DE102014217897A1

DE102014217897A1 - Kompressorvorrichtung, eine damit ausgerüstete Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Kompressorvorrichtung und der Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102014217897A1
Application number: DE102014217897.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Höhne
Original assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Current assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2016-03-10
Also published as: CN107094367B; EP3191712B1; EP3434897B1; CN107094367A; EP3434897A1; JP2017528644A; WO2016038041A1; US11028841B2; US20170175729A1; JP6594959B2; EP3191712A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kompressorvorrichtung, eine damit ausgerüstete Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Kompressorvorrichtung. Zur Kühlung von Kernspintomographen, Kryo-Pumpen etc. werden Pulsrohrkühler oder Gifford-McMahon-Kühler eingesetzt. Hierbei kommen Gas- und insbesondere Heliumkompressoren in Kombination mit Rotations- bzw. Drehventilen zum Einsatz. Die Rate mit der verdichtetes Helium in die Kühlvorrichtung eingeführt und wieder ausgeführt wird liegt im Bereich von 1 Hz. Ein Problem von herkömmlichen Schrauben- oder Kolbenprozessoren besteht darin, dass Öl aus dem Kompressor in das Arbeitsgas und damit in die Kühleinrichtung gelangen und diese verunreinigen kann. Durch das Bereitstellen einer zweiten Verdichterstufe wird, wird die gemeinsame Pumpeinrichtung doppelt genutzt und es wird eine zweistufige Kompressorvorrichtung angegeben. In jeder Strömungsrichtung der Arbeitsmittelflüssigkeit erfolgt eine Verdichtung des Arbeitsgases; in der einen Strömungsrichtung in der ersten Verdichterstufe und in der entgegen gesetzten Strömungsrichtung in der zweiten Verdichterstufe. Damit erhöht sich die Effizienz der Kompressorvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompressorvorrichtung, eine damit ausgerüstete Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Kompressorvorrichtung.
Zur Kühlung von Kernspintomographen, Kryo-Pumpen etc. werden Pulsrohrkühler oder Gifford-McMahon-Kühler eingesetzt. Hierbei kommen Gas- und insbesondere Heliumkompressoren in Kombination mit Rotations- bzw. Drehventilen zum Einsatz. Die Rate mit der verdichtetes Helium in die Kühlvorrichtung eingeführt und wieder ausgeführt wird liegt im Bereich von 1 Hz. Ein Problem von herkömmlichen Schrauben- oder Kolbenprozessoren besteht darin, dass Öl aus dem Kompressor in das Arbeitsgas und damit in die Kühleinrichtung gelangen und diese verunreinigen kann.
Es sind auch akustische Kompressoren oder Hochfrequenzkompressoren bekannt, bei denen ein oder mehrere Kolben durch ein Magnetfeld in lineare Resonanzschwingungen versetzt werden. Diese Resonanzfrequenzen liegen im Bereich von einigen 10 Hz und sind daher nicht für die Verwendung mit Pulsrohrkühlern und Gifford-McMahon-Kühlern zur Erzeugung sehr tiefer Temperaturen im Bereich kleiner 10 K geeignet.
Aus der CH 457147 B ist ein Membrankompressor oder -pumpe bekannt, die einen Arbeitsraum aufweist, dass durch eine elastische, gas- und flüssigkeitsdichte Membran in ein Gasvolumen und ein Flüssigkeitsvolumen unterteilt ist. Mittels einer Flüssigkeitspumpe wird Flüssigkeit periodisch in das Flüssigkeitsvolumen des Arbeitsraums gedrückt, wodurch die elastische Membran sich in Richtung Gasvolumen ausdehnt und dieses komprimiert – Kompressorfunktion – oder aus dem Gasvolumen herausschiebt – Pumpenfunktion. Nachteilig ist herbei, dass die gas-, flüssigkeitsdichte und drückresistente Abdichtung der elastischen Membran in dem Arbeitsraum vergleichsweise aufwendig ist. Insbesondere im Bereich der Abdichtung wird die Membran stark belastet, so dass entweder sehr teuere Materialien verwendete werden müssen oder eine geringere Lebensdauer in Kauf genommen werden muss.
Aus der DE10344698B4 sind eine Wärmepumpe und eine Kältemaschine mit einer Kompressoreinrichtung bekannt. Die Kompressoreinrichtung umfasst einen Verdichterraum in dem ein Ballon angeordnet ist. Der Ballon wird periodisch mit Flüssigkeit beaufschlagt, so dass das den Ballon umgebende Gas periodisch verdichtet und wieder entspannt wird. Nachteilig hierbei ist, dass der Ballonhülle bei bestimmten Betriebszuständen an der harten und eventuell kantigen Innenoberfläche des Verdichterraums in schaben oder reiben kann. Hierdurch können aufgrund der Druckverhältnisse Loch- bzw. Rissbildung in der Ballonhülle auftreten. Zudem ist die Durchlässigkeit – Permeabilität – der Ballonhülle für Helium als Arbeitsgas zu groß, so dass man schnell substantielle Mengen von Helium verliert. Damit ist die Standzeit derartiger Systeme mit Ballon unbefriedigend.
Aus der WO2014/016415A2 ist eine Kompressorvorrichtung mit einem Metallfaltenbalg als Verdichterelement bekannt, der mit Ausnahme von Wasserstoff für alle möglichen Arbeitsgase undurchlässig ist. Das Arbeitsgas kann aufgrund des Metallfaltenbalgs auch ölfrei gehalten werden. Allerdings ist die Effizienz aufgrund der Wechselwirkung mit dem Arbeitsflüssigkeitsausgleichbehälter unbefriedigend.
Ausgehend von der WO2014/016415A2 ist es daher Aufgabe der Erfindung eine Kompressorvorrichtung mit einem Metallfaltenbalg als Verdichterelement anzugeben, die effizienter ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Kompressorvorrichtung anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1, 7, 8, 11 bzw. 12.
Dadurch, dass der aus der WO2014/016415A2 bekannte Arbeitsflüssigkeitsausgleichbehälter zu einer zweiten Verdichterstufe erweitert wird, wird die gemeinsame Pumpeinrichtung doppelt genutzt. In jeder Strömungsrichtung der Arbeitsmittelflüssigkeit erfolgt eine Verdichtung des Arbeitsgases; in der einen Strömungsrichtung in der ersten Verdichterstufe und in der entgegen gesetzten Strömungsrichtung in der zweiten Verdichterstufe. Damit erhöht sich die Effizienz der Kompressorvorrichtung.
Durch Rückschlagventile an den Hochdruck- und Niederdruck-Arbeitsgasanschlüssen wird der Gasstrom bei Verdichtung und Entspannung auf einfache Weise gesteuert – Anspruch 2.
Durch den Hochdruck-Arbeitsgasanschlüssen in den beiden Verdichterstufen nach geschalteten Wärmetauschern wird das komprimierte Arbeitsgas nach jedem Verdichtungshub gekühlt – Anspruch 3 und 13.
Die Kompressorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann entweder als nicht-fördernde – Ansprüche 4 bis 6 – oder als fördernde Kompressorvorrichtung – Ansprüche 9 und 10 – ausgebildet sein.
Bei der nicht-fördernden Ausgestaltung wird eine vorbestimmte Arbeitsgasmenge abwechselnd in den beiden Förderstufen verdichtet und entspannt. Es wird von außen kein Arbeitsgas zugeführt Ansprüche 4 bis 6.
Die Hoch- und Niederdruckgasleitung können vorzugsweise so ausgestaltet werden, dass sie aufgrund Ihres Volumens als Gasspeicher wirken – Anspruch 5.
Alternativ können explizit ein Niederdruckgasspeicher und ein Hochdruckgasspeicher in der Niederdruck- bzw. Hochdruckgasleitung vorgesehen – Anspruch 6.
Bei der fördernden Ausgestaltung – Ansprüche 9 und 10 – wird zunächst Arbeitsgas in der ersten Verdichterstufe verdichtet bzw. vorverdichtet und in einem Pufferspeicher zwischengespeichert. Die zweite Verdichterstufe wird quasi im Leerlauf betrieben und dient als Arbeitsflüssigkeitsausgleichsbehälter. Wenn in dem Pufferspeicher eine Arbeitsgasmenge bei einem mittleren Druck p_mid erreicht ist, die dem zweiten Gasvolumen in der zweiten Verdichterstufe entspricht, wird in nächsten Verdichterhub in der zweiten Verdichterstufe das vorverdichtete Arbeitsgas aus dem Pufferspeicher auf den Enddruck p_end verdichtet. Das auf den Enddruck p_end verdichtete Arbeitsgas wird dann nach außen abgegeben oder in einem Hochdruckgasspeicher gespeichert.
Als Arbeitsflüssigkeit wird bevorzugt Hydrauliköl nach DIN 51524 eingesetzt, das zusätzlich entwässert bzw. wasserfrei ist. Das Hydrauliköl befindet sich in einem geschlossenen System aus Pumpeinrichtung, Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung und Flüssigkeitsvolumen im Verdichterraum, so dass während des Betriebs kein Wasser aus der Umgebung durch das Hydrauliköl aufgenommen werden kann. Alternativ kann auch Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet werden. Wasser als Arbeitsmittel ist auch vorteilhaft, da bei Defekten ein in einen nachgeschalteten Kryo-Kühler eingedrungenes Wasser leichter wieder entfernt werden kann als in einen nachgeschalteten Kühler eingedrungenes Hydrauliköl. Auch bietet sich Wasser als Arbeitsmittel bei explosionsgeschützten Anwendungen an, da Wasser nicht brennbar und nicht explosiv ist. Außerdem ist Wasser ungiftig und damit umweltfreundlich.
Für Kryo-Anwendungen wird je nach Temperaturbereich vorzugsweise Helium, Neon oder Stickstoff als Arbeitsgas verwendet.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Verdichterstufen als nicht-fördernde Kompressorvorrichtung,
2a bis 2e schematische Darstellungen der zum Betrieb der ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Verdichterstufen als fördernde Kompressorvorrichtung,
4a bis 4d schematische Darstellungen der zum Betrieb der zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
5 eine Anwendung der zweiten Ausführungsform der Erfindung als Antrieb eines Joule-Thomson-Kühlers.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Verdichterstufe 2-1, 2-2, in Form einer nicht-fördernden Kompressorvorrichtung. Jede der zwei, Verdichtereinrichtungen 2-1, 2-2 weist einen gasdicht geschlossenen Verdichterraum 4-1, 4-2 auf. In jedem der beiden Verdichterräume 4-1, 4-2 ist ein Metallfaltenbalg 6-1, 6-2 angeordnet. Die Metallfaltenbälge 6-1, 6-2 unterteilen die Verdichterräume 4-1, 4-2 in ein erstes bzw. zweites Gasvolumen 8-1, 8-2 für ein Arbeitsgas 10 und in ein erstes bzw. zweites Flüssigkeitsvolumen 12-1, 12-2 für eine Arbeitsflüssigkeit 14. Die Gasvolumen 8-1, 8-2 sind im Inneren der Metallfaltenbälge 6-1, 6-2 und die Flüssigkeitsvolumina sind außerhalb der Faltenbälge 6-1, 6-2. Aus den Flüssigkeitsvolumina 12-1, 12-2 führt ein jeweils Arbeitsflüssigkeitsanschluss 16-1, 16-2 heraus. Die Gasvolumina 8-1, 8-2 sind jeweils mit einem Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 18-1, 18-2 und einem Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-1, 20-2 verbunden. Die Niederdruck-Arbeitsgasanschlüsse 20-1, 20-2 sind mit Rückschlagventilen 22 versehen, die in Richtung zu den Verdichterstufen 2-1, 2-2 durchlässig sind. Die Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse 18-1, 18-2 sind ebenfalls mit Rückschlagventilen 22 versehen, die eine im Vergleich zu den Rückschlagventilen 22 an den Niederdruck-Arbeitsgansanschlüssen 20-1, 20-2 entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen. Die Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse 18-1, 18-2 sind über die Rückschlagventile 22 mit einer gemeinsamen Hochdruckgasleitung 24 und die Niederdruck-Arbeitsgasanschlüsse 20-1, 20-2 sind über die Rückschlagventile 22 mit einer Niederdruckgasleitung 26 verbunden. Die Rückschlagventile 22 in den Hochdruck-Arbeitgasanschlüssen 18-1, 18-2 sind in Richtung gemeinsamer Hochdruckgasleitung 24 und die Rückschlagventile 22 an den Niederdruck-Arbeitsgasanschlüssen 20-1, 20-2 sind in Richtung Verdichterstufen 2-1, 2-2 durchlässig. Die gemeinsame Hochdruckgasleitung 24 und die gemeinsame Niederdruckgasleitung 26 enden in einem motorischen Drehventil 28, das abwechselnd die Hochdruckgasleitung 24 und die Niederdruckgasleitung 26 mit einer Kühlvorrichtung 30, z. B. in Form eines Gifford-McMahon-Kühler oder eines Pulsrohrkühlers, verbindet. Die Hoch- und Niederdruckgasleitung 24, 26 wirken aufgrund Ihres Volumens als Gasspeicher bzw. es sind explizit ein Niederdruckgasspeicher 27 und ein Hochdruckgasspeicher 25 in der Niederdruck- bzw. Hochdruckgasleitung 26, 24 vorgesehen. Den Rückschlagventilen 22 an den beiden Hochdruck-Arbeitsgasanschlüssen 18-1, 18-2 sind jeweils Wärmetauscher 32-1, 32-2 zum Kühlen des komprimierten Arbeitsgases nachgeschaltet. Die beiden Verdichterstufen 2-1, 2-1 sind analog aufgebaut, d. h. auch die Gasvolumen 8-1, 8-2 und die Flüssigkeitsvolumen 12-1, 12-2 sind gleich.
Die beiden Arbeitsflüssigkeitsanschlüsse 16-1, 16-2 sind mit einer gemeinsamen elektromotorischen Pumpeinrichtung 34 verbunden, die abwechselnd Arbeitsflüssigkeit 14 in das erste und zweite Flüssigkeitsvolumen 12-1, 12-2 der ersten und zweiten Verdichterstufe 2-1, 2-2 pumpt. D. h. es wird entweder Arbeitsflüssigkeit 14 aus dem zweiten Flüssigkeitsvolumen 12-2 in das erste Flüssigkeitsvolumen 12-1 gepumpt oder umgekehrt.
Die 2a bis 2e illustrieren die verschiedenen Betriebsphasen der Kompressorvorrichtung nach 1. In der in 2a gezeigten Phase wird durch die gemeinsame Pumpeinrichtung 34 Arbeitsflüssigkeit 14 aus dem zweiten Flüssigkeitsvolumen 12-2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 in das erste Flüssigkeitsvolumen 12-1 in der ersten Verdichterstufe 2-1 gepumpt. Der erste Metallfaltenbalg 6-1 wird zusammengepresst und das darin befindliche Arbeitsgas 10 wird über den ersten Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 18-1, den ersten Wärmetauscher 32-1 und die gemeinsame Hochdruckgasleitung 24 in den Hochdruckgasspeicher 25 gepresst. Der zweite Metallfaltenbalg 6-2 dehnt sich durch Arbeitsgas 10 aus, das über die Niederdruckgasleitung 26 und den zweiten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-2 aus dem Niederdruck-Arbeitsgasspeicher 27 zurückströmt. Das Drehventil 28 verbindet die Kühleinrichtung 30 über die Niederdruckgasleitung 26 mit dem Niederdruckgasspeicher 27.
In der in 2b gezeigten zweiten Phase ist die Verdichtung in der ersten Verdichterstufe 2-1 vollständig und das Drehventil 28 verbindet den Hochdruckgasspeicher 25 mit der Kühleinrichtung 30, so dass verdichtetes und in dem ersten Wärmetauscher 32-1 gekühltes Arbeitsgas 10 in die Kühleinrichtung 30 gelangt.
In der in 2c gezeigten dritten Phase kehrt sich der Arbeitsflüssigkeitsstrom um und die Pumpeinrichtung 34 pumpt nun Arbeitsflüssigkeit 14 aus dem ersten Flüssigkeitsvolumen 12-1 der ersten Verdichterstufe 2-1 in das zweite Flüssigkeitsvolumen 12-2 in der zweiten Verdichterstufe 2-2. Dadurch wird der zweite Metallfaltenbalg 6-2 zusammengepresst und das darin befindliche Arbeitsgas 10 wird komprimiert und über den zweiten Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 18-1, den zweiten Wärmetauscher 32-2 und die gemeinsame Hochdruckgasleitung 24 in den Hochdruckgasspeicher 25 gepresst. Der erste Metallfaltenbalg 6-1 dehnt sich durch aus dem Niederdruckgasspeicher 27 über die Niederdruckgasleitung 26 und den ersten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-1 zurückströmendes Arbeitsgas 10 aus.
In der in 2d gezeigten vierten Phase ist die Verdichtung in der zweiten Verdichterstufe 2-2 vollständig und das Drehventil 28 verbindet wieder über die gemeinsame Hochdruckgasleitung 24 den Hochdruckgasspeicher 25 mit der Kühleinrichtung 30, so dass verdichtetes und in dem zweiten Wärmetauscher 32-2 gekühltes Arbeitsgas 10 in die Kühleinrichtung 30 gelangt.
Die in 2e gezeigte Phase ist wieder die erste Phase und die Verdichtung erfolgt in der ersten Verdichterstufe 2-1. 2a und 2e unterscheiden sich lediglich dadurch, dass in 2e der erste Metallfaltenbalg 6-1 noch entspannt und der zweite Metallfaltenbalg 6-2 noch komprimiert ist. In 2a ist die Verdichtung in der ersten Verdichterstufe 2-1 abgeschlossen und der erste Metallfaltenbalg 6-1 ist komprimiert, während der zweite Metallfaltenbalg 6-2 entspannt ist.
Durch das Vorsehen des Hochdruckspeichers 25 und des Niederdruckspeichers 27 ist die Drehfrequenz des Drehventils 28 von der Frequenz der Verdichtung in den beiden Verdichterstufen entkoppelt. Alternativ kann die Drehfrequenz des Drehventils 28 mit der Frequenz der Verdichterhübe synchronisiert sein. In diesem Fall könnte auf den Hochdruck- und Niederdruckgasspeicher 25, 27 verzichtet werden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit zwei Verdichterstufen 2-1, 2-2 in Form einer Arbeitsgas 10 fördernden Kompressorvorrichtung. Für in den beiden Ausführungsformen entsprechende Komponenten werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der Aufbau der beiden Verdichterstufen 2-1, 2-2 und die Verbindung der beiden Verdichterstufen 2-1, 2-2 mit der gemeinsamen Pumpeinrichtung (34) entspricht dem Aufbau in 1 und 2. Ebenso entspricht die der beiden Wärmetauscher 32-1, 32-2 der Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform. Bei der Ausführungsform nach 3 wird das Arbeitsgas 10 zunächst in der ersten Verdichterstufe 2-1 von einem Ausgangsdruck p₀ auf einen ersten mittleren Druck p_mid1 und dann anschließend in der zweiten Verdichterstufe 2-2 von einem zweiten mittleren Druck p_mid2 auf den Enddruck p_end verdichtet. Es gilt: p_mid1 > p_mid2.
Nachfolgend werden insbesondere die Unterschiede in den beiden Ausführungsformen beschrieben. Ein Pufferspeicher 42 ist über eine erste Gasleitung 40-1 und ein erstes Sperrventil 44-1 mit dem zweiten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 verbunden. Über einen ersten Wärmetauscher 32-1 und eine zweite Gasleitung 40-2 ist der erste Hochdruck-Arbeitsgansanschluss 20-1 mit dem Pufferspeicher 42 verbunden. Ein Niederdruckgasspeicher 27 ist über eine dritte Gasleitung 40-3 mit einem ersten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-1 mit Rückschlagventil 22 in der ersten Verdichterstufe 2-1 verbunden. Der zweite Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 18-2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 ist über ein Rückschlagventil 22, einen zweiten Wärmetauscher 32-2 und eine vierte Gasleitung 40-4 mit einem Hochdruckgasspeicher 25 verbunden. Über den ersten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-1 wird der ersten Verdichterstufe 2-1 zu verdichtendes Arbeitsgas 10 aus dem Niederdruckgasspeicher 27 zugeführt.
Nachfolgend wird anhand der 4a bis 4d der Betrieb der Kompressorvorrichtung nach 3 beschrieben.
In einer in 4a gezeigten ersten Phase wird durch die gemeinsame Pumpeinrichtung 34 Arbeitsflüssigkeit 14 aus dem ersten Flüssigkeitsvolumen 12-1 der ersten Verdichterstufe 2-1 in das zweite Flüssigkeitsvolumen 12-2 in der zweiten Verdichterstufe 2-1 gepumpt. Der erste Metallfaltenbalg 6-1 dehnt sich aus und unverdichtetes Arbeitsgas 10 strömt über die dritte Gasleitung 40-3 und den ersten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-1 mit Rückschlagventil 22 in das erste Gasvolumen 8-1. Das erste Sperrventil 44-1 in der ersten Gasleitung ist geschlossen. Die zweite Verdichterstufe 2-2 dient lediglich als Arbeitsflüssigkeitsausgleichsbehälter. In dem zweiten Gasvolumen 8-2 herrscht im entspannten Zustand der zweite mittlere Druck p_mid2 und im verdichteten Zustand in etwa der Enddruck p_end.
In der zweiten in 4b gezeigten Betriebsphase dreht sicht die Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit 14 um und Arbeitsgas 10 in der ersten Verdichterstufe 2-1 wird komprimiert und über den ersten Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 20-2 mit Rückschlagventil 22, den ersten Wärmetauscher 32-1 und die zweite Gasleitung 40-2 in den Pufferspeicher 42 gepresst. Das Rückschlagventil 22 an dem ersten Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 18-2 verhindert das Zurückströmen des auf den mittleren Druck p_mid komprimierten Arbeitsgases 10. Das erste Sperrventil 44-1 ist weiter geschlossen und die zweite Verdichterstufe 2-2 wirkt lediglich als Arbeitsflüssigkeitsausgleichbehälter.
Die Betriebsphasen nach 4a und 4b werden wiederholt durchgeführt und zwar solange bis die Menge des auf den ersten mittleren Druck p_mid1 komprimierten Arbeitsgases 10 in dem Pufferspeicher 42 ausreicht, bei Verbindung mit dem zweiten Gasvolumen 8-2 über die erste Gasleitung 40-1 und das offene Sperrventil 44-1 den zweiten mittleren Druck p_mid2 in dem zweiten Gasvolumen 8-2 zu erzeugen.
Ist diese Gasmenge in dem Pufferspeicher 42 erreicht wird beim nächsten Verdichtungshub in der ersten Verdichterstufe 2-1 das erste Sperrventil 40-1 geöffnet, so dass das auf den ersten mittleren Druck p_mid1 vorverdichtete Arbeitsgas 10 aus dem Pufferspeicher 42 über das offene erste Sperrventil 44-1 und die erste Gasleitung 40-1 in das zweite Gasvolumen 8-2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 strömen kann, wobei sich der zweite mittlere Druck p_mid2 einstellt – siehe 4c.
In der nächsten in 4d dargestellten Betriebsphase wird die Arbeitsflüssigkeit 14 durch die gemeinsame Pumpeinrichtung 34 in die zweite Verdichterstufe 2-2 gepumpt. Das in dem zweiten Gasvolumen 8-2 befindliche auf den zweiten mittleren Druck p_mid2 vorverdichtete Arbeitsgas 10 wird auf den Enddruck p_end. weiterverdichtet und über den zweiten Wärmetauscher 32-2 und die vierte Gasleitung 40-4 in den Hochdruckgasspeicher 25 gepresst.
Damit ist ein Verdichtungszyklus von dem Ausgangsdruck p₀ auf den Enddruck p_end abgeschlossen und der Zyklus beginnt von vorne.
5 zeigt eine Anwendung der zweiten Ausführungsform als Antrieb einer Joule-Thomson-Kältemaschine 50 mit geschlossenem Arbeitsgaskreislauf.
Als Arbeitsflüssigkeit eignen sich Hydrauliköle nach DIN 51524. Diese H, HL, HLP und HVLP Öle sind Öle, die sich mit gängigen Dichtungskunststoffen wie NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) etc. gut vertragen. NBR ist allerdings nicht ausreichend heliumdicht. HF Öle sind häufig mit gängigen Dichtungsmaterialien (http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Kunststoffe) unverträglich.
Alternativ kann auch Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet werden. Wasser als Arbeitsmittel ist auch vorteilhaft, da bei Defekten ein in einen nachgeschalteten Kryo-Kühler eingedrungenes Wasser leichter wieder entfernt werden kann als in einen nachgeschalteten Kühler eingedrungenes Hydrauliköl. Auch bietet sich Wasser als Arbeitsmittel bei explosionsgeschützten Anwendungen an, da Wasser nicht brennbar und nicht explosiv ist. Außerdem ist Wasser ungiftig und damit umweltfreundlich.
Bezugszeichenliste

p₀: Ausgangsdruck
p_mid1: mittleren Druck 1
p_mid2: mittleren Druck 2
p_end: Enddruck
2-1: erste Verdichterstufe
2-2: zweite Verdichterstufe
4-1: erster Verdichterraum
4-2: zweiter Verdichterraum
6-1: erster Metallfaltenbalg
6-2: zweiter Metallfaltenbalg
8-1: erstes Gasvolumen
8-2: zweites Gasvolumen
10: Arbeitsgas
12-1: erstes Flüssigkeitsvolumen
12-2: zweites Flüssigkeitsvolumen
14: Arbeitsflüssigkeit
16-1: erster Arbeitsflüssigkeitsanschluss
16-2: zweiter Arbeitsflüssigkeitsanschluss
18-1: erster Hochdruck-Arbeitsgasanschluss
18-2: zweiter Hochdruck-Arbeitsgasanschluss
20-1: erster Niederdruck-Arbeitsgasanschluss
20-2: zweiter Niederdruck-Arbeitsgasanschluss
22: Rückschlagventile
24: Hochdruckgasleitung
25: Hochdruckgasspeicher
26: Niederdruckgasleitung
27: Niederdruckgasspeicher
28: elektromotorisches Drehventil
30: Kühleinrichtung
32-1: erster Wärmetauscher
32-2: zweiter Wärmetauscher
34: gemeinsame elektromotorische Pumpeinrichtung
40-1: erste Gasleitung
40-2: zweite Gasleitung
40-3: dritte Gasleitung
40-4: vierte Gasleitung
42: Pufferspeicher
44-1: erstes Sperrventil
50: Joule-Thomson-Kältemaschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CH 457147 B [0004]
DE 10344698 B4 [0005]
WO 2014/016415 A2 [0006, 0007, 0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 51524 [0017]
DIN 51524 [0044]
http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Kunststoffe [0044]

Claims

Kompressorvorrichtung, mit einer ersten Verdichterstufe (2-1), die aufweist: einen ersten Verdichterraum (4-1) mit einem definierten Volumen, in der ein erster Metallfaltenbalg (6-1) den ersten Verdichterraum (4-1) in ein erstes Gasvolumen (8-1) mit einem Arbeitsgas (10) und ein erstes Flüssigkeitsvolumen (12-1) mit einer Arbeitsflüssigkeit (14) unterteilt, einen ersten Hochdruck- und einen ersten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss (18-1, 20-1), die in das erste Gasvolumen (8-1) münden, und einen ersten Arbeitsflüssigkeitsanschluss (16-1), der in das erste Flüssigkeitsvolumen (12-1) mündet; und einer Pumpeinrichtung (34), die die Arbeitsflüssigkeit (14) über den ersten Arbeitsflüssigkeitsanschluss (16-1) periodisch in die Flüssigkeitsvolumen (12-1, 12-2) pumpt und dadurch das Arbeitsgas (10) in den Gasvolumen (8-1, 8-2) periodisch komprimiert, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Verdichterstufe (2-2) vorgesehen ist, die einen zweiten Verdichterraum (4-2) umfasst, den ein zweiter Metallfaltenbalg (8-2) in ein zweites Gasvolumen (8-2) mit Arbeitsgas (10) und ein zweites Flüssigkeitsvolumen (12-2) mit Arbeitsflüssigkeit (14) unterteilt, dass die zweite Verdichterstufe (2-2) einen zweiten Hochdruck- und einen zweiten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss (18-2, 20-2) umfasst, die in das zweite Gasvolumen (8-2) münden, dass die zweite Verdichterstufe (2-2) eine zweiten Arbeitsflüssigkeitsanschluss (16-2) umfasst, der in das zweite Flüssigkeitsvolumen (12-2) mündet, und dass die Pumpeinrichtung (34) eine gemeinsame Pumpeinrichtung ist, und dass die gemeinsame Pumpeinrichtung (34) über den zweiten Arbeitsflüssigkeitsanschluss (mit der zweiten Verdichterstufe verbunden ist.
Kompressorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse (18-1, 18-2) und die Niederdruck-Arbeitsgasanschlüsse (20-1, 20-2) der beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) jeweils mit Rückschlagventilen (22) versehen sind, dass die Rückschlagventilen (22) an den Niederdruck-Arbeitsgasanschlüssen (20-1, 20-2) jeweils in Richtung zu den Verdichterstufen (2-1, 2-2) durchlässig sind, und dass die Rückschlagventilen (22) an den Hochdruck-Arbeitsgasanschlüssen (18-1, 18-2) in Vergleich zu den Rückschlagventilen an den Niederdruck-Arbeitsgasanschlüssen (20-1, 20-2) in entgegen gesetzter Richtung durchlässig sind.
Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse (18-1, 18-2) der beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) jeweils ein Wärmetauscher (32-1, 32-2) nachgeschaltet ist, um das komprimierte Arbeitsgas (10) zu kühlen.
Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse (18-1, 18-2) der beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) mit einer gemeinsamen Hochdruckgasleitung (24) verbunden sind, und dass die Niederdruck-Arbeitsgasanschlüsse (20-1, 20-2) der beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) mit einer gemeinsamen Niederdruckgasleitung (26) verbunden sind.
Kompressorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Hochdruckgasleitung (24) in einen Hochdruckgasspeicher (25) und die Niederdruckgasleitung (26) in einen Niederdruckgasspeicher (27) mündet.
Kompressorvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Hoch- und Niederdruckgasleitung (24, 26) in einer Ventileinrichtung (28) enden, um entweder die Hochdruckgasleitung (24) oder die Niederdruckgasleitung (26) mit einer externen Einrichtung (30) zu verbinden oder dass der Hochdruckgasspeicher (25) und der Niederdruckgasspeicher (27) mit der Ventileinrichtung (28) verbunden sind, um entweder den Hochdruckgasspeicher (25) oder den Niederdruckgasspeicher (27) mit der externen Einrichtung (30) zu verbinden.
Kühlvorrichtung mit einer Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler, wobei die Kompressoreinrichtung mit dem Gifford-McMahon-Kühler oder dem Pulsrohrkühler gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kompressorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch abwechselndes Verdichten und Entspannen des Arbeitsgases (10) in den beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) durch Hin- und Herpumpen der Arbeitsflüssigkeit (14) zwischen den beiden Flüssigkeitsvolumen (12-1, 12-2) in den beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) mittels der gemeinsamen Pumpeinrichtung (34).
Kompressorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Niederdruck-Arbeitsgasanschluss (20-2) der zweiten Verdichterstufe (2-2) über eine erste Gasleitung (40-1) und ein erstes Sperrventil (44-1) mit einem Pufferspeicher (42) verbunden ist, und dass der erste Hochdruck-Arbeitsgasanschluss (18-1) der ersten Verdichterstufe (2-1) über eine zweite Gasleitung (40-2) und den ersten Wärmetauscher 32-1) mit dem Pufferspeicher (42) verbunden ist.
Kompressorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Niederdruck-Arbeitsgasleitung (20-1) über eine dritte Gasleitung (40-3) mit einem Niederdruckgasspeicher (27) verbunden ist, und dass der zweite Hochdruck-Arbeitsgasanschluss (18-2) der zweiten Verdichterstufe (2-2) über eine vierte Gasleitung (40-4) mit einem Hochdruckgasspeicher (25) verbunden ist.
Kühlvorrichtung mit einer Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10 und einem Joule-Thomson-Kühler (50), der mit dem Niederdruckgasspeicher (27) und dem Hochdruckgasspeicher (25) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kompressorvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10 und einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, mit den Verfahrensschritten: – mehrfaches Verdichten von Arbeitsgas (10) in der ersten Verdichterstufe (2-1) von einem Ausgangsdruck (p₀) auf einen ersten mittleren Druck (p_mid1), wobei die zweite Verdichterstufe (2-2) als Arbeitsflüssigkeitsausgleichsbehälter dient; – Zwischenspeichern des auf den ersten mittleren Druck (p_mid1) vorverdichteten Arbeitsgases (10) in einem Pufferspeicher (42); – Wiederholen der vorhergehenden Verfahrenschritte solange bis sich bei Verbindung des Pufferspeichers (42) mit dem zweiten Gasvolumen (8-2) in der zweiten Verdichterstufe (2-2) in dem zweiten Gasvolumen (8-2) ein zweiter mittlerer Druck (p_mid2), mit p_mid1 > p_mid2, einstellt; – Überführen des auf den ersten mittleren Druck (p_mid1) vorverdichteten Arbeitsgases (10) aus dem Pufferspeicher (42) in das Gasvolumen (8-2) der zweiten Verdichterstufe (2-1); und. – Verdichten des auf den zweiten mittleren Druck (p_mid2) vorverdichteten Arbeitsgases (10) in der zweiten Verdichterstufe (2-2) auf den Enddruck (p_end).
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Arbeitsgas (10) aus beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) nach jedem Verdichterhub gekühlt wird.