DE2356841A1

DE2356841A1 - Tieftemperaturkaeltemaschine

Info

Publication number: DE2356841A1
Application number: DE2356841A
Authority: DE
Inventors: Walter Herbert Bamberg; James Allan O'neil
Original assignee: Cryogenic Technology Inc
Current assignee: Cryogenic Technology Inc
Priority date: 1972-11-21
Filing date: 1973-11-14
Publication date: 1974-05-30
Also published as: US3802211A; JPS4983043A; GB1449192A

Description

Die Erfindung betrifft eine Tieftemperaturkältemaschine mit Temperaturabstufung und insbesondere eine Tiefte.mperat.urkälte~ maschine in Stufenbauweise mit Temperatur abstufung^ die bei

(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*

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 Reduzierung

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 Gehäuse_f 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.

Us ist jedoch, nicht durchführbar, den Durchmesser der kälteren Kältekammern ohne Rücksicht auf verschiedene begrenzende Faktoren

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.

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 j

'verbunden sind. Ferner soll eine derartige Tieftemperaturkälte- i

,maschine so ausgebildet werden, daß der Massenstrom für jede !

Stufe optimal ausgelegt, der Regeneratorwirkungsgrad erhöht j

:und das p.V-Diagramm irgendeiner Stufe für eine erwünschte ;

.Leistungsfähigkeit optimiert werden kann·. ~ ]

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.

Eine Tieftemperaturkältemaschine, die die Aufgabe der Erfindung ^; löst, ist so ausgebildet, daß ein expansibles Hochdruckfluid aus 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.

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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-PS

2 657 553 beschrieben wird, und nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeiten, der in der US-PS 1 275 507 beschrieben wird.

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-PS

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. ^:

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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

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.

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.

erhält, die bis zu etwa 20 Watt Kälte bei 10⁰K oder darunter

Die-Erfindung umfaßt die Merkmale der Bauweise, der Kombination von Elementen und der Anordnung von Teilen, wie sie im folgenden erläutert werden.

Beispielsweise Ausführungsformen nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt einer zweistufigen j

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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.

Fig. 2 stellt eine Abänderung der Kältemaschinen nach Fig. 1 dar, wobei die Regeneratoren außerhalb des Gehäuses der Kältemaschine angeordnet sind. ■ .

: Fig. 3 -ist ein schematiseher Längsschnitt durch eine ^: dreistufige Kältemaschine, die nach der Erfindung ausgebildet

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.

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 . ■ ■

ι Fig. 8 bis 11 erläutern die Stufen in der Betriebsweise ; der variablen Kopplungseinrichtung nach den Fig. 4 und 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. 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. 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

sehen ist. ' . . ; .- :. - — . ._ 7 _

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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. _.*--..- '

Fig. 16 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform, bei der die variable Kopplungseinrichtung zwischen den Kolben eine Kombination aus Flächenanlage und einer Halteeinrichtung

.ist, die am Gehäuse der Kältemaschine angebracht ist.

¹ Fig. 17 bis 19 erläutern die Arbeitsstufen der -Kälte-, maschine nach 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. . .

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.

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Fig. 22 ist ein schematischer Längsschnitt einer zweistufigen Kältemaschine nach der Erfindung,, die nach dem Stirlingl Kreisprozeß arbeitet.

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.

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. Zur_v Vereinfachung der Erläuterung und zur Anpassung der 'Beschreibung an Kältemaschinen mit zwei, drei oder mehr Stufen

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werden die Ausdrücke "größter Durchmesser", "kleinster Durch- f

¹ messer" usw. in Verbindung mit Kolben, Verdrängern und Kälte- 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

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

beiden Abschnitte über eine Ringschulter 13 miteinander in Verbindung stehen. In dem Gehäuseabschnitt 11 bildet ein Ver- ,

i 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

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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.

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 steht_r 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.

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 auf_r 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-

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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. .

■ 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

Die Vorrichtung nach Fig. 2, in der für gleiche Bauteile die

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!

sind und der Strömungsweg des Fluids zusätzlich zu den Regenera-| j tor en 48 und 49 Fluidleitungen 50 bis 53 umfaßt. Die der ein- ^!

fächeren Darstellung wegen schraffierten Verdränger 54 und 55 ί

■ können hohl oder kompakt ausgebildet sein.

■ 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, ■

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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.

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.

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'»·

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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.

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-

' 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

; 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.

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 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.

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 sich

^: nach innen erstreckenden Bund 11.9".um die öffnung eines Hohl-

; raums 28a im Eingriffsende des Verdrängers 17 zum Anliegen kommt. Als Abdeckung für den Regenerator 31 ist eine perforierte!

!Platte 108a vorgesehen. Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 6 ist identisch mit der nach 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 erläuterte

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 erläutern

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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.

Bei der Beschreibung der Arbeitsweise dieser Vorrichtung kann ; davon ausgegangen werden, daß ein Arbeitszyklus mit dem voll- \

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.

Bei Erreichen des maximalen Volumens (Fig. 10) wird der Auslaßschieber geöffnet. Die Reibung der Dichtung reicht aus,, den

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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).

' Der Effekt der variablen Kopplungseinrichtung für die Kältemaschine im p,V-Diagramm ist aus den Fig. 13 und 14 zu ersehen. Die Fig_o 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 Kammer_v 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 .

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bei diesen tiefen Temperaturen eine hohe Wärmekapazität hat.

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 Kältekammer

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 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,

verringerten Massenstroms in die Kältekammer 18 und reduzierte Regeneratorverluste im wesentlichen die gleichen.

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 Verdränger

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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.

j ■ ■ ■

- Da keinerlei besondere mechanische Verbindung zwischen den

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 den

.[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.

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.

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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 Kältekammer

18 der Kältemaschine nach Fig. 16 wiedergibt, zeigt, daß es ;

im wesentlichen äquivalent ist zu der linken Seite des p,V-Dia- .

gramms für die Kältekammer mit dem größeren Durchmesser, wie !

aus Fig. 13 hervorgeht. ' '

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, j

; daß die warme Kammer 15 nicht vorhanden ist. Entsprechend dem !

; Unterschied der beiden Kreisprozesse liefert der Arbeitszyklus "

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. '

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- '

:_ratpren_ 3_Q_und 31 Jcann identisch mit dem in Verbindung mit den

. - ig -

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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.

,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. 16

iverwendet werden. ·

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 Durchmesser

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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.

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.

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 als

. _ 21 -

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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. ■ .-

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 werden

.durch.. öle Vers,chiebebe_wegung_eInes Kolkens. _1.9Ζ_ mit., .größerem

— 22 "<-

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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.

Der Verdränger 197 wird durch eine Kolbenstange 202 verschoben, die gleichfalls an der Kurbel 192 befestigt ist. Im allgemeinen

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.

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. 1_f 20 und 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.ÖTaien_t 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.

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,

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i mittels einer optimalen Kombination von kammerdurchmesser und_t Hubweg des Kolbens eingestellt werden können, der die Kammern in einem Gehäuse bildet.

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Claims

Patentansprüche

in .iTieftemperaturkältemaschine mit Temperaturabstufung, bei der wenigstens zwei Kolben unterschiedlichen Durchmessers in einem fluiddichten Gehäuse von abgestufter Ausgestaltung zur Ausbildung wenigstens zweier Kältekammern unterschiedlichen Durchmessers hin und her bewegbar sind, die Kälte auf verschiedenen Temperaturhöhen abgeben und durch einen Strömungsweg für das Fluid miteinander verbunden sind, wobei der Kolben mit dem größten Durchmesser mit einer außen angeordneten Antriebseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine variable Kopplungseinrichtung (25) zwischen den Kolben (14,17) angeordnet und so ausgestaltet ist, daß der Kolben (14) mit größtem Durchmesser wenigstens einen der anderen Kolben über einen Hubweg verschiebt, der kleiner ist als der Hubweg des Kolbens mit.größtem Durchmesser.

2. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung (25) einen am Eingriffsende eines der Kolben befestigten Bund (26) und eine am Eingriffsende des anderen Kolbens angebrachte Lippe (27) aufweist, die an dem Bund (26) zur Anlage bringbar ist.

3. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (118) am Kolben (14) mit dem größten Durchmesser und die Lippe (119) am anderen Kolben (17) ausgebildet ist.

4. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Lippe· (27) am Kolben (14) mit größtem Durchmesser und der Bund (26) am anderen Kolben (17) ausgebildet ist.

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5. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (116) vorgesehen ist, welche den Bund (26) an der Lippe (27) anliegend hält, wenn das Volumen der Kältekammer (16) mit dem größten Durchmesser ansteigt und während es den Maximalwert beibehält (Fig. 12)·.

6. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung

.. am Eingriff sende des anderen Kolbens (17) eine Anlagefläche in Form eines Bundes (26) und in dem Kolben (14) mit größtem Durchmesser einen Hohlraum (28) umfaßt, der eine Anlagefläche (.10.9) bildet und eine in die Kältekammer (16) mit dem größten Durchmesser mündende Öffnung aufweist, die mit einer sich nach innen er-

. streckenden Lippe (27) für die Anlage an dem Bund (26) versehen ist, wobei dieser Hohlraum (28) so ausgelegt ist, daß eine Verschiebebewegung des anderen, in diesen Hohlraum eingreifenden Kolbens (17) möglich ist (Fig..4»5,7)-.

7ο Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 1 j dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung eine das Eingriffsende des anderen Kolbens (17) begrenzende Anlagefläche in der Form einer Lippe (119) aufweist, ferner einen in dem Kolben (14) mit größtem Durchmesser ausgebildeten Hohlraum (28) _s der eine Anlagefläche (109) bildet und eine in die Kältekammer (16) mit dem größten Durchmesser mündende öffnung aufweist, wobei dieser Hohlraum so ausgelegt ist_? daß • eine Verschiebebewegung diesesanderen _g darin eingreifenden Kolbens (17) möglich igt_? und einen mit einem , Bund-(118) versehenen Zapf.en.(117)_s der für die Anlage an der Lippe (119) vorgesehen und auf der Kontaktfläch© _s (109) angebracht ist, wobei, er sich in diesen Hohlraum (28) erstreckt (Figο 6)ο

8. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch "j, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung einen !

• Zapfen {130) aufweist, der an dem Wahdabschnitt des Ge- ·

häuses (10) befestigt ist, der das Ende der Kältekammer !

(18) mit dem kleinsten Durchmesser bildet, wobei dieser j

Zapfen in einem Bund (131) endigt, ferner einen Hohlraum j (135)· in dem anderen Kolben (123)» der durch seine Verschiebebewegung die Kältekammer (18) mit dem kleinsten Durchmesser bildet, wobei dieser Hohlraum eine Anlage- i fläche bildet und eine in die Kältekammer mit dem kleinsten j Durchmesser mündende Öffnung aufweist, die mit einer nach ! innen gerichteten Lippe (134) zur Anlage an dem Bund (131) ι versehen ist, und schließlich eine Feder (136), die den Bund (131) an der Lippe (134) anliegend hält, vena das ■■ Volumen der Kältekammer (18) mit dem kleinsten Durchmesser größer wird und während es den Maximalwert beibehält ..(Fig. 16) ♦

9. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 1, bei

der wenigstens zwei Kolben unterschiedlichen Durchmessers in einem fluiddichten Gehäuse von abgestufter Ausgestaltung ; zur Ausbildung wenigstens zweier Kältekammern unterschied- j liehen Durchmessers hin und her bewegbar sind, die Kälte j auf verschiedenen Temperaturhöhen abgeben und durch einen Strömungsweg für das Fluid miteinander verbunden sind, der eine innerhalb dieser Kolben angeordnete Wärmespeichereinrichtung aufweist, wobei der Kolben mit dem größten Durcumesser mit einer außen angeordneten Antriebseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine variable Kopplungseinrichtung (25) zwischen den Kolben (14,17) angeordnet und so ausgestaltet Ist_e daß der Kolben (14) mit ■ größtem Durchmesser wenigstens einen der anderen Kolben über einen Hubweg verschiebt«, der kleiner* ist als der Hubweg des Kolbens mit größtem Durchmesser. ,

ι. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung (25.)

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einen am Eingriff sende eines der Kolben befestigten Bund¹ (26) und eine am Eingriff sende des anderen Kolbens angebrachte Lippe (27) aufweist, die an dem Bund (26) zur Anlage bringbar ist.

ο Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (118) am Kolben (14) mit dem größten Durchmesser und die Lippe (119) am anderen Kolben (17) ausgebildet ist.

12. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippe (27) am Kolben (14) mit größtem Durchmesser und der Bund (26) am anderen Kolben (17) ausgebildet ist.

13. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung eine erste Kappe (100) aufweist, die am Eingriffsende des anderen Kolbens (17) angebracht ist und in einem Bund (26) endigt, wobei sie so ausgebildet ist, daß sie eine Fluidverbindung mit der Wärmespeichereinrichtung (103) in diesem anderen Kolben (17) ergibt, und eine zweite Kappe (104), die am Kolben (14) mit dem größten Durchmesser angebracht ist und eine Anlagefläche sowie eine in die Kältekammer. (16) mit dem . größten Durchmesser mündende Öffnung aufweist, die mit einer nach innen gerichteten Lippe (27) für die Anlage an den Bund (26) versehen ist, wobei der Hohlraum (28) so gestaltet ist, daß eine Verschiebebewegung des darin eingreifenden Kolbens (17) möglich ist, und eine Fluidverbindung zwischen diesem Hohlraum und der Wärmespeichereinrichtung vorgesehen ist, die innerhalb ! des Kolbens (14) mit dem größten Durchmesser angeordnet

ist. ..

ι - "■ -

I14. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (116) vorgesehen ist,

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welche den Bund (26) an der Lippe (27) anliegend hält, j wenn das Volumen der Kältekammer (26) mit dem größten ! Durchmesser ansteigt und während es den Maximalwert beibehält.

j nach Anspruch 9,

'15. Tieftemperaturkältemaschineyiur Abgabe von Kälte, auf ^! wenigstens zwei Temperaturhöhen, gekennzeichnet durch : ein Gehäuse (10'), das aus wenigstens zwei zylindrischen j Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers ausgebildet j ist und einen fluiddichten, abgestuften Raum bildet; j durch wenigstens zwei Kolben (14,17) unterschiedlichen

Durchmessers, die in dem zugeordneten Gehäuseabschnitt j verschiebbar sind, wobei sie durch ihre Verschiebebewegung wenigstens zwei hinsichtlich des Volumens variable Kältekammern (16,18) mit unterschiedlichem Durchmesser

! und unterschiedlichem Maximalvolumen bilden, und die \ in diesen Kammern erzielbaren Temperaturen mit abnehmendem Kammerdurchmesser abnehmen; durch- einen Strömungsweg für das Fluid zwischen den Kältekammern (16,18) mit einer ' Wärmespeichereinrichtung (31); durch eine dem Kolben (14) mit dem größten Durchmesser zugeordnete, außen angeordnete Antriebseinrichtung (19) zur Steuerung von dessen Verschiebe·· bewegung in dem Gehäuse und durch eine variable Kopplungseinrichtung (25), die einen Eingriff zwischen diesen Kolben (14,17) in der Weise vorsieht, daß der Kolben (64) mit dem größten Durchmesser den anderen Kolben (65,66) eine solche Verschiebebewegung erteilt, daß wenigstens einer von diesen Kolben einen Hubweg ausführt, der kleiner ist als der Hubweg des Kolbens mit dem größten Durchmesser.

16. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung (25) einen am Eingriffsende eines der Kolben befestigten Bund (26) und eine am Eingriffsende des anderen Kolbens angebrachte Lippe (27) aufweist, die an dem Bund (26) zur Anlage bringbar ist.

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17ο Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch IS₉ dadurch gekennzeichnetρ daß der Bund (118) am .Kolben (14) mit dem größten Durchmesser und die Lippe (119) am anderen Kolben (17) ausgebildet ist„

18„ Tieftemperaturkältemas.chine nach Anspruch 16_? dadurch gekennzeichnet,daß die Lippe (27) am Kolben (14) mit größtem Durchmesser und der Bund (26) am anderen Kolben (17) -ausgebildet ist,

19ο Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 16₉ dadurch gekennzeichnet _Ϋ daß eine Feder (116) vorgesehen ist, welche den Bund (26) an der Lippe (27) anliegend hält j wenn das.Volumen der Kältekammer (16) mit dem größten Durchmesser ansteigt und während es den Maximal-= wert beibehält= ·

20. Tief temp er aturkältema-s chine nach Anspruch 15? dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung am Eingriffsende des anderen Kolbens (17) eine Anlagefläche in Form eines Bundes (26) und in dem Kolben (14) mit größtem Durchmesser einen Hohlraum (28) umfaßt_s der eine Anlagefläche (1o9) bildet und eine in die Kältekammer (16) mit dem größten-Durchmesser mündende Öffnung aufweist-, die mit einer sich nach innen erstreckenden Lippe (27) für die Anlage an dem Bund (26) versehen ist_s wobei dieser Hohlraum (28) so ausgelegt ist _f daß eine Vers chi ebebew.egung des anderen _P in diesen Hohlraum eingreifenden Kolbens (17) möglich ist«

21. Tief temperaturkältemaschine nach Anspruch 15₉ dadurch gekennzeichnet, daß die variable Kopplungseinrichtung einen Zapfen (130) aufweist, der an dem Wandabschnitt des Gehäuses (10) befestigt ist,, der das Ende der Kältekammer ■ '(1S) mit dem kleinsten Durchmesser bildet₉ wobei dieser Zapfen in einem Bund (131) endigtj, ferner einen Hohlraum' (135) In dem anderen Kolben (123),. der durch seine Yer»

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Schiebebewegung die Kältekammer (18) mit dem kleinsten Durchmesser bildet, wobei dieser Hohlraum eine Anlagefläche und eine in die Kältekammer mit dem kleinsten Durchmesser mündende Öffnung aufweist, die mit einer nach \ . innen gerichteten Lippe (134) zur Anlage an dem Bund (131) ; versehen ist, und schließlich eine Feder (136), die den Bund (131) an der Lippe (134) anliegend hält, wenn das Volumen der Kältekammer (18) mit dem kleinsten Durchmesser größer wird, und während es den Maximalwert beibehält.

. 22. Tieftemperaturkälteinaschine nach Anspruch 15» dadurch j gekennzeichnet» daß die Wärmespeichereinrichtungen inner- J

halb der Kolben angeordnet sind und die variable Kopplungs- i einrichtung eine erste Kappe (100) aufweist, die am Ein- j griffsende des anderen Kolbens (17) angebracht ist und in ! einem Bund (26)' endigt, wobei sie so ausgebildet ist, daß ; sie eine Flui&verbindung mit der Wärmespeicher einrichtung. \ (103) in diesem anderen Kolben (1?) ergibt, und eine zweite J Kappe (104), die am Kolben (14) mit deis größten Durchmesser. ! angebracht ist und eine Anlagefläche sowie eine in die Kälte« kammer (16) mit dem größten Durchmesser mündende Öffnung aufweist, die mit einer nach innen gerichteten Lippe (27) für die Anlage an dem Bund (26) versehen ist, v/ob ei der | Hohlraum (28) so gestaltet ist, daß eine Verschiebebewegung j des darin eingreifenden Kolbens (17) isSglich ist, und eine Fluidverbindung zwischen diesem Hohlraum und der Wärmespeichereinrichtung vorgesehen ist, die innerhalb des KoI-bens (14) mit dein größten Durchmesser angeordnet ist.

23. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mit dem größten Durchmesser während seiner Vers chi ebebewegung eine zusätzliche Kammer mit variablem Volumen bildet, die über diesen Strömungsweg mit den Kältekammern in Fluidverbindung steht»

124. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 15» dadurch j gekennzeichnet, daß eine Hochdruckfluiäquelle (40) und ein Niederdruckreservoir (41) vorgesehen sina_o

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ο Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckfluidquelle. und das Niederdruckfluidreservoir außerhalb des Gehäuses ange- ' ordnet und mit schiebergesteuerten Leitungen (35*37) zur Verbindung zwischen diesen und den Kältekammern vorgesehen sind.

26. Tieftemperaturkältemaschine. nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckfluidquelle und das Niederdruckfluidreservoir durch einen Kompressor (156) ' gebildet sind»

j ■ .

^l27. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch. 24, dadurch S gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse ein .zusätzlicher j Kolben zur Ausbildung einer Kompressionskammer mit j variablem Volumen verschiebbar ist₅ die als Hochdruckfluidquelle und als Niederdruckfluidreservoir dient.

28. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 24, dadurch

: ' gekennzeichnet, daß in. dem Gehäuse Verdränger angeordnet

j sind, die Hochtemperatur- und Zwischentemperaturkammern von variablem Volumen bilden, welche über Wärmespeichereinrichtungen in "Fluidyjerbindung stehen, wobei diese Hochtemperatur- und Zwischentemperaturkämmern (184, 185) zusammen als Hochdruckfluidquelle und als Niederdruckfluidreservoir dienen.

29. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus drei zylindrischen Abschnitten gebildet ist, in denen drei Kolben verschiebbar sind, wobei wenigstens einer der anderen Kolben einen Hubweg ausführt, der kleiner ist als der Hubweg des Kolbens mit dem größten Durchmesser.

30. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus drei zylindrischen Abschnitten gebildet ist und der in dem Abschnitt mit

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dem mittleren Durchmesser verschiebbare Kolben über die variable Kopplungseinrichtung mit dem Kolben mit dem größten Durchmesser verbunden ist, während der in dem Gehäuseabschnitt mit dem kleinsten Durchmesser verschiebbare Kolben über die variable Kopplungseinrichtung mit dem Kolben.mit dem mittleren Durchmesser "in Verbindung

^: steht, so daß der Hubweg des Kolbens mit dem mittleren Durchmesser kleiner ist als der des Kolbens mit dem größten

■ Durchmesser und der Hubweg des Kolbens mit dem kleinsten

Durchmesser kleiner ist als der des Kolbens, mit dem mittlerer Durchmesser.

31. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Hochdruckfluidquelle,

j ein äußeres Niederdruckfluidreservoir und zur Verbindung zwischen diesen und den Kammern schiebergesteuerte Leitungen vorgesehen sind.

32. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 15, dadurch

j gekennzeichnet, daß der variablen Kopplungseinrichtung eine Hubeinstelleinrichtung (99) zur Steuerung des Hubwegs des oder der anderen Kolben zugeordnet ist.

33. Tieftemperaturkältemaschine mit Temperaturabstufung zur Verflüssigung von Gas, gekennzeichnet durch ein Gehäuse aus drei zylindrischen Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers zur Ausbildung einer fluiddichten Umhüllung in Stufenbauweisej durch drei Kolben unterschiedlichen Durchmessers,die in den zugeordneten Gehäuseabschnitten verschiebbar sind und durch ihre Verschiebebewegung drei hinsichtlich des Volumens variable Kältekammern mit unterschiedlichem Durchmesser und

J unterschiedlichem Maximalvolumen bilden, wobei die in diesen • Kammern erreichbaren Temperaturen mit abnehmendem Kammerj durchmesser abnehmen;

durch einen Strömungsweg für das Fluid zwischen den Kältekammern mit Wärmespeichereinrichtungen;

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durch eine erste Hochdruckfluidquelle; durch ein erstes Niederdruckfluidreservoirj durch eine dem Kolben mit dem größten Durchmesser j zugeordnete, äußere Antriebseinrichtung zur Steuerung von dessen Verschiebebewegung in dem Gehäuse; durch eine variable Kopplungseinrichtung für den Eingriff zwischen diesen Kolben, die so ausgestaltet ist, daß der Kolben mit dem größten Durchmesser die beiden anderen Kolben verschiebt, wobei wenigstens "einer von diesen einen Hubweg ausführt, der kleiner ist als der des Kolbens mit dem größten Durchmesser) ■

durch Jeweils eine jeder Kältekammer zugeordnete Wärmest.ation zur Abgabe von Kälte über berührungsfreien Wärmeaustausch mit dem Fluid in diesen Kältekammern bei drei abnehmenden Temperaturpegeln;
! durch eine zweite Hochdruckfluidquelle außerhalb des Gehäuses durch ein zweites Niederdruckfluidreservoir außerhalb des

Gehäuses; - -

• durch eine Verflüssigungseinrichtung zum Expandieren und j j zum- wenigstens teilweise Verflüssigen des Hochdruckfluids j aus dieser zweiten Hochdruckfluidquelle; ..'",.. durch einen Behälter zur Aufnahme des verflüssigten Fluids, der eine Quelle für kaltes Niederdruckfluid bildetj und durch Wärmeaustauscher mit diesen 'Wärmestationen auf den drei Temperaturpegeln für einen berührungsfreien Wärmeaustausch zwischen dem von dieser zweiten Hochdruckfluidquelle zur Verflüssigungseinrichtung gelieferten Fluid und dem von dem Behälter zu dem.zweiten-Niederdruckfluidreservoir strömenden kalten Niederdruckfluid.

34oTieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 33 _r dadurch-gekennzeichnet, daß die erste und zweite Hqchdruckfluidquelle sowie das erste und zweite Niederdruckfluidreservoir jeweils zu einem kombiniert sind und schiebergesteuerte. Leitungen zur Verbindung zwischen der. kombinierten Hochdruckfluidquelle und dem kombinierten•Niederdruckfluidreservoir sowie dem Strömungsweg vorgesehen sind.-

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35. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß das Niederdruckfluidreservoir und die Hochdruckfluidquelle in einem Kompressor kombiniert ausgebildet sind.

36. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 33» dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse ein zusätzlicher Kolben zur Ausbildung einer Kompressionskammer mit variablem Volumen verschiebbar ist, die als erste Hochdruckfluidquelle und als erstes Niederdruckfluidreservoir dient.

37. Tieftemperaturkältemaschine nach Anspruch 33,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse ein Verdränger angeordnet ist, der eine Hochtemperatur- und eine Zwischentemperaturkammer mit variablem Volumen bildet, die über Wärmespeicher einrichtungen in Fluidverbindung stehen, wobei diese Hochtemperatur- und Zwischentemperaturkammer zusammen als erste Hochdruckfluidquelle und als erstes Niederdruckfluidreservoir dienen.

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