CN119404009A - 压缩机装置及具有压缩机装置的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩机装置(2)，具有缸(4)，布置在所述缸(4)内的活塞(6)，所述活塞限定用传递流体填充的传递室(16)并且能够借助于驱动器件(26)周期性地往复运动，布置在所述传递室(16)内的压缩机元件(8)，尤其是(金属)波纹管，所述压缩机元件限定填充有工作气体的工作室/压缩室(20)，以及接头(10)，所述工作室(20)通过所述接头能够与工作气体管路(36)连接成吉福德‑麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器(38)，其中，所述压缩机元件(8)和包含在所述压缩机元件中的工作气体间接地通过由所述活塞(6)排出的传递流体周期性地压缩。

Description

压缩机装置及具有压缩机装置的冷却装置

技术领域

本公开涉及一种压缩机装置和一种冷却装置，该冷却装置具有压缩机装置和吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器。

背景技术

为了冷却磁共振断层扫描仪、低温泵、量子计算机、量子通信设备等，广泛使用脉冲管冷却器或吉福德-麦克马洪冷却器(Gifford-McMahon-Kühler)。在此，使用气体压缩机并且尤其是氦气压缩机结合旋转阀或转动阀。氦气压缩机在此通过高压管路和低压管路与转动阀连接。在输出侧，转动阀通过气体管路与呈吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器形式的冷却装置连接。在此，气体压缩机的高压侧或低压侧通过转动阀交替地与脉冲管冷却器或吉福德-麦克马洪冷却器连接。用于将压缩的氦引入冷却装置并且再次实施的速率在1-2Hz的范围内。这种冷却系统或压缩机系统的缺点在于，马达式驱动的转动阀引起压缩机输入功率的大约50％的损耗。

由DE10137552C1已知具有脉冲管冷却器或吉福德-麦克马洪冷却器的冷却装置。

DE633104A公开具有压缩机构的压缩机装置，在所述压缩机构中工作介质通过往复运动的呈活塞形式的压缩机元件周期性地压缩并且又卸压。驱动器件包括具有往复运动的活塞的压力缸。在此，驱动器件与压缩机元件机械地耦联。不仅驱动器件而且压缩机元件都构造有单独的压力缸，在所述压力缸中支承有压缩器活塞或压缩机活塞。驱动器件和压缩机元件在此机械连接，其中，由压力缸构成的穿引部被密封。这种结构造成了设备的相对较大的空间需求，因为压力缸是串联布置的。此外，该结构迫使使用两个活塞、以及两个穿引部，它们在结构上是成本过高的并且在密封性方面容易失效。

发明内容

本发明的目的是消除或至少减少现有技术中的缺点。本发明的目的具体是提供一种压缩机装置和一种冷却系统，其最小化损耗和结构空间。

该目的通过根据权利要求1的压缩机装置以及通过根据并列权利要求的冷却装置来实现。

具体地，该目的通过压缩机装置来实现，该压缩机装置具有缸、布置在所述缸内的活塞，所述活塞限定用传递流体填充的传递室并且能够借助于驱动器件周期性地往复运动，布置在所述传递室内的压缩机元件，优选是波纹管，尤其是金属波纹管，所述压缩机元件限定填充有工作气体的工作室(压缩室)，以及接头，所述工作室通过所述接头能够与工作气体管路(压力管路)连接成吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器、尤其是两级的4K(四开尔文)冷却器，其中，所述压缩机元件和包含在所述压缩机元件中的工作气体间接地通过由所述活塞排出的传递流体周期性地压缩/挤压。

换言之，压缩机装置包含缸和在缸中运行的活塞，该缸具有在缸内侧上构造的缸运行轨迹，该活塞具有在活塞的圆周方向上构造的活塞裙。活塞裙在缸的缸运行轨迹上密封地滑动。优选地，在活塞裙与缸运行轨迹之间构造有至少一个环形的密封件/活塞环。活塞还包含活塞顶部，该活塞顶部面向并且限定填充有传递流体的传递室。活塞被设置和构造成在沿缸长度方向延伸的缸中心线的方向(缸中心轴线)实施周期性的线性运动。在传递室中构造有压缩机元件，压缩机元件包括至少一个优选手风琴形的壁。换句话说，压缩机元件优选地构造为波纹管。压缩机元件包围以工作气体填充的工作室。换言之，压缩机元件相对于传递室限定工作室。工作室构造有接头，该接头将工作室与工作气体管路固定地或可拆卸地连接。接头优选地构造在压缩机元件的背离活塞的一侧上。工作气体管路被设置和构造成将工作室与吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器或任何其他合适的冷却器连接。工作室的体积由于优选手风琴形的壁而可变。通过活塞的线性运动，力借助于传递流体施加/传递到压缩机元件上，并且被包含在工作室中的工作气体周期性地压缩/挤压和卸压。

因此本发明的核心是，通过活塞的移动间接地借助于传递流体周期性地压缩和卸压被包含在压缩机装置的压缩机元件中的工作气体。

此外，本发明的核心在于，在缸中构造压力产生位点(力产生位点)和压缩位点。

本发明的另外的核心在于，活塞和压缩机元件机械地脱耦。

换句话说，活塞和压缩机元件布置在缸内，使得它们从不会彼此接触。此外，作用到活塞上的力或者有待由活塞传递的力仅仅液压地传递到压缩机元件上。在本发明中在活塞和压缩机元件之间省去了用于力传递的机械连接。

通过这样构造压缩机装置可以省去转动阀并且因此降低损耗并且因此显著提高压缩机装置的效率。此外，由于能够实现压缩机装置的单缸结构，因此这种压缩机装置能够更紧凑地构造。这种压缩机装置的另外的优点是，通过减少结构组可以提高压缩机装置的故障安全性。

通过在压缩机元件中构造工作室，尤其通过将压缩机元件构造为金属波纹管，也可以防止水、传递流体、油或其他杂质进入/扩散到工作气体中并且污染/沾污工作气体。工作气体被杂质污染可能导致工作气体冻结和密封件损坏。尤其是，压缩机元件构造为金属波纹管相对于例如压缩机元件由橡胶构造具有的优点是，工作气体不能够从压缩机元件中或穿过压缩机元件泄漏到传递室中。

在第一方面，由活塞、压缩机元件和缸包围的空间/流体室的体积可以是恒定的。

换言之，在压缩机元件/工作室外的传递室的区域可以完全地用传递流体填充，其中，传递流体可以是基本不可压缩的流体。

以这种方式可以确保，由活塞施加到传递流体上的力可以均匀地并且没有局部的力峰值地传递到波纹管上。由此确保的是，压缩机元件仅以所设置的方式和方法被压缩和膨胀，这显著延长了压缩机元件的使用寿命并且防止压缩机元件的提前失效。此外，通过用传递流体完全填充传递室，能够防止传递流体在运行时发泡或者出现泡沫形成。

此外，传递室和工作室可以完全地并且没有突出部地构造在缸中。

在另一方面，工作室中的工作介质的压力在任何时间点可以相应于传递室中的传递流体的压力。

换言之，在任何时间点，压缩机元件中的压力相应于压缩机元件周围的压力。再换言之，工作室中的工作介质和传递室中的传递流体处于压力平衡。

以这种方式能够确保，压缩机元件本身不经受或者不承受大的负载/力并且压缩机元件能够薄壁地构造，这进一步减少了压缩机元件的压缩时的损失。

在另一方面，工作介质的压力和传递流体的压力可以大于压缩机装置周围的环境的环境压力。

换句话说，压缩机装置被预紧，从而在活塞在缸中的每个位置中存在工作介质和传递介质相对于周围环境的过压。

在另一方面，活塞最大行程可以大于压缩机元件最大行程。

换句话说，活塞在沿活塞运动方向周期性往复运动时所实施的幅度可以大于压缩机元件的沿活塞运动方向的压缩机元件延伸的最大变化。

通过较小的压缩机元件最大行程可以实现的是，压缩机元件的机械负荷尤其在压缩机元件的折弯/折叠中保持得较小，这延长了压缩机元件的使用寿命并且降低了失效风险。

另一方面，活塞可以通过连杆周期性地往复运动。通过用于使活塞运动的连杆，常规的电动马达可以被用作驱动器件。备选地，活塞可以通过螺纹杆等往复运动。

另一方面，该压缩机元件可以在行程方向上被引导。

换言之，压缩机装置可以包括至少一个引导元件，该引导元件被设置构造用于在压缩和卸压期间引导压缩元件并且防止压缩机元件不受控制地弯曲或塌陷。引导元件例如能够杆形或套筒形地构造。优选地，在压缩机装置中可以构造多于一个引导元件。

在另一方面，在工作室中可以构造有闭合的排挤器(罐元件)。

换句话说，在压缩机元件的面向工作室的内侧上，优选在压缩机元件的靠近活塞的端侧上，可以构造排挤元件排挤元件可以是本身以气密方式闭合的、尤其柱形的元件，该元件可以被构造成与压缩机元件固定连接。

通过工作室中的这种排挤元件可以减小工作室的(气体)体积。由此可以实现的是，工作室在压缩状态下具有近似为零的(死/剩余)容积，这减少了压缩机元件的偏移并且因此减少了压缩机元件的负载。

在另一方面，在膨胀状态下的在行程方向上的压缩机元件的最大纵向延伸可以是在压缩状态下的压缩机元件的在行程方向上的最小纵向延伸的两倍。

在另一方面，传递室和/或工作室可以可选地经由阀与至少一个平衡容器连接，以便对压缩机装置预紧并且补偿可能的体积变化，尤其在压缩机装置加速运转或开始运行时。

在另一方面，压缩机元件的压缩是可逆的。这意味着，压缩机元件的体积在运行中仅在预定义的范围内改变并且然后恢复初始几何形状。

在另一方面，压缩机元件的壁厚可以是恒定的。优选地，压缩机元件的壁厚可以小于0.2mm。

另一方面，该压缩机元件可以由多个膜对构造。优选地，压缩机元件可以由至少30个膜对构造。特别优选地，压缩机元件可以由至少40个膜对构造。

通过将压缩机元件构造成具有多个膜对，可以确保膜对中的每个膜对在压缩机元件的行程运动期间仅经历小的偏移，这显著减小了压缩机元件的机械负载。

在另一方面，传递室可以构造有多级几何形状，尤其是两级几何形状。换言之，传递室可以具有直径突变，其中，在活塞的区域中的第一直径优选可以小于在压缩机元件的区域中的第二直径。以这种方式，待由活塞施加的用于排挤传递流体的力能够与驱动器件的驱动力或驱动力矩适配。

在另一方面，驱动器件可构造有控制器件和/或与控制器件连接，该控制器件通过活塞的周期性的纵向运动、尤其通过驱动器件的转速来控制工作室中的工作介质的压缩/挤压和卸压。

在另一方面，在活塞运动时被活塞排挤的排挤体积可以相应于工作室体积变化，由此显著简化了对压缩机装置的控制。

在另一方面，过滤器可以被连接在压缩机装置的下游。

在另一方面，工作介质可以是氦。

有利的是，活塞的运动变化曲线不是线性的或正弦形的变化曲线，而是遵循阶跃函数，其中，工作气体被快速压缩，保持压力并且然后工作气体被快速再次卸压。该运动变化曲线可以通过驱动器件的相应的可变的操控来实现。

备选地，驱动器件可以被相同形式地操控并且活塞的阶跃函数式的运动借助于相应的传递元件、如凸轮来实现。换句话说，驱动器件的线性运动可以通过凸轮形的传递元件转换为活塞的几乎阶跃函数式的运动。再换言之，传递元件可以关于传递元件的旋转轴线非对称。

在另一方面，驱动器件可以驱动一个以上压缩机装置。在这种构造中，缸优选可以布置成对置阵型(Boxerformation)。换言之，例如两个缸可以沿直径对置地由驱动器件构造，其中，所述缸能够相同地构造。每个缸可以构造有活塞和压缩机元件。

在另一方面中，传递流体(也)可用作驱动器件的润滑剂。换句话说，在活塞的背向传递室的一侧上，传递流体可以构造为润滑剂。尤其是，传递流体可润滑马达连杆对和连杆活塞对。通过将传递流体构造为润滑剂能够防止传递流体通过活塞朝向驱动器件的可能的泄漏对驱动器件产生负面影响。

在另一方面，压缩机装置可以被设计用于0.1Hz和10Hz之间的工作频率范围并且尤其用于0.5Hz和5Hz之间的工作频率范围。

此外，该目的通过一种冷却装置来实现，该冷却装置具有根据上述方面中任一方面的压缩机装置和吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器。

换言之，冷却装置包括根据上述方面中任一方面的压缩机装置和经由接头连接的吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器。可选地，用于冷却工作气体的热交换器可以被构造在冷却装置与吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器之间，或者冷却装置可以直接构造在吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器上。

以这种方式可以省去转动阀并且直接利用压缩机装置建立压力曲线。吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器可直接与压缩机装置连接。对于吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器的运行，需要极其纯净的氦气(6N＝99.9999％氦气)。

在一个方面，压缩机装置和吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器可以通过高压接头连接。

在另一方面，冷却装置或压缩机装置可以以16巴预紧。压缩机装置的工作范围可以在8巴和24巴之间。

此外，压缩机制冷机可以被构造成具有根据上述方面中任一方面的压缩机装置、蒸发器和冷凝器。

附图说明

图1是在一般实施方式中的根据本发明的压缩机装置的示意图；

图2是在特定实施方式中的根据本发明的压缩机装置的示意图；

图3是在第一实施方式中的根据本发明的冷却装置的结构的示意图；

图4是在第二实施方式中的根据本发明的冷却装置的结构的示意图；

图5是在第一备选实施方式中的根据本发明的压缩机装置的示意图；

图6是在第二备选实施方式中的根据本发明的压缩机装置的示意图；

图7是在第三备选实施方式中的根据本发明的压缩机装置的示意图；以及

图8是在第四备选实施方式中的根据本发明的压缩机装置的示意图。

具体实施方式

下面基于附图对本公开的实施例进行描述。

图1示出根据本发明的压缩机装置2，具有气密的缸4、布置在缸4中的活塞6、呈(金属)波纹管8形式的压缩机元件和接头10，其中，压缩机装置2被设置和构造成与冷却装置耦联或形成冷却装置的一部分。缸4包括构造在缸4的内侧上的(缸)工作面12。活塞6包括构造在活塞6的外周面上的活塞裙14，其中，缸4的工作面12和活塞6的活塞裙14这样彼此协调，使得活塞6能够密封地在缸4中沿缸中心轴线ZM线性地运动。活塞6和缸4限定传递室16。传递室16填充有传递流体。波纹管8布置在传递室16中并且被(不可压缩的)传递流体包围。具体地，传递流体构造在被包围/封闭在缸4、活塞6和波纹管8之间的流体室18中。流体室18的体积基本是不可变的，其中，然而流体室18的几何形状可以变化。

波纹管8包含/限定工作室20。工作室20填充有工作气体，优选氦气。在这里所示的实施方式中，波纹管8构造为具有手风琴形的壁22的波纹管。波纹管8将传递室16和工作室20气密且流体密封地彼此分开。接头10构造在工作室20的背离活塞6的一侧上。接头10被设置和构造成将压缩机装置2与冷头/冷却器38(参见图3)、例如吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器连接。

图2示出在一个实施方式中的压缩机装置2，其中，活塞6借助于连杆24沿着缸中心轴线ZM能够线性运动。

下面借助图2描述根据本发明的压缩机装置2的工作方式。通过连杆24所产生的活塞6的驱动是示例性的。当然能够使活塞6沿着缸中心轴线ZM周期性地往复运动的活塞6的其他驱动方式视为等同。

通过相应的控制装置(未示出)操控的、呈电动马达26形式的驱动装置驱动盘28旋转，连杆24在所述盘上偏心地支承在第一支承位置30上。此外，连杆24在第二支承位置32上支承/固定在活塞6上。通过连杆24，由盘28的旋转的/圆形的运动形成活塞6沿着缸中心轴线ZM的线性运动。换言之，由电动马达26产生的力通过盘28和连杆24传递到活塞6上。

当活塞6沿着缸中心轴线ZM向波纹管8侧的方向移动时，力传递到流体室18中的传递流体上。包围波纹管8的传递流体将力传递到波纹管8上并且压缩包含在波纹管8中的工作气体。因为传递流体是近似不可压缩的流体，所以由电动马达26施加的力(减去可能的摩擦损失)基本上完全转化成波纹管8的压缩和处于工作室20中的工作气体的压缩。换言之，通过电动马达26的力周期性地压缩工作室20中的工作气体。在此，波纹管8的工作范围处于在压缩状态下的第一长度L1和在卸压状态下的第二长度L2之间。波纹管8的(最大的)长度变化ΔL远小于第一长度L1或第二长度L2，所述长度变化相应于第一长度L1和第二长度L2之间的差值。

图3示出根据本发明的具有第一实施方式中的压缩机装置2的冷却装置34。压缩机装置2的工作室20经由接头10与压力管路36连接。压力管路36将压缩机装置2气密地与构造为吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器的冷头38连接。为了运行这种冷头38，确定的工作气体体积通过压缩机装置2在预定的频率范围中周期性地压缩和卸压。

图4示出根据本发明的具有第二实施方式中的压缩机装置2的冷却装置34。第二实施方式的冷却装置34基本上相应于第一实施方式的冷却装置34。在第二实施方式中，在压缩机装置2的接头10和冷头38之间构造有热交换器40，所述热交换器被设置和构造用于尤其在压缩之后将工作气体冷却下来。

下面根据图5至图8说明压缩机装置2的备选的实施方式。以下省略与图1中描述的一般实施方式相应的元件的再次描述。

在图5中示出的压缩机装置2的第一备选实施方式在波纹管8中包含罐元件42。罐元件42在工作室20中构造在波纹管8的面向活塞6的端侧上。罐元件42减少工作室20的气体体积/内部体积。罐元件42气密地相对于工作室20封闭。

图6示出具有轴形或杆形的引导元件44的压缩机装置2的第二备选实施方式。杆形的引导元件44在传递室16中构造在波纹管8的面向活塞6的端侧上。杆形的引导元件44远离波纹管8朝向活塞6延伸并且支承在活塞6中。杆形的引导元件44在活塞6中线性地得到引导或者说支承。优选地，杆形的引导元件44在活塞6中的衬套中被引导或支承。可选地，在波纹管8上构造有多于一个杆形的引导元件44。杆形的引导元件44防止波纹管8相对于活塞6倾斜。

图7示出具有扁平的引导元件46的压缩机装置2的第三备选实施方式。扁平的引导元件46在传递室16中构造在波纹管8的面向活塞6的端侧上。扁平的引导元件46径向向外朝向工作面12延伸并且相对于工作面12引导波纹管8。在扁平的引导元件46中构造有孔48，所述孔确保传递流体在传递室中不受阻碍地流动。扁平的引导元件46防止波纹管8相对于缸4倾斜。

图8示出压缩机装置2的第四备选实施方式，其中，所述缸4两级地构造。缸4包括第一缸区段50和第二缸区段52，在第一缸区段中构造波纹管8并且在第二缸区段中构造活塞6。第一缸区段50的第一直径大于第二缸区段52的第二直径。换言之，通过第一缸区段50和第二缸区段52实现了缸4中的压力转换。

当然，如果技术上可行，则所有描述的实施方式的特征可以在权利要求中任意组合。

因此例如可以想到，将压缩装置2构造成具有在工作室20中的罐元件42并且波纹管8附加地构造有杆形的引导元件44和/或扁平的引导元件46。

也可以想到的是，压缩装置2构造成具有缸4和罐元件42，所述缸具有第一缸区段50和第二缸区段52。

此外可以想到的是，压缩机装置被构造成具有缸4、罐元件42和杆形的引导元件44和/或扁平的引导元件46，所述缸具有第一缸区段50和第二缸区段52。

附图标记列表

2压缩机装置

4缸

6活塞

8波纹管

10接头

12(缸)工作面

14 活塞裙

16 传递室

18 流体室

20 工作室

22 壁

24 连杆

26 电动马达

28 盘

30 第一支承位置

32 第二支承位置

34 冷却装置

36 压力管路

38 冷头

40 热交换器

42罐元件/排挤元件

44 杆形的引导元件

46 扁平的引导元件

48 孔

50 第一缸区段

52 第二缸区段

ZM 缸中心轴线

L1 第一长度

L2 第二长度

ΔL 长度变化

Claims (10)

1.一种压缩机装置(2)，具有

缸(4)，

布置在所述缸(4)内的活塞(6)，所述活塞限定用传递流体填充的传递室(16)并且能够借助于驱动器件(26)周期性地往复运动；

布置在所述传递室(16)内的压缩机元件(8)，尤其是(金属)波纹管，所述压缩机元件限定填充有工作气体的工作室(20)，以及

接头(10)，所述工作室(20)通过所述接头能够与工作气体管路(36)连接成吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器(38)；

其中，所述压缩机元件(8)和包含在所述压缩机元件中的工作气体间接地通过由所述活塞(6)排出的传递流体周期性地压缩。

2.根据权利要求1所述的压缩机装置(2)，其中，由所述活塞(6)、所述压缩机元件(8)和所述缸(4)包围的(流体)空间(18)的体积是恒定的。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的压缩机装置(2)，其中，所述传递室(16)和所述工作室(20)完全地构造在所述缸(4)中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩机装置(2)，其中，在所述工作室(20)中的工作介质的压力在每个时间点相应于所述传递室(16)中的传递流体的压力。

5.根据权利要求4所述的压缩机装置(2)，其中，所述工作介质的压力和所述传递流体的压力大于所述压缩机装置(2)周围的环境的环境压力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的压缩机装置(2)，其中，活塞最大行程大于压缩机元件最大行程(ΔL)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的压缩机装置(2)，其中，所述活塞(6)能够通过连杆(24)周期性地往复运动。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的压缩机装置(2)，其中，所述压缩机元件(8)在行程方向上被引导。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的压缩机装置(2)，其中，在所述工作室(20)中构造有闭合的排挤元件(42)。

10.一种冷却装置(34)，具有根据权利要求1至9中任一项所述的压缩机装置(2)和吉福德-麦克马洪冷却器或脉冲管冷却器(38)。