DE3044427C2

DE3044427C2 - Verdränger für Tieftemperatur-Kältemaschinen

Info

Publication number: DE3044427C2
Application number: DE3044427A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. 5354 Weilerswist Heisig; Hans-Hermann Dr.rer.nat. 5030 Hürth Klein; Karl-Heinz Ing.(grad.) 5170 Jülich Völker
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1980-11-26
Filing date: 1980-11-26
Publication date: 1986-10-30
Also published as: CH654402A5; US4397156A; DE3044427A1

Description

einströmenden Gase im Regenerator bereits vorgekühlt werden.

Zur Abdichtung der Verdränger 9 und 17 gegenüber ihren zugehörigen Kammerwandungen 14 und 19 dienen Dichtringe 31 und 32, die in Außennuten 33 und 34 der Verdrängerwandungen untergebracht sind. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die einfache Ausbildung der Verdränger 9 und 17 mit den dazugehörigen Regeneratoren. Dazu ist zunächst der Verdränger 9 mitsamt seinem Antnebskoiben 12 einteilig ausgebildet und besteht vorzugsweise aus fasergefülltem Kunststoff. Als Regenerator dienen eine Sintermetallscheibe 35, ein topfförmiges Formstück 36 und zwischen diesen beiden Elementen untergebrachtes, im einzelnen nicht dargestelltes RegeneratornvdteriaL

: Das Formstück 36 ist topfförmig mit einem relativ

breiten Rand 37 gestaltet und schließt mit seinem Bodenteil den Innenraum 22 des Verdrängers 9 ab. Seine Ränder dienen der Begrenzung der Hin- und Herbewev, gung des Kolbensystems. Das Formstück 36 besteht — >fi wie in F i g. 1 dargestellt — aus SintermateriaL Es ist für w das .Arbeitsgas durchlässig, hat selbst Regeneratorwir-F? kung und dient der Halterung des Stiftes 16.
V; Eine besonders zweckmäßige Ausführung zeigt ;.{? Fig. 1. Als Abschluß des Regeneratorraumes 22 des ;;| Verdrängers 9 dient das bereits beschriebene topfförmi-•'I ge Sintermetallformstück 36. In diesem Formstück 36 ist ff ein weiteres, etwa topfförmig gestaltetes Formstück 38 H aus Kunststoff eingesetzt, dessem Rand 39 eine Dämp-H fung der Verdrängerbewegung bewirkt

g Der Regenerator der zweiten Stufe besteht aus zwei H Sintermetallscheiben 41 und 42, welche ebenfalls die H Aufgabe haben, das zwischen ihnen befindliche beliebi-'J ge Regeneratormaterial nicht durch die Bohrungen 27 p und 28 austreten zu lassen. Da das Sintermaterial selbst Ij ein geeignetes Regeneratormaterial ist, ist der Vorhangs dene Raum optimal ausgenutzt.

Ά In der F i g. 2 ist eine weitere Möglichkeit der Gestaltung eines Verdrängers dargestellt Innerhalb des Ver- |V drängers 9 befinden sich mehrere Sintermetallscheiben : : 43. Sie sind nJt geringem Abstand voneinander ange-/! ordnet, damit ein ausreichend hoher Wärmev/iderstand ϊ'^: erhalten bleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 ähnliches Problem. Keinesfalls dürfen Teile davon ausPatentansprüche: treten, da sonst die Gefahr der Beschädigung der Kammerwandungen besteht

1. Verdränger für eine nach Art eines Stirling- Aus der US-PS 35 23 427 ist es bekannt, den Verdrän- oder Gifford/McMahon-Prozesses arbeitende Tief- 5 ger insgesamt aus porösem Material herzustellen. Ein temperatur-Kältemaschine mit einem in einem Verdränger dieser Art hat jedoch eine relativ gute Wär-Hohlraum des Verdrängers befindlichen Regenera- meleitung in axialer Richtung, so daß ein unerwünschter tor, welcher aus einem Bronzematerial besteht, da- Wärmeaustausch zwischen seinem »wannen« und seidurch gekennzeichnet, daß der Regenera- nem »kalten« Ende stattfindet

tor aus gesintertem, gasdurchlässigem Material be- ίο Der vorliegenden Erfindung liegt die Ai_fgabe zusteht und aus mehreren voneinander beabstandeten gründe, einen Verdränger der eingangs genannten Art Sintermetallscheiben (35, 36, 43) aufgebaut ist, die zu schaffen, dessen Regenerator-Wirkungsgrad verbesaxial hintereinanderliegend angeordnet sind. sert ist

2. Verdränger nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, zeichnet, daß die den Regenerator bildenden Schei- 15 daß der Regenerator aus gesintertem, gasdurchlässigem ben (35,36,43) aus gesinterten Bronzekugeln beste- Material besteht und aus mehreren voneinander beabhen. siandeten Sintermetallscheiben aufgebaut ist die axial

3. Verdränger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch hintereinanderliegend angeordnet sind. Sintermaterialgekennzeichnet, daß die dem Expansionsraum (25) körper können in jeder beliebigen Größe hochgenau zugewandte Scheibe aus einem topfförmigen Form- 20 hergestellt werden. Da die vorzugsweise aus gesinterten stück (3$ aus Sintermaterial gebildet ist Bronzekugeln bestehenden Sintermetallscheiben axial

4. Verdränger nach Anspruch 3, dadurch gekenn- voneinander beabstandet angeordnet sind, ist die Wärzeichnet, daß zum Dämpfen der Verdrängerbewe- meleitung in axialer Richtung reduziert Da nach wie gung ein ebenfalls topfförmig gestaltetes Kunststoff- vor Bronze als Regeneratormaterial verwendet wird, element (38) in das Formstück (36) eingesetzt ist 25 ergibt sich insgesamt ein verbesserter Wirkungsgrad

des Regenerators.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdränger für 30 In der F i g. 1 ist eine zweistufige Kältemaschine 1 eine Tieftemperatur-Kältemaschine nach Art eines Stir- teilweise im Schnitt dargestellt Im Gehäuse 2 ist in nicht ling- oder Gifford-McMahon-Prozesses mit einem in ei- näher dargestellter, an sich bekannter Weise ein Ventiinem Hohlraum des Verdrängers befindlichen Regenera- system untergebracht, das in einer bestimmten Reihentor, welcher aus einem Eronzematerial besteht folge eine Hochdruck- und eine Niederdruckgasquelle, Eine nach einem thenncdynamischen Kreisprozeß 35 die an den Anschiußstutzen 3 und 4 angeschlossen sind, arbeitende Tieftemperatur-Kältt-naschine ist aus der mit den Kanälen 5, 6, und 7 verbindet Der Kanal 6 US-PS 29 06 101 bekannt Eine derartige einstufige Kai- mündet in einen Zylinder 8, in dem sich ein mit dem temaschine umfaßt im wesentlichen eine Kammer mit Verdränger 9 der ersten Stufe 11 der Kältemaschine einem Verdränger. Die Kammer wird in bestimmter befindlicher Antriebskollben 12 befindet Ein den KoI-Weise alternierend mit einer Hochdruck- und einer Nie- 40 ben 12 gegenüber der InnfuiwaifcS des Zylinders 8 abderdruckgasquelle verbunden, so daß während der Hin- dichtender Ring ist mit 13 bezeichnet Mit Hilfe dieses und Herbewegung des Verdrängers der thermodynami- Antriebs wird der Verdränger 9 in der vom zylindrische Kreisprozeß (Stirling-Prozeß, Gifford/McMahon- sehen Gehäuse 14 gebildeten Kammer 15 hin- und her-Prozeß usw.) abläuft, wobei das Arbeitsgas in einem bewegt Über den Stift 16 ist der Verdränger 17 der geschlossenen Kreislauf geführt werden kann. Die FoI- 45 zweiten Stufe 18 der Kältemaschine mit dem Verdränge ist, daß einem bestimmten Bereich der Kammer War- ger 9 der ersten Stufe verbunden, so daß auch der Verme entzogen wird. Mit zweistufigen Kältemaschinen dränger 17 in der vom zylindrischen Gehäuse 19 gebildieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich z. B. deten Kammer 21 eine Hin- und Herbewegung ausführt. Temperaturen bis unter 10 Kelvin erzeugen. Die Achse des gesamten Systems ist mit 10 bezeichnet.

Wesentlicher Bestandteil einer derartigen Kältema- 50 Die Verdränger 9 und 17 sind im wesentlichen zylinschine ist der Regenerator, durch den das Arbeitsgas drisch gestaltet Ihre inneren Hohlräume 22 und 23 dievor und nach der Entspannung strömt Er muß zum nen der Unterbringung der im einzelnen noch genauer einen gute wärmespeichernde Eigenschaften haben, da- zu beschreibenden Regeneratoren, mit ein ausreichend hoher Wärmetausch zwischen dem Über die Kanäle 5 und 7 wird das Arbeitsgas zu- bzw.

Arbeitsgas und dem Regenerator stattfindet Zum ande- 55 abgeführt. Es strömt über die Bohrungen 24 durch den ren muß der Verdränger insgesamt schlecht wärmelei- Regenerator des Verdräingers 9 in den Expansionsraum tend sein, da sonst die auf der einen Seite der Kammer 25, welcher der untere Teil der Kammer 15 ist Dort entzogene Wärme durch Wärmeleitung schnell wieder expandiert es und entzieht diesem Bereich der ersten ersetzt würde. Stufe 11 der Kältemaschine Wärme. Das vorgekühlte

Aus der DE-AS 13 01 343 ist es bekannt, in einem 60 Gas strömt weiter durch die Bohrung 27 im Verdränger Hohlraum des Verdrängers den Regenerator, d. h., die 17 der zweiten Stufe 18, durch den im Innenraum 23 Regeneratormaterialien, wie Bronze- oder Bleikugeln, dieses Verdrängers 17 liegenden Regenerator und Bronze-Wolle, vorzusehen. Nachteilig an Verdrängern durch die Bohrung 28 am unteren Ende des Verdrängers dieser Art ist, daß ihre Herstellung insgesamt aufwendig 17 in den Expansionsraum 29 der zweiten Stufe 18. Dort und deshalb kostspielig ist. Besteht das Regeneratorma- 65 erfolgt eine weitere Expansion mit diesen Bereich der terial aus Kugeln, dann muß mit gasdurchlässigen Kap- zweiten Stufe abkühlende Wirkung. Über den gleichen pen oder Netzen dafür gesorgt werden, daß die Kugeln Weg strömt das Gas zurück und kühlt die Regeneratornicht austreten können. Bei Bronzewolle besteht ein materialien ab, so daß die im nächsten Zyklus wieder