DE10153870A1

DE10153870A1 - Antrieb für den Kolben eines Linearkühlers

Info

Publication number: DE10153870A1
Application number: DE10153870A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fiedler; Gerd Flick; Klaus Bergert; Norbert Rolff
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2003-05-22
Also published as: US20050225182A1; JP2005524813A; WO2003038975A3; WO2003038975A2; AU2002333458A1; EP1440500A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für den Kolben eines Linearkühlers mit einem Magneten (6), einer linear schwingenden Spule (3) und einer Stromversorgung für die Spule (3), die einen flexiblen, von einem ortsfesten Trägerbauteil (1) zur schwingenden Spule (3) führenden Leitungsabschnitt (11) aufweist; zur Verlängerung der Standzeit wird vorgeschlagen, dass der Leitungsabschnitt (11) entweder aus einem gebogenen Band aus Metall, vorzugsweise Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, oder aus drei Komponenten, einer metallischen Ader, einem diese umschließenden Isolationsschlauch und einer den Isolationsschlauch umschließenden Stützfeder besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für den Kolben eines Linearkühlers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Bekannte Linearkühler, z. B. Stirling-Kühler, bestehen aus drei Komponenten, einem Linearkompressor, einem Kaltfinger und einer heliumdichten Verbindungsleitung. Der Linear-Kompressor ist spiegel-symmetrisch aufgebaut. Die doppelt ausgeführten schwingenden Teile (Kolben + Spulen) bewegen sich 180° phasenverschoben zueinander mit dem Ergebnis einer geringen Kompressor-Vibration und Geräuschentwicklung. Die Betriebsfrequenz liegt bei ca. 52 Hz. Dies entspricht der Resonanzfrequenz des im Kompressorgehäuse befindlichen Feder- Masse-Systems. Der resonante Betrieb des Kompressors ist eine wesentliche Ursache für die vergleichsweise hohe Effizienz des Stirling-Linearkühlers. Der Motor, bestehend aus einem Magnetkreis mit stationären Magneten und bewegten Tauchspulen, ist ähnlich dem Antrieb von Laufsprechern aufgebaut. Flexible elektrischen Zuleitungen dienen der Bestromung der schwingenden Spulen. Die im Kompressor schwingenden Kolben und der oder die im Kaltfinger befindlichen, schwingenden Displacer sind mit Spaltdichtungen auf der Basis PTFE-beschichteter Teile ausgerüstet. Für den Displacer-Antrieb wird kein Motor oder pneumatischer Kolben benötigt. Ein He- Gasstrom erzeugt beim Durchströmen des im Displacer integrierten Regenerators Drosselkräfte, die zur Anregung der Displacer-Schwingung genutzt werden. Die Zentnerfedern im Kompressor und Kaltfinger dienen der Stabilisierung der Schwingungs-Nullpunktslagen und definieren zudem die Amplituden und Phasenlagen der schwingenden Displacer.
Mit Linearkühlern der beschriebenen Art, insbesondere Stirling-Kühlern, lassen sich mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand Temperaturen insbesondere im Bereich von 40 bis 100 K erzeugen. Militärische Kühler, die derzeitige Haupt-Anwendung des Schwingspulen-Konzeptes bei Stirling-Kühlern, werden für eine Lebensdauer von 4000 h qualifiziert. Sie dienen hauptsächlich der Kühlung von Infrarotdetektoren in Wärmebildkameras. Kühler dieser Art könnten auch für HTSL-Filter in Mobilfunk- Basisstationen eingesetzt werden. Bei Applikationen dieser Art ist jedoch eine Lebensdauer des Kühlers von 4000 h nicht akzeptabel. Ein wartungsfreier Betrieb von 3 bis 5 Jahren muss erreicht werden.
Bei Versuchen mit Kühlern der hier betroffenen Art hat sich immer wieder herausgestellt, dass der bzw. die flexiblen Leitungsabschnitte, die von einem ortsfesten Träger zur schwingenden Spule führen, ein wesentliches, die Lebensdauer des Kühlers begrenzendes Element ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Antrieb für den Kolben eines Linearkühlers der hier betreffenden Art die Stromzufuhr zur schwingenden Spule im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Strombelastbarkeit, Verlustleistung und Preis zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Bei einer ersten Lösung der Aufgabe (Ansprüche 1 bis 8) besteht der Leitungsabschnitt, der das ortsfeste Trägerbauteil mit der schwingenden Spule verbindet, aus einem gebogenen Metallband, vorzugsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung. Eine Stromzuführung mit einem Leitungsabschnitt dieser Art führt eine definierte Bewegung durch, vergleichbar mit einem Abrollen. Lokale Verschiebungen der einzelnen Teile und damit verbundene tribologische Effekte treten nicht auf. Dadurch, dass die Gestaltung des flexiblen Leitungsabschnittes nahezu der Form entspricht, die sich ergeben würde, wenn er völlig ohne eigene Steifigkeit beschleunigt würde, ergeben sich nur sehr geringe zusätzliche Belastungen aufgrund der Beschleunigung während der Bewegung. Die eigene Masse des Leitungsabschnittes kann sehr klein gehalten werden, wodurch die Beschleunigungskräfte ebenfalls klein bleiben. Langzeitversuche haben ergeben, dass das Bruchrisiko maßgeblich reduziert ist.

Da der Leitungsabschnitt aus einem einfachen und preiswerten Band besteht, sind die Strombelastbarkeit höher sowie die Verlustleistung und die Kosten niedriger.

Bei einer zweiten Lösung der Aufgabe (Ansprüche 9 bis 13) besteht der Leitungsabschnitt zwischen dem ortsfesten Träger und der schwingenden Spule aus drei Komponenten, einer zentralen Ader aus elektrisch leitendem Material, einem die Ader umschließenden, der Isolierung dienenden Kunststoffschlauch aus Polytetrafluoräthylen (TEFLON) und einem den Schlauch umschließenden Stützelement besteht. Diese Maßnahmen haben die folgenden vorteilhaften Wirkungen:

- gleichmäßige Biegung des Kabels über die gesamte Kabel-Länge hinweg zur Verhinderung örtlicher Über-Beanspruchung (knicken) des Kabels;
- kein Anschlagen (Beschädigung) der Kabel-Isolierung (z. B. aus TEFLON) an umgebende Bauteilen;
- keine Reibung zwischen den Komponenten des Kabels;
- thermische Stabilität;
- Beanspruchung der Komponenten im Bereich der Material-Dauerfestigkeit.

Außerdem bietet diese Lösung die folgenden Vorteile:

- Gewährleistung eines näherungsweise gleichbleibenden Biegeradius des Kabels über die gesamte Länge hinweg. Die elastische Kabel-Deformation wird durch das Federelement vorgegeben. Eine Überlastung des Kabels ist bei entsprechender Auslegung der Stützfeder nicht möglich.
- Schutz der Kabel-Isolation. Sollte es zu einem Kontakt zwischen Zuleitung und anderen Bauteilen (z. B. durch Erschütterungen des Kompressorgehäuses) kommen, so bleibt die relativ weiche Isolation geschützt. Der Federstahl selbst kann nicht durch die umgebenden Bauteile aus Aluminium beschädigt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 5 zum Teil nur schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 für die Erfindung wesentliche Bauteile eines Antriebs der hier betroffenen Art mit einem als Kupferband ausgebildeten Leitungsabschnitt zwischen einem ortsfesten Träger und einer schwingenden Spule,
Fig. 2 Bewegungszustände des Leitungsabschnittes nach Fig. 1,
Fig. 3 ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine Stromzuführung nach den Fig. 1, 2,
Fig. 4 eine zweite Ausführung für einen Leitungsabschnitt zwischen einem ortsfesten Träger und einer schwingenden Spule und
Fig. 5 den Aufbau des Leitungsabschnittes nach Fig. 4.
In Fig. 1 sind ein ortsfestes Trägerbauteil mit 1, der Schwingkolben mit 2, die Schwingspule mit 3 und ein Trägerbauteil, auf dem sich der Schwingkolben 2 und die Schwingspule 3 abstützen, mit 4 bezeichnet. Der den Schwingkolben 2 aufnehmende Zylinder 5 und der der Schwingspule 3 zugeordnete Magnet 6 sind gestrichelt angedeutet.
Der Führung und der federnden Abstützung des schwingenden Systems dient ein mit dem ortsfesten Trägerbauteil 1 verbundener Stumpf 7, der im Schwingkolben 2 geführt ist. Im Schwingkolben 2 und am Stumpf 7 stützt sich eine Spiralfeder 8 ab.
Der Kolben 2 führt im Zylinder 5 seine schwingende Linearbewegung aus, welche die Tieftemperaturerzeugung bewirkt. Es ist bekannt, zwei gegenläufig schwingende Kolben 2 anzuordnen. Bestandteile eines Kühlsystems dieser Art sind zwei der in Fig. 1 dargestellten Einheiten mit einem gemeinsamen in Fig. 1 nicht gezeigten Kaltteil.
Die Schwingspule 3 (bzw. jede der beiden Schwingspulen eines Kühlsystems mit zwei Schwingkolben) benötigt eine Stromversorgung mit zwei elektrischen Verbindungen, die vom ortsfesten Trägerbauteil 1 zur Schwingspule 3 führen. In Fig. 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine dieser Verbindungen mit einem erfindungsgemäß gestalteten, flexiblen Leitungsabschnitt 11 dargestellt. Die notwendige zweite elektrische Verbindung kann ähnlich ausgebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, als zweite Verbindung zwischen Spule 3 und Basis 1 den Zylinder 2, die Feder 8 und den Stumpf 7 zu verwenden.
Der flexible Leitungsabschnitt 11 besteht aus einem gebogenen, vorzugsweise halbkreisförmig gebogenen Kupferband. Es ist mit radial nach außen abgewinkelten Endstücken 12, 13 ausgerüstet, die der Verbindung des Leitungsabschnittes 11 mit nicht dargestellten zu- bzw. weiterführenden Leitungen dienen. Zweckmäßig hat der Leitungsabschnitt 11 in seiner halbkreisförmig gebogenen Form seine Ruhestellung. Bei Materialien, die sich nach dem Biegevorgang leicht zurück verformen, kann eine Montage unter mechanischer Spannung in Ruhelage von Vorteil sein. In diesen Stellungen ist er symmetrisch ausgebildet. Die Symmetrieachse ist mit 14 bezeichnet.
Der Einbau des Leitungsabschnittes 11 in den Antrieb nach Fig. 1 ist zweckmäßig derart gewählt, dass die Richtung der linearen Schwingung, die das schwingende Ende des Leitungsabschnittes 11 ausführt, etwa parallel zur Symmetrieachse 14 erfolgt und dass während des Nulldurchganges der Schwingung der Leitungsabschnitt 11 seine Ruhestellung hat. Dieser Zustand ist in Fig. 1 dargestellt. Isolatoren 15 und 16 geeigneter Größe, die sich auf den Trägerbauteilen 1 und 4 abstützen, bestimmen die gewünschte Einbaulage. Zweckmäßigerweise ist am Trägerbauteil 1 mindestens ein Stift montiert, der in eine Bohrung im Trägerbauteil 4 hineinragt, damit die bewegte Einheit sich nicht zu stark drehen kann, wodurch eventuelle Kurzschlüsse vermieden werden.
Fig. 2 zeigt drei Stellungen, die der Leitungsabschnitt 11 während der Schwingungen einnimmt. Die mittlere Stellung entspricht der beschriebenen Ruhestellung. Beim Erreichen der Maximalwerte der Amplitude nimmt der Leitungsabschnitt 11 die jeweils gestrichelt dargestellten Stellungen ein.
Fig. 3 zeigt perspektivisch ein konkretes Ausführungsbeispiel. Es ist aus einem 0,05 bis 0,2 mm, vorzugsweise 0,1 mm, dicken Kupferblech hergestellt. Es hat eine Breite von 5 bis 10 mm, vorzugsweise 7,5 mm, und eine Länge zwischen 60 und 70 mm. In seinen Endbereichen verbreitert sich das Band. Die abgewinkelten Endstücke 12 und 13 sind Teile der breiteren Endbereiche.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist das Trägerbauteil 4 für die schwingende Spule 3 über zwei Leitungsabschnitte 21 mit dem ortsfesten Trägerbauteil 1 verbunden. Sie erstrecken sich jeweils in Form eines Bogens von ca. 180° und mit relativ geringer Neigung (abhängig von der Spulen-Position in einem Bereich von ca. 5° bis 30°) zwischen ihren Fixpunkten an den Bauteilen 1, 4. Die Werte der Biegeradien der Zuleitungsdrähte liegen im Bereich der halben Durchmesser der Schwingspulen, wobei der Durchmesser der Schwingspulen in der Größenordnung von 10 cm liegt. Die Symmetrieachsen der Bögen bilden mit der Schwingungsrichtung der Spule 3 einen Winkel von etwa 90°. Im Bereich der Fixpunkte geht die Neigung der Leitungsabschnitte in die jeweilige Ebene der Bauteile 1,4 über.
Wie in Fig. 5 dargestellt, weisen die Leitungsabschnitte 21 eine Ader 22, zweckmäßig aus einem hochflexiblen Kupfergeflecht, auf. Ein Teflon-Schlauch 23 umschließt die Ader 22 und bildet die elektrische Isolierung. Diese ist ihrerseits von einer Stützfeder 24 umgeben. Sie ist zweckmäßig als Spiralfeder aus Stahl ausgebildet. Die Enden der Stützfedern 24 dienen auch der Fixierung der beiden Leitungsabschnitte 21 auf den Trägerbauteilen 1, 4.

Claims

1. Antrieb für den Kolben eines Linearkühlers mit einem Magneten(6), einer linear schwingenden Spule (3) und einer Stromversorgung für die Spule (3), die einen flexiblen, von einem ortsfesten Trägerbauteil (1) zur schwingenden Spule (3) führenden Leitungsabschnitt (11, 21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (11) aus einem gebogenen Band aus Metall, vorzugsweise Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, besteht.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (11) im Ruhezustand etwa die Form eines Halbkreises hat.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungsabschnitt (11) mit radial nach außen, mit einem materialgerechten Biegeradius abgewinkelten Endstücken (12, 13) ausgerüstet ist.

4. Antrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (11) verbreiterte Endbereiche hat.

5. Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (11) derart in den Antrieb eingebaut ist, dass die lineare Schwingung, die das schwingende Ende (13) des Leitungsabschnittes (11) ausführt, etwa parallel zu seiner Symmetrieachse (14) erfolgt.

6. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (11) derart in den Antrieb eingebaut ist, dass er während des Nulldurchganges der Schwingung seine Ruhestellung hat.

7. Antrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Isolatoren (15, 16) am Trägerbauteil (1) und am schwingenden System (2, 3, 4) zur Festlegung der Einbaulage des Leitungsabschnittes (11) vorgesehen sind.

8. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Leitungsabschnitt (11) eine Kupfer-Beryllium-Legierung verwendet wird.

9. Antrieb für den Kolben eines Linearkühlers mit einem Magneten(6), einer linear schwingenden Spule (3) und einer Stromversorgung für die Spule (3), die einen flexiblen, von einem ortsfesten Trägerbauteil (1) zur schwingenden Spule (3) führenden Leitungsabschnitt (11, 21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (21) aus einer zentralen Ader (22) aus elektrisch leitendem Material, einem die Ader (22) umschließenden, der Isolierung dienenden Kunststoffschlauch (23) und einem den Schlauch (23) umschließenden Stützelemente (24) besteht.

10. Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ader (22) aus einem hochflexiblen Kupfer- Gespinst besteht.

11. Antrieb nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsschlauch (23) aus Polytetrafluoräthylen (TEFLON) besteht.

12. Antrieb nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (24) eine Spiralfeder ist.

13. Antrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeradius des Leitungsabschnittes (11, 12) etwa dem halben Durchmesser der Schwingspule (3) entspricht, dass seine Neigung zwischen 5° und 30° liegt und dass er sich über einen Kreisumfang von 25% bis 50% erstreckt.

14. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich bewegende Einheit mit einer Rotationssperre ausgerüstet ist.