EP3434897B1 - Kompressorvorrichtung, eine damit ausgerüstete kühlvorrichtung und ein verfahren zum betreiben der kompressorvorrichtung und der kühlvorrichtung - Google Patents

Kompressorvorrichtung, eine damit ausgerüstete kühlvorrichtung und ein verfahren zum betreiben der kompressorvorrichtung und der kühlvorrichtung Download PDF

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EP3434897B1
EP3434897B1 EP18195959.4A EP18195959A EP3434897B1 EP 3434897 B1 EP3434897 B1 EP 3434897B1 EP 18195959 A EP18195959 A EP 18195959A EP 3434897 B1 EP3434897 B1 EP 3434897B1
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EP
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pressure
compressor
working
volume
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Jens HÖHNE
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Pressure Wave Systems GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect

Definitions

  • the invention relates to a compressor device, a cooling device equipped therewith and a method for operating the compressor device.
  • pulse tube coolers or Gifford-McMahon coolers are used for cooling magnetic resonance tomographs, cryopumps, etc.
  • Gas and especially helium compressors are used in combination with rotary or rotary valves.
  • the rate at which compressed helium is introduced and re-circulated to the cooling device is in the range of 1 Hz.
  • a problem with conventional screw or piston compressors is that oil from the compressor enters the working gas and thus the cooling device can contaminate.
  • acoustic compressors or high-frequency compressors in which one or more pistons are caused by a magnetic field in linear resonant vibrations. These resonant frequencies are in the range of a few 10 Hz and are therefore not suitable for use with pulse tube coolers and Gifford-McMahon coolers to produce very low temperatures in the lower than 10 K range.
  • a membrane compressor or pump which has a working space which is subdivided into a gas volume and a liquid volume by an elastic, gas- and liquid-tight membrane.
  • a liquid pump liquid is periodically pressed into the liquid volume of the working space, whereby the elastic membrane expands in the direction of gas volume and this compresses - compressor function - or pushing out of the gas volume - pump function.
  • the disadvantage here is that the gas-, liquid-tight and pressure-resistant sealing of the elastic membrane in the working space is relatively expensive. Particularly in the area of sealing, the membrane is heavily loaded, so that either very expensive materials must be used or a shorter life has to be accepted.
  • CH 457 147 A also shows a membrane compressor and mentions the lack of tightness of the membrane to helium.
  • DE 20 2007 018538 U1 shows a multi-stage diaphragm suction pump whose pumping chambers work in parallel or serially.
  • a heat pump and a refrigerator with a compressor device are known.
  • the compressor device comprises a compressor chamber in which a balloon is arranged.
  • the balloon is periodically pressurized with liquid so that the gas surrounding the balloon is periodically compressed and relaxed again.
  • the disadvantage here is that the balloon envelope can scrape or rub in certain operating conditions on the hard and possibly edged inner surface of the compressor chamber. As a result, due to the pressure conditions hole or cracking in the balloon envelope occur.
  • the permeability - permeability - of the balloon envelope for helium as a working gas is too large, so you quickly lose substantial amounts of helium. Thus, the service life of such systems with balloon is unsatisfactory.
  • a diaphragm pump for liquids which can also serve as a "gas compression pump".
  • a liquid must be introduced between the membrane and pump valves, ie a liquid is provided in the gas space. It is thus a compression device with a liquid stamp. A physical separation between compressed gas and hydraulic fluid therefore does not take place.
  • DE 10 2008 060598 A1 shows an apparatus for compressing a gas, comprising two cylinder filled with a hydraulic fluid or a working gas. The hydraulic fluid is preferably pumped back and forth between these cylinders with a hydraulic pump. Again, the physical separation between gas and liquid is not sufficient.
  • US 1 580 479 A describes a diaphragm pump with two chambers (or bellows) without working fluid, which are mutually compressed or relaxed via a yoke separating the chambers.
  • a compressor device with a metal bellows is known as a compressor element, with the exception of hydrogen for all possible working gases is impermeable.
  • the working gas can also be kept oil-free due to the metal bellows.
  • the efficiency due to the interaction with the working fluid balance tank is unsatisfactory.
  • the common pumping device is used twice. In each flow direction of the working fluid is a compression of the working gas; in the one flow direction in the first compressor stage and in the opposite flow direction in the second compressor stage. This increases the efficiency of the compressor device. Characterized in that the high and low pressure gas line are designed so that they act as a gas storage due to their volume, the operating frequency of a compressor operated with the device cooler can be decoupled from the pumping frequency of the pumping device.
  • the compressor device according to the present invention may be configured as a non-conveying compressor device.
  • a predetermined amount of working gas is alternately compressed and relaxed in the two stages. There is no working gas supplied from the outside.
  • a low-pressure gas storage and a high-pressure gas storage may be explicitly provided in the low-pressure or high-pressure gas line.
  • a working fluid preferably hydraulic oil according to DIN 51524 is used, which is additionally dehydrated or anhydrous.
  • the hydraulic oil is in a closed system of pumping device, working fluid equalizing device and fluid volume in the compressor chamber, so that during operation no water from the environment can be absorbed by the hydraulic oil.
  • water can also be used as the working fluid.
  • Water as a working fluid is also advantageous because, in the event of defects in a downstream cryogenic cooler, water which has penetrated can be removed more easily than hydraulic oil which has penetrated into a downstream cooler.
  • water is suitable as a working medium in explosion-protected applications, since water is non-flammable and non-explosive. In addition, water is non-toxic and therefore environmentally friendly.
  • helium, neon or nitrogen is preferably used as working gas.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the compressor device according to the invention with a first and a second compressor stage 2-1, 2-2, in the form of a non-promotional compressor device.
  • Each of the two compressor devices 2-1, 2-2 has a gas-tight closed compressor chamber 4-1, 4-2.
  • a metal bellows 6-1, 6-2 is arranged in each of the two compressor rooms 4-1, 4-2.
  • the metal bellows 6-1, 6-2 divide the compressor chambers 4-1, 4-2 into first and second gas volumes 8-1, 8-2 for a working gas 10 and into first and second fluid volumes 12-1, 12-2, respectively for a working liquid 14.
  • the gas volumes 8-1, 8-2 are inside the metal bellows 6-1, 6-2, and the liquid volumes are outside the bellows 6-1, 6-2.
  • the gas volumes 8-1, 8-2 are respectively connected to a high pressure working gas port 18-1, 18-2 and a low pressure working gas port 20-1, 20-2.
  • the low pressure working gas ports 20-1, 20-2 are provided with check valves 22 which are permeable toward the compressor stages 2-1, 2-2.
  • the high pressure working gas ports 18-1, 18-2 are also provided with check valves 22 which have opposite directions of passage as the check valves 22 at the low pressure working gas ports 20-1, 20-2.
  • the high pressure working gas ports 18-1, 18-2 are connected via the check valves 22 to a common high pressure gas line 24, and the low pressure working gas ports 20-1, 20-2 are connected to a low pressure gas line 26 via the check valves 22.
  • the check valves 22 in the high-pressure working gas ports 18-1, 18-2 are in the direction of common high-pressure gas line 24 and the check valves 22 on the low-pressure working gas ports 20-1, 20-2 are in the direction of compressor stages 2-1, 2-2 permeable.
  • the common high pressure gas line 24 and the common low pressure gas line 26 terminate in a motorized rotary valve 28 which alternately the high pressure gas line 24 and the low pressure gas line 26 with a cooling device 30, for.
  • the high and low pressure gas line 24, 26 act due to their volume as a gas storage or there are explicitly a low-pressure gas storage 27 and a high-pressure gas storage 25 in the low-pressure or high-pressure gas line 26, 24 are provided.
  • the check valves 22 at the two high pressure working gas ports 18-1, 18-2 are each followed by heat exchangers 32-1, 32-2 for cooling the compressed working gas.
  • the two compressor stages 2-1, 2-1 are constructed analogously, ie, the gas volumes 8-1, 8-2 and the liquid volumes 12-1, 12-2 are equal.
  • the two working fluid ports 16-1, 16-2 are connected to a common electromotive pumping device 34 which alternately supplies working fluid 14 into the first and second fluid volumes 12-1, 12-2 of the first and second compressor stages 2-1, 2-2 pumps. Ie. either working fluid 14 is pumped from the second fluid volume 12-2 into the first fluid volume 12-1 or vice versa.
  • FIGS. 2a to 2e illustrate the various phases of operation of the compressor device Fig. 1 ,
  • the in Fig. 2a phase shown is pumped by the common pumping device 34 working fluid 14 from the second fluid volume 12-2 of the second compressor stage 2-2 in the first fluid volume 12-1 in the first compressor stage 2-1.
  • the first metal bellows 6-1 is compressed and the working gas 10 therein is pressed into the high pressure gas reservoir 25 via the first high pressure working gas port 18-1, the first heat exchanger 32-1 and the common high pressure gas line 24.
  • the second metal bellows 6-2 expands through working gas 10, which flows back out of the low-pressure working gas reservoir 27 via the low-pressure gas line 26 and the second low-pressure working gas connection 20-2.
  • the rotary valve 28 connects the cooling device 30 via the low pressure gas line 26 with the low pressure gas storage 27th
  • the working fluid flow is reversed and the pumping device 34 now pumps working fluid 14 from the first fluid volume 12-1 of the first compressor stage 2-1 in the second fluid volume 12-2 in the second compressor stage 2-2.
  • the second metal bellows 6-2 is compressed and the working gas 10 therein is compressed and pressed into the high pressure gas reservoir 25 via the second high pressure working gas port 18-1, the second heat exchanger 32-2 and the common high pressure gas line 24.
  • the first metal bellows 6-1 expands through working gas 10 flowing back from the low-pressure gas reservoir 27 via the low-pressure gas line 26 and the first low-pressure working gas port 20-1.
  • Fig. 2e phase shown is again the first phase and the compression takes place in the first compressor stage 2-1.
  • Fig. 2a and 2e differ only in that in Fig. 2e the first metal bellows 6-1 still relaxed and the second metal bellows 6-2 is still compressed.
  • Fig. 2a is the compression in the first compressor stage 2-1 completed and the first metal bellows 6-1 is compressed, while the second metal bellows 6-2 is relaxed.
  • the rotational frequency of the rotary valve 28 is decoupled from the frequency of the compression in the two compressor stages.
  • the rotational frequency of the rotary valve 28 may be synchronized with the frequency of the compressor strokes.
  • the high-pressure and low-pressure gas storage 25, 27 could be dispensed with.
  • Hydraulic oils according to DIN 51524 are suitable as working fluids. These H, HL, HLP and HVLP oils are oils which are well tolerated with common sealants such as NBR (acrylonitrile butadiene rubber) etc. NBR, however, is not sufficiently helium-tight. HF oils are often incompatible with commonly used sealing materials ( http://de.wikipedia.org/wiki/List_of_Plastic_materials ).
  • water can also be used as the working fluid.
  • Water as a working fluid is also advantageous because in the event of defects, water that has penetrated into a downstream cryocooler can be removed more easily than hydraulic oil that has entered a downstream cooler.
  • water is suitable as a working medium in explosion-protected applications, since water is non-flammable and non-explosive. In addition, water is non-toxic and therefore environmentally friendly.

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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 Kolbenkompressoren 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, der 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 hierbei, 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 teure Materialien verwendet werden müssen oder eine geringere Lebensdauer in Kauf genommen werden muss.
  • CH 457 147 A zeigt ebenfalls einen Membrankompressor und erwähnt hierbei die fehlende Dichtheit der Membran gegenüber Helium. DE 20 2007 018538 U1 zeigt eine mehrstufige Membran-Saugpumpe, deren Pumpräume parallel oder seriell arbeiten.
  • 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 DE-A-91837 ist eine Membranpumpe für Flüssigkeiten bekannt, die auch als "Gascompressionspumpe" dienen kann. Hierzu wird angegeben, dass zwischen Membran und Pumpventilen eine Flüssigkeit eingebracht werden muss, d. h. im Gasraum ist eine Flüssigkeit vorgesehen. Es handelt sich somit um eine Kompressionsvorrichtung mit einem Flüssigkeitsstempel. Eine physische Trennung zwischen zu komprimierendem Gas und Hydraulikflüssigkeit findet daher nicht statt. DE 10 2008 060598 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Kompression eines Gases, umfassend zwei mit einer Hydraulikflüssigkeit bzw. einem Arbeitsgas gefüllte Zylinder. Die Hydraulikflüssigkeit wird vorzugsweise mit einer Hydraulikpumpe zwischen diesen Zylindern hin und her gepumpt. Auch hier ist die physische Trennung zwischen Gas und Flüssigkeit nicht ausreichend.
  • US 1 580 479 A beschreibt eine Membranpumpe mit zwei Kammern (bzw. Faltenbälgen) ohne Arbeitsflüssigkeit, welche über ein die Kammern trennendes Joch wechselseitig komprimiert bzw. entspannt werden.
  • 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 der Ansprüche 1-6.
  • 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 entgegengesetzten Strömungsrichtung in der zweiten Verdichterstufe. Damit erhöht sich die Effizienz der Kompressorvorrichtung. Dadurch, dass die Hoch- und Niederdruckgasleitung so ausgestaltet werden, dass sie aufgrund ihres Volumens als Gasspeicher wirken, kann die Arbeitsfrequenz eines mit der Kompressorvorrichtung betriebenen Kühlers von der Pumpfrequenz der Pumpeinrichtung entkoppelt werden.
  • Durch Rückschlagventile an den Hochdruck- und Niederdruck-Arbeitsgasanschlüssen wird der Gasstrom bei Verdichtung und Entspannung auf einfache Weise gesteuert - Anspruch 3.
  • Durch den Hochdruck-Arbeitsgasanschlüssen in den beiden Verdichterstufen nachgeschaltete Wärmetauscher wird das komprimierte Arbeitsgas nach jedem Verdichtungshub gekühlt-Anspruch 4.
  • Die Kompressorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann als nicht-fördernde Kompressorvorrichtung 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.
  • Alternativ können explizit ein Niederdruckgasspeicher und ein Hochdruckgasspeicher in der Niederdruck- bzw. Hochdruckgasleitung vorgesehen sein.
  • 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 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 einer Ausführungsform.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Verdichterstufen als nicht-fördernde Kompressorvorrichtung, und
    • Fig. 2a bis 2e schematische Darstellungen der zum Betrieb der Ausführungsform der Erfindung.
  • Fig. 1 zeigt eine 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-Arbeitsgasanschlüssen 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 Figuren 2a bis 2e illustrieren die verschiedenen Betriebsphasen der Kompressorvorrichtung nach Fig. 1. In der in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 2e gezeigte Phase ist wieder die erste Phase und die Verdichtung erfolgt in der ersten Verdichterstufe 2-1. Fig. 2a und 2e unterscheiden sich lediglich dadurch, dass in Fig. 2e der erste Metallfaltenbalg 6-1 noch entspannt und der zweite Metallfaltenbalg 6-2 noch komprimiert ist. In Fig. 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.
  • 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:
    • 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

Claims (6)

  1. 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 das Flüssigkeitsvolumen (12-1) pumpt und dadurch das Arbeitsgas (10) in dem Gasvolumen (8-1) periodisch komprimiert, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine zweite Verdichterstufe (2-2) vorgesehen ist, die einen zweiten Verdichterraum (4-2)umfasst, den ein zweiter Metallfaltenbalg (6-2) 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,
    dass die Pumpeinrichtung (34) eine gemeinsame Pumpeinrichtung ist,
    dass die gemeinsame Pumpeinrichtung (34) über den zweiten Arbeitsflüssigkeitsanschluss (16-2) mit der zweiten Verdichterstufe (2-2) verbunden ist,
    dass die Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse (18-1, 18-2) der beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) mit einer gemeinsamen Hochdruckgasleitung (24) verbunden sind, dass die Niederdruck-Arbeitsgasanschlüsse (20-1, 20-2) der beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) mit einer gemeinsamen Niederdruckgasleitung (26) verbunden sind, und
    dass die gemeinsame Hochdruckgasleitung (24) durch ihr Volumen als ein Hochdruckgasspeicher (25) und die Niederdruckgasleitung (26) durch ihr Volumen als ein Niederdruckgasspeicher (27) ausgebildet ist und dadurch,
    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.
  2. 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 das Flüssigkeitsvolumen (12-1) pumpt und dadurch das Arbeitsgas (10) in dem Gasvolumen (8-1) periodisch komprimiert, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine zweite Verdichterstufe (2-2) vorgesehen ist, die einen zweiten Verdichterraum (4-2)umfasst, den ein zweiter Metallfaltenbalg (6-2) 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,
    dass die Pumpeinrichtung (34) eine gemeinsame Pumpeinrichtung ist,
    dass die gemeinsame Pumpeinrichtung (34) über den zweiten Arbeitsflüssigkeitsanschluss (16-2) mit der zweiten Verdichterstufe (2-2) verbunden ist,
    dass die Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse (18-1, 18-2) der beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) mit einer gemeinsamen Hochdruckgasleitung (24) verbunden sind, dass die Niederdruck-Arbeitsgasanschlüsse (20-1, 20-2) der beiden Verdichterstufen (2-1, 2-2) mit einer gemeinsamen Niederdruckgasleitung (26) verbunden sind, und
    dass die gemeinsame Hochdruckgasleitung (24) in einen Hochdruckgasspeicher (25) und die gemeinsame Niederdruckgasleitung (26) in einen Niederdruckgasspeicher (27) mündet und der Hochdruckgasspeicher (25) und der Niederdruckgasspeicher (27) mit einer Ventileinrichtung (28) verbunden sind, um entweder den Hochdruckgasspeicher (25) oder den Niederdruckgasspeicher (27) mit der externen Einrichtung (30) zu verbinden.
  3. Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 Rückschlagventile (22) an den Niederdruck-Arbeitsgasanschlüssen (20-1, 20-2) jeweils in Richtung zu den Verdichterstufen (2-1, 2-2) durchlässig sind, und dass die Rückschlagventile (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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Kompressorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, 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).
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