CH659880A5 - Tieftemperatur-kaeltemaschine. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tieftemperatur-Kältemaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es wurden eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen entwickelt, um der steigenden Nachfrage auf dem Gebiet der Tieftemperatur-Kälteerzeugung zu begegnen. Solche Vorrichtungen funktionieren alle auf der Basis des gesteuerten Umlaufs eines expansiblen Fluids mit Wärmeaustausch, um die Kühltemperaturen zu erhalten.

Der Kältekreislauf nach dem US-PS 2 996 035 erfordert, dass ein Hochdruckfluid in eine «Warm»-Kammer eingeleitet wird und entlang eines Wärmespeicherweges in zumindest eine «Kalt»-Expansionskammer veränderbaren Volumens einströmt, wobei das Volumen der letztgenannten Kammer durch die Bewegung eines Kolbens, der im folgenden Verdränger genannt wird, variiert wird, und das Fluid bei einem niedrigen Druck in ein Niederdruck-Fluidre-servoir oder zu einem Kompressoreingang ausgetragen wird. Bei einem solchen Kreislauf müssen die Steuerung des Fluid-stroms und die Bewegung des Verdrängers kontinuierlich ablaufen und zeitlich exakt abgestimmt werden, wobei die Arbeitsweise der den Fluidstrom steuernden Ventile entsprechend mit der Bewegung des Verdrängers koordiniert werden.

In der Vorrichtung nach dem US-Patent 3 625 015 wird eine hin- und hergehende Bewegung des Verdrängers durch einen mechanischen Antrieb erreicht, während die den Fluidstrom steuernde Ventilfunktion von einem Drehventil ausgeübt wird, welches mechanisch an dem Antrieb für den Verdränger angelenkt ist.

Obwohl die Drehventilanordnung zufriedenstellend arbeitet, ist sie relativ kompliziert und zwischen einem Kulissenantrieb für den Verdränger und dem Hauptantriebsschaft eingefügt, welcher den Kulissenantrieb mit dem als Antriebsmaschine für den Kälteerzeuger dienenden Elektromotor verbindet.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, durch eine Verbesserung der Vorrichtung nach dem US-Patent 3 625 015 eineTiefkühl-Kältemaschine zu schaffen, indem anstelle des Drehventils ein Ventil eingesetzt wird, welches relativ einfach im Aufbau, vergleichsweise klein und zu Inspektionszwecken leicht entfernbar ist, das ferner nicht die Verbindung zwischen dem Kulissenantrieb und dem Antriebsmotor beeinträchtigt und direkt vom dem Verdränger und nicht durch den Antriebsmotor betätigt wird. Auch soll ein Kältekreislauf realisierbar sein, wie er aus den US-Patenten 2 996 035 und 3 625 015 hervorgeht.

Die Tieftemperatur-Kältemaschine sollte ferner mit unterschiedlichen Kühlungskapazitäten betrieben werden können, relativ klein und einfach zu zerlegen und zu reparieren, und mit einem gesteuerten Kältekreislauf ausgerüstet sein. Der Ausdruck «Kältemaschine» wird hier in einem Gattungssinne verstanden und schliesst in seiner Bedeutung auch Verflüssiger ein. Weiterhin soll sie eine Ventilanordnung aufweisen, welche die Richtung des Gasstroms nur dann umkehrt, wenn sich der Verdränger im wesentlichen am Ende seines Aufwärts- oder Abwärtshubs befindet, wodurch ein grossvolumiger Gasdurchsatz durch den Regenerator gewährleistet und dementsprechend ein besserer Kälteerzeugungs-Wirkungsgrad erzielt wird.

Erfindungsgemäss wird die genannte Aufgabe mit einer Tieftemperatur-Kältemaschine nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Ausführungsformen dieser Tieftemperatur-Kältemaschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Details und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrösserte Längsschnitt-Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche einen Gifford-McMahon-Kreislauf-Tieftemperatur-Kälteerzeuger bildet, bei dem der Verdränger und der Steuerventilmechanismus in einer ersten Grenzstellung gezeigt sind,

Fig. 2 eine Vergrösserung eines Abschnitts von Fig. 1, Fig. 3 eine Querschnittansicht bei einer Schnittführung entlang der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1 zur Verdeutlichung des Steuerventilmechanismus und eines Teils des Verdrängers in einer zweiten Grenzstellung,

Fig. 5 eine Schnittansicht bei einer Schnittführung entlang der Linie 5-5 in Fig. 4,

Fig. 6 und 7 Ansichten ähnlich der in Fig. 1 von weiteren Ausführungsformen der Erfindung und

Fig. 8 eine Teilansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In der nachstehenden detaillierten Beschreibung der abgebildeten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden beschreibende Worte wie «ober», «unter», «warm», «kalt», und dgl. in einem zweckdienlichen und einem relativen Sinne verwendet. Ferner soll die Beschreibung so verstanden werden, dass die Kältemaschine in jeder beliebigen Weise ausgerichtet werden kann, und die in den Zeichnungen dargestellte Lage eignet sich zur Erläuterung in der nachstehenden Beschreibung, und auch deshalb, weil diese Ausrichtung die im praktischen Einsatz üblicherweise aufzufindende ist. Obwohl als bevorzugtes Arbeitsfluid Heliumgas Verwendung findet, soll dies so verstanden werden, dass die Erfindung auch mit anderen Gasen je nach den gewünschten Kühltemperaturen realisiert werden kann, einschliesslich -neben anderen - Luft und Stickstoff.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäss den Fig. 1 bis 4 umfasst eine Verteilerkopfanordnung aus Metall, bestehend aus einem Gehäusekopf 2, der im folgenden auch Verteilerkopfsockel genannt wird, und einem Gehäuse-oder Verteilerkopfdeckel 3. In dem Verteilerkopfsockel 2 ist ein Steuerventil 4 untergebracht und abgestützt, welches zur Steuerung des Flusses eines ausgewählten gasförmigen Kältefluids, z.B. Helium, zu zwei Kammern 6 (in Fig. 4) und 8 (in Fig. 1 ) variablen Volumens hin und von diesen weg über einen Wärmeregenerator 10 steuert, welcher einem Verdränger 14 zugeordnet ist, der in einem einen Wärmetauscher 18 tragenden Metallzylinder 16 gelagert ist. Der Verteilerkopfsockel 2 ist mit Öffnungen für Schrauben 20 versehen, welche durch in einem am Verteilerkopfdeckel 3 vorgesehenen Flansch 30 ausgebildete Löcher hindurchgehen, und in Gewindebohrungen in einem kreisförmigen Befestigungsring 22 eingeschraubt sind, so dass der Verteilerkopfsockel, der Deckel und der Befestigungsring miteinander zu einer Einheit verbunden sind. Diese Einheit ist über Schrauben 24 an einer Tragplatte 26 befestigt. Der Ring 22 besitzt eine zentrale Öffnung, die so bemessen ist, dass sie eine kurze Verlängerung 28 des Verteilerkopfsockels 2 mit festem Sitz aufnimmt, während die Platte 26 mit einer ver-grösserten Öffnung 30' zur Aufnahme des Zylinders 16 versehen ist. Das obere Ende des Zylinders 16 ist in einer im Ring 22 ausgebildeten Gegenbohrung 32 untergebracht und an diesem Ring über geeignete Mittel, vorzugsweise durch Schweissen oder Hartlöten befestigt. Demzufolge bilden der Zylinder 16, der Ring 22, der Deckel 3 und der Verteilerkopfsockel 2 eine separate Untereinheit.

Der Verteilerkopfsockel 2 ist mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Bohrung unterschiedlichen Durchmessers versehen. Wie am deutlichsten aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, umfasst die Bohrung einen unteren Abschnitt 34

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grossen Durchmessers, einen mittleren Abschnitt relativ kleinen Durchmessers, und einen oberen Abschnitt 36 mit einem Durchmesser der zwischen denen des unteren und mittleren Abschnitts liegt.

In dem unteren Bohrungabschnitt 34 ist ein Ventilgehäuse 38 gelagert, welches zusammen mit einem Ventilglied 40 das Steuerventil 4 bildet. Das Ventilgehäuse 38 ist so bemessen, dass es mit einem Passsitz in den Bohrungsabschnitt 34 grossen Durchmessers eingesetzt ist und über einen Passstift, der z.B. bei 42 gezeigt ist oder durch ein anderes geeignetes Befestigungsmittel, z.B. eine Schraubverbindung oder eine Justierschraube in seiner Lage gehalten wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Ventilgehäuse 38 aus einem keramischen Material und das Ventilglied 40, auch Schieberventilglied genannt, aus einer Metallhülse 44, an deren Aussenfläche erste und zweite Keramikringe 46 und 48, voneinander durch eine metallische Abstandshülse 50 getrennt, angebracht sind. Die Keramikringe 46 und 48 sind so bemessen, dass sie mit einem gegen Gleitsitz in das Ventilgehäuse 38 eingepasst sind. Die Hülse 44 besitzt einen Flansch 45, der mit dem Ring 48 zusammenwirkt, um eine kreisförmige wellige unterlegscheibenartige Feder 47 und einen umschliessenden Reibring 49 abzustützen. Die Feder 47 hält den Reibring 49 gegen das Ventilgehäuse 38 angedrückt mit der Folge, dass das Ventilglied 40 sich nicht relativ zum Ventilgehäuse 38 bewegen kann, solange es nicht durch den Verdränger, wie nachstehend beschrieben, dazu veranlasst wird. Der Ring 49 kann aus jedem geeigneten nachgiebigen Material, z.B. Metall, Gummi oder einem Kunststoff mit einem geeigneten Reibkoeffizienten gegenüber dem Ventilgehäuse bestehen. Eine breite Palette von Materialien steht für den Ring 49 zur Verfügung, da das Ventil nicht wesentlich abgekühlt wird.

Ferner ist gemäss den Fig. 1 und 2 das Ventilgehäuse 38 mit drei in Axialabständen vorgesehenen, jeweils mehreren Radialdurchlässen 52,54 und 56 gleich grosser Abmessungen versehen. Die Durchlässe 52 sind Niederdruck-Auslässe, die Durchlässe 54 Übertragungsdurchlässe und die Durchlässe 56 Hochdruck-Einlässe. Vorzugsweise ergibt jede Anordnung der Druchlässe eine gerade Anzahl und die Durchlässe sind so angeordnet, dass sich die Durchlässe diametral gegenüberliegen. Solch eine Anordnung hilft sicherzustellen, dass der Fluiddruck um das Ventil 40 herum gleichförmig ist, so dass das Ventilglied nicht seitlich eng gegen das Gehäuse 38 angedrückt wird, was eine Hemmkraft erzeugen und dadurch eine einwandfreie Funktion des Ventils 4 behindern würde.

Auf die Radialdurchlässe 52, 54 und 56 ausgerichtet sind im Verteilerkopfsockel 2 drei in Umfangsrichtung verlaufende Nuten, durch welche ein Eingangsverteiler 64, ein Durchgangssammler 66 und ein Ausgangssammler 60 gebildet werden.

Die Nut 60 steht mit mehreren in Umfangsrichtung versetzten Kanälen 66 in Verbindung, welche am oberen Ende des Verteilerkopfsockels 2 enden und mit einer Kammer 68 in Verbindung stehen, die zwischen dem oberen Ende des Verteilerkopfsockels 2 und dem Deckel 3 ausgebildet ist. Die nächstuntere Ringnut 62 ist mit einer Anzahl von Kanälen 70 verbunden, die zur Kammer 6 hin führen. Die unterste Ringnut 64 steht mit einem Kanal 72 in Verbindung, der zu einem durch ein am Verteilerkopf 2 angebrachtes Anschlussstück 76 gebildeten Einlass 74 hinführt. Das Anschlussstück 76 ist so ausgerüstet, dass es an eine Leitung 80 anschliessbar ist, die zu einer Hochdruckgasquelle 200 führt.

Die Hülse 44 des Schieberventilglieds 40 umschliesst einen Schaft 84, der gleitfähig innerhalb des Verteilerkopfsockels 2 gelagert ist und zwar mittels einer Lagerung 86, die im oberen Bohrungsabschnitt 36 untergebracht ist. Über der

Lagerung 86 befindet sich ein Dichtglied 90, das gleitfähig und hermetisch den Schaft gegenüber dem Verteilerkopfsockel 2 abdichtet. Die Dichtung 90 wird in ihrer Lage durch eine Rückhalteplatte 92 gehalten, welche ihrerseits durch Schrauben am Verteilerkopfsockel 2 angebracht ist.

Die Hülse 44 des gleitfähigen Ventilglieds 40 ist so bemessen, dass sie am Schaft 84 nicht angreift. Das untere Ende der Hülse 44 ist vergrössert ausgeführt und bildet dadurch einen Flansch 94. Der Schaft 84 erstreckt sich durch die Hülse 44 hindurch in eine Sackbohrung in einem Bolzen 96, und die beiden Teile sind mittels eines Passstifts 98 aneinander befestigt. Vorzugsweise besitzt der Bolzen 96 etwa denselben Aussendurchmesser wie der Flansch 94, so dass er als Anschlag für das Ventilglied dient.

Das untere Ende der Ventilhülse 44 und der Flansch 94 erstrecken sich in eine Bohrung 100, die im oberen Ende des Verdrängers 14 ausgebildet ist. Ein Passstift 102, der in miteinander fluchtende Bohrungen im Verdränger und im Bolzen 96 eingesetzt ist, dient zur Verriegelung des Verdrängers mit dem Schaft 84, so dass beide als Einheit sich relativ zum Zylinder 16 bewegen. Das obere Ende des Schaftes 84 ist mit einem Kulissenantrieb 108 verbunden, der einen horizontalen Langlochschlitz 110 (Fig. 5) umfasst, welcher in kreisförmigen und etwas vergrösserten Enden 112 ausläuft. Eine Seite des Kulissenantriebs 108 ist mit einer Nut 114 versehen, um das Ende einer Führungsschraube 116, die in ein im Deckel 3 ausgebildetes Loch eingeschraubt ist und mit dem Kulissenantrieb zum Verhindern des Drehens des Schafts 84 zusammenwirkt, gleitfähig aufzunehmen. Am oberen Ende des Kulissenantriebs 108 ist ein als Verlängerung des Schafts 84 dienender weiterer Schaft 84A angebracht. Das obere Ende des Schafts 84A ist gleitfähig in einem Lager 118 geführt, welches in eine im Deckelglied 3 vorgesehene Bohrung eingesetzt ist. Ein zusätzlicher Deckel 120 ist am Deckelglied 3 angebracht und so ausgebildet, dass er das obere Ende des Schafts 84A aufnimmt, wenn dieser das obere Ende seines Arbeitshubs erreicht. Eine Dichtung 124 schliesst den Deckelteil 3 bzw. den zusätzlichen Deckel 120 hermetisch ab, um den Fluiddruck in der Kammer 68 aufrechtzuerhalten.

Ferner ist in den Fig. 1 und 2 eine der Seitenwände des Deckelteils 3 mit einer Öffnung 126 versehen, durch welche sich ein Betätigungsschaft 128 eines Elektromotors 130, der als Antriebsmaschine der Vorrichtung dient, hindurcherstreckt. Am freien Ende des Schafts 128 ist ein Kulissenkörper 134 angebracht. Am Deckel 3 ist mittels Schrauben 132 ein Motorflansch 131 befestigt. Ein Kulissenzapfen 136 ist exzentrisch zum Kulissenkörper 134 montiert und trägt eine Rolle 138, die in die Nut 110 im Kulissenantrieb 108 eingesetzt ist. Der Motor 130 ist von einem Gehäuse 142 umschlossen, welches über geeignete Mittel, z.B. durch Schrauben 143 am Deckelteil befestigt ist. Das Gehäuse 142 ist mit einem Anschlussteil 144 zur Befestigung einer Leitung 146 versehen, welche als Auslassleitung für Niederdruckfluid dient. Im Motor 130 vorgesehene Durchlässe 147 und 149 gestatten ein Strömen von Niederdruckfluid von der Kammer 68 durch den Motor 130 und das Gehäuse 142 zur Leitung 146.

Aus dem Vorstehenden lässt sich erkennen, dass mit der Erregung des Motors 130 der Betätigungsschaft 128 gedreht wird, und dadurch ruft die Kulissenantriebsverbindung ein Hin- und Hergehen des Schaftes 84 hervor. Der Schaft 84 führt eine derartige hin- und hergehende Bewegung aus, dass der Verdränger 14 zwischen einer ersten Grenzstellung (Fig. 1), in welcher sich der Verdränger am weitesten oben im Zylinder 16 kurz vor dem Berühren der Verlängerung 28 befindet und einer zweiten Grenzstellung (Fig. 4) verlagert wird, in der der Verdränger 14 sich am weitesten unten im s

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Zylinder 16 befindet, kurz vor einem Berühren der Metallstirnwand 21 des Zylinders 16.

Ferner weist nach den Fig. 1 und 4 der Verdränger 14 mehrere Durchlässe 150 auf, die zu einer, den Regenerator 10 enthaltenden inneren Kammer 152 hinführen. Der Regenerator kann unterschiedlich ausgestaltet sein, beispielsweise ganz oder teilweise aus Bronzegittern bestehen oder aus Bleischrot oder irgendeinem anderen Material hoher thermischer Leitfähigkeit, je nach der gewünschten Kühltemperatur. Das obere Ende des Verdrängers 14 ist von einer perforierten Ringplatte 156 abgeschlossen, welche an dem Verdränger durch geeignete Schrauben angebracht ist und als Stützhalte-rung für eine nachgiebige Dichtung 160 dient. Aus Montagegründen besteht die Platte 156 aus zwei halbkreisförmigen Abschnitten. Die Platte 156 besitzt Öffnungen, die auf die Durchlässe 150 ausgerichtet sind. Die Dichtung 160 ist in eine im oberen Ende des Verdrängers 14 ausgebildete Umfangsnut eingesetzt und greift gleitfähig an der Innenfläche des Zylinders 16 an, um einen Austritt von Gas zwischen dem Verdränger und der Innenfläche des Zylinders 16 am oberen Ende des Verdrängers zu unterbinden. Der Innendurchmesser der Rückhalteplatte 156 ist grösser als der Aus-sendurchmesser der Hülse 44, so dass sich das Schieberventilglied 40 bezüglich des Verdrängers frei bewegen kann. Der besagte Innendurchmesser ist jedoch kleiner als der Aussen-durchmesser des Flansches 94, so dass dieser am Flansch angreifen kann, wenn sich der Verdränger beispielsweise nach unten bewegt, wie in Fig. 4 gezeigt, und somit wirkt die Ringplatte als Anschlag für das Ventilglied.

Das untere Ende des Verdrängers besitzt einen Abschnitt 170 mit verringertem Durchmesser, der in einem Abstand von der Innenfläche des Zylinders 16 vorgesehen ist, um einen Ringspalt 172 zu bilden. Der Spalt 172 und das Fluid, welches durch ihn hindurchtritt, stellen einen internen Wärmetauscher zum Wegführen von Wärme aus dem Umgebungsbereich des Zylinders 16 dar. An der Verbindung des Abschnitts 170 mit verringertem Durchmesser mit dem übrigen Abschnitt des Verdrängers 14 ist dieser mit einer Reihe von Radialdurchlässen 176 versehen, die eine Verbindung zwischen dem Ringspalt 172 und der inneren Kammer 152 ausbilden. Das untere Ende der Kammer 152 des Verdrängers 14 ist mittels eines Stopfens 178 verschlossen, welcher vorzugsweise aus Material von hoher thermischer Leitfähigkeit gefertigt ist. Der Stopfen 178 ist an dem Verdränger 14 über geeignete Mittel z.B. durch Schrauben, Hartlöten oder Schweissen befestigt.

Ferner wird gemäss den Fig. 1 und 4 ein äusserer Wärmetauscher 18 vom Metallzylinder 16 getragen, der aus einem topfförmigen Gehäuse 180 hoher termischer Leitfähigkeit besteht, das an das untere Ende des Zylinders 16 im Kontakt mit der Stirnwand 21, die eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, angebracht ist. Dieses untere Ende des äusseren Wärmetauschers 18 ist, obwohl dies nicht dargestellt ist, mit der zu kühlenden Vorrichtung, wie immer sie beschaffen sein mag, z.B. einem Infrarotdetektor oder einer Vakuumkammer verbunden.

In den Fig. 1 bis 4 ist ausserdem gezeigt, dass die Ventilhülse 44 einen kleineren Aussendurchmesser besitzt als die Keramikringe 46 und 48, wodurch eine Ringnut 190 gebildet wird. Vorzugsweise ist die Axiallänge der Nut 190 derart, dass dann, wenn sich das Ventilglied in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 1 ) befindet, das obere Ende der Nut mit den oberen Kanten der Radialdurchlässe 52 fluchtet, während sich das gegenüberliegende Ende derselben Nut unterhalb der Unterkante der Durchlässe 54 befindet, wodurch eine Verbindung zwischen der Kammer 68 und der Kammer 6 variablen Volumens geschaffen wird. Wenn jedoch sich das Ventilglied in seiner unteren Grenzstellung (Fig. 2) befindet, ist das untere

Ende der Ringnut 190 bündig mit den unteren Kanten der Radialdurchlässe 56, während sich ihr oberes Ende über den oberen Kanten der Durchlässe 54 befindet, wodurch eine Verbindung zwischen der Leitung 80 und der Kammer 6 variablen Volumens hergestellt wird. Wenn das Ventilglied sich in seiner oberen Grenzstellung befindet, ist die Leitung 80 gegenüber der Kammer 6 verschlossen. Wenn das Ventilglied sich in seiner unteren Grenzstellung befindet, ist die Kammer 68 gegenüber der Kammer 6 abgeschlossen. Die Grenzstellungen des Ventilglieds 40 werden durch den Grad bestimmt, in dem das Ventilglied durch den Verdränger in der einen oder anderen Richtung bewegt wird, da die Reibung zwischen dem Ring 49 und dem Ventilgehäuse so eingestellt wird, dass das Ventilglied sich nur dann und solange bewegt, wie es der Verdränger zur Bewegung antreibt. Gewünschtenfalls kann die Länge der Nut 190 geändert werden, d.h. sie kann verkürzt werden, so dass (a), wenn sich das Ventil in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 1 ) befindet, die oberen und unteren Enden der Nut bündig mit den oberen Kanten der Durchlässe 52 bzw. den unteren Kanten der Durchlässe 54 sind, und (b) wenn sich das Ventil in seiner unteren Grenzstellung (Fig. 2) die oberen und unteren Enden der Nut bündig mit den oberen Kanten der Durchlässe 54 bzw. den unteren Kanten der Durchlässe 56 sind.

Der Betrieb der Vorrichtung umfasst ein Zuführen von Hochdruckfluid aus einer geeigneten Quelle, z.B. der Austragseite eines Kompressors 200' durch die Leitung 80 und das Auslassen von Niederdruckfluid zu einem Niederdruckvorrat, z.B. der Einlassseite des Kompressors 200' über die Leitung 146.

Die Arbeitsweise der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Vorrichtung wird nun beschrieben, wobei von der Annahme ausgegangen wird, dass sich das Schieberventilglied 40 in seiner unteren Grenzstellung (Fig. 4) befindet und der Verdränger 14 sich aufwärts bewegt, wobei das obere Ende des Verdrängers sich an einem Punkt kurz vor seiner oberen Totpunktstellung befindet, wo der Bolzen 96 als erstes am Flansch 94 am unteren Ende des Schieberventilglieds angreift.

Wenn sich der Verdränger 14 unmittelbar vor seiner oberen Totpunktstellung, wie gerade beschrieben, befindet, herrschen folgende Fluiddruck- und Temperaturbedingungen im Kälteerzeuger: (A) in der Kammer 6 besteht Hochdruck bei Raumtemperatur und (B) in der Kammer 8 besteht Hochdruck und niedrige Temperatur. Indem der Verdränger seine Aufwärtsbewegung fortsetzt, greift der Bolzen 96 am Flansch 94 des Schieberventilglieds 40 an und schiebt dieses nach oben. Das Ventilglied 40 erreicht seine obere Grenzstellung (Fig. 1 ) sobald der Verdränger in seine obere Totpunktstellung gelangt. Wenn das Schieberventilglied sich von seiner unteren Grenzstellung zu seineroberen Grenzstellung oder umgekehrt bewegt, durchläuft es einen Übergangspunkt. In diesem Übergangspunkt ist die Unterkante der Nut 190 bündig mit den Oberkanten der Durchlässe 56. während die Oberkante derselben Umfangsnut bündig ist mit den Unterkanten der Durchlässe 52. Wenn das Schieberventilglied durch seine Übergangsposition hindurchgeht, beginnt Fluid aus der Kammer 6 zur Leitung 146 hin über die Kanäle 70 und 66 sowie die Kammer 68 auszuströmen, wodurch sich der Druck in den Kammern 6 und 8 verringert. Wenn sich das Schieberventilglied in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 1) und der Verdränger in seiner oberen Totpunktstellung (OT) befindet, strömt in der Kammer 8 befindliches kaltes Hochdruckgas durch den Regenerator 10 bzw. die Warmkammer 6 aus. Indem das Gas ausströmt, wird es durch die Matrix des Regenerators erwärmt, wodurch dieser gekühlt wird. Wenn nun der Verdränger seine Abwärtsbewegung beginnt, welche sich an das Erreichen der oberen Grenzstellung des Ventilglieds anschliesst, verbleibt das Ven5

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tilglied in seiner oberen Grenzstellung und der Verdränger drängt Niederdruck-Kältefluid aus der Kammer 8, und das Ventil setzt den Ausstoss von Niederdruckgas aus den Kammern 6 und 8 fort. Der Regenerator kühlt weiter ab, indem er Wärme an das verbleibende, aus der Kammer 8 verlagerte Kaltgas, abgibt.

Das Kaltgas strömt durch den Regenerator 10, expandiert beim Erwärmen und kühlt somit den Regenerator weiter ab. Indem sich der Verdränger seiner unteren Totpunktstellung (UT) annähert, verfängt sich die Ringplatte 156 am Schiebe-ventilglied und bewegt dieses durch seine Übergangsstellung hinweg in seine untere Grenzstellung (Fig. 4).

Wenn das nach unten bewegende Ventilglied seine Übergangsstellung passiert, strömt Hochdruckfluid aus der Leitung 80 in die Kammer 6 über die Kanäle 72 und 70, wodurch diese Kammer mit unter hohem Druck und niedriger Temperatur stehendem Gas gefüllt wird, welches durch den Regenerator in die Kammer 8 einströmt. Beim Einströmen von warmem Gas in die Kammer 8 wird dieses während des Hindurchtritts durch den kalten Regenerator 10 gekühlt. Der Druck in den Kammern 6 und 8 nimmt zu, indem Hochdruckgas über die Leitung 80 eingepumpt wird. Der Verdränger erreicht seine untere Grenzstellung und beginnt dann durch die Einwirkung des Kulissenantriebs seine erneute Aufwärtsbewegung. Während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers bewirkt er, dass mehr Hochdruckgas bei Raumtemperatur aus der Leitung 80 in die Kammer 8 über die Kammer 6 und den Regenerator 10 einströmt mit der Folge, dass dieses zusätzliche Gas bei seinem Durchgang durch den Regenerator gekühlt und in seinem Volumen verringert wird. Diese Volumenabnahme macht es möglich, dass während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers mehr Gas in die Kammer 8 eingesaugt werden kann.

Indem der Verdränger nach oben in seine OT-Stellung zurückgekehrt, stösst er erneut am Schieberventilglied an und schiebt dieses in seine obere Grenzstellung, wodurch das in den Kammern 6 und 8 enthaltene Gas erneut über die Kammer 68, die Durchlässe 147 und 149 sowie die Leitung 146 ausgetragen wird.

Der gerade beschriebene Arbeitszyklus wird wiederholt, indem der Verdränger weiterhin durch den Antriebsmotor hin- und herbewegt wird. Es sollte berücksichtigt werden,

dass ein System dann, wenn der Verdränger seine OT-Stellung erreicht hat, in der Kammer 8 kaltes Hochdruckgas und in der Kammer 6 Hochdruckgas bei Raumtemperatur enthalten ist.

Die Erfindung hat ausser den bereits angeführten viele offensichtliche Vorteile, einschliesslich der Tatsache, dass die Konstruktion verschiedenartig variiert werden kann, um sie an bestehende Herstellungsverfahren und Ausführungserfordernisse anzupassen. Die inneren und äusseren Wärmetauscher, welche auch andere Formen besitzen können, sich einfach, betriebssicher und wirkungsvoll. Ein weiterer Vorteil führt zu der Tatsache, dass der Regenerator 10 auch unterschiedliche Ausformungen einnehmen kann, z.B. die von Gittern oder Bleischrot, wie vorstehend beschrieben, je nach der Temperatur, auf die das Gas abzukühlen ist.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache begründet, dass der Verdränger aus Kunststoff oder Metall gefertigt werden kann. Ferner ist es bemerkenswert, dass der Wärmeregenerator ausserhalb des Zylinders 16, wie z.B. in Fig. 5 des brit. Patents 1 352 153 gezeigt, montiert sein kann ; in diesem Fall kann der Verdränger ein massiver Bauteil oder ein an beiden Enden verschlossenes Hohlglied sein, und es können geeignete Kanäle am oberen und unteren Ende des Zylinders 16 vorgesehen sein, die eine Verbindung mit dem aussenlie-genden Regenerator herstellen.

Eine weitere offensichtliche Modifikation besteht in der

Bereitstellung anderer mechanischer Mittel zur Hin- und Herverlagerung des Verdrängers, z.B. einem automatisch reversierenden Elektromotor oder eine pneumatisch oder eine hydraulisch arbeitende Betätigungseinrichtung, einen 5 doppelt wirkenden pneumatischen Antrieb der direkt mit dem Schaft 84A verbunden ist. Eine weitere mögliche Anwandlung besteht in der Änderung des Aufbaus des Schieberventils, z.B. durch die Ausbildung mechanischer Anschläge zum Stoppen des Schieberventilglieds, wenn es io seine Grenzstellung erreicht. Auch kann die Vorrichtung zwei- oder dreistufig, z.B. gemäss der Lehre der US-Patente 3 802 211 und 4 036 027 sowie des brit. Patents 1 352 153 ausgebildet sein.

Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei abgewandelte Ausführungs-ls formen der Erfindung, welche ein Schieberventil verwenden, das dem im brit. Patent 1 352 153 offenbarten ähnlich ist.

Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 6 ist ein Verdränger 200 innerhalb eines Zylinders 202 vorgesehen. Das obere Ende des Verdrängers endet in einer Ver-20 längerung 206 an der ein Flansch 208 ausgebildet ist. Einander auf Abstand gegenüberliegende Schultern 210 und 212 werden durch den Verdränger am unteren Ende der Verlängerung und durch den Flansch am oberen Ende der Verlängerung ausgebildet. Der Verdränger 200 ist hohl und enthält 25 einen Regenerator 214, der aus jedem geeigneten Material, z.B. aus Phosphor-Bronzegittern bestehen kann. Durchlässe 216 und 218 im Verdränger gestatten den Durchtritt von Gas zwischen (a) der Expansionskammer 220, die zwischen dem Verdränger und dem unteren Ende des Zylinders gebildet 30 wird, und (b) der Kammer oder dem Raum 222, der zwischen der Verlängerung 206 und dem Zylinder gebildet wird. Die Kammer 222 bewegt sich gemeinsam mit dem Verdränger in Längsrichtung des Zylinders. Eine O-Ringdichtung 224 ist in eine im oberen Ende des Verdrängers neben der Schulter 210 35 vorgesehene Nut eingesetzt und verhindert einen Durchtritt von Gas in die Expansionskammer 220 hinein bzw. einen Austritt von Gas aus dieser Kammer heraus, das in Umgehung des Regenerators durch einen Ringraum strömt, der durch den Abstand zwischen dem Verdränger und dem 40 Zylinder gebildet wird. Der Flansch 208 liegt vorzugsweise dicht an der Innenfläche des Zylinders 202, um die Führung des Verdrängers bei seiner Hin- und Herbewegung zu unterstützen ; es werden keinerlei Massnahmen getroffen, um einen Gasdurchtritt zwischen dem Flansch und dem 45 Zylinder zu verhindern. Eine oder mehrere Öffnungen 226 im Flansch 208 gestatten einen raschen Gasdurchtritt vom Raum 222 in den Raum 223, der zwischen dem Flansch 208 und dem oberen Ende des Zylinders gebildet wird.

Ein Einlass zum Raum 222 wird durch mehrere in so Umfangsrichtung vorgesehene kleine Öffnungen 232, die in der Wandung des Zylinders 202 ausgebildet sind, geschaffen, und ein Auslass von diesem Raum 222 wird durch mehrere in Umfangsrichtung angeordnete kleine Öffnungen 234 gebildet, die ebenfalls in der Wandung des Zylinders 202 55 unterhalb der Öffnungen 232 ausgebildet sind. Die Aussen-wand des Zylinders 202 ist dort, wo die Öffnungen 232 und 234 vorgesehen sind, von einem Bund 236 umschlossen, welcher mit der Zylinderwand zusammenwirkt, um Ringverteiler 238 und 240 zum Durchtritt von Gas in die Öffnungen 6o 232 hinein und aus den Öffnungen 234 heraus zu bilden.

Eine Einlassleitung 244, die von einer Hochdruckgasquelle (nicht gezeigt) stammt, steht mit dem Verteiler 238 in Verbindung, während eine Auslassleitung 246 zur Entlüftung des abgelassenen Gases aus der Kammer 222 vom Verteiler 240 65 zu einer Niederdruckgasquelle, wie nachstehend beschrieben, führt.

Entweder die Auslassöffnungen oder die Einlassöffnungen sind zum Raum 222 hin offen, und zwar abhängig von der

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Relativstellung eines Ventilglieds in Form eines Ringes 250, der im Zylinderinneren im ringförmigen Raum 222 angeordnet ist. Der Ring 250 steht in Reibschlusseingriff mit der Innenfläche des Zylinders 202 und wird aus einem ausgewählten Material gefertigt, das einen Reibungskoeffizienten zwischen dem Ring und dem Zylinder herstellt, dass der Ring (a) in einer einmal eingenommenen Position verbleibt, bis er von dem Verdränger erfasst wird, (b) dass er sich mit dem Verdränger in eine erste oder eine zweite Richtung solange bewegt, wie der Verdränger ihn in diese Richtung drängt, und (c) in seiner jeweils eingenommenen Stellung anhält, wenn er ausser Eingriff des Verdrängers gelangt. Der Ventilring 250 besitzt einen Abstand von der Verlängerung 206, um einen raschen Durchtritt von Kühlgas zu gestatten, jedoch ist sein Innendurchmesser gross genug, dass er von den Schultern 210 und 212 erfasst werden kann.

Der Ventilring besitzt eine Länge (die entlang der Zylindermittelachse gemessene Ausdehnung), welche wesentlich grösser ist als der Maximalabstand zwischen den Einlassöffnungen 232 und den Auslassöffnungen 234, um dadurch zu vermeiden, dass beide Öffnungsreihen gleichzeitig geöffnet sind. Damit die Vorrichtung wirkungsgradgünstig arbeitet, sind die Länge des Ventilrings der Abstand zwischen den Öffnungen 232 und 234 und der Abstand zwischen den Schultern 210 und 212 entsprechend angeordnet, dass (a) die Einlassöffnungen 232 geschlossen und die Auslassöffnungen 234 geöffnet werden, wenn das Volumen der Expansionskammer 220 verringert wird, um die Druckgasmenge, die in der Kammer im entsprechenden Zeitabschnitt des Arbeitszyklus auftritt zu minimieren, und (b) die Einlassöffnungen 232 geöffnet und die Auslassöffnungen 234 geschlossen werden, wenn das Volumen der Expansionskammer 220 erhöht wird, um ein Ausdehnen und Gekühltwerden des Gases in der Expansionskammer zu erlauben.

Es lässt sich eine bessere Kühlung erhalten, indem die Schultern 210 und 212 in einem Abstand angeordnet werden, der wesentlich grösser ist als die Länge des Ventilrings 250, sodass die Einlassöffnungen 232 über den grössten Teil der Abwärtsbewegungsperiode des Verdrängers geöffnet sind, um das Volumen der Kammer 220 zu verringern sowie ein Öffnen der Einlassöffnungen 232 und ein Schliessen der Auslassöffnungen 234 für den grösseren Teil der Aufwärtsbewe-gungsperiode des Verdrängers zu ermöglichen, um das Volumen der Kammer 220 zu vergrössern.

Das obere Ende der Verlängerung 206 ist an einem Antriebsschaft 84 befestigt, durch den der Verdränger 200 hin- und herbewegt wird. In das obere Ende des Zylinders 202 ist eine Kopfteilplatte 260 eingepasst, die zum Tragen einer oder mehrerer hermetischer Dichtungen 263 ausgerüstet ist, welche den Schaft 84 gleitfähig führen. Die Kopfteilplatte 260 ist durch einen Deckel 262 abgeschlossen. Mittels Bolzen 264 ist die Kopfteilplatte 260 und der Deckel 262 an einem Flansch 266 am oberen Ende des Zylinders befestigt. Der Deckel 262 trägt ein Gleitlager 268, welches den Schaft 84A führt, und ein zusätzliches Deckelglied 270 nimmt das obere Ende des Schafts 84A auf, wenn dieser das obere Ende seines Arbeitshubs erreicht. Das Deckelglied 270 ist an dem oberen Ende des Deckels 262 hermetisch abgedichtet. Wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 5 wird der Schaft 84 von einem Elektromotor 130 über einen Kulissenantrieb 108 betrieben. Der Motor ist in ein Gehäuse 142A eingeschlossen, das am Deckelglied 262 durch Schrauben 143 befestigt ist. Vorzugsweise ist der Motor 130 durch das aus dem Verteiler 240 austretende Kühlmittel gekühlt. Entsprechend ist der Deckel 270 mit einem Übertragungsdurchlass versehen, an dem die Auslassleitung 246 angeschlossen ist; das Motorgehäuse I42A besitzt einen Auslassanschluss 144A, und der Deckel 262 weist Öffnungen 267 auf, wodurch (a) das gasförmige Kältemittel bei niedrigem Druck aus der Kammer 228 über das Motorgehäuse von dem Verdränger während seiner Aufwärtsbewegung ausgestossen werden kann, und (b) gasförmiges Kältemittel oder Luft wird in die Kammer durch den Verdränger bei seiner Abwärtsbewegung hineingezogen. Diese Hin- und Herbewegung des gasförmigen Fluids im Gehäuse 142A dient zur Kühlung des Motors 130. Vorzugsweise ist der Auslassanschluss 144A an eine Leitung 146 angeschlossen, welche zur Einlassseite eines Kompressors führt, während die Auslassseite des Kompressors mit der Einlasseite 244 in Verbindung steht.

Im Betrieb wird der Verdränger 2 durch die Tätigkeit des Motors 130 hin- und herbewegt. Einerseits wird unter Druck stehendes Kühlgas im Zylinder 202 über die Leitung 244 zugeführt, wenn der Ventilring 250 sich in einer Stellung befindet, der die Einlassöffnungen 232 freigibt; andererseits wird Kühlgas aus dem Zylinder über die Leitungen 246 und 146 ausgetragen, wenn der Ventilring die Auslassöffnungen 234 nicht abdeckt. Wie vorstehend erwähnt, verbleibt der Ventilring 250 in jener Position, die er einmal eingenommen hat, bis er aus dieser Position durch ein Angreifen einer der Schultern 210 und 212 herausbewegt wird.

Wenn sich der Ventilring 250 in einer Stellung befindet, dass die Einlassöffnungen 232 geschlossen und die Auslassöffnungen 234 geöffnet sind, wird bei abwärtsgehendem Verdränger Gas aus der Expansionskammer 220 verdrängt und strömt durch den Regenerator 214 über die Durchlässe 216 und 218 in den Raum 222 und verlässt diesen Raum durch die Auslassöffnungen 234 und die Leitung 246.

Während des Hinunterbewegens des Verdrängers 2 gelangt die Schulter 212 mit dem Ventilring 250 in Berührung.

Indem der Verdränger seine Abwärtsbewegung fortsetzt, verlagert er den Ventilring, so dass die Auslassöffnungen 234 geschlossen und gleichzeitig die Einlassöffnungen 232 geöffnet werden, wodurch ein unter hohem Druck stehendes Gas durch die Leitung 244 und die Einlassöffnungen in den Zylinder eintreten kann. Das hineinkommende Gas strömt durch den Durchlass 218, den Regenerator 214 und den Durchlass 216 in die Expansionskammer 220. Dabei wird, mit Ausnahme der Startphase der Vorrichtung, das Gas beim Durchtritt durch den Regenerator gekühlt, welcher seinereits durch kaltes austretendes Gas von den vorangehenden Arbeitszyklen gekühlt wurde. Während das Gas in die Expansionskammer 220 strömt, wird der Kammerinnendruck erhöht.

Der Verdränger erreicht seine untere Grenzstellung, wird angehalten und kehrt nach aufwärts zurück, ohne dass er an dem unteren Ende des Zylinders 220 anstösst. Es ist ersichtlich, dass die genaue Position des Verdrängers, bei der die Einlassöffnungen geöffnet und die Auslassöffnungen geschlossen sind, durch ein geeignetes Positionieren der Öffnungen 232 in Relation zu den Öffnungen 234 gewählt werden kann. Während sich der Verdränger erneut nach oben bewegt, verbleibt der Ventilring 250 in seiner unteren Grenzstellung, die erreicht war, als der Verdränger angehalten wurde. In dieser unteren Grenzstellung des Ventils werden die Öffnungen 232 durch den Ventilring 250 vollständig geöffnet und die Öffnungen 234 gänzlich geschlossen. Der Ventilring 250 verbleibt in seiner unteren Grenzstellung, in der er die Öffnungen 234 abdeckt, bis er erneut mit der Schulter 210 des Verdrängers in Berührung gelangt, wenn dieser seine Aufwärtsbewegung fortsetzt. Während der Aufwärtsbewegung des Verdrängers wird das Volumen der Expansionskammer 220 vergrössert, wodurch mehr Gas in diese Kammer von den Einlassöffnungen 232 über den Durchlass 218, den Regenerator 214 und den Durchlass 216 eintreten kann. Dieses hineinkommende Gas hält den Druck der Expansionskammer auf dem Wert des s

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Gasdrucks in der Einlassleitung 244.

Während der Verdränger seine Aufwärtsbewegung fortsetzt, berührt die Schulter 210 den Ventilring 250 und stösst ihn in eine Position, in der die Einlassöffnungen 232 geschlossen und die Auslassöffnungen 234 geöffnet werden. Wenn dies stattfindet, beginnt Gas aus der Expansionskammer 220 auszuströmen und kühlt dabei den Regenerator auf seinem Weg zu den Auslassöffnungen 234.

Wenn die Auslassöffnungen 234 geöffnet sind, so dass Gas aus der Expansionskammer 220 austreten kann, beginnt der Druck in dieser Kammer zu fallen, so dass das aus der Vorrichtung über die Leitungen 246 und 146 austretende Gas auf einem niedrigen Druck liegt.

Es wird hervorgehoben, dass die Kammer 223 eher eine Verlängerung der Kammer 222 darstellt und mithin der Gasdruck auf der Oberseite des Flansches 208 genauso gross ist wie der Gasdruck an dessen Unterseite.

Die zeitliche Abfolge der Verlagerung des Ventilrings 250 hängt von der Länge des Verlagerungwegs des Verdrängers vom Anbeginn seines Aufwärts- oder Abwärtshubs bis zum Berühren des Ventilrings ab. Diese Länge ist genauso gross wie die Differenz zwischen der Länge des Rings 250 und der Länge des Raums 222 (d.h. der Abstand zwischen den Schultern 210 und 212).

Mit einer in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung kann eine Oberfläche durch Wärmeaustausch mit der Stirnfläche 203 des kälteren (Expansionskammer) Endes des Zylinders 202 gekühlt werden.

Die Form der Vorrichtung, wie sie in Fig. 7 abgebildet ist, ist ähnlich der der Vorrichtung nach Fig. 6 bis auf den Umstand, dass die Einlass- und Auslassöffnungen umgekehrt und zwei Flansche 208 und 208A an der Verdrängerverlänge-rung 206 ausgebildet sind, um drei ringförmgie Räume 222k, 222B und 223 abzugrenzen. Der Raum 222B wird zum Teil durch einander gegenüberliegende Schultern 212 und 213 und der Raum 222A zum Teil durch einander gegenüberliegende Schultern 213A und 210 abgegrenzt. Der Raum 223 liegt zwischen dem Flansch 208 und einer Kopfteilplatte 260 und steht mit dem Raum 222B in Verbindung, der seinerseits mit dem Raum 222A verbunden ist. Die Flansche 208 und 208A liegen dicht an der Innenfläche des Zylinders 202, um so eine Führung für den Verdränger während seiner Bewegung vorzusehen. Die Öffnungen 226 in den Flanschen 208 und 208A gestatten eine rasche Bewegung des Kühlgases in den Räumen 222A und 222B sowie 223. Der Durchlass 218 erstreckt sich zwischen dem Regenerator 214 und dem Raum 222B. Zusätzlich sind zwei Ventilringe 250 und 250A in den Räumen 222B bzw. 222A vorgesehen, jeder dieser Ringe steht in Reibschlusseingriff mit der Innenfläche des Zylinders 202, so dass sie in einer einmal eingenommenen Position in Längsrichtung des Zylinders verbleiben, bis sie durch ein Angreifen eines der Schultern des Verdrängers bewegt werden. Der Ring 250 wirkt als Ventilglied für die Auslassöffnungen 234 während der Ring 250A als Ventilglied für die Einlassöffnungen 232 dient. Vorzugsweise ist die in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung so konstruiert, dass die Differenz zwischen den Längen des Rings 250 und seinem Raum 222B grösser ist als die Differenz zwischen den Längen des Rings 250A und seines Raumes 222A. Die Vorrichtung kann jedoch auch so ausgelegt werden, dass diese beiden Differenzen gleich gross sind.

In Fig. 7 ist der Ring 250 in einer Stellung abgebildet, in der die Auslassöffnungen 234 offen sind, während der Ring 250A sich in einer Position befindet, in der die Einlassöffnungen 232 geschlossen sind. Unter diesen Bedingungen steht das Gas in der Expansionskammer 220 unter niedrigem Druck. Wenn sich nun der Verdränger nach abwärts bewegt, verdrängt er Gas aus der Expansionskammer 220, das durch den Regenerator strömt, um durch die Öffnungen 234 auszutreten. Bei sich nach abwärts bewegendem Verdränger liegt die Schulter 213 A am Ring 250A an mit der Folge, dass der Ring nach unten geschoben wird. Bei fortgesetzter Abwärtsbewegung erfasst die Schulter 212 den Ring 250 und schiebt ihn nach unten. Das Anlegen der Schulter 212 am Ring 250 findet statt, bevor der Ring 250A genügend weit verlagert ist, um die Einlassöffnungen 232 zu öffnen. Der Ring 250 ver-schliesst die Auslassöffnungen 234 gleichzeitig mit dem Freigeben der Einlassöffnungen durch den Ring 250A. Bei nun geöffneten Einlassöffnungen strömt unter hohem Druck stehendes Gas in die Expansionskammer 220 ein und wird beim Hindurchtritt durch den Regenerator 214 vorgekühlt (mit Ausnahme während des erstes Arbeitszyklus der Maschine). Dementsprechend steigt der Druck in der Expansionskammer 220 an. Der Verdränger erreicht seine untere Grenzstellung, hält an und beginnt sich erneut nach oben zu bewegen, ohne die untere Stirnwand des Zylinders 202 zu berühren.

Beim Aufwärtshub des Verdrängers greift die Schulter 210 am Ring 250A an und verlagert diesen, bevor die Schulter 213 des Verdrängers den Ring 250 erfasst und diesen mitnimmt. Demzufolge werden die Einlassöffnungen 232 geschlossen, bevor die Auslassöffnungen geöffnet werden ; während des Aufwärtshubs des Verdrängers findet in einer bestimmten Zeitspanne kein Gaseintritt oder -austritt zu bzw. von der Expansionskammer 220 statt. Das Gas in der Expansionskammer wird beim Aufwärtshub des Verdrängers expandiert, um eine besonders wirkungsgradgünstige Kühlung zu schaffen. Um zu gewährleisten, dass die Ringe 250 und 250A in der Lage sind, gleichzeitig die Einlassöffnungen 232 und die Auslassöffnungen 234 während eines Abschnitts des Aufwärtshubs des Verdrängers zu schliessen, wird die Differenz zwischen den Längen des Ringes 250 und der Vertiefung bzw. des Raums 222B grösser gemacht als die Differenz zwischen den Längen des Rings 250A und der Aussparung 222A. Um ferner zu erreichen, dass die Einlassöffnungen über den Ring 250 relativ früh während des Verdrängerhubs geschlossen werden, wird die Längendifferenz zwischen der Aussparung 222A und dem Ring 250A klein ausgelegt. Auch ist es wünschenswert, den Ring 250A ausreichend lang zu machen, so dass die Einlassöffnungen 232 während der Aufwärtsbewegung des Rings 250A beim Aufwärtshub des Verdrängers nicht erneut geöffnet werden. Die Einlassöffnungen werden, verglichen mit der Vorrichtung nach Fig. 6 relativ früh während des Aufwärtshubs geschlossen.

Es soll festgehalten werden, dass sich bei den Vorrichtungen nach den Fig. 6 und 7 das Steuerventil von dem der Vorrichtung nach den Fig. 1 bis 4 insofern unterscheidet, als es kein separates Ventilgehäuse besitzt; stattdessen bildet ein Abschnitt des Zylinders 202 das Ventilgehäuse. Somit sind die Ventile nach den Fig. 6 und 7 einfacher als die nach den Fig. 1 und 4.

Selbstverständlich können die Vorrichtungen nach den Fig. 6 und 7 auch in mehrfacher Hinsicht wie die Vorrichtungen nach den Fig. 1 bis 4 modifiziert werden ; beispielsweise kann ein aussenliegender Regenerator oder eine gesonderte Stufe vorgesehen sein, wie dies in den Fig. 5 und 6 des brit. Patents 1 352 153 gezeigt ist.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die in vielfacher Hinsicht der Vorrichtung nach Fig. 1 ähnelt. In diesem Fall ist der Verdränger 14 mit zusätzlichen Kanälen versehen, um unter hohem Druck stehendes gasförmiges Kühlmittel in das obere Ende des Wärmeregenerators 10 über den ringförmigen Druchlass 85, der zwischen dem Schaft 84 und der Hülse 44A des Schieberventils 4A gebildet wird, eintreten zu lassen. Das genannte Ventil umfasst ein s

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Ventilgehäuse 38A und ein Schieberventilglied 40A. Das Ventilgehäuse 38A ist in einem Bohrungsabschnitt 34 im Verteilerkopf 2 befestigt und mit zwei im axialen Abstand liegenden Reihen radialer Durchlässe 52 und 56 von identischer Grösse versehen. Im Verteilerkopf 2 sind radial fluchtend mit den Durchlässen 52 und 56 zwei Ringnuten 60 und 64 mit denselben axialen Abmessungen wie die Durchlässe 52 und 56 ausgebildet. Die Nut 60 steht mit einem Kanal 72 in Verbindung, welcher zu einer Einlassöffnung führt, an die eine Einlassöffnung 80 für unter hohem Druck stehendes Kältefluid angeschlossen ist. Die Nut 64 führt zu einem Kanal 66, der in eine vom Verteilerkopfdeckel 3 gebildete Kammer 68 einmündet. Obwohl dies nicht dargestellt ist, soll die Vorrichtung nach Fig. 8 einen Motor besitzen, der über einen Kulissenantrieb mit dem Schaft 84 verbunden ist. Der Motor soll von einem Motorgehäuse umschlossen sein, welcher mit der Kammer 86 in Verbindung steht und einen Auslassanschluss zum Ankuppeln der Kammer an eine Niederdruckquelle in der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Weise besitzt.

Das untere Ende des Ventilgehäuses 38A ist offen und steht mit der Kammer 6 variablen Volumens in Verbindung, die zwischen der Verlängerung 28 des Kopfteils 2 und dem oberen Ende des Verdrängers 14 ausgebildet wird. Das Ventilglied 40A umfasst die Hülse 44A und einen Keramikring 46, der am oberen Ende der Hülse angebracht ist. Der Ring 46 besitzt eine äussere Nut, in die eine unterlegscheibenartige Feder 47 und ein Reibring 49, wie vorstehend beschrieben, eingesetzt sind. Die Feder 47 hält den Ring 49 gegen das Ventilgehäuse 38, so dass das Ventilglied sich im Ventilgehäuse nicht bewegt, solange es nicht vom Verdränger verlagert wird. Das untere Ende der Hülse 44A besitzt einen Umfangs-

flansch 94, der so bemessen ist, dass er nicht an der Innenfläche 100 des Verdrängers reibt, jedoch über die Mitnehmerplatte 156 erfassbar ist. Die axiale Länge des Rings 46 ist genausogross wie der Abstand zwischen den oberen Kanten s der Durchlässe 52 und den unteren Kanten der Durchlässe 56. Auf diese Weise kann der Ring 46 so eingestellt werden, dass er die Durchlässe 52 und 56 gleichzeitig verschliesst. Ausserdem wird die Länge der Hülse 44A so bestimmt, dass dann, wenn (a) sich der Verdränger nach aufwärts in seine OT-Stellung bewegt, er das Ventilglied in eine obere Grenzstellung drängt, in der die untere Kante des Rings 46 bündig ist oder etwas über den oberen Kanten der Durchlässe 56 liegt, so dass die Durchlässe 56 vollständig geöffnet und die Durchlässe 52 völlig geschlossen sind, und (b) sich der Verdränger nach abwärts in seine UT-Stellung bewegt, er das Ventilglied in eine untere Grenzstellung drängt, in der die obere Kante des Rings 46 bündig oder etwas unterhalb der unteren Kante der Durchlässe 52 liegt, so dass die Durchlässe 52 vollständig geöffnet und die Durchlässe 56 ganz geschlossen sind. Infolgedessen wird, wenn sich das Ventil in seiner oberen Grenzstellung (Fig. 8) befindet. Gas aus dem Verdränger 14 über die Kanäle 150, den Kanal 99, die zwischen der Hülse 44A und dem Gehäuse 38A ausgebildet werden, die Durchlässe 56, die Nut 64 und den Kanal 66 ausströmen. Wenn sich das Ventil in seiner unteren Grenzstellung befindet, tritt Hochdruckgas über den Kanal 72, die Nut, 60, die Durchlässe 52 im Ringraum 85 und die Kanäle 150A ein. Der Kälteerzeugungsvorgang ist gekennzeichnet durch denselben Gifford-McMahon-Kreislauf, wie bei den Systemen gemäss den Fig. 1 bis 7.

Noch weitere Modifikationen und Vorteile liegen für den einschlägigen Durchschnittsfachmann auf der Hand.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (18)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Tieftemperatur-Kältemaschine mit einer ersten Kammer (6) und einer zweiten Kammer (8), welche innerhalb einer Gehäuseanordnung (16,2) angeordnet und durch einen beweglichen Kolben ( 14) im Volumen veränderbar sind, wobei die erste Kammer mit der zweiten Kammer über Leitungen (150) und einen Wärmeregenerator (10) verbunden sind und wobei ferner mittels gegenläufiger Bewegungen des Kolbens innerhalb der Gehäuseanordnung ein Kühlfluid zwischen der ersten und zweiten Kammer in Umlauf bringbar ist, indem durch eine zyklisch arbeitende Steuerventilvorrichtung (4) unter Hochdruck stehendes Kühlfluid der ersten Kammer zuführbar und unter Niederdruck stehendes Kühlfluid von der ersten Kammer abführbar ist, wobei die Steuerventilvorrichtung (4) einen Hochdruckeinlass (56), einen Niederdruckauslass (52) und ein zwischen einer ersten und zweiten Position bewegliches Ventilglied (40) aufweist, wobei in der ersten Position des Ventilglieds der Hochdruckeinlass und in der zweiten Position des Ventilglieds der Niederdruckauslass mit der ersten Kammer verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Kolbenantriebsvorrichtung ( 128, 130) und eine zur Erzeugung gegenläufiger Bewegungen des Kolbens mit der Kolbenantriebsvorrichtung verbundene Bewegungsübertragungsvor-richtung(84, 134, 136,138) sowie Mittel (96,94,156) für die Verschiebung des Ventilglieds in seine erste Position bei Bewegung des Kolbens in eine erste Richtung und für die Verschiebung des Ventilglieds in seine zweite Position bei Bewegung des Kolbens in eine zweite entgegengerichtete Richtung.
2. 2. Tieftemperatur-Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsübertragungs-vorrichtung ein mit dem Kolben verbundenes längliches Teil (84) aufweist und dass das bewegliche Ventilglied (40)

   gleitbar um das längliche Teil herum angeordnet ist.
3. 3. Tieftemperatur-Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung (4) ein mit der Gehäuseanordnung (16,2) starr verbundenes Ventilgehäuse (38) und zusätzlich zum Hochdruckeinlass (56) und Niederdruckauslass (52) einen Durchlass (54) aufweist und dass ferner Mittel (72,66,147) für die Verbindung des Hochdruckeinlasses und des Niederdruckauslasses mit unter Hochdruck bzw. Niederdruck stehenden Kühlfluid-quellen sowie Mittel (70) für die Verbindung des Durchlasses (54) mit der ersten Kammer (6) vorhanden sind.
4. 4. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenantriebsvorrichtung ( 128,130) einen Elektromotor (130) aufweist und dass die Bewegungsübertragungsvorrichtung (134,136,138) zur Erzeugung einer synchron zur Drehung der Motorwelle verlaufenden hin und hergehenden axialen Bewegungen des Kolbens mit der Motorwelle ( 128) verbunden ist.
5. 5. Tieftemperatur-Kältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsübertragungs-vorrichtung einen Kulissenantrieb (134,136,138) umfasst.
6. 6. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenantriebsvorrichtung unabhängig von der Steuerventilvorrichtung betreibbar ist.
7. 7. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeregenerator (10) innerhalb des Kolbens (14) angeordnet ist.
8. 8. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Kammer (6,8) an gegenüberliegenden Enden des Kolbens ( 14) angeordnet sind.
9. 9. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseanordnung ( 16,2) einen Zylinder ( 16) aufweist und dass die erste und zweite Kammer (6,8) durch den Kolben s ( 14) und den Zylinder ( 16) begrenzt sind.
10. 10. Tieftemperatur-Kältemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (38) getrennt vom Zylinder (16) ausgebildet ist.
11. 11. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vor-10 hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

    Gehäuseanordnung (16,2) einen Gehäusekopf (2) aufweist, welcher die Steuerventilvorrichtung (4) und den Zylinder (16) trägt, und dass der Gehäusekopf Mittel (72,66) für die Verbindung des Hochdruckeinlasses und des Niederdruck-ls auslasses mit den unter Hochdruck bzw. Niederdruck stehenden Kühlfluidquellen aufweist.
12. 12. Tieftemperatur-Kältemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung (4) ein einen Teil des Gehäusekopfs (2) beinhaltendes Ventil-

    20 gehäuse (38) aufweist.
13. 13. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung (4) koaxial zum Kolben (14) angeordnet ist.

    25 14. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung (4) ein keramisches Ventilgehäuse (38) aufweist und dass das Ventilglied (40) zumindest eine keramische Oberfläche in gleitendem Kontakt mit dem Ven-30 tilgehäuse aufweist.
14. 15. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung (4) ein Ventilgehäuse (38) mit einer Mehrzahl von Hochdruckeinlässen (56), einer Mehrzahl von

    35 Niederdruckauslässen und einer Mehrzahl von Durchlässen (54) sowie einen mit den Hochdruckeinlässen verbundenen Eingangsverteiler (64), einen mit den Niederdruckauslässen verbundenen Ausgangssammler (60) und einen mit den Durchlässen verbundenen Durchgangssammler (62) 40 umfasst.
15. 16. Tieftemperatur-Kältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (72,66) für die Verbindung des Eingangsverteilers (64) mit der unter Hochdruck stehenden und für die Verbindung des Ausgangssammlers

    45 (60) mit der unter Niederdruck stehenden Kühlfluidquelle sowie Mittel (70) für die Verbindung des Durchgangssammlers (62) mit der ersten Kammer (6) vorhanden sind.
16. 17. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der so Kolben (14) eine ein Ende des länglichen Teils (84) aufnehmende axiale Bohrung ( 100) sowie Verbindungsmittel ( 102) zur Verbindung des länglichen Teils mit dem Kolben aufweist.
17. 18. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vor-55 hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine

    Kammer (68) für die Aufnahme von unter Niederdruck stehendem, von der ersten Kammer über die Steuerventilvorrichtung abgeführtem Kühlfluid sowie das längliche Teil umgebende, den Austritt von Kühlfluid entlang des läng-60 liehen Teils verhindernde Dichtungsmittel (90) vorhanden sind.
18. 19. Tieftemperatur-Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsübertragungsvorrichtung einen länglichen, am

    65 Kolben befestigten Schaft, welcher in einem hin und hergehende Bewegungen gestattendem Lager (86) gehalten ist.

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