DE3812430A1 - Verfahren zur herstellung eines verdraengers fuer den kaltkopf eines kryo-refrigerators und nach diesem verfahren hergestellter verdraenger - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines verdraengers fuer den kaltkopf eines kryo-refrigerators und nach diesem verfahren hergestellter verdraengerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines aus Kunststoff bestehenden Verdrängers für den Kaltkopf
eines Kryo-Refrigerators sowie auf einen nach diesem Verfahren
hergestellten Verdränger.
Refrigeratoren sind Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen
thermodynamische Kreisprozesse (Stirling, Gifford-Mac Mahon oder
dergleichen) ablaufen. Ein einstufiger Refrigerator umfaßt einen
Arbeitsraum mit einem Verdränger. Der Arbeitsraum wird in be
stimmter Weise alternierend mit einer Hochdruck- und einer
Niederdruck-Gasquelle verbunden, so daß während der erzwungenen
Hin- und Herbewegung des Verdrängers der thermodynamische Kreis
prozeß abläuft. Dabei wird das Arbeitsgas in einem geschlossenen
Kreislauf geführt. Die Folge ist, daß einem bestimmten Bereich
des Arbeitsraumes Wärme entzogen wird. Mit zweistufigen Refrige
ratoren dieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich Tempe
raturen bis unter 10 K erzeugen.
Ein Verdränger, der üblicherweise in seinem Inneren einen Rege
nerator (Zweiweg-Wärmetauscher) aufnimmt, muß folgende Eigen
schaften haben: Seine Festigkeit, insbesondere bei den auftre
tenden tiefen Temperaturen, seine Gleiteigenschaften und
seine Alterungsbeständigkeit müssen gut sein. Er muß ein
schlechter Wärmeleiter sein, damit der Wärmeaustausch zwischen
seinem kalten und seinem warmen Ende klein bleibt. Sein ther
mischer Ausdehnungskoeffizient und seine spezifische
Wärmekapazität müssen gering sein. Ebenso muß er eine geringe
Wasseraufnahme haben (Hygroskopie).
Diese Eigenschaften haben die bisher bekannten Verdränger von
Refrigeratoren. Diese werden zerspanend aus Rohlingen herge
stellt, wobei die Rohlinge aus einem Gewebekunststoff bestehen,
dessen Kunststoffanteil Phenolharz oder Epoxiharz ist. Bei dieser
Art und Weise der Herstellung der Verdränger entstehen relativ
hohe Materialverluste bei einem relativ hohen Materialpreis. Die
zerspanende Herstellung ist aufwendig und kostspielig. Das
Material nimmt während der Herstellung Feuchtigkeit auf, so daß
aufwendige Trocknungsprozesse erforderlich sind. Fertige Ver
dränger müssen unter Schutzgas aufbewahrt werden, um eine Feuch
tigkeitsaufnahme zu vermeiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung eines aus Kunststoff bestehenden
Verdrängers sowie einen danach hergestellten Verdränger anzuge
ben, bei dem diese Nachteile nicht mehr bestehen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die den
Verdränger bildenden Teile aus einem Thermoplast durch Spritzen
hergestellt werden. Vorzugsweise wird als Thermoplast hochmole
kulares Niederdruck-Polyäthylen verwendet. Auch die Verwendung
von Polyamiden und -imiden ist möglich. Bei einer Herstellung von
Verdrängern entfallen zerspanende Schritte nahezu vollständig.
Die Gefahr überhöhter Feuchtigkeitsaufnahme besteht nicht mehr,
so daß weiterhin sowohl die aufwendigen Trocknungsprozesse als
auch die Aufbewahrung fertiger Verdränger unter Schutzgas ent
fallen können.
Besonders vorteilhaft ist, daß bereits während des erfindungs
gemäßen Herstellungsschrittes Lippendichtungen, Gleit- bzw.
Stützelemente, Elemente für Schnappverschlüsse und Schnappver
bindungsgelenke mitangespritzt werden können. Auch Verstärkungs
elemente, die ein Schrumpfen des Materials insbesondere in
Bereichen der Dichtungen verhindern sollen, können während des
Herstellungsprozesses integriert werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von
in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge
stellten Verdränger 1 mit einem Hohlraum 2, der den nicht darge
stellten Regenerator aufnimmt. Der im wesentlichen zylindrische
Verdränger, dessen Achse mit 3 bezeichnet ist, besteht im we
sentlichen aus zwei Teilen, nämlich einem Gehäuseteil 4 und einem
Bodenteil 5. An das Gehäuseteil 4 ist der Antriebskolben 6
angespritzt. Auch die Bohrungen 7 und 8 im Gehauseteil 4 und 11,
12 im Bodenteil 5 können gleichzeitig mit dem Spritzvorgang
hergestellt werden. Ein besonderer Bearbeitungsschritt ist nicht
erforderlich.
Fig. 1 zeigt zwei verschiedenartig gestaltete Dichtungssysteme
13 und 14. Das Dichtungssystem 13 umfaßt - wie vielfach vorbe
kannt - einen Kunststoffdichtring 15 mit unterlegtem O-Ring 16.
Der Ring 15 kann ebenfalls durch Spritzen hergestellt werden. Die
Außennut 17 am Verdrängergehäuse 4 ist ebenfalls während des
Spritzvorganges entstanden.
Das Dichtungssystem 14 umfaßt eine umlaufende Lippe 18, der eine
ebenfalls umlaufende Aussparung 19 im Verdrängergehäuse 4 zuge
ordnet ist. Lippe 18 und Aussparung 19 können ebenfalls gleich
zeitig mit dem Spritzvorgang entstehen.
Der Boden 5 ist am Gehäuseteil 4 mittels eines Schnappver
schlusses 21 gehaltert. Zur Bildung des Schnappverschlusses 21
sind am Bodenteil 5 und am Gehäuseteil 4 sich axial erstreckende
Rastabschnitte 22 und 23 vorhanden, welche sich axial erstrecken
und umlaufend oder abschnittsweise ausgebildet sein können. Zur
Sicherung der Verbindung ist der innere Rastabschnitt 23 mit
einem inneren Verstärkungsring 24 ausgerüstet, welcher z. B. aus
Edelstahl besteht. Dieser Ring 24 verhindert eine
Einwärtsbewegung des Rastabschnittes 23, die in Folge einer
Werkstoffschrumpfung eintreten könnte.
Am Bodenteil 5 ist weiterhin ein Stumpf 25 angespritzt, der der
Halterung eines weiteren Verdrängers 26 einer zweiten Refrigera
torstufe dient. Der Stumpf 25 ist mit einem ballig geformten
Vorsprung 27 ausgerüstet. Dieser umlaufende Ring 27 greift in
eine entsprechende Nut 28 einer rohrabschnittsförmigen Verlänge
rung 29 am Verdränger 26. Dadurch entsteht ein Schnappverbin
dungsgelenk, welches eine begrenzte Verschwenkbewegung des
Verdrängers 26 zuläßt.
Fig. 2 zeigt eine Variante des Gelenkes nach Fig. 1. Anstelle
der balligen Formung des Endstückes 27 des Stumpfes 25 ist ein
kugelschalenförmiger Abschnitt 30 a vorgesehen, der in eine
korrespondierende Ausnehmung 30 b an der zweiten Stufe 26 ein
greift. Segmente 30 c umgreifen sichernd den Abschnitt 30 a.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Verdränger 1 ist der Boden 5 mit
dem Gehäuse 4 verschraubt. Der Boden 5 trägt einen sich axial
durch das Gehäuse 4 erstreckenden Dorn 31, dessen Verlängerung
der Antriebskolben 6 ist. Der Dorn 31 dient der Halterung eines
Regenerators, der durch Wickeln eines Gewebebandes um den Dorn
herum entsteht. Die Zuströmöffnung 32 für das Arbeitsgas ist
kreisringförmig gestaltet. Die Innenseite des äußeren Gehäuse
teiles 14 ist in Höhe des Dichtungssystemes 13 mit einem Ver
stärkungsring 33 - wieder vorzugsweise aus Edelstahl - ausgerü
stet. Der Verstärkungsring 33 dient der Verhinderung eines
Schrumpfens des Werkstoffes. Ein Schrumpfen des Werkstoffes im
Bereich von Dichtungssystemen könnte ein Nachlassen der Dicht
kraft zur Folge haben.
Das dem Boden 5 zugewandte Ende des Gehäuseteiles 4 ist beim
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 mit Lippenabschnitten 34, 35
ausgerüstet, von denen mehrere gleichmäßig auf den Umfang ver
teilt angeordnet sind. Jedem Lippenabschnitt 34 bzw. 35 ist eine
Aussparung 36 bzw. 37 zugeordnet. Fig. 4 zeigt eine Draufsicht
auf den Lippenabschnitt 35 mit seiner Aussparung 37. Lippenab
schnitte dieser Art bilden eine Art Gleitkufe mit Stützfunktion.
Der mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen verbundene
Vorteil liegt im wesentlichen darin, daß die dargestellten
Verdränger in einfacher Weise durch Spritzen hergestellt werden
können. Die Verstärkungsringe 24, 33 können ebenfalls an- oder
eingespritzt werden. Auch die Nuten 17, die Lichtlippen 18, 34,
35, die Rastabschnitte 21, 23 und das Schnappgelenk 27 bis 29
können während des Spritzvorganges entstehen.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung eines aus Kunststoff bestehenden
Verdrängers (1) für den Kaltkopf eines Kryo-Refrigerators,
dadurch gekennzeichnet, daß die den Verdränger bildenden
Teile (4, 5) aus einem Thermoplast durch Spritzen herge
stellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
den Verdränger bildenden Teile (4, 5) aus einem hochmoleku
laren Niederdruck-Polyäthylen, Polyamid, Polyimid oder dgl.
gespritzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Verstärkungsbauteile (24, 33), vorzugsweise aus Edel
stahl, in die Kunststoffkörper (4, 5) eingespritzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß Nuten (17) zur Aufnahme von Dichtsystemen
und/oder Gasein- und Ausstromkanäle (7, 8) mitgespritzt
werden.
5. Nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 4 hergestellter
Verdränger, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Gehäu
seteil (4) und einem Bodenteil (5) besteht.
6. Verdränger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
Bodenteil (5) und Gehäuseteil (4) durch einen Schnappver
schluß (21) miteinander verbunden sind.
7. Verdränger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bodenteil (5) einen in das Innere des Verdrängers
(1) hineinragenden zentralen Dorn (31) trägt.
8. Verdränger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
zentrale Dorn (31) den Antriebskolben (6) trägt.
9. Verdränger nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Bodenteil mit einem zentralen Stumpf (25)
ausgerüstet ist, der zur Bildung einer Gelenkverbindung mit
einem balligen Element (27) versehen ist.
10. Zweistufiger Verdränger nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß auch der Verdränger (26) der zweiten Stufe
durch Spritzen hergestellt ist und daß die beiden Stufen
miteinander durch ein Schnappverbindungsgelenk (27, 28, 29)
miteinander verbunden sind.
11. Verdränger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß lippenförmige Dichtungen (18) oder
Stützelemente (34, 35) angespritzt sind.
12. Verdränger nach 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Höhe einer
Nut (17) für ein Dichtsystem (13) ein Verstärkungsring (33)
vorgesehen ist.
13. Verdränger nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die ringförmigen Dichtungsringe (15) des
Dichtungssystems (13) ebenfalls gespritzt werden.
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