EP0700502B1 - Refrigerator - Google Patents

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Publication number
EP0700502B1
EP0700502B1 EP94912556A EP94912556A EP0700502B1 EP 0700502 B1 EP0700502 B1 EP 0700502B1 EP 94912556 A EP94912556 A EP 94912556A EP 94912556 A EP94912556 A EP 94912556A EP 0700502 B1 EP0700502 B1 EP 0700502B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
displacer
valve disc
gas
control openings
drive cylinder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP94912556A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0700502A1 (de
Inventor
Ernst Schilling
Dieter Sous
Axel Veit
Markus Jung
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
Leybold AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leybold AG filed Critical Leybold AG
Publication of EP0700502A1 publication Critical patent/EP0700502A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0700502B1 publication Critical patent/EP0700502B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/006—Gas cycle refrigeration machines using a distributing valve of the rotary type

Definitions

  • Refrigerators are cryogenic chillers in which a thermodynamic cycle takes place.
  • a one-stage refrigerator includes a work space in which there is a displacer moved between two dead centers OT and UT.
  • the A regenerator is assigned through which a Working gas also corresponding to the displacement movement and flows here.
  • a Working gas also corresponding to the displacement movement and flows here.
  • During the float of the displacer becomes the refrigerator housing in the area of one of the two Dead spots constantly deprived of heat.
  • Refrigerators are often designed in two stages (see for example DE-A-38 36 884). With two or three stages Refrigerators can withstand temperatures below 10 K. produce.
  • a gas drive generating the reciprocation of the Displacer.
  • the warm side of the displacer is one Cylinder-piston device associated with a drive gas is to be supplied.
  • Refrigerators of the type affected here must also Control devices are equipped with the help of both the supply of the working gas into the working cylinder as well Supply of the gas drive can be regulated. It is usual, Helium can be used as both working gas and driving gas. In versions of this type, it is sufficient if the Refrigerator is equipped with two connections, one of which one with under high pressure (e.g. 20 bar) and the second with helium under low pressure (e.g. 5 bar) is supplied.
  • high pressure e.g. 20 bar
  • helium under low pressure e.g. 5 bar
  • the present invention has for its object a Operate refrigerator with a gas drive such that a effective reduction of vibrations with relatively simple Measures can be achieved.
  • the characterizing Measures of the claims solved is based on the knowledge that the gas drive in known refrigerators during the entire time of the respective movement phases of the Displacer is effective, that is, the displacer during a not inconsiderable during the entire phases of his movement Experiencing acceleration. This leads to the dead centers relatively strong attacks that are responsible for the vibrations are. However, if the displacer corresponds to the Invention only during a fraction of its movement phases accelerated, then its top speeds are in the dead centers and thus its stops on the housing less hard. By controlling the amount of gas with which the gas drive is supplied in both directions of movement, the Drive energy controlled and thus achieved the desired goal become. With the measures according to the invention, the occurring vibrations reduced by more than a factor of 4 become significant without the effectiveness of the refrigerator affect.
  • the two-stage refrigerator 1 shown in the figure has a housing, which consists of the two parts 2 and 3. in the Housing part 2 are the cylindrical work spaces 4 and 5 for the two displacement stages 6 and 7 housed.
  • the upper displacement stage 6 is on its warm side equipped a drive piston 8, the associated cylinder 9 is housed in a guide bush 10, which is the work space 4 closes towards the housing part 3.
  • the guide bush 10 is equipped with holes 11, 12 and 13.
  • the Hole 11 opens into the work area 4 and serves the supply this room with working gas.
  • the bore 13 opens into one Cross bore 14 with an annular groove 15 in the outer wall the guide bush 10 is connected.
  • the bore 12 is through a dash-dotted line indicates and serves the supply of the drive cylinder 9 with drive gas.
  • the different Holes are on different levels, so they do not cross each other, what by the dashed respectively Dash-dotted lines are indicated. They all flow into the top of the guide bush 10, which in this area is designed as a fixed valve disk 16.
  • a motor 17 is housed, which on the Shaft 18 actuates a rotating valve disk 19.
  • the fixed one Valve disc 16 and that under the action of the compression spring 20 standing rotating valve disk 19 form one Control valve that in a manner known per se to supply the different bores with high pressure and low pressure standing gas.
  • the working gas and the drive gas are identical. Helium is expediently used.
  • the connections for high pressure and low pressure gas are 21 or 22 designated.
  • the parting plane 23 between the housing parts 2 and 3 is at the level of the control valve 16, 19. It is chosen so that after removal of the upper housing part 3 with motor 17 and rotating valve disc 19 above the stationary valve disc 16 a flat cup-shaped space 24 is available.
  • a wall of the housing part 2 penetrating bore 25 is provided which Room 24 connects to the high pressure port 21.
  • the low pressure connection 22 is connected to the bore 26 in the housing part 3, which is at the level of the annular groove 15 of the guide bush 10 flows.
  • FIGs 2 and 3 show configurations of the valve disks 16 and 19, with which the desired in the sense of the invention Gas control is possible.
  • the fixed, shown in view Valve disc 16 (Fig. 3) leaves the mouths 27, 28, 29th the holes 11, 12 and 13 recognize.
  • the bore 13 and its mouth 29 are in the center, during the radial distance of the mouths 27, 28 of the bores 11 and 12 - unlike the prior art - from The axis of rotation of the valve disk 19 is no longer the same (circles 31, 32).
  • the mouth 28 of the bore 12 has one much smaller diameter than the mouth 27 of the bore 11.
  • the rotating valve disk 19, the design of which is shown in FIG Review through the valve disc 19 is shown rotates according to arrow 33 on the fixed valve disc 16.
  • the circle 31 is a through the valve disc 19, bore 34 connected to the high-pressure chamber 24 assigned to a relatively large cross section.
  • the district 32 associated recess 35 is a relatively narrow slot designed.
  • the valve disc 19 is relative large recess 36 equipped, which extends from Center extends to circle 31. From this recess 36 extends from a slot-shaped recess 37 to District 32.
  • Figures 4 and 5 show an embodiment in which in the valve disks 16, 19 each offset by 180 ° Bores 11,11 ', 12,12' and 34,34 'with their associated Mouths are provided.
  • the elongated recess 36 extends on both sides of the center to district 31.
  • the displacer 6 per revolution of the valve disk 19 twice the number of Lifting movements.
  • the open on the circle 31 with the smaller radius Supply holes for the work area 14, the relatively long is to be supplied with high pressure or low pressure.
  • the supply holes for gas propulsion Short sweep times are not guaranteed small-sized bores or recesses but also achieved by the higher peripheral speed.
  • the speed of the rotating valve disc 19, from the Location and from the design of the mouths 27 to 29, recesses 35 to 37 and bore 34 dependent sweep times for the gas drive it is advisable to choose the following: To effect the movement of the displacer 6 to its cold Side will drive cylinder 9 only during a first Fraction of its total movement time with the high pressure connection 21 connected. This fraction is empirically useful - To be chosen so that the stops of the displacer vibrations caused on the housing are significantly reduced, a significant impairment of the effectiveness of the refrigerator but does not yet occur. The order of magnitude of the A fraction is about a third of the time of the whole Movement time.
  • the sweep time is too short choose that the connection between the drive cylinder 9 and the low pressure connection 22 is already closed again, before the displacer reaches its dead center.
  • the drive piston will continue to move in the drive cylinder existing gas is compressed, creating a damping effect (Gas cushion) is achieved.
  • the pressure increase of the residual gas will appropriately chosen so that shortly before the dead center in the drive cylinder a pressure is reached that is slightly higher than that High pressure level is.
  • Figures 6 and 7 show embodiments of the fixed or rotating valve disc, with the help of multiple for acceleration of the displacer 6, 7 in each case for short times is effected.
  • Figures 8 and 9 show the effect of these measures.
  • the path s of the displacer against the time t is plotted in the upper coordinate system in each case.
  • the lower coordinate system shows the times t 1 , t 2 and t 3 at which the drive cylinder 9 is acted upon by high pressure (FIG. 8) or low pressure (FIG. 9).
  • Figure 8 shows the course of movement of the displacer from the warm to the cold side.
  • the drive cylinder is acted upon by high pressure gas for each time t (for example 5% of the time of the entire movement phase).
  • the displacer experiences three brief thrusts that move it towards the cold side, with an alternately accelerated and decelerated movement (movement curve 51).
  • the impact of the displacer 6, 7 on the housing 2 (dashed line 52), which is decisive for the vibration, is relatively small.
  • the movement of the displacer 6, 7 from the cold to the warm side runs accordingly (cf. movement curve 53 in FIG. 9 with stop line 54).
  • the time periods t are chosen so short that a damping gas cushion is created in each case.
  • FIGS. 6 to 9 enable one controlled control of the movement of the displacer 6, 7 with the help of short pressure pulses. Compared to continuous accelerated displacers achieved according to the invention displacer 6, 7 moved its dead center to a later one Time; a significant impairment of effectiveness the refrigerator is not connected to it.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

Refrigeratoren sind Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen ein thermodynamischer Kreisprozeß abläuft. Ein einstufiger Refrigerator umfaßt einen Arbeitsraum, in dem sich ein Verdränger zwischen zwei Totpunkten OT und UT hin und her bewegt. Dem Verdränger ist ein Regenerator zugeordnet, durch den ein Arbeitsgas entsprechend der Verdrängerbewegung ebenfalls hin und her strömt. Während der Hin- und Herbewegung des Verdrängers wird dem Refrigeratorgehäuse im Bereich eines der beiden Totpunkte ständig Wärme entzogen. Mit einem einstufigen Refrigerator dieser Art lassen sich Temperaturen bis ca. 30 K erzeugen. Vielfach sind Refrigeratoren zweistufig ausgebildet (vgl. zum Beispiel DE-A-38 36 884). Mit zwei- oder auch dreistufigen Refrigeratoren lassen sich Temperaturen bis unter 10 K erzeugen. Beim Refrigerator nach dem genannten Dokument dient ein Gasantrieb der Erzeugung der Hin- und Herbewegung des Verdrängers. Dazu ist der warmen Seite des Verdrängers eine Zylinder-Kolben-Einrichtung zugeordnet, die mit einem Antriebsgas zu versorgen ist.
Refrigeratoren der hier betroffenen Art müssen zusätzlich mit Steuereinrichtungen ausgerüstet sein, mit deren Hilfe sowohl die Zufuhr des Arbeitsgases in den Arbeitszylinder als auch die Versorgung des Gasantriebs geregelt werden. Es ist üblich, sowohl als Arbeitsgas als auch als Antriebsgas Helium einzusetzen. Bei Ausführungen dieser Art reicht es aus, wenn der Refrigerator mit zwei Anschlüssen ausgerüstet ist, von denen einer mit unter Hochdruck (z.B. 20 bar) und der zweite mit unter Niederdruck (z.B. 5 bar) stehendem Helium versorgt wird.
Bei der Bewegung des Verdrängers treten Kräfte auf, die ihre Maxima in den Umkehrpunkten erreichen. Diese Kräfte übertragen sich auf das Gehäuse des Refrigerators und damit auf die angeschlossen Einrichtungen. In der Regel handelt es sich hierbei um hochempfindliche Meßgeräte (z.B. Kernspintomographen Elektronenmikroskope), deren Meßergebnisse empfindlich durch die auftretenden Vibrationen gestört werden. Es sind bereits mehrfach Vorschläge gemacht worden, diese störenden Vibrationen zu dämpfen. Aus der europäischen Patentschrift 19 426 ist bekannt, zwischen einem Refrigerator und einem Elektronenmikroskop eine Dämpfungseinrichtung anzuordnen, die jedoch relativ aufwendig ist. Aus der europäischen Patentanmeldung 160 808 ist es bekannt, innerhalb des Arbeitsraumes eines Refrigerators eine Flachfeder anzuordnen. Diese nimmt innerhalb des Arbeitsraumes einen endlichen Raum ein, der die Effektivität der Kältemaschine reduziert. In der DE-A-38 36 884 wird vorgeschlagen, den mit Vibrationen verbundenen Kälteerzeugungsprozeß vom Meßprozeß zeitlich zu trennen. Diese Lösung setzt aufwendige Steuerungen voraus und reduziert die Meßzeiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Refrigerator mit einem Gasantrieb derart zu betreiben, daß eine wirksame Reduktion der Vibrationen mit relativ einfachen Maßnahmen erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Maßnahmen der Patentansprüche gelöst. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Gasantrieb bei bekannten Refrigeratoren während der gesamten Zeit der jeweiligen Bewegungsphasen des Verdrängers wirksam ist, das heißt, daß der Verdränger während der gesamten Zeit seiner Bewegungsphasen eine nicht unerhebliche Beschleunigung erfährt. Dieses führt in den Totpunkten zu relativ starken Anschlägen, die für die Vibrationen verantwortlich sind. Wird jedoch der Verdränger entsprechend der Erfindung nur während eines Bruchteils seiner Bewegungsphasen beschleunigt, dann sind seine Endgeschwindigkeiten in den Totpunkten geringer und damit seine Anschläge am Gehäuse weniger hart. Durch Steuerung der Gasmenge, mit dem der Gasantrieb in beiden Bewegungsrichtungen versorgt wird, kann die Antriebsenergie gesteuert und damit das gewünschte Ziel erreicht werden. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen können die auftretenden Vibrationen um mehr als den Faktor 4 reduziert werden, ohne die Effektivität des Refrigerators maßgeblich zu beeinträchtigen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Der in der Figur dargestellte, zweistufige Refrigerator 1 hat ein Gehäuse, welches aus den beiden Teilen 2 und 3 besteht. Im Gehäuseteil 2 sind die zylindrischen Arbeitsräume 4 und 5 für die beiden Verdrängerstufen 6 und 7 untergebracht.
Die obere Verdrängerstufe 6 ist auf ihrer warmen Seite mit einem Antriebskolben 8 ausgerüstet, dessen zugehöriger Zylinder 9 in einer Führungsbuchse 10 untergebracht ist, die den Arbeitsraum 4 zum Gehäuseteil 3 hin abschließt. Die Führungsbuchse 10 ist mit den Bohrungen 11, 12 und 13 ausgerüstet. Die Bohrung 11 mündet in den Arbeitsraum 4 und dient der Versorgung dieses Raumes mit Arbeitsgas. Die Bohrung 13 mündet in einer Querbohrung 14, die mit einer Ringnut 15 in der Außenwandung der Führungsbuchse 10 verbunden ist. Die Bohrung 12 ist durch eine strichpunktierte Linie angedeutet und dient der Versorgung des Antriebszylinders 9 mit Antriebsgas. Die verschiedenen Bohrungen liegen in unterschiedlichen Ebenen, so daß sie einander nicht kreuzen, was durch die Strichelung beziehungsweise Strichpunktierung angedeutet ist. Sie münden sämtlich in die Oberseite der Führungsbuchse 10, welche in diesem Bereich als feststehende Ventilscheibe 16 ausgebildet ist.
Im Gehäuseteil 3 ist ein Motor 17 untergebracht, der über die Welle 18 eine rotierende Ventilscheibe 19 betätigt. Die feststehende Ventilscheibe 16 und die unter der Wirkung der Druckfeder 20 stehende rotierende Ventilscheibe 19 bilden ein Steuerventil, das in an sich bekannter Weise der Versorgung der verschiedenen Bohrungen mit unter Hochdruck und unter Niederdruck stehendem Gas dient. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Arbeitsgas und das Antriebsgas identisch. Zweckmäßig wird Helium eingesetzt.
Die Anschlüsse für Hochdruck- und Niederdruckgas sind mit 21 bzw. 22 bezeichnet. Die Trennebene 23 zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 liegt in Höhe des Steuerventils 16, 19. Sie ist so gewählt, daß nach der Entfernung des oberen Gehäuseteils 3 mit Motor 17 und rotierender Ventilscheibe 19 oberhalb der ortsfesten Ventilscheibe 16 ein flacher topfförmiger Raum 24 vorhanden ist. In Höhe dieses Raumes 24 ist eine die Wandung des Gehäuseteils 2 durchsetzende Bohrung 25 vorgesehen, die den Raum 24 mit dem Hochdruckanschluß 21 verbindet. Der Niederdruckanschluß 22 ist an die Bohrung 26 im Gehäuseteil 3 angeschlossen, welche in Höhe der Ringnut 15 der Führungsbuchse 10 mündet.
Während des Betriebs des dargestellten Refrigerators strömt das unter Hochdruck stehende Arbeitsgas über den Anschluß 21 in die Kammer 24. Von dort aus werden mit Hilfe des Steuerventils 16, 19 die verschiedenen Bohrungen versorgt. Das Arbeitsgas gelangt nach seiner Entspannung in den Refrigeratorstufen 4, 5 in die Bohrungen 13, 14 und strömt über die Ringnut 15 und den Niederdruckanschluß 22 ab. Der am Hochdruckanschluß 21 anstehende Druck des Arbeitsgases beträgt üblicherweise etwa 20 bis 22 bar, während der am Niederdruckanschluß 22 anstehende Arbeitsgasdruck ca. 5 bis 7 bar beträgt.
Die Drehzahl des Motors 17 und die Gestaltung der einander zugewandten Seiten der feststehenden (16) und rotierenden (19) Ventilscheibe sind maßgebend für die Gasversorgung von Arbeitsraum 4 und Antriebszylinder 9. Aus der DE-A-38 36 884 (Figuren 2 und 3) ist eine Ausführungsform des Steuerventils bekannt, bei der eine relativ breite äußere Aussparung in der rotierenden Ventilscheibe die Mündungen zweier Bohrungen mit ebenfalls relativ großem Druchmesser zeitweise mit Hochdruckgas versorgt. Die eine dieser beiden Bohrungen versorgt den Antriebszylinder. Aufgrund der gewählten Dimensionen erfährt der Verdränger während seiner gesamten Bewegungsphase von der warmen zur kalten Seite des Arbeitsraumes eine Beschleunigung. Dieses gilt ebenfalls für die Bewegungsphase des Verdrängers von der kalten Seite zur warmen Seite des Arbeitsraumes, da die in der rotierenden Ventilscheibe vorgesehene, längliche Aussparung, welche die Mündungen der beiden Versorgungsbohrungen zeitweise mit dem Niederdruckgasanschluß verbindet, ähnlich große Dimensionen hat.
Die Figuren 2 und 3 zeigen Ausgestaltungen der Ventilscheiben 16 und 19, mit denen die im Sinne der Erfindung erwünschte Gassteuerung möglich ist. Die feststehende, in Ansicht dargestellte Ventilscheibe 16 (Fig. 3) läßt die Mündungen 27, 28, 29 der Bohrungen 11, 12 bzw. 13 erkennen. Wie beim Stand der Technik liegen die Bohrung 13 und ihre Mündung 29 im Zentrum, während der radiale Abstand der Mündungen 27, 28 der Bohrungen 11 bzw. 12 - anders als beim Stand der Technik - von der Drehachse der Ventilscheibe 19 nicht mehr gleich ist (Kreise 31, 32). Weiterhin hat die Mündung 28 der Bohrung 12 einen wesentlich kleineren Durchmesser als die Mündung 27 der Bohrung 11.
Die rotierende Ventilscheibe 19, deren Gestaltung in Figur 2 in Durchsicht durch die Ventilscheibe 19 dargestellt ist, rotiert entsprechend dem Pfeil 33 auf der feststehenden Ventilscheibe 16. Dem Kreis 31 ist eine die Ventilscheibe 19 durchsetzende, mit dem Hochdruckraum 24 in Verbindung stehende Bohrung 34 mit einem relativ großen Querschnitt zugeordnet. Die dem Kreis 32 zugeordnete Aussparung 35 ist als relativ schmaler Schlitz gestaltet. Weiterhin ist die Ventilscheibe 19 mit einer relativ groß dimensionierten Ausparung 36 ausgerüstet, die sich vom Zentrum bis zum Kreis 31 erstreckt. Von dieser Aussparung 36 aus erstreckt sich eine schlitzförmige Aussparung 37 bis zum Kreis 32.
Während der Rotation der Ventilscheibe 19 überstreichen die Steueröffnungen 34 bis 37 der Ventilscheibe 19 sowie die Steueröffnungen 27 bis 29 der Ventilscheibe 16 einander. Zunächst erreicht der auf dem Kreis 32 liegende Schlitz 35 die Mündung 28 der Bohrung 12. Dadurch wird für eine relativ kurze Zeit der Antriebszylinder 9 mit dem unter Hochdruck stehenden Raum 24 verbunden und der Verdränger 6 in Richtung zur kalten Seite des Arbeitsraumes beschleunigt. Danach erreicht die auf dem Kreis 31 liegende Bohrung 34 der rotierenden Ventilscheibe die Mündung 27 der Bohrung 11 in der feststehenden Ventilscheibe 16. Für die - relativ lange - Zeit, in der diese Öffnungen 34 und 27 einander überstreichen, wird der Arbeitsraum 14 mit Hochdruckgas versorgt. Als nächstes erreicht der auf dem Kreis 32 liegende Schlitz 37 die Mündung 28 der Bohrung 12, so daß der Antriebszylinder 9 für kurze Zeit mit der unter Niederdruck stehenden Bohrung 13 in Verbindung gebracht wird. Der Verdränger 6 bewegt sich dadurch zu seiner warmen Seite. Schließlich erreicht die Aussparung 36 die auf dem Kreis 31 liegende Mündung 27 der Bohrung 11, so daß im Arbeitsraum 14 eine Entspannung auf Niederdruck stattfindet. Danach wiederholt sich der beschriebene Zyklus.
Die Figuren 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem in den Ventilscheiben 16, 19 jeweils zwei um 180° versetzte Bohrungen 11,11', 12,12' und 34,34' mit ihren zugehörigen Mündungen vorgesehen sind. Die längliche Aussparung 36 erstreckt sich auf beiden Seiten des Zentrums bis zum Kreis 31. Zwei sich bis zum Kreis 32 erstreckende Schlitze 37,37' sind vorhanden. Bei dieser Ausführungsform macht der Verdränger 6 pro Umdrehung der Ventilscheibe 19 die doppelte Anzahl von Hubbewegungen.
Beim dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel liegen die Mündungen 27, 28 (27', 28') der Bohrungen 11 (11'9 bzw. 12 (12') in der feststehenden Ventilscheibe 17 auf Kreisen 31, 32 mit verschiedenen Radien. Auch die Bohrungen 34 (34') bzw. Aussparungen 35 (35'), 36 (36'), 37 (37') in der rotierenden Ventilscheibe 19 liegen auf Kreisen mit korrespondierenden unterschiedlichen Radien. Dadurch besteht die Möglichkeit, große Unterschiede in Bezug auf die Überstreichzeiten einzustellen. Auf dem Kreis 31 mit dem kleineren Radius münden die Versorgungsbohrungen für den Arbeitsraum 14, der relativ lange mit Hochdruck bzw. Niederdruck zu versorgen ist. Auf dem Kreis 32 mit dem größeren Durchmesser münden die Versorgungsbohrungen für den Gasantrieb. Kurze Überstreichzeiten werden nicht durch klein dimensionierte Bohrungen bzw. Aussparungen sondern auch durch die höhere Umfangsgeschwindigkeit erzielt.
Die von der Drehzahl der rotierenden Ventilscheibe 19, von der Lage und von der Gestaltung der Mündungen 27 bis 29, Aussparungen 35 bis 37 sowie Bohrung 34 abhängigen Überstreichzeiten für den Gasantrieb sind zweckmäßig folgendermaßen zu wählen: Zur Erwirkung der Bewegung des Verdrängers 6 zu seiner kalten Seite wird der Antriebszylinder 9 nur während eines ersten Bruchteils seiner gesamten Bewegungszeit mit dem Hochdruckanschluß 21 verbunden. Dieser Bruchteil ist - zweckmäßig empirisch - so zu wählen, daß die durch Anschläge des Verdrängers am Gehäuse verursachten Vibrationen erheblich reduziert sind, eine maßgebliche Beeinträchtigung der Effektivität des Refrigerators jedoch noch nicht eintritt. Die Größenordnung des Bruchteils liegt etwa bei einem Drittel der Zeit der gesamten Bewegungszeit. Zur Erwirkung der Bewegung des Verdrängers 6 in die umgekehrte Richtung ist die Überstreichzeit so kurz zu wählen, daß die Verbindung zwischen dem Antriebszylinder 9 und dem Niederdruckanschluß 22 bereits wieder geschlossen ist, bevor der Verdränger seinen Totpunkt erreicht. Infolge der Weiterbewegung des Antriebskolbens wird das noch im Antriebszylinder vorhandene Gas komprimiert, wodurch eine Dämpfung (Gaspolster) erzielt wird. Die Druckerhöhung des Restgases wird zweckmäßig so gewählt, daß kurz vor dem Totpunkt im Antriebszylinder ein Druck erreicht wird, der etwas höher als das Hochdruckniveau ist.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Ausführungsformen der feststehenden bzw. rotierenden Ventilscheibe, mit deren Hilfe mehrfach für jeweils kurze Zeiten eine Beschleunigung des Verdrängers 6, 7 bewirkt wird. Dazu sind entweder die Bohrung 28 der feststehenden Ventilscheibe 16 in (beispielsweise) drei Bohrungen 41, 42, 43 oder die Aussparungen 35, 37 in der rotierenden Ventilscheibe 19 in jeweils (beispielsweise) drei Aussparungen 44 bis 46 bzw. 47 bis 49 aufgeteilt worden.
Die Figuren 8 und 9 zeigen die Wirkung dieser Maßnahmen. Im jeweils oberen Koordinatensystem ist der Weg s des Verdrängers gegen die Zeit t aufgetragen. Das jeweils untere Koordinatensystem läßt die Zeitpunkte t1, t2 und t3 erkennen, zu denen der Antriebszylinder 9 mit Hochdruck (Figur 8) bzw. mit Niederdruck (Figur 9) beaufschlagt wird.
Figur 8 zeigt den Bewegungsverlauf des Verdrängers von der warmen zur kalten Seite. Zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3 wird der Antriebszylinder jeweils für die Zeit t (z.B. 5 % der Zeit der gesamten Bewegungsphase) mit Hochdruckgas beaufschlagt. Dadurch erfährt der Verdränger drei kurzzeitige Schübe, die ihn zur kalten Seite hin bewegen, und zwar mit einer abwechselnd beschleunigten und verzögerten Bewegung (Bewegungskurve 51). Der mit dem Anschlag des Verdrängers 6, 7 am Gehäuse 2 (gestrichelte Linie 52) verbundene, für die Vibration maßgebende Stoß ist relativ klein. Die Bewegung des Verdrängers 6, 7 von der kalten zur warmen Seite verläuft entsprechend (vgl. Bewegungskurve 53 in Figur 9 mit Anschlaglinie 54). Die Zeitabschnitte t sind so kurz gewählt, daß jeweils ein dämpfendes Gaspolster entsteht.
Die Ausführungen nach den Figuren 6 bis 9 ermöglichen eine kontrollierte Steuerung des Bewegungsablaufs des Verdrängers 6, 7 mit Hilfe von kurzen Druckimpulsen. Im Vergleich zu kontinuierlich beschleunigten Verdrängern erreicht der erfindungsgemäß bewegte Verdränger 6, 7 seinen Totpunkt zwar zu einem späteren Zeitpunkt; eine maßgebliche Beeinträchtigung der Effektivität des Refrigerators ist jedoch nicht damit verbunden.

Claims (6)

  1. Refrigerator mit einem Arbeitsraum (4, 5), in dem sich ein Verdränger (6, 7) hin und her bewegt, mit einem die Verdrängerbewegung bewirkenden Gasantrieb (8, 9), der einen mit der warmen Seite des Verdrängers (6) gekoppelten Antriebskolben (8) und einen alternierend mit Hochdruckgas und Niederdruckgas zu versorgenden Antriebszylinder (9) umfaßt, mit einer Gassteuereinrichtung (16, 19), mit deren Hilfe der Antriebszylinder (9) zeitweise mit dem unter Hochdruck und dem unter Niederdruck stehenden Anschluß (21 bzw. 22) verbunden wird, wobei die Gassteuereinrichtung (16,19) mit einem Gassteuerventil ausgerüstet ist, das eine feststehende Ventilscheibe (16), eine rotierende Ventilscheibe (19) sowie in den Ventilscheiben (16, 19) befindliche Steuer-Öffnungen (27 bis 29, 35 bis 37, 34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der rotierenden Ventilscheibe (19) sowie die Größe und die Lage der in den einander zugewandten Oberflächen der Ventilscheiben (16, 19) befindlichen Steueröffnungen (27 bis 29, 35 bis 37, 34) derart gewählt sind,
    daß zur Bewegung des Verdrängers (6, 7) von der warmen zur kalten Seite die Verbindung des Antriebszylinders (9) des Gasantriebs (8, 9) mit dem Hochdruckanschluß (21) nur für einen Bruchteil dieser Bewegungsphase hergestellt wird, wobei die Dauer dieses Zeitabschnittes der Bewegungsphase so gewählt wird, dass die durch Anschläge des Verdrängers am Gehäuse verursachten Vibrationen erheblich reduziert sind, eine maßgebliche Beeinträchtigung der Effektivität des Refrigerators jedoch noch nicht eintritt, und
    daß zur Bewegung des Verdrängers (6, 7) von der kalten Seite zur warmen Seite im Antriebszylinder (9) ein Niederdruck erzeugt wird, wobei die Niederdruckerzeugung zu Beginn der Verdrängerbewegungsphase so kurzzeitig ist, daß im Antriebszylinder (9) ein die letzte Phase der Verdrängerbewegung dämpfendes Gaspolster entsteht.
  2. Refrigerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Versorgung des Arbeitsraumes (4, 5) dienenden Steueröffnungen (27, 34, 36) einen anderen radialen Abstand von der Drehachse der Ventilscheibe (19) haben als die der Versorgung des Antriebszylinders (9) dienenden Steueröffnungen (28, 35, 37).
  3. Refrigerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand der der Versorgung des Antriebszylinders (9) dienenden Steueröfffnungen (28, 35, 37) von der Drehachse der Ventilscheibe (19) größer ist als der radiale Abstand der der Versorgung des Arbeitsraumes (4, 5) dienenden Steueröffnungen (27, 34, 36).
  4. Refrigerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der der Versorgung des Antriebszylinders (9) dienenden Steueröffnungen (28, 35, 37) kleiner sind als die Abmessungen der der Versorgung des Arbeitsraumes (4, 5) dienenden Steueröffnungen (27, 34, 36).
  5. Refrigerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die der Versorgung des Gasantriebes (8, 9) mit Hoch- und Niederdruckgas dienende Steueröffnung (28) in der feststehenden Ventilscheibe (16) oder die dazu korrespondierenden Steueröffnungen (35, 37) in der rotierenden Ventilscheibe (19) in mehrere Steueröffnungen (41 bis 43 bzw. 44 bis 46 und 47 bis 49) unterteilt sind.
  6. Refrigerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen in den Ventilscheiben (16, 19) zwei- oder mehrfach vorhanden sind, sodaß der Verdränger (6, 7) während einer Umdrehung der Ventilscheibe (16) zwei oder mehr Hübe ausführt.
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