DE3740810A1 - Kryogener kompressor - Google Patents
Kryogener kompressorInfo
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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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 (6)
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.
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.
Applications Claiming Priority (1)
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