Verfahren zur Herstellung eines Verdrängers für den Kaltkopf eines Kryo-Refrigerators und nach diesem Verfahren hergestellter Verdränger

Beschreibung

[0001] 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 herstellten Verdränger.

[0002] Refrigeratoren sind Tieftemperatur-Kältemaschinen, in denen thermodynamische Kreisprozesse (Stirling, Gifford-Mc Mahon oder dergleichen) ablaufen. Ein einstufiger Refrigerator umfaßt einen Arbeitsraum mit einem Verdränger. Der Arbeitsraum wird in bestimmter Weise alternierend mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Gasquelle verbunden, so daß während der erzwungenen Hin- und Herbewegung des Verdrängers der thermodynamische Kreisprozeß abläuft. Dabei wird das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Die Folge ist, daß einem bestimmten Bereich des Arbeitsraumes Wärme entzogen wird. Mit zweistufigen Refrigeratoren dieser Art und Helium als Arbeitsgas lassen sich Temperaturen bis unter 10 K erzeugen.

[0003] Ein Verdränger, wie er beispielsweise aus der DE-A-30 44 427 bekannt ist, nimmt üblicherweise in seinem Inneren einen Regenerator (Zweiweg-Wärmetauscher) auf und muß folgende Eigenschaften haben: Seine Festigkeit, insbesondere bei den auftretenden 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 thermischer Ausdehnungskoeffizient und seine spezifische Wärmekapazität müssen gering sein. Ebenso muß er eine geringe Wasseraufnahme haben (Hygroskopie).

[0004] Diese Eigenschaften haben die bisher bekannten Verdränger von Refrigeratoren. Diese werden zerspanend aus Rohlingen hergestellt, wobei die Rohlinge aus einem Gewebekunststoff bestehen, dessen Kunststoffanteil Phenolharz oder Epoxidharz 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 Verdränger müssen unter Schutzgas aufbewahrt werden, um eine Feuchtigskeitsaufnahme zu vermeiden.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines aus Kunststoff bestehenden Verdrängers sowie einen danach hergestellten Verdränger anzugeben, bei dem diese Nachteile nicht mehr bestehen.

[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorzugsweise wird als Thermoplast hochmolekulares Niederdruck-Polyäthylen verwendet. Auch die Verwendung von Polyamiden und -imiden ist möglich. Aus "PLASTverarbeiter" 36, Jahrgang 1985, Nr. 6 ist es zwar bekannt, Bauteile eines Verbrennungsmotors durch Spritzgießen herzustellen; Hinweise auf den Einsatz der Spritzgußtechnik bei Tieftemperaturbauteilen sind jedoch nicht offenbart.

[0007] Bei der erfindungsgemäßen 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 entfallen können. Durch das Einspritzen der Verstärkungsbauteile erhält der Verdränger seine für den Einsatz bei tiefen Temperaturen notwendige Festigkeit; ein Schrumpfen des Materials kann dadurch insbesondere in Bereichen der Dichtungen vermieden werden. Da weiterhin Nuten zur Aufnahme von Dichtsystemen sowie Gasein- und Ausströmkanäle während des Spritzvorganges entstehen, entfallen besondere Bearbeitungsschritte zur Herstellung derselben.

[0008] Besonders vorteilhaft ist, daß während des erfindungsgemäßen Herstellungsschrittes auch Lippendichtungen, Gleit- bzw. Stützelemente, Elemente für Schnappverschlüsse und Schnappverbindungsgelenke mitangespritzt werden können.

[0009] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

[0010] Figur 1 zeigt einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verdränger 1 mit einem Hohlraum 2, der den nicht dargestellten Regenerator aufnimmt. Der im wesentlichen zylindrische Verdränger, dessen Achse mit 3 bezeichnet ist, besteht im wesentlichen 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 Gehäuseteil 4 und 11, 12 im Bodenteil 5 können gleichzeitig mit dem Spritzvorgang hergestellt werden. Ein besonderer Bearbeitungsschritt ist nicht erforderlich.

[0011] Figur 1 zeigt zwei verschiedenartig gestaltete Dichtungssysteme 13 und 14. Das Dichtungssystem 13 umfaßt - wie vielfach vorbekannt - 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.

[0012] Das Dichtungssystem 14 umfaßt eine umlaufende Lippe 18, der eine ebenfalls umlaufende Aussparung 19 im Verdrängergehäuse 4 zugeordnet ist. Lippe 18 und Aussparung 19 können ebenfalls gleichzeitig mit dem Spritzvorgang entstehen.

[0013] Der Boden 5 ist Gehäuseteil 4 mittels eines Schnappverschlusses 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.

[0014] Am Bodenteil 5 ist weiterhin ein Stumpf 25 angespritzt, der der Halterung eines weiteren Verdrängers 26 einer zweiten Refrigeratorstufe dient. Der Stumpf 25 ist mit einem ballig geformten Vorsprung 27 ausgerüstet. Dieser umlaufende Ring 27 greift in eine entsprechende Nut 28 einer rohrabschnittsförmigen Verlängerung 29 am Verdränger 26. Dadurch entsteht ein Schnappverbindungsgelenk, welches eine begrenzte Verschwenkbewegung des Verdrängers 26 zuläßt.

[0015] Figur 2 zeigt eine Variante des Gelenkes nach Figur 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 eingreift. Segmente 30 c umgreifen sichernd den Abschnitt 30a.

[0016] Bei dem in Figur 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 Gehäuseteiles 14 ist in Höhe des Dichtungssystemes 13 mit einem Verstärkungsring 33 - wieder vorzugsweise aus Edelstahl - ausgerüstet. Der Verstärkungsring 33 dient der Verhinderung eines Schrumpfens des Werkstoffes. Ein Schrumpfen des Werkstoffes im Bereich von Dichtungssystemen könnte ein Nachlassen der Dichtkraft zur Folge haben.

[0017] Das dem Boden 5 zugewandte Ende des Gehäuseteiles 4 ist beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 mit Lippenabschnitten 34, 35 ausgerüstet, von denen mehrere gleichmäßig auf den Umfang verteilt angeordnet sind. Jedem Lippenabschnitt 34 bzw. 35 ist eine Aussparung 36 bzw. 37 zugeordnet. Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf den Lippenabschnitt 35 mit seiner Aussparung 37. Lippenabschnitte dieser Art bilden eine Art Gleitkufe mit Stützfunktion.

[0018] 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.

Ansprüche

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 hergestellt werden, daß Verstärkungsbauteile (24, 33), vorzugsweise aus Edelstahl, in die Kunststoffkörper (4, 5) eingespritzt werden und daß Nuten (17) zur Aufnahme von Dichtsystemen und/oder Gasein- und Ausstromkanäle (7, 8) mitgespritzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verdränger bildenden Teile (4, 5) aus einem hochmolekularen Niederdruck-Polyäthylen, Polyamid, Polyimid oder dgl. gespritzt werden.

3. Nach einem Verfahren der Ansprüche 1 und 2 hergestellter Verdränger für den Kaltkopf eines Kryo-Refrigerators, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Gehäuseteil (4) und einem Bodenteil (5) besteht und daß er mit Verstärkungsbauteilen (24, 33), Nuten (17) zur Aufnahme von Dichtsystemen sowie Gasein- und Ausströmkanälen (7, 8) ausgerüstet ist.

4. Verdränger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Bodenteil (5) und Gehäuseteil (4) durch einen Schnappverschluß (21) miteinander verbunden sind.

5. Verdränger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenteil (5) einen in das Innere des Verdrängers (1) hineinragenden zentralen Dorn (31) trägt.

6. Verdränger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Dorn (31) den Antriebskolben (6) trägt.

7. Verdränger nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenteil mit einem zentralen Stumpf (25) ausgerüstet ist, der zur Bildung einer Gelenkverbindung mit einem balligen Element (27) versehen ist.

8. Zweistufiger Verdränger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, 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.

9. Verdränger nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß lippenförmige Dichtungen (18) oder Stützelemente (34, 35) angespritzt sind.

10. Verdränger nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Höhe einer Nut (17) für ein Dichtsystem (13) ein Verstärkungsring (33) vorgesehen ist.

11. Verdränger nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch qekennzeichnet, daß die ringförmigen Dichtungsringe (15) des Dichtungssystems (13) ebenfalls gespritzt werden.

Claims

1. Method for producing a displacer (1) consisting of plastic for the cold head of a cryorefrigerator, characterised in that the parts (4, 5) forming the displacer are produced from a thermoplastic material by injection moulding, that reinforcing components (24, 33), preferably of high-quality steel, are inserted in the plastic bodies (4, 5), and that grooves (17) for holding sealing systems and/or gas inflow and outflow ducts (7, 8) are injection moulded at the same time.

2. Method according to claim 1, characterised in that the parts (4, 5) forming the displacer are injection moulded from a low-pressure polyethylene of a high molecular weight, polyamide, polyimide or the like.

3. Displacer produced according to a method as in claims 1 and 2 for the cold head of a cryorefrigerator, characterised in that it consists of a housing part (4) and a base part (5), and that it is provided with reinforcing components (24, 33), grooves (17) for holding sealing systems and gas inflow and outflow ducts (7, 8).

4. Displacer according to claim 3, characterised in that the base part (5) and the housing part (4) are connected together by a snap catch (21).

5. Displacer according to claim 3 or 4, characterised in that the base part (5) bears a central pin (31), which projects into the displacer (1).

6. Displacer according to claim 5, characterised in that the central pin (31) bears the drive piston (6).

7. Displacer according to one of claims 3 to 6, characterised in that the base part is provided with a central stump (25), which is provided with a spherical member (27) to form a swivel connection.

8. Two-stage displacer according to claim 7, characterised in that the displacer (26) of the second stage is also produced by injection moulding, and that the two stages are connected together by a snap connecting swivel (27, 28, 29).

9. Displacer according to one of claims 3 to 8, characterised in that lip-shaped seals (18) or support members (34, 35) are moulded on.

10. Displacer according to one of claims 3 to 9, characterised in that a reinforcing ring (33) is provided on a level with a groove (17) for a sealing system (13).

11. Displacer according to one of claims 3 to 10, characterised in that the annular sealing rings (15) of the sealing system (13) are also injection moulded.

Revendications

1. Procédé de réalisation d'un déplaceur (1), en matière plastique, pour la tête froide d'un cryoréfrigérateur, caractérisé par le fait que les parties (4, 5) constituant le déplaceur sont réalisées par moulage par injection d'un thermoplaste, par le fait que des composants de renforcement (24, 33), de préférence en acier spécial, sont emprisonnés dans les parties en matière plastique (4, 5) et par le fait que des gorges (17) pour recevoir des systèmes d'étanchéité, et/ou des canaux d'entrée et de sortie de gaz (7, 8) sont co-formés par injection.

2. Procédé selon revendication 1, caractérisé par le fait que les parties (4, 5) constituant le déplaceur sont moulées par injection d'un polyamide, polyimide, polyéthylène basse-pression de poids moléculaire élevé, ou analogue.

3. Déplaceur réalisé par le procédé selon la revendication 1 ou 2, pour la tête froide d'un cryo-réfrigérateur, caractérisé par le fait qu'il est constitué par une partie corps (4) et par une partie fond (5) et par le fait qu'il est pourvu de composants de renforcement (24, 33), de gorges(17) pour recevoir des systèmes d'étanchéité et de canaux d'entrée et de sortie de gaz (7, 8).

4. Déplaceur selon revendication 3, caractérisé par le fait que la partie fond (5) et la partie corps (4) sont assemblées l'une à l'autre par une fermeture à enclenchement (21)

5. Déplaceur selon revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la partie fond (5) porte une broche centrale (31) pénétrant dans l'intérieur du déplaceur (1).

6. Déplaceur selon revendication 5, caractérisé par le fait que la broche centrale (31) porte l'organe d'entraînement (6).

7. Déplaceur selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que la partie fond est équipée d'un embout central (25) muni d'un élément bombé (27) afin de former une liaison articulée.

8. Déplaceur bi-étagé selon revendication 7, caractérisé par le fait que le déplaceur (26) du deuxième étage est lui aussi réalisé par moulage par injection, et par le fait que les deux étages sont assemblés l'un à l'autre par une liaison articulée à enclenchement (27, 28, 29).

9. Déplaceur selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé par des organes d'étanchéité en forme de lèvre (18) ou par des éléments d'appui (34, 35) formés par moulage par injection.

10. Déplaceur selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé par le fait qu'un anneau de renforcement (33) est prévu au niveau d'une gorge (17) pour un système d'étanchéité (13).

11. Déplaceur selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé par le fait que les anneaux d'étanchéité annulaires (15) du système d'étanchéité (13) sont également moulés par injection.

Zeichnung