NL8802786A - Zuigermachine. - Google Patents

Description

N.V. Philips Gloeilampenfabrieken Zuigermachine.

De uitvinding heeft betrekking op een zuigermachine met ten minste een in een met gas gevulde cylinder heen en weer beweegbare zuiger die de cylinder verdeelt in een eerste kamer en een tweede kamer, waarbij zich in bedrijf tussen een buitenwand van de zuiger en een binnenwand van de cylinder een de eerste en de tweede kamer verbindende spleet bevindt die in ringvormige doorsneden dwars op de bewegingsrichting van de zuiger verschillend van grootte is.

Bij een bekende (uit *Proceedings 12th International Cryogenic Engineering Conference, Southampton United Kingdom, July 1988 zuigermachine van de in de aanhef genoemde soort is geconstateerd dat zowel bij een ringvormige cirkelcylindrische, als een ringvormige wigvormige spleet tussen zuiger en cylinder, een verandering in de middenstand van de zuigerbeweging optreedt ten gevolge van een ongelijkheid tussen de massastromen (Kg per machine cyclus) van het zich in de ene richting door de spleet verplaatsende gas en het zich in de daaraan tegengestelde richting door de spleet verplaatsende gas. De genoemde ongelijkheid heeft tot gevolg dat de zuiger een kracht ondervindt die tegengesteld is gericht aan de richting van de grootste van de in het geding zijnde massastromen. Om dus bij een heen en weer bewegende zuiger die niet mechanisch is gekoppeld met een aandrijving (een zogenaamde vrije zuiger)een constante en stabiele middenstand te verkrijgen moet op de zuiger een compensatiekracht worden uitgeoefend die gerelateerd is aan de kracht ten gevolge van het verschil in massastromen. In het algemeen voert dit tot een relatief dure zuigermachine, temeer omdat de kracht die de verschuiving en de instabiliteit van de middenstand veroorzaakt onder practische omstandigheden niet constant is.

Het doel van de uitvinding is een zuigermachine te verschaffen waarbij een constante middenstand van de zuiger wordt verkregen zonder dat daartoe bijzondere middelen moeten worden ingezet.

De zuigermachine volgens de uitvinding heeft daartoe tot kenmerk dat de spleet aan weerszijden van een dwars op de bewegingsrichting vein de zuiger staand omkeervlak een wigvormig verloop bezit, waarbij een nabij een eerste grensvlak van de spleet gelegen dwarsdoorsnede en een nabij een tweede grensvlak van de spleet gelegen dwarsdoorsnede van de spleet een kleiner oppervlak bezitten dan een dwarsdoorsnede van de spleet nabij het omkeervlak en een tussen de eerste en de tweede kamer bestaand drukverschil nagenoeg bepaald is door het drukverschil over de spleet tussen het eerste en het tweede grensvlak, terwijl het wigvormig verloop van de spleet zich aan weerszijden daarvan uitstrekt tot voorbij de grensvlakken van de spleet over een grensafstand die ten minste gelijk is aan een halve zuigerslag in de middenstand van de zuiger.

Vastgesteld is dat de gewenste middenstand van een vrije zuiger stabiel is als de netto massastroom (ook wel het zuigerlek genoemd) in de spleet per machine cyclus een bepaalde functie is van de middenstand van de zuiger. Als de middenstand van de zuiger om welke reden dan ook in een bepaalde richting zou verschuiven dient er in die richting een zuigerlek te ontstaan. Het is gebleken dat de genoemde functie aanwezig is bij een wigvormige spleetvorm zodat een in zichzelf gestabiliseerde en constante middenstand is verkregen. In de gewenste middenstand treedt dan geen zuigerlek meer op.

Opgemerkt wordt dat onder het begrip omkeervlak een geometrisch vlak wordt verstaan dat dwars staat op de bewegingsrichting van de zuiger daar waar aan weerszijden van dat vlak de dwarsdoorsnede van de spleet geleidelijk afneemt.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de zuigermachine waarin de wigvormige spleet op relatief eenvoudige wijze kan worden verkregen heeft tot kenmerk, dat de wigvormige spleet aan zowel de ene zijde als de andere zijde van het omkeervlak gelegen is tussen een conische binnenwand van de cylinder en een cirkelcylindrische buitenwand van de zuiger.

Een verdere uitvoeringsvorm van de zuigermachine die bijzonder geschikt is bij verschil in volume tussen de eerste en de tweede kamer heeft tot kenmerk, dat gemeten in een richting loodrecht op het omkeervlak de lengte van het aan de ene zijde van het omkeervlak gelegen deel van de spleet verschillend is van de lengte van het aan de andere zijde van het omkeervlak gelegen deel van de spleet bij een nominale middenstand van de zuiger.

Een nog verdere uitvoeringsvorm van de zuigermachine waarbij de zuiger simultaan met een translatatie ook een rotatie kan uitvoeren heeft tot kenmerk, dat de zuiger nabij zijn beide uiteinden is voorzien van een dynamisch groeflager, terwijl de cylinder aan weerszijden van het omkeervlak en tussen de groeflagers is voorzien van een ringvormige groef die enerzijds is aangesloten op de spleet nabij de grensvlakken daarvan en anderzijds op een verbindingskanaal dat uitmondt in een drukegalisatiekamer aan respec. de ene zijde en de andere zijde van de zuiger.

Een bijzondere als cryokoeler uitgevoerde zuigermachine heeft tot kenmerk, dat de cylinder twee identieke, in bedrijf nagenoeg 180° uit fase bewegende, zuigers bevat die een compressieruimte insluiten, welke compressieruimte via een regenerator is aangesloten op een expansieruimte waarin een verdringér verplaatsbaar is, waarbij zich tussen elk van de zuigers en de cylinder een spleet bevindt die aan weerszijden van een dwars op de bewegingsrichting van de zuiger staand omkeervlak een wigvormig convergerend verloop bezit.

Opgemerkt wordt dat uit het Amerikaanse octrooischrift ÖS-A-4058382 een heetgaszuigermachine met een constante en stabiele middenstand van de zuiger bekend is. De constante middenstand wordt hier verkregen m.b.v. een kanaal tussen een werkruimte en een bufferruimte dat op bepaalde tijdstippen in de machine cyclus door de zuiger geopend wordt. Het geopende kanaal veroorzaakt een zgn. dood volume dat nadelig is voor het rendement van de zuigermachine.

Verder is uit het Amerikaanse octrooischrift US-A-4697113 een als cryokoeler functionerende zuigermachine bekend met twee zuigers die een 180° in fase verschoven beweging uitvoeren. Tussen elk van de zuigers en een magnetisch geleidende kern bevindt zich een dubbel-conische spleet waarvan het doel niet wordt genoemd. De vorm van deze dubbel-conische spleet is echter tegengesteld aan die bij de zuigermachine volgens de uitvinding en zou dus volgens het aan de uitvinding ten grondslag liggende inzicht tot een instabiele zuigerbeweging leiden met een niet constante en niet stabiele middenstand van de zuiger.

Tenslotte is uit de internationale octrooiaanvrage PCT/US 87/01920 die gepubliceerd is op 11 februari 1988 onder het internationale publicatienr. WO 88/01036 een zuigermachine bekend met een tonvormige zuiger. Ten aanzien van deze zuigermachine gelden dezelfde opmerkingen als ten aanzien van de zuigermachine volgens USA-4697113.

0e uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening waarin: figuur 1 een langsdoorsnede toont van een eerste uitvoeringsvorm van een zuigermachine met een enkele gestabiliseerde zuiger, figuur 2 een bovenaanzicht toont van een tweede uitvoeringsvorm van een zuigermachine met drie gestabiliseerde zuigers, figuur 3 een langsdoorsnede toont van een compressiegedeelte van de zuigermachine volgens figuur 2, figuur 4 een langsdoorsnede toont van een expansiegedeelte van de zuigermachine volgens figuur 2.

De met fig. 1 geïllustreerde eerste uitvoeringsvorm van de zuigermachine bevat een evenwijdig aan een hartlijn 1 in een cylinder 3 heen en weer beweegbare zuiger 5 die is samengesteld uit een eenzijdig van een bodem 7 voorziene pijp 9 en een tegenover de bodem 7 in de pijp 9 geschroefd blok 11. Aan het blok 11 is d.m.v. bouten 13 een koker 15 bevestigd voor een elektrische spoel 17. De spoel 17 maakt deel uit van een translatiemoter 19 waartoe verder nog een jukdeel 21 en een jukdeel 23 behoren. Tussen de vast opgestelde jukdelen 21 en 23 bevindt zich een vast opgestelde axiaal gemagnetiseerde permanente ringmagneet 25. De spoel 17 is verplaatsbaar in een ringvormige spleet 27 tussen de jukdelen 21, 23 en de permanente magneet 25. D.m.v. bouten 29 is aan de cylinder 3 een komvormig, cirkelcylindrisch deksel 31 geschroefd. Binnen het deksel 31 bevindt zich de translatiemotor 19. Aan de van het deksel 31 afgekeerde zijde is op de cylinder 3 een schijfvormige plaat 33 geschroefd met een opening 35 en een ringkanaal 37. Links van de zuiger 5 bevindt zich een eerste met gas gevulde kamer 39 terwijl zich rechts van de zuiger 5 een met gas gevulde tweede kamer 41 bevindt. Als gas is bijvoorbeeld heliumgas geschikt. Opgemerkt wordt dat het deksel 31 wordt geacht te bekoren tot de cylinder 3 zodat deze door de zuiger 5 wordt verdeeld in de eerste kamer of compressieruimte 39 en de tweede kamer 41. Tussen de buitenwand van de zuiger 5 en de binnenwand van de cylinder 3 bevindt zich een spleet 43 die de kamers 39 en 41 verbindt en die is gevuld met hetzelfde gas als de kamers 39 en 41. De cylinder 3 is voorzien van twee ringkanalen 45 en 47 die uitmonden in de spleet 43 en deze tevens begrenzen. De begrenzing van het effectieve deel van de spleet 43 vindt plaats bij de dwars op de bewegingsrichting van de zuiger staande grensvlakken 48 en 50 ter plaatse van de ringkanalen 45 en 47. Het wigvormig verloop van de spleet 43 strekt zich uit aan weerszijden daarvan over een afstand die ten minste gelijk is aan de halve zuigerslag in de middenstand van de zuiger. Het ringkanaal 45 is d.m.v. axiale kanalen 49 en 51 aangesloten op het ringkanaal 37 in de plaat 33 dat in verbinding staat met de eerste kamer of drukegalisatiekamer 39, terwijl het ringkanaal 47 d.m.v. axiale kanalen 53 en 55 is aangesloten op de tweede kamer of drukegalisatiekamer 41. Drukegalisatie vindt plaats in de spleetruimten tussen cylinder en zuiger links van het grensvlak 48 en rechts van het grensvlak 50. Door deze drukegalisatie wordt aan de voorwaarde voldaan dat het drukverschil tussen de eerste kamer 39 en de tweede kamer 41 nagenoeg bepaald is door het drukverschil over de spleet 43 tussen de grensvlakken 48 en 50. Op de opening 35 kan een leiding worden aangesloten die voert naar een expansiedeel van een zgn. cryokoeler zoals in het navolgende nog zal worden verduidelijkt aan de hand van de figuren 2-4. De plaat 33 kan ook worden vervangen door een plaat met een pers- en een zuigklep. In dat geval is sprake van een als compressor functionerende zuigermachine.

Aan weerszijden van een dwars op de hartlijn 1 staand en met de zuiger verbonden omkeervlak of knikvlak dat in figuur 1 is aangegeven met een streep-stippel-lijn 57 bezit de spleet 43 een wigvormig verloop dat in de getekende middenstand of neutrale stand van de zuiger 5 symmetrisch is t.o.v. de lijn 57 bij gelijke volumina van de eerste kamer 39 en de tweede kamer 41. Opgemerkt wordt dat hoewel de spleet 43 ringvormig is dit niet hoeft te betekenen dat in elke dwarsdoorsnede loodrecht op de hartlijn 1 de spleetwijdte constant is. Dit is bijvoorbeeld met name niet het geval door de werking van de zwaartekracht bij een liggende zuiger 5. In de zuigermachine van fig. 1 is de spleet 43 niet alleen wigvormig maar ook conisch. Dit verloop is verkregen door een dubbel-conische vorm van de zuiger 5 tussen en tot voorbij de ringkanalen 45 en 47. In elke positie van de zuiger 5 moet het conisch verloop zich uitstrekken tot voorbij de grensvlakken 48 en 50 van de spleet 43 omdat een fluctuerende gemiddelde stromingsweerstand van de spleet noodzakelijk is. De binnenwand van de cylinder 3 is cirkelcylindrisch van vorm. Bij afwezigheid van een wigvormige spleet ondervindt de zuiger 5 door het verschil in de aassastroon van rechts naar links door de spleet en de aassastroom van links naar rechts door de spleet per aachine cyclus een kracht in de richting tegengesteld aan de richting van de grootste van de twee aassastroaen of anders gezegd: tegengesteld aan de richting van de zogenaaade zuigerlek. De parameters die de grootte en de richting van de zuigerlek per machine cyclus bepalen zijn o.a.: - het verschillend zijn van de volumina van de eerste kamer 39 en de tweede kamer 41 - het verschil tussen de fase van elk van de drukfluctuaties aan weerszijden van de zuiger 5 en de fase van de zuigerbeweging, - het slagvolume van de zuiger, - de frequentie van de zuigerbeweging, - het verschillend zijn van de gemiddelde druk aan weerszijden van de zuiger 5.

Opgemerkt wordt dat onder het begrip machine cyclus de tijdsperiode wordt verstaan die verstrijkt tijdens een volledige heen en weer gaande beweging van de zuiger in een evenwichtssituatie. Gebleken is dat bij elke combinatie van de vijf in het voorgaande genoemde parameters een wigvormig verloop van de spleet 43 kan worden gevonden dat een verschuiving van de zuiger uit de gewenste middenstand verhindert. Proefondervindelijk en door berekening kan worden bepaald hoe dit verloop van de wigvorm moet zijn als daaraan het inzicht ten grondslag ligt dat door de vorm van de spleet 43 een netto massastroom of zuigerlek per machine cyclus moeten worden opgewekt die in de richting gaat van de middenstandsverschuiving die zou plaatsvinden bij afwezigheid van een wigvorm. Er is vastgesteld dat de stabiliserende werking van de wigvormige spleet 43 kan worden aangetoond door aan de wisselstroom voor de bekrachting van de spoel 17 van de translatiemotor 19 een gelijkstroomcomponent toe te voegen die de middenstand van de zuiger 5 verandert en vervolgens te kijken wat gebeurt als de gelijkstroomcomponent weer wordt verwijderd. Daartoe is de zuigermachine volgens fig. 1 voorzien van een inductieve plaatsopnemer 59. Deze bezit een pijpvormig huis 61 dat met bouten 63 is bevestigd aan het deksel 31. Een tot de plaatsopnemer 59 behorende, in het metalen blok 11 geschroefde stalen stift 65 steekt door een opening 67 van het deksel 31 en is aan een binnen de houder 61 gelegen en door een spoelenstelsel 69 omgeven uiteinde voorzien van een weekijzeren kern 71 die dezelfde verplaatsing ondergaat als de zuiger 5. Een stuurspoel 73 van het spoelenstelsel 69 wordt belast met een hoogfrequente stuurstroom zodat een wisselstroom wordt geïnduceerd in twee inductiespoelen 75 en 77. Verplaatsing van de kern heeft een verandering van de inductiestromen in de spoelen 75 en 77 tot gevolg die een maat is voor de plaats van de zuiger 5. Oitgegaan wordt van een beginsituatie waarin de druk in de kamers 39 en 41 gelijk is en waarbij geen externe drukfluctuatie wordt toegelaten door de opening 35. Door aan de wisselstroom waarmee de spoel 17 van de translatiemotor 19 wordt bekrachtigd een gelijkstroomcomponent toe te voegen en deze na enige tijd weer weg te nemen kan d.m.v. de plaatsopnemer 59 worden geconstateerd wat de reactie is van de zuiger op een verandering van de middenstand t.o.v. de oorsponkelijke middenstand neutrale stand vertegenwoordigd door de lijn 57. Na een door de gelijkstroomcomponent veroorzaakte verschuiving van de middenstand of blijkt een verschil in gemiddelde druk te ontstaan tussen de eerste kamer 39 en de tweede kamer 41. Dit wordt geconstateerd met een drukopnemer 79 bij het linker grensvlak van de spleet 43 en een drukopnemer 81 bij het rechter grensvlak daarvan. De drukopnemers 79 en 81 zijn respec. aangesloten op de ringkanalen 45 en 47. Na het wegnemen van de gelijkstroomcomponent uit de bekrachtigingsstroom van de translatiemotor 19 keert de zuiger 5 terug naar zijn oorspronkelijke middenstand ter plaatse van de lijn 57. Op het moment van terugkeer zijn de door de drukopnemers 79 en 81 gemeten gemiddelde drukken aan weerszijden van de zuiger 5 weer gelijk. De kracht die de zuiger 5 deed terugkeren naar zijn oorspronkelijke middenstand werd geleverd door het drukverschil over de zuiger dat ontstond door de verschuiving van de middenstand. De oorspronkelijke middenstand blijkt dus een stabiele stand te zijn. Er is geconstateerd dat, door op analoge wijze als reeds beschreven gelijkstroomcomponenten van verschillende grootte toe te voegen aan de bekrachtigingsstroom van de translatiemotor 19 en deze gelijkstroomcomponenten te handhaven, nieuwe stabiele en constante middenstanden ontstaan. Dit betekent dat afwijkingen van de gewenste middenstand ten gevolge van fabricage toleranties of zwaartekrachts-invloeden kunnen worden gecompenseerd d.m.v. een eenmalig ingestelde gelijkstroomcomponent in de bekrachtigingsstroom.

In de zuigeraachine volgens fig. 1 kan de zuiger 5 nabij de uiteinden van de pijp 9 worden voorzien van spiraalgroeflagers 83 en 85 voor een optimale centrering van de zuiger 5 in de cylinder 3. De daarvoor benodigde rotatiemotor kan van de soort zijn als beschreven in Europese octrooiaanvrage EP-A1-0223288 (PHN 11538).' De axiale kanalen (49, 51) en (53, 55) dienen in dat geval tevens voor drukegalisatie over de spiraalgroeflagers 83 en 85. De axiale positie van de ringkanalen 45 en 47 bepaalt niet alleen de lengte waarover drukegalisatie plaatsvindt aar tevens de effectieve lengte van de stabilisatiespleet 43 die in fig. 1 aet een letter L is aangegeven. De wigvoraige en conische spleet 43 kan zoals bij de lachine volgens fig. 1 worden verkregen m.b.v. een cirkelcylindrische binnenwand van de cylinder en een conische zuiger aar ook d.*.v. een cirkelcylindrische zuiger en een conische binnenwand van de cylinder. Een dergelijke busvormige cylinder kan zonder verspanende bewerking worden vervaardigd door de cylinder inwendig onder gasdruk te zetten in een aal. Ook een kaaer in de cylinder 3 kan worden gebruikt als nal voor een cylindervoering die door niddel van gasdruk in de gewenste wigvora wordt gebracht. Drukegalisatie kan nu worden verkregen door ringkanalen in de zuiger die d.a.v. axiale kanalen zijn verbonden aet de eerste en de tweede drukegalisatiekaner.

De in de figuren 2 tot en aet 4 getoonde tweede uitvoeringsvora van de zuigeraachine volgens de uitvinding betreft een zgn. cryokoeler 87 aet vrije zuigers. De in fig. 2 getekende complete cryokoeler 87 bezit een coapressiegedeelte 89 en een expansiegedeelte 91 die gekoppeld zijn door een pijp 93. Het in fig. 3 getoonde coapressiegedeelte 89 is syaaetrisch t.o.v. een lijn 95 aan weerszijden waarvan zich een zuigeraachine volgens het aan de hand van fig. 1 beschreven principe bevindt, naaelijk een zuigeraachine 97 en een zuigeraachine 99. De zuigeraachines 97 en 99 zijn met elkaar gekoppeld d.a.v. een verbindingsring 101 en bouten 103. In de beide zuigeraachines 97 en 99 bevinden zich respec. heen en weer beweegbare zuigers (105, 107) die zijn opgebouwd uit cirkelcylindrische kokers (109, 111) en daaraee verbonden bodeas (113, 115). De zuigers (105, 107) zijn respec. opgesteld in huizen (117, 119) die zijn afgesloten met deksels (121, 123). Op de zuigers (105, 107) zijn cirkelcylindrische hulzen (125, 127) van bijv. kobaltijzer bevestigd. Elk van de hulzen (125, 127) dient als drager voor respec. twee ringvormige permanente magneten (129, 131) en (133, 135) van bijv. samariumkobalt. De permanente magneten (129, 131) en (133, 135) zijn vrij verplaatsbaar langs de cirkelcylindrische binnenwand van respec. spoelkokers (137, 139) waarop spoelen (141, 143) en spoelen (145, 147) zijn bevestigd die zijn opgesloten in bijvoorbeeld kobaltijzeren hulzen (149, 151). De twee samenstellen gevormd door de hulzen (125, 127), de radiaal gemagnetiseerde permanente magneten (129, 131, 133, 135), de spoelen (141, 143, 145, 147) en de hulzen (149, 151) functioneren als translatiemotoren (153, 155) van het borstelloze gelijkstroom type voor de translatiebeweging van de zuigers (105, 107). Tussen de bodems 113 en 115 van de zuigers 105 en 107 bevindt zich een compressieruimte 157 die is gevuld met een gasvormig werkmedium zoals bijvoorbeeld helium. De compressieruimte 157 is d.m.v. de pijp 93 aangesloten op het reeds genoemde, in figuur 4 getoonde expansiegedeelte 91 van de cryokoeler. In de verbindingsring 101 bevindt zich een radiaal kanaal 159 dat is aangesloten op de pijp 93. De deksels (121, 123) zijn respec. voorzien van cirkelcylindrische doorns in de vorm van kokervormige geleidingen (161, 163) voor de zuigers (105, 107), T.o.v. de zuigers (105, 107) zijn de geleidingen (161, 163) concentrisch opgesteld. De hartlijnen van de zuigers (105, 107) en de geleidingen (161, 163) vallen nagenoeg samen met een hartlijn 165 van het compressiegedeelte 89 van de cryokoeler 87. Op de cirkelcylindrische buitenoppervlakken van de geleidingen (161, 163) bevinden zich respec. visgraatvormige groevenpatronen (167, 169, 171, 173) die radiaal werkende paren dynamische groeflagers vormen. De geleidingen (161, 163) in de vorm van een in de zuigers (105, 107) stekende, vast opgestelde doorn dragen nabij hun naar de bodems (113, 115) toegekeerde uiteinden vast opgestelde spoelen (175, 177). Binnen de spoelen (175, 177) bevinden zich ringvormige, radiaal gemagnetiseerde permanente magneten (179, 181) van samariumkobalt die via kobaltijzeren ringen (183, 185) zijn bevestigd op kokervormige dragers (187, 189) die een integraal deel van de bodems (113, 115) vormen. De spoelen (175, 177) zijn opgesloten in kobaltijzeren hulzen (191, 193). De twee samenstellen gevormd door de hulzen (191, 193), de spoelen (175, 177), de meerpolige permanente magneten (179, 181) en de ringen (183, 185) functioneren als rotatiemotoren (195, 197) van het borstelloze gelijkstroom type voor de rotatiebeweging van de zuigers (105, 107) die nodig is ter verkrijging van een radiale dynamische gaslagering ter plaatse van de groevenpatronen (167, 169, 171, 173). Aan de binnenwand van de huizen (117, 119) zijn bussen (199, 201) bevestigd langs de binnenwand waarvan de zuigers (105, 107) vrij verplaatsbaar zijn. Tussen de bussen (199, 201) en de zuigers (105, 107) bevinden zich wigvornige of conische spleten (203, 205) van de soort als de spleet 43 in de zuigeraachine volgens fig. 1. De spleten (203, 205) scheiden de compressieruimte 157 van dynamische groeflagers (167, 171). Ook in het beschreven compressiegedeelte 89 van de cryokoeler 87 met in bedrijf twee 180° in fase verschoven bewegende zuigers (105, 107) verhinderen de spleten (203, 205) een verschuiving van de middenstand van de zuiger 105 en/of de zuiger 107. De ringvormige spleten (203, 205) zijn gevormd door een geknikte, dubbel-conische verruiming van de bussen (199, 201), terwijl de axiale lengte L van de spleten (203, 205) wordt verkregen door ruggen (207, 209) ter lengte L in de wand van de zuigers (105, 107).

Zoals vermeld is het compressiegedeelte 89 van de cryokoeler 87 door een pijp 93 aangesloten op het expansiegedeelte 91.

De pijp 93 is via een kanaal 211 en een verder ringkanaal 213 in een huis 215 aangesloten op een koeler 217, een regenerator 219, een vriezer 221 en een expansieruimte 223 boven een in hoofdzaak cirkelcylindrische verdringer 225. De expansieruimte 223 is aan de bovenzijde afgesloten door een deksel 227 die aan een pijp 229 is gesoldeerd. Aan zijn onderzijde is de pijp 229 in een ring 231 geschroefd die met bouten is bevestigd aan een houder 233 voor een warmtewisselaar 235 die deel uitmaakt van de koeler 217. In de houder 233 bevinden zich kanalen 237 en 239 voor toe- en afvoer van een koelvloeistof. De houder 233 is met bouten aan het huis 251 bevestigd. Omdat het aan het gasvormig werkmedium van fluctuerende druk blootgestelde drukoppervlak aan de boven-en onderzijde van de verdringer 225 verschillend is door de aanwezigheid van een pijpvormige verlenging 241 die tot in een gasveerruimte 243 reikt waarin de gemiddelde druk heerst kan de verdringer 225 een eigen aandrijfmotor ontberen. Een dergelijke aandrijfmotor is echter onder bepaalde omstandigheden wel wenselijk. In dat geval kan een elektrische translatiemotor worden toegepast ter plaatse van de verlenging 241. Tussen de pijpvormige verlenging 241 en een in het huis 215 gemonteerde aanslag- of begrenzingsring 245 bevindt zich een wigvormige of dubbel-conische spleet 247 met eenzelfde functie als de in het voorgaande reeds besproken spleten 43 (fig. 1) en 203 (fig. 2). De lengte L van de spleet 247 wordt verkregen door een ringdeel 249 ter lengte L van de ring 245 dat ontstaat door het aanbrengen van een borst 251. Op de beschreven wijze is een cryokoeler 87 verkregen met drie door wigvoraige spleten gestabiliseerde zuigers (verdringer 225 wordt als zuiger beschouwd).

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de zuigermachine is de lengte van het aan de ene zijde van het omkeervlak gelegen deel van de spleet verschillend van de lengte van het aan de andere zijde van het omkeervlak gelegen deel van de spleet. De genoemde lengten zijn gemeten in een richting loodrecht op het omkeervlak. Om niet grotendeels in herhaling te vallen is in de tekening geen zuigermachine met een dergelijke spleet aangegeven. Door het verschil in lengte van de spleetdelen wordt een extra kracht op de zuiger verkregen waarmee de invloed van de zwaartekracht bij verticaal staande zuiger kan worden gecompenseerd. Een dergelijke extra kracht kan ook worden verkregen door bij gelijke lengte van de genoemde spleetdelen de coniciteit aan weerszijden van het omkeervlak verschillend te kiezen.

Opgemerkt wordt dat bij de in figuur 1 getoonde zuigermachine de eerste kamer 39 en de tweede kamer 41 functioneren als drukegalisatiekamers voor de spiraalgroeflagers 83 en 85. Zonder drukegalisatie over de spiraalgroeflagers 83 en 85 d.m.v. de axiale kanalen (49, 51, 53, 55) en de op de spleet 43 aangesloten ringkanalen 45 en 47 zouden de lagers niet optimaal werken.

Bij de in de figuren 2 tot en met 4 getoonde tweede uitvoeringsvorm van de zuigermachine functioneert de compressieruimte 157 als de eerste kamer voor beide zuigers 105 en 107, terwijl de ruimten aan de andere zijde van de spleten 203 en 205 functioneren als de tweede kamer. In het algemeen is het volume van de tweede kamer zodanig dat de daarin aanwezige zgn. gemiddelde druk nauwelijks fluctueert zodat deze kamer functioneert als een bufferkamer. De wigvormige, convergerend verlopende spleten 43, 203 en 205 verliezen overigens hun stabiliserende eigenschap niet als aan weerszijden van de zuigers drukfluctuaties optreden. Het pompen van gasvormig werkmedium naar die zijde van de zuiger waarin een middenstandsverschuiving optreedt vindt ook in die omstandigheden plaats waarin geen bufferkamer aan een van de zuigerzijden aanwezig is.

Behalve de beschreven conische spleten zijn vele vormen van andere wigvormige spleten mogelijk zolang voldaan is aan de voorwaarde dat de grootte van het oppervlak van een dwarsdoorsnede van de spleet vanaf het owkeervlak naar de beide grensvlakken van de spleet afneemt en de gemiddelde stromingsweerstand van het effectieve deel van de spleet fluctueert tijdens de zuigerbeweging. Het verloop van de spleet is dus convergerend naar de beide uiteinden daarvan. Komvormige spleten zonder een scherpe knik ter plaatse van het omkeervlak zijn dus eveneens «ogelijk. In plaats van spiraalgroeflagers voor het centreren van de zuiger in de cylinder kunnen keramische bus-of glijlagers worden toegepast die nabij de beide uiteinden op de zuiger zijn bevestigd.

Bij de in fig. 1 getoonde zuigermachine bedroeg de spleetlengte (L) 110 mm, de maximum diameter van de zuiger 35 mm, de minimum spleetwijdte 15 pm en de maximum spleetwijdte ter plaatse van het omkeervlak 30 μ«. De spleetwijdte bij de spiraalgroeflagers bedraagt 9pm en die bij vervangende bus- of glijlagers 5-10 pm. In het geval dat drukegalisatie zonder ringkanalen en axiale kanalen wordt gewenst moet de spleetwijdte links en rechts van de grensvlakken 48 en 50 ten minste 1 mm bedragen.

Tenslotte wordt opgemerkt dat drukegalisatie of anders gezegd een zo klein mogelijk drukverval over de spleetdelen links en rechts van het effectieve deel L· van de spleet ook kan worden verkregen door een verbinding van die spleetdelen met andere kamers dan de eerste en tweede kamer. In die andere kamers moet dan respec. de werkdruk van de eerste en tweede kamer heersen.

Claims (5)

1. Zuigermachine met ten minste een in een met gas gevulde cylinder heen en weer beweegbare zuiger die de cylinder verdeelt in een eerste kamer en een tweede kamer, waarbij zich in bedrijf tussen een buitenwand van de zuiger en een binnenwand van de cylinder een de eerste en de tweede kamer verbindende spleet bevindt die in ringvormige doorsneden dwars op de bewegingsrichting van de zuiger verschillend van grootte is, met het kenmerk, dat de spleet aan weerszijden van een dwars op de bewegingsrichting van de zuiger staand omkeervlak een wigvormig verloop bezit, waarbij een nabij een eerste grensvlak van de spleet gelegen dwarsdoorsnede en een nabij een tweede grensvlak van de spleet gelegen dwarsdoorsnede van de spleet een kleiner oppervlak bezitten dan een dwarsdoorsnede van de spleet nabij het omkeervlak en een tussen de eerste en de tweede kamer bestaand drukverschil nagenoeg bepaald is door het drukverschil over de spleet tussen het eerste en het tweede grensvlak, terwijl het wigvormige verloop van de spleet zich aan weerszijden daarvan uitstrekt tot voorbij de grensvlakken van de spleet over een afstand die ten minste gelijk is aan een halve zuigerslag in de middenstand van de zuiger.

2. Zuigermachine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de wigvormige spleet aan zowel de ene zijde als de andere zijde van het omkeervlak gelegen is tussen een conische binnenwand van de cylinder en een cirkelcylindrische buitenwand van de zuiger.

3. Zuigermachine volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat gemeten in een richting loodrecht op het omkeervlak de lengte van het aan de ene zijde van het omkeervlak gelegen deel van de spleet verschillend is van de lengte van het aan de andere zijde van het omkeervlak gelegen deel van de spleet bij een middenstand van de zuiger.

4. Zuigermachine volgens conclusie 1 of 3, met het kenmerk, dat de zuiger nabij zijn beide uiteinden is voorzien van een dynamisch groeflager, terwijl de cylinder aan weerszijden van het omkeervlak en tussen de groeflagers is voorzien van een ringvormige groef die enerzijds is aangesloten op de spleet nabij de grensvlakken daarvan en anderzijds op een verbindingskanaal dat uitmondt in een drukegalisatiekamer aan respec. de ene zijde en de andere zijde van de zuiger.

5. Zuigermachine volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de cylinder twee identieke, in bedrijf nagenoeg 180° uit fase bewegende, zuigers bevat die een coapressieruirafce insluiten, welke coapressieruiate via een regenerator is aangesloten op een expansieruiate waarin een verdringer verplaatsbaar is, waarbij zich tussen elk van de zuigers en de cylinder een spleet bevindt die aan weerszijden van een dwars op de bewegingsrichting van de zuiger staand omkeervlak een wigvoraig convergerend verloop bezit.