本發(fā)明涉及一種壓縮機(jī)裝置、一種具有該壓縮機(jī)裝置的冷卻裝置以及一種用于操作該壓縮機(jī)裝置的方法。

背景技術(shù)：

為了要冷卻磁共振掃描器、低溫泵等裝置，必須使用脈沖管制冷器或gifford-mcmahon冷卻器。這些冷卻裝置都使用氣體壓縮機(jī)，特別是氦氣壓縮機(jī)，并與旋轉(zhuǎn)閥或轉(zhuǎn)向閥組合。壓縮的氦被引入冷卻裝置中并從冷卻裝置中移除的速率在1hz的范圍內(nèi)。常規(guī)的螺桿或活塞式壓縮機(jī)的問題在于，來自壓縮機(jī)的油可能會(huì)進(jìn)入工作氣體中，并因此而進(jìn)入冷卻裝置內(nèi)，從而污染該冷卻裝置。

此外，在已知的聲壓縮機(jī)或高頻壓縮機(jī)中，使用一個(gè)或多個(gè)活塞，并以磁場使活塞進(jìn)行線性諧振振蕩。這些活塞運(yùn)動(dòng)的共振頻率在幾十赫茲的范圍內(nèi)，因此不適于與脈沖管制冷器或gifford-mcmahon冷卻器一起使用，用于產(chǎn)生如低于10k的范圍內(nèi)的非常低的溫度。

從瑞士專利ch457147b中已知一種薄膜壓縮機(jī)或薄膜泵，具有一個(gè)工作腔室，通過彈性，氣密和液密的薄膜將腔室細(xì)分成氣體容積和液體容積。液體通過液體泵周期性地壓迫進(jìn)入工作腔室中的液體容積中，使得該彈性薄膜向氣體容積的方向膨脹，并因而壓縮其中的氣體，以提供壓縮功能，或使彈性薄膜回縮而遠(yuǎn)離氣體容積，達(dá)成泵吸功能。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是在該工作腔室所使用的氣密性、液密性和耐壓密封的彈性膜成本相對昂貴。該薄膜必須耐受高負(fù)荷，特別是在密封部分的區(qū)域中，結(jié)果必須使用非常昂貴的材料，或者必須接受較短的使用壽命。

從德國專利de10344698b4中已知一種具有壓縮機(jī)裝置的熱泵及制冷機(jī)。該壓縮機(jī)裝置包括一個(gè)壓縮腔室，其中配置有氣囊。該氣囊周期性地加載液體，使得圍繞該氣囊的氣體被周期性地壓縮并再次松弛。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是，該氣囊殼體在壓縮腔室的硬質(zhì)且可能具有凸邊的內(nèi)表面上，在某些操作狀態(tài)下可能發(fā)生刮擦或摩擦。結(jié)果，由于壓力條件，可能在氣囊殼體上形成穿孔或裂縫。此外，當(dāng)使用氦氣作為工作氣體時(shí)，氣囊殼體的滲透性就會(huì)變得太高，使得大量的氦氣迅速逸失。因此，這種具有氣囊的系統(tǒng)的使用壽命無法令人滿意。

從德國專利de-a-91837中已知一種用于液體的隔膜泵，也可以用作“氣體壓縮泵”。為此目的，專利文件指示將液體引入膜和活塞閥之間，亦即，在氣體腔室中提供液體。因此，該裝置是使用液體密封的壓縮裝置。在這種裝置中不能達(dá)成將待壓縮氣體和液壓液體作物理性分離的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

從wo2014/016415a2已知一種壓縮機(jī)裝置，該裝置包括作為壓縮機(jī)元件的金屬波紋管。該金屬波紋管對于所有種類的工作氣體都是不可滲透的，但氫氣除外。由于使用金屬波紋管，工作氣體也可以保持在無油狀態(tài)。然而，由于必須與工作液體的補(bǔ)償容器的相互作用，這種裝置的效率無法令人滿意。

因此，由該wo2014/016415a2出發(fā)，本發(fā)明的目的是提供一種使用金屬波紋管作為更有效率的壓縮機(jī)元件的壓縮機(jī)裝置。此外，本發(fā)明的目的也是提供一種冷卻裝置和用于操作該壓縮機(jī)裝置的方法。

上述目的可以分別通過權(quán)利要求1、7、8、12、13和14的技術(shù)特征來達(dá)成。

通過將從wo2014/016415a2已知的工作液體補(bǔ)償容器擴(kuò)展到第二壓縮機(jī)級，使得共享的泵送裝置可以使用兩次。在工作液體的每個(gè)流動(dòng)方向上，將工作氣體壓縮；該流動(dòng)方向包括：在第一壓縮機(jī)級中的一個(gè)流動(dòng)方向，以及在第二壓縮機(jī)級中的相反流動(dòng)方向。以上述方法增強(qiáng)壓縮機(jī)裝置的效率。

通過在高壓工作氣體和低壓工作氣體連接處配備止回閥，達(dá)成以簡單的方式在壓縮和松弛期間控制氣體流量–權(quán)利要求2。

通過在兩個(gè)壓縮機(jī)級中的高壓工作氣體連接處的下游提供熱交換器，達(dá)成使壓縮的工作氣體在每個(gè)壓縮沖程之后都可冷卻的目的–權(quán)利要求3和15。

根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)裝置可以形成為非輸送型(權(quán)利要求4至6)或輸送型(權(quán)利要求9至11)的壓縮機(jī)裝置。

在非輸送型的配置中，將預(yù)定量的工作氣體在兩個(gè)輸送級中進(jìn)行交替的壓縮和松弛。不須從外部供應(yīng)工作氣體。權(quán)利要求4至6。

高壓氣體管線和低壓氣體管線優(yōu)選為構(gòu)造成可因其容積特性而用作氣體存儲器–權(quán)利要求5。

另一種做法是可以在高壓氣體管線和低壓氣體管線中，分別設(shè)置低壓氣體存儲器和高壓氣體存儲器–權(quán)利要求6。

在輸送型的配置中－參見權(quán)利要求9和11－工作氣體首先在第一壓縮機(jī)級中壓縮或預(yù)壓縮，并且中間存儲在緩沖存儲器中。第二壓縮機(jī)級虛擬地空轉(zhuǎn)，并用作工作液體補(bǔ)償容器。當(dāng)在緩沖存儲器中的工作氣體量達(dá)到對應(yīng)于第二壓縮機(jī)級中的第二氣體容積的中間壓力pmid時(shí)，來自緩沖存儲器的預(yù)壓縮工作氣體在第二壓縮機(jī)級的下一壓縮機(jī)沖程期間壓縮，達(dá)到末端壓力pend。之后將壓縮到末端壓力的工作氣體釋放到外部或存儲在高壓氣體存儲系統(tǒng)中。

在運(yùn)輸型的配置中－參見權(quán)利要求10和11－工作氣體首先在第一壓縮機(jī)級中壓縮或預(yù)壓縮，并且同時(shí)轉(zhuǎn)移到第二壓縮機(jī)級的第二氣體容積中。在第二壓縮機(jī)級中，將預(yù)壓縮到中間壓力pmid的工作氣體壓縮，達(dá)到端部壓力pend。之后將壓縮到端部壓力pend的工作氣體釋放到外部或存儲在高壓氣體存儲系統(tǒng)中。

工作液體優(yōu)選使用如din51524定義的液壓油，可以經(jīng)額外的脫水處理或不含水。液壓油存在于封閉系統(tǒng)中，該封閉系統(tǒng)是由泵送裝置、工作液體補(bǔ)償裝置和位于壓縮機(jī)腔室中的液體容積組成，使得在操作期間沒有來自環(huán)境的水會(huì)被液壓油吸收。另一種做法是可以使用水作為工作液體。水作為工作劑的優(yōu)點(diǎn)是，在發(fā)生缺陷的情況下，滲透到下游冷卻器中的水比滲透到下游冷卻器中的液壓油更容易除去。使用水的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是水可以作為防爆應(yīng)用中的工作劑，因?yàn)樗哂胁豢扇己头潜ㄐ缘奶匦?。此外，水是無毒的物體，因此具有環(huán)境友好的特性。

對于低溫下的應(yīng)用，優(yōu)選使用氦、氖或氮作為工作氣體，但須取決于溫度范圍。

其余的從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的其他有利特征。本發(fā)明的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，特征和優(yōu)點(diǎn)可由后續(xù)對不同實(shí)施例的描述中了解。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的壓縮機(jī)裝置構(gòu)造示意圖，該實(shí)施例的壓縮機(jī)裝置是一種具有兩個(gè)壓縮機(jī)級的非輸送型壓縮機(jī)裝置。

圖2a至2e是本發(fā)明第一實(shí)施例在操作階段的構(gòu)造示意圖。

圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例的壓縮機(jī)裝置構(gòu)造示意圖，示出一種具有兩個(gè)壓縮機(jī)級的輸送型壓縮機(jī)裝置。

圖4a至4d是本發(fā)明第二實(shí)施例在操作階段的構(gòu)造示意圖。

圖5示出本發(fā)明的第二實(shí)施例作為焦耳-湯姆森冷卻器的驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用示意圖。

附圖標(biāo)記說明

p0出口壓力

pmid1第一中間壓力

pmid2第二中間壓力

pend末端壓力

2-1第一壓縮機(jī)級

2-2第二級壓縮機(jī)級

4-1第一壓縮機(jī)腔室

4-2第二壓縮機(jī)腔室

6-1第一金屬波紋管

6-2第二金屬波紋管

8-1第一氣體容積

8-2第二氣體容積

10工作氣體

12-1第一液體容積

12-2第二液體容積

14工作液體

16-1第一工作液體連接管

16-2第二工作液體連接管

18-1第一高壓工作氣體連接管

18-2第二高壓工作氣體連接管

20-1第一低壓工作氣體連接管

20-2第二低壓工作氣體連接管

22止回閥

24高壓氣體管線

25高壓氣體存儲器

26低壓氣體管線

27低壓氣體存儲器

28電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥

30冷卻裝置

32-1第一熱交換器

32-2第二熱交換器

34共享電動(dòng)泵送裝置

40-1第一氣體管線

40-2第二氣體管線

40-3第三氣體管線

40-4第四氣體管線

42緩沖存儲器

44-1第一鎖定閥

50焦耳-湯姆森冷卻器

具體實(shí)施方式

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)裝置的第一實(shí)施例，該壓縮機(jī)裝置具有第一和第二壓縮機(jī)級2-1與2-2，并為非輸送型壓縮機(jī)裝置。兩個(gè)壓縮機(jī)裝置2-1、2-2中的每一個(gè)都具有以氣密方式封閉的壓縮機(jī)腔室4-1、4-2。金屬波紋管6-1、6-2設(shè)置在兩個(gè)壓縮機(jī)腔室4-1、4-2中的每一個(gè)內(nèi)部。金屬波紋管6-1、6-2將壓縮機(jī)腔室4-1、4-2分成供工作氣體10進(jìn)出的第一和第二氣體容積8-1、8-2，以及供工作液體14進(jìn)出的第一和第二液體容積12-1、12-2。氣體容積8-1、8-2位于金屬波紋管6-1、6-2內(nèi)部，并且液體容積位于金屬波紋管6-1、6-2的外部。供工作流體流經(jīng)的連接管16-1、16-2分別從液體容積12-1和12-2中導(dǎo)出。氣體容積8-1、8-2各自連接到高壓工作氣體連接管18-1、18-2和低壓工作氣體連接管20-1、20-2。低壓工作氣體連接管20-1、20-2設(shè)置有止回閥22，只容許工作氣體向壓縮機(jī)級2-1、2-2的方向上流動(dòng)。高壓工作氣體連接管18-1、18-2同樣設(shè)置有止回閥22，與在低壓工作氣體連接管20-1、20-2處的止回閥22相反，止回閥22具有相反的正向。高壓工作氣體連接管18-1、18-2經(jīng)由止回閥22連接到共享高壓氣體管線24，而低壓工作氣體連接管20-1、20-2則經(jīng)由止回閥22連接到低壓氣體管線26。在高壓工作氣體連接管18-1、18-2中的止回閥22，其流通方向是向共享高壓氣體管線24的方向，而在低壓工作氣體連接管20-1、20-2中的止回閥22的可流通方向是向壓縮機(jī)級2-1、2-2的方向。共享高壓氣體管線24和共享低壓氣體管線26終止于電機(jī)旋轉(zhuǎn)閥28。該電機(jī)旋轉(zhuǎn)閥28將高壓氣體管線24和低壓氣體管線26交替地連接于冷卻裝置30，例如為gifford-mcmahon冷卻器或脈沖管制冷機(jī)形式的冷卻裝置。根據(jù)容積上的設(shè)置，高壓氣體管線24和低壓氣體管線26可以充當(dāng)氣體存儲器。也可以另外以低壓氣體存儲器27和高壓氣體存儲器25設(shè)置在低壓和/或高壓氣體管線26，24當(dāng)中。用于冷卻壓縮工作氣體的熱交換器32-1，32-2分別設(shè)置在兩個(gè)高壓工作氣體連接管18-1、18-2中，位于止回閥22的下游處，切換運(yùn)作。兩個(gè)壓縮機(jī)級2-1、2-1以相同的方式構(gòu)造，亦即，兩者的氣體容積8-1、8-2和液體容積12-1、12-2相等。

兩條工作液體連接管16-1、16-2連接到共享電動(dòng)泵送裝置34，以將工作液體14交替地泵送到第一和第二壓縮機(jī)級2-1、2-2的第一和第二液體容積12-1、12-2中。亦即，將工作液體14從第二液體容積12-2泵送到第一液體容積12-1中，或從第一液體容積12-1泵送到第二液體容積12-2中。

圖2a至圖2e示出圖1的壓縮機(jī)裝置在不同操作階段中的狀態(tài)。在圖2a所示的階段中，工作液體14由共享泵送裝置34從第二壓縮機(jī)級2-2的第二液體容積12-2泵送到第一壓縮機(jī)級2-1的第一液體容積12-1中。第一金屬波紋管6-1被壓縮，使其中的工作氣體10通過第一高壓工作氣體連接管18-1、第一熱交換器32-1和共享的高壓氣體管線24而壓送進(jìn)入到高壓工作氣體存儲器25。而第二金屬波紋管6-2則因?yàn)閺牡蛪汗ぷ鳉怏w存儲器27經(jīng)由低壓氣體管線26和第二低壓工作氣體連接管20-2流回的工作氣體10進(jìn)入而膨脹。旋轉(zhuǎn)閥28將冷卻裝置30經(jīng)由低壓氣體管線26與低壓氣體存儲器27連通。

在圖2b所示的第二階段中，在第一壓縮機(jī)級2-1中的壓縮作業(yè)完成，旋轉(zhuǎn)閥28即將高壓氣體存儲器25與冷卻裝置30連通，使得已在第一熱交換器32-1處冷卻的壓縮工作氣體10進(jìn)入冷卻裝置30。

在圖2c所示的第三階段中，工作液體被反轉(zhuǎn)而反向流動(dòng)，此時(shí)泵送裝置34將工作液體14從第一壓縮機(jī)級2-1的第一液體容積12-1泵送到第二壓縮機(jī)級2-2的第二液體容積12-2。在此情形下，第二金屬波紋管6-2被壓縮，使其中的工作氣體10被壓縮而經(jīng)由第二高壓工作氣體連接管18-2、第二熱交換器32-2和共享高壓氣體管線24，壓送到高壓氣體存儲器25中。而第一金屬波紋管6-1因?yàn)閺牡蛪簹怏w存儲器27經(jīng)由低壓氣體連接管線26和第一低壓工作氣體連接管20-1流回的工作氣體10進(jìn)入而膨脹。

在圖2d所示的第四階段中，在第二壓縮機(jī)級2-2中的壓縮作業(yè)已經(jīng)完成，此時(shí)旋轉(zhuǎn)閥28再次將高壓氣體存儲器25經(jīng)由共享高壓氣體管線24與冷卻裝置30連接，使得第二壓縮機(jī)級2-2中，已在熱交換器32-1冷卻的壓縮工作氣體10進(jìn)入冷卻裝置30。

在圖2e所示的階段中，操作再度回到第一階段。此時(shí)在第一壓縮機(jī)級2-1中進(jìn)行壓縮作業(yè)。圖2a和圖2e的區(qū)別僅在于，在圖2e中，第一金屬波紋管6-1仍然松弛，并且第二金屬波紋管6-2仍然被壓縮。反之，在圖2a中，在第一壓縮機(jī)級2-1中的壓縮已經(jīng)完成，此時(shí)第一金屬波紋管6-1被壓縮，而第二金屬波紋管6-2則為松弛。

由于本發(fā)明提供一個(gè)高壓存儲器25和一個(gè)低壓存儲器27，使得旋轉(zhuǎn)閥28的旋轉(zhuǎn)頻率可與兩個(gè)壓縮機(jī)級中的壓縮作業(yè)頻率解除關(guān)聯(lián)性。另一種作法則是可使旋轉(zhuǎn)閥28的旋轉(zhuǎn)頻率與壓縮機(jī)的沖程頻率同步。在這種設(shè)計(jì)下，即可以省略高壓和低壓存儲器25、27的設(shè)置。

圖3示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的架構(gòu)。在本實(shí)施例中，壓縮機(jī)裝置為可以輸送工作氣體10的架構(gòu)，并具有兩個(gè)壓縮機(jī)級2-1、2-2。在第一與第二實(shí)施例中，互相匹配的元件將使用相同的元件符號標(biāo)示。在圖1和圖3所示的結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)壓縮機(jī)級2-1、2-2的結(jié)構(gòu)以及兩個(gè)壓縮機(jī)級2-1、2-2與共同的泵送裝置34的連接關(guān)系基本相同。同樣，兩個(gè)熱交換器32-1、32-2的結(jié)構(gòu)也對應(yīng)于第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。在圖3的實(shí)施例中，工作氣體10首先在第一壓縮機(jī)級2-1中壓縮，以從一個(gè)出口壓力p0壓縮到第一中間壓力pmid1，隨后在第二壓縮機(jī)級2-2中壓縮，從一個(gè)第二中間壓力pmid2壓縮到末端壓力pend。原則是：pmid1>pmid2。

隨后的說明將特別描述兩個(gè)實(shí)施例間的差異。緩沖存儲器42經(jīng)由第一氣體管線40-1和第一鎖定閥44-1連接到第二壓縮機(jī)級2-2的第二低壓工作氣體連接管20-2。第一高壓工作氣體連接管20-1則經(jīng)由第一熱交換器32-1和第二氣體管線40-2與緩沖存儲器42連接。低壓氣體存儲器27經(jīng)由第三氣體管線40-3與具有止回閥22，屬第一壓縮機(jī)級2-1的第一低壓工作氣體連接管20-1連接。第二壓縮機(jī)級2-2的第二高壓工作氣體連接管18-2則經(jīng)由止回閥22、第二熱交換器32-2和第四氣體管線40-4而與高壓氣體存儲器25連接。來自低壓氣體存儲器27的待壓縮工作氣體10經(jīng)由第一低壓工作氣體連接20-1供給到第一壓縮機(jī)級2-1。

以下根據(jù)圖4a至4d說明圖3的壓縮機(jī)裝置的操作方式。

在圖4a所示的第一階段中，工作液體14通過共享泵送裝置34從第一壓縮機(jī)級2-1的第一液體容積12-1泵送到第二壓縮機(jī)級2-1的第二液體容積12-2中。第一金屬波紋管6-1膨脹，未壓縮的工作氣體10經(jīng)由第三氣體管線40-3和具有止回閥22的第一低壓工作氣體連接管20-1流入第一氣體容積8-1。第一氣體管線中的第一鎖定閥44-1關(guān)閉。第二壓縮機(jī)級2-2僅供作工作液體補(bǔ)償容器使用。在松弛狀態(tài)下的第二氣體容積8-2中的壓力為第二中間壓力pmid2，并且處于大約末端壓力pend的壓縮狀態(tài)。

在圖4b所示的第二操作階段中，將工作液體14的流動(dòng)方向反向，此時(shí)第一壓縮機(jī)級2-1中的工作氣體10被壓縮，并且經(jīng)由具有止回閥22的第一高壓工作氣體連接20-2壓送進(jìn)入緩沖存儲器42、熱交換器32-1和第二氣體管線40-2。第一高壓工作氣體連接管18-2上的止回閥22防止已經(jīng)壓縮到中間壓力pmid的工作氣體10回流。第一鎖定閥44-1仍然維持關(guān)閉，第二壓縮機(jī)級2-2僅用作工作液體補(bǔ)償容器。

根據(jù)圖4a和圖4b的操作階段重復(fù)進(jìn)行，并且只要緩沖存儲器42中被壓縮到第一中間壓力pmid1的工作氣體10數(shù)量，在通過第一氣體管線40-1及開放的鎖定閥44-1與第二氣體容積8-2連通期間，仍足以在第二氣體容積8-2中產(chǎn)生一中間壓力pmid2，都維持重復(fù)進(jìn)行。

當(dāng)緩沖存儲器42中的氣體量達(dá)到預(yù)定量時(shí)，在該第一壓縮機(jī)級2-1次的下一壓縮沖程期間打開該第一鎖定閥40-1，使得預(yù)壓縮到第一中間壓力pmid1的工作氣體可以從緩沖存儲器42經(jīng)由第一開啟鎖定閥44-1和第一氣體管線40-1流入第二壓縮機(jī)級2-2的第二氣體容積8-2中，以達(dá)到該第二中間壓力pmid2–參見圖4c。

在圖4d所示的下一個(gè)操作階段中，工作液體14通過共享泵送裝置34泵送到第二壓縮機(jī)級2-2中。存在于該第二氣體容積8-2中并且經(jīng)過預(yù)壓縮到第二中間壓力pmid2的工作氣體10繼續(xù)被壓縮到末端壓力pend，并且經(jīng)由第二熱交換器32-2和第四氣體管線40-4壓送進(jìn)入高壓存儲器25中。

在此情形下，從出口壓力p0到末端壓力pend的壓縮作業(yè)循環(huán)終止，并且再次開始另一循環(huán)。

在圖3的實(shí)施例的一種替代實(shí)施例中，第一高壓工作氣體連接管18-1是經(jīng)由氣體管線40-1、40-2而與第二壓縮機(jī)級2-2的低壓工作氣體連接管20-2連通。該緩沖存儲器42和第該一鎖定閥44-1即已不需要。在這種設(shè)計(jì)下，第一壓縮機(jī)級2-1中的工作氣體10先預(yù)壓縮到中間壓力pmid，并且在之后共享電動(dòng)泵送裝置34的反向運(yùn)送過程中，將該工作氣體10壓縮到第二壓縮機(jī)級2-2的端部壓力pend。最后再將已經(jīng)壓縮到末端壓力pend的工作氣體釋放到外部，或存儲在高壓存儲器25中。

圖5示出以本發(fā)明第二實(shí)施例作為具有閉合工作氣體回路的焦耳-湯姆森冷卻器(joule-thomsonchiller)的驅(qū)動(dòng)器50的應(yīng)用示意圖。

由德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)din51524定義的液壓油適合作為工作液體。h、hl、hlp和hvlp油都是易于與常規(guī)密封用塑料如nbr(丙烯腈丁二烯橡膠)等兼容的油類。然而，nbr不足以使用在氦氣的密封。而hf油則常常與常規(guī)密封材料不兼容。(相關(guān)內(nèi)容可鑒于http://de.wikipedia.org/wiki/liste_der_kunststoffe)。

另一種替代性的作法是使用水作為工作液體。水作為工作劑的優(yōu)點(diǎn)是，在下游低溫冷卻器發(fā)生缺陷的情況下，滲透到下游冷卻器中的水比滲透到下游冷卻器中的液壓油更容易除去。另外，使用水的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是水可以作為防爆應(yīng)用中的工作劑，因?yàn)樗哂胁豢扇己头潜ㄐ缘奶匦?。此外，水是無毒的物體，因此具有環(huán)境友好的特性。