Kompressorvorrichtung, eine damit ausgerüstete Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Kompressorvorrichtung und der Kühlvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kompressorvorrichtung, eine damit ausgerüstete Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Kompressorvorrichtung.

Zur 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. Die Rate mit der verdichtetes Helium in die Kühlvorrichtung eingeführt und wieder ausgeführt wird liegt im Bereich von 1 Hz. Ein Problem von herkömmlichen Schrauben- oder Kolbenprozessoren besteht darin, dass Öl aus dem Kompressor in das Arbeitsgas und damit in die Kühleinrichtung gelangen und diese verunreinigen kann.

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-Kühlem 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 d rückresistente Abdichtung der elastischen Membran in dem Arbeitsraum Vergleichs- weise 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 Verdichte rra um 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. Zudem ist die Durchlässigkeit - Permeabilität - der Ballonhülle für Helium als Arbeitsgas zu groß, so dass man schnell substantielle Mengen von Helium verliert. Damit ist die Standzeit derartiger Systeme mit Ballon unbefriedigend.

Aus der DE-A-91837 ist eine Membranpumpe für Flüssigkeiten bekannt, die auch als „Gascompressionspumpe" dienen kann. Hierzu wird angegeben, dass zwischen Membran und Pumpventilen eine Flüssigkeit eingebracht werden muss, d. h. im Gasraum ist eine Flüssigkeit vorgesehen. Es handelt sich somit um eine Kompressionsvorrichtung mit einem Flüssigkeitsstempel. Eine physische Trennung zwischen zu komprimierendem Gas und Hydraulikflüssigkeit findet daher nicht statt.

Aus der WO2014/016415A2 ist eine Kompressorvorrichtung mit einem Metallfaltenbalg als Verdichterelement bekannt, der mit Ausnahme von Wasserstoff für alle möglichen Arbeitsgase undurchlässig ist. Das Arbeitsgas kann aufgrund des Metallfaltenbalgs auch ölfrei gehalten werden. Allerdings ist die Effizienz aufgrund der Wechselwirkung mit dem Arbeitsflüssigkeitsausgleichbehälter unbefriedigend.

Ausgehend von der WO2014/016415A2 ist es daher Aufgabe der Erfindung eine Kompressorvorrichtung mit einem Metallfaltenbalg als Verdichterelement anzugeben, die effizienter ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Kompressorvorrichtung anzugeben. Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 , 7, 8, 12, 13 bzw. 14.

Dadurch, dass der aus der WO2014/016415A2 bekannte Arbeitsflüssigkeitsaus- gleichbehälter zu einer zweiten Verdichterstufe erweitert wird, wird die gemeinsame Pumpeinrichtung doppelt genutzt. In jeder Strömungsrichtung der Arbeitsmittelflüssigkeit erfolgt eine Verdichtung des Arbeitsgases; in der einen Strömungsrichtung in der ersten Verdichterstufe und in der entgegen gesetzten Strömungsrichtung in der zweiten Verdichterstufe. Damit erhöht sich die Effizienz der Kompressorvorrichtung.

Durch Rückschlagventile an den Hochdruck- und Niederdruck- Arbeitsgasanschlüssen wird der Gasstrom bei Verdichtung und Entspannung auf einfache Weise gesteuert - Anspruch 2.

Durch den Hochdruck-Arbeitsgasanschlüssen in den beiden Verdichterstufen nach geschalteten Wärmetauschern wird das komprimierte Arbeitsgas nach jedem Verdichtungshub gekühlt - Anspruch 3 und 15.

Die Kompressorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann entweder als nicht-fördernde - Ansprüche 4 bis 6 - oder als fördernde Kompressorvorrichtung - Ansprüche 9 bis 1 1 - ausgebildet sein.

Bei der nicht-fördernden Ausgestaltung wird eine vorbestimmte Arbeitsgasmenge abwechselnd in den beiden Förderstufen verdichtet und entspannt. Es wird von außen kein Arbeitsgas zugeführt Ansprüche 4 bis 6.

Die Hoch- und Niederdruckgasleitung können vorzugsweise so ausgestaltet werden, dass sie aufgrund Ihres Volumens als Gasspeicher wirken - Anspruch 5.

Alternativ können explizit ein Niederdruckgasspeicher und ein Hochdruckgasspeicher in der Niederdruck- bzw. Hochdruckgasleitung vorgesehen - Anspruch 6. Bei der fördernden Ausgestaltung - Ansprüche 9 und 1 1 - wird zunächst Arbeitsgas in der ersten Verdichterstufe verdichtet bzw. vorverdichtet und in einem Pufferspeicher zwischengespeichert. Die zweite Verdichterstufe wird quasi im Leerlauf betrieben und dient als Arbeitsflüssigkeitsausgleichsbehälter. Wenn in dem Pufferspeicher eine Arbeitsgasmenge bei einem mittleren Druck p _m id erreicht ist, die dem zweiten Gasvolumen in der zweiten Verdichterstufe entspricht, wird in nächsten Verdichterhub in der zweiten Verdichterstufe das vorverdichtete Arbeitsgas aus dem Pufferspeicher auf den Enddruck p _en d verdichtet. Das auf den Enddruck p _e nd verdichtete Arbeitsgas wird dann nach außen abgegeben oder in einem Hochdruckgasspeicher gespeichert.

Bei der fördernden Ausgestaltung - Ansprüche 1 0 und 1 1 - wird zunächst Arbeitsgas in der ersten Verdichterstufe verdichtet bzw. vorverdichtet und gleichzeitig in das zweite Gasvolumen der zweiten Verdichterstufe überführt. In der zweiten Verdichterstufe wird dann das auf den mittleren Druck p _m id vorverdichtete Arbeitsgas auf den Enddruck pend verdichtet. Das auf den Enddruck p _e nd verdichtete Arbeitsgas wird dann nach außen abgegeben oder in einem Hochdruckgasspeicher gespeichert.

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. 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.

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

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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Verdichterstufen als nicht-fördernde Kompressorvorrichtung,

Fig. 2a bis 2e schematische Darstellungen der zum Betrieb der ersten Ausfüh- rungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Verdichterstufen als fördernde Kompressorvorrichtung,

Fig. 4a bis 4d schematische Darstellungen der zum Betrieb der zweiten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 5 eine Anwendung der zweiten Ausführungsform der Erfindung als Antrieb eines Joule-Thomson-Kühlers.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Verdichterstufe 2- , 2-2, in Form einer nicht- fördernden Kompressorvorrichtung. Jede der zwei .Verdichtereinrichtungen 2-1 , 2-2 weist einen gasdicht geschlossenen Verdichterraum 4-1 , 4-2 auf. In jedem der beiden Verdichterräume 4-1 , 4-2 ist ein Metallfaltenbalg 6-1 , 6-2 angeordnet. Die Metallfaltenbälge 6-1 , 6-2 unterteilen die Verdichterräume 4-1 , 4-2 in ein erstes bzw. zweites Gasvolumen 8-1 , 8-2 für ein Arbeitsgas 10 und in ein erstes bzw. zweites Flüssigkeitsvolumen 12-1 , 12-2 für eine Arbeitsflüssigkeit 14. Die Gasvolumen 8-1 , 8-2 sind im Inneren der Metallfaltenbälge 6-1 , 6-2 und die Flüssigkeitsvolumina sind außerhalb der Faltenbälge 6-1 , 6-2. Aus den Flüssigkeitsvolumina 12-1 , 12-2 führt ein jeweils Arbeitsflüssig- keitsanschluss 16-1 , 16-2 heraus. Die Gasvolumina 8-1 , 8-2 sind jeweils mit einem Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 18-1 , 18-2 und einem Niederdruck- Arbeitsgasanschluss 20-1 , 20-2 verbunden. Die Niederdruck-Arbeitsgasanschlüsse 20- 1 , 20-2 sind mit Rückschlagventilen 22 versehen, die in Richtung zu den Verdichterstufen 2-1 , 2-2 durchlässig sind. Die Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse 18-1 , 18-2 sind ebenfalls mit Rückschlagventilen 22 versehen, die eine im Vergleich zu den Rückschlagventilen 22 an den Niederdruck-Arbeitsgansanschlüssen 20-1 , 20-2 entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen. Die Hochdruck-Arbeitsgasanschlüsse 18-1 , 18-2 sind über die Rückschlagventile 22 mit einer gemeinsamen Hochdruckgasleitung 24 und die Niederdruck-Arbeitsgasanschlüsse 20- , 20-2 sind über die Rückschlagventile 22 mit einer Niederdruckgasleitung 26 verbunden. Die Rückschlagventile 22 in den Hochdruck-Arbeitgasanschlüssen 18-1 , 18-2 sind in Richtung gemeinsamer Hochdruckgasleitung 24 und die Rückschlagventile 22 an den Niederdruck- Arbeitsgasanschlüssen 20-1 , 20-2 sind in Richtung Verdichterstufen 2-1 , 2-2 durchlässig. Die gemeinsame Hochdruckgasleitung 24 und die gemeinsame Niederdruckgasleitung 26 enden in einem motorischen Drehventil 28, das abwechselnd die Hochdruckgasleitung 24 und die Niederdruckgasleitung 26 mit einer Kühlvorrichtung 30, z. B. in Form eines Gifford-McMahon-Kühler oder eines Pulsrohrkühlers, verbindet. Die Hoch- und Niederdruckgasleitung 24, 26 wirken aufgrund Ihres Volumens als Gasspeicher bzw. es sind explizit ein Niederdruckgasspeicher 27 und ein Hochdruckgasspeicher 25 in der Niederdruck- bzw. Hochdruckgasleitung 26, 24 vorgesehen. Den Rückschlagventilen 22 an den beiden Hochdruck-Arbeitsgasanschlüssen 18-1 , 18-2 sind jeweils Wärmetauscher 32-1 , 32-2 zum Kühlen des komprimierten Arbeitsgases nachgeschaltet. Die beiden Verdichterstufen 2-1 , 2-1 sind analog aufgebaut, d. h. auch die Gasvolumen 8-1 , 8-2 und die Flüssigkeitsvolumen 12-1 , 12-2 sind gleich.

Die beiden Arbeitsflüssigkeitsanschlüsse 16-1 , 16-2 sind mit einer gemeinsamen elektromotorischen Pumpeinrichtung 34 verbunden, die abwechselnd Arbeitsflüssigkeit 14 in das erste und zweite Flüssigkeitsvolumen 12-1 , 12-2 der ersten und zweiten Verdichterstufe 2-1 , 2-2 pumpt. D. h. es wird entweder Arbeitsflüssigkeit 14 aus dem zweiten Flüssigkeitsvolumen 12-2 in das erste Flüssigkeitsvolumen 12-1 gepumpt oder umgekehrt.

Die Figuren 2a bis 2e illustrieren die verschiedenen Betriebsphasen der Kompressorvorrichtung nach Fig. 1 . In der in Fig. 2a gezeigten Phase wird durch die gemeinsa- me Pumpeinrichtung 34 Arbeitsflüssigkeit 14 aus dem zweiten Flüssigkeitsvolumen 12- 2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 in das erste Flüssigkeitsvolumen 12-1 in der ersten Verdichterstufe 2-1 gepumpt. Der erste Metallfaltenbalg 6-1 wird zusammengepresst und das darin befindliche Arbeitsgas 10 wird über den ersten Hochdruck- Arbeitsgasanschluss 18-1 , den ersten Wärmetauscher 32-1 und die gemeinsame Hochdruckgasleitung 24 in den Hochdruckgasspeicher 25 gepresst. Der zweite Metallfalten balg 6-2 dehnt sich durch Arbeitsgas 10 aus, das über die Niederdruckgasleitung 26 und den zweiten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-2 aus dem Niederdruck- Arbeitsgasspeicher 27 zurückströmt. Das Drehventil 28 verbindet die Kühleinrichtung 30 über die Niederdruckgasleitung 26 mit dem Niederdruckgasspeicher 27.

In der in Fig. 2b gezeigten zweiten Phase ist die Verdichtung in der ersten Verdichterstufe 2-1 vollständig und das Drehventil 28 verbindet den Hochdruckgasspeicher 25 mit der Kühleinrichtung 30, so dass verdichtetes und in dem ersten Wärmetauscher 32-1 gekühltes Arbeitsgas 10 in die Kühleinrichtung 30 gelangt.

In der in Fig. 2c gezeigten dritten Phase kehrt sich der Arbeitsflüssigkeitsstrom um und die Pumpeinrichtung 34 pumpt nun Arbeitsflüssigkeit 14 aus dem ersten Flüssigkeitsvolumen 12-1 der ersten Verdichterstufe 2-1 in das zweite Flüssigkeitsvolumen 12- 2 in der zweiten Verdichterstufe 2-2. Dadurch wird der zweite Metallfaltenbalg 6-2 zusammengepresst und das darin befindliche Arbeitsgas 10 wird komprimiert und über den zweiten Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 18-1 , den zweiten Wärmetauscher 32-2 und die gemeinsame Hochdruckgasleitung 24 in den Hochdruckgasspeicher 25 gepresst. Der erste Metallfaltenbalg 6-1 dehnt sich durch aus dem Niederdruckgasspeicher 27 über die Niederdruckgasleitung 26 und den ersten Niederdruck- Arbeitsgasanschluss 20-1 zurückströmendes Arbeitsgas 10 aus.

In der in Fig. 2d gezeigten vierten Phase ist die Verdichtung in der zweiten Verdichterstufe 2-2 vollständig und das Drehventil 28 verbindet wieder über die gemeinsame Hochdruckgasleitung 24 den Hochdruckgasspeicher 25 mit der Kühleinrichtung 30, so dass verdichtetes und in dem zweiten Wärmetauscher 32-2 gekühltes Arbeitsgas 10 in die Kühleinrichtung 30 gelangt. Die in Fig. 2e gezeigte Phase ist wieder die erste Phase und die Verdichtung erfolgt in der ersten Verdichterstufe 2-1 . Fig. 2a und 2e unterscheiden sich lediglich dadurch, dass in Fig. 2e der erste Metallfaltenbalg 6-1 noch entspannt und der zweite Metallfaltenbalg 6-2 noch komprimiert ist. In Fig. 2a ist die Verdichtung in der ersten Verdichterstufe 2-1 abgeschlossen und der erste Metallfaltenbalg 6-1 ist komprimiert, während der zweite Metallfaltenbalg 6-2 entspannt ist.

Durch das Vorsehen des Hochdruckspeichers 25 und des Niederdruckspeichers

27 ist die Drehfrequenz des Drehventils 28 von der Frequenz der Verdichtung in den beiden Verdichterstufen entkoppelt. Alternativ kann die Drehfrequenz des Drehventils

28 mit der Frequenz der Verdichterhübe synchronisiert sein. In diesem Fall könnte auf den Hochdruck- und Niederdruckgasspeicher 25, 27 verzichtet werden.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit zwei Verdichterstufen 2-1 , 2-2 in Form einer Arbeitsgas 10 fördernden Kompressorvorrichtung. Für in den beiden Ausführungsformen entsprechende Komponenten werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der Aufbau der beiden Verdichterstufen 2-1 , 2-2 und die Verbindung der beiden Verdichterstufen 2-1 , 2-2 mit der gemeinsamen Pumpeinrichtung (34) entspricht dem Aufbau in Fig. 1 und 2. Ebenso entspricht die der beiden Wärmetauscher 32-1 , 32-2 der Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird das Arbeitsgas 10 zunächst in der ersten Verdichterstufe 2-1 von einem Ausgangsdruck po auf einen ersten mittleren Druck pmidi und dann anschließend in der zweiten Verdichterstufe 2-2 von einem zweiten mittleren Druck p _m id2 auf den Enddruck pend verdichtet. Es gilt: p _m idi > p _m id2.

Nachfolgend werden insbesondere die Unterschiede in den beiden Ausführungsformen beschrieben. Ein Pufferspeicher 42 ist über eine erste Gasleitung 40-1 und ein erstes Sperrventil 44-1 mit dem zweiten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 verbunden. Über einen ersten Wärmetauscher 32-1 und eine zweite Gasleitung 40-2 ist der erste Hochdruck-Arbeitsgansanschluss 20-1 mit dem Pufferspeicher 42 verbunden. Ein Niederdruckgasspeicher 27 ist über eine dritte Gasleitung 40-3 mit einem ersten Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-1 mit Rückschlagventil 22 in der ersten Verdichterstufe 2-1 verbunden. Der zweite Hochdruck- Arbeitsgasanschluss 18-2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 ist über ein Rückschlagventil 22, einen zweiten Wärmetauscher 32- 2 und eine vierte Gasleitung 40-4 mit einem Hochdruckgasspeicher 25 verbunden. Über den ersten Niederdruck- Arbeitsgasanschluss 20-1 wird der ersten Verdichterstufe 2-1 zu verdichtendes Arbeitsgas 10 aus dem Niederdruckgasspeicher 27 zugeführt.

Nachfolgend wird anhand der Figuren 4a bis 4d der Betrieb der Kompressorvorrichtung nach Fig. 3 beschrieben.

In einer in Fig. 4a gezeigten ersten Phase wird durch die gemeinsame Pumpeinrichtung 34 Arbeitsflüssigkeit 14 aus dem ersten Flüssigkeitsvolumen 12-1 der ersten Verdichterstufe 2-1 in das zweite Flüssigkeitsvolumen 12-2 in der zweiten Verdichterstufe 2-1 gepumpt. Der erste Metallfaltenbalg 6-1 dehnt sich aus und unverdichtetes Arbeitsgas 10 strömt über die dritte Gasleitung 40-3 und den ersten Niederdruck- Arbeitsgasanschluss 20-1 mit Rückschlagventil 22 in das erste Gasvolumen 8-1 . Das erste Sperrventil 44-1 in der ersten Gasleitung ist geschlossen. Die zweite Verdichterstufe 2-2 dient lediglich als Arbeitsflüssigkeitsausgleichsbehälter. In dem zweiten Gasvolumen 8-2 herrscht im entspannten Zustand der zweite mittlere Druck pmid2 und im verdichteten Zustand in etwa der Enddruck p _e nd .

In der zweiten in Fig. 4b gezeigten Betriebsphase dreht sieht die Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit 14 um und Arbeitsgas 10 in der ersten Verdichterstufe 2-1 wird komprimiert und über den ersten Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 20-2 mit Rückschlagventil 22, den ersten Wärmetauscher 32-1 und die zweite Gasleitung 40-2 in den Pufferspeicher 42 gepresst. Das Rückschlagventil 22 an dem ersten Hochdruck- Arbeitsgasanschluss 18-2 verhindert das Zurückströmen des auf den mittleren Druck Pmid komprimierten Arbeitsgases 10. Das erste Sperrventil 44-1 ist weiter geschlossen und die zweite Verdichterstufe 2-2 wirkt lediglich als Arbeitsflüssigkeitsausgleichbehäl- ter.

Die Betriebsphasen nach Fig. 4a und 4b werden wiederholt durchgeführt und zwar solange bis die Menge des auf den ersten mittleren Druck p _m idi komprimierten Arbeitsgases 10 in dem Pufferspeicher 42 ausreicht, bei Verbindung mit dem zweiten Gasvo- lumen 8-2 über die erste Gasleitung 40-1 und das offene Sperrventil 44-1 den zweiten mittleren Druck p _m id2 in dem zweiten Gasvolumen 8-2 zu erzeugen.

Ist diese Gasmenge in dem Pufferspeicher 42 erreicht wird beim nächsten Verdichtungshub in der ersten Verdichterstufe 2-1 das erste Sperrventil 40-1 geöffnet, so dass das auf den ersten mittleren Druck p _m idi vorverdichtete Arbeitsgas 10 aus dem Pufferspeicher 42 über das offene erste Sperrventil 44-1 und die erste Gasleitung 40-1 in das zweite Gasvolumen 8-2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 strömen kann, wobei sich der zweite mittlere Druck p _m id2 einstellt - siehe Fig. 4c.

In der nächsten in Fig. 4d dargestellten Betriebsphase wird die Arbeitsflüssigkeit 14 durch die gemeinsame Pumpeinrichtung 34 in die zweite Verdichterstufe 2-2 gepumpt. Das in dem zweiten Gasvolumen 8-2 befindliche auf den zweiten mittleren Druck p _m id2 vorverdichtete Arbeitsgas 10 wird auf den Enddruck p _e nd. weiterverdichtet und über den zweiten Wärmetauscher 32-2 und die vierte Gasleitung 40-4 in den Hochdruckgasspeicher 25 gepresst.

Damit ist ein Verdichtungszyklus von dem Ausgangsdruck po auf den Enddruck Pend abgeschlossen und der Zyklus beginnt von vorne.

Bei einer alternativen Ausführungsform zu der Ausgestaltung nach Fig. 3 ist der erste Hochdruck-Arbeitsgasanschluss 18-1 über eine Gasleitung 40-1 , 40-2 mit dem Niederdruck-Arbeitsgasanschluss 20-2 der zweiten Verdichterstufe 2-2 verbunden. Der Pufferspeicher 42 und das erste Sperrventil 44-1 erübrigen sich. Hierbei wird das Arbeitsgas 10 in der ersten Verdichterstufe 2-1 auf einen mittleren Druck p _m id vorverdichtet und in der Gegenbewegung der gemeinsamen elektromotorischen Pumpeinreich- tung 34 wird das Arbeitsgas 10 in der zweiten Verdichterstufe 2-2 dann auf den Enddruck pend verdichtet. Das auf den Enddruck pend verdichtete Arbeitsgas wird dann nach außen abgegeben oder in einem Hochdruckgasspeicher 25 gespeichert.

Fig. 5 zeigt eine Anwendung der zweiten Ausführungsform als Antrieb einer Joule- Thomson-Kältemaschine 50 mit geschlossenem Arbeitsgaskreislauf. 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.

Alternativ kann auch Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet 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.

Bezugszeichenliste: po Ausgangsdruck

Pmidl mittleren Druck 1

pmid2 mittleren Druck 2

Pend Enddruck

2-1 erste Verdichterstufe

2-2 zweite Verdichterstufe

4-1 erster Verdichterraum

4-2 zweiter Verdichterraum

6-1 erster Metallfaltenbalg

6-2 zweiter Metallfaltenbalg

8-1 erstes Gasvolumen

8-2 zweites Gasvolumen

10 Arbeitsgas

12-1 erstes Flüssigkeitsvolumen -2 zweites Flüssigkeitsvolumen

Arbeitsflüssigkeit

-1 erster Arbeitsflüssigkeitsanschluss

-2 zweiter Arbeitsflüssigkeitsanschluss

-1 erster Hochdruck-Arbeitsgasanschluss

-2 zweiter Hochdruck-Arbeitsgasanschluss

-1 erster Niederdruck-Arbeitsgasanschluss

-2 zweiter Niederdruck-Arbeitsgasanschluss

Rückschlagventile

Hochdruckgasleitung

Hochdruckgasspeicher

Niederdruckgasleitung

Niederdruckgasspeicher

elektromotorisches Drehventil

Kühleinrichtung

-1 erster Wärmetauscher

-2 zweiter Wärmetauscher

gemeinsame elektromotorische Pumpeinrichtung -1 erste Gasleitung

-2 zweite Gasleitung

-3 dritte Gasleitung

-4 vierte Gasleitung

Pufferspeicher

-1 erstes Sperrventil

Joule-Thomson-Kältemaschine