JP6594959B2 - 圧縮機、圧縮機を備えた冷却機器、並びに圧縮機及び冷却機器を動作させるための方法 - Google Patents

圧縮機、圧縮機を備えた冷却機器、並びに圧縮機及び冷却機器を動作させるための方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧縮機、圧縮機を備えた冷却機器、及び圧縮機を動作させるための方法に関する。
磁気共鳴スキャナやクライオポンプ等を冷却するために、パルス管冷凍器又はギフォード・マクマホン冷却器が使用される。これらの冷却機器は、ガス圧縮機を、なかでも特にヘリウム圧縮器を、ロータリバルブ、即ち旋回弁と組み合わせて使用する。圧縮されたヘリウムが冷却機器に導入されて冷却機器から除去される頻度は、１Ｈｚ程度である。従来のスクリュー圧縮器又はピストン圧縮器の問題は、圧縮器からのオイルが作動ガス内に入り込むことにより冷却機器内へ浸入し、それによって作動ガス及び冷却機器を汚染することからなる。
更に、音響圧縮器又は高周波数圧縮器が知られており、これらの圧縮器では、１本又は幾本かのピストンが、磁場による線形共鳴振動を受ける。これらの共振周波数は、数十ヘルツ程度であり、したがって、パルス管冷凍器又はギフォード・マクマホン冷却器において１０Ｋ未満程度の超低温を生成するために使用されるのには適さない。
スイス特許ＣＨ４５７１４７Ｂから、気密性且つ液密性を有する弾性膜によってガス容積と液体容積とに細分された作動室を有する膜圧縮器又は膜ポンプが知られている。液体は、液体ポンプによって作動室の液体容積内へ定期的に圧入され、弾性膜をガス容積の方向に拡張させてガスを圧縮させる（圧縮機能）、又は弾性膜をガス容積から離れる方向に引っ込めさせる（ポンプ機能）。これの欠点は、作動室内における弾性膜による気密性且つ液密性を有する圧力抵抗性のシールが比較的高価であることである。膜には、特にシール領域で高い負荷がかかるので、非常に高価な材料が使用されること又は耐用年数の低さを受け入れることのいずれかが求められる。
ドイツ特許ＤＥ１０３４４６９８Ｂ４から、圧縮機を備えたヒートポンプ及び冷凍機が知られている。この圧縮機は、バルーンを中に配された圧縮室を含む。バルーンは、定期的に液体で満たされるので、バルーンを取り巻くガスは、定期的に圧縮されて再び弛緩される。これは、或る種の動作状態下において、恐らくは鋭利な硬い圧縮室の内表面でバルーンケースが傷つけられる又は擦れる恐れがあるという欠点を有する。その結果、圧力条件が原因でバルーンケースに穿孔又は亀裂が形成される恐れがある。更に、バルーンケースの透過性は、ヘリウムが作動ガスとして使用されるときに高くなりすぎるので、かなりの量のヘリウムが急速に失われる。したがって、バルーンを備えたこのようなシステムの耐用年数は、十分でない。
ドイツ特許ＤＥ−Ａ−９１８３７から、「ガス圧縮ポンプ」としても使用されてよい液体のための膜ポンプが知られている。この目的のために、膜とピストンバルブとの間に液体が導入されること、即ち、ガス室内に液体が提供されることが示されている。この機器は、したがって、液体シールを備えた圧縮機器である。このため、圧縮対象とされるガスと、油圧液との物理的隔離は起きない。
国際公開ＷＯ２０１４／０１６４１５Ａ２から、水素を例外としてあらゆる種類の作動ガスに対して不透過性である金属ベローズを圧縮器要素として含む圧縮機が知られている。金属ベローズゆえに、作動ガスは、無オイル状態に維持されえる。しかしながら、作動液体補償容器との相互作用が原因で、十分に効率的ではない。
国際公開ＷＯ２０１４／０１６４１５Ａ２に基づくと、本発明の目的は、より効率的である金属ベローズを圧縮機要素として備えた圧縮機を提供することにある。更に、本発明の目的は、冷却機器と、圧縮機を動作させるための方法とを提供することにある。
これらの目的は、請求項１、７、８、１２、１３、及び１４の特徴によってそれぞれ解決される。
国際公開ＷＯ２０１４／０１６４１５Ａ２から知られる作動液体補償容器を第２の圧縮機段に拡張することによって、共通のポンプ機器が二度使用される。作動液体の流れの各方向で、作動ガスが圧縮される。即ち、作動ガスは、１つの流れ方向では第１の圧縮機段において圧縮され、反対の流れ方向では第２の圧縮機段において圧縮される。こうして、圧縮機の効率が向上する。
高圧作動ガス接続及び低圧作動ガス接続におけるチェックバルブによって、ガスの流れは、圧縮中及び弛緩中に単純方式で制御される。（請求項２）
２つの圧縮機段における、高圧作動ガス接続の下流の熱交換器によって、圧縮された作動ガスは、各圧縮行程後に冷却される。（請求項３及び１５）
本発明にしたがった圧縮機は、非移送式圧縮機（請求項４〜６）又は移送式圧縮機（請求項９〜１１）のいずれかとして形成されてよい。
非移送式構成では、２つの移送段において、所定の量の作動ガスの圧縮及び弛緩が交互に繰り返される。外部から作動ガスが供給されることはない。（請求項４〜６）
高圧ガスライン及び低圧ガスラインは、好ましくは、それらの容積ゆえにガス貯蔵器として機能できるように構成される。（請求項５）
或いは、高圧ガスライン及び低圧ガスラインの中に、低圧ガス貯蔵器及び高圧ガス貯蔵器がそれぞれ明示的に提供されてよい。（請求項６）
移送式構成（請求項９及び１１を参照）では、作動ガスが、先ず、第１の圧縮機段において圧縮され、即ち事前圧縮され、バッファ貯蔵器に中間的に貯蔵される。第２の圧縮機段は、仮想的にアイドル状態で動作され、作動液体補償容器として機能する。第２の圧縮機段における第２のガス容積に相当する量の、中間圧力ｐmidにある作動ガスが、バッファ貯蔵器に到達すると、バッファ貯蔵器からの事前圧縮された作動ガスが、次の圧縮行程中に第２の圧縮機段において終点圧力ｐendに圧縮される。終点圧力ｐendに圧縮された作動ガスは、次いで、外部へ放出される又は高圧ガス貯蔵システムに貯蔵される。
移送構成（請求項１０及び１１を参照）では、作動ガスが、先ず、第１の圧縮機段において圧縮され、即ち事前圧縮され、それと同時に、第２の圧縮機段の第２のガス容積内へ移送される。第２の圧縮機段では、中間圧力ｐmidに圧縮された作動ガスが、次いで、終点圧力ｐendに圧縮される。終点圧力ｐendに圧縮された作動ガスは、次いで、外部へ放出される又は高圧ガス貯蔵システムに貯蔵される。
ＤＩＮ５１５２４によって規定された油圧オイルが、作動液体として使用されることが好ましく、これは、更に脱水されている、即ち無水である。油圧オイルは、動作中に周囲環境からの水が油圧オイルに吸収されることがないように、ポンプ機器と、作動液体補償機器と、圧縮室内の液体容積とを含む閉システム内に存在している。或いは、作動液体として、水も使用できる。欠陥が生じた場合、下流のクライオ冷却器内へ浸透した水は、下流の冷却器内へ浸透した油圧オイルよりも容易に取り除けるので、水は、作動剤としても有利である。水は、また、不燃性で且つ非爆発性であるゆえに、防爆用途における作動剤としても有利である。更に、水は、非毒性であり、したがって、環境にやさしい。
クライオ（極低温）用途の場合は、温度範囲に応じて、ヘリウム、ネオン、又は窒素が作動ガスとして使用されることが好ましい。
その他の従属請求項は、本発明の更なる有利な特徴に関する。様々な実施形態に関する以下の説明から、本発明の更なる詳細、特徴、及び利点がわかる。
本開示は、以下の形態として実現できる。
［形態１］
圧縮機であって、
第１の圧縮機段（２−１）であって、
内部で第１の金属ベローズ（６−１）が第１の圧縮室（４−１）を、作動ガス（１０）を伴う第１のガス容積（８−１）と、作動液体（１４）を伴う第１の液体容積（１２−１）とに細分する、画定された容積を有する第１の圧縮室（４−１）と、
前記第１のガス容積（８−１）に通じる第１の高圧作動ガス接続（１８−１）及び第１の低圧作動ガス接続（２０−１）と、
前記第１の液体容積（１２−１）に通じる第１の作動液体接続（１６−１）と、
を含む第１の圧縮機段（２−１）と、
前記第１の作動液体接続（１６−１）を通じて前記作動液体（１４）を定期的に液体容積（１２−１、１２−１）にポンプ投入し、それによって、前記ガス容積（８−１、８−２）内の前記作動ガス（１０）を定期的に圧縮するポンプ機器（３４）と、
備え、
第２の金属ベローズ（８−２）によって、作動ガス（１０）を伴う第２のガス容積（８−２）と作動液体（１４）を伴う第２の液体容積（１２−２）とに細分される第２の圧縮室（４−２）を含む第２の圧縮機段（２−２）が設けられ、
前記第２の圧縮機段（２−２）は、前記第２のガス容積（８−２）に通じる第２の高圧作動ガス接続（１８−２）及び第２の低圧作動ガス接続（２０−２）を含み、
前記第２の圧縮機段（２−２）は、前記第２の液体容積（１２−２）に通じる第２の作動液体接続（１６−２）を含み、
前記ポンプ機器（３４）は、共通のポンプ機器であり、
前記共通のポンプ機器（３４）は、前記第２の作動液体接続（１６−２）を通じて前記第２の圧縮機段（２−２）に接続される、
ことを特徴とする圧縮機。
［形態２］
形態１に記載の圧縮機であって、
前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）及び前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）には、それぞれ、チェックバルブ（２２）が設けられ、
前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）上の前記チェックバルブ（２２）は、それぞれ、前記圧縮機段（２−１、２−２）の方向に透過性であり、
前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）上の前記チェックバルブ（２２）は、前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）上の前記チェックバルブ（２２）とは対照的に、反対の方向に透過性である、
ことを特徴とする圧縮機。
［形態３］
形態１または形態２のいずれかに記載の圧縮機であって、
前記圧縮された作動ガス（１０）を冷却するために、前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）のそれぞれの下流に熱交換器（３２−１、３２−２）が接続される、ことを特徴とする圧縮機。
［形態４］
形態１から形態３までのいずれか一つの形態に記載の圧縮機であって、
前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）は、共通の高圧ガスライン（２４）に接続され、
前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）は、共通の低圧ガスライン（２６）に接続される、
ことを特徴とする圧縮機。
［形態５］
形態４に記載の圧縮機であって、
前記共通の高圧ガスライン（２４）は、高圧ガス貯蔵器（２５）に通じ、前記低圧ガスライン（２６）は、低圧ガス貯蔵器（２７）に通じる、ことを特徴とする圧縮機。
［形態６］
形態４または５に記載の圧縮機であって、
前記共通の高圧ガスライン（２４）及び前記共通の低圧ガスライン（２６）は、前記共通の高圧ガスライン（２４）若しくは前記共通の低圧ガスライン（２６）のいずれかを外部機器（３０）に接続するためにバルブ機器（２８）を終端とする、又は前記高圧ガス貯蔵器（２５）及び前記低圧ガス貯蔵器（２７）は、前記高圧ガス貯蔵器（２５）若しくは前記低圧ガス貯蔵器（２７）のいずれかを前記外部機器（３０）に接続するために前記バルブ機器（２８）に接続される、ことを特徴とする圧縮機。
［形態７］
形態１から６までのいずれか一つの形態に記載の圧縮機と、
ギフォード・マクマホン冷却器又はパルス管冷凍器と、
を備える冷却機器であって、
前記圧縮機は、前記ギフォード・マクマホン冷却器又は前記パルス管冷凍器に連結される、冷却機器。
［形態８］
形態１から６までのいずれか一つの形態に記載の圧縮機と、請求項７に記載の冷却機器とを動作させるための方法であって、
前記共通のポンプ機器（３４）によって前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）における前記２つの液体容積（１２−１、１２−２）間で前記作動液体（１４）を絶え間なくポンプ流動させることによって、前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）において前記作動ガス（１０）の圧縮及び弛緩を交互に実行する、ことを特徴とする方法。
［形態９］
形態１から３までのいずれか一つの形態に記載の圧縮機であって、
前記第２の圧縮機段（２−２）の前記第２の低圧作動ガス接続（２０−２）は、第１のガスライン（４０−１）及び第１のロックバルブ（４４−１）を通じてバッファ貯蔵器（４２）に接続され、
前記第１の圧縮機段（２−１）の前記第１の高圧作動ガス接続（１８−１）は、第２のガスライン（４０−２）を通じて前記バッファ貯蔵器（４２）に接続される、
ことを特徴とする圧縮機。
［形態１０］
形態１から３までのいずれか一つの形態に記載の圧縮機であって、
前記第２の圧縮機段（２−２）の前記第２の低圧作動ガス接続（２０−２）は、ガスライン（４０−１、４０−２）を通じて前記第１の圧縮機段（２−１）の前記第１の高圧作動ガス接続（１８−１）に接続される、ことを特徴とする圧縮機。
［形態１１］
形態９又は１０に記載の圧縮機であって、
前記第１の低圧作動ガス接続（２０−１）は、第３のガスライン（４０−３）を通じて低圧ガス貯蔵器（２７）に接続され、
前記前記第２の圧縮機段（２−２）の前記第２の高圧作動ガス接続（１８−２）は、第４のガスライン（４０−４）を通じて高圧ガス貯蔵器（２５）に接続される、
ことを特徴とする圧縮機。
［形態１２］
形態１１に記載の圧縮機と、
前記低圧ガス貯蔵器（２７）及び前記高圧ガス貯蔵器（２５）に接続されたジュール・トムソン冷却器（２５）と、
を備える冷却機器。
［形態１３］
形態９または形態１１のいずれかに記載の圧縮機と、形態１２に記載の冷却機器とを動作させるための方法であって、
前記第１の圧縮機段（２−１）における作動ガス（１０）を、出力圧力（ｐ0）から第１の中間圧力（ｐ mid1 ）まで繰り返し圧縮し、前記第２の圧縮機段（２−２）は、作動液体のための補償容器として機能する、工程と、
第１の中間圧力（ｐ mid1 ）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、バッファ貯蔵器（４２）に一時的に貯蔵する工程と、
前記バッファ貯蔵器（４２）が前記第２の圧縮機段（２−２）における前記第２のガス容積（８−２）に接続されたときに、ｐ mid1 ＞ｐ mid2 を満たす第２の中間圧力（ｐ mid2 ）が達成されるまで、上記工程を繰り返す工程と、
第１の中間圧力（ｐ mid1 ）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、前記バッファ貯蔵器（４２）から前記第２の圧縮機段（２−１）の前記第２のガス容積（８−２）内へ移送する工程と、
第２の中間圧力（ｐ mid2 ）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、前記第２の圧縮機段（２−２）において終末圧力（ｐ end ）まで圧縮する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
［形態１４］
形態１０または形態１１に記載の圧縮機と、形態１２に記載の冷却機器とを動作させるための方法であって、
第１の圧縮機段（２−１）における作動ガス（１０）を、出力圧力（ｐ0）から中間圧力（ｐ mid ）に圧縮し、中間圧力（ｐ mid ）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、前記第２の圧縮機段（２−１）の前記第２のガス容積（８−２）内へ移送する工程と、
中間圧力（ｐ mid ）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、前記第２の圧縮機段（２−２）において終末圧力（ｐ end ）に圧縮する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
［形態１５］
形態１３又は１４に記載の方法であって、
前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）からの前記圧縮された作動ガス（１０）は、各圧縮行程後に冷却される、ことを特徴とする方法。
２つの圧縮機段を伴う非移送式圧縮機としての、本発明の第１の実施形態を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態の動作段階を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態の動作段階を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態の動作段階を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態の動作段階を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態の動作段階を示した概略図である。 ２つの圧縮機段を伴う移送式圧縮機としての、本発明の第２の実施形態を示した概略図である。 本発明の第２の実施形態の動作段階を示した概略図である。 本発明の第２の実施形態の動作段階を示した概略図である。 本発明の第２の実施形態の動作段階を示した概略図である。 本発明の第２の実施形態の動作段階を示した概略図である。 ジュール・トムソン冷却器の駆動部としての本発明の第２の実施形態の適用を示した図である。
図１は、非移送式圧縮機の形態をとる、第１の及び第２の圧縮機段２−１、２−２を伴う本発明にしたがった圧縮機の第１の実施形態を示している。２つの圧縮機２−１、２−２は、それぞれ、気密式に閉じられた圧縮室４−１、４−２を有する。２つの圧縮室４−１、４−２のそれぞれの中には、金属ベローズ６−１、６−２が配置される。金属ベローズ６−１、６−２は、圧縮室４−１、４−２を、作動ガス１０のための第１及び第２のガス容積８−１、８−２と、作動液体１４のための第１及び第２の液体容積１２−１、１２−２とに細分する。ガス容積８−１、８−２は、金属ベローズ６−１、６−２の内側であり、液体容積１２−１、１２−２は、金属ベローズ６−１、６−２の外側である。作動流体のための接続１６−１、１６−２が、それぞれ、液体容積１２−１、１２−２から延びている。ガス容積８−１、８−２は、それぞれ、高圧作動ガス接続１８−１、１８−２と、低圧作動ガス接続２０−１、２０−２とに接続される。低圧作動ガス接続２０−１、２０−２は、圧縮機段２−１、２−２の方向に透過性であるチェックバルブ２２が設けられている。高圧作動ガス接続１８−１、１８−２も、同様にチェックバルブ２２が設けられている。これらのバルブ２２は、低圧作動ガス接続２０−１、２０−２におけるチェックバルブ２２とは対照的に、反対の順方向を有する。高圧作動ガス接続１８−１、１８−２は、チェックバルブ２２を通じて共通の高圧ガスライン２４に接続され、低圧作動ガス接続２０−１、２０−２は、チェックバルブ２２を通じて低圧ガスライン２６に接続される。高圧作動ガス接続１８−１、１８−２におけるチェックバルブ２２は、共通の高圧ガスライン２４の方向に透過性であり、低圧作動ガス接続２０−１、２０−２上のチェックバルブ２２は、圧縮機段２−１、２−２の方向に透過性である。共通の高圧ガスライン２４及び共通の低圧ガスライン２６は、例えばギフォード・マクマホン冷却器又はパルス管冷凍器の形態をとる冷却機器３０に高圧ガスライン２４及び低圧ガスライン２６を交互に接続するモータロータリバルブ２８を終端とする。高圧ガスライン２４及び低圧ガスライン２６は、それらの容積ゆえにガス貯蔵器として機能する、又は低圧ガス貯蔵器２７及び高圧ガス貯蔵器２５が、低圧ガスライン２６及び／若しくは高圧ガスライン２４に明示的に設けられている。圧縮された作動ガスをそれぞれ冷却するための熱交換器３２−１、３２−２が、２つの高圧作動ガス接続１８−１、１８−２上のチェックバルブ２２の下流でスイッチ切り替えされる。２つの圧縮機段２−１、２−２は、同様に構成される、即ち、ガス容積８−１、８−２及び液体容積１２−１、１２−２も同じである。
２つの作動液体接続１６−２、１６−２は、作動液体１４を第１の及び第２の圧縮機段２−１、２−２の第１の及び第２の液体容積１２−１、１２−２内へ交互にポンプ投入する共通の電動ポンプ機器３４に接続される。即ち、作動液体１４は、第２の液体容積１２−２から第１の液体容積１２−２内へポンプ投入される、又はその逆である。
図２ａ〜２ｅは、図１の圧縮機の様々な動作段階を示している。図２ａに示された段階では、作動液体１４が、共通のポンプ機器３４によって、第２の圧縮機段２−２の第２の液体容積１２−２から第１の圧縮機段２−１の第１の液体容積１２−１内へポンプ投入される。第１の金属ベローズ６−１は、圧縮され、その中の作動ガス１０は、第１の高圧作動ガス接続１８−１、第１の熱交換器３２−１、及び共通の高圧ガスライン２４を通じて経て高圧貯蔵器２５内へ圧入される。第２の金属ベローズ６−２は、低圧ガスライン２６及び第２の低圧作動ガス接続２０−２を通じて低圧作動ガス貯蔵器２７から逆流する作動ガス１０によって膨張する。ロータリバルブ２８が、低圧ガスライン２６を通じて冷却機器３０を低圧ガス貯蔵器２７に接続する。
図２ｂに示された第２の段階では、第１の圧縮機段２−１における圧縮が完了し、ロータリバルブ２８は、高圧ガス貯蔵器２５を冷却機器３０に接続するので、第１の熱交換器３２−１内で冷却された圧縮された作動ガス１０が、冷却機器３０に入る。
図２ｃに示された第３の段階では、作動液体の流れが逆転し、ポンプ機器３４は、今度は、作動液体１４を第１の圧縮機段２−１の第１の液体容積１２−１から第２の圧縮機段２−２における第２の液体容積１２−２内へポンプ投入する。これによって、第２の金属ベローズ６−２は、圧縮され、その中の作動ガス１０は、圧縮されて、第２の高圧作動ガス接続１８−２、第２の熱交換器３２−２、及び共通の高圧ガスライン２４を通じて高圧貯蔵器２５内へ圧入される。第１の金属ベローズ６−１は、低圧ガスライン２６及び第１の低圧作動ガス接続２０−１を通じて低圧作動ガス貯蔵器２７から逆流する作動ガス１０によって膨張する。
図２ｄに示された第４の段階では、第２の圧縮機段２−２における圧縮が完了し、ロータリバルブ２８は、再び、共通の高圧ガスライン２４を通じて高圧ガス貯蔵器２５を冷却機器３０に接続するので、第２の熱交換器３２−２内で冷却された圧縮された作動ガス１０が、冷却機器３０に入る。
図２ｅに示された段階は、再び第１の段階であり、圧縮は、第１の圧縮機段２−１において起きる。図２ａと図２ｅとは、図２ｅでは第１の金属ベローズ６−１がまだ弛緩されており、第２の金属ベローズ６−２がまだ圧縮されているという点によってのみ区別される。図２ａでは、第１の圧縮機段２−１における圧縮が完了しており、第１の金属ベローズ６−１が圧縮されている一方で、第２の金属ベローズ６−２は弛緩されている。
高圧貯蔵器２５及び低圧貯蔵器２７を設けることによって、ロータリバルブ２８の回転数が、２つの圧縮機段における圧縮頻度と切り離される。或いは、ロータリバルブ２８の回転数は、圧縮行程の頻度と同期化されてよい。この場合は、高圧貯蔵器２５及び低圧貯蔵器２７は免除されてよい。
図３は、作動ガス１０を移送する圧縮機の形態をとる、２つの圧縮機段２−１、２−２を含む本発明の第２の実施形態を示している。両実施形態において一致する構成要素には、同一の参照符号が使用される。２つの圧縮機段２−１、２−２、及びこれら２つの圧縮機段２−１、２−２と共通ポンプ機器３４との接続の構造は、図１及び図２に示された構造に相当する。同様に、２つの熱交換器３２−１、３２−２の構造は、第１の実施形態の構成に相当する。図３の実施形態では、作動ガス１０は、先ず、第１の圧縮機段２−１において出力圧力ｐ0から第１の中間圧力ｐmid1に、次いで第２の圧縮機段２−２において第２の中間圧力ｐmid2から終末圧力ｐendに圧縮される。原則は、ｐmid1＞ｐmid2である。
続いて、特に、２つの実施形態における相違点が説明される。バッファ貯蔵器４２が、第１のガスライン４０−１及び第１のロックバルブ４４−１を通じて第２の圧縮機段２−２の第２の低圧作動ガス接続２０−２に接続される。第１の高圧作動ガス接続１８−１は、第１の熱交換器３２−１及び第２のガスライン４０−２を通じてバッファ貯蔵器４２に接続される。低圧ガス貯蔵器２７が、第３のガスライン４０−３を通じて、第１の圧縮機段２−１におけるチェックバルブ２２を伴う第１の低圧作動ガス接続２０−１に接続される。第２の圧縮機段２−２の第２の高圧作動ガス接続１８−２は、チェックバルブ２２、第２の熱交換器３２−２、及び第４のガスライン４０−４を通じて高圧ガス貯蔵器２５に接続される。圧縮されることになる作動ガス１０であって低圧ガス貯蔵器２７からの作動ガス１０が、第１の低圧作動ガス接続２０−１を通じて第１の圧縮機段２−１に供給される。
続いて、図３の圧縮機の動作が、図４ａ〜４ｄに基づいて説明される。
図４ａに示された第１の段階では、作動液体１４が、第１の圧縮機段２−１の第１の液体容積１２−１から共通のポンプ機器３４を経て第２の圧縮機段２−２における第２の液体容積１２−２内へポンプ投入される。第１の金属ベローズ６−１は、膨張し、圧縮されていない作動ガス１０が、第３のガスライン４０−３、及びチェックバルブ２２を伴う第１の低圧作動ガス接続２０−１を通じて第１のガス容積８−１内へ流入する。第１のガスラインにおける第１のロックバルブ４４−１は、閉じられている。第２の圧縮機段２−２は、作動液体補償容器としてのみ機能する。第２のガス容積８−２内の圧力は、弛緩状態では第２の中間圧力ｐmid2であり、圧縮状態ではほぼ終末圧力ｐendである。
図４ｂに示された第２の段階では、作動液体１４の流れ方向が逆転し、第１の圧縮機段２−１における作動ガス１０が、圧縮され、チェックバルブ２２を伴う第１の高圧作動ガス接続１８−１、第１の熱交換器３２−１、及び第２のガスライン４０−２を通じてバッファ貯蔵器４２内へ圧入される。第１の高圧作動ガス接続１８−１上のチェックバルブ２２は、中間圧力ｐmidに圧縮された作動ガス１０が逆流するのを防ぐ。第１のロックバルブ４４−１は、引き続き閉じられており、第２の圧縮機段２−２は、作動液体補償容器としてのみ機能する。
図４ａ及び図４ｂにしたがった動作段階は、第１の中間圧力ｐmid1に圧縮されたバッファ貯蔵器４２内の作動ガス１０の量が、第１のガスライン４０−１及び開かれたロックバルブ４４−１を通じて第２のガス容積８−２と接続する際に第２のガス容積８−２内に第２の中間圧力ｐmid2を生じるのに十分である限り、繰り返し実施される。
バッファ貯蔵器４２内のガスが十分な量に達したら、第１のロックバルブ４４−１は、第１の中間圧力ｐmid1に事前圧縮された作動ガス１０が、開かれた第１のロックバルブ４４−１及び第１のガスライン４０−１を通じてバッファ貯蔵器４２から第２の圧縮機段２−２の第２のガス容積８−２内へ流入し、その結果として第２の中間圧力ｐmid2になりえるように、第１の圧縮機段２−１における次の圧縮行程中に開かれる。図４ｃを参照のこと。
図４ｄに示された次の動作段階では、作動液体１４は、共通のポンプ機器３４を通じて第２の圧縮機段２−２内へポンプ投入される。第２のガス容積８−２内に存在する、第２の中間圧力ｐmid2に事前圧縮された作動ガス１０は、引き続き終末圧力ｐendまで圧縮され、第２の熱交換器３２−２及び第４のガスライン４０−４を通じて高圧貯蔵器２５内へ圧入される。
こうして、出力圧力ｐ0から終末圧力ｐendまでの圧縮サイクルが終結し、再びサイクルが始まる。
図３の実施形態の代替の一実施形態では、第１の高圧作動ガス接続１８−１は、ガスライン４０−１、４０−２を通じて第２の圧縮機段２−２の低圧作動ガス接続２０−２に接続される。バッファ貯蔵器４２及び第１のロックバルブ４４−１は、不要である。ここでは、第１の圧縮機段２−１における作動ガス１０は、中間圧力ｐmidに事前圧縮され、共通の電動ポンプ機器３４の逆向き運動において、次いで、第２の圧縮機段２−２において終末圧力ｐendまで圧縮される。終末圧力ｐendに圧縮された作動ガスは、次いで、外部へ放出される又は高圧ガス貯蔵器２５に貯蔵される。
図５は、閉じられた作動ガスループを伴うジュール・トムソン冷却器の駆動部としての第２の実施形態の適用を示している。
ドイツ業界標準ＤＩＮ５１５２４によって定められた油圧オイルが、作動液体として適している。これらのＨオイル、ＨＬオイル、ＨＬＰオイル、及びＨＶＬＰオイルは、ＮＢＲ（アクリロニトリルブタジエンゴム）等などの通例のシーリングプラスチックと容易に適合可能である。しかしながら、ＮＢＲは、ヘリウムに対して十分に密閉性でない。ＨＦオイルは、通例の密閉材料とは適合可能でないことが多い（http://de.wikipedia.org.wiki/Liste der Kunststoffe）。
或いは、作動液体として、水も使用できる。下流のクライオ冷却器において欠陥が生じた場合、浸透した水は、下流に接続された冷却器内へ浸透した油圧オイルよりも容易に取り除けるので、水は、作動剤としても有利である。また、水は、不燃性で且つ非爆発性であるゆえに、防爆用途における作動剤としても適切である。更に、水は、非毒性であり、したがって、環境にやさしい。
ｐ0 出力圧力
ｐmid1 中間圧力１
ｐmid2 中間圧力２
ｐend 終末圧力
２−１ 第１の圧縮機段
２−２ 第２の圧縮機段
４−１ 第１の圧縮室
４−２ 第２の圧縮室
６−１ 第１の金属ベローズ
６−２ 第２の金属ベローズ
８−１ 第１のガス容積
８−２ 第２のガス容積
１０ 作動ガス
１２−１ 第１の液体容積
１２−２ 第２の液体容積
１４ 作動液体
１６−１ 第１の作動液体接続
１６−２ 第２の作動液体接続
１８−１ 第１の高圧作動ガス接続
１８−２ 第２の高圧作動ガス接続
２０−１ 第１の低圧作動ガス接続
２０−２ 第２の低圧作動ガス接続
２２ チェックバルブ
２４ 高圧ガスライン
２５ 高圧ガス貯蔵器
２６ 低圧ガスライン
２７ 低圧ガス貯蔵器
２８ 電動ロータリバルブ
３０ 冷却機器
３２−１ 第１の熱交換器
３２−２ 第２の熱交換器
３４ 共通の電動ポンプ機器
４０−１ 第１のガスライン
４０−２ 第２のガスライン
４０−３ 第３のガスライン
４０−４ 第４のガスライン
４２ バッファ貯蔵器
４４−１ 第１のロックバルブ
５０ ジュール・トムソン冷却器

Claims (15)

  1. 圧縮機であって、
    第１の圧縮機段（２−１）であって、
    内部で第１の金属ベローズ（６−１）が第１の圧縮室（４−１）を、作動ガス（１０）を伴う第１のガス容積（８−１）と、作動液体（１４）を伴う第１の液体容積（１２−１）とに細分する、画定された容積を有する第１の圧縮室（４−１）と、
    前記第１のガス容積（８−１）に通じる第１の高圧作動ガス接続（１８−１）及び第１の低圧作動ガス接続（２０−１）と、
    前記第１の液体容積（１２−１）に通じる第１の作動液体接続（１６−１）と、
    を含む第１の圧縮機段（２−１）と、
    前記第１の作動液体接続（１６−１）を通じて前記作動液体（１４）を定期的に液体容積（１２−１）にポンプ投入し、それによって、前記ガス容積（８−１）内の前記作動ガス（１０）を定期的に圧縮するポンプ機器（３４）と、
    備え、
    第２の金属ベローズ（６−２）によって、作動ガス（１０）を伴う第２のガス容積（８−２）と作動液体（１４）を伴う第２の液体容積（１２−２）とに細分される第２の圧縮室（４−２）を含む第２の圧縮機段（２−２）が設けられ、
    前記第２の圧縮機段（２−２）は、前記第２のガス容積（８−２）に通じる第２の高圧作動ガス接続（１８−２）及び第２の低圧作動ガス接続（２０−２）を含み、
    前記第２の圧縮機段（２−２）は、前記第２の液体容積（１２−２）に通じる第２の作動液体接続（１６−２）を含み、
    前記ポンプ機器（３４）は、共通のポンプ機器であり、
    前記共通のポンプ機器（３４）は、前記第２の作動液体接続（１６−２）を通じて前記第２の圧縮機段（２−２）に接続され、
    前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）は、共通の高圧ガスライン（２４）に接続され、
    前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）は、共通の低圧ガスライン（２６）に接続され、
    前記共通の高圧ガスライン（２４）は、高圧ガス貯蔵器（２５）に通じ、前記低圧ガスライン（２６）は、低圧ガス貯蔵器（２７）に通じる、圧縮機。
  2. 請求項１に記載の圧縮機であって、
    前記高圧ガス貯蔵器（２５）及び前記低圧ガス貯蔵器（２７）は、前記高圧ガス貯蔵器（２５）若しくは前記低圧ガス貯蔵器（２７）のいずれかを外部機器（３０）に接続するためにバルブ機器（２８）に接続される、ことを特徴とする圧縮機。
  3. 圧縮機であって、
    第１の圧縮機段（２−１）であって、
    内部で第１の金属ベローズ（６−１）が第１の圧縮室（４−１）を、作動ガス（１０）を伴う第１のガス容積（８−１）と、作動液体（１４）を伴う第１の液体容積（１２−１）とに細分する、画定された容積を有する第１の圧縮室（４−１）と、
    前記第１のガス容積（８−１）に通じる第１の高圧作動ガス接続（１８−１）及び第１の低圧作動ガス接続（２０−１）と、
    前記第１の液体容積（１２−１）に通じる第１の作動液体接続（１６−１）と、
    を含む第１の圧縮機段（２−１）と、
    前記第１の作動液体接続（１６−１）を通じて前記作動液体（１４）を定期的に液体容積（１２−１）にポンプ投入し、それによって、前記ガス容積（８−１）内の前記作動ガス（１０）を定期的に圧縮するポンプ機器（３４）と、
    備え、
    第２の金属ベローズ（６−２）によって、作動ガス（１０）を伴う第２のガス容積（８−２）と作動液体（１４）を伴う第２の液体容積（１２−２）とに細分される第２の圧縮室（４−２）を含む第２の圧縮機段（２−２）が設けられ、
    前記第２の圧縮機段（２−２）は、前記第２のガス容積（８−２）に通じる第２の高圧作動ガス接続（１８−２）及び第２の低圧作動ガス接続（２０−２）を含み、
    前記第２の圧縮機段（２−２）は、前記第２の液体容積（１２−２）に通じる第２の作動液体接続（１６−２）を含み、
    前記ポンプ機器（３４）は、共通のポンプ機器であり、
    前記共通のポンプ機器（３４）は、前記第２の作動液体接続（１６−２）を通じて前記第２の圧縮機段（２−２）に接続され、
    前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）は、共通の高圧ガスライン（２４）に接続され、
    前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）は、共通の低圧ガスライン（２６）に接続され、
    前記共通の高圧ガスライン（２４）と前記共通の低圧ガスライン（２６）とは、それぞれ自身の容積によるガス貯蔵部として機能するように構成されている、圧縮機。
  4. 請求項３に記載の圧縮機において、
    前記共通の高圧ガスライン（２４）と前記共通の低圧ガスライン（２６）とは、いずれも、前記共通の高圧ガスライン（２４）若しくは前記共通の低圧ガスライン（２６）のいずれかを外部装置（３０）に接続するためにバルブ機器（２８）において終端する、ことを特徴とする圧縮機。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の圧縮機であって、
    前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）及び前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）には、それぞれ、チェックバルブ（２２）が設けられ、
    前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）上の前記チェックバルブ（２２）は、それぞれ、前記圧縮機段（２−１、２−２）の方向に透過性であり、
    前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）上の前記チェックバルブ（２２）は、前記低圧作動ガス接続（２０−１、２０−２）上の前記チェックバルブ（２２）とは対照的に、反対の方向に透過性である、
    ことを特徴とする圧縮機。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の圧縮機であって、
    前記圧縮された作動ガス（１０）を冷却するために、前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）の前記高圧作動ガス接続（１８−１、１８−２）のそれぞれの下流に熱交換器（３２−１、３２−２）が接続される、ことを特徴とする圧縮機。
  7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の圧縮機と、
    ギフォード・マクマホン冷却器又はパルス管冷凍器と、
    を備える冷却機器であって、
    前記圧縮機は、前記ギフォード・マクマホン冷却器又は前記パルス管冷凍器に連結される、冷却機器。
  8. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の圧縮機を動作させるための方法であって、
    前記共通のポンプ機器（３４）によって前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）における前記２つの液体容積（１２−１、１２−２）間で前記作動液体（１４）を絶え間なくポンプ流動させることによって、前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）において前記作動ガス（１０）の圧縮及び弛緩を交互に実行する、ことを特徴とする方法。
  9. 圧縮機であって、
    第１の圧縮機段（２−１）であって、
    内部で第１の金属ベローズ（６−１）が第１の圧縮室（４−１）を、作動ガス（１０）を伴う第１のガス容積（８−１）と、作動液体（１４）を伴う第１の液体容積（１２−１）とに細分する、画定された容積を有する第１の圧縮室（４−１）と、
    前記第１のガス容積（８−１）に通じる第１の高圧作動ガス接続（１８−１）及び第１の低圧作動ガス接続（２０−１）と、
    前記第１の液体容積（１２−１）に通じる第１の作動液体接続（１６−１）と、
    を含む第１の圧縮機段（２−１）と、
    前記第１の作動液体接続（１６−１）を通じて前記作動液体（１４）を定期的に液体容積（１２−１）にポンプ投入し、それによって、前記ガス容積（８−１）内の前記作動ガス（１０）を定期的に圧縮するポンプ機器（３４）と、
    備え、
    第２の金属ベローズ（６−２）によって、作動ガス（１０）を伴う第２のガス容積（８−２）と作動液体（１４）を伴う第２の液体容積（１２−２）とに細分される第２の圧縮室（４−２）を含む第２の圧縮機段（２−２）が設けられ、
    前記第２の圧縮機段（２−２）は、前記第２のガス容積（８−２）に通じる第２の高圧作動ガス接続（１８−２）及び第２の低圧作動ガス接続（２０−２）を含み、
    前記第２の圧縮機段（２−２）は、前記第２の液体容積（１２−２）に通じる第２の作動液体接続（１６−２）を含み、
    前記ポンプ機器（３４）は、共通のポンプ機器であり、
    前記共通のポンプ機器（３４）は、前記第２の作動液体接続（１６−２）を通じて前記第２の圧縮機段（２−２）に接続され、
    前記第２の圧縮機段（２−２）の前記第２の低圧作動ガス接続（２０−２）は、ガスライン（４０−１、４０−２）を通じて前記第１の圧縮機段（２−１）の前記第１の高圧作動ガス接続（１８−１）に接続される、圧縮機。
  10. 請求項９に記載の圧縮機であって、
    前記ガスライン（４０−１、４０−２）は、第１のガスライン（４０−１）と第２のガスライン（４０−２）とを有し、
    前記第２の圧縮機段（２−２）の前記第２の低圧作動ガス接続（２０−２）は、前記第１のガスライン（４０−１）及び第１のロックバルブ（４４−１）を通じてバッファ貯蔵器（４２）に接続され、
    前記第１の圧縮機段（２−１）の前記第１の高圧作動ガス接続（１８−１）は、前記第２のガスライン（４０−２）を通じて前記バッファ貯蔵器（４２）に接続される、
    ことを特徴とする圧縮機。
  11. 請求項９又は１０に記載の圧縮機であって、
    前記第１の低圧作動ガス接続（２０−１）は、第３のガスライン（４０−３）を通じて低圧ガス貯蔵器（２７）に接続され、
    前記第２の圧縮機段（２−２）の前記第２の高圧作動ガス接続（１８−２）は、第４のガスライン（４０−４）を通じて高圧ガス貯蔵器（２５）に接続される、
    ことを特徴とする圧縮機。
  12. 請求項１１に記載の圧縮機と、
    前記低圧ガス貯蔵器（２７）及び前記高圧ガス貯蔵器（２５）に接続されたジュール・トムソン冷却器（２５）と、
    を備える冷却機器。
  13. 請求項１０または請求項１０に従属する請求項１１のいずれか一項に記載の圧縮機と、前記低圧ガス貯蔵器（２７）及び前記高圧ガス貯蔵器（２５）に接続されたジュール・トムソン冷却器（２５）とを動作させるための方法であって、
    前記第１の圧縮機段（２−１）における作動ガス（１０）を、出力圧力（ｐ0）から第１の中間圧力（ｐmid1）まで繰り返し圧縮し、前記第２の圧縮機段（２−２）は、作動液体のための補償容器として機能する、工程と、
    第１の中間圧力（ｐmid1）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、バッファ貯蔵器（４２）に一時的に貯蔵する工程と、
    前記バッファ貯蔵器（４２）が前記第２の圧縮機段（２−２）における前記第２のガス容積（８−２）に接続されたときに、ｐmid1＞ｐmid2を満たす第２の中間圧力（ｐmid2）が達成されるまで、上記工程を繰り返す工程と、
    第１の中間圧力（ｐmid1）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、前記バッファ貯蔵器（４２）から前記第２の圧縮機段（２−２）の前記第２のガス容積（８−２）内へ移送する工程と、
    第２の中間圧力（ｐmid2）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、前記第２の圧縮機段（２−２）において終末圧力（ｐend）まで圧縮する工程と、
    を備えることを特徴とする方法。
  14. 請求項９または請求項９に従属する請求項１１のいずれか一項に記載の圧縮機と、前記低圧ガス貯蔵器（２７）及び前記高圧ガス貯蔵器（２５）に接続されたジュール・トムソン冷却器（２５）とを動作させるための方法であって、
    第１の圧縮機段（２−１）における作動ガス（１０）を、出力圧力（ｐ0）から中間圧力（ｐmid）に圧縮し、中間圧力（ｐmid）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、前記第２の圧縮機段（２−１）の前記第２のガス容積（８−２）内へ移送する工程と、
    中間圧力（ｐmid）に事前圧縮された前記作動ガス（１０）を、前記第２の圧縮機段（２−２）において終末圧力（ｐend）に圧縮する工程と、
    を備えることを特徴とする方法。
  15. 請求項１３又は１４に記載の方法であって、
    前記２つの圧縮機段（２−１、２−２）からの前記圧縮された作動ガス（１０）は、各圧縮行程後に冷却される、ことを特徴とする方法。
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