DE3431586A1

DE3431586A1 - Kolbendichtungsanordnung fuer tieftemperatur-kuehlkompressoren

Info

Publication number: DE3431586A1
Application number: DE19843431586
Authority: DE
Inventors: Peter K. Pepperell Mass. Bertsch
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1983-08-29
Filing date: 1984-08-28
Publication date: 1985-04-25
Anticipated expiration: 2004-08-29
Also published as: US4574591A; GB2146096A; JPH0465234B2; GB2146096B; GB8420722D0; JPS6085279A; DE3431586C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Tieftemperatur-Kühleinrichtungen und insbesondere die sich hin- und herbewegenden Kompressorkolben in solchen Kühleinrichtungen.

Eine nach dem Stirling-Zyklus arbeitende Tieftemperatur-Kühleinrichtung umfaßt einen Kompressor mit einem sich hin- und herbewegenden Kolben. Der sich hin- und herbewegende Kolben erzeugt eine nahezu sinusförmige Druckänderung eines Arbeitsfluids. Dieses Arbeitsfluid füllt ein Volumen, das den Kopfraum über dem Kompressorkolben und innere Hohlräume in einem Kühlfinger der Kühleinrichtung umfaßt. Im Fall eines geteilten Stirling-Systems umfaßt das Arbeitsvolumen auch eine Gasleitung, die den Kompressor und den Kühlfinger miteinander verbindet. In dem Kühlfinger bewegt sich ein Verdränger in zeitlicher Relation zu den sinusförmigen Druckänderungen des Arbeitsfluids, um eine Kühlung an dem einen Ende des Kühlfingers zu erzeugen.

Typischerweise umfassen nach dem Stirling-Zyklus arbeitende Kühleinrichtungen einen durch einen Elektromotor angetriebenen Kompressor, und die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine nach dem Stirling-Zyklus arbeitende Kühleinrichtung dieser Art beschrieben. Bei dem Stand der Technik entsprechenden Kompressoren ist die dynamische Dichtung um den Kompressorkolben herum im allgemeinen eine ringförmige Lippendichtung öder eine Spaltringdichtung .

Ein Problem, das auftritt, wenn solche Kompressoren in geteilten Stirling-Systemen verwendet werden, sind Undichtigkeiten, die an der dynamischen Dichtung vorbei

zwischen dem sich hin- und herbewegenden Kolben und dem ihn umgebenden Gehäuse auftreten. Diese Undichtigkeiten haben eine Gasströmung zwischen dem Arbeitsvolumen im Kopfraum des Kolbens und einem Steuervolumen oder Totraum hinter dem Kolben zur Folge. Wenn bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens in einer Richtung eine größere Undichtigkeit auftritt als in der anderen Richtung, zeigt der mittlere Druck des Arbeitsfluids die Tendenz anzusteigen oder zu fallen. Typischerweise sind Kühleinrichtungen für einen bestimmten festgelegten mittleren Druck des Arbeitsfluids ausgelegt. Daher tritt dann, wenn im Betrieb des Kompressors die Dichtung schlechter wird und sich der mittlere Druck des Arbeitsfluids ändert ein Abfall im Wirkungsgrad bzw. der Wirksamkeit der Kühleinrichtung auf. Dieser Abfall des Wirkungsgrades hat einen höheren Energieverbrauch und eine geringere Kühlleistung zur Folge.

In jüngster Zeit wurden Kompressoren dieser Art mit Spieldichtungen entwickelt, die eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung aufweisen und deswegen eine längere Lebensdauer als Dichtringe besitzen. Darüberhinaus ist bei solchen Spieldichtungen die Wahrscheinlichkeit geringer als bei Dichtringen, daß Verschmutzungen in das Arbeitsfluid injiziert werden, die die Kühleigenschaften verschlechtern können. Eine derartige Dichtung kann beispielsweise der US-Patentanmeldung mit der Serial Nummer 487,513 entnommen werden, die am 22. April 1983 durch Noel Holland eingereicht worden ist.

Ein Ziel der Erfindung ist es, für den Kompressor einer Stirling-Kühleinrichtung eine verbesserte Spieldichtung zu schaffen. Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, diese Dichtung so zu gestalten, daß sie einfach hergestellt werden kann und von Problemen nicht betroffen wird,

die bei einer Verzerrung des Zylinderkopfes auftreten.

Die Erfindung umfaßt eine Tieftemperatur-Kühleinrichtung, bei der eine Hülse so angeordnet ist, daß sie in einem Kolbengehäuse schwimmt. Die Hülse besteht aus Keramik und ist an ihrem einen Ende beträchtlichen Gasdruckänderungen ausgesetzt, während der Gasdruck am anderen Ende der Hülse vergleichsweise konstant ist. Ein Kolben, der so angeordnet ist, daß er sich in der Hülse hin- und herbewegt, besteht ebenfalls aus Keramikmaterial.

Die Keramikhülse kann in dem Kolben durch verschiedene Vorrichtungen festgehalten werden, zu denen beispielsweise ein Schnapp- bzw. Federring oder eine Schulter an dem Gehäuse oder an der Hülse gehören.

Der Kolben ist dicht bzw. mit sehr engen Toleranzen in der Hülse so angeordnet, daß sich sein Außendurchmesser innerhalb eines Größenbereichs von weniger als 0,127 mm (0,005 inch) vom Innendurchmesser der Hülse unterscheidet. Die Hülse ist jedoch wesentlich loser im Kolbengehäuse positioniert, so daß sie schwimmen und auf diese Weise Fehlausrichtungen oder Verzerrungen im Kolbengehäuse kompensieren kann. Elastische Dichtungen verhindern einen Gasübertritt zwischen der Hülse und dem Kolbengehäuse.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist das Keramikmaterial des Kolbens Cermet und ist das Keramikmaterial· des Kolbens etwas weicher als das Keramikmaterial der Hülse.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform gemäß der Erfindung ist das Kolbengehäuse zweiteilig, wobei der eine dieser Gehäuseteile im wesentlichen geschlossen

ist, so daß er mit dem Kolben einen Kompressions-Arbeitsraum für das Gas bildet. Der andere Gehäuseteil ist offen, um eine Verbindung des Kolbens mit einer Antriebseinrichtung zu ermöglichen. Diese Antriebseinrichtung ist vorzugsweise eine Verbindungsstange, die von einem Elektromotor kommt und mit dem Kolben über einen aus Keramik bestehenden Kolbenbolzen verbunden ist, der mit dem Kolben ein Lager bildet und durch das Kühlgas der Tieftemperatur-Kühleinrichtung geschmiert wird. 10

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines geteilten, nach dem Stirling-Zyklus arbeitenden Kühlsystems gemäß der Erfindung,

Figur 2 einen Querschnitt durch den Kompressorkolben aus Figur 1 und den den Kolben umgebenden Zylinderkopf,

Figur 3 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf und eine Hülse, der eine andere Ausführungs-■ form der Erfindung zeigt, und

Figur 4 einen Querschnitt durch einen Zylinderkopf und eine Hülse, der eine Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt, die insbesondere hinsichtlich der Reduzierung der Geräuscherzeugung durch einen Kompressor optimiert ist.

In den Figuren bezeichnen durchgehend gleiche Bezugszeichen dieselben Teile. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; es wurden statt dessen

einige Teile besonders herausgestellt, um die erfindungsgemäßen Prinzipien zu verdeutlichen.

Ein geteiltes, nach dem Stirling-Zyklus arbeitendes Kühlsystem 12 ist in Fig. 1 dargestellt. Dieses System umfaßt einen sich hin- und herbewegenden Kompressor 14 und einen Kühlfinger 16. Der Kompressor erzeugt eine sinusförmige Druckänderung in einem Volumen 18 aus unter Druck stehendem Kühlmittelgas. Diese Druckänderung wird durch die Versorgungsleitung 20 zu dem Kühlfinger 16 übertragen.

Der Kühlfinger 16 umfaßt ein zylindrisches Verdrängeroder Kolbenelement 26. Der Verdränger kann sich frei nach oben und unten bewegen und dabei die Volumina eines warmen Raumes 22 und eines kalten Raumes 24 verändern. In dem Verdränger 26 ist ein regenerativer Wärmetauscher 28 untergebracht, der in diesem Fall aus einigen hundert feinmaschigen Kupfer-Gitterscheiben besteht, die so aufeinandergestapelt sind, daß sie eine zylindrische Matrix bilden. Andere übliche Regeneratoren verwenden anstelle von Scheiben übereinandergestapelte Bälle bzw. Kugeln. Helium-Kühlgas strömt durch den Kühler zwischen dem warmen Raum und dem kalten Raum.

Eine Kolbenverlängerung 30 erstreckt sich vom Verdränger 28 nach oben zu dem Gasfedervolumen 32 am warmen Ende des Kühlfingers.

Der Kompressor 14 umfaßt ein gasdichtes Gehäuse 34, das einen sich hin- und herbewegenden Kolben 36 umschließt. Der Kolben 36 wird über einen Kurbelmechanismus von einem Elektromotor 38 angetrieben. Der Kurbelmechanismus umfaßt eine Kurbelscheibe 40, die an einer Motorwelle 42 befestigt ist, sowie eine Verbindungsstange 44. Die Verbindungsstange 44 wird von der

-ΙΟΙ Scheibe über ein Lager 46 angetrieben, das hier von zwei eng aneinander anliegenden Keramikhülsen gebildet wird. Die Verbindungsstange bzw. der Verbindungsarm 44 treibt seinerseits den Kolben 36 über einen Kolbenbolzen 48 an. Elektrische Energie wird dem Motor 3 8 mit Hilfe von elektrischen Leitungen 39 zugeführt, die durch einen Schmelzkeramik-Verbinder 37 hindurchverlaufen. Vom Kompressor erzeugte Wärme wird durch Kühlrippen 50 an die Umgebungsluft abgestrahlt, die den Kompressor-Zylinder umgeben.

Die in Fig. 1 dargestellte Kühlvorrichtung umfaßt praktisch drei isolierte Volumina von unter Druck stehendem Kühlmittelgas bzw. gasförmigem Kühlmittel. Das Kurbelwellengehäuse 34 ist hermetisch abgedichtet und enthält ein Steuer- oder Totvolumen von unter Druck stehendem Gas unterhalb des Kolbens 36. Der Kolben wirkt auf dieses Steuervolumen ebenso ein wie auf das Arbeits-Gasvolumen im Raum 18. Das Arbeits-Gasvolumen umfaßt das Gas im Zylinderkopfraum 18, in der Versorgungsleitung 20 und im Kühlfinger 16. Der Kühlfinger selbst umfaßt den warmen Raum 22, den kalten Raum 24 und die Freiräume im Regenerator 28. Das dritte Gasvolumen im Kompressor ist das Gasfedervolumen 32. Dieses Gasvolumen ist von den Arbeitsvolumina des Kühlfingers durch eine Dichtung 54 getrennt, die die Regeneratorkolben-Verlängerung 30 umgibt. Es ist eine herkömmliche Kolbendichtung 54 dargestellt, doch können auch andere Dichtungsanordnungen verwendet werden, wie sie beispielsweise in der schwebenden US-Patentanmeldung mit der Serial Nummer 241,418 beschrieben sind, die von Noel Holland am 28. März 1980 eingereicht wurde.

Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt durch den Kompressor aus Fig. 1. Diese Ansicht des Kompressors ist

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gegenüber derjenigen aus Fig. 1 um 90° gedreht. Der Kompressor aus den Fig. 1 und 2 umfaßt schwimmende oder gleitende Keramikhülsen, die einen Kolbenbetrieb mit einer ein sehr geringes Spiel aufweisenden Dichtung 67 über einen großen Temperaturbereich ermöglichen.

Der Kolben 36 besteht aus Cermet oder Keramik und bewegt sich in einer Keramikhülse 58 hin und her. Der Außendurchmesser des Kolbens ist nahezu derselbe wie der Innendurchmesser der Hülse 58 und das radiale Spiel bzw. der radiale Freiraum zwischen den beiden Oberflächen be-

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trägt nur 0,5x10 mm (2x10 inches) .Eine schwimmende Hülsenanordnung wird verwendet, um es dem Kolben zu ermöglichen, sich in einer so engen Begrenzung frei hin- und herzubewegen, ohne daß es zu einem Festfressen kommt. Ein Schnapp- bzw. Sprengring 6 2 hält die Hülse 58 in ihrer axialen Lage, während sich die Hülse gegen elastomere Dichtungen 6 8 und 70 seitlich verschieben kann. Ein relativ großes radiales Spiel 66 von ungefähr 0,025 mm (1 χ 1O~ inches) ist zwischen dem A, kopf 35 und der Hülse 58 vorgesehen.

(1 x 1O~ inches) ist zwischen dem Aluminium-Zylinder-

Der Kolben und die Hülse bestehen aus Keramik oder Cermet, um die Abnutzung möglichst gering zu halten und glatte Lageroberflächen zu erzielen. Die Härte dieser Oberflächen sollte auf der Rockwell-C-Skala wenigstens 60 betragen und ist vorzugsweise auf der C-Skala größer als 70. Die Abriebfestigkeit ist so, daß die Abnutzungsrate der beiden sich in enger Passung bewegenden Teile weniger als 0,25 χ 10 mm/Stunde ( 1 micro inch pro Stunde) beträgt. Dies ist dann gegeben, wenn die Teile eine Oberflächengüte besser als 0,4064 χ 10 ²mm (16 micro inches) besitzen. Zusätzlich füllt das gasförmige Kühlmittel den schmalen Spalt zwischen dem Kolben und der Hülse und ergibt so eine Schmierung, die die Abnützung vermindert.

Unter Cermet versteht man Materialien, die mit Metall verbundene Keramikpartikel umfassen. Typischerweise umfassen Keramikmaterialien Verbindungen von Metallen oder metallähnlichen Materialien aus den Gruppen 2,3 5 oder 4 des periodischen Systems kombiniert mit einem nichtmetallischen Element. Typischerweise ist das nichtmetallische Element Kohlenstoff, Silizium oder Bor, seltener Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Keramikmaterialien sind dadurch gekennzeichnet, daß sie hart und widerstandsfähig gegen Abrieb sind. Beispiele solcher Keramikmaterialien sind Aluminiumdioxid, Berylliumoxid, Titandioxid, Titanborid, Borkarbid, Siliziumnitrid und pyrolytischer Graphit. Wahlweise können auch andere Elemente zu einem Keramikmaterial hinzugefügt werden, um seine Verwendungseigenschaften zu optimieren. 'Titankarbid wird mit Legierungsstählen gemischt, um ein bevorzugtes Cermetmaterial zu bilden, das unter dem Warenzeichen Ferro-tic im Handel ist. Obwohl der Kolben und die Hülse nicht vollständig aus Keramik oder Cermet bestehen müssen, sollten sie zumindest eine Oberflächenschicht besitzen, die auf irgendeine Weise auf den Arbeitsoberflächen des Teils abgeschieden ist, um ein Pestfressen zu verhindern und eine Oberfläche mit geringer Reibung zu ergeben.
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Da der Kolben und die Hülse aus gleichem oder ähnlichem Material bestehen, stellen Wärmeausdehnung und Wärmekontraktion kein Problem dar. Da sich die Hülse und der Kolben thermodynamisch ausdehnen oder zusammenziehen, reicht der relativ große Spalt 66 aus, um solche Änderungen aufzunehmen. Wäre z.B. diese Hülse mit ihrer ein außerordentlich kleines Spiel aufweisenden Dichtung direkt am Kolbenkopf montiert, würde die Kontraktion des Kolbenkopfes während eines Betriebes bei niederer Temperatur dazu führen, daß sich der Kolben in der Hülse

festfressen und die Hülse zerbrechen würde. Dieses Problem hat bisher eine Grenze dafür gezogen, wie eng bzw. genau Spieldichtungen konstruiert werden konnten und daher deren Wirksamkeit begrenzt. Die hier beschriebene Dichtung mit außerordentlich kleinem Spiel wäre nicht möglich ohne die Bewegungsfreiheit,die sich durch die schwimmende Hülse ergibt. Es sei darauf hingewiesen, daß jede Verzerrung des Gehäuses oder des Kolbengehäuses 35, die durch eine äußere Bewegung oder eine geringe Be-Schädigung verursacht wird, keinen Einfluß auf die Kolben-Hülsen-Anordnung hat, was auf der Fähigkeit der schwimmenden Hülse beruht, geringfügige Verzerrungen des Gehäuses aufzunehmen bzw. zu absorbieren. Auch die Oszillationsbewegung des Kurbelarms bezüglich des Kolbens kann seitlich gerichtete Kräfte bewirken, die von der schwimmenden Hülse aufgenommen werden. Die Spieldichtungs-Anordnung, die hier dargestellt ist, kann auch bei einem Verdränger verwendet werden, um sicherzustellen, daß der Gasstrom primär innerhalb des Regenerators stattfindet.

Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung eines Cermet-Spieldichtungs-Elementes, das gegen ein Spieldichtungselement aus reinem Keramikmaterial arbeitet, besonders vorteilhaft ist. Jeglicher Schmutz bzw. Abrieb, der vom Keramikmaterial erzeugt wird, wird in dem weicheren Metall des Cermet-Materials gesammelt. Das Keramikmaterial in den beiden Spieldichtungselementen ergibt noch immer sehr harte Oberflächen von mehr als 60 auf der Rockwell-C-Skala was für die Spieldichtungselemente wünschenswert ist. Darüber hinaus beseitigt das Keramikmaterial in den beiden Spieldichtungselementen das Festfressen. Das Cermetmaterial hat gegenüber dem Keramikmaterial den Vorteil, daß es einfacher bearbeitet werden kann, so daß das kompliziertere der beiden Elemente bzw.

Teile aus Cermet hergestellt werden sollte. Im vorliegenden Fall besteht der Kolben aus Cermet.

Die Dichtungen 68 und 70 federn die Keramikhülse ab und verhindern einen Gasübertritt zwischen dem Arbeitsraum 18 und dem toten Raum 19 hinter dem Kolben. Die Dichtung 70 könnte als wahlweise zu verwendende Dichtung betrachtet werden, da die Dichtung 68 ausreicht, um ein Gasüberströmen zu verhindern; doch ist in bestimmten Fällen die Dichtung 70 nützlich, um das Volumen des toten Gasraums möglichst klein zu halten. Der Dichtring 72 hindert die Hülse daran, gegen die Oberfläche 76 des Zylinderkopfes zu prellen und nimmt in elastischer Weise jedes Spiel bzw. alle Stöße zwischen dem Zylinderkopf und der Hülse auf.

Die Verbindungsstange 4 4 treibt den Kolben über einen Kolbenbolzen 48 an, der im Klemmsitz fest mit der Stange 44 durch ein Stiftloch im Kolben 36 verbunden ist. Ein heliumgeschmiertes Hülsenlager ist zwischen dem Kolbenbolzen 48 und dem Kolben 36 an der Oberfläche 74 ausgebildet, um die Oszillation bzw. Hin- und Herbewegung der Stange bezüglich des Kolbens zu ermöglichen. Ein ausreichender Spielraum ist zwischen dem Kolben und dem Bolzen vorgesehen, so daß unter Druck stehendes Heliumgas von der Spieldichtung 67 an dem Kolbenbolzen vorbeiströmt und in den Spalt 76 zwischen der Verbindungsstange und dem Kolbenkopf eintritt. Dieser Freiraum zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kolben

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beträgt ungefähr 0,5x10 im (2 χ 10 inches). Abstandsstücke 60 verhindern, daß sich der Kolben auf dem Kolbenbolzen seitlich hin- und herverschiebt. Die Abstandsstücke bestehen vorzugsweise aus Werkzeugstahl oder mit Glas gefülltem Polytetrafluoräthylen (Teflon) und sind ungefähr 0,254 mm (0,010 inches) dick. Ein

Spalt von 0,1524 ram bis 0,0762 mm (0,006 bis 0,003 inches) bleibt zwischen dem Kolben und den Abstandsstücken, um den Durchtritt von Heliumgas zu dem Totraumbereich 19 zu ermöglichen.
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In dem Kompressor kann die Spieldichtung 67 als Strömungswiderstand betrachtet werden, der die Strömung von Gas zwischen dem Arbeitsraum 18 und dem Totraum 19 vermindert bzw. abbremst. Daher besteht wegen der nahezu sinusförmigen Änderung des Arbeitsraum-Druckes ein Umkehr-Druckabfall über die Länge der Dichtung 67 sowohl oberhalb als auch unterhalb des Kolbenbolzens. Ein Umkehr-Druckabfall wird auch über die engen Spiel-Freiräume des Kolbenbolzen-Lagers 74 hinwegerzeugt, der schmierendes Heliumgas durch das Bolzenlager drückt. Die unter Druck stehende Gasströmung, die an dem Kolbenbolzen-Lager 74 vorbeiströmt, schmiert dieses Lager, um die Reibung und Abnutzung zu verringern. Der Abschnitt der Spieldichtung 67 zwischen der Nut bzw. Rille 64 und dem hinteren Raum 19 ist sehr wichtig, weil ohne diesen Fluidwiderstand das Kolbenbolzen-Lager 74 den Druck des Rückraums 19 über seine gesamte Länge annehmen würde. Ohne einen Druckunterschied längs der Länge des Bolzens gäbe es keine Fluidströmung am Bolzen entlang für eine einwandfreie Schmierung des Lagers 74. Es sei darauf hingewiesen, daß deswegen, weil Helium ein sehr kleines Gasmolekül besitzt, die kleinen Spiel-Freiräume, die für das Gas im Kolben vorgesehen sind, mehr als ausreichend sind, um einen ständigen Gasstrom zur Schmierung des Kolbenbolzens zu erzielen.

Auch der Kolbenbolzen 48 besteht aus einem gehärteten Material, wie z.B. Cermet. Da der Kolben aus einem gehärteten Material wie z.B. Cermet besteht, sind die Berührungsoberflächen des Kolbens und des Kolbenbolzens

-16-48 gegen ein Festfressen widerstandsfähig.

Ein Festfressen tritt dann auf, wenn die Reibung zwischen sich bewegenden Teilen genügend groß und die Oberflächenfestigkeit dieser Teile genügend klein ist, so daß örtliche hohe bzw. vorstehende Punkte in dem Metall sich in anliegende Oberflächen eingraben und dort festschweissen können. Die Verwendung von cermetartigem Material ergibt harte Oberflächen, die gegen ein Festfressen widerstandsfähig sind. Bei dem einen engen Paßsitz aufweisenden Kolbenbolzen, der bezüglich des Kolbens ein

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Spiel von 0,508 χ 10 mm (2 χ 10 inches) aufweist, sind die Berührungsbelastungen ausreichend klein, um eine auf Reibung beruhende Beschädigung zu verhindern, wenn der Kolbenbolzen durch Heliumgas geschmiert wird. Das Heliumgas kühlt die Oberfläche des Bolzens und hält den Reibungskoeffizienten klein. Die Abstandsstücke 60 werden ebenfalls durch die Heliumströmung geschmiert und sind gegen ein Abreiben durch die Verbindungsstange und den Kolben während des Betriebes widerstandsfähig. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 ist eine Druck-Ausgleichrille 64 wiedergegeben. Diese Rille hat das Bestreben, den Druck um den Kolben herum auszugleichen, so daß die Heliumgas-Strömung am Kolbenbolzen vorbei die Lage bzw. Stellung des Kolbens in der Hülse nicht beeinflußt.

Die Verwendung eines heliumgeschmierten Kolbenbolzens weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Lagerarten auf, die bisher für denselben Zweck verwendet wurden. Bei der hier beschriebenen Kompressorart sind Käfiglager im allgemeinen zu groß und Hülsenlager im allgemeinen zu zerbrechlich. Es ist daher üblich, bei kleinen Kompressoren ein vollständiges Nadellager zwisehen dem Kolbenbolzen und dem Kolben zu verwenden. Mit

Schmiermittel gefüllte Nadellager neigen dazu, ein hochfrequentes Geräusch zu erzeugen, das von der Walzenbewegung im Lager stammt. Die Walzen neigen dazu, gegeneinander und gegen den Kolbenbolzen zu schlagen. Weiterhin kann aus dem mit Schmiermittel gefüllten Lager Schmiermittel in die Heliumumgebung austreten. Eine solche Verschmutzung kann zu einer Verschlechterung des Kühlungswirkungsgrades führen. Diese Probleme werden durch den heliumgeschmierten Kolbenbolzen vermieden, der nahezu geräuschlos ist, und von dem absolut keine Verschmutzungsgefahr ausgeht. Es sei darauf hingewiesen, daß der geschmierte Kolbenbolzen dieselben Vorteile in einem Kolben eines Stirling-Motors aufweisen würde.

Der Gummidichtring 72 und die Dichtringe 68 und 70 neigen dazu, die Hülse und den sich hin- und herbewegenden Kolben vom Kolbengehäuse 35 zu isolieren. Dies vermindert zusätzlich die hochfrequenten Geräusche, die von dem sich hin- und herbewegenden Kolben 36 erzeugt werden. Darüber hinaus vermindert der Dichtring Fluktuationen in den Druckunterschieden über den O-Ring 68 und . vermindert damit die Abnutzung des O-Ringes.

Fig. 3 ist der Querschnitt durch einen Zylinderkopf ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten Zylinderkopf mit der Ausnahme, daß hier eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung wiedergegeben ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein zweistückiger Kolbenkopf 78, 80 mit einer Indium-Dichtung 82 zusammengebaut. Wenn die Kopf-Gehäuseteile zusammengesetzt werden, wird eine Schulter 85 einer Hülse 84 lose in ihrer Lage festgehalten.

Die Keramikhülse 84 wirkt im wesentlichen in derselben Weise wie die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Hülse.

Ein außerordentlich kleines Spiel ist zwischen dem Cermet-Kolben 36 und der Hülse 84 vorgesehen, während ein großer Spalt zwischen der Hülse und den Gehäuseteilen 78, 80 frei bleibt. Zwei Dichtungen 86 und 88 dienen dazu, ein Überströmen von Gas zwischen dem Arbeitsraum 18 und dem Rückraum 19 zu verhindern. Dieses Überströmen von Gas würde auftreten, wenn der Gaspfad zwischen der Hülse und dem Kolben offengelassen würde. Die Dichtung 88 begrenzt auch die Größe des Totraumvolumens 19.

Zusätzlich zu den Vorteilen einer ein kleines Spiel aufweisenden Spieldichtung, die in Verbindung mit dem vorausgehenden Ausführungsbeispiel erwähnt wurden, ergibt sich ein Vorteil bei dieser Ausführungsform aus der Ausdehnung der Spieldichtung selbst. Die Kolbenhülse 84 erstreckt sich vom unteren Kolbenkopf 7 8 nach unten um die axiale Länge der Spieldichtung zu vergrößern. Während eines großen Teils des Kolbenhubes wird die Spieldichtung unter Verwendung des gesamten Kolbens gebildet. Je länger die axiale Länge einer solchen Dichtung ist, desto wirksamer ist sie und eine umso kleinere Undichtigkeit läßt sie zu.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der Einfachheit des Zusammenbaus, die sich durch die Verwendung eines zweiteiligen Zylinderkopfes ergibt. Ohne eine schwimmende Hülse wäre es außerordentlich schwierig zweiteilige Zylinderköpfe mit Spieldichtungen zu bearbeiten. Dies ist deshalb der Fall, weil die exakte Dimensionierung, die bei Spieldichtungen erforderlich ist, erhebliche Ausrichtungsprobleme für jede zweiteilige Anordnung mit sich bringt. Eng tolerierte Spieldichtungen in einem zweistückigen Zusammenbau würden bei winzigsten Zusammenbaufehlern dazu führen, daß sich der Kolben festfrißt. Bei dieser Ausführungsform

werden alle geringen Fehlausrichtungen durch den Spalt zwischen der Spieldichtung und dem Kolbenkopf aufgenommen, ohne daß hierdurch das Arbeiten des Kolbens beeinflußt wird.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, die besonders für eine Geräuschverringerung optimiert worden ist. Sich hin- und herbewegende Kolben der hier beschriebenen Art neigen dazu, hochfrequente Geräusche zu erzeugen. Die in Fig. 4 dargestellte Kolben-Hülsen-Anordnung isoliert den Kolben und die Hülse vom Zylinderkopf in einer Weise, die Geräusche dämpft.

Der Zylinderkopf besteht aus zwei Abschnitten 79 und 81, die mit einer Indium-Dichtung 83 verbunden sind.

Die Indium-Dichtung verhindert ein Austreten des Arbeits-Fluids aus dem Kompressor. Dichtringe 90 und 92 isolieren die Hülse und ihre Vibrationen und ihre Geräusche vom Zylinderkopf. Die Dichtung 88 verhindert einen Gasübertritt und verkleinert die Größe des Totraums. Gummi-Schichtanordnungen, die von den Dichtungen 90 und 92 gebildet werden, erzeugen eine 50 %-ige Verringerung der Geräusche in dem Bereich von 500 bis 4000 Hertz im Vergleich mit einem Kompressorkolben mit integralen Hülsen. Zusätzlich kann auch das Lager zwischen der Verbindungsstange 48 und der Nockenwelle durch eine Gummi-Schichtanordnung gepolstert bzw. gefedert werden, wodurch hochfrequente Geräusche zusätzlich verringert werden. Ein bevorzugtes Material für die geräuschdämpfenden Dichtungen ist 80 90 Duro-Polyurethan-Gummi.

Hinsichtlich der meisten Gesichtspunkte ist diese Dichtungsausführungsform ganz ähnlich derjenigen, die unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde. Es ist ein großer Spalt zwischen dem Zylinderkopf und der Keramik-

1 hülse vorhanden, während ein außerordentlich kleiner Freiraum zwischen dem Cermet-Kolben und der Hülse vorhanden ist. Die Hülse selbst kann etwas innerhalb des Zylinderkopfes schwimmen und gleicht dadurch alle Un-

5 gleichmäßigkeiten aus, die auf temperaturbedingten Änderungen oder einer Fehlausrichtung der beiden Zylinderkopf-Stücke beruhen.

15 Ende der Beschreibung

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Claims

PATENTANWÄLTE

UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER · DR.-ING. DIPL.-ING. ANNEKÄTE WEISERT · DIPL.-PHYS. JOHANNES SPIES

IRMGARDSTRASSE 15 · D-8OOO MÜNCHEN 71 · TELEFON O89 /79 7O 77 TELEGRAMM KRAUSPATENT · TELEX 5-212156 kpat d · TELEFAX (OSS) 7 9182

JS/5/4642

Helix Technology Corporation

266 Second Avenue

Waltham, Massachusetts 02154

USA

Kolbendichtungsanordnung für Tieftemperatur-Kühlkompressoren

PATENTANSPRÜCHE

(^1. Kolbendichtungsanordnung für Tieftemperatur-Kühlkompressoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Bestandteile umfaßt: ein Kolbengehäuse, eine Hülse, die aus Keramik besteht und so angeordnet ist, daß sie in dem Gehäuse schwimmen kann, wobei eine beträchtliche zwischen zwei Spitzenwerten schwankende Druckänderung an dem einen Ende der Hülse und ein relativ konstanter Druck am anderen Ende der Hülse herrschen, und einen Kolben, der Keramikmaterial umfaßt und in der Hülse für eine axiale Hin- und Herbewegung positioniert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse in dem Kolbengehäuse mit Hilfe eines Schnappringes festgehalten ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Kolbengehäuse aus zwei Teilen besteht und die Hülse durch den Zusammenbau des zweiteiligen Kolbengehäuses in ihrer Lage festgehalten ist.
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4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der in der Hülse angeordnete Kolben einen Außendurchmesser besitzt, der mit einer Genauigkeit von 0,127 mm dem Innendurchmesser der Hülse entspricht.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Keramikmaterial des Kolbens Cermet ist.
6. Kolbendichtungsanordnung für Tieftemperatur-Kühlkompressoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Bestandteile umfaßt: ein zweiteiliges Gehäuse mit einer Dichtung zwischen den beiden Teilen des Lagers, eine Hülse, die Keramikmaterial umfaßt und durch den Zusammenbau der beiden Teile des Gehäuses lose in ihrer Lage gehalten wird, einen Kolben, der aus Keramikmaterial besteht und für eine axiale Hin- und Herbewegung in der Hülse angeordnet ist, wobei der Kolben mit dem einen der Kolbengehäuseteile einen im wesentlichen geschlossenen Arbeitsraum für die Kompression von Gas bildet und wobei der andere Kolbengehäuseteil offen ist, um eine Verbindung von Antriebseinrichtungen mit dem Kolben zu ermöglichen,eineSpiel- dichtung zwischen dem Kolben und der Hülse und eine

Hill «III

elastische Dichtung ,die dazu dient, ein Austreten von Gas zwischen der Hülse und dem Gehäuse aus dem Kompressionsraum des Kolbens heraus zu verhindern.
7. Kolbendichtungsanordnung für eine Helium-Tieftemperaturkühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühleinrichtung einen sich hin- und herbewegenden Verdränger in einem Kühlzylinder umfaßt, daß der Verdränger zu seiner hin- und hergehenden Bewegung durch den Druckunterschied zwischen Heliumgas in dem Kühlzylinder und Gas in einem Gasfeder-Volumen angetrieben wird, daß der Kühlzylinder in einer Fluid-Verbindung mit einem Kompressorraum in einem Kompressorzylinder steht, wobei der Kompressorraum und der Kühlzylinder ein geschlossenes Arbeitsvolumen von Heliumgas umschließen, das durch einen Kolben in dem Kompressorgehäuse komprimiert und expandiert wird, und daß die Kühleinrichtung weiterhin eine Fluiddichtung zwischen den Enden des Kompressorkolbens umfaßt, die aus einer Spieldichtung mit geringer Reibung zwischen einer harten, glatten Wand einer schwimmenden Hülse, die lose im Kompressorgehäuse positioniert ist, und einer harten, glatten Zylinderwand gebildet ist.
8. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der radiale Freiraum zwischen der Spieldichtung und dem Kolben weniger als 0,00254 mm beträgt.
9. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse Keramikmaterial umfaßt.
10. Kühleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e kennzeichnet, daß der Kolben aus Cermet besteht.

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11. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kurbelmechanismus für eine oszillierende Bewegung mit dem Kolben vermittels eines aus Keramikmaterial bestehenden Kolbenbolzens

5 verbunden ist, der ein Hülsenlager bildet und durch das Heliumgas geschmiert wird.