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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf einen Tieftemperatur-Expander, der reduzierte Lärm- und Vibrationseigenschaften hat. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Hochkapazitätsexpander, der einen pneumatisch angetriebenen sich hin und her bewegenden Kolben aufweist, der die Abkühlung bei Tiefkühltemperaturen erzeugt und der eine Kragenstoßleiste mit reduzierten Lärm- und Vibrationseigenschaften umfasst.
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2. Hintergrundinformation
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Die meisten Tieftemperatur-Kühlgeräte, die zum Kühlen von Kryo-Pumpen, supraleitenden MRI-Magneten und Laborforschungsinstrumenten genutzt werden, nutzen GM-Typ Kühlgeräte. Diese nutzen typischerweise Klimaanlagen-Kompressoren, die zum Komprimieren von Helium modifiziert wurden und die weniger als 12 kW Eingangsleistung benötigen. Die Expander haben Kolben, die sich hin und her bewegen und die entweder mechanisch oder pneumatisch angetrieben werden. Der mechanische Antrieb ist relativ leise, weil er eine nahezu sinusartige Bewegung aufweist, die den Kolben nicht die Oberseite und die Unterseite an dem Ende des Kolbenhubs erreichen lässt. Der pneumatische Antrieb ist einfacher, kann jedoch signifikanten Lärm verursachen, wenn der Kolben die Oberseite oder die Unterseite des Zylinders an dem Ende des Kolbenhubs trifft. Dasselbe trifft auf Expander zu, die mit dem Brayton-Zyklus arbeiten.
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U.S. Patent 3,045,436 von W. E. Gifford und H. O. McMahon beschreibt den Basis-GM-Zyklus. Dieses Kühlsystem besteht aus einem Kompressor, der einem Expander Gas unter einem hohen Druck bereitstellt, der das Gas zyklisch durch ein warmes Einlass-Ventil an ein warmes Ende eines regenerativen Wärmetauschers, durch den Regenerator und dann in ein Expansionsvolumen an dem kalten Ende eines Kolbens und von dort zurück durch den Regenerator und ein warmes Auslassventil unter einem niedrigen Druck zum Kompressor führt. Das ‘436 Patent zeigt den Regenerator, der außen an dem Zylinder mit dem Kolben angeordnet ist und ein zweites Paar von Ventilen, die Gas außerphasig mit dem Gasstrom des Regenerators in das warme Ende des Kolbens leiten.
U.S. Patent 3,119,237 von W. E. Gifford zeigt eine Verbesserung des Konzepts des ‘436 Patents in der Form, dass ein Antriebsschaft an dem warmen Ende des Kolbens angeordnet ist, der den Betrag des Gases, das zum auf und ab Bewegen des Kolbens benutzt wird, verringert. Die Expander-Konfiguration und das zyklische Durchlaufen der Ventile sind in den
2–
9 im ‘237 Patent gezeigt.
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Der typische GM-Typ Expander, der heutzutage gebaut wird, weist den Regenerator im Kolben auf. Der Kolben/Regenerator wird zu einem Verdrängungskörper, der sich bei hohem Gasdruck von dem kalten Ende zu dem warmen Ende bewegt und dann bei niedrigem Gasdruck von dem warmen Ende zu dem kalten Ende bewegt. Da der Druck oberhalb und unterhalb des Verdrängungskörpers nahezu der gleiche ist, ist die Kraft, die zum Hin- und Zurückbewegen des Verdrängungskörpers benötigt wird, klein und kann entweder durch mechanische oder pneumatische Mechanismen bereitgestellt werden. In der folgenden Beschreibung wird der Begriff Kolben genutzt, der auch als Verdrängungskörper benannt werden könnte.
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Ein pneumatisch angetriebener Expander, der mit dem Brayton-Zyklus arbeitet, ist in
U. S. Patent 9,080,794 von Longsworth beschrieben. Der Brayton-Zyklus unterscheidet sich von dem GM-Zyklus darin, dass ein Gegenstrom-Wärmetauscher anstatt eines regenerativen Wärmetauschers genutzt wird, um das unter Hochdruck stehende Gas vorzukühlen, bevor es expandiert. Dazu wird ein zusätzliches Paar von Ventilen am kalten Ende des Expanders benötigt, die mit den Ventilen am warmen Ende synchronisiert werden müssen. Der Gegenstrom-Wärmetauscher muss außerhalb des Kolbens/Zylinders angeordnet sein und ist wesentlich größer als ein äquivalenter Regenerator. Ein wichtiger Vorteil, den ein Brayton-Zyklus Kühlgerät gegenüber einem GM-Zyklus Expander aufweist ist dessen Fähigkeit, kaltes Gas an eine entfernte Last zu verteilen, wobei das kalte expandierte Gas in einem GM-Expander in dem Expansionsvolumen eingeschlossen ist.
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Ein Kompressor System, das genutzt werden kann, um Gas einem GM-Zyklus Expander oder an einer Brayton-Zyklus Maschine bereitzustellen, ist in
U. S. Patent 7,674,099 mit dem Titel “Compressor With Oil Bypass” (Kompressor mit Öl Umleitung) von S. Dunn beschrieben. Hohe Drücke bzw. niedrige Drücke sind typischerweise 2.2 bzw. 0.8 MPa.
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U. S. Patent 6,256,997 von Longsworth beschreibt die Nutzung von elastomeren O-Ringen am warmen Ende eines GM-Typ Verdrängers als „Aufschlagabsorber“, um die Aufschlagsenergie des Verdrängers zu absorbieren, wenn er an dem Ende des Kolbenhubs ist, um Lärm und Vibrationen zu vermeiden, die mit dem Aufschlag des Verdrängers am warmen und kalten Ende des Zylinders in Verbindung gebracht werden. Dies wird durch das Anordnen des O-Rings um den zentralen Antriebsmechanismus bewirkt. Während das ‘997 Patent das allgemeine Prinzip und dessen Anwendung hinsichtlich relativ kleinen und leichten Verdrängern beschreibt, beschreibt die Erfindung ein Mittel zum Anwenden des Prinzips auf große Verdränger und Kolben in Expandern, die mehr Kühlleistung erzeugen und größere und schwerere Kolben aufweisen. Dies wird durch das Hinzufügen eines sich von der Oberseite (dem warmen Ende) des Kolbens erstreckenden Kragens bewirkt, der den gleichen Außendurchmesser wie der Kolben und eine Lippe am oberen Ende des Kragens aufweisen kann, die mit dem O-Ring zusammenwirkt, bevor der Kragen auf die Unterseite (das kalte Ende) des Zylinders trifft. Da die Energie, die ein O-Ring absorbieren kann, proportional zu dessen Volumen ist, werden O-Ringe genutzt, die nahe am maximalen Durchmesser des Zylinders sind, um den Betrag der Energie, die sie absorbieren können, zu maximieren. O-Ringe, die für den Zweck genutzt werden, Energie zu absorbieren, werden an dieser Stelle als Stoßleiste oder Aufschlagabsorber bezeichnet, und sind dabei nicht notwendigerweise rund. Während das Elastomer Buna N ein bevorzugtes Material ist, können ebenso andere Materialien genutzt werden.
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Während „Oberseite“ bzw. „Unterseite“ dazu genutzt werden, um das warme bzw. das kalte Ende zu benennen, und „oben“ eine Bewegung von dem kalten Ende zu dem warmen Ende benennt und „unten“ eine Bewegung von dem warmen Ende zu dem kalten Ende benennt, können Expander in jeder Orientierung genutzt werden. Mit der Bezeichnung, dass der Kragen den gleichen Durchmesser wie der Kolben aufweist, ist gemeint, dass die Freiräume und die Maschinentoleranzen, die Unterschiede zwischen den beiden herstellen, klein sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Bedürfnisse werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche; Weiterbildungen werden von den abhängigen Ansprüchen umfasst.
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Die Erfindung stellt ein Mittel zum Maximieren der Energieabsorptionskapazität einer Stoßleiste bereit, die verhindert, dass Verdränger oder Kolben in einem pneumatisch angetriebenen Tiefkühl-Expander auf das kalte oder das warme Ende eines Zylinders treffen. Ein Kragen wird dem warmen Ende des Kolbens hinzugefügt, der den gleichen Außendurchmesser wie der Kolben und eine Lippe am oberen Ende aufweisen kann, die mit einem O-Ring zusammenwirkt, bevor der Kolben auf das kalte Ende oder die Unterseite des Zylinders trifft. Das obere Ende des Kragens wirkt ebenfalls mit einem O-Ring zusammen, bevor der Kolben auf das warme Ende oder die Oberseite des Zylinders trifft. Die Verwendung von O-Ringen, die nahezu den maximalen Durchmesser des Zylinders aufweisen, maximiert den Betrag der Energie, die sie absorbieren können, und erlaubt einen leisen Betrieb von größeren Expandern als bei früheren Ausführungsformen. Der Kragen kann auch dazu genutzt werden, den Kolben anstatt eines typischen Antriebsschafts nach oben und nach unten zu treiben. Dieser Ausführungsform wird Kragenstoßleiste genannt.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines pneumatisch angetriebenen GM-Zyklus Expanders aus dem Stand der Technik, der äquivalent zu dem aus dem oben beschriebenen
U. S. Patent 3,119,237 ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kragens, der dem warmen Ende eines Verdrängungskörpers aus 1 hinzugefügt wurde, der eine Lippe am warmen Ende aufweist, die mit Stoßleisten an den Enden des Kolbenhubs zusammenwirkt. Der Kragen hat den gleichen Außendurchmesser wie der Kolben und die Unterseiten-Stoßleiste ist innerhalb des Kragens angeordnet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kragens, der dem warmen Ende eines Verdrängungskörpers aus 1 hinzugefügt wurde, der eine Lippe am warmen Ende aufweist, die mit Stoßleisten an den Enden des Kolbenhubs zusammenwirkt. Der Kragen weist den gleichen Außendurchmesser wie der Kolben auf und die Unterseiten-Stoßleiste ist außerhalb des Kragens angeordnet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kragens, der dem warmen Ende eines pneumatisch angetriebenen GM-Zyklus Verdrängers hinzugefügt wurde, der eine Lippe am der Oberseite aufweist, die mit Kragenleisten an den Enden eines Kolbenhubs zusammenwirkt. Der Zylinderkopf weist einen Hals auf, der sich innerhalb des Kragens mit einer Dichtung an der Innenseite des Kragens erstreckt, und die Gasleitung, die den Verdränger nach oben und unten treibt, wirkt auf den Kragen. Der Kragen hat den gleichen Außendurchmesser wie der Kolben und die Unterseiten-Stoßleiste ist außerhalb des Kragens angeordnet.
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5 ist ähnlich zu 4, außer dass der Außendurchmesser des Kragens kleiner als der Durchmesser des Kolbens ist, und der Zylinderkopf einen kleineren inneren Hals und einen Außenabschnitt aufweist. Der innere Hals umfasst eine Dichtung an der Innenseite des Kragens und der Außenabschnitt weist eine Dichtung an der Außenseite des Kragens auf. Der Kragen weist eine externe Lippe an der Oberseite auf, die mit einer Unterseiten-Stoßleiste zusammenwirkt, die an dem Außenabschnitt des Zylinderkopfes angeordnet ist.
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6 ist ähnlich zu 2, außer dass ein pneumatisch angetriebener Brayton-Zyklus Expander verwendet wird.
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7 ist ähnlich zu 4, außer dass die Lippe an dem Kragen und die Unterseiten-Stoßleiste innen am Kragen angeordnet sind und dass hier ein pneumatisch angetriebener Brayton-Zyklus Expander verwendet wird.
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Die Option, dass die Unterseiten-Stoßleiste außen an den Kragen an einem Brayton-Expander angeordnet ist, wird nicht dargestellt. Bauteile, die in den Figuren äquivalent sind, weisen dasselbe Bezugszeichen auf.
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BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines pneumatisch angetriebenen GM-Zyklus Expanders aus dem Stand der Technik, der sich von dem in dem
U. S. Patent 3,119,237 nur dadurch unterscheidet, dass er einen Regenerator innerhalb des Kolbens anstatt außerhalb des Zylinders aufweist. Alle Systeme, die in den
1 bis
7 dargestellt sind, zeigen den gleichen Kompressor
30, eine Versorgungsleitung
31 mit hohem Druck und eine Rückleitung
32 mit niedrigem Druck. Diese Gasleitungen können mehrere Meter lang sein und ermöglichen damit einen flexiblen Aufbau für den Expander. Die heute verwendeten Kompressoren sind typischerweise Öl geschmierte Spiralverdichter, die für die Verwendung von Klimaanlagen hergestellt werden und die zum Verdichten von Helium, dem Arbeitsgas in den meisten Tiefkühl-Kühlgeräten, angepasst sind. Die Betriebsdrücke sind typischerweise etwa 2,2/0,8 MPa und die Eingangsleistung ist im Bereich zwischen 2 bis 12 kW. Die Erfindung erlaubt es, pneumatisch betriebene Expander mit höheren Kühlkapazitäten leise zu betreiben. Diese werden größere Kompressoren benötigen, die Schraubenverdichter sein können.
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Der Expander weist vier Haupt-Unterbaugruppen auf. Die Zylinder-Unterbaugruppe umfasst einen Zylinder 6a, eine kalte Endkappe 9 und einen warmen Flansch 7. Die Kolben-Unterbaugruppe, die die Zylinderbaugruppe hin- und zurücktreibt, umfasst einen Kolbenkörper 1, einen Regenerator 19, einen Antriebsschaft 2 und eine Kolbendichtung 26 nahe dem warmen Ende des Kolbenkörpers 1. Die Zylinderkopf-Unterbraugruppe umfasst einen Zylinderkopf 8a, einen Schaftzylinder 18 und eine Schaftdichtung 27. Die Ventil-Unterbaugruppe, die für gewöhnlich in einem Gehäuse angeordnet ist, das mit der Zylinderkopf-Unterbaugruppe verbunden ist, umfasst die Ventile 12, 13, 14 und 15. Diese Ventile sind typischerweise in einem mit Anschlüssen versehenen Drehventil eingeschlossen, das durch einen Motor angetrieben wird. Wenn sich der Kolben 1 hin- und zurückbewegt, verschiebt er Gas in ein kaltes Verschiebevolumen 3, ein warmes Verschiebevolumen 4 und ein Antriebsschaft-Verschiebevolumen 5. Während der größte Teil dieser Volumina verschoben wird, wenn der Kolben 1 sich hin-und her bewegt, weisen sie ebenfalls Leervolumina in Form von Leerstellen und Gasöffnungen auf. Die Ventile 14 und 15 treiben durch die Leitung 3 zyklisch Gas in das warme Verschiebevolumen 4 und dann durch Anschlüsse 21, den Regenerator 19 und einen Anschluss 20 zu dem kalten Verschiebevolumen 3. Die Ventile 12 und 13 treiben durch die Leitung 34 zyklisch Gas zum Antriebsschaft-Verschiebevolumen 5. Die Dichtung 17 dichtet den Zylinderkopf 8a gegen den warmen Flansch 7 ab.
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Ein GM-Kühlzyklus beginnt mit einem Kolben an dem kalten Ende (mit minimiertem kalten Verschiebevolumen 3) wobei der Druck in dem Zylinder und an dem Antriebsschaft groß ist (wobei die Ventile 12 und 14 offen und die Ventile 13 und 15 geschlossen sind). Ein geringer Druck am Antriebsschaft bewegt den Kolben 1 nach oben und drückt unter hohem Druck stehendes Gas in das kalte Verschiebevolumen 3. Bevor der Kolben die Oberseite erreicht, wird das Ventil 14 geschlossen und der Druck in dem Zylinder fällt auf einen ersten Druck ab, der zwischen dem hohen und dem niedrigen Druck liegt, während sich der Kolben zu der Oberseite bewegt. Dieser Druckverlust resultiert aus der Verschiebung von warmen Gas von dem warmen Verschiebevolumen zu dem kalten Verschiebevolumen. Das Ventil 15 ist dann offen und der Druck in dem Zylinder fällt auf einen niedrigen Druck. Das Ventil 13 ist geschlossen und das Ventil 12 geöffnet, was unter hohem Druck stehendes Gas zum Antriebsschaft führt und den Kolben runterdrückt. Bevor die Unterseite erreicht wird, wird das Ventil 15 geschlossen und der Druck in dem Zylinder steigt zu einem zweiten Zwischendruck an, während sich der Kolben zur Unterseite bewegt. Diese Druckerhöhung resultiert aus der Verschiebung von kalten Gas aus dem kalten Verschiebevolumen in das warme Verschiebevolumen. Das Ventil 14 ist dann geöffnet und der Druck steigt auf den hohen Druck und der nächste Zyklus beginnt. Die P-V Arbeit, die in dem kalten Verschiebevolumen 3 geleistet wird, ist gleich der Kühlung, die pro Zyklus bewirkt wird.
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2 zeigt einen GM-Expander 100, der sich von der Ausführungsform aus dem Stand der Technik nach 1 durch das Hinzufügen eines Kragens 22 zu dem Kolben 1 und durch Stoßleisten-O-Ringe 24 und 25 unterscheidet. Der Kragen 22 hat einen Außendurchmesser der ungefähr gleich zu dem des Kolbens 1 ist und reibt sich auf der Länge, die sich in dem Zylinder hin und her bewegt, nicht an dem Innendurchmesser des Zylinders 6a. Der Zylinderkopf 8b weist einen Hals auf, der sich innerhalb des Kragens 22 erstreckt und die O-Ring-Stoßleiste 25 in einer Lippe an dem unteren Ende lagert, das nahe am inneren Durchmesser des Kragens 22 angeordnet ist. Der Kragen weist eine innere Lippe an der Oberseite auf, die mit dem O-Ring 25 zusammenwirkt, wenn der Kolben das kalte Ende erreicht, jedoch bevor er auf das kalte Ende 9 trifft. Wenn der Kolben 1 das warme Ende erreicht, wirkt die Oberseite des Kragens 22 mit dem O-Ring 24 zusammen, bevor er auf den Zylinderkopf 8b trifft. Der Kolbenhub ist daher der Abstand, den der Kolben 1 zwischen dem komprimierten O-Ringen 24 und 25 zurücklegt und die Länge des Kragens muss um eine Länge der Lippe am Kragen 22 und um eine Länge des Zylinderkopfs 8b größer als der Hub sein. Der Raum, der durch den Antrieb des Kragen 22, 11 überstrichen wird, ist ein Leervolumen, das mit dem Verschiebevolumen 4 verbunden ist und sich zu dessen Leervolumen hinzufügt. Das Verdichten und Entspannen des Volumens 11 kann 2 bis 5 % der Kompressor-Strömung verwenden. Der Zyklus von GM-Expander 100 ist der gleiche wie der von dem GM-Expander aus 1.
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3 zeigt einen GM-Expander 200, der sich von dem GM-Expander 100 dadurch unterscheidet, dass er einen Kragen 23 aufweist, der eine Lippe am dem oberen Ende des Kragens umfasst, die extern an dem Außendurchmesser des Kolbens 1 angeordnet ist. Die kalte Stoßleiste 25 ist in einem Abschnitt des Innendurchmessers des Zylinders 6b oberhalb des Bereichs, in dem die Kolbendichtung 26 gleitet, eingeschlossen. Die externe Lippe an der Oberseite des Kragens 23 wirkt mit dem O-Ring 25 zusammen, wenn der Kolben 1 das kalte Ende erreicht, jedoch bevor er das auf kalte Ende 9 trifft. Wenn der Kolben 1 das warme Ende an der Oberseite des Kragens 23 erreicht, wirkt er mit dem O-Ring 24 zusammen, bevor er auf den Zylinderkopf 8c trifft.
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4 zeigt einen GM-Expander 300, der sich von dem GM-Expander 200 dadurch unterscheidet, dass der Antriebsschaft 2, als Mittel, um den Kolben hin und her zu bewegen, durch den Kragen 23 ersetzt ist. Dieses Ersatzmittel, um den Kolben anzutreiben, vereinfacht die Ausführung dadurch, dass der Antriebsschaft 2 und der Antriebsschaft-Zylinder 18 nicht mehr gebraucht werden, und ersetzt die Schaftdichtung 27 mit der inneren Kragendichtung 28 im Zylinderkopf 8d. Die ringförmige Fläche zwischen der Kolbendichtung 26 und der inneren Kragendichtung 28 ist ungefähr gleich der Fläche innerhalb der Schaft-Dichtung 27. Eine Fläche, die ungefähr 15 % der Querschnittsfläche des Kolbens umfasst, ist normalerweise ausreichend, um Reibung, Druckverlust und interne Kräfte zum Antrieb des Kolbens zu überwinden. Die Leitung zwischen den Ventilen 12 und 13 und dem Volumen 10 ist als Leitung 35 bezeichnet. Der GM-Expander 300 ist effizienter als die GM-Expander 100 und 200, da das Volumen 10 des GM-Expanders reduziert ist, welches jetzt die Gasströmung zum Antrieb des Kolbens nach oben und nach unten aufweist, die vorher durch das Schaftvolumen 5 und durch das Leervolumen strömte, das mit der Kragenstoßleiste in Verbindung gebracht wurde. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform von dieser Erfindung, da der Zylinderkopf 8d einfacher aufgebaut ist und die Baugruppe einfacher aufgebaut ist als bei anderen Ausführungsformen. Dieser Antriebsmechanismus wird als „Kragenantrieb“ bezeichnet, der analog zu einem konventionellen „Schaftantrieb“ ist.
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5 zeigt GM-Expander 400, der sich von dem GM-Expander 300 dadurch unterscheidet, dass der Antriebskragen 23, der den gleichen Außendurchmesser wie der Kolben aufweist, durch den Kragen 23b ersetzt wird, der einen kleineren Außendurchmesser aufweist. Der Zylinderkopf 8e hat einen Hals mit einem kleineren Durchmesser und eine kleinere innere Kragendichtung 28. Zylinderkopf 8e weist auch einen Außenabschnitt auf, der eine Unterseiten-Stoßleiste 25 und auch eine äußere Kragendichtung 29 aufweist. Die Querschnittsfläche von dem Kragen 23b (zwischen den Dichtungen 28 und 29) weist ebenfalls 15 % (<20 %) von der Querschnittsfläche des Kolbens auf. Gasdurchlässe 37 in der Basis des Kragens 23b werden zum Verbinden der inneren und äußeren Volumina des warmen Verschiebevolumens 4 benötigt. Der GM-Expander 400 weist die gleichen Effizienz-Vorteile wie der GM-Expander 300 im Vergleich zu den GM-Expander 100 und 200 auf. Die Stoßleisten-Ringe 24 und 25 sind kleiner als diese, die etwa den gleichen Durchmesser wie der Kolben aufweisen, können jedoch mit leichteren Kolben verwendet werden, die nicht die maximale Energieabsorption der großen Stoßleisten O-Ringe benötigen. Dies ist keine bevorzugte Ausführungsform der Kragenstoßleiste, da sie eine zusätzliche Dichtung 29 benötigt.
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6 zeigt einen Brayton-Expander
500, der einen Schaftantrieb und einen Kragen
22 aufweist, der eine interne Lippe umfasst, der gleich zu dem aus dem GM-Expander
100 ist, aber wobei der Regenerator in dem Kolben durch einen externen Wärmetauscher
41 ersetzt ist und die Gasströmung durch die Leitung
36 zu dem kalten Verschiebevolumen
3 mittels einem kalten Einlassventil
43 mit hohem Druck und einem kalten Auslassventil
24 mit niedrigem Druck gesteuert wird. Brayton-Kolben
40 trennt das kalte Verschiebevolumen
3 von dem warme Verschiebevolumen
4. Ein Brayton-Zyklus Expander weist in vielen Anwendungen gegenüber einem GM-Expander einen großen Vorteil auf, da er eine Kühlung in einem entfernten Wärmetauscher
42 bereitstellt anstatt lediglich an der Endkappe
9. Er ist weiter einfacher auf große Abmessungen zu skalieren, hat jedoch auch den Nachteil, dass er größer und mechanisch komplexer ist. Die Taktung der Öffnung und der Schließung der Ventile um diesen Zyklus wie einen GM-Zyklus zu betreiben, ist in
7 von
US 9,080,794 in Verbindung mit
1 Option B beschrieben.
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7 zeigt einen Brayton-Expander 600, der einen Kragenantrieb aufweist. Der Kragen 22 weist eine interne Lippe an der Oberseite auf, die mit einer Unterseiten-Stoßleiste 25 zusammenwirkt, bevor der Kolben 40 auf das kalte Ende 9 trifft. Der Zylinderkopf 8f weist einen Hals auf, der die Unterseiten-Stoßleiste 25 und eine innere Kolbendichtung 28 aufweist. Der Betrieb des Brayton-Expanders 400 ist zu einem Betrieb des Brayton-Expanders 300 gleich.
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Der Gegenstand dieser Erfindung ist es, Tiefkühlexpander mit einem pneumatisch angetriebenen Kolben für einen leisen Betrieb von Kühlgeräten mit höherer Kapazität bereitzustellen. Die Maße einer O-Ring-Stoßleiste sind dadurch maximiert, dass sie ungefähr den gleichen Durchmesser wie ein Kolben aufweist und dass ein Kragen an dem warmen Ende eines Kolbens mit einer Lippe auf der Oberseite des Kragens angeordnet ist, die mit der O-Ring-Stoßleiste zusammenwirkt, bevor er auf die kalte Seite trifft, und eine ähnliche O-Ring-Stoßleiste, die verhindert, dass er auf das warme Ende trifft. O-Ring-Stoßleisten aus dem Stand der Technik, die einen kleineren Durchmesser hatten, waren ausreichend für Kolben, die eine kleine Kühlleistung erzeugten.
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Die Rate, mit der die Kühlleistung erzeugt wird, ist proportional zu der Differenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Druck und der Rate der Verschiebung, dV/dt, in dem Expansionsraum des sich hin und her bewegenden Expanders. Bei gleichen Drücken ist die Kühlrate damit proportional zu dem Quadrat der Durchmesser des Kolbens, D, des Hubs, S, der Zyklusfrequenz, N, zum Beispiel dV/dt = (S πD² N)/4. Die kinetische Energie eines Kolbens ist proportional zu dessen Masse, M, und dessen Geschwindigkeit zum Quadrat, (S N)². Wenn die Verschieberate (Kühlrate) durch das Verdoppeln des Hubs oder der Geschwindigkeit verdoppelt wird, wird die Energie, die durch die O-Ring-Stoßleisten absorbiert werden muss, um einen Faktor 4 vergrößert, aber die Kapazität der Stoßleisten, um zusätzliche Energie zu absorbieren, wird nicht geändert. Wenn die Verschieberate durch das Verdoppeln der Fläche des Kolbens vergrößert wird, wobei dessen Länge, Hub und Geschwindigkeit gleichbleiben, dann wird die kinetische Energie verdoppelt, wobei sich eine O-Ring-Stoßleiste, die den Durchmesser des Kolbens aufweist, lediglich um eine Länge von D√2 vergrößert. D.h., wenn die Verschieberate durch eine Verdopplung der Fläche des Kolbens erhöht wird und dessen Länge, Hub und Geschwindigkeit gleichbleiben, dann wird die kinetische Energie verdoppelt und dabei vergrößert sich ein O-Ring, der den Durchmesser des Kolbens aufweist, in der Länge lediglich um D mal 2 hoch 0,5. Egal welche Strategie genutzt wird, um größere Verschiebekolben leichter zu machen, maximieren Stoßleisten O-Ringe, die etwa den gleichen Durchmesser wie der Kolben aufweisen, die Kühlrate, die mit einem pneumatisch angetriebenen Kolben, der leise läuft, erzeugt wird. Ein Kolben mit einer Kragenstoßleiste ermöglicht es, dies zu erreichen.
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In einem weiteren Beispiel wird ein Tiefkühlexpander bereitgestellt, der reduzierte Lärm- und Vibrationseigenschaften aufweist. Der Tiefkühl-Expander umfasst:
einen Zylinder;
einen pneumatisch angetriebenen sich hin und her bewegenden Kolben in dem Zylinder, wobei der Kolben ein warmes Kolbenende und ein kaltes Kolbenende aufweist, wobei der Kolben sich zwischen einem warmen Zylinderende und einem kalten Zylinderende hin und her bewegt, wobei ein zurückgelegter Abstand des Kolbens in dem Zylinder zwischen dem warmen Zylinderende und dem kalten Zylinderende als Hub definiert ist;
eine Dichtung an dem warmen Kolbenende zwischen dem Kolben und dem Zylinder;
eine Stoßleiste in dem Zylinder; und
ein Kragen, der eine Lippe auf einer Oberseite des Kragens aufweist, wobei der Kragen an dem warmen Kolbenende angeordnet ist, wobei der Kragen eine Länge zwischen der Dichtung und der Lippe aufweist, die mindestens so lang wie der Hub ist;
wobei die Lippe mit der Stoßleiste zusammenwirkt, um zu verhindern, dass der Kolben das kalte Zylinderende berührt, und um die Lärm- und Vibrationseigenschaften zu verringern;
und wobei:
- i) der Kragen einen Außendurchmesser aufweist, der gleich dem Durchmesser des Kolbens ist; oder
- ii) der Kragen einen Innendurchmesser aufweist, der mindestens 90 % des Außendurchmessers beträgt;
wobei das warme Zylinderende einen Zylinderkopf mit einem Hals, der sich innerhalb des Kragens erstreckt, aufweist, wobei der Hals eine Halsdichtung zwischen dem Hals und der Innenseite des Kragens aufweist; oder
- iii) der Kragen einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Durchmesser des Kolbens ist, wobei der Kragen eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als 20 % der Querschnittsfläche des Kolbens ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3045436 [0003]
- US 3119237 [0003, 0011, 0019]
- US 9080794 [0005]
- US 7674099 [0006]
- US 6256997 [0007]
- US 9080794 U1 [0026]
