壓縮機裝置、配備該壓縮機裝置的冷卻裝置、以及用於操作該壓縮機裝置和該冷卻裝置的方法與流程
2023-05-04 06:22:16
本發明涉及一種壓縮機裝置、一種具有該壓縮機裝置的冷卻裝置以及一種用於操作該壓縮機裝置的方法。
背景技術：
為了要冷卻磁共振掃描器、低溫泵等裝置，必須使用脈衝管制冷器或gifford-mcmahon冷卻器。這些冷卻裝置都使用氣體壓縮機，特別是氦氣壓縮機，並與旋轉閥或轉向閥組合。壓縮的氦被引入冷卻裝置中並從冷卻裝置中移除的速率在1hz的範圍內。常規的螺杆或活塞式壓縮機的問題在於，來自壓縮機的油可能會進入工作氣體中，並因此而進入冷卻裝置內，從而汙染該冷卻裝置。
此外，在已知的聲壓縮機或高頻壓縮機中，使用一個或多個活塞，並以磁場使活塞進行線性諧振振蕩。這些活塞運動的共振頻率在幾十赫茲的範圍內，因此不適於與脈衝管制冷器或gifford-mcmahon冷卻器一起使用，用於產生如低於10k的範圍內的非常低的溫度。
從瑞士專利ch457147b中已知一種薄膜壓縮機或薄膜泵，具有一個工作腔室，通過彈性，氣密和液密的薄膜將腔室細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，並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離氣體容積，達成泵吸功能。這種設計的缺點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荷，特別是在密封部分的區域中，結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裝置的熱泵及制冷機。該壓縮機裝置包括一個壓縮腔室，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並再次鬆弛。這種設計的缺點是，該氣囊殼體在壓縮腔室的硬質且可能具有凸邊的內表面上，在某些操作狀態下可能發生刮擦或摩擦。結果，由於壓力條件，可能在氣囊殼體上形成穿孔或裂縫。此外，當使用氦氣作為工作氣體時，氣囊殼體的滲透性就會變得太高，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中已知一種用於液體的隔膜泵，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成將待壓縮氣體和液壓液體作物理性分離的目的。
技術實現要素：
從wo2014/016415a2已知一種壓縮機裝置，該裝置包括作為壓縮機元件的金屬波紋管。該金屬波紋管對於所有種類的工作氣體都是不可滲透的，但氫氣除外。由於使用金屬波紋管，工作氣體也可以保持在無油狀態。然而，由於必須與工作液體的補償容器的相互作用，這種裝置的效率無法令人滿意。
因此，由該wo2014/016415a2出發，本發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元件的壓縮機裝置。此外，本發明的目的也是提供一種冷卻裝置和用於操作該壓縮機裝置的方法。
上述目的可以分別通過權利要求1、7、8、12、13和14的技術特徵來達成。
通過將從wo2014/016415a2已知的工作液體補償容器擴展到第二壓縮機級，使得共享的泵送裝置可以使用兩次。在工作液體的每個流動方向上，將工作氣體壓縮；該流動方向包括：在第一壓縮機級中的一個流動方向，以及在第二壓縮機級中的相反流動方向。以上述方法增強壓縮機裝置的效率。
通過在高壓工作氣體和低壓工作氣體連接處配備止回閥，達成以簡單的方式在壓縮和鬆弛期間控制氣體流量–權利要求2。
通過在兩個壓縮機級中的高壓工作氣體連接處的下遊提供熱交換器，達成使壓縮的工作氣體在每個壓縮衝程之後都可冷卻的目的–權利要求3和15。
根據本發明的壓縮機裝置可以形成為非輸送型(權利要求4至6)或輸送型(權利要求9至11)的壓縮機裝置。
在非輸送型的配置中，將預定量的工作氣體在兩個輸送級中進行交替的壓縮和鬆弛。不須從外部供應工作氣體。權利要求4至6。
高壓氣體管線和低壓氣體管線優選為構造成可因其容積特性而用作氣體存儲器–權利要求5。
另一種做法是可以在高壓氣體管線和低壓氣體管線中，分別設置低壓氣體存儲器和高壓氣體存儲器–權利要求6。
在輸送型的配置中－參見權利要求9和11－工作氣體首先在第一壓縮機級中壓縮或預壓縮，並且中間存儲在緩衝存儲器中。第二壓縮機級虛擬地空轉，並用作工作液體補償容器。當在緩衝存儲器中的工作氣體量達到對應於第二壓縮機級中的第二氣體容積的中間壓力pmid時，來自緩衝存儲器的預壓縮工作氣體在第二壓縮機級的下一壓縮機衝程期間壓縮，達到末端壓力pend。之後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中。
在運輸型的配置中－參見權利要求10和11－工作氣體首先在第一壓縮機級中壓縮或預壓縮，並且同時轉移到第二壓縮機級的第二氣體容積中。在第二壓縮機級中，將預壓縮到中間壓力pmid的工作氣體壓縮，達到端部壓力pend。之後將壓縮到端部壓力pend的工作氣體釋放到外部或存儲在高壓氣體存儲系統中。
工作液體優選使用如din51524定義的液壓油，可以經額外的脫水處理或不含水。液壓油存在於封閉系統中，該封閉系統是由泵送裝置、工作液體補償裝置和位於壓縮機腔室中的液體容積組成，使得在操作期間沒有來自環境的水會被液壓油吸收。另一種做法是可以使用水作為工作液體。水作為工作劑的優點是，在發生缺陷的情況下，滲透到下遊冷卻器中的水比滲透到下遊冷卻器中的液壓油更容易除去。使用水的另一個優點是水可以作為防爆應用中的工作劑，因為水具有不可燃和非爆炸性的特性。此外，水是無毒的物體，因此具有環境友好的特性。
對於低溫下的應用，優選使用氦、氖或氮作為工作氣體，但須取決於溫度範圍。
其餘的從屬權利要求涉及本發明的其他有利特徵。本發明的進一步細節，特徵和優點可由後續對不同實施例的描述中了解。
附圖說明
圖1是本發明的第一實施例的壓縮機裝置構造示意圖，該實施例的壓縮機裝置是一種具有兩個壓縮機級的非輸送型壓縮機裝置。
圖2a至2e是本發明第一實施例在操作階段的構造示意圖。
圖3是本發明的第二實施例的壓縮機裝置構造示意圖，示出一種具有兩個壓縮機級的輸送型壓縮機裝置。
圖4a至4d是本發明第二實施例在操作階段的構造示意圖。
圖5示出本發明的第二實施例作為焦耳-湯姆森冷卻器的驅動器的應用示意圖。
附圖標記說明
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第一壓縮機級
2-2第二級壓縮機級
4-1第一壓縮機腔室
4-2第二壓縮機腔室
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電動旋轉閥
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緩衝存儲器
44-1第一鎖定閥
50焦耳-湯姆森冷卻器
具體實施方式
圖1示出根據本發明的壓縮機裝置的第一實施例，該壓縮機裝置具有第一和第二壓縮機級2-1與2-2，並為非輸送型壓縮機裝置。兩個壓縮機裝置2-1、2-2中的每一個都具有以氣密方式封閉的壓縮機腔室4-1、4-2。金屬波紋管6-1、6-2設置在兩個壓縮機腔室4-1、4-2中的每一個內部。金屬波紋管6-1、6-2將壓縮機腔室4-1、4-2分成供工作氣體10進出的第一和第二氣體容積8-1、8-2，以及供工作液體14進出的第一和第二液體容積12-1、12-2。氣體容積8-1、8-2位於金屬波紋管6-1、6-2內部，並且液體容積位於金屬波紋管6-1、6-2的外部。供工作流體流經的連接管16-1、16-2分別從液體容積12-1和12-2中導出。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設置有止回閥22，只容許工作氣體向壓縮機級2-1、2-2的方向上流動。高壓工作氣體連接管18-1、18-2同樣設置有止回閥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終止於電機旋轉閥28。該電機旋轉閥28將高壓氣體管線24和低壓氣體管線26交替地連接於冷卻裝置30，例如為gifford-mcmahon冷卻器或脈衝管制冷機形式的冷卻裝置。根據容積上的設置，高壓氣體管線24和低壓氣體管線26可以充當氣體存儲器。也可以另外以低壓氣體存儲器27和高壓氣體存儲器25設置在低壓和/或高壓氣體管線26，24當中。用於冷卻壓縮工作氣體的熱交換器32-1，32-2分別設置在兩個高壓工作氣體連接管18-1、18-2中，位於止回閥22的下遊處，切換運作。兩個壓縮機級2-1、2-1以相同的方式構造，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的壓縮機裝置在不同操作階段中的狀態。在圖2a所示的階段中，工作液體14由共享泵送裝置34從第二壓縮機級2-2的第二液體容積12-2泵送到第一壓縮機級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而壓送進入到高壓工作氣體存儲器25。而第二金屬波紋管6-2則因為從低壓工作氣體存儲器27經由低壓氣體管線26和第二低壓工作氣體連接管20-2流回的工作氣體10進入而膨脹。旋轉閥28將冷卻裝置30經由低壓氣體管線26與低壓氣體存儲器27連通。
在圖2b所示的第二階段中，在第一壓縮機級2-1中的壓縮作業完成，旋轉閥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進入冷卻裝置30。
在圖2c所示的第三階段中，工作液體被反轉而反向流動，此時泵送裝置34將工作液體14從第一壓縮機級2-1的第一液體容積12-1泵送到第二壓縮機級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因為從低壓氣體存儲器27經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進入而膨脹。
在圖2d所示的第四階段中，在第二壓縮機級2-2中的壓縮作業已經完成，此時旋轉閥28再次將高壓氣體存儲器25經由共享高壓氣體管線24與冷卻裝置30連接，使得第二壓縮機級2-2中，已在熱交換器32-1冷卻的壓縮工作氣體10進入冷卻裝置30。
在圖2e所示的階段中，操作再度回到第一階段。此時在第一壓縮機級2-1中進行壓縮作業。圖2a和圖2e的區別僅在於，在圖2e中，第一金屬波紋管6-1仍然鬆弛，並且第二金屬波紋管6-2仍然被壓縮。反之，在圖2a中，在第一壓縮機級2-1中的壓縮已經完成，此時第一金屬波紋管6-1被壓縮，而第二金屬波紋管6-2則為鬆弛。
由於本發明提供一個高壓存儲器25和一個低壓存儲器27，使得旋轉閥28的旋轉頻率可與兩個壓縮機級中的壓縮作業頻率解除關聯性。另一種作法則是可使旋轉閥28的旋轉頻率與壓縮機的衝程頻率同步。在這種設計下，即可以省略高壓和低壓存儲器25、27的設置。
圖3示出本發明的第二實施例的架構。在本實施例中，壓縮機裝置為可以輸送工作氣體10的架構，並具有兩個壓縮機級2-1、2-2。在第一與第二實施例中，互相匹配的元件將使用相同的元件符號標示。在圖1和圖3所示的結構中，兩個壓縮機級2-1、2-2的結構以及兩個壓縮機級2-1、2-2與共同的泵送裝置34的連接關係基本相同。同樣，兩個熱交換器32-1、32-2的結構也對應於第一實施例的結構。在圖3的實施例中，工作氣體10首先在第一壓縮機級2-1中壓縮，以從一個出口壓力p0壓縮到第一中間壓力pmid1，隨後在第二壓縮機級2-2中壓縮，從一個第二中間壓力pmid2壓縮到末端壓力pend。原則是：pmid1>pmid2。
隨後的說明將特別描述兩個實施例間的差異。緩衝存儲器42經由第一氣體管線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則經由第一熱交換器32-1和第二氣體管線40-2與緩衝存儲器42連接。低壓氣體存儲器27經由第三氣體管線40-3與具有止回閥22，屬第一壓縮機級2-1的第一低壓工作氣體連接管20-1連接。第二壓縮機級2-2的第二高壓工作氣體連接管18-2則經由止回閥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經由第一低壓工作氣體連接20-1供給到第一壓縮機級2-1。
以下根據圖4a至4d說明圖3的壓縮機裝置的操作方式。
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從第一壓縮機級2-1的第一液體容積12-1泵送到第二壓縮機級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關閉。第二壓縮機級2-2僅供作工作液體補償容器使用。在鬆弛狀態下的第二氣體容積8-2中的壓力為第二中間壓力pmid2，並且處於大約末端壓力pend的壓縮狀態。
在圖4b所示的第二操作階段中，將工作液體14的流動方向反向，此時第一壓縮機級2-1中的工作氣體10被壓縮，並且經由具有止回閥22的第一高壓工作氣體連接20-2壓送進入緩衝存儲器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仍然維持關閉，第二壓縮機級2-2僅用作工作液體補償容器。
根據圖4a和圖4b的操作階段重複進行，並且只要緩衝存儲器42中被壓縮到第一中間壓力pmid1的工作氣體10數量，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中產生一中間壓力pmid2，都維持重複進行。
當緩衝存儲器42中的氣體量達到預定量時，在該第一壓縮機級2-1次的下一壓縮衝程期間打開該第一鎖定閥40-1，使得預壓縮到第一中間壓力pmid1的工作氣體可以從緩衝存儲器42經由第一開啟鎖定閥44-1和第一氣體管線40-1流入第二壓縮機級2-2的第二氣體容積8-2中，以達到該第二中間壓力pmid2–參見圖4c。
在圖4d所示的下一個操作階段中，工作液體14通過共享泵送裝置34泵送到第二壓縮機級2-2中。存在於該第二氣體容積8-2中並且經過預壓縮到第二中間壓力pmid2的工作氣體10繼續被壓縮到末端壓力pend，並且經由第二熱交換器32-2和第四氣體管線40-4壓送進入高壓存儲器25中。
在此情形下，從出口壓力p0到末端壓力pend的壓縮作業循環終止，並且再次開始另一循環。
在圖3的實施例的一種替代實施例中，第一高壓工作氣體連接管18-1是經由氣體管線40-1、40-2而與第二壓縮機級2-2的低壓工作氣體連接管20-2連通。該緩衝存儲器42和第該一鎖定閥44-1即已不需要。在這種設計下，第一壓縮機級2-1中的工作氣體10先預壓縮到中間壓力pmid，並且在之後共享電動泵送裝置34的反向運送過程中，將該工作氣體10壓縮到第二壓縮機級2-2的端部壓力pend。最後再將已經壓縮到末端壓力pend的工作氣體釋放到外部，或存儲在高壓存儲器25中。
圖5示出以本發明第二實施例作為具有閉合工作氣體迴路的焦耳-湯姆森冷卻器(joule-thomsonchiller)的驅動器50的應用示意圖。
由德國工業標準din51524定義的液壓油適合作為工作液體。h、hl、hlp和hvlp油都是易於與常規密封用塑料如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油則常常與常規密封材料不兼容。(相關內容可鑑於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。水作為工作劑的優點是，在下遊低溫冷卻器發生缺陷的情況下，滲透到下遊冷卻器中的水比滲透到下遊冷卻器中的液壓油更容易除去。另外，使用水的另一個優點是水可以作為防爆應用中的工作劑，因為水具有不可燃和非爆炸性的特性。此外，水是無毒的物體，因此具有環境友好的特性。