DE2356841A1 - LOW TEMPERATURE COOLING MACHINE - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Tieftemperaturkältemaschine mit Temperaturabstufung und insbesondere eine Tiefte.mperat.urkälte~ maschine in Stufenbauweise mit Temperatur abstufung^ die beiThe invention relates to a low-temperature refrigeration machine with temperature gradation and, in particular, a low-temperature refrigeration machine in a stepped design with temperature gradation ^ the at
(mehr als einem Temperaturniveau Kalte abgeben kann.. Das Grundprinzip der Vorrichtüngr ist auf Tieftemperaturkältemaschinen j anwendbar-, die nach dem in der US-PS 2 906 101 beschriebenen Kreisprozeß- arbeiten und insbesondere, nach der Form des Kreispro.zesses.fc der in der· US-PS 2 966 035 beschrieben ist.. Die Erfindung ist- ebenso bei Vorrichtungen anwendbar,, die zur· Erzeugung von Kälte nach, dem Stirling- und dem Vuilleumier-Kreisprazeß arbeiten*(Can emit cold temperatures more than one temperature level .. The basic principle the device is on cryogenic refrigeration machines j, that described in US Pat. No. 2,906,101 Circular process work and, in particular, according to the form of the circular process.fc described in US Pat. No. 2,966,035. The invention is also applicable to devices for generating cold according to the Stirling and Vuilleumier cycle work*
Bei der Konstruktion einer Tief temp er aturkältemasehlne mit Temperatur ab stufung, die zwei oder mehr Kältekammern aufweist, jist es. aufgrund des Massenstroms notv/endigv j;ede Kältekammer' 'so auszulegen.», daß sie ein kleineres Volumen hat als jene,, die •Kälten bei dem nächst· höheren. Temperaturniveau abgibt;.. Diesem jErfo-rdernis· abnehmender Volumen der Kältekämmern- sind andere Gesichtspunkte übergeordnet,; wie. Erzielung einer einfachen Bauweise* maximale Wirksamkeit des Regenerators und ReduzierungIn the construction of a low-temperature air conditioning machine Temperature graduation, which has two or more cold chambers, it is. due to the mass flow notv / endigv j; ede cold chamber ' 'to be interpreted in such a way that it has a smaller volume than that of the • Colds at the next · higher. Gives temperature level; .. This The requirement for the decreasing volume of the cold chambers is different Overriding viewpoints; how. Achieving a simple Construction * maximum effectiveness of the regenerator and reduction
der Wärmeverluste auf ein Minimum,- insbesondere jener Wärmeverluste, die aufgrund von Wärmelecks durch Wärmeleitung und : Kolbenbewegung Zustandekommen. Die günstigste Ausgestaltung, die diesen Erfordernissen gerecht wird, 1st eine abgestufte Bauweise, das heißt eine Kältemaschine mit einem Gehäusef das in der Form hohl zylindrischer Abschnitte mit kleiner werdenden . Durchmessern, aufgebaut und zur Ausbildung eines fluiddichten Raumes in zweckentsprechender Weise abgedichtet ist, und mit ■ starr verbundenen Kolben unterschiedlicher Durchmesser, die ' in den Gehäuseabschnitten hin und her bewegbar sind. Die Kolben ■ bilden durch ihre Hubbewegung Kältekammern mit abnehmendem . Durchmesser, wodurch sich die kleiner werdenden Kältekammer- : volumen ergeben« Damit ist bei dieser gebräuchlichen Stufen— : bauweise der Kammerdurchmesser der einzige Auslegungsparameter, ' der zur Steuerung des Volumenverhältnisses von zwei oder mehr Kältekammern verändert werden kann, da die Kolben starr mitein- ' ander verbunden sind und alle den gleichen Hubweg ausführen.the heat losses to a minimum - especially those heat losses that occur due to heat leaks through heat conduction and : piston movement. The most favorable configuration that meets these requirements is a stepped design, that is to say a refrigeration machine with a housing f that is in the form of hollow cylindrical sections with decreasing size. Diameters, constructed and sealed to form a fluid-tight space in an appropriate manner, and with ■ rigidly connected pistons of different diameters, which are 'movable back and forth in the housing sections. Due to their stroke movement, the pistons ■ form cold chambers with decreasing. Diameter, whereby the shrinking Kältekammer-: volume yield "Thus, in this conventional staged: construction of the chamber diameter, the only design parameter 'can be changed to control the volume ratio of two or more cooling chambers, since the pistons with each rigid' are connected to each other and all perform the same stroke.
Us ist jedoch, nicht durchführbar, den Durchmesser der kälteren Kältekammern ohne Rücksicht auf verschiedene begrenzende FaktorenHowever, Us is, impracticably, the diameter of the colder cold chambers regardless of various limiting factors
willkürlich zu verändern. Beispielsweise bei einer Kältemaschine· in Stufenbauweise, in der die Regeneratoren innerhalb der Kolben angeordnet sind (und dies ist allgemein der Fall),-wird der Regenerätordruckabfall und die thermische Leistungsfähigkeit des Regenerators wenigstens zum Teil durch den Regeneratordurchmesser (und damit durch den. Kolbendurchmesser} sowie durch die Länge des Regenerators bestimmt.'Diese Tätsache wiederum ergibt relativ strenge Begrenzungen hinsichtlich des Ausmaßes r auf das der Durchmesser der Kolben reduziert werden kann, die die Kältekammern für tiefere Temperaturen bilden.« Als Alternative zu kleiner werdenden Kolbendurciimessern bleibt damit die entsprechende Auslegung des Hubweges- für jene Kolben,, weiche die Volumen der Kältekammern mit tieferen Temperaturen bilden. Da: nur eine einzige Antriebseinrichtung für diese Kolbenab- ; schnitte von kleiner werdenden Durchmessernvorgesehen ist,- ist: die bisher übliche starre mechanische Verbindung zwischen den Kolbenabschnitten zur- Änderung; des Kolbenhubwegs nicht brauchbar.to change arbitrarily. For example, in a refrigeration machine in a stepped design in which the regenerators are arranged inside the pistons (and this is generally the case), the regenerator pressure drop and the thermal performance of the regenerator are at least partly determined by the regenerator diameter (and thus by the piston diameter) as well as by the length of the regenerator. This fact in turn results in relatively strict limitations with regard to the extent r to which the diameter of the pistons, which form the cold chambers for lower temperatures, can be reduced the Hubweges- for those pistons ,, soft, the volume of the cold chambers with lower temperatures form Da., only a single drive means for this Kolbenab-; sections is of decreasing diameter Pre See, - is the previously customary rigid mechanical connection between the piston sections zur- Modification; of the piston stroke not usable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Tieftemperaturkältemaschine in Stufenbauweise mit Temperaturabstufung zu schaffen, bei der das Volumen der Kältekammern,
die bei tieferen Temperaturbereichen arbeiten, in einfacher
v.Teise durch Ändern des Hubweges des hin und her bewegbaren .Kolbenabschnitts
optimal ausgelegt werden kann, der das Volumen bildet.
Weiterhin soll eine Tieftemperaturkältemaschine so ausge- j
bildet werden, daß tiefere Temperaturen erreicht werden können ! als mit einer Kältemaschine gleicher Größe und Ausgestaltung j
nit abgestuftem Kolben, dessen Abschnitte starr miteinander jThe invention is based on the object of an improved
To create a low-temperature refrigeration machine in a stepped design with temperature gradation, in which the volume of the cold chambers,
that work at lower temperature ranges, in a simpler way
v. May be T else by changing the stroke of the reciprocable .Kolbenabschnitts optimally designed that forms the volume. Furthermore, a low-temperature refrigeration machine should be designed in such a way that lower temperatures can be reached! than with a refrigeration machine of the same size and configuration j with stepped piston, the sections of which are rigidly connected to one another j
'verbunden sind. Ferner soll eine derartige Tieftemperaturkälte- i'are connected. Furthermore, such a low-temperature cold i
,maschine so ausgebildet werden, daß der Massenstrom für jede !, machine are designed so that the mass flow for each!
Stufe optimal ausgelegt, der Regeneratorwirkungsgrad erhöht jStage optimally designed, the regenerator efficiency increases j
:und das p.V-Diagramm irgendeiner Stufe für eine erwünschte ;: and the p.V diagram of any stage for a desired one;
.Leistungsfähigkeit optimiert werden kann·. ~ ] .Performance can be optimized ·. ~]
Nach der Erfindung wird die Einstellung des Kolbenhubweges
durch eine Verbindungs- bzw. Kopplungseinrichtung für die Kolbene.b
schnitte ermöglicht, die einen Eingriff zwischen den Kolbenabschnitten der Reihe nach zulaßt und dadurch bewirkt, daß der
Kolben mit dem größten Durchmesser einem oder mehreren Kolben j mit kleineren Durchmessern eine Hin- und Herbewegung über einen
;Hubweg erteilt, der kleiner ist als der, den der Kolben mit
idem größten Durchmesser ausführt. Es wurde gefunden, daß es
:durch Ändern des Verhältnisses der Hubwege möglich ist, die
Temperatur'und die Kältekapazität für jede Stufe innerhalb
!bestimmter Grenzen zu variieren, die gesamte Leistungsfähigkeit
'der Kältemaschine durch Einstellen der relativen Kolbenver- !
Schiebungen auf ein Optimum zu bringen und die mit den Regenera- j
.toren für tiefere Temperaturen verbundenen Verluste zu reduzieren,
während man die Vorteile der oben angegebenen optimalen Ausle- ·
gungsmerkmale,wie minimale Wärmeleckverluste durch Leitung und . i
Bewegungsvorgänge sowie Einfachheit des Gesamtaufbaus, beibehalten
kann.According to the invention, the adjustment of the piston stroke
by a connecting or coupling device for the Kolbene.b cuts made possible, which allows engagement between the piston sections in sequence and thereby causes the
Pistons with the largest diameter one or more pistons j with smaller diameters a reciprocating motion over one
; Granted stroke, which is smaller than that, which the piston with
the largest diameter. It was found that it
: is possible by changing the ratio of the stroke paths that
Temperature 'and the cooling capacity for each level within
! to vary certain limits, the overall performance
'of the refrigeration machine by setting the relative piston! To bring shifts to an optimum and to reduce the losses associated with the regenerators for lower temperatures, while taking advantage of the above-mentioned optimum design features, such as minimal heat leakage losses through conduction and. i can maintain movement processes and the simplicity of the overall structure.
Eine Tieftemperaturkältemaschine, die die Aufgabe der Erfindung ; löst, ist so ausgebildet, daß ein expansibles Hochdruckfluid aus iA cryogenic refrigerator that achieves the object of the invention ; solves, is designed so that an expansible high pressure fluid from i
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einer Hochdruckfluidquelle in zwei oder mehrere Kältekammern mit variablem Volumen eingeleitet werden kann, die auf einem, unterschiedlichen Temperaturniveau arbeiten, undyexpandiertes Niederdruckfluid aus diesen in ein Niederdruckreservoir ausströmen lassen kann. Das Fluid wird zu den Kältekammern über einen Strömungsweg geleitet, der Regeneratoren aufweist, und aus den Kammern über den gleichen Strömungsweg zurückgeführt. Die Kältekammern weisen Durchmesser auf, die mit abnehmendem Temperaturniveau kleiner werden, und ihre variablen Volumen werden durch hin und her bewegbare Kolben bestimmt, die so mit- :einander gekoppelt sind, daß sich ein Eingriff zwischen den KoI-• ben. der Reihe nach ergibt, derart, daß der Kolben mit dem größteil j Durchmesser dem anderen oder den anderen Kolben über vorbestimmte und gesteuerte Hubwege eine Hin- und Herbewegung erteilt, wobei .; diese Hubwege kleiner sind als jener, den der .Kolben mit dem 'größten Durchmesser ausführt.a high-pressure fluid source can be introduced into two or more cold chambers with variable volumes, which work at a different temperature level, can let undyexpanded low-pressure fluid flow out of these into a low-pressure reservoir. The fluid is directed to the cold chambers via a flow path that includes regenerators and is returned from the chambers via the same flow path. The cold chambers have diameters which become smaller as the temperature level decreases, and their variable volumes are determined by pistons which can be moved back and forth and which are coupled to one another in such a way that the pistons engage . in turn results in such a way that the piston with the largest part j diameter gives the other or the other piston a reciprocating movement over predetermined and controlled stroke paths, wherein.; these stroke paths are smaller than that which the piston with the largest diameter executes.
i !i!
Die erfindungsgemäße Kältemaschine ist bei Vorrichtungen anwend-i bar, deren Arbeitsweise für Kreisprozesse nach den US-PS 2 906 101 und 2 966 035 ausgelegt ist, wobei die Hochdruckfluid- ;quelle und das Niederdruckfluidreservoir außerhalb der Kältej maschine angeordnet und durch schiebergesteuerte Leitungen angeschlossen sind. Ebenso ist die Erfindung bei Vorrichtungen anwend· bar,die nach dem Stirling-Kreisprozeß, wie er in der US-PSThe refrigerating machine according to the invention can be used in devices whose operation is designed for cyclic processes according to US Pat . The invention can also be used in devices which are based on the Stirling cycle, as described in US Pat
2 657 553 beschrieben wird, und nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeiten, der in der US-PS 1 275 507 beschrieben wird.2,657,553, and according to the Vuilleumier cycle work, which is described in US Pat. No. 1,275,507.
Eine variable Verbindung zwischen Kolben wurde bei Reihenkältemaschinen angewendet, bei denen jeder Kolben sich in seinem eigenen getrennten konzentrischen Gehäuse bewegt, das sich nach oben in das warme Ende der Kältemaschine erstreckt (US-PSA variable connection between pistons has been used in in-line refrigerators, where each piston moves in its own separate concentric housing that extends up into the warm end of the refrigerator (U.S. Pat
3 673 809). Hierdurch ist es möglich, Dichtungen nur am warmen I Ende vorzusehen. Die Vorrichtung nach der US-PS 3 673 809 ist 'für Tieftemperaturkältemaschinen geeignet, bei denen zur Erzielung einer einfachen Bauweise auf einen erheblichen Gesamtwirkungsgrad verzichtet werden kann. Insbesondere geeignet ist 'diese Vorrichtung für den Bau größerer Kältemaschinen, bei denen! ■relativ große Wärmeverluste in Kauf genommen werden können. : 3 673 809). This makes it possible to provide seals only on the warm end. The device according to US Pat. No. 3,673,809 is suitable for low-temperature refrigerating machines in which a considerable overall efficiency can be dispensed with in order to achieve a simple construction. This device is particularly suitable for the construction of larger refrigeration machines in which! ■ relatively large heat losses can be accepted. :
4098 2 270 33 8 " 5 "4098 2 270 33 8 " 5 "
! ■ 'ν! ■ 'ν
1 Bei der Vorrichtung nach der US-PS 3 673 809 haben alle Kolben im wesentlichen den gleichen Durchmesser, weshalb der Hubweg i der einzige Auslegungsparameter ist, der zur Erzielung der er- ; wünschten Verhältnisse zwischen den Kältekammervolumen einge-■ stellt werden kann. Deshalb bringt die Bauweise und der Betrieb einer kleinen Reihenkältemaschine, wie sie in der US-PS 3 673 809 beschrieben ist, nahezu unüberwindliche Probleme mit sich, wenn sehr tiefe Temperaturen und relativ hohe Wirkungsgrade erzielt werden sollen. Dies ist darauf zurückzuführen, j 1 In the device according to US Pat. No. 3,673,809, all pistons have essentially the same diameter, which is why the stroke path i is the only design parameter required to achieve the required; the desired proportions between the cold chamber volume can be set. Therefore, the construction and operation of a small series refrigeration machine, as described in US Pat. No. 3,673,809, involves almost insurmountable problems when very low temperatures and relatively high efficiencies are to be achieved. This is due to j
i : daß, weil die Durchmesser der Kältekammern für tiefere Tempera- j türen im wesentlichen ebenso groß sein müssen wie jener der j Kältekammer.bei der höchsten Temperatur, die Hubwege der Kolben,·; Vielehe die Kammern für tiefere Temperaturen bilden,- extrem kurz : sein müssen, was Probleme hinsichtlich der Einstellung und der j Steuerung ergibt. Außerdem tragen die hohen thermischen Verluste! aufgrund übermäßiger Leitung durch die langgestreckte Kammer- j fläche und aufgrund der großen Wärmelecks durch Bewegungsvorgänge über die langgestreckten Kolbenflächen wesentlich dazu bei , daß man vom Bau einer leistungsfähigen Tieftemperaturkältemaschine absieht, insbesondere bei kleinen Baugrößen, die Kälte bei" tiefen Temperaturen, zum Beispiel unter 150K,erzeugen sollen.i: that, because the diameter of the cold chambers for lower temperatures must be essentially the same as that of the cold chamber at the highest temperature, the stroke of the pistons, ·; Many marriages form the chambers for lower temperatures, - extremely short: must be, which results in problems with regard to setting and control. In addition, the high thermal losses! Due to excessive conduction through the elongated chamber area and due to the large heat leaks caused by movement processes over the elongated piston surfaces, this is a major factor in avoiding the construction of a powerful low-temperature refrigeration machine, especially for small sizes, the cold at low temperatures, for example below 15 0 K.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht einen Ausgleich dej:
Faktoren Kolben- und Zylinderdurchmesser mit Kolbenhubweg,
damit man optimale Betriebseigenschaften für jegliche Größe
von Tieftemperaturkältemaschinen und insbesondere für solche
erhält, <
liefern.The device according to the invention makes it possible to compensate for the piston and cylinder diameter factors with the piston stroke path, so that optimum operating properties are obtained for any size of cryogenic refrigeration machine and in particular for such
deliver.
erhält, die bis zu etwa 20 Watt Kälte bei 100K oder darunterreceives that up to about 20 watts of cold at 10 0 K or below
Die-Erfindung umfaßt die Merkmale der Bauweise, der Kombination von Elementen und der Anordnung von Teilen, wie sie im folgenden erläutert werden.The invention includes the features of construction, the combination of Elements and the arrangement of parts as explained below.
Beispielsweise Ausführungsformen nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denenFor example, embodiments according to the invention are explained in more detail below with reference to the drawings, in which
Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt einer zweistufigen jFig. 1 is a simplified longitudinal section of a two-stage j
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i - β - i - β -
j Tieftemperaturkältemaschine zeigt, die nach der Erfindung auf-■ gebaut ist und nach dem in der US-PS 2 966 035 "beschriebenen ; Kreisprozeß arbeitet. Ferner sind die zugeordneten Bauelemente angedeutet.j shows the low-temperature refrigeration machine based on the invention and according to that described in US Pat. No. 2,966,035 " ; Circular process works. The associated components are also indicated.
Fig. 2 stellt eine Abänderung der Kältemaschinen nach Fig. 1 dar, wobei die Regeneratoren außerhalb des Gehäuses der Kältemaschine angeordnet sind. ■ .FIG. 2 shows a modification of the refrigeration machines according to FIG. 1, with the regenerators outside the housing the refrigeration machine are arranged. ■.
: Fig. 3 -ist ein schematiseher Längsschnitt durch eine : dreistufige Kältemaschine, die nach der Erfindung ausgebildet: Fig. 3 -is a longitudinal section through a schematiseher: three-stage refrigerating machine formed according to the invention
ist und nach dem in der US-PS 2 966 035 beschriebenen Kreis-' prozeß arbeitet, wobei die Elemente eines Joule-Thomson-Kreises dargestellt sind, mit dem die erzeugte Kälte zum Verflüssigen von Helium verwendet v/erden kann.is and according to the circle described in US Pat. No. 2,966,035 process works, with the elements of a Joule-Thomson circle are shown, with which the cold generated can be used to liquefy helium v / ground.
Fig. 4 bis 7 sind Querschnittsdarstellungen von vier Ausführungsformen
einer variablen Kopplungseinrichtung zwischen den Kolben, die bei den Kältemaschinen nach den Fig. 1 bis 3
vorgesehen werden kann«.
i . ■ ■4 to 7 are cross-sectional representations of four embodiments of a variable coupling device between the pistons which can be provided in the refrigerating machines according to FIGS. 1 to 3.
i. ■ ■
ι Fig. 8 bis 11 erläutern die Stufen in der Betriebsweise ; der variablen Kopplungseinrichtung nach den Fig. 4 und 5.ι FIGS. 8 to 11 explain the stages in the mode of operation; the variable coupling device according to FIGS. 4 and 5.
Fig. 12 erläutert eine Variation der letzten Stufe des j Betriebs, wenn die Ausführungsform der variablen Kopplungsein-I richtung nach Fig. 7 verwendet wird.Fig. 12 illustrates a variation of the last stage of the j operation when the embodiment of the variable coupling in-I direction of Fig. 7 is used.
Fig. 13 ist ein p,V-Diagramm für eine typische Tieftemperaturkältemaschine, die nach dem in der US-PS 2 966 035 \ angegebenen Kreisprozeß arbeitet, wobei die Zufuhr von Hochdruckfluid in die Kältemaschine frühzeitig unterbrochen wird.FIG. 13 is a p, V diagram for a typical cryogenic refrigerator that operates according to the procedure given in U.S. Patent No. 2,966,035 \ cycle, the supply of high pressure fluid into the refrigerating machine is stopped early.
!- Fig. 14 ist ein p,V-Diagramm für die kältere Kältekammer ; i einer zweistufigen Kältemaschine, die nach der Erfindung ausgei bildet und mit der Kopplungseinrichtung nach Fig. 4 oder 5 ver- j ! 14 is a p, v diagram for the colder cold chamber; i a two-stage refrigeration machine, which forms according to the invention and with the coupling device according to FIG. 4 or 5 ver j
sehen ist. ' . . ; .- :. - — . ._ 7 _see is. '. . ; .-:. - -. ._ 7 _
AO9822/0338AO9822 / 0338
■ - 7 - ■-;■■.■ - 7 - ■ -; ■■.
Fig. 15 ist ein p,V-Diagramm für die kältere Kältekammer einer zweistufigen Kältemaschine, die erfindungsgemäß ausgebildet und mit der Kopplungseinrichtung nach Fig. 7 versehen ist. _.*--..- '15 is a p, v diagram for the colder cold chamber a two-stage refrigeration machine according to the invention is designed and provided with the coupling device according to FIG. _. * --..- '
Fig. 16 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform, bei der die variable Kopplungseinrichtung zwischen den Kolben eine Kombination aus Flächenanlage und einer HalteeinrichtungFig. 16 shows a cross section of an embodiment, in which the variable coupling device between the pistons a combination of a surface system and a holding device
.ist, die am Gehäuse der Kältemaschine angebracht ist..ist, which is attached to the housing of the chiller.
1 Fig. 17 bis 19 erläutern die Arbeitsstufen der -Kälte-, maschine nach Fig. 16. · - 1 Fig. 17 to 19 explain the working stages of the refrigeration machine according to Fig. 16. · -
Fig. 20 ist ein p,V-Diagrämm für die kältere Kältekammer einer zweistufigen Kältemaschine, die nach der Erfindung ί ausgebildet und mit der Kopplungseinrichtung nach Fig. 16 versehen ist. . .Figure 20 is a p, V diagram for the colder cold chamber a two-stage refrigeration machine, which is designed according to the invention and provided with the coupling device according to FIG is. . .
Fig. 21 ist ein vereinfachter Längsschnitt einer zwei- : stufigen Kältemaschine nach der Erfindung, die nach dem in der j US-PS 2 906 101· beschriebenen Kreisprozeß arbeitet.Fig. 21 is a simplified longitudinal section of a two- : stage refrigeration machine according to the invention, which after in the j US Pat. No. 2,906,101.
I "I "
Fig. 22 ist ein schematischer Längsschnitt einer zweistufigen Kältemaschine nach der Erfindung,, die nach dem Stirlingl Kreisprozeß arbeitet.Fig. 22 is a schematic longitudinal section of a two-stage Refrigeration machine according to the invention, which after the Stirlingl Circular process works.
ί Fig. 23 ist ein vereinfachter Längsschnitt einer zweij stufigen Kältemaschine nach der Erfindung, die nach dem in der US-PS 1 275 507 angegebenen Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitet.ί Fig. 23 is a simplified longitudinal section of a Zweij stage refrigeration machine according to the invention, which operates according to the Vuilleumier cycle specified in US Pat. No. 1,275,507.
Es sei bemerkt, daß in der nachfolgenden Beschreibung der Tief-. temperaturkältemaschine nach der Erfindung5 Ausdrücke wie' "warm" I und "kalt" als relativ anzusehen sind und "oben" und "unten" !lediglich zur Erleichterung der Darstellung gewählt werden, da I die beschriebenen Vorrichtungen in jeder Lage betriebsfähig ■ sind. Zurv Vereinfachung der Erläuterung und zur Anpassung der 'Beschreibung an Kältemaschinen mit zwei, drei oder mehr StufenIt should be noted that in the following description of the deep. temperature chiller according to the invention 5 expressions such as'"warm" I and "cold" are to be regarded as relative and "above" and "below"! For v simplify the explanation, and to adapt the 'Description of refrigerating machine with two, three or more stages
.. 409822/0338.. 409822/0338
werden die Ausdrücke "größter Durchmesser", "kleinster Durch- fthe expressions "largest diameter", "smallest diameter" f
1 messer" usw. in Verbindung mit Kolben, Verdrängern und Kälte- i 1 ■ ■ I 1 knife "etc. in connection with pistons, displacers and refrigeration- i 1 ■ ■ I
; kammern im allgemeinen selbst dann verwendet, wenn es sich ledigi-• lieh um zwei Stufen handelt. Es erscheint ferner zweckmäßig, ι einen beweglichen Körper bei den allgemeinen Erläuterungen als "Kolben" zu bezeichnen und diesen Ausdruck in seinem breitesten Sinn zu verwenden, so daß darunter auch ein Verdränger zu verstehen ist. Der Ausdruck "Kolben" soll damit alle gleitenden Körper umfassen, die in einem zylindrischen ! Gefäß beweglich sind, unabhängig davon, ob deren Oberflächen i Druckunterscnieden ausgesetzt sind oder nicht, während der j Ausdruck "Verdränger" für solche gleitende Körper verwendet ' ' wird, die auf ihren Oberflächen im wesentlichen keinem Druck- | 1 unterschied ausgesetzt sind. ι; chambers are generally used even if there are only two stages. It also appears expedient to designate a movable body in the general explanations as a "piston" and to use this expression in its broadest sense, so that a displacer is also to be understood by it. The term "piston" is intended to encompass all sliding bodies that are contained in a cylindrical! Vessels are movable regardless of whether their surfaces are exposed to different pressures or not, while the term "displacer" is used for those sliding bodies which have essentially no pressure on their surfaces 1 difference are exposed. ι
1 Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist eine zweistufige Tieftemperatur-j kältemaschine, die nach dem sogenannten arbeitsfreien Kreis- ■ ; prozeß entsprechend der US-PS 2 966 035 arbeitet. Diese Kälte- ! . maschine weist ein abgestuftes, fluiddichtes Gehäuse 10 auf, ; 1 das aus einem Abschnitt 11 mit größerem Durchmesser und einem I . Abschnitt 12 mit kleinerem Durchmesser gebildetist, wobei diese 1 The device according to FIG. 1 is a two-stage low-temperature refrigeration machine which, according to the so-called non-working circuit ■ ; process according to US Pat. No. 2,966,035 works. This cold ! . machine has a stepped, fluid-tight housing 10; 1 which consists of a section 11 with a larger diameter and an I. The smaller diameter portion 12 is formed with this
beiden Abschnitte über eine Ringschulter 13 miteinander in Verbindung stehen. In dem Gehäuseabschnitt 11 bildet ein Ver- ,the two sections are connected to one another via an annular shoulder 13. In the housing section 11 forms a ver ,
i ji j
! dränger 14 mit größerem Durchmesser durch seine Verschiebebewegung eine warme Kammer 15 mit variablem Volumen und eine erste - Kältekammer 16 mit variablem Volumen. In dem Gehäuseabschnitt 12 i wird durch einen Verdränger 17 mit kleinerem Durchmesser eine : zweite Kältekammer 18 für eine tiefere Temperatur ausgebildet. ! Der Verdränger 14 ist mechanisch mit einer Antriebseinrichtung I 19 über eine Stange 20 und mit dem Verdränger 17 von kleinerem 'Durchmesser über eine variable Kopplungseinrichtung 25 verbun- ! den, die in vereinfachter Form dargestellt ist und einen Bund 26 am oberen oder wärmeren Ende des Verdrängers 17 und eine Lippe 27 aufweist, die an dem Bund zum Anliegen kommen : kann und sich innerhalb eines offenen Hohlraums 28 am unteren : oder kälteren Ende des Verdrängers 14 nach innen erstreckt, wobei diese Lippe so ausgelegt ist, daß das obere, mit dem ! Dränger 14 with a larger diameter due to its displacement movement, a warm chamber 15 with a variable volume and a first - cold chamber 16 with a variable volume. A second cold chamber 18 for a lower temperature is formed in the housing section 12 i by means of a displacer 17 with a smaller diameter. ! The displacer 14 is mechanically connected to a drive device 19 via a rod 20 and to the displacer 17 of smaller 'diameter via a variable coupling device 25! den, which is shown in simplified form and has a collar 26 at the upper or warmer end of the displacer 17 and a lip 27 which can come to rest against the collar and is within an open cavity 28 at the lower or colder end of the displacer 14 extends inward, this lip is designed so that the upper, with the
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--9 - 235684Λ. --9 - 235684 Λ.
Bund versehene Ende des Verdrängers 17 mit einem geringen | Spiel in dem Hohlraum 28 auf und.ab bewegt werden kann. Beispiel4-WeISe Ausgestaltungen einer solchen variablen Kopplungseinrichtung sind im einzelnen in den Fig. 4 bis 7 dargestellt und werden später beschrieben. Für die beiden Verdränger 14 und 17 ist jeweils eine geeignete Dichtung 21 bzw. 22 (entweder eine aktive bzw. selbsttätige oder, eine passive Dichtung) vorgesehen und gegebenenfalls kann eine bestimmte Art von Stoßdämpf einrichtung ,wie etwa eine Lederscheibe 23 am kälteren Ende des Verdrängers !17 oder an der inneren Stirnwand des Gehäuseabschnitts 12 be--[festigt werden.The end of the displacer 17 provided with a collar with a low | Play in the cavity 28 up and down can be moved. Example 4-wise embodiments of such variable coupling means are shown in detail in FIGS. 4 to 7 and are described later. A suitable seal 21 or 22 (either an active or automatic or a passive seal) is provided for the two displacers 14 and 17 and, if necessary, a certain type of shock absorber device, such as a leather washer 23 at the colder end of the displacer 17 or on the inner end wall of the housing section 12.
Der Verdränger 14 ist mit einem Regenerator 30 und der Ver-Idränger 17 mit einem Regenerator 31 versehen. Die grundsätzliche! Strömungsbahn in der Kältemaschine umfaßt die warme Kammer 15* ' einen oder mehrere Fluidkanäle 32, die zur Verbindung zwischen der Kammer 15 und dem Regenerator 30 vorgesehen sind, den durch das Spiel gebildeten Ringraum um den Bund 26 und die Lippe 27,! über dsn der Regenerator 30 mit der ersten Kältekammer 16 in Ver- : bindung stehtr den Regenerator 31, der mit dem Regenerator 30 | : durch den Hohlraum 28 direkt verbunden ist, einen oder mehrere j Fluidkanäle 33, die zur Verbindung zwischen dem Regenerator 31 [und der zweiten kälteren Kältekammer 18 vorgesehen sind, und ! schließlich die Kältekammer 18 selbst.The displacer 14 is provided with a regenerator 30 and the displacer 17 is provided with a regenerator 31. The basic one! The flow path in the refrigeration machine comprises the warm chamber 15 * 'one or more fluid channels 32 which are provided for connection between the chamber 15 and the regenerator 30, the annular space formed by the play around the collar 26 and the lip 27,! dsn over the regenerator 30 with the first cold chamber 16 in conjunction Binding r is the regenerator 31 to the regenerator 30 | : is directly connected by the cavity 28, one or more fluid channels 33, which are provided for connection between the regenerator 31 [and the second colder cold chamber 18, and! finally the cold chamber 18 itself.
Das Hochdruckf luid wird durch eine Hochdruckfluidquelle, zum j Beispiel die Auslaßsseite eines Kompressors 34, über eine Leitung j 35 und einen Schieber 36 geliefert, während das Niederdruckfluid in ein Miederdruckreservoir, zum Beispiel die Einlaßseite des ι Kompressors 34, über eine Leitung 37 und einen Schieber 38 abj gezogen wird. Dieser Strömungsweg eines typischen geschlossenen Kreislaufs weist: auch, ein geeignetes Reinigungssystem für das Fluid aufr wie es bei 39^ angedeutet ist. Andererseits ist es in einem offenen Kreis nicht erforderlich, daß die Hochdrucfc- : Versorgungsanlage 40 fzum Beispiel eine Druckgasquelle) mit dem Uiederdrtickreservoir 41 (zum Beispiel der''Atmosphäre) verbunden ist* In Fig. .1 ist eine mechanische Antriebseinrichtung ange-The high pressure fluid is supplied by a high pressure fluid source, for example the outlet side of a compressor 34, via a line 35 and a slide 36, while the low pressure fluid is supplied to a lower pressure reservoir, for example the inlet side of the compressor 34, via a line 37 and a Slide 38 is pulled off. This flow path of a typical closed circuit comprises: too, a suitable cleaning system for the fluid to r as indicated at 39 ^. On the other hand, it is not necessary in an open circuit that the high-pressure supply system 40 (for example a compressed gas source) is connected to the low-pressure reservoir 41 (for example the atmosphere).
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4ftS&22/'&33&4ftS & 22 / '& 33 &
deutet. Es ist aber ebenso möglich, eine pneumatische Antriebseinrichtung vorzusehen, wie sie beispielsweise in den US-PS 3 045 436 und 3 188 819 beschrieben ist. .indicates. But it is also possible to use a pneumatic drive device as described, for example, in U.S. Patents 3,045,436 and 3,188,819. .
■ Kälte wird in zwei Temperaturbereichen abgegeben, bei einem ; Köheren Temperaturniveau (typischerweise 30 bis 1200K) von '. dem Fluid in der Kältekammer 16 über eine Wärmestation 42 und ; bei einem tieferen Temperaturniveau (typischerweise 8 bis 250K) ! ! von dem Fluid in der Kältekammer 18 über eine Wärmestation 43. I■ Cold is emitted in two temperature ranges, with one; Higher temperature level (typically 30 to 120 0 K) of '. the fluid in the cold chamber 16 via a heating station 42 and; at a lower temperature level (typically 8 to 25 0 K)! ! of the fluid in the cold chamber 18 via a heating station 43. I
Die Vorrichtung nach Fig. 2, in der für gleiche Bauteile dieThe device of Fig. 2, in which the same components
gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet sind, stellt I dadurch eine Abänderung der Vorrichtung nach Fig. 1 dar, daß die Regeneratoren 48 und 49 außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet!the same reference numerals as used in Fig. 1 are used I thereby a modification of the device of FIG. 1 is that the regenerators 48 and 49 are arranged outside the housing 10!
sind und der Strömungsweg des Fluids zusätzlich zu den Regenera-| j tor en 48 und 49 Fluidleitungen 50 bis 53 umfaßt. Die der ein- ! are and the flow path of the fluid in addition to the Regenera- | j tor en 48 and 49 fluid lines 50 to 53 comprises. The one !
fächeren Darstellung wegen schraffierten Verdränger 54 und 55 ίfanned out due to hatched displacers 54 and 55 ί
■ können hohl oder kompakt ausgebildet sein.■ can be hollow or compact.
■ Die dreistufige Kältemaschine nach Fig. 3 weist ein Gehäuse 60 j j mit drei Gehäuseabschnitten 61, 62 und 63 auf, die unterschied-1 liehe Durchmesser haben und in denen drei Verdränger 64, 65 und 66 verschiebbar sind, wobei zur Abdichtung Dichtungen 67, 68 und 69 vorgesehen sind. Die Regeneratoren 70, 71 und 72 sind, innerhalb der ihnen zugeordneten Verdränger angeordnet. Eine variable: Kopplungseinrichtung 73 bildet die Antriebseinrichtung für den Verdränger 65 und eine entsprechende Kopplungseinrichtung 74 jene für den Verdränger 66. Die Verdränger bestimmen bei ihrer Verschiebebewegung Kältekammern 75, 76 und 77 mit variablen Volumen, denen jeweils eine Wärmestation 78, 79 bzw. 80 zugeordnet ist. Der Strömungsweg in der Kältemaschine ist identisch ■mit dem nach Fig. i mit einem zusätzlichen Regenerator, einer !weiteren Kältekammer und einem Fluidkanal 59. Während bei. der i dreistufigen Kältemaschine nach Fig. 3 der mittlere Verdränger i65 sowohl mit dem Verdränger 64 als auch mit dem Verdränger 66 | j mit kleinstem Durchmesser über eine variable Kopplungseinrichtung [in Verbindung steht, liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, ■The three-stage refrigeration machine according to FIG. 3 has a housing 60 j j with three housing sections 61, 62 and 63, which have different 1 borrowed diameter and in which three displacers 64, 65 and 66 are displaceable, with seals 67, 68 for sealing and 69 are provided. The regenerators 70, 71 and 72 are arranged within the displacers assigned to them. A variable: coupling device 73 forms the drive device for the displacer 65 and a corresponding coupling device 74 that for the displacer 66. The displacers determine cold chambers 75, 76 and 77 with variable volumes, each of which is assigned a heating station 78, 79 and 80 during their displacement movement is. The flow path in the refrigeration machine is identical to that according to FIG. of the three-stage refrigeration machine according to FIG. 3, the middle displacer i65 with both the displacer 64 and the displacer 66 | j with the smallest diameter via a variable coupling device [is connected, it is also within the scope of the invention, ■
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ιlediglich eine variable Kopplungseinrichtung in einer Kälte- * !maschine mit drei oder mehreren Stufen zu verwenden, wobei die . jvariable Kopplung zwischen beliebigen zwei Verdrängern vorge-'sehen werden kann. Die Kältemaschine nach Fig, 3 weist ferner einen Joüle-Thomson-Kreis auf, mit dem gegebenenfalls ein Gas' !verflüssigt werden kann. In bekannter Weise weist dieser JouleiThomson-Kreis drei Wärmeaustauscher 81, 82 -und 83 auf, durch die das Hochdruckfluid in dem Kreis über kontaktfreien Wärmeaustausch !zwischen dem Hochdruckfluid in der Leitung 84 und dem zurückströmenden Niederdruckfluid in der Leitung 85 abgekühlt wird. !Das Hochdruckfluid wird auch in entsprechenden Temperaturbereichen durch berührungsfreien Wärmeaustausch mit dem Fluid in den Kältekammern über die WärmeStationen 78, 79 und 80 in Wärmeaustauschern 86, ,87 und 88 gekühlt. Ferner ist ein letzter •Joule-Thomson-Wärmeaustauscher 89 und ein Expansionsventil 90 jvorgesehen. Das verflüssigte Gas wird in einem Gefäß 91 gesammelt von dem aus das Niederdruckgas über die Leitung 85 wieder durch den Kreis geleitet wird.ι only a variable coupling device in a refrigeration * ! to use a machine with three or more stages, with the. Variable coupling between any two displacers provided can be. The refrigeration machine according to FIG. 3 also has a Joüle-Thomson circle with which, if necessary, a gas' ! can be liquefied. As is known, this JouleiThomson circle three heat exchangers 81, 82 and 83 through which the high pressure fluid in the circuit via non-contact heat exchange ! between the high pressure fluid in line 84 and the returning fluid Low pressure fluid in line 85 is cooled. ! The high pressure fluid is also in corresponding temperature ranges by contactless heat exchange with the fluid in the Cold chambers via the heat stations 78, 79 and 80 in heat exchangers 86, 87 and 88 chilled. There is also a last one • Joule-Thomson heat exchanger 89 and an expansion valve 90 j intended. The liquefied gas is collected in a vessel 91 from which the low-pressure gas via line 85 through again the circle is directed.
Die Fig. 4 bis 7 stellen drei beispielsweise Ausführungsformen von variablen Kopplungseinrichtungen dar, zum Beispiel die Kopplungseinrichtung 25 nach den Fig. 1 und-2 und die Kopplungseinrichtungen 73 und 74 nach Fig. 3. Als Beispiel wird die Kältemaschine nach Fig. 1 verwendet und es werden in den Fig. 4 bis 7 ür gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet.Figures 4 through 7 illustrate three exemplary embodiments of variable coupling devices, for example the coupling device 25 according to FIGS. 1 and 2 and the coupling devices 73 and 74 according to FIG. 3. As an example, the refrigerating machine used according to FIG. 1 and in FIGS. 4 to 7 The same reference numerals are used for the same components.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist ein direkter Strömungsweg zwischen den beiden Regeneratoren 30 und 31 vorgesehen. Der Bund 26 am oberen Ende des Verdrängers 17 mit kleinerem Durchbesser ist als eine mit Gewinde versehene Kappe 100 ausgebildet, die in das Gewinde auf der Innenwand 101 des Verdrängers 17 eingeschraubt ist. Die Kappe 100 weist eine mittige Öffnung 102 auf, die einen Durchlaß in den Regenerator 31 bildet, der durch übereinander geschichtete Scheiben 103 dargestellt ist. Die für die Anlage vorgesehene lippe 27 wird zweckmäßigerweise als Teil einer Gewindekappe 104 ausgebildet, die in das Gewinde auf der Innenwand 105 des Verdrängers 14 eingeschraubt wird. Wenn die Kappe 10'»·In the embodiment according to FIG. 4, a direct flow path between the two regenerators 30 and 31 is provided. Of the Collar 26 at the upper end of the displacer 17 with a smaller diameter is designed as a threaded cap 100, which are screwed into the thread on the inner wall 101 of the displacer 17 is. The cap 100 has a central opening 102 which forms a passage into the regenerator 31 through one above the other layered disks 103 is shown. The intended for the system lip 27 is expediently as part of a Threaded cap 104 formed into the thread on the inner wall 105 of the displacer 14 is screwed in. When the cap is 10 '»·
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I eingeschraubt ist, liegt ihr äußerer Flansch 106 in einer Ebene J mit dem unteren Rand der Außenwand 107» so daß sich eine glatte ; Begrenzungsfläche ergibt. Der Regenerator 30 endigt in einer . perforierten Scheibe 108, die am oberen Rand der Kappe 104 an-' liegt und zur Halterung der Bleikugeln, Scheiben oder anderen Füllstücke dient,"welche das regenerative Material im Regenerator bilden. Die Unterseite der perforierten Scheibe 108 bildet eine Kontaktfläche 109, die auf der Oberseite des Bundes 26 zum ' Anliegen kommt, um den Verdränger nach unten zu verschieben. ,Während der Verschiebebewegung nach oben liegt der Bund 26 an der Lippe 27 an. I is screwed in, its outer flange 106 lies in a plane J with the lower edge of the outer wall 107 »so that a smooth; Boundary surface results. The regenerator 30 terminates in a. perforated disc 108, which rests on the upper edge of the cap 104 and serves to hold the lead balls, discs or other filler pieces which form the regenerative material in the regenerator The upper side of the collar 26 comes to rest in order to move the displacer downwards. During the shifting movement upwards, the collar 26 rests against the lip 27.
ι Es kann erwünscht sein, den Betrag variieren zu können, um den , sich die Hubwege der beiden Verdränger unterscheiden, das heißt ' es kann eine Steuerung der Länge des Verschiebewegs des Ver-ι It may be desirable to be able to vary the amount by the , the stroke paths of the two displacers differ, that is '' a control of the length of the displacement path of the
' drängers 14 erwünscht sein, bevor er am Verdränger 17 zur Anlage kommt. Dies kann man zweckmäßigerweise durch Einsetzen einer entsprechend bemessenen Unterlegscheibe 99 in die Kappe 104 erreichen, durch welche die Randhöhe der Lippe 27 entsprechend vergrößert wird. Es ist auch möglich, den Bund . 26 durch eine'Drängers 14 should be desired before he rests on the displacer 17 comes. This can expediently be achieved by inserting an appropriately sized washer 99 into the cap 104, by which the edge height of the lip 27 is increased accordingly. It is also possible to use the covenant. 26 through a
; Reihe von zwei oder mehr, in gleichen Abständen angeordneten J Zapfen zu ersetzen, die sich vom oberen Rand der Kappe 100 aus radial nach außen erstrecken, oder irgendeine andere geeignete Eingriffseinrichtung vorzusehen, welche eine Verbindung der Kolben mit kleinstem und größtem Durchmesser ergibt, wenn der !letztere sich in einer Richtung bewegt, die zu einer Vergrößerung j des Volumens der ihm zugeordneten Kältekammer führt.; Row of two or more, equally spaced J replace pins extending radially outwardly from the top of cap 100, or any other suitable Provide engagement means which connect the piston with the smallest and largest diameter results when the latter moves in a direction that leads to an enlargement j of the volume of the cold chamber assigned to it.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist die variable Kopplungseinrichtung etwas abgeändert, damit man einen Strömungsweg des j in der US-PS 3 218 815 beschriebenen Grundtyps erhält. Am oberen j Ende des Verdrängers 17 ist der Bund - 110 als Teil von diesem ' ausgebildet und es sind in Abständen in der Wand des Verdrängers !Durchlässe 111 für das Fluid in die Regenerator 31 vorgesehen. ■Der Verdränger 14 hat einen unteren Abschnitt 112 mit einem I etwas kleineren Durchmesser als auf dem übrigen Teil, so daß \sich für den Durchfluß des Fluids ein Ringraum 113 ergibt, in ίIn the embodiment of Figure 5, the variable coupling device is modified somewhat to provide a flow path of the basic type described in U.S. Patent 3,218,815. At the upper end of the displacer 17, the collar 110 is formed as part of this, and passages 111 for the fluid into the regenerator 31 are provided in the wall of the displacer! ■ The displacer 14 has a lower portion 112 having a diameter slightly smaller than I on the other part, so that \ is an annular space 113 is obtained for the passage of the fluid, in ί
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. den eine Anzahl von radial verlaufenden Kanälen münden, von denen zwei'bei "114 dargestellt sind. Diese Kanäle- führen in. den Regenerator 30, der unten durch eine geschlossene Wand 115 begrenzt ist. Die Fläche 116 des Hohlraums 28 dient als Anlagefläche für den Verdränger während der Abwärtsbewegung. Die Strömungsrichtung des .Hochdruckfluids ist durch Pfeile angedeutet. Für das zurückströmende Niederdruckfluid verläuft sie in der entgegengesetzten Richtung.-Der Strömungsweg bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ergibt thermisch Vorteile, jedoch werden diese zum Teil durch einen etwas höheren Druckabfall aufgrund des indirekten Strömungswegs abgeschwächt.. which open a number of radially extending channels, of two of which are shown at 114. These channels lead into the Regenerator 30, which is limited at the bottom by a closed wall 115 is. The surface 116 of the cavity 28 serves as a contact surface for the displacer during the downward movement. the The direction of flow of the high-pressure fluid is indicated by arrows. It runs for the low-pressure fluid flowing back in the opposite direction.-The flow path at the Embodiment according to FIG. 5 gives thermal advantages, however these are partly due to a slightly higher pressure drop of the indirect flow path weakened.
ι Die Fig. 6 zeigt eine Abänderung der variablen Kopplungseinrichtung nach Fig. 4, wobei an der perforierten Scheibe 108 des. Verdrängers 14 für den Eingriff ein Zapfen 117 mit einem Bund 118 befestigt ist, der so ausgelegt ist, daß er an einem sich6 shows a modification of the variable coupling device according to FIG. 4, with a pin 117 with a collar on the perforated disk 108 of the displacer 14 for engagement 118 is attached, which is designed so that it is attached to a
: nach innen erstreckenden Bund 11.9".um die öffnung eines Hohl- : inwardly extending collar 11.9 ". around the opening of a hollow
; raums 28a im Eingriffsende des Verdrängers 17 zum Anliegen kommt. Als Abdeckung für den Regenerator 31 ist eine perforierte!; space 28a in the engagement end of the displacer 17 to rest comes. As a cover for the regenerator 31 is a perforated!
!Platte 108a vorgesehen. Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 6 ist identisch mit der nach Fig. 4,! Plate 108a is provided. The operation of the device according to Fig. 6 is identical to that of Fig. 4,
Die variable Kopplungseinrichtung nach den Fig. 4 bis 6 beruht auf Reibungskraft der Dichtung gegenüber dem Druckgefälle, damit die Verdränger mit kleinerem Durchmesser in ihrer Stellung gehalten werden, bis sie am anderen Verdränger zum Anliegen kommen Jedoch kann es in einigen Fällen erwünscht sein? eine Einrichtung vorzusehen, die gewährleistet, daß der Verdränger 17 keine unerwünschte Verschiebebewegung ausführte Eine derartige Einrichtung ist in Fig. 7 in der Form einer Druckfeder 116 darge- ' stellt,, Die Wirkung einer solchen Feder wird im Zusammenhang mit den Fig. 8 bis 15 nachfolgend erläuterteThe variable coupling device according to FIGS. 4 to 6 is based on the frictional force of the seal against the pressure gradient, thus the displacer with the smaller diameter held in place until they come to concern at the other displacer. However, in some cases it may be desirable? An institution to provide that ensures that the displacer 17 did not carry out any undesired displacement movement. Such a device is shown in Fig. 7 in the form of a compression spring 116 ' notes ,, The action of such a spring is related with FIGS. 8 to 15 explained below
Die Verwendung der variablen Kopplungseinrichtung in der stufenweise arbeitenden Kältemaschine nach der Erfindung hat eine erhebliche thermodynamische Bedeutung, die "am besten anhand der Fig0 8 bis 15 erläutert werden kann. Die Fig. 8 bis 11 erläuternThe use of the variable coupling means in the stepwise operating refrigerating machine according to the invention can be illustrated a considerable thermodynamic significance, the "best understood from the Figure 8 to 15 0. Figs. 8 to 11 illustrate
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die Arbeitsweise der Kopplungseinrichtung bei einer erfindungs-j gemäßen Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, unter \ Verwendung der in den Fig. 4 bis 6 dargestellten. Kopplungseinrichtung. In den Fig. 8 bis 11 sind die Vorrichtungsbauteile nicht detailliert, sondern nur schematisch wiedergegeben und die Verdränger mit größerem und kleinerem Durchmesser sind jder klareren Darstellung wegen durch Schraffur kenntlich gemacht.The operation of the coupling device at a j-fiction, modern apparatus, as shown in Fig. 1, the \ use of the embodiment illustrated in FIGS. 4 to 6. Coupling device. In FIGS. 8 to 11, the device components are not shown in detail, but only shown schematically, and the displacers with larger and smaller diameters are indicated by hatching for the sake of clarity.
Bei der Beschreibung der Arbeitsweise dieser Vorrichtung kann ; davon ausgegangen werden, daß ein Arbeitszyklus mit dem voll- \ In describing the operation of this device can; it can be assumed that a working cycle with the full \
j ständigen Ausstoß von im wesentlichen dem gesamten kalten i ! Nie der druckfluid (außei/dem in den Totvolumen) aus allen Kälte- ; ; kammern, das heißt den Kammern 16 und 18, beginnt;. Hierdurch j j wird es erforderlich, den Mederdruckschieber 38 zu schließen ! und den Hochdruckschieber 36 zu öffnen. Durch Einleiten des | Hochdruckfluids in die Vorrichtung wird der obere Verdränger ;-mit größerem Durchmesser nach oben verschoben (Fig.9), so daß ! eine erste Kältekammer 16 mit größer werdendem Volumen ausgebildet wird, während der Verdränger 17 aufgrund der Reibung ; der Dichtung 22 (Fig.1) in seiner untersten Stellung bleibt. ι j Nachdem der Verdränger 14 über einen vorbestimmten Abschnitt j seines gesamten Hubweges verschoben ist, bewirkt die variable Kopplungseinrichtung, daß der Verdränger 14 über den Bund 26 und die Lippe 27 am Verdränger 17 angreift und diesen anhebt. In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Arbeitszyklus wird das, Hochdruckfluid abgesperrt, bevor die Kältekammern 16 un" 18 ihr volles Volumen erreichen (frühzeitige Absperrung), Während der Verdränger 14 mit größerem Durchmesser sich-weiter nach oben schiebt, wird das Volumen der Kältekammer 18 größer. Am Ende dieser Aufwärtsbewegung beträgt der Hubweg des Verdrängers 14 I1^, während der Hubweg des Verdrängers 17 der Strecke I1 ~ entspricht. Damit ist das Verhältnis der Endvolumen der Kältekam- |mern 16 und 18 eine Funktion von. I14Zl17 sowie der Durchmesser , der Verdränger 14 und 17.j constant expulsion of essentially all of the cold i! Never the pressure fluid (except in the dead volume) from all refrigeration; ; chambers, i.e. chambers 16 and 18, begins. This makes it necessary to close the Mederdruckschieber 38! and to open the high pressure valve 36. By introducing the | High-pressure fluids into the device, the upper displacer is shifted upwards with a larger diameter (Fig. 9), so that! a first cold chamber 16 is formed with an increasing volume, while the displacer 17 due to the friction; the seal 22 (Fig.1) remains in its lowest position. After the displacer 14 has been displaced over a predetermined section j of its entire stroke, the variable coupling device causes the displacer 14 to engage the displacer 17 via the collar 26 and the lip 27 and raise it. In a preferred embodiment of this operating cycle, the high-pressure fluid is shut off before the cold chambers 16 and 18 reach their full volume (early shut-off). While the larger diameter displacer 14 moves upward, the volume of the cold chamber 18 increases. At the end of this upward movement, the stroke of the displacer 14 is I 1 ^, while the stroke of the displacer 17 corresponds to the distance I 1 ~. Thus, the ratio of the final volumes of the cold chambers 16 and 18 is a function of I 14 Zl 17 and the diameter, the displacers 14 and 17.
Bei Erreichen des maximalen Volumens (Fig. 10) wird der Auslaßschieber geöffnet. Die Reibung der Dichtung reicht aus,, denWhen the maximum volume is reached (Fig. 10), the outlet slide opened. The friction of the seal is sufficient
4098.2 2/033 84098.2 2/033 8
- 15 - 23568A1- 15 - 23568A1
Verdränger 17 in der in Fig. TO dargestellten Stellung zu halten auch wenn das aus der Kammer 18 über den Regenerator 31 aus- : strömende Hochdruckgas bewirkt, daß am .Verdränger 17 in der : Richtung nach oben eine Kraft wirksam wird. Der Verdränger 14 wird nach unten verschoben^ bis. dessen Kontaktfläche 109 am Bund 26 des Verdrängers mit dem kleineren Durchmesser zum An-, liegen kommt (Fig.11)o Die dann folgende Abwärtsbewegung beider •Verdränger bewirkt den endgültigen Ausstoß des Fluids aus der Kältemaschine5 die damit wieder in den Aus gangs zustand für einen !weiteren Arbeitszyklus gebracht wird (Fig.8).. Displacer 17 in the embodiment shown in Fig TO position to hold even if the off from the chamber 18 via the regenerator 31: causes flowing high pressure gas, that at the .Verdränger 17 wherein: a force acts upward direction. The displacer 14 is moved downward ^ to. the contact surface 109 of which comes to rest on the collar 26 of the displacer with the smaller diameter (Fig.11) o The subsequent downward movement of both • displacers causes the final discharge of the fluid from the refrigeration machine 5, which then returns to the starting state for Another working cycle is brought (Fig. 8).
' Der Effekt der variablen Kopplungseinrichtung für die Kältemaschine im p,V-Diagramm ist aus den Fig. 13 und 14 zu ersehen. Die Figo 15 stellt ein p,V-Diagramm für die erste Kältekammer mit größerem Durchmesser dar und sie zeigt eine typische p,V-Kurve für den Kreisprozeß mit frühzeitiger Absperrung. Die Volumen in diesen ppV-Diagrammen sind in willkürlich gewählten Einh eiten des Hubweges des; Verdrängers angegeben, der das Volumen bildete Durch die Einschränkung der Verschiebebewegung und des Hubweges des Yerdrängers 17 ergibt sich für die Kältekammer 18 mit tieferer Temperatur das in Fig. 14 wiedergegebene" p,V-Diagramm, das im wesentlichen der rechte Teil des p,V-Diagramms nach Fig. 13 ist. Ein Ergebnis der Ausbildung dieser zwei verschiedenen ρ,ν-Diagramme für die beiden Kältekammern ist ein volleres p?V-Diagramm für die Kältekammer mit dem größeren Volumen, was wiederum bedeutet, daß das Fluid in dieser Kammerv um einige Grad K kälter ist. Dies wiederum, verbunden mit der Ausbildung eines größeren Verschiebeverhältnisses (zum Beispiel Verhältnis des Volumens der Kammer mit größerem Durchmesser zum Volumen der Kammer mit kleinerem Durchmesser), ergibt verringert Regeneratorverluste, denn je kälter das Fluid in der ersten größeren Kältekammer ist, desto kleiner ist ^T über den Regenerator. Das bedeutet, daß das Fluid in der Kältekammer auf dem untersten Temperaturniveau eine.tiefere Temperatur erreicht oder bei einer festgelegten Temperatur mehr Kälte abgegeben werden ' kann. Außerdem wird der Regenerator, der der kälteren Kältekammei zugeordnet ist (zum Beispiel der Regenerator 31 in Fig.1), nor-'malerweise.aus. einer Anzahl·.von.JBleikugeln gebildet, da- Blei .The effect of the variable coupling device for the refrigeration machine in the p-V diagram can be seen from FIGS. 13 and 14. Figure 15 illustrates a p o, V-diagram for the first cold chamber of larger diameter is, and it shows a typical p, V curve for the cyclical process with early barrier. The volumes in these ppV diagrams are in arbitrarily selected units of the stroke path of the; As a result of the restriction of the displacement movement and the stroke of the Yerdrängers 17, the "p, V diagram shown in FIG. 14, which is essentially the right part of the p, V 13 is a result of the formation of these two different ρ, ν diagrams for the two cold chambers is a fuller p ? V diagram for the cold chamber with the larger volume, which in turn means that the fluid in this chamber v is colder by a few degrees K. This in turn, combined with the formation of a larger displacement ratio (for example the ratio of the volume of the chamber with the larger diameter to the volume of the chamber with the smaller diameter), results in reduced regenerator losses, because the colder the fluid in the first The larger the cold chamber, the smaller the ^ T over the regenerator, which means that the fluid in the cold chamber is at the lowest temperature level u can reach a lower temperature or deliver more cold at a specified temperature. In addition, the regenerator that is assigned to the colder Kältekammei (for example the regenerator 31 in Fig. 1), normally.aus. formed by a number of lead balls, so that lead.
4098 2 2/0338 . - 16 -4098 2 2/0338. - 16 -
bei diesen tiefen Temperaturen eine hohe Wärmekapazität hat.has a high heat capacity at these low temperatures.
Jedoch hat Blei "bei diesen Temperaturen eine relativ niedrige j spezifische Wärme C .Durch Reduzieren des Massenstroms durch ' das Blei (was durch Verringern der Temperatur in der KältekammerHowever, lead "is relatively low at these temperatures j specific heat C. By reducing the mass flow through 'the lead (which is achieved by reducing the temperature in the cold chamber
j mit dem größeren Durchmesser und Verkleinern des Volumens der 1 Kältekammer mit kleinerem Durchmesser erreicht wird) unterliegt ; das Blei einer kleineren Temperatur änderung ^iT und es wird da- ;durch eine wirksamere Wärmeübertragungseinrichtung.j is reached with the larger diameter and reduction of the volume of the 1 cold chamber with the smaller diameter); the lead of a smaller temperature change ^ iT and it is thereby; by means of a more effective heat transfer device.
j Die Verwendung der Feder 116 bei der Ausführungsform nach Fig.7 (verändert das Ende des Hubes, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, j die dem gleichen Betriebspunkt des Arbeitszyklus entspricht, der iin Fig. 11 für eine variable Kopplungseinrichtung ohne die posiitive Haltewirkung der Feder wiedergegeben ist. Die Federkraft j wirkt so, daß der Verdränger 17 in einem Abstand von dem Verdränger 14 gehalten wird, so daß der Verdränger 17 dann nach unten verschoben wird, wenn der Verdränger 14 seine Verschiebebewegung nach unten beginnt. Dies führt zu einem etwas abgeänderten p,V-Diagramm für die Kammer 18, wie aus Fig.15 hervor-Igeht. Jedoch sind die Gesamtergebnisse tieferer Temperaturen,The use of the spring 116 in the embodiment according to FIG. 7 (changes the end of the stroke, as shown in Fig. 12, j which corresponds to the same operating point of the duty cycle, the i in Fig. 11 for a variable coupling device without the positive Holding effect of the spring is reproduced. The spring force j acts so that the displacer 17 is at a distance from the displacer 14 is held so that the displacer 17 is then displaced downward when the displacer 14 is moving starts down. This leads to a slightly modified p, V diagram for the chamber 18, as can be seen from FIG. However, the overall results of lower temperatures are
verringerten Massenstroms in die Kältekammer 18 und reduzierte Regeneratorverluste im wesentlichen die gleichen.reduced mass flow into the cold chamber 18 and reduced Regenerator losses are essentially the same.
Die Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die variable Koppeleinrichtung zwischen den Verdrängern eine Kombination von einfacher Anlage zwischen den Verdrängern und einer Betätigungs- und Halteeinrichtung ist, welche lediglich für den Verdränger mit kleinerem Durchmesser vorgesehen ist. Der untere Abschnitt der dargestellten Kältemaschine ist der gleiche zweistufige Typ, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, und es werden für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 16 ist der Verdränger 120 mit größerem Durchmesser (mit Regenerator 121 und Fluid- \ kanälen 122) nicht mit dem Verdränger 123 von kleinerem Durchmesser (mit Regenerator 124) durch irgendeine mechanische Kopplungseinrichtung verbunden, jedoch bewirkt der Verdränger16 shows an embodiment of the device in which the variable coupling device between the displacers is a combination of a simple system between the displacers and an actuating and holding device which is only provided for the displacer with a smaller diameter. The lower portion of the refrigerating machine shown is of the same two-stage type as shown in Fig. 1 and the same reference numerals are used for the same components. In the embodiment of Fig. 16, the displacer 120 with a larger diameter (with the regenerator 121 and fluid \ channels 122) not connected to the displacer 123 of smaller diameter (with regenerator 124) by any mechanical coupling device, however, causes the displacer
- 17 -- 17 -
4098 22/03384098 22/0338
120 eine. Abwärtsbewegung des Verdrängers 12 3, wenn die untere Anlagefläche 125 des Verdrängers 120 an der Oberen Fläche der perforierten Scheibe 127 zum Anliegen kommt, die als durchlässige Abdeckung für den Regenerator 124 dient.120 one. Downward movement of the displacer 12 3 when the lower Contact surface 125 of the displacer 120 on the upper surface of the perforated disc 127 comes to bear, which as permeable Cover for the regenerator 124 is used.
j ■ ■ ■j ■ ■ ■
- Da keinerlei besondere mechanische Verbindung zwischen den - There is no special mechanical connection between the
Verdrängern 120.und 123 vorhanden ist, muß zur Steuerung der ■ Aufwärtsbewegung des Verdrängers 123 und für die Einstellung : seines Hubweges eine bestimmte Einrichtung vorgesehen werden. j Diese hat die in Fig. 16 im einzelnen dargestellte Form.Am Boden 133 des Gehäuses 12 ist ein Zapfen 130 mit einem für denDisplacement 120 and 123 must be used to control the ■ Upward movement of the displacer 123 and for setting: its stroke a certain device can be provided. j This has the shape shown in detail in Fig. 16. At the bottom 133 of the housing 12 is a pin 130 with a for the
.[Eingriff vorgesehenen Bund 133 beispielsweise mittels einer. j Schraube 132 befestigt und das kältere /Ende des Verdrängers 123 ist so abgeändert, daß ein mit dem Bund in Eingriff treten-I-der Absatz 134 vorhanden ist, der sich von der Mündung des Hohlraums 135 nach innen erstreckt. Dieser Hohlraum 135 ist so gestaltet, daß ein vorbestimmter Hubweg des Verdrängers 123 möglich ist, bevor der Ansatz 134 an dem- Bund 131 zum Anliegen kommt. Eine Druckfeder 136 hält den Verdränger 123 während der Perioden des Arbeitszyklus in seiner obersten Stellung, irt denen der Verdränger 120 keine nach unten- gerichtete Kraft auf den Verdränger 123 ausübt. Der Strömungsweg des Fluids zwischen dem Regenerator 124 und der Kältekammer 18 ist im wesentlichen der in der US-PS 3 218 815 beschriebene und er umfaßt radiale Durchlässe 137 und einen Ringraum 138.. [Intervention provided collar 133, for example by means of a. j screw 132 attached and the colder / end of the displacer 123 is modified so that one engages the collar Paragraph 134 is present, extending from the mouth of the Cavity 135 extends inward. This cavity 135 is designed in such a way that a predetermined stroke path of the displacer 123 is possible before the approach 134 on the federal government 131 comes to rest. A compression spring 136 holds the displacer 123 while the periods of the work cycle in its uppermost position, irt those of the displacer 120 no downward force exerts on the displacer 123. The flow path of the fluid between the regenerator 124 and the cold chamber 18 is in essentially that described in US Pat. No. 3,218,815 and he includes radial passages 137 and an annulus 138.
Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 16 ist in den Fig. 17 bis 20 dargestellt. Wie aus Fig. 17 hervorgeht, liegen bei Beginn des- Arbeitszyklus die gleichen Bedingungen vor wie sie für die Vorrichtung nach Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 8 angegeben wurden. Wenn jedoch das Hochdruckfluid in die Kältemaschine einzuströmen beginnt, tritt ein Teil von diesem unmittelbar in die Kammer 18 ein, deren Volumen sofort größer iwird, bis es durch die Längsabmessung des Zapfens 130. schließlich begrenzt wird. Nachdem das maximale Volumen in der Kammer 18 erreicht ist, wächst das Volumen der Kammer 16 .weiter .an. Dies J ist verschieden zu der Ausführungsform nach Fig. 1, wie ein Ver- ! gleich der Fig. 18 und 19 mit den Fig. 9 und 10 deutlich zeigt.The operation of the embodiment of FIG. 16 is shown in FIGS Figs. 17-20 are shown. As is apparent from Fig. 17, lie at the start of the operating cycle, the same conditions exist as for the device according to FIG. 1 in conjunction with FIG were specified. However, when the high pressure fluid in the chiller begins to flow in, a part of this occurs directly in the chamber 18, the volume of which immediately increases i will until it finally passes through the longitudinal dimension of the tenon 130th is limited. After the maximum volume has been reached in the chamber 18, the volume of the chamber 16 grows further. this J is different from the embodiment of Fig. 1, as a ver ! 18 and 19 with FIGS. 9 and 10 clearly shows.
409822/0338 - 18 -409822/0338 - 18 -
Dagegen sind die Verschiebebewegungen nach unten bei den |
! beiden Vorrichtungen, hinsichtlich ihrer Ergebnisse identisch.
! Die Fig. 2Oj die ein p,V-Diagramm für die kältere KältekammerOn the other hand, the downward shifting movements are at the | ! both devices, identical in terms of their results.
! 20j shows a p, V diagram for the colder cold chamber
18 der Kältemaschine nach Fig. 16 wiedergibt, zeigt, daß es ;18 of the refrigerating machine according to FIG. 16 shows that it;
im wesentlichen äquivalent ist zu der linken Seite des p,V-Dia- .is essentially equivalent to the left side of the p, V-slide.
gramms für die Kältekammer mit dem größeren Durchmesser, wie !gramms for the cold chamber with the larger diameter, like!
aus Fig. 13 hervorgeht. ' ' 13 is apparent. ''
I Die Vorrichtung kann nach der Erfindung so ausgebildet werden, J
daß sie nach dem in der US-PS 2 906 101 beschriebenen Kreis- i ■ prozeß arbeitet, wie in Fig. 21 gezeigt ist. Die Vorrichtung
nach Fig. 21 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, jAccording to the invention, the device can be designed so that it operates according to the cycle process described in US Pat. No. 2,906,101, as shown in FIG. The device
according to FIG. 21 differs from that according to FIG. 1 in that j
; daß die warme Kammer 15 nicht vorhanden ist. Entsprechend dem !; that the warm chamber 15 is not available. According to that!
; Unterschied der beiden Kreisprozesse liefert der Arbeitszyklus "; The difference between the two circular processes is provided by the work cycle "
nach Fig. 21 eine bestimmte äußere mechanische Energie anstelle j \ der thermischen Energie, die von der Kältemaschine nach Fig. 1 j entsprechend dem arbeitsfreien Kreisprozeß abgegeben wird. 'a specific external mechanical energy instead j \ thermal energy j of the refrigerator of FIG. 1 is given corresponding to the non-working cycle according to Fig. 21. '
In Fig. 21 sind für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.1 verwendet. Wie oben angegeben, ist das fluiddichte,
abgestufte Gehäuse 10 auf der Oberseite offen und der obere
\ Abschnitt 140 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er eine
dickere Wand aufweist als der restliche Abschnitt des Gehäuses
10. Eine gewisse Abänderung ist am Abschnitt 140 des Gehäuses
insofern erforderlich, als das Hochdruckfluid direkt in den
Regenerator 30 eingeleitet und das Niederdruckfluid direkt aui
dem Regenerator 30 ausgestoßen werden muß. Diese Abänderung ist in Fig. 21 in der Form einer Vielzahl von Nuten 141 in der Wand
140 dargestellt. Das Hochdruckfluid wird durch eine Leitung 142 in die Vorrichtung eingeleitet und das Niederdruckfluid wird
über die gleiche Leitung ausgestoßen. Diese Leitung 142 entspricht der Leitung 35 und 37 nach Fig. 1. Diese außenliegende Leitung
steht mit dem Regenerator über die Nuten 141, einen äußeren
Ringraum 143, eine Ringnut 144, die auf dem Umfang der Verdrängerwand
ausgebildet ist, und eine Anzahl von radialen Kanälen 145 {
in Verbindung, die in den Regenerator 30 führen. Der Strömungs- I weg des Fluids zwischen den Kammern 16 und 1,8 über die Re.gene- 'In FIG. 21, the same reference numerals as in FIG. 1 are used for the same components. As indicated above, the fluid-tight, stepped housing 10 is open on the top and the top
\ Section 140 is preferably configured to have a
has thicker wall than the remainder of the section of the housing
10. Some modification is to section 140 of the housing
required as the high pressure fluid directly into the
Initiated regenerator 30 and the low pressure fluid directly aui
the regenerator 30 must be expelled. This modification is shown in FIG. 21 in the form of a plurality of grooves 141 in the wall 140. The high pressure fluid is introduced into the device through line 142 and the low pressure fluid becomes
ejected over the same line. This line 142 corresponds to the line 35 and 37 according to FIG. 1. This external line
stands with the regenerator via the grooves 141, an outer one
Annular space 143, an annular groove 144 which is formed on the circumference of the displacer wall, and a number of radial channels 145 {in connection which lead into the regenerator 30. The flow path of the fluid between the chambers 16 and 1,8 via the Re.gene- '
:_ratpren_ 3_Q_und 31 Jcann identisch mit dem in Verbindung mit den: _ratpren_ 3_Q_und 31 Jcann identical to that in connection with the
. - ig -. - ig -
409822/0338409822/0338
Fig. 4 xind 5 beschriebenen sein. Dichtungsringe 146 und 147 sind so angeordnet, daß der Verdränger 14 fluiddicht an der :Innenwand des Gehäuseabschnitts 140 anliegt.Fig. 4 xind 5 described. Sealing rings 146 and 147 are arranged in such a way that the displacer 14 rests in a fluid-tight manner on the inner wall of the housing section 140.
,Die mit der Vorrichtung nach Fig.. 21 erzielbaren Vorteile sind im wesentlichen die gleichen wie die für die Vorrichtung nach Fig. 1 angegebenen. Bei der Vorrichtung nach Fig. 21 können Abänderungen des Strömungswegs des Fluids vorgenommen werden, ebenso kann eine Feder wie in Fig. 7 dargestellt und die Aus-, führungsform der variablen Kopplungseinrichtung nach Fig. 16The advantages that can be achieved with the device according to FIG. 21 are essentially the same as those given for the device of FIG. In the device according to FIG. 21 can Changes to the flow path of the fluid can be made, as well as a spring as shown in Fig. 7 and the Aus, Guide form of the variable coupling device according to FIG. 16
iverwendet werden. ·can be used. ·
Die Fig. 22 erläutert die Anwendung der Erfindung auf eine Ausführungsform einer Stirling-Maschine, die kurz als eine : Vorrichtung beschrieben werden kann, die einen zusätzlichen \Kompressorkolben aufweist, der in dem Gehäuse zur Ausbildung einer Kompressorkammer von variablem Volumen verschiebbar ist, die abwechselnd als Höchdruckfluidquelle und als Niederdruck- j fluidreservoir dient. Bei der in Fig. 22 dargestellten Aus- ' führungsform der Stirling-Maschine ist der Expansions- bzw. j ,kälteerzeugende Abschnitt des Gehäuses 150 in Stufenbauweise ; getrennt von dem Kompressorgehäuse 151 ausgebildet. Jedoch kann die Kompressorkammer in dem gleichen Gehäuse wie die Expansionskammer angeordnet und die Gehäuse können als eine einzige Gehäuseeinrichtung betrachtet werden. Nach Fig. 22 sind, die beiden Gehäuseteile durch eine geeignete Fluidleitung 152 verbunden, in der ein Nachkühler 153 angeordnet ist. Die Leitung 154 dient für den Durchlauf eines Kühlfluids durch den Nachkühler. Die Kompression des Fluids in der Maschine erfolgt in der Kammer 156 und sie wird durch einen Kolben 157 bewirkt, der über eine Stange 158 von einer geeigneten Antriebseinrichtung 159 angetrieben wird. In Übereinstimmung mit der Erfindung erfolgt die Expansion in den beiden Expansionskammern 160 und M61 durch die Verschiebebewegung eines Kolbens 162 von größerem ,Durchmesser, der über eine Stange 163 mechanisch mit der Antriebe j einrichtung 159 verbunden ist, und eines Kolbens 164 mit kleijnerem Durchmesser, der in dem abgestuften Gehäuse .150 verschiebbar ist, das aus einem Abschnitt__165 mit größerem DurchmesserFigs. 22 illustrates the application of the invention, one embodiment of a Stirling engine, which briefly as a: may be described apparatus comprises an additional \ compressor piston which is displaceable in the housing to form a compressor chamber of variable volume which alternately serves as a high-pressure fluid source and as a low-pressure fluid reservoir. In the embodiment of the Stirling engine shown in FIG. 22, the expansion or cold-generating section of the housing 150 is of a stepped construction; formed separately from the compressor housing 151. However, the compressor chamber can be arranged in the same housing as the expansion chamber and the housings can be viewed as a single housing device. According to FIG. 22, the two housing parts are connected by a suitable fluid line 152 in which an aftercooler 153 is arranged. The line 154 serves for the passage of a cooling fluid through the aftercooler. The compression of the fluid in the machine takes place in the chamber 156 and it is brought about by a piston 157 which is driven by a suitable drive device 159 via a rod 158. In accordance with the invention, the expansion in the two expansion chambers 160 and M61 takes place through the sliding movement of a piston 162 of larger diameter, which is mechanically connected to the drive device 159 via a rod 163, and of a piston 164 of smaller diameter, the is slidable in the stepped housing .150, which consists of a section__165 with a larger diameter
409822/0338 " 2° "409822/0338 " 2 °"
j -j -
I und einem Abschnitt 166 mit kleinerem Durchmesser besteht. ,Die Kolben 162 und 164 sind in veränderlicher Art und Weise j miteinander verbunden, wie es im einzelnen anhand der Fig. 4 ι bis 6 beschrieben wurde. Die Regeneratoren 167 und 168 sind ijeweils innerhalb der Kolben 162 und 164 angeordnet.I and a section 166 with a smaller diameter. The pistons 162 and 164 are connected to one another in a variable manner, as is shown in detail with reference to FIG. 4 ι to 6 was described. Regenerators 167 and 168 are located within pistons 162 and 164, respectively.
In dem Gehäuse 150 wird durch die Verschiebebewegung des Kolbens 162 mit großem Durchmesser eine Kältekammer 160 und reine Zwischentemperaturkammer 170 ausgebildet. Der Strömungs-I weg im Expansionsabschnitt der Vorrichtung umfaßt einen durch idas Kopfstück 174 geführten Kanal 173, die Zwischentemperatur- \kammer 170, einen Kanal 175, den Regenerator 166, die erste ,■Expansionskammer 160 mit größerem Volumen, den Regenerator (und die zweite Kältekammer 161 mit kleinerem Volumen. Soweit !der Stirling-Kreisprozeß bekannt ist, wird er hier nicht weiter beschrieben. Da der stufenweise Stirling-Kreisprozeß die Erzeugung von Kälte bei zwei Temperaturhöhen, die Verwendung von Regeneratoren und Bedingungen des Massenflusses ähnlich denen des Kreisprozesses verlangt, nach/dem die Vorrichtung nach Fig.1 arbeitet, folgt, daß durch die Einstellung der Kältekammer-■ volumen durch die Kombination der Auslegung'von Durchmesser und Kolbenweg im wesentlichen die gleichen Vorteile tieferer Temperaturen und/oder größerer Kältekapazität erzielt werden.A cold chamber 160 and a pure intermediate temperature chamber 170 are formed in the housing 150 by the displacement movement of the piston 162 with a large diameter. The flow-I off in the expansion section of the apparatus comprises a guided through idas headpiece 174 channel 173 which Zwischentemperatur- \ chamber 170, a passage 175, the regenerator 166, the first ■ expansion chamber 160 with a larger volume, the regenerator (and the second Cold chamber 161 with a smaller volume. As far as the Stirling cycle is known, it will not be further described here. according to / after the device works according to FIG. 1, it follows that by setting the cold chamber volume by combining the design of diameter and piston travel essentially the same advantages of lower temperatures and / or greater cold capacity are achieved.
Die Fig. 23 erläutert die Anwendung der Erfindung auf eine Tieftemperaturkältemaschine, die nach den Vuilleumier-Kreisiprozeß arbeitet. Die Arbeitsweise nach diesem Kreisprozeß erfordert, daß eine heiße Kammer und eine Kammer mit einer Zwischer temperatur sowie eine oder mehrere kalte Expansionskammern vorhanden sind, wobei diese Ausdrücke als relativ für irgendein System zu verstehen sind. Damit umfaßt die Grundvorrichtung für die Durchführung des Vuilleumier-Kreisprozesses zusätzlich .zu einem oder mehreren Verdrängern für die Ausbildung von Kältekammern mit variablem Volumen eine zusätzliche Verdrängereinrichtung für die Ausbildung einer Hochtemperaturkammer mit varfebilem Volumen und einer Zwischentemperaturkammer mit variablem !Volumen, die in Kombination als Hochdruckfluidquelle und alsFIG. 23 explains the application of the invention to a low-temperature refrigerating machine which is based on the Vuilleumier cycle is working. The operation according to this cycle requires that a hot chamber and a chamber with an intermediate temperature and one or more cold expansion chambers are available these terms are to be understood as relative to any system. The basic device thus includes for the implementation of the Vuilleumier cycle in addition to one or more displacers for the formation of cold chambers with variable volume an additional displacement device for the formation of a high temperature chamber with varfebilem Volume and an intermediate temperature chamber with variable! Volume, which in combination as a high pressure fluid source and as a
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Reservoir für das Niederdruckfluid dient. Der Vuilleumier-Kreisprozeß ist ein vollständig geschlossener Kreis und der Strömungsweg, der diese Kammern verbindet, umfaßt Wärmespeichereinrichtungen, wie Regeneratoren. Bei der Vorrichtung nach Fig.2 ' sind die Expansionskammern zusammen mit einem Teil der Zwischen- \ temperaturkammer in dem abgestuften Gehäuse 180 untergebracht, /das aus einem Abschnitt 181 mit größerem Durchmesser und einem Abschnitt 182 mit kleinerem Durchmesser gebildet ist. Die heiße j Kammer zusammen mit dem restlichen Teil der Zwischentemperaturkammer ist in einem Gehäuse 183 untergebrächt. In diesem Gehäuse 183 ist eine warme (oder heiße) Kammer 184 angeordnet. Die Zwischentemperaturkammer ist aus einer Kombination der im Gehäuse 183 angeordneten Kammer 185 und der im Gehäuse 180 angeordneten Kammer 186 gebildet. Diese sind über eine Leitung 187 miteinander verbunden, die mit einem Wärmeaustauscher 188 versehen ist. Die Leitung 187 verläuft nach unten durch das Kopfstück 189, das als ein Ehde des Gehäuses 180 dient. In dem Gehäuse 183 ist ein Kolben 190 verschiebbar, der einen Regenera-ίtor 191 enthält. Gegebenenfalls kann der Regenerator auch außer-■ halb des Gehäuses angeordnet werden. Der Kolben 190 wird über eine geeignete Antriebseinrichtung, wie eine Kurbel 192, angetrieben, mit der die Kolbenstange 193 mechanisch verbunden ist«, Soweit die Arbeitsweise nach diesem Kreisprozeß es erfordert, daß Wärme (thermische Energie zur Kompression) in das System bzw. in das Fluid in der heißen Kammer 184 eingeleitet wird, ist eine Rohrschlange 194 vorgesehen, die in thermischem Kontakt mit der Außenwand des Gehäuses 183 steht und durch die ein Heizfluid geleitet werden kann, · Wenn andererseits die Temperatur der Kältemaschine sich auf einem Niveau befindet, daß die in das Fluid'in der Kammer 184 einzubringende Wärme bei Raumtemperatur liegt', kann" die Rohrschlange durch Wärmeüberträgungsrippen ersetzt werden. ■ .-Reservoir for the low pressure fluid is used. The Vuilleumier cycle is a completely closed loop and the flow path connecting these chambers includes heat storage devices such as regenerators. In the apparatus of Figure 2, the expansion chambers are housed together with a part of the intermediate \ temperature chamber in the stepped housing 180 ', / is formed from a portion 181 of larger diameter and a portion 182 of smaller diameter. The hot chamber together with the remaining part of the intermediate temperature chamber is accommodated in a housing 183. A warm (or hot) chamber 184 is arranged in this housing 183. The intermediate temperature chamber is formed from a combination of the chamber 185 arranged in the housing 183 and the chamber 186 arranged in the housing 180. These are connected to one another via a line 187 which is provided with a heat exchanger 188. The conduit 187 runs down through the head piece 189, which serves as an end of the housing 180. A piston 190, which contains a regenerator 191, can be displaced in the housing 183. If necessary, the regenerator can also be arranged outside the housing. The piston 190 is driven by a suitable drive device, such as a crank 192, to which the piston rod 193 is mechanically connected. Insofar as the operation according to this cycle requires heat (thermal energy for compression) to enter the system or into the Fluid is introduced into the hot chamber 184, a coil 194 is provided which is in thermal contact with the outer wall of the housing 183 and through which a heating fluid can be passed, · On the other hand, when the temperature of the refrigerating machine is at a level that the in the fluid 'in the chamber 184 heat to be introduced is at room temperature', "the coil can be replaced by heat transfer fins. ■ .-
In dem abgestuften Gehäuse 180 sind zwei Expansionskammern aus- ' gebildet, wobei sich die erste Kammer 195 auf einer Zwischentief temperatur und die zweite Kammer 196·-auf der;kältesten ' Temperatur der Kältemaschine befindet. Diese Kammern werdenIn the stepped housing 180, two expansion chambers are made up of ' formed, the first chamber 195 being at an intermediate depth temperature and the second chamber 196 -on the; coldest ' Temperature of the refrigeration machine. These chambers are
.durch.. öle Vers,chiebebe_wegung_eInes Kolkens. _1.9Ζ_ mit., .größerem .by .. oils verse, chiebebe_wegung_eInes Kolkens. _1.9Ζ_ with.,. Larger
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Durchmesser und eines Kolbens 198 mit kleinerem Durchmesser ausgebildet, die über eine variable Kopplungseinrichtung 199 miteinander in Verbindung stehen, wie sie im einzelnen | in den Fig. 4 bis 7 dargestellt ist. Zum Isolieren der Kältekammern sind entsprechende Dichtungen vorgesehen, die als O-Ringe bei 200 und 201 dargestellt sind.Diameter and a piston 198 with a smaller diameter formed, which via a variable coupling device 199 are related to each other as they are in detail | is shown in Figs. For isolating the cold chambers Corresponding seals are provided, which are shown as O-rings at 200 and 201.
Der Verdränger 197 wird durch eine Kolbenstange 202 verschoben, die gleichfalls an der Kurbel 192 befestigt ist. Im allgemeinenThe displacer 197 is displaced by a piston rod 202, which is also attached to the crank 192. In general
werden die Stangen 193 und 202 eine Phasenverschiebung von etwa j 90° haben, jedoch kann dies variiert und für irgendeinen Satz von Bedingungen in einfacher Weise bestimmt werden.the rods 193 and 202 will have a phase shift of about j 90 °, however this can vary and for any set can be determined by conditions in a simple manner.
Der Strömungsvreg des Fluids in dieser Vorrichtung umfaßt : (von der Kammer 184 aus zur Kammer 196) Kanäle 203, den RegeneraJ tor 191, Kanäle 204, die Kammer 185, die Leitung 187, die Kammer: 186, einen Kanal 215, einen Regenerator 205 im Kolben 197, j die Kammer 195, einen Regenerator 206 im Verdränger 198 und j die Kammer 196. Soweit der Kreisprozeß selbst nicht Teil der Erfindung ist, braucht er nicht weiter "beschrieben zu werden. '■ Eine vollständige Beschreibung des Kreisprozesses, nach dem die Vorrichtung arbeitet, enthält die US-PS 1 275 507..Es ist offensichtlich, daß die Vorrichtung nach Fig. 23 die gleichen Betriebsvorteile liefert wie jene nach den Fig. 1f 20 und 21.The flow path of the fluid in this device comprises : (from chamber 184 to chamber 196) channels 203, regenerator 191, channels 204, chamber 185, line 187, chamber: 186, channel 215, regenerator 205 in the piston 197, j is the chamber 195, a regenerator 206 in the displacer 198 and j is the chamber 196. If the cycle itself is not part of the invention, it need not be described further. "'■ a complete description of the cycle, after the the device operates, the US-PS contains 1275 507..Es is apparent that the device according to Fig. 23, the same operational advantages as those provides according to FIGS. 1 f 20 and 21.
Die Vorrichtungen nach den Fig. 21 bis 23 können auch so bildet werden, daß sie mehr als zwei Kältestufen aufweisen und die einer oder mehreren Stufen zugeordneten Kolben durch variably Kopp lungs einrichtungen miteinander verbunden sein Ts.ÖTaient wie es bei der Vorrichtung nach Fig. 3 angegeben ist. Außerdem könneji derartige Abänderungen wie der Strömungsweg nach Fig. 5, die Feder nach Fig. 7* die Kopplungseinrichtung nach Fig. 16 und eise pneumatische Antriebseinrichtung ebenso bei .den Vorrichtungen nach den Fig. 21 bis 23 vorgesehen werden.The devices according to FIGS. 21 to 23 can also be formed in such a way that they have more than two cold stages and the pistons assigned to one or more stages can be connected to one another by variably coupling devices Ts.ÖTaien t as it is with the device according to FIG. 3 is specified. In addition, such modifications as the flow path according to FIG. 5, the spring according to FIG. 7, the coupling device according to FIG. 16 and a pneumatic drive device can also be provided in the devices according to FIGS. 21 to 23.
Die Erfindung schafft somit eine Einrichtung, durch welche die Volumen jener Kältekammern in einer mehrstufigen Tieftemperaturkältemas chine, die auf den tieferen Bereichen gehalten wer den,The invention thus creates a device by which the volume of those cold chambers in a multistage cryogenic refrigeration machine, which are kept on the deeper n areas,
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i mittels einer optimalen Kombination von kammerdurchmesser undt Hubweg des Kolbens eingestellt werden können, der die Kammern in einem Gehäuse bildet.i can be adjusted by means of an optimal combination of chamber diameter and t stroke of the piston, which forms the chambers in a housing.
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Claims (1)
! durch eine zweite Hochdruckfluidquelle außerhalb des Gehäuses durch ein zweites Niederdruckfluidreservoir außerhalb desby a respective heat station assigned to each cold chamber for the discharge of cold via contact-free heat exchange with the fluid in these cold chambers at three decreasing temperature levels;
! through a second high pressure fluid source outside the housing through a second low pressure fluid reservoir outside the
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: DEUFEL, P., DIPL.-WIRTSCH.-ING. DR.RER.NAT. SCHOEN |
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| 8125 | Change of the main classification |
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