DE3740810A1

DE3740810A1 - Kryogener kompressor

Info

Publication number: DE3740810A1
Application number: DE19873740810
Authority: DE
Inventors: Takuya Suganami; Yoshio Kazumoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-12-16
Filing date: 1987-12-02
Publication date: 1988-06-30
Also published as: JPS63150480A; US4817390A; JPH0631615B2

Description

Die Erfindung betrifft einen kryogenen Kompressor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der zur Verwendung in Maschinen zur Erzeugung von Tiefsttemperaturen dient.

Maschinen zur Erzeugung von Tiefsttemperaturen, zum Beispiel kryogene Stirling-Apparate, verwenden einen kryogenen Kompressor mit einem hin- und hergehenden Kolben als einem der wesentlichen Bestandteile. Dieser Kompressor ist im allgemeinen so ausgebildet, daß er ein Gas wie Helium verdichtet. Diese Art des her kömmlichen Kurbeltyp-Kompressors wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 4 bis 6 erläutert.

In den Fig. 4 und 5 ist ein Elektromotor 1 gezeigt, der eine Kurbelwelle 2 antreibt. Eine Verbindungsstange 3 ist mit ihrem erweiterten Ende einem exzentrischen Bereich der Kurbelwelle 2 angepaßt und wird über ein Lager 4 von diesem getragen. Ein Kolben 5 ist mit dem schmalen Ende der Verbindungsstange 3 verbunden, so daß er eine hin- und hergehende Bewegung in einem Zylinder 6 ausführen kann. Ein Kolbenring 7 ist auf den Kolben 5 aufgesetzt, um den Spielraum zwischen dem Kolben 5 und dem Zylinder 6 abzudichten. Ein Lager 8 ist vorgesehen, um die Kurbelwelle 2 in einem Motorgehäuse 9 zu tragen. Zwischen dem Zylinder 6 und dem Motorgehäuse 9 befindet sich ein Kurbelgehäuse 10 und mit dem Kopf des Zylinders 6 ist eine Gasleitung 11 verbunden. Im Zylinder 6 ist ein Kompressionsraum 12 vorgesehen und im Kurbelgehäuse 10 befindet sich ein Pufferraum 13, wobei diese Räume 12 und 13 durch den Kolben 5 und den Kolbenring 7 von einander getrennt sind.

Wenn der Elektromotor 1 im kryogenen Kompressor eingeschaltet ist, wird die Kurbelwelle 2 ge dreht und der Kolben 5 wird über die Verbindungs stange 3 im Zylinder 6 hin- und herbewegt, wobei eine wiederholte Verdichtung und Expansion im Kompressionsraum 12 stattfindet und hierdurch ein Austreiben und Ansaugen von Arbeitsgas über die Gasleitung 11 bewirkt wird. Als Folge dieser Arbeitsweise wechselt der Gasdruck P _C innerhalb des Kompressionsraumes 12 sowohl zur Überdruck- als auch zur Unterdruckseite in bezug auf den Gasdruck P _B im Pufferraum 13 in Abhängig keit vom Kurbelwinkel, wie in Fig. 6 gezeigt ist; und in Übereinstimmung mit dem Wechsel des Gasdrucks P _C wechseln auch die Lagerbelastung, die Belastung der Verbindungsstange und der Seitendruck des Kolbens zwischen der Über- und Unterdruckseite, wie in Fig. 6 dargestellt ist. In dieser Figur ist der Kurbelwinkel so de finiert, daß er im oberen Totpunkt des Kolbens 0° beträgt.

Der bekannte kryogene Kompressor ist wie beschrieben ausgebildet und die Gasdrücke innerhalb des Kompressions- und des Pufferraums ändern sich wie in Fig. 6 gezeigt, so daß das Arbeitsgas zwischen dem Kompressions- und Pufferraum angesogen und ausgetrieben wird. Dieser "Atmungs vorgang" führt zu dem Problem, daß das Gas im Pufferraum, das durch Partikel verunreinigt ist, die beispielsweise durch den Abrieb der Gleit berührung zwischen dem Kolbenring und dem Zylinder gebildet werden und durch die Schwerkraft nach unten fallen, um im Pufferraum umherzuschweben, in den Kompressionsraum eintreten und dort das Arbeitsgas verunreinigen kann, wodurch die Funktion des Kühlzyklus beeinträchtigt wird. Weiterhin kann, da die Richtung der Lagerbelastung, der Belastung der Verbindungsstange und des Kolben seitendrucks in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel wechselt, ein schlagendes Geräusch aufgrund der Spielräume an den Lagern, der Verbindungsstange und der Kolbeneinheit erzeugt werden. Zusätzlich erhöht dieses Schlagen den Abrieb der vorge nannten Elemente, wodurch sich eine Verringerung der Lebensdauer des Kompressors ergibt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Er findung, einen kryogenen Kompressor zu schaffen, bei dem eine Verunreinigung des Arbeitsgases vermieden, das Schlaggeräusch reduziert sowie der Abrieb an den Lagern, der Verbindungsstange und der Kolbeneinheit minimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kompressors ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich bei einem kryogenen Kompressor mit einem Kompressionsraum und einem Pufferraum, die durch einen hin- und hergehenden Kolben voneinander getrennt sind, aus durch einen Durchgang, der den Kompressionsraum und den Pufferraum direkt miteinander verbindet, ein Rückschlagventil im Durchgang, das einen Gas fluß nur aus dem Pufferraum in den Kompressions raum zuläßt, und eine Reinigungskammer im Durchgang, die in Reihe mit dem Rückschlagventil angeordnet und mit einer Reinigungssubstanz gefüllt ist.

Wenn bei diesem kryogenen Kompressor der Gasdruck im Kompressionsraum niedriger werden soll als der Gasdruck im Pufferraum, dann wird das Gas über den diese Räume direkt verbindenden Durch gang und das Rückschlagventil aus dem Pufferraum in den Kompressionsraum geleitet. Wenn dieses Gas verunreinigt ist, dann wird es durch die Reinigungssubstanz in der Reinigungskammer ge reinigt, wodurch eine Verunreinigung des Arbeits gases vermieden wird. Der Gasdruck im Kompressions raum wird durch die Wirkung des Rückschlagventils zu allen Zeiten gleich dem oder höher als der Gasdruck im Pufferraum gehalten, und das Gas strömt somit nur in einer Richtung im folgenden Kreislauf: Kompressionsraum → Spalt zwischen Kolbenring und Zylinder → Pufferraum → Durchgang → Kompressionsraum. Somit ist nicht zu befürchten, daß ein hin und hergehender Gasaustausch zwischen dem Kompressionsraum und dem Pufferraum wie beim bekannten kryogenen Kompressor stattfindet. Außerdem ändern sich die Lagerbelastung und die Belastung der Verbindungsstange nur auf einer Druckseite. Es sind damit kein Schlagen und keine Schlaggeräusche zu befürchten, die sonst infolge der Spielräume an den Lagern und der Verbindungsstange auftreten würden. Zur Her stellung des vorliegenden Kompressors ist es nur erforderlich, eine Leitung, ein Rückschlag ventil und eine Reinigungskammer, die zusammen einen Durchgang bilden, zu einem bekannten kryogenen Kompressor hinzuzufügen, wobei diese zusätzlichen Elemente in ihrer Struktur sehr einfach sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung der Seitenansicht eines kryogenen Kompressors,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der Vorderansicht des Kompressors nach Fig. 1,

Fig. 3 Kurvendarstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Kompressors nach Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Schnittdar stellung der Seitenansicht eines herkömmlichen kryogenen Kompressors,

Fig. 5 eine schematische Schnittdar stellung der Vorderansicht des Kompressors nach Fig. 4, und

Fig. 6 Kurvendarstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Kompressors nach Fig. 4.

In den Fig. 1 und 2 entsprechen der Elektromotor 1, die Kurbelwelle 2 und die Verbindungsstange 3 den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Elementen des be kannten kryogenen Kompressors. Ein Durchgang 14 verbindet den Kompressions- 12 direkt mit dem Pufferraum 13. Der Durchgang 14 ist mit einem Rückschlagventil 15 ausgestattet, das einen Gas fluß nur vom Pufferraum 13 zum Kompressionsraum 12 zuläßt. Im Durchgang 14 ist weiterhin zwischen dem Pufferraum 13 und dem Rückschlagventil 15 eine Reinigungskammer 16 vorgesehen. Diese ist mit einer Gasreinigungssubstanz wie einem Molekularsieb, -filter oder dergleichen gefüllt. Die Anordnung der weiteren Elemente in diesem Ausführungsbeispiel ist die gleiche wie beim bekannten kryogenen Kompressor nach den Fig. 4 und 5.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des kryogenen Kompressors nach den Fig. 1 und 2 beschrieben.

Wenn die Kurbelwelle 2 durch den eingeschalteten Elektromotor 1 gedreht wird, führt der Kolben 5 im Zylinder 6 eine hin- und hergehende Bewegung aus, um eine wiederholte Verdichtung und Expansion im Kompressionsraum 12 zu erzielen. Wenn der Gasdruck P _C im Kompressionsraum 12 höher als der Gasdruck P _B im Pufferraum 13 ist, entweicht Gas aus dem Kompressionsraum 12 in den Pufferraum 13 durch den Zwischenraum zwischen dem Kolbenring 7 und dem Zylinder 6 in der gleichen Weise wie beim bekannten Kompressor. Wenn jedoch der Gas druck P _C im Kompressionsraum 12 niedriger werden soll als der Gasdruck P _B im Pufferraum 13, wird das Gas über den die Räume 12, 13 direkt ver bindenden Durchgang 14 und das Rückschlagventil 15 aus dem Pufferraum 13 in den Kompressionsraum 12 geleitet. Demgemäß wird der Gasdruck P _C im Kompressionsraum 12 zu allen Zeiten gleich dem oder höher als der Gasdruck P _B im Pufferraum 13 gehalten, wie die Kurven in Fig. 3 zeigen, in der der Kurbelwinkel so gewählt ist, daß er im oberen Totpunkt des Kolbens 0° beträgt. Das Gas strömt somit in einer Richtung im folgenden Kreislauf: Kompressionsraum 12 → Spalt zwischen Kolbenring 7 und Zylinder 6 → Pufferraum 13 → Durchgang 14 → Kompressionsraum 12. Somit ist nicht zu befürchten, daß ein hin- und hergehender Gasaustausch zwischen dem Kompressionsraum 12 und dem Pufferraum 13 wie beim bekannten kryogenen Kompressor statt findet; und das durch Partikel, die durch den Abrieb der Gleitberührung zwischen dem Kolbenring 7 und dem Zylinder 6 gebildet werden und in den Pufferraum 13 fallen und in diesem schwebend gehalten werden, verunreinigte Gas wird stets durch die Reinigungskammer 16 geführt. Daher werden Verunreinigungen wie Abriebpartikel mit Hilfe der in die Reinigungskammer 16 eingebrachten Reinigungssubstanz aus dem Gas entfernt, und nur das gereinigte Gas wird durch das Rückschlag ventil 15 zum Kompressionsraum 12 geleitet. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ändern sich die Lagerbelastung und die Belastung der Verbindungs stange nur auf einer Druckseite, so daß kein Schlagen und keine Schlaggeräusche zu befürchten sind, die ansonsten infolge der Spielräume an den Lagern und der Verbindungsstange auf treten würden.

Wie vorstehend beschrieben ist, wird ein kryogener Kompressor vorgeschlagen, bei dem ein Kompressions raum und ein Pufferraum, die durch einen hin und hergehenden Kolben voneinander getrennt sind, über einen Durchgang direkt miteinander verbunden sind, in dem ein Rückschlagventil und eine mit einer Reinigungssubstanz gefüllte Reinigungskammer in Reihe angeordnet sind. Es ist daher nur er forderlich, eine Leitung, ein Rückschlagventil und eine Reinigungskammer, die zusammen einen Durchgang bilden, zu einem bekannten kryogenen Kompressor hinzuzufügen, ohne ansonsten Änderungen in seinem Aufbau vorzunehmen. Diese zusätzlichen Elemente sind auch einfach in ihrer Struktur und können mit relativ geringen Kosten hergestellt werden; jedoch ist es möglich, das verunreinigte Gas mittels der in die Reinigungskammer einge brachten Reinigungssubstanz zu reinigen und das gereinigte Gas in den Kompressionsraum zu leiten. Weiterhin ist es möglich, das Auftreten von Schlag beanspruchungen und Schlaggeräuschen aufgrund von Spielräumen an den Lagern und der Verbindungs stange zu unterbinden und dabei den Verschleiß dieser Teile zu vermindern. Dies bedeutet den Vorteil, daß die Lebensdauer der wesentlichen Elemente verlängert wird.

Claims

1. Kryogener Kompressor mit einem Kompressions raum und einem Pufferraum, die durch einen hin- und hergehenden Kolben voneinander getrennt sind, gekennzeichnet durch
einen Durchgang (14), der den Kompressionsraum (12) und den Pufferraum (13) direkt miteinander verbindet,
ein Rückschlagventil (15) im Durchgang (14), das einen Gasfluß nur aus dem Pufferraum (13) in den Kompressionsraum (12) zuläßt, und eine Reinigungskammer (16) im Durchgang (14), die in Reihe mit dem Rückschlagventil (15) angeordnet und mit einer Reinigungssubstanz gefüllt ist.

2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Reinigungskammer (16) zwischen dem Pufferraum (13) und dem Rückschlagventil (15) angeordnet ist.

3. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Reinigungskammer (16) mit Molekularsieben gefüllt ist.

4. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Filter innerhalb der Reinigungskammer (16) befestigt ist.

5. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kompressionsraum (12) oberhalb des Pufferraums (13) angeordnet ist.

6. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gasdruck im Kompressions raum (12) während des Betriebes des Kompressors gleich dem oder höher als der Gasdruck im Pufferraum (13) gehalten wird.