DE102022115715A1 - Compressor device and cooling device with compressor device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompressorvorrichtung (2), mit einem Zylinder (4), einem innerhalb des Zylinders (4) angeordneten Kolben (6), der einen mit einem Übertragungsfluid gefüllten Übertragungsraum (16) begrenzt und mittels einer Antriebseinrichtung (26) periodisch hin und her bewegbar ist, einem innerhalb des Übertragungsraums (16) angeordneten Verdichterelement (8), insbesondere (Metall-) Balg, das einen mit einem Arbeitsgas gefüllten Arbeitsraum/Verdichtungsraum (20) begrenzt, und einem Anschluss (10), über welchen der Arbeitsraum (20) mit einer Arbeitsgasleitung (36) zu einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler (38) verbindbar ist, wobei das Verdichterelement (8) und das darin enthaltene Arbeitsgas mittelbar über das vom Kolben (6) verdrängte Übertragungsfluid periodisch verdichtet werden.The present invention relates to a compressor device (2), with a cylinder (4), a piston (6) arranged within the cylinder (4), which delimits a transfer space (16) filled with a transfer fluid and periodically by means of a drive device (26). and is movable, a compressor element (8) arranged within the transfer space (16), in particular a (metal) bellows, which delimits a working space/compression space (20) filled with a working gas, and a connection (10) via which the working space (20) can be connected to a working gas line (36) to a Gifford-McMahon cooler or a pulse tube cooler (38), the compressor element (8) and the working gas contained therein being periodically compressed indirectly via the transfer fluid displaced by the piston (6).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kompressorvorrichtung und eine Kühlvorrichtung mit der Kompressorvorrichtung und einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler.The present disclosure relates to a compressor device and a cooling device with the compressor device and a Gifford-McMahon cooler or a pulse tube cooler.
Zur Kühlung von Kernspintomographen, Kryo-Pumpen, Quantencomputern, Quantenkommunikationanlagen und dergleichen werden verbreitet Pulsrohrkühler oder Gifford-McMahon-Kühler eingesetzt. Hierbei kommen Gas- und insbesondere Heliumkompressoren in Kombination mit Rotations- bzw. Drehventilen zum Einsatz. Ein Helium-Kompressor ist hierbei über eine Hochdruckleitung und eine Niederdruckleitung mit einem Drehventil verbunden. Ausgangsseitig ist das Drehventil über eine Gasleitung mit einer Kühlvorrichtung in Form eines Gifford-McMahon-Kühlers oder eines Pulsrohrkühlers verbunden. Dabei ist über das Drehventil abwechselnd die Hoch- bzw. Niederdruckseite des Gaskompressors mit dem Pulsrohrkühler oder dem Gifford-McMahon-Kühler verbunden. Die Rate mit der das verdichtetes Helium in die Kühlvorrichtung eingeführt und wieder ausgeführt wird, liegt im Bereich von 1-2 Hz. Nachteilig bei solchen Kühl- bzw. Kompressorsystemen ist, dass das motorisch angetriebene Drehventil Verluste von ca. 50 % der Eingangsleistung des Kompressors verursacht.Pulse tube coolers or Gifford-McMahon coolers are widely used to cool magnetic resonance tomographs, cryo pumps, quantum computers, quantum communication systems and the like. Gas and especially helium compressors are used in combination with rotary or rotary valves. A helium compressor is connected to a rotary valve via a high-pressure line and a low-pressure line. On the output side, the rotary valve is connected via a gas line to a cooling device in the form of a Gifford-McMahon cooler or a pulse tube cooler. The high and low pressure side of the gas compressor is alternately connected to the pulse tube cooler or the Gifford-McMahon cooler via the rotary valve. The rate at which the compressed helium is introduced into the cooling device and released again is in the range of 1-2 Hz. The disadvantage of such cooling or compressor systems is that the motor-driven rotary valve causes losses of approximately 50% of the compressor's input power caused.
Kühlvorrichtungen mit Pulsrohrkühlern oder Gifford-McMahon-Kühlern sind aus der
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben oder zumindest zu reduzieren. Konkret ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kompressorvorrichtung und ein Kühlsystem bereitzustellen, welches Verluste und Bauraum minimiert.The object of the present invention is to eliminate or at least reduce the disadvantages of the prior art. Specifically, it is the object of the present invention to provide a compressor device and a cooling system which minimizes losses and installation space.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kompressorvorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch die Kühlvorrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch.This object is achieved by a compressor device according to claim 1 and by the cooling device according to the independent claim.
Konkret wird die Aufgabe gelöst durch eine Kompressorvorrichtung mit einem Zylinder, einem innerhalb des Zylinders angeordneten Kolben, der einen mit einem Übertragungsfluid gefüllten Übertragungsraum begrenzt und mittels einer Antriebseinrichtung periodisch hin und her bewegbar ist, einem innerhalb des Übertragungsraums angeordneten Verdichterelement, vorzugsweise Balg, insbesondere Metallbalg, der einen mit einem Arbeitsgas gefüllten Arbeitsraum (Verdichtungsraum) begrenzt, und einem Anschluss, über welchen der Arbeitsraum mit einer Arbeitsgasleitung (Druckleitung) zu einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler, insbesondere einem zweistufigen 4K (vier Kelvin) - Kühler, verbindbar ist, wobei das Verdichterelement und das darin enthaltene Arbeitsgas mittelbar über das vom Kolben verdrängte Übertragungsfluid periodisch verdichtet/komprimiert werden.Specifically, the object is achieved by a compressor device with a cylinder, a piston arranged within the cylinder, which delimits a transfer space filled with a transfer fluid and can be periodically moved back and forth by means of a drive device, a compressor element arranged within the transfer space, preferably bellows, in particular metal bellows , which delimits a working space (compression space) filled with a working gas, and a connection via which the working space can be connected to a working gas line (pressure line) to a Gifford-McMahon cooler or a pulse tube cooler, in particular a two-stage 4K (four Kelvin) cooler is, wherein the compressor element and the working gas contained therein are periodically compressed/compressed indirectly via the transfer fluid displaced by the piston.
In anderen Worten beinhaltet die Kompressorvorrichtung den Zylinder mit einer an einer Zylinderinnenseite ausgebildeten Zylinderlaufbahn und den in dem Zylinder laufenden Kolben mit einem in Umfangsrichtung des Kolbens ausgebildeten Kolbenhemd. Das Kolbenhemd gleitet dichtend an der Zylinderlaufbahn des Zylinders. Vorzugsweise ist zwischen dem Kolbenhemd und der Zylinderlaufbahn zumindest eine ringförmige Dichtung/ein Kolbenring ausgebildet. Der Kolben beinhaltet weiterhin ein Kolbendach, welches dem mit dem Übertragungsfluid gefüllten Übertragungsraum zugewandt ist und diesen begrenzt. Der Kolben ist vorgesehen und ausgebildet, eine periodische Linearbewegung in einer Richtung einer Zylindemittelfaser (Zylindermittelachse), welche sich in einer Zylinderlängsrichtung erstreckt, auszuführen. In dem Übertragungsraum ist das Verdichterelement ausgebildet, welches zumindest eine, vorzugsweise ziehharmonikaförmige, Wandung beinhaltet. In anderen Worten ist das Verdichterelement vorzugsweise als ein Faltenbalg ausgebildet. Das Verdichterelement umgibt den mit dem Arbeitsgas gefüllten Arbeitsraum. In anderen Worten grenzt das Verdichterelement den Arbeitsraum gegen den Übertragungsraum ab. Der Arbeitsraum ist mit dem Anschluss ausgebildet, welcher den Arbeitsraum mit der Arbeitsgasleitung fest oder lösbar verbindet. Der Anschluss ist vorzugsweise an einer von dem Kolben abgewandten Seite des Verdichterelements ausgebildet. Die Arbeitsgasleitung ist vorgesehen und ausgebildet, den Arbeitsraum mit dem Gifford-McMahon-Kühler oder dem Pulsrohrkühler oder einem beliebigen anderen, geeigneten Kühler zu verbinden. Der Arbeitsraum ist aufgrund der vorzugsweise ziehharmonikaförmigen Wandung in seinem Volumen veränderlich. Durch die Linearbewegung des Kolbens wird eine Kraft mittels des Übertragungsfluids auf das Verdichterelement ausgeübt/übertragen und das in dem Arbeitsraum enthaltene Arbeitsgas periodisch verdichtet/komprimiert und entspannt.In other words, the compressor device includes the cylinder with a cylinder bore formed on the inside of the cylinder and the piston running in the cylinder with a piston skirt formed in the circumferential direction of the piston. The piston skirt slides sealingly on the cylinder bore of the cylinder. Preferably, at least one annular seal/piston ring is formed between the piston skirt and the cylinder bore. The piston further includes a piston roof, which faces and delimits the transfer space filled with the transfer fluid. The piston is provided and designed to carry out a periodic linear movement in a direction of a cylinder center fiber (cylinder center axis), which extends in a cylinder longitudinal direction. The compressor element is formed in the transmission space and contains at least one, preferably accordion-shaped, wall. In other words, the compressor element is preferably designed as a bellows. The compressor element surrounds the working space filled with the working gas. In other words, the compressor element separates the working space from the transmission space. The working space is designed with the connection, which connects the working space to the working gas line in a fixed or detachable manner. The connection is preferably formed on a side of the compressor element facing away from the piston. The working gas line is intended and designed for the working room with the Gifford-McMahon cooler or the pulse tube cooler or any other suitable cooler. The volume of the work space is variable due to the preferably accordion-shaped wall. Due to the linear movement of the piston, a force is exerted/transmitted to the compressor element by means of the transmission fluid and the working gas contained in the working space is periodically compressed/compressed and expanded.
Kern der Erfindung ist demnach, das in dem Verdichterelement der Kompressorvorrichtung enthaltene Arbeitsgas durch das Verfahren des Kolbens mittelbar mittels des Übertragungsfluids periodisch zu verdichten und zu entspannen.The core of the invention is therefore to periodically compress and expand the working gas contained in the compressor element of the compressor device by moving the piston indirectly by means of the transfer fluid.
Weiterhin Kern der Erfindung ist, dass ein Druckerzeugungsort (Krafterzeugungsort) und ein Verdichtungsort in einem Zylinder ausgebildet sind.Furthermore, the core of the invention is that a pressure generation location (force generation location) and a compression location are formed in a cylinder.
Ein weiterer Kern der Erfindung besteht darin, dass der Kolben und das Verdichterelement mechanisch entkoppelt sind.Another core of the invention is that the piston and the compressor element are mechanically decoupled.
In anderen Worten sind der Kolben und das Verdichterelement derart in dem Zylinder angeordnet, dass sie sich zu keinem Zeitpunkt berühren. Weiterhin wird die auf den Kolben wirkende Kraft bzw. die von dem Kolben zu übertragende Kraft ausschließlich hydraulisch auf das Verdichterelement übertragen. Auf eine mechanische Verbindung zwischen Kolben und Verdichterelement zur Kraftübertragung wird in der vorliegenden Erfindung verzichtet.In other words, the piston and the compressor element are arranged in the cylinder in such a way that they never touch each other. Furthermore, the force acting on the piston or the force to be transmitted by the piston is transmitted exclusively hydraulically to the compressor element. A mechanical connection between the piston and the compressor element for power transmission is dispensed with in the present invention.
Durch eine derartige Ausbildung der Kompressorvorrichtung kann auf ein Drehventil verzichtet werden und damit Verluste reduziert und somit eine Effizienz der Kompressorvorrichtung erheblich gesteigert werden. Zusätzlich kann eine derartige Kompressorvorrichtung kompakter ausgebildet sein, da ein einzylindriger Aufbau der Kompressorvorrichtung ermöglicht ist. Ein weiterer Vorteil einer derartigen Kompressorvorrichtung ist, dass durch eine Reduzierung der Baugruppen eine Ausfallsicherheit der Kompressorvorrichtung erhöht werden kann.By designing the compressor device in this way, a rotary valve can be dispensed with, thereby reducing losses and thus significantly increasing the efficiency of the compressor device. In addition, such a compressor device can be designed to be more compact, since a single-cylinder structure of the compressor device is possible. A further advantage of such a compressor device is that the reliability of the compressor device can be increased by reducing the number of assemblies.
Durch die Ausbildung des Arbeitsraums in dem Verdichterelement, insbesondere durch die Ausbildung des Verdichterelements als Metallbalg, kann weiterhin verhindert werden, dass Wasser, Übertragungsfluid, Öl oder ein sonstiger Fremdstoff in das Arbeitsgas eindringt/eindiffundiert und dieses verunreinigt/kontaminiert. Eine Verunreinigung des Arbeitsgases mit dem Fremdstoff könnte dazu führen, dass das Arbeitsgas gefriert und Dichtungen beschädigt werden. Insbesondere die Ausbildung des Verdichterelements als Metallbalg hat den Vorteil gegenüber beispielsweise einer Ausbildung des Verdichterelements aus Gummi, dass das Arbeitsgas nicht aus dem Verdichterelement bzw. durch das Verdichterelement hindurch in den Übertragungsraum entweichen kann.By designing the working space in the compressor element, in particular by designing the compressor element as a metal bellows, it can further be prevented that water, transmission fluid, oil or another foreign substance penetrates/diffuses into the working gas and contaminates/contaminates it. Contamination of the working gas with the foreign substance could cause the working gas to freeze and damage seals. In particular, the design of the compressor element as a metal bellows has the advantage over, for example, a design of the compressor element made of rubber that the working gas cannot escape from the compressor element or through the compressor element into the transmission space.
In einem ersten Aspekt kann ein Volumen eines von dem Kolben, dem Verdichterelement und dem Zylinder umschlossenen Raums/Fluidraums konstant sein.In a first aspect, a volume of a space/fluid space enclosed by the piston, the compressor element and the cylinder may be constant.
In anderen Worten kann ein Bereich des Übertragungsraums außerhalb des Verdichterelements/des Arbeitsraums vollständig mit dem Übertragungsfluid befüllt sein, wobei das Übertragungsfluid ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid sein kann.In other words, a region of the transfer space outside the compressor element/the working space can be completely filled with the transfer fluid, wherein the transfer fluid can be a substantially incompressible fluid.
Auf diese Weise kann sichergestellt sein, dass die von dem Kolben auf das Übertragungsfluid ausgeübte Kraft gleichmäßig und ohne lokale Kraftspitzen auf den Balg übertragen werden kann. Somit ist gewährleistet, dass das Verdichterelement ausschließlich in der vorgesehenen Art und Weise komprimiert und expandiert wird, was eine Lebensdauer des Verdichterelements erheblich verlängert und vorzeitigen Ausfällen des Verdichterelements entgegenwirkt. Weiterhin kann durch ein vollständiges Befüllen des Übertragungsraums mit dem Übertragungsfluid verhindert werden, dass das Übertragungsfluid im Betrieb schäumt bzw. es zu einer Schaumbildung kommt.In this way it can be ensured that the force exerted by the piston on the transmission fluid can be transmitted to the bellows uniformly and without local force peaks. This ensures that the compressor element is only compressed and expanded in the intended manner, which significantly extends the service life of the compressor element and counteracts premature failures of the compressor element. Furthermore, by completely filling the transfer space with the transfer fluid, it can be prevented that the transfer fluid foams during operation or that foam formation occurs.
Weiterhin können der Übertragungsraum und der Arbeitsraum vollständig und ohne Überstand in dem Zylinder ausgebildet sein.Furthermore, the transmission space and the working space can be formed completely and without any protrusion in the cylinder.
In einem weiteren Aspekt kann ein Druck des Arbeitsmediums in dem Arbeitsraum zu jedem Zeitpunkt einem Druck des Übertragungsfluids in dem Übertragungsraum entsprechen.In a further aspect, a pressure of the working medium in the working space at any time may correspond to a pressure of the transfer fluid in the transfer space.
In anderen Worten entspricht der Druck in dem Verdichterelement zu jedem Zeitpunkt dem Druck, welcher das Verdichterelement umgibt. In nochmals anderen Worten befindet sich das Arbeitsmedium in dem Arbeitsraum und das Übertragungsfluid in dem Übertragungsraum in einem Druckgleichgewicht.In other words, the pressure in the compressor element at any time corresponds to the pressure surrounding the compressor element. In yet other words, the working medium in the working space and the transfer fluid in the transfer space are in a pressure equilibrium.
Auf diese Weise kann gewährleistet sein, dass das Verdichterelement selbst keine großen Belastungen/Kräfte erfährt bzw. aufnimmt und das Verdichterelement dünnwandig ausgebildet sein kann, was Verluste bei der Kompression des Verdichterelements weiter reduziert.In this way it can be ensured that the compressor element itself does not experience or absorb large loads/forces and the compressor element can be designed to be thin-walled, which further reduces losses during compression of the compressor element.
In einem weiteren Aspekt können der Druck des Arbeitsmediums und der Druck des Übertragungsfluids größer sein als ein Umgebungsdruck einer die Kompressorvorrichtung umgebenden Umgebung.In another aspect, the pressure of the working medium and the pressure of the transfer fluid may be greater than an ambient pressure an environment surrounding the compressor device.
Anders ausgedrückt ist die Kompressorvorrichtung vorgespannt, sodass in jeder Stellung des Kolbens in dem Zylinder ein Überdruck des Arbeitsmediums und des Übertragungsmediums gegenüber der Umgebung besteht.In other words, the compressor device is preloaded so that in every position of the piston in the cylinder there is an excess pressure of the working medium and the transmission medium relative to the environment.
In einem weiteren Aspekt kann ein Kolbenmaximalhub größer sein als ein Verdichterelementmaximalhub.In a further aspect, a piston maximum stroke may be greater than a compressor element maximum stroke.
Anders ausgedrückt kann eine Amplitude, die der Kolben bei der periodischen hin und her Bewegung in einer Kolbenbewegungsrichtung ausführt, größer sein als eine maximale Änderung einer Verdichterelementerstreckung des Verdichterelements in der Kolbenbewegungsrichtung.In other words, an amplitude that the piston performs during the periodic back and forth movement in a piston movement direction can be greater than a maximum change in a compressor element extension of the compressor element in the piston movement direction.
Durch einen geringeren Verdichterelementmaximalhub kann erreicht werden, dass eine mechanische Belastung des Verdichterelements, insbesondere in Knicken/Falten des Verdichterelements, geringgehalten wird, was die Lebensdauer des Verdichterelements verlängert und das Ausfallrisiko reduziert.A lower compressor element maximum stroke can ensure that mechanical stress on the compressor element, especially in bends/folds of the compressor element, is kept low, which extends the service life of the compressor element and reduces the risk of failure.
In einem weiteren Aspekt kann der Kolben durch einen Pleuel periodisch hin und her bewegbar sein. Durch den Pleuel zum Bewegen des Kolbens kann ein herkömmlicher Elektromotor als die Antriebseinrichtung verwendet werden. Alternativ kann der Kolben durch eine Gewindestange oder dergleichen hin und her bewegbar sein.In a further aspect, the piston can be periodically movable back and forth by a connecting rod. By using the connecting rod to move the piston, a conventional electric motor can be used as the driving means. Alternatively, the piston can be movable back and forth by a threaded rod or the like.
In einem weiteren Aspekt kann das Verdichterelement in einer Hubrichtung geführt sein.In a further aspect, the compressor element can be guided in a lifting direction.
In anderen Worten kann die Kompressorvorrichtung zumindest ein Führungselement beinhalten, welches vorgesehen ausgebildet ist, das Verdichterelement während der Kompression und dem Entspannen zu führen und zu verhindern, dass das Verdichterelement unkontrolliert einknickt oder kollabiert. Das Führungselement kann beispielsweise stabförmig oder hülsenförmig ausgebildet sein. In other words, the compressor device can include at least one guide element, which is designed to guide the compressor element during compression and expansion and to prevent the compressor element from buckling or collapsing in an uncontrolled manner. The guide element can, for example, be rod-shaped or sleeve-shaped.
Bevorzugt kann mehr als ein Führungselement in der Kompressorvorrichtung ausgebildet sein.More than one guide element can preferably be formed in the compressor device.
In einem weiteren Aspekt kann in dem Arbeitsraum ein geschlossener Verdränger (Topfelement) ausgebildet sein.In a further aspect, a closed displacer (pot element) can be formed in the working space.
Anders ausgedrückt kann an einer dem Arbeitsraum zugewandten Innenseite des Verdichterelements, vorzugsweise an einer kolbennahen Stirnseite des Verdichterelements, das Verdrängerelement ausgebildet sein. Bei dem Verdrängerelement kann es sich um ein in sich gasdicht geschlossenes, insbesondere zylindrisches Element handeln, das fest mit dem Verdichterelement verbunden ausgebildet sein kann.In other words, the displacer element can be formed on an inside of the compressor element facing the working space, preferably on an end face of the compressor element close to the piston. The displacement element can be a gas-tight, in particular cylindrical, element which can be designed to be firmly connected to the compressor element.
Durch ein derartiges Verdrängerelement in dem Arbeitsraum kann das (Gas-)Volumen des Arbeitsraums reduziert werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Arbeitsraum in dem komprimierten Zustand ein (Tot-/Rest-) Volumen von annähernd null aufweist, was die Auslenkung des Verdichterelements und damit die Belastung des Verdichterelements reduziert.The (gas) volume of the working space can be reduced by such a displacement element in the working space. This can ensure that the working space in the compressed state has a (dead/residual) volume of approximately zero, which reduces the deflection of the compressor element and thus the load on the compressor element.
In einem weiteren Aspekt kann ein eine maximale Längserstreckung des Verdichterelements in der Hubrichtung in dem expandierten Zustand mehr als doppelt so groß sein wie eine minimale Längserstreckung in der Hubrichtung des Verdichterelements in dem komprimierten Zustand.In a further aspect, a maximum longitudinal extent of the compressor element in the stroke direction in the expanded state may be more than twice as large as a minimum longitudinal extent in the stroke direction of the compressor element in the compressed state.
In einem weiteren Aspekt kann der Übertragungsraum und/oder der Arbeitsraum mit zumindest einem Ausgleichsbehälter, optional über ein Ventil, verbunden sein, um die Kompressorvorrichtung vorzuspannen und etwaige Volumensänderungen, insbesondere bei einem Hochfahren bzw. einer Inbetriebnahme der Kompressorvorrichtung auszugleichen.In a further aspect, the transfer space and/or the working space can be connected to at least one expansion tank, optionally via a valve, in order to bias the compressor device and to compensate for any changes in volume, in particular when starting up or starting up the compressor device.
In einem weiteren Aspekt ist die Kompression des Verdichterelements reversibel. Das heißt, dass das Verdichterelement seine Geometrie im Betrieb ausschließlich in einem vordefinierten Rahmen verändert und danach eine Ausgangsgeometrie zurückerlangt.In a further aspect, the compression of the compressor element is reversible. This means that the compressor element changes its geometry during operation only within a predefined framework and then regains an initial geometry.
In einem weiteren Aspekt kann eine Wandstärke des Verdichterelements konstant sein. Bevorzugt kann die Wandstärke des Verdichterelements kleiner als 0,2 mm sein.In a further aspect, a wall thickness of the compressor element can be constant. The wall thickness of the compressor element can preferably be less than 0.2 mm.
In einem weiteren Aspekt kann das Verdichterelement aus einer Vielzahl von Membranpaaren ausgebildet sein. Bevorzugt kann das Verdichterelement aus zumindest 30 Membranpaaren ausgebildet sein. Besonders bevorzugt kann das Verdichterelement aus zumindest 40 Membranpaaren ausgebildet sein.In a further aspect, the compressor element can be formed from a plurality of membrane pairs. The compressor element can preferably be formed from at least 30 pairs of membranes. Particularly preferably, the compressor element can be formed from at least 40 pairs of membranes.
Durch eine Ausbildung des Verdichterelements mit einer Vielzahl von Membranpaaren kann gewährleistet werden, dass jedes der Membranpaare bei der Hubbewegung des Verdichterelements nur eine geringe Auslenkung erfährt, was eine mechanische Belastung des Verdichterelements erheblich reduziert.By designing the compressor element with a large number of membrane pairs, it can be ensured that each of the membrane pairs experiences only a small deflection during the stroke movement of the compressor element, which significantly reduces mechanical stress on the compressor element.
In einem weiteren Aspekt kann der Übertragungsraum mit einer mehrstufigen Geometrie, insbesondere einer zweistufigen Geometrie, ausgebildet sein. In anderen Worten kann der Übertragungsraum einen Durchmessersprung aufweisen, wobei ein erster Durchmesser in einem Bereich des Kolbens vorzugsweise kleiner sein kann als ein zweiter Durchmesser in einem Bereich des Verdichterelements. Auf diese Weise kann die durch den Kolben aufzubringende Kraft zum Verdrängen des Übertragungsfluids an die Antriebskraft bzw. das Antriebsmoment der Antriebseinrichtung angepasst werden.In a further aspect, the transmission space can be designed with a multi-stage geometry, in particular a two-stage geometry. In other words, the transmission space can have a jump in diameter, wherein a first diameter in a region of the piston can preferably be smaller than a second diameter in a region of the compressor element. In this way, the force to be applied by the piston to displace the transmission fluid can be adapted to the driving force or the driving torque of the drive device.
In einem weiteren Aspekt kann die Antriebseinrichtung mit einer Steuereinrichtung ausgebildet und/oder mit der Steuereinrichtung verbunden sein, welche die Kompression/Verdichtung und die Entspannung des Arbeitsmediums in dem Arbeitsraum über die periodische Längsbewegung des Kolbens, insbesondere über eine Drehzahl der Antriebseinrichtung, steuert.In a further aspect, the drive device can be designed with a control device and/or connected to the control device, which controls the compression/compression and relaxation of the working medium in the working space via the periodic longitudinal movement of the piston, in particular via a speed of the drive device.
In einem weiteren Aspekt kann ein von dem Kolben bei der Bewegung des Kolbens verdrängtes Verdrängungsvolumen einer Arbeitsraumvolumenänderung entsprechen, wodurch eine Steuerung der Kompressorvorrichtung erheblich vereinfacht ist.In a further aspect, a displacement volume displaced by the piston during the movement of the piston can correspond to a change in the volume of the working space, whereby control of the compressor device is considerably simplified.
In einem weiteren Aspekt kann der Kompressorvorrichtung ein Filter nachgeschaltet sein.In a further aspect, a filter can be connected downstream of the compressor device.
In einem weiteren Aspekt kann es sich bei dem Arbeitsmedium um Helium handeln.In a further aspect, the working medium can be helium.
Es ist vorteilhaft, wenn das Bewegungsprofil des Kolbens kein lineares oder kein sinusförmiges Profil ist, sondern einer Sprungfunktion folgt, bei welcher das Arbeitsgas schnell verdichtet, der Druck gehalten und dann das Arbeitsgas wieder schnell entspannt wird. Dieses Bewegungsprofil kann durch eine entsprechende variable Ansteuerung der Antriebseinrichtung erfolgen.It is advantageous if the movement profile of the piston is not a linear or sinusoidal profile, but follows a step function in which the working gas is compressed quickly, the pressure is maintained and then the working gas is quickly expanded again. This movement profile can be achieved by a corresponding variable control of the drive device.
Alternativ kann die Antriebseinrichtung gleichförmig angesteuert werden und die sprungfunktionsförmige Bewegung des Kolbens mittels eines entsprechenden Übertragungselements, wie einer Nocke, erzielt werden. Anders ausgedrückt kann eine lineare Bewegung der Antriebseinrichtung durch ein nockenförmiges Übertragungselement in eine nahezu sprungfunktionsförmige Bewegung des Kolbens übersetzt sein. In nochmals anderen Worten kann das Übertragungselement asymmetrisch zu einer Drehachse des Übertragungselements sein.Alternatively, the drive device can be controlled uniformly and the jump function-shaped movement of the piston can be achieved by means of a corresponding transmission element, such as a cam. In other words, a linear movement of the drive device can be translated into an almost jump function-shaped movement of the piston by a cam-shaped transmission element. In yet other words, the transmission element can be asymmetrical to an axis of rotation of the transmission element.
In einem weiteren Aspekt kann die eine Antriebseinrichtung mehr als eine Kompressorvorrichtung antreiben. Bevorzugt können bei einer derartigen Ausbildung die Zylinder in Boxerformation angeordnet sein. In anderen Worten können beispielsweise zwei Zylinder diametral gegenüberliegend von der Antriebseinrichtung ausgebildet sein, wobei die Zylinder identisch aufgebaut sein können. Jeder der Zylinder kann mit einem Kolben und einem Verdichterelement ausgebildet sein.In a further aspect, the one drive device can drive more than one compressor device. With such a design, the cylinders can preferably be arranged in a boxer formation. In other words, for example, two cylinders can be designed diametrically opposite the drive device, whereby the cylinders can be constructed identically. Each of the cylinders may be formed with a piston and a compressor element.
In einem weiteren Aspekt kann das Übertragungsfluid (auch) als ein Schmiermittel für die Antriebseinrichtung verwendet werden. Anders ausgedrückt kann auf einer von dem Übertragungsraum abgewandten Seite des Kolbens das Übertragungsfluid als ein Schmierstoff ausgebildet sein. Insbesondere kann das Übertragungsfluid eine Paarung Motor-Pleuel und eine Paarung Pleuel-Kolben schmieren. Durch eine Ausbildung des Übertragungsfluids als Schmiermittel kann verhindert werden, dass mögliche Leckagen des Übertragungsfluids über den Kolben in Richtung zu der Antriebseinrichtung eine negative Auswirkung auf die Antriebseinrichtung haben.In a further aspect, the transmission fluid may (also) be used as a lubricant for the drive device. In other words, the transmission fluid can be formed as a lubricant on a side of the piston facing away from the transmission space. In particular, the transmission fluid can lubricate an engine-connecting rod pairing and a connecting rod-piston pairing. By designing the transfer fluid as a lubricant, possible leaks of the transfer fluid via the piston in the direction of the drive device can be prevented from having a negative effect on the drive device.
In einem weiteren Aspekt kann die Kompressorvorrichtung für einen Arbeitsfrequenzbereich zwischen 0,1 und 10 Hz und insbesondere für ein Arbeitsfrequenzbereich zwischen 0,5 und 5 Hz ausgelegt sein.In a further aspect, the compressor device can be designed for a working frequency range between 0.1 and 10 Hz and in particular for a working frequency range between 0.5 and 5 Hz.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit einer Kompressorvorrichtung nach einem der obigen Aspekte und einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler.Furthermore, the object is solved by a cooling device with a compressor device according to one of the above aspects and a Gifford-McMahon cooler or a pulse tube cooler.
In anderen Worten beinhaltet die Kühlvorrichtung eine Kompressorvorrichtung nach einem der obigen Aspekte und den über den Anschluss angeschlossenen Gifford-McMahon-Kühler oder den Pulsrohrkühler. Optional kann zwischen der Kühlvorrichtung und dem Gifford-McMahon-Kühler oder dem Pulsrohrkühler ein Wärmetauscher zum Kühlen des Arbeitsgases ausgebildet sein oder es kann an dem Gifford-McMahon-Kühler oder dem Pulsrohrkühler direkt eine Kühlvorrichtung ausgebildet sein.In other words, the cooling device includes a compressor device according to one of the above aspects and the Gifford-McMahon cooler or the pulse tube cooler connected via the connection. Optionally, a heat exchanger for cooling the working gas can be formed between the cooling device and the Gifford-McMahon cooler or the pulse tube cooler, or a cooling device can be formed directly on the Gifford-McMahon cooler or the pulse tube cooler.
Auf diese Weise ist es möglich, auf ein Drehventil zu verzichten und eine Druckkurve direkt mit der Kompressorvorrichtung herzustellen. Der Gifford-McMahon-Kühler oder der Pulsrohrkühler kann direkt mit der Kompressorvorrichtung verbunden sein. Für den Betrieb des Gifford-McMahon-Kühlers oder des Pulsrohrkühlers ist extrem sauberes Helium Gas (6N = 99,9999 % Helium) notwendig.In this way it is possible to do without a rotary valve and to produce a pressure curve directly with the compressor device. The Gifford-McMahon cooler or pulse tube cooler may be directly connected to the compressor device. Extremely clean helium gas (6N = 99.9999% helium) is required to operate the Gifford-McMahon cooler or the pulse tube cooler.
In einem Aspekt können die Kompressorvorrichtung und der Gifford-McMahon-Kühler oder der Pulsrohrkühler über einen Hochdruckanschluss verbunden sein. In one aspect, the compressor device and the Gifford-McMahon cooler or the pulse tube cooler may be connected via a high pressure port.
In einem weiteren Aspekt kann die Kühlvorrichtung bzw. die Kompressorvorrichtung mit 16 bar vorgespannt sein. Ein Arbeitsbereich der Kompressorvorrichtung kann zwischen 8 bar und 24 bar liegen.In a further aspect, the cooling device or the compressor device can operate at 16 bar be biased. A working range of the compressor device can be between 8 bar and 24 bar.
Weiterhin kann eine Kompressorkältemaschine mit einer Kompressorvorrichtung nach einem der obigen Aspekte, einem Verdampfer und einem Kondensator ausgebildet sein.Furthermore, a compressor refrigerator may be formed with a compressor device according to one of the above aspects, an evaporator and a condenser.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
-
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer allgemeinen Ausführungsform;1 is a schematic representation of a compressor device according to the invention in a general embodiment; -
2 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer speziellen Ausführungsform;2 is a schematic representation of the compressor device according to the invention in a specific embodiment; -
3 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer ersten Ausführungsform;3 is a schematic representation of a structure of a cooling device according to the invention in a first embodiment; -
4 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaus der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform;4 is a schematic representation of a structure of the cooling device according to the invention in a second embodiment; -
5 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer ersten alternativen Ausführungsform;5 is a schematic representation of a compressor device according to the invention in a first alternative embodiment; -
6 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer zweiten alternativen Ausführungsform;6 is a schematic representation of a compressor device according to the invention in a second alternative embodiment; -
7 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer dritten alternativen Ausführungsform; und7 is a schematic representation of a compressor device according to the invention in a third alternative embodiment; and -
8 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer vierten alternativen Ausführungsform;8th is a schematic representation of a compressor device according to the invention in a fourth alternative embodiment;
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung auf der Basis der zugehörigen Figuren beschrieben.Embodiments of the present disclosure are described below based on the associated figures.
Der Balg 8 beinhaltet/begrenzt einen Arbeitsraum 20. Der Arbeitsraum 20 ist mit einem Arbeitsgas, vorzugsweise Helium, gefüllt. Der Balg 8 ist in der hier dargestellten Ausführungsform als Faltenbalg mit einer ziehharmonikaförmigen Wandung 22 ausgebildet. Der Balg 8 trennt den Übertragungsraum 16 und den Arbeitsraum 20 gas- und fluiddicht voneinander. Der Anschluss 10 ist an einer von dem Kolben 6 abgewandten Seite des Arbeitsraums 20 ausgebildet. Der Anschluss 10 ist vorgesehen und ausgebildet, die Kompressorvorrichtung 2 mit einem Kaltkopf/Kühler 38 (siehe
Nachfolgend wird anhand von
Eine durch eine entsprechende Steuervorrichtung (nicht dargestellt) angesteuerte Antriebsvorrichtung in Form eines Elektromotors 26 treibt eine Scheibe 28, auf welcher das Pleuel 24 exzentrisch an einer ersten Lagerstelle 30 gelagert ist, rotierend an. Das Pleuel 24 ist weiterhin an dem Kolben 6 an einer zweiten Lagerstelle 32 gelagert/fixiert. Über das Pleuel 24 wird aus einer rotatorischen/kreisförmigen Bewegung der Scheibe 28 eine lineare Bewegung des Kolbens 6 entlang der Zylindermittelachse ZM. In anderen Worten wird eine von dem Elektromotor 26 erzeugte Kraft über die Scheibe 28 und das Pleuel 24 auf den Kolben 6 übertragen.A drive device in the form of an
Wenn der Kolben 6 entlang der Zylindermittelachse ZM in einer Richtung hin zu dem Balg 8 verfährt, wird die Kraft auf das Übertragungsfluid in dem Fluidraum 18 übertragen. Das Übertragungsfluid, welches den Balg 8 umgibt, überträgt die Kraft auf den Balg 8 und komprimiert das in dem Balg 8 enthaltene Arbeitsgas. Da es sich bei dem Übertragungsfluid um ein näherungsweise inkompressibles Fluid handelt, wird die von dem Elektromotor 26 aufgebrachte Kraft (abzüglich etwaiger Reibungsverluste) im Wesentlichen vollständig in eine Kompression des Balgs 8 und des in dem Arbeitsraum 20 befindlichen Arbeitsgases umgesetzt. In anderen Worten wird durch die Kraft des Elektromotors 26 das Arbeitsgas in dem Arbeitsraum 20 periodisch verdichtet. Ein Arbeitsbereich des Balgs 8 liegt dabei zwischen einer ersten Länge L1 im komprimierten Zustand und einer zweiten Länge L2 im entspannten Zustand. Eine (maximale) Längenänderung ΔL des Balgs 8, die einer Differenz zwischen der ersten Länge L1 und der zweiten Länge L2 entspricht, ist viel kleiner als die erste Länge L1 oder die zweite Länge L2.When the
Nachfolgend werden anhand der
Die in
Selbstverständlich sind alle beschriebenen Ausführungsformen in ihren Merkmalen, wenn technisch möglich, innerhalb der Ansprüche beliebig kombinierbar.Of course, the features of all described embodiments can, if technically possible, be combined as desired within the claims.
So ist beispielsweise vorstellbar, dass die Kompressionsvorrichtung 2 mit dem Topfelement 42 in dem Arbeitsraum 20 ausgebildet ist und der Balg 8 zusätzlich mit dem stabförmigen Führungselement 44 und/oder dem flächigen Führungselement 46 ausgebildet ist.For example, it is conceivable that the
Auch ist vorstellbar, dass die Kompressionsvorrichtung 2 mit dem Zylinder 4, welcher den ersten Zylinderabschnitt 50 und den zweiten Zylinderabschnitt 52 aufweist, und dem Topfelement 42 ausgebildet ist.It is also conceivable that the
Weiterhin ist vorstellbar, dass die Kompressorvorrichtung mit dem Zylinder 4, welcher den ersten Zylinderabschnitt 50 und den zweiten Zylinderabschnitt 52 aufweist, dem Topfelement 42 und dem stabförmigen Führungselement 44 und/oder dem flächigen Führungselement 46 ausgebildet ist.Furthermore, it is conceivable that the compressor device is designed with the
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 22
- KompressorvorrichtungCompressor device
- 44
- Zylindercylinder
- 66
- KolbenPistons
- 88th
- Balgbellows
- 1010
- AnschlussConnection
- 1212
- (Zylinder-)Lauffläche(Cylinder) running surface
- 1414
- KolbenhemdPiston shirt
- 1616
- Übertragungsraumtransmission room
- 1818
- FluidraumFluid space
- 2020
- Arbeitsraumworking space
- 2222
- Wandungwall
- 2424
- Pleuelconnecting rod
- 2626
- ElektromotorElectric motor
- 2828
- Scheibedisc
- 3030
- erste Lagerstellefirst storage location
- 3232
- zweite Lagerstellesecond storage location
- 3434
- KühlvorrichtungCooling device
- 3636
- Druckleitungpressure line
- 3838
- KaltkopfCold head
- 4040
- WärmetauscherHeat exchanger
- 4242
- Topfelement/VerdrängerelementPot element/displacer element
- 4444
- stabförmiges Führungselementrod-shaped guide element
- 4646
- flächiges Führungselementflat guide element
- 4848
- Bohrungdrilling
- 5050
- erster Zylinderabschnittfirst cylinder section
- 5252
- zweiter Zylinderabschnittsecond cylinder section
- ZMZM
- ZylindermittelachseCylinder center axis
- L1L1
- erste Längefirst length
- L2L2
- zweite Längesecond length
- ΔLΔL
- LängenänderungChange in length
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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