connection is designated 34 and opens into the interior 27 of the housing. The rotary valve 29 is designed such that the bore 17 is alternately supplied with working gas under high pressure and low pressure in the desired manner.

Eine dichte Anlage des Drehventils 29 am Zwischenstück 13 ist durch die Feder 36 sichergestellt. Der Antriebsmotor 28 ist entweder mit Hilfe einer metallischen Andruckfeder 37 und dem Klemmring 38 (Figur 4) oder mit Hilfe des gummielastischen Federringes 41 und dem Klemmring 42 (Figur 7) im Gehäuse 26 gehaltert.A tight contact of the rotary valve 29 on the intermediate piece 13 is ensured by the spring 36. The drive motor 28 is held in the housing 26 either with the aid of a metal pressure spring 37 and the clamping ring 38 (FIG. 4) or with the aid of the rubber-elastic spring ring 41 and the clamping ring 42 (FIG. 7).

Wie bereits beschrieben ist das eine ständige Kraft auf den Verdränger ausübende Element bei den Figuren 2, 3 und 8 eine Druckfeder, die versucht, den Verdränger 4 zu seinem "kalten" Ende hin zu verschieben. In diesem Falle ist die Bohrung 22 mit der Drossel 23 mit dem Niederdruckanschluß 33 verbunden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Feder 21 als Zugfeder auszubilden. In diesem Fall muß die Bohrung 22 mit der Drossel 23 mit dem Hochdruckanschluß 34 verbunden sein.As already described, the element exerting a constant force on the displacer in FIGS. 2, 3 and 8 is a compression spring which tries to move the displacer 4 towards its "cold" end. In this case, the bore 22 is connected to the throttle 23 with the low pressure connection 33. There is also the possibility of designing the spring 21 as a tension spring. In this case, the bore 22 must be connected to the throttle 23 with the high-pressure connection 34.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 5 und 6 ist die Kraft, welche ständig auf den Verdränger ausgeübt wird, magnetischer Natur. Dazu sind das Zwischenstück 13 und der Verdränger 4 mit Permanentmagneten 43, 44 bzw. Elektromagneten 45, 46 ausgerüstet. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Polarität (die Nordpole N sind einander zugewandt) derart gewählt, daß sich die Magnete abstoßen. Die ständig auf den Verdränger 4 ausgeübte Kraft versucht demnach ebenfalls, den Verdränger 4 zu seinem "kalten" Ende hin zu verschieben. Die Bohrung 22 mit der Drossel 23 ist deshalb wieder mit dem Niederdruckanschluß 33 verbunden. Für den Fall, daß die Polarität der Magnete derart gewählt wird, daß sie sich anziehen, wäre die Kraftwirkung umgekehrt. Die Bohrung 22 mit der Drossel 23 müßte dann mit dem Hochdruckanschluß 34 in Verbindung stehen.In the exemplary embodiments according to FIGS. 5 and 6, the force which is constantly exerted on the displacer is magnetic in nature. For this purpose, the intermediate piece 13 and the displacer 4 are equipped with permanent magnets 43, 44 or electromagnets 45, 46. In the exemplary embodiments shown, the polarity (the north poles N face each other) is selected such that the magnets repel one another. The constantly on the Force 4 exerted force therefore also tries to move the displacer 4 towards its "cold" end. The bore 22 with the throttle 23 is therefore reconnected to the low pressure connection 33. In the event that the polarity of the magnets is chosen such that they attract each other, the force effect would be reversed. The bore 22 with the throttle 23 would then have to be connected to the high-pressure connection 34.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 7 ist das Zwischenstück 13 mit einer Spule 47 ausgerüstet, der am Verdränger 4 ein Weicheisenring 48 zugeordnet ist. Bei dieser Lösung wird der Weicheisenring 48 bei eingeschaltetem Strom in der Spule 47 angezogen, so daß die Bohrung 22 mit der Drossel 23 mit dem Hochdruckanschluß 34 verbunden werden muß.In the exemplary embodiment according to FIG. 7, the intermediate piece 13 is equipped with a coil 47, which is assigned a soft iron ring 48 on the displacer 4. In this solution, the soft iron ring 48 is attracted when the current is switched on in the coil 47, so that the bore 22 must be connected to the throttle 23 with the high-pressure connection 34.

Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem gesplitteten Kaltkopf 1. Refrigerator 2 und Gehäuse 26 sind voneinander unabhängig und über die Leitung 51 miteinander verbunden, welche quasi eine Verlängerung der Bohrung 17 im Zwischenstück 13 darstellt. Im relativ großen Volumen der Leitung 51 strömt das Arbeitsgas lediglich hin und her; ein vollständiger Austausch findet nicht statt. Es ist deshalb zweckmäßig, diese Verbindungsleitung 51 zu kühlen. Dazu ist sie konzentrisch von der Rohrleitung 52 umgeben. Der dadurch gebildete Ringraum 53 ist von einem Kühlmittel, vorzugsweise Kühlwasser, durchströmt.FIG. 8 shows an exemplary embodiment with a split cold head 1. The refrigerator 2 and the housing 26 are independent of one another and connected to one another via the line 51, which represents an extension of the bore 17 in the intermediate piece 13. In the relatively large volume of line 51, the working gas only flows back and forth; there is no complete exchange. It is therefore expedient to cool this connecting line 51. For this purpose, it is surrounded concentrically by the pipeline 52. The annular space 53 thus formed is flowed through by a coolant, preferably cooling water.

Zur Verbindung der Bohrung 22 mit dem Niederdruckgasanschluß 33 reicht es aus, wenn diese von einer Kapillaren 54 gebildet wird. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß im Bereich der Bohrung 22 Niederdruck herrscht. Das Strömen einer maßgeblichen Gasmenge ist nicht erforderlich.To connect the bore 22 to the low-pressure gas connection 33, it is sufficient if it is formed by a capillary 54. It only has to be ensured that there is 22 low pressure in the area of the bore. It is not necessary to flow a significant amount of gas.

Claims (10)

Kaltkopf - mit einem nach dem Gifford/McMahon-Prinzip arbeitenden Refrigerator (1), der einen in einem Gehäuse (2) befindlichen zylindrischen Arbeitsraum (3) und einen Verdränger (4) aufweist, der mit einem zentralen Regenerator (5) ausgerüstet ist und der sich während des Betriebs des Kaltkopfes im Arbeitsraum zwischen zwei Totpunkten hin und her bewegt, - mit Anschlußeinrichtungen für ein Arbeitsgas, welche einen Anschluß für unter Niederdruck stehendes Arbeitsgas und einen Anschluß für unter Hochdruck stehendes Arbeitsgas sowie Gassteuereinrichtungen umfassen, und - mit einem an einer Stirnseite des Verdrängers befestigten Kolben (6) mit gegenüber dem Verdränger (4) reduziertem Durchmesser und einem dem Kolben (6) zugeordneten Zylinder (7), in den eine Leitung für die Zufuhr von Arbeitsgas mündet, dadurch gekennzeichnet, - daß dem Verdränger (4) Mittel (21, 43 bis 47) zugeordnet sind, die auf den Verdränger eine ständig in Richtung eines der beiden Totpunkte der Verdrängerbewegung wirkende Kraft ausüben, und - daß für den Fall, daß die Kraft in Richtung Kolben (6) wirkt, der Zylinder (7) über die Leitung (22) ständig mit dem unter Hochdruck stehenden Arbeitsgasanschluß verbunden ist, wobei sich in dieser Leitung eine Drossel (23) befindet, oder - daß für den Fall, daß die Kraft in entgegengesetzter Richtung wirkt, der Zylinder (7) über die Leitung (22) ständig mit dem unter Niederdruck stehenden Arbeitsgasanschluß verbunden ist, wobei sich in dieser Leitung eine Drossel (23) befindet. Cold head - With a working according to the Gifford / McMahon principle refrigerator (1) which has a cylindrical working space (3) and a displacer (4) located in a housing (2), which is equipped with a central regenerator (5) and which moves back and forth between two dead centers in the work area while the cold head is operating, - With connection devices for a working gas, which comprise a connection for working gas under low pressure and a connection for working gas under high pressure and gas control devices, and with a piston (6) fastened on one end face of the displacer, with a diameter that is reduced compared to the displacer (4), and a cylinder (7) assigned to the piston (6), into which a line for the supply of working gas opens, characterized by - That the displacer (4) are assigned means (21, 43 to 47) which exert a force which acts continuously on the displacer in the direction of one of the two dead centers of the displacement movement, and - That in the event that the force acts in the direction of the piston (6), the cylinder (7) via the line (22) is continuously connected to the high-pressure working gas connection, a throttle (23) being located in this line, or - That in the event that the force acts in the opposite direction, the cylinder (7) via the line (22) is constantly connected to the working gas connection under low pressure, a throttle (23) being located in this line. Kaltkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (Zug- oder Druckfeder 21) zur Erzeugung einer Kraftwirkung auf den Verdränger vorgesehen ist.Cold head according to claim 1, characterized in that a spring (tension or compression spring 21) is provided for producing a force effect on the displacer. Kaltkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektromagnete (45, 46) oder Permanentmagnete (43, 44) zur Erzeugung einer Kraftwirkung auf den Verdränger (4) vorgesehen sind.Cold head according to claim 1, characterized in that electromagnets (45, 46) or permanent magnets (43, 44) are provided for producing a force effect on the displacer (4). Kaltkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (47) und ein Weicheisenkern (48) zur Erzeugung einer Kraftwirkung auf den Verdränger (4) vorgesehen sind.Cold head according to claim 1, characterized in that a coil (47) and a soft iron core (48) are provided for producing a force effect on the displacer (4). Kaltkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (22) einstellbar ist.Cold head according to one of the preceding claims, characterized in that the throttle (22) is adjustable. Kaltkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (11, 26) des Kaltkopfes (1) ein Beschleunigungssensor (24) befestigt ist und daß Steuermittel (25) zur Einstellung der Drossel (23) in Abhängigkeit von den vom Beschleunigungssensor (24) gelieferten Signale vorgesehen sind.Cold head according to claim 6, characterized in that an acceleration sensor (24) is fastened to the housing (11, 26) of the cold head (1) and that control means (25) for adjusting the throttle (23) as a function of those of the acceleration sensor (24) provided signals are provided. Kaltkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Refrigerators (2) aus einem zylindrischen Abschnitt (11), einer Kappe (12) (kaltes Ende) und einem Zwischenstück (13) besteht und daß der Zylinder (7) des Kolbens (6) Bestandteil des Zwischenstückes (13) ist.Cold head according to one of the preceding claims, characterized in that the housing of the refrigerator (2) consists of a cylindrical section (11), a cap (12) (cold end) and an intermediate piece (13) and that the cylinder (7) of the Piston (6) is part of the intermediate piece (13). Kaltkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (7) von einem Ringraum (16) umgeben ist, in dem sich die Mittel (21, 43 bis 47) zur Erzeugung einer auf den Verdränger wirkenden Kraft befinden.Cold head according to claim 7, characterized in that the cylinder (7) is surrounded by an annular space (16) in which the means (21, 43 to 47) for generating a force acting on the displacer are located. Kaltkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ringraum (16) vom Arbeitsgas durchströmte Leitungsabschnitte (17 und 18) münden.Cold head according to Claim 8, characterized in that line sections (17 and 18) through which working gas flows open into the annular space (16). Kaltkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Refrigerator (2) und das Gehäuse (26) der Gasverteilereinheit separate Bauteile sind, die über eine gekühlte Leitung (51) für das Arbeitsgas miteinander verbunden sind.Cold head according to one of the preceding claims, characterized in that the refrigerator (2) and the housing (26) of the gas distributor unit are separate components which are connected to one another via a cooled line (51) for the working gas.
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