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Title:
COMPRESSOR DEVICE, AND COOLING DEVICE EQUIPPED THEREWITH AND REFRIGERATION MACHINE EQUIPPED THEREWITH
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/016415
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to an economical compressor device having an elastic membrane (6) and to a cooling device equipped therewith and a refrigeration machine equipped therewith, wherein working liquid (14) is present on one side of the membrane and the working gas (10) to be compressed is present on the other side of the membrane (6). The membrane is designed as a balloon (6) or bellows (80). Because the gas volume (8) is in the balloon (6) and the liquid volume (12) is outside, the balloon shell is always protected from damage by a liquid film on the hard inner surface (generally made of metal) when the balloon shell rubs on the hard inner surface of the compressor chamber due to irregular operating conditions. Because the working liquid is generally hydraulic oil, the protective effect is additionally improved by the lubricating oil effect. Instead of a balloon (6), a tubular bellows (80) can also be used as the membrane. The bellows (80) has the advantage that the volume enlargement or volume reduction is "directed" in the longitudinal direction of the bellows (80) due to the design and the arrangement of the folds. Therefore, rubbing contact between the bellows (80) and the hard inner surface of the compressor chamber (4) is nearly impossible. Thus, if a bellows (80) is used as the compressor membrane, the gas volume (8) can also be provided inside the bellows. This "directedness" of the volume change can be improved by positive guidance of the bellows (80) along a rod having a longitudinal bearing. The bellows (80) is usually made of a stainless steel alloy and is extremely gas-tight for all relevant working gases (10), the exception being hydrogen.

Inventors:
HOEHNE JENS (DE)
Application Number:
PCT/EP2013/065822
Publication Date:
January 30, 2014
Filing Date:
July 26, 2013
Export Citation:
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Assignee:
PRESSURE WAVE SYSTEMS GMBH (DE)
International Classes:
F04B43/073
Domestic Patent References:
WO2011018244A12011-02-17
Foreign References:
CH457147A1968-05-31
DE10344698B42005-09-22
Attorney, Agent or Firm:
WINTER BRANDL FÜRNISS HÜBNER RÖSS KAISER POLTE - PARTNERSCHAFT (DE)
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Claims:
Ansprüche

Kompressorvorrichtung, mit

einer Verdichtereinrichtung (2), die einen Verdichterraum (4) mit einem definierten Volumen aufweist, und in der eine elastische, gas- und flüssigkeitsdichte Membran (6) den Verdichterraum (4) in ein Gasvolumen (8) mit einem Arbeitsgas (10) und ein Flüssigkeitsvolumen (12) mit einer Arbeitsflüssigkeit (14) unterteilt, einem Arbeitsgasanschluss (20, 22; 40), der in das Gasvolumen (8) mündet, und einer Pumpeinrichtung (24), die die Arbeitsflüssigkeit (14) periodisch in das Flüssigkeitsvolumen (12) pumpt und dadurch das Arbeitsgas (10) im Gasvolumen (8) periodisch komprimiert, dadurch gekennzeichnet,

dass die Membran als Ballon (6) oder als Faltenbalg ausgebildet ist, und dass der Ballon (6) oder der Faltenbalg das Gasvolumen (8) umschließen.

Kompressorvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (24) mit einer Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung (28) verbunden ist.

Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gasvolumen (8) ein zweiter Arbeitsgasanschluss (22) mündet, und dass der erste Arbeitsgasanschluss (20) als Hochdruckausgang und der zweite Arbeitsgasanschluss (22) als Niederdruckeingang ausgelegt ist.

Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen (8) in dem Verdichterraum (4) über einen dritten Arbeitsgasanschluss (52) mit einem Arbeitsgasreservoir (50) verbunden ist.

5. Kompressorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsgasreservoir (50) über einen Differenzdruckregler (54) mit dem Gasvolumen (8) in dem Verdichterraum (4) verbunden ist.

6. Kompressorvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsgasreservoir (50) über ein Überdruckventil (58) mit dem Gasvolumen (8) in dem Verdichterraum (4) verbunden ist.

7. Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (24) einen elektrischen Antrieb (32) aufweist.

8. Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (24) eine Zahnradpumpe (30) um- fasst.

9. Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit (14) ein Hydrauliköl oder Wasser ist.

10. Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (10) Helium oder Stickstoff ist.

1 1 . Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ballonformige Membran oder Faltenbalg mehrschichtig aufgebaut sind.

12. Kühlvorrichtung mit einer Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler, wobei die Verdichtereinrichtung (2) mit dem Gifford-McMahon-Kühler oder dem Pulsrohrkühler gekoppelt ist.

13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (2) einen Hochdruckanschluss (20) aufweist und dass der Gif- ford-McMahon-Kühler oder der Pulsrohrkühler mit dem Hochdruckanschluss (20) der Verdichtereinrichtung (2) verbunden ist.

14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (2) einen Niederdruckanschluss (22) aufweist und dass der Gif- ford-McMahon-Kühler oder der Pulsrohrkühler mit dem Niederdruckanschluss (22) der Verdichtereinrichtung (2) verbunden ist.

15. Kompressorkältemaschine, insbesondere für herkömmliche Kühlschränke, mit einer Kompressorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, einem Verdampfer und einem Kondensator.

Description:
Beschreibung

Kompressorvorrichtung sowie eine damit ausgerüstete Kühlvorrichtung und eine damit ausgerüstete Kältemaschine

Die Erfindung betrifft eine Kompressorvorrichtung sowie eine damit ausgerüstete Kühlvorrichtung oder eine damit ausgerüstete Kältemaschine.

Zum 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 wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Ein Helium-Kompressor 100 wird über eine Hochdruckleitung 102 und eine Niederdruckleitung 104 mit einem Drehventil 106 verbunden. Ausgangsseitig wird das Drehventil 106 über eine Gasleitung 108 mit einer Kühlvorrichtung 1 10 in Form eines Gifford-McMahon-Kühlers oder eines Pulsrohrkühlers verbunden. Dabei wird über das Drehventil 106 abwechselnd die Hoch- bzw. Niederdruckseite des Gaskompressors 100 mit dem Pulsrohrkühler oder dem Gifford-McMahon-Kühler verbunden. Die Rate mit der verdichtetes Helium in die Kühlvorrichtung 100 eingeführt und wieder ausgeführt wird liegt im Bereich von 1 Hz. Nachteilig bei solchen Kühl- bzw. Kompressorsystemen ist, dass das motorisch angetriebene Drehventil 106 Verluste von bis zu 50% der Eingangsleistung des Kompressors verursacht.

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, dass 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 herbei, 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 teuere Materialien verwendete werden müssen oder eine geringere Lebensdauer in Kauf genommen werden muss.

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 Betriebszu- ständen an der harten und eventuell kantigen Innenoberfläche des Verdichterraums in schaben oder reiben kann. Hierdurch können aufgrund der Druckverhältnisse Lochbzw. Rissbildung in der Ballonhülle auftreten.

Ausgehend von der DE10344698B4 ist es daher Aufgabe der Erfindung eine Kompressorvorrichtung anzugeben, die höhere Lebensdauer aufweist und weniger Wartung benötigt. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Kühlvorrichtung und eine Kältemaschine mit einer solchen Kompressorvorrichtung anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 , 12 bzw.

15.

Dadurch, dass das Gasvolumen im Ballon und das Flüssigkeitsvolumen außen ist, wird die Ballonhülle immer durch einen Flüssigkeitsfilm auf der harten Innenseite (idR aus Metall) vor Beschädigungen geschützt, wenn aufgrund von irregulären Betriebszu- ständen die Ballonhülle an der harten Innenseite des Verdichterraums reibt. Da es sich bei der Arbeitsflüssigkeit in der Regel um Hydrauliköl handelt (Anspruch 9) wird die Schutzwirkung zusätzlich durch den Schmieröleffekt verbessert. Anstelle eines Ballons kann auch ein schlauchförmiger Faltenbalg als Membran eingesetzt werden. Ein Faltenbalg weist den Vorteil auf, dass durch die Konstruktion und die Anordnung der Falten die Volumenvergrößerung bzw. Volumenverkleinerung „gerichtet" entlang der Längsrichtung des Faltenbalgs erfolgt. Eine reibende Berührung des Faltenbalgs mit der harten Innenseite des Verdichterraums ist damit nahezu ausgeschlossen. Damit kann bei Einsatz eines Faltenbalgs als Verdichtermembran das Gasvolumen auch im Inneren des Faltenbalgs vorgesehen werden. Diese„Gerichtetheit" der Volumenänderung kann durch eine Zwangsführung des Faltenbalgs entlang einer Stange mit Längslager verbessert werden. Der Faltebalg besteht üblicherweise aus einer Edelstahllegierung und ist mit Ausnahme von Wasserstoff für alle relevanten Arbeitsgase extrem gasdicht.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird eine Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung bereit gestellt. Hierdurch ist es möglich herkömmliche Flüssigkeitspumpen, z. b. Zahnradpumpen - Anspruch 8 - zu verwenden. Die Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung sorgt dafür, dass für die Pumpeinrichtung immer die richtige Menge Arbeitsflüssigkeit im richtigen Druckbereich zur Verfügung steht. Im einfachsten Fall ist die Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung ein Reservoir für das flüssige Arbeitsmittel.

Die Kompressorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann als nicht Gas fördernder Kompressor oder als Gas fördernder Kompressor - Anspruch 3 - ausgebildet sein. Im Falle des nicht Gas fördernden Kompressors werden über den einzigen Arbeitsgasanschluss lediglich Druckoszillationen, z. B. für einen damit angetriebenen Kryokühler - Anspruch 12 - bereit gestellt. Als Gas fördernder Kompressor wird komprimiertes Arbeitsgas über einen ersten Arbeitsgasanschluss, der als Hochdruckanschluss ausgelegt ist, einer nachgeschalteten Einrichtung zugeführt. Arbeitsgas mit geringerem Druck wird über einen zweiten Arbeitsgasanschluss, der als Niederdruckanschluss ausgelegt ist, in die Kompressorvorrichtung zurück geführt - Anspruch 13.

Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist das Gasvolumen mit einem Gasreservoir verbunden. Hierdurch können Volumenverringe- rungen des Arbeitsgases in einem nachgeschalteten Verbraucher, z. B. einem Kühler, aufgrund niedriger Temperaturen ausgeglichen werden.

Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 ist das Arbeitsgasreservoir über einen Differenzdruckregler mit dem Gasvolumen der Verdichtereinrichtung verbunden. Hierdurch wird erreicht, dass das Arbeitsgas bereits vorkomprimiert zur Verfügung steht. Das Arbeitsgas im Gasreservoir befindet sich in etwa auf dem Niveau des Niederdrucks der Verdichtereinrichtung. Sinkt in der Entspannungsphase der Druck des Arbeitsgases in der Verdichtereinrichtung unter den Druck im Gasreservoir ab, strömt Arbeitsgas über den Differenzdruckregler aus dem Gasreservoir in das Gasvolumen der Verdichtereinrichtung.

Durch die Verbindung des Gasreservoirs mit dem Gasvolumen im Verdichterraum über ein Überdruckventil nach Anspruch 6 kann Arbeitsgas in das Arbeitsgasreservoir strömen, falls der Druck des Arbeitsgases im Gasvolumen zu hoch wird. Durch diese Sicherheitsmassnahme werden Beschädigungen der Verdichtereinrichtungen durch Überdruck verhindert.

Die Pumpeinrichtung umfasst vorzugsweise einen elektrischen Antrieb, Anspruch 7, da sich ein solcher einfach regeln lässt.

Besonders geeignet ist eine Zahnradpumpe als Pumpeinrichtung - Anspruch 8. Zahnradpumpen zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer, geringen Wartungsaufwand und geringem Totvolumen aus und sind für Hochdruckanwendungen bis 300 Bar geeignet.

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, insbesondere dann, wenn extrem wasserundurchlässige Membranmaterialien, z. B. Faltenbälge aus Edelstahl, ange- wandt 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 - Anspruch 9.

Für Kryo-Anwendungen wird je nach Temperaturbereich vorzugsweise Helium oder Stickstoff als Arbeitsgas verwendet - Anspruch 10.

Die ballonförmige Membran bzw. der schlauchförmige Faltenbalg muss sowohl für das jeweils verwendete Arbeitsgas als auch für die Arbeitsflüssigkeit undurchlässig und resistent sein. Da ein Werkstoff diese unterschiedlichen Anforderungen nicht immer erfüllen kann, sind diese Membranen vorzugsweise mehrschichtig aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut - Anspruch 1 1 . Damit kann die Membran sowohl hinsichtlich der Arbeitsflüssigkeit als auch in Hinblick auf das Arbeitsgas angepasst werden.

Die erfindungsgemäße Verdichtereinrichtung stellt verdichtetes Arbeitsgas im für Gifford-McMahon-Kühler und Pulsrohrkühler notwendigen Frequenzbereich bereit - Anspruch 12 bis 14.

Wenn die Verdichtereinrichtung als fördernde Verdichtereinrichtung auslegt ist, kann sie als Antrieb einen herkömmlichen Kältemaschine genutzt werden - Anspruch 15.

Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung als fördernde Kompressorvorrichtung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung als fördernde Kompressorvorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung als nicht-fördernde Kompressorvorrichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung als nicht-fördernde Kompressorvorrichtung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung als fördernde Kompressorvorrichtung, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Heliumkompressoreinrichtung mit Drehventil und einer Kühleinrichtung gemäß dem Stand der Technik.

Bei der Erläuterung der verschiedenen Ausführungsformen werden gleiche oder einander entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung, die als Gas bzw. Arbeitsgas fördernde Kompressorvorrichtung ausgebildet ist. Die Kompressorvorrichtung umfasst eine Verdichtereinrichtung 2, die einen gasdicht geschlossenen Verdichterraum 4 aufweist. In dem Verdichterraum 4 ist ein Ballon bzw. eine ballonförmige Membran 6 angeordnet. Der Ballon 6 unterteilt den Verdichterraum 4 in ein Gasvolumen 8 für ein Arbeitsgas 10 und in ein Flüssigkeitsvolumen 12 für eine Arbeitsflüssigkeit 14. Das Gasvolumen 8 ist das Innere des Ballons 6 und das Flüssigkeitsvolumen 12 ist der Bereich des Verdichterraums 4 außerhalb des Ballons 6. Das Flüssigkeitsvolumen 12 außerhalb des Ballons 6 ist mit einer ersten Arbeitsflüssigkeits- leitung 18 verbunden ist, die aus dem Verdichterraum 4 herausführt. Der Ballon 6 umfasst eine erste Ballonöffnung 19, die mit dem Hochdruckgasauslass 20 verbunden ist, und ein zweite Ballonöffnung 21 , die mit dem Niederdruckgasauslass 22 verbunden ist. Die erste Arbeitsflüssigkeitsleitung 18 mündet in eine Pumpeinrichtung 24, die über eine zweite Arbeitsflüssigkeitsleitung 26 mit einer Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung 28 in Form eines Arbeitsflüssigkeitsreservoirs verbunden ist.

Durch die Pumpeinrichtung 24 wird Arbeitsflüssigkeit 14 periodisch in das Flüssigkeitsvolumen 12 über die erste Arbeitsflüssigkeitsleitung 18 eingepresst und wieder herausgelassen. Durch das Einpumpen der Arbeitsflüssigkeit 14 in das Flüssigkeitsvolumen 12 wird das Arbeitsgas 10 im Ballon 6 komprimiert. Durch das Ablassen von Arbeitsflüssigkeit 14 in das Arbeitsflüssigkeitsreservoir 28 dehnt sich das Arbeitsgas 10 im Ballon 6 aus und entspannt sich dadurch. Durch das periodische Einpressen von Arbeitsflüssigkeit 14 in das Flüssigkeitsvolumen 12 wird das Arbeitsgas 10 in dem Gasvolumen 8 im Ballon 6 periodisch verdichtet und wieder entspannt. Das verdichtete Arbeitsgas 10 wird über den Hochdruckgasauslass 20 einem nachgeschalteten Verbraucher, z.B. einem Kryo-Kühler - nicht dargestellt - zugeführt. Über den Niederdruckgas- einlass 22 wird das Arbeitsgas 10 mit geringerem Druck wieder in das Gasvolumen 8 im Ballon 6 zurückgeführt, so dass der Kreislauf geschlossen ist.

Die Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung 28 sorgt dafür, dass immer ausreichend Arbeitsflüssigkeit 14 vorhanden ist und in das Flüssigkeitsvolumen 12 im Verdichterraum 4 gepumpt werden kann, um das Arbeitsgas 10 im Gasvolumen 8 im Ballon 6 zu komprimieren. In der Entspannungsphase der Kompressorvorrichtung dehnt das Arbeitsgas 10 den Ballon 6 aus und Arbeitsflüssigkeit 14 wird über die erste Arbeitsflüssigkeitsleitung 18, die Pumpeinrichtung 24 und die zweite Arbeitsflüssigkeitsleitung 26 in die Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung 28 gedrückt.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass als Pumpeinrichtung eine Zahnradpumpe 30 verwendet wird, die durch einen Elektromotor 32 angetrieben wird. Diese Art der Pumpeinrichtung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie sich durch hohe Lebensdauer, geringen Wartungsaufwand und geringem Totvolumen auszeichnen. Aufgrund ihrer Konstruktion sind sie für Hochdruckanwendungen bis 300 bar geeignet. Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass die Kompressorvorrichtung als nicht fördernde Kompressorvorrichtung ausgestaltet ist. Der Ballon 6 umfasste eine Ballonöffnung 40, die mit einem Arbeitsgasanschluss 42 verbunden ist. Damit mündet in das Gasvolumen 8 in den Arbeitsgasanschluss 40. Über diesen Arbeitsgasanschluss 40 wird die in dem Gasvolumen 8 erzeugte periodische Druckänderung auf den nachgeschalteten Kühler - nicht dargestellt - übertragen.

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der dritten Ausführungsform nach Fig. 3 durch eine Arbeitsgasausgleichseinrichtung unterscheidet. Die Arbeitsgasausgleichseinrichtung umfasst ein Arbeitsgasreservoir 50, das über eine erste Gasleitung 52, einen Differenzdruckregler 54 und eine gemeinsame Gasleitung 55 mit dem Gasvolumen 8 im Ballon 6 verbunden ist. Das Arbeitsgasreservoir 50 ist auch über eine zweite Gasleitung 56, ein Überdruckventil 58 und die gemeinsame Gasleitung 55 mit dem Gasvolumen 8 im Ballon 6 verbunden. Die gemeinsame Gasleitung 55 mündet in die Ballonöffnung 40. Der Arbeitsgasanschluss 42 zweigt von der gemeinsamen Gasleitung 55 ab und mündet in eine Kühleinrichtung 60.

Über die erste Gasleitung 52, den Differenzdruckregler 54 und die gemeinsame Gasleitung 55 strömt Arbeitsgas 10 in das Gasvolumen 8 im Ballon 6 nach, wenn der Druck des Arbeitsgases 10 im Gasvolumen 8 aufgrund niedriger Temperaturen unter den Druck im Arbeitsgasreservoir 50 abfällt. Durch das Arbeitsgasreservoir 50 können somit„Arbeitsgasverluste", die in einem nachgeschalteten Kühler auftreten können, ausgeglichen werden. Durch den Differenzdruckregler 54 wird hierbei das nachzuführende Arbeitsgas 10 bereits vorkomprimiert zur weiteren Komprimierung in dem Gasvolumen 8 im Ballon 6 bereitgestellt. Über die zweite Gasleitung 56, das Überdruckventil 58 und die gemeinsame Gasleitung 55 kann Arbeitsgas 10 in das Arbeitsgasreservoir 50 strömen, falls der Druck des Arbeitsgases 10 im Gasvolumen 8 zu hoch wird.

Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der vierten Ausführungsform nach Fig. 4 lediglich dadurch unterscheidet, dass anstelle eines Ballons ein schlauchförmiger Faltenbalg 80 eingesetzt wird, der das Gasvolumen 8 um- schließt. Der Faltenbalg 80 hat gegenüber dem Ballon 6 den Vorteil, dass die Volumenvergrößerung und die Volumenverkleinerung jeweils gerichtet entlang der Längserstreckung des schlauchförmigen Faltenbalgs 80 erfolgt. Der Faltenbalg 80 besteht aus einer Edelstahllegierung und ist mit Ausnahme von Wasserstoff für alle relevanten Arbeitsgase extrem gasdicht. Damit der schlauchförmige Faltenbalg 80 bei maximalem Volumen nicht gegen die Längserstreckung abknickt, wird der Faltenbalg in der Regel durch eine in Längsrichtung des Faltebalgs angeordnete stabile Stange mit Längslager - nicht dargestellt - geführt. Auf diese Weise wird sicher verhindert, dass der Faltenblag 80 durch Reibungskontakt mit der Innenfläche des Verdichterraums 4 beschädigt werden kann.

Da bei dem Faltenbalg 80 die Volumenänderung sehr kontrolliert erfolgt, besteht nicht die Gefahr, dass der Faltenbalg an der Innenwand des Verdichterraums 4 schabt und dadurch beschädigt werden könnte. Folglich kann bei Einsatz des Faltenbalgs 80 auch das Gasvolumen 8 und das Flüssigkeitsvolumen 12 vertauscht werden.

Ebenso wie bei der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2 kann auch bei den Ausführungsform nach Fig. 3, 4 und 5 eine durch einen Elektromotor angetrieben Zahnradpumpe als Pumpeinrichtung 24 eingesetzt 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. Für heliumdichte Ballons eignet sich Synthesekautschuk wie z. B. Chlorbutyl. Bei Verwendung von Helium als Arbeitsgas 10 ist es daher vorteilhaft, wenn die ballonförmige Membran 6 aus mehreren Schichten besteht, z. B. aus einer der Arbeitsflüssigkeit 14 in Form von Hydraulik- öl zugewandten Schicht aus NBR und aus einer Helium als Arbeitsgas 10 zugewandten Schicht aus Chlorbutyl.

Alternativ kann auch Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet werden, insbesondere dann, wenn extrem wasserundurchlässige Membranmaterialien, z. B. Faltenbälge aus Edelstahl, eingesetzt 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 Hydraulikol. 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.

In den nicht-fördernden Ausführungsformen gemäß den Figuren 3, 4 und 5 ist in dem aus dem Gasvolumen 8 heraus führenden Arbeitsgasanschluss 42 kein Ventil vorgesehen. Es kann hier jedoch ein Ventil vorgesehen werden, um in der Entspannungsphase der Verdichtereinrichtung 2 eine höhere Druckdifferenz aufzubauen. D. h. obwohl sich in der Entspannungsphase das Gasvolumen 8 in dem Verdichterraum 4 bereits vergrößert, ist das Ventil in dem Arbeitsgasanschluss 42 noch geschlossen. Erst, wenn sich eine gewisse Druckdifferenz aufgebaut hat, wird dieses Ventil geöffnet. Auf diese Weise kann die Rückströmung des Arbeitsgases 10 über den Arbeitsgasanschluss 42 in die Verdichtereinrichtung 2 beschleunigt werden.

Bezugszeichenliste:

2 Verdichtereinrichtung

4 Verdichterraum

6 Ballon

8 Gasvolumen

10 Arbeitsgas

12 Flüssigkeitsvolumen

14 Arbeitsflüssigkeit

18 erste Arbeitsflüssigkeitsleitung

19 erste Ballonöffnung

20 Hochdruckgasauslass

21 zweite Ballonöffnung

22 Niederdruckgaseinlass Pumpeinrichtung

zweite Arbeitsflüssigkeitsleitung Arbeitsflüssigkeitsausgleichseinrichtung Zahnradpumpe

Elektromotor Ballonöffnung

Arbeitsgasanschluss Arbeitsgasreservoir

erste Gasleitung

Differenzdruckregler

gemeinsame Gasleitung

zweite Gasleitung

Überdruckventil

Kühleinrichtung Faltenbalg Helium-Kompressor

Hochdruckleitung

Niederdruckleitung

Drehventil

Gasleitung

Kühlvorrichtung