Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kompressorvorrichtung und eine Kühlvorrichtung mit der Kompressorvorrichtung und einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler.

Zur Kühlung von Kernspintomographen, Kryo-Pumpen, Quantencomputern, Quantenkommunikationanlagen und dergleichen werden verbreitet Pulsrohrkühler oder Gifford-McMahon-Kühler eingesetzt. Hierbei kommen Gas- und insbesondere Heliumkompressoren in Kombination mit Rotations- bzw. Drehventilen zum Einsatz. Ein Helium-Kompressor ist hierbei über eine Hochdruckleitung und eine Niederdruckleitung mit einem Drehventil verbunden. Ausgangsseitig ist das Drehventil über eine Gasleitung mit einer Kühlvorrichtung in Form eines Gifford-McMahon-Kühlers oder eines Pulsrohrkühlers verbunden. Dabei ist über das Drehventil abwechselnd die Hoch- bzw. Niederdruckseite des Gaskompressors mit dem Pulsrohrkühler oder dem Gifford- McMahon-Kühler verbunden. Die Rate mit der das verdichtetes Helium in die Kühlvorrichtung eingeführt und wieder ausgeführt wird, liegt im Bereich von 1-2 Hz. Nachteilig bei solchen Kühl- bzw. Kompressorsystemen ist, dass das motorisch angetriebene Drehventil Verluste von ca. 50 % der Eingangsleistung des Kompressors verursacht.

Kühlvorrichtungen mit Pulsrohrkühlern oder Gifford-McMahon-Kühlern sind aus der DE 101 37 552 C1 bekannt.

Die DE 633 104 A offenbart eine Kompressorvorrichtung mit einer Verdichtereinrichtung, in der ein Arbeitsmedium durch ein sich hin und her bewegendes Verdichterelement in Form eines Kolbens periodisch verdichtet und wieder entspannt wird. Die Antriebseinrichtung umfasst einen Druckzylinder mit einem sich hin und her bewegenden Kolben. Dabei ist die Antriebseinrichtung mechanisch mit dem Verdichterelement gekoppelt. Sowohl Antriebseinrichtung, als auch Verdichterelement sind mit individuellen Druckzylindern aufgebaut, in welchen ein Kompressor-, bzw. Verdichterkolben gelagert ist. Antriebseinrichtung und Verdichterelement sind dabei mechanisch verbunden, wobei die Durchführungen aus den Druckzylindern abgedichtet sind. Dieser Aufbau bedingt einen relativ großen Platzbedarf der Apparatur, da die Druckzylinder seriell angeordnet sind. Darüber hinaus erzwingt die Konstruktion die Verwendung zweier Kolben, sowie zweier Durchführungen, welche konstruktiv aufwendig und störanfällig bezüglich Dichtigkeit sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben oder zumindest zu reduzieren. Konkret ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kompressorvorrichtung und ein Kühlsystem bereitzustellen, welches Verluste und Bauraum minimiert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kompressorvorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch die Kühlvorrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch.

Konkret wird die Aufgabe gelöst durch eine Kompressorvorrichtung mit einem Zylinder, einem innerhalb des Zylinders angeordneten Kolben, der einen mit einem Übertragungsfluid gefüllten Übertragungsraum begrenzt und mittels einer Antriebseinrichtung periodisch hin und her bewegbar ist, einem innerhalb des Übertragungsraums angeordneten Verdichterelement, vorzugsweise Balg, insbesondere Metallbalg, der einen mit einem Arbeitsgas gefüllten Arbeitsraum (Verdichtungsraum) begrenzt, und einem Anschluss, über weichen der Arbeitsraum mit einer Arbeitsgasleitung (Druckleitung) zu einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler, insbesondere einem zweistufigen 4K (vier Kelvin) - Kühler, verbindbar ist, wobei das Verdichterelement und das darin enthaltene Arbeitsgas mittelbar über das vom Kolben verdrängte Übertragungsfluid periodisch verdichtet/komprimiert werden.

In anderen Worten beinhaltet die Kompressorvorrichtung den Zylinder mit einer an einer Zylinderinnenseite ausgebildeten Zylinderlaufbahn und den in dem Zylinder laufenden Kolben mit einem in Umfangsrichtung des Kolbens ausgebildeten Kolbenhemd. Das Kolbenhemd gleitet dichtend an der Zylinderlaufbahn des Zylinders. Vorzugsweise ist zwischen dem Kolbenhemd und der Zylinderlaufbahn zumindest eine ringförmige Dichtung/ein Kolbenring ausgebildet. Der Kolben beinhaltet weiterhin ein Kolbendach, welches dem mit dem Übertragungsfluid gefüllten Übertragungsraum zugewandt ist und diesen begrenzt. Der Kolben ist vorgesehen und ausgebildet, eine periodische Linearbewegung in einer Richtung einer Zylindemittelfaser (Zylindermittelachse), welche sich in einer Zylinderlängsrichtung erstreckt, auszuführen. In dem Übertragungsraum ist das Verdichterelement ausgebildet, welches zumindest eine, vorzugsweise ziehharmonikaförmige, Wandung beinhaltet. In anderen Worten ist das Verdichterelement vorzugsweise als ein Faltenbalg ausgebildet. Das Verdichterelement umgibt den mit dem Arbeitsgas gefüllten Arbeitsraum. In anderen Worten grenzt das Verdichterelement den Arbeitsraum gegen den Übertragungsraum ab. Der Arbeitsraum ist mit dem Anschluss ausgebildet, welcher den Arbeitsraum mit der Arbeitsgasleitung fest oder lösbar verbindet. Der Anschluss ist vorzugsweise an einer von dem Kolben abgewandten Seite des Verdichterelements ausgebildet. Die Arbeitsgasleitung ist vorgesehen und ausgebildet, den Arbeitsraum mit dem Gifford- McMahon-Kühler oder dem Pulsrohrkühler oder einem beliebigen anderen, geeigneten Kühler zu verbinden. Der Arbeitsraum ist aufgrund der vorzugsweise ziehharmonikaförmigen Wandung in seinem Volumen veränderlich. Durch die Linearbewegung des Kolbens wird eine Kraft mittels des Übertragungsfluids auf das Verdichterelement ausgeübt/übertragen und das in dem Arbeitsraum enthaltene Arbeitsgas periodisch verdichtet/komprimiert und entspannt.

Kern der Erfindung ist demnach, das in dem Verdichterelement der Kompressorvorrichtung enthaltene Arbeitsgas durch das Verfahren des Kolbens mittelbar mittels des Übertragungsfluids periodisch zu verdichten und zu entspannen.

Weiterhin Kern der Erfindung ist, dass ein Druckerzeugungsort (Krafterzeugungsort) und ein Verdichtungsort in einem Zylinder ausgebildet sind.

Ein weiterer Kern der Erfindung besteht darin, dass der Kolben und das Verdichterelement mechanisch entkoppelt sind. In anderen Worten sind der Kolben und das Verdichterelement derart in dem Zylinder angeordnet, dass sie sich zu keinem Zeitpunkt berühren. Weiterhin wird die auf den Kolben wirkende Kraft bzw. die von dem Kolben zu übertragende Kraft ausschließlich hydraulisch auf das Verdichterelement übertragen. Auf eine mechanische Verbindung zwischen Kolben und Verdichterelement zur Kraftübertragung wird in der vorliegenden Erfindung verzichtet.

Durch eine derartige Ausbildung der Kompressorvorrichtung kann auf ein Drehventil verzichtet werden und damit Verluste reduziert und somit eine Effizienz der Kompressorvorrichtung erheblich gesteigert werden. Zusätzlich kann eine derartige Kompressorvorrichtung kompakter ausgebildet sein, da ein einzylindriger Aufbau der Kompressorvorrichtung ermöglicht ist. Ein weiterer Vorteil einer derartigen Kompressorvorrichtung ist, dass durch eine Reduzierung der Baugruppen eine Ausfallsicherheit der Kompressorvorrichtung erhöht werden kann.

Durch die Ausbildung des Arbeitsraums in dem Verdichterelement, insbesondere durch die Ausbildung des Verdichterelements als Metallbalg, kann weiterhin verhindert werden, dass Wasser, Übertragungsfluid, Öl oder ein sonstiger Fremdstoff in das Arbeitsgas eindringt/eindiffundiert und dieses verunreinigt/kontaminiert. Eine Verunreinigung des Arbeitsgases mit dem Fremdstoff könnte dazu führen, dass das Arbeitsgas gefriert und Dichtungen beschädigt werden. Insbesondere die Ausbildung des Verdichterelements als Metallbalg hat den Vorteil gegenüber beispielsweise einer Ausbildung des Verdichterelements aus Gummi, dass das Arbeitsgas nicht aus dem Verdichterelement bzw. durch das Verdichterelement hindurch in den Übertragungsraum entweichen kann.

In einem ersten Aspekt kann ein Volumen eines von dem Kolben, dem Verdichterelement und dem Zylinder umschlossenen Raums/Fluidraums konstant sein.

In anderen Worten kann ein Bereich des Übertragungsraums außerhalb des Verdichterelements/des Arbeitsraums vollständig mit dem Übertragungsfluid befüllt sein, wobei das Übertragungsfluid ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid sein kann.

Auf diese Weise kann sichergestellt sein, dass die von dem Kolben auf das Übertragungsfluid ausgeübte Kraft gleichmäßig und ohne lokale Kraftspitzen auf den Balg übertragen werden kann. Somit ist gewährleistet, dass das Verdichterelement ausschließlich in der vorgesehenen Art und Weise komprimiert und expandiert wird, was eine Lebensdauer des Verdichterelements erheblich verlängert und vorzeitigen Ausfällen des Verdichterelements entgegenwirkt. Weiterhin kann durch ein vollständiges Befüllen des Übertragungsraums mit dem Übertragungsfluid verhindert werden, dass das Übertragungsfluid im Betrieb schäumt bzw. es zu einer Schaumbildung kommt.

Weiterhin können der Übertragungsraum und der Arbeitsraum vollständig und ohne Überstand in dem Zylinder ausgebildet sein.

In einem weiteren Aspekt kann ein Druck des Arbeitsmediums in dem Arbeitsraum zu jedem Zeitpunkt einem Druck des Übertragungsfluids in dem Übertragungsraum entsprechen.

In anderen Worten entspricht der Druck in dem Verdichterelement zu jedem Zeitpunkt dem Druck, welcher das Verdichterelement umgibt. In nochmals anderen Worten befindet sich das Arbeitsmedium in dem Arbeitsraum und das Übertragungsfluid in dem Übertragungsraum in einem Druckgleichgewicht.

Auf diese Weise kann gewährleistet sein, dass das Verdichterelement selbst keine großen Belastungen/Kräfte erfährt bzw. aufnimmt und das Verdichterelement dünnwandig ausgebildet sein kann, was Verluste bei der Kompression des Verdichterelements weiter reduziert.

In einem weiteren Aspekt können der Druck des Arbeitsmediums und der Druck des Übertragungsfluids größer sein als ein Umgebungsdruck einer die Kompressorvorrichtung umgebenden Umgebung. Anders ausgedrückt ist die Kompressorvorrichtung vorgespannt, sodass in jeder Stellung des Kolbens in dem Zylinder ein Überdruck des Arbeitsmediums und des Übertragungsmediums gegenüber der Umgebung besteht.

In einem weiteren Aspekt kann ein Kolbenmaximalhub größer sein als ein Verdichterelementmaximalhub.

Anders ausgedrückt kann eine Amplitude, die der Kolben bei der periodischen hin und her Bewegung in einer Kolbenbewegungsrichtung ausführt, größer sein als eine maximale Änderung einer Verdichterelementerstreckung des Verdichterelements in der Kolbenbewegungsrichtung.

Durch einen geringeren Verdichterelementmaximalhub kann erreicht werden, dass eine mechanische Belastung des Verdichterelements, insbesondere in Knicken/Falten des Verdichterelements, geringgehalten wird, was die Lebensdauer des Verdichterelements verlängert und das Ausfallrisiko reduziert.

In einem weiteren Aspekt kann der Kolben durch einen Pleuel periodisch hin und her bewegbar sein. Durch den Pleuel zum Bewegen des Kolbens kann ein herkömmlicher Elektromotor als die Antriebseinrichtung verwendet werden. Alternativ kann der Kolben durch eine Gewindestange oder dergleichen hin und her bewegbar sein.

In einem weiteren Aspekt kann das Verdichterelement in einer Hubrichtung geführt sein.

In anderen Worten kann die Kompressorvorrichtung zumindest ein Führungselement beinhalten, welches vorgesehen ausgebildet ist, das Verdichterelement während der Kompression und dem Entspannen zu führen und zu verhindern, dass das Verdichterelement unkontrolliert einknickt oder kollabiert. Das Führungselement kann beispielsweise stabförmig oder hülsenförmig ausgebildet sein. Bevorzugt kann mehr als ein Führungselement in der Kompressorvorrichtung ausgebildet sein.

In einem weiteren Aspekt kann in dem Arbeitsraum ein geschlossener Verdränger (Topfelement) ausgebildet sein.

Anders ausgedrückt kann an einer dem Arbeitsraum zugewandten Innenseite des Verdichterelements, vorzugsweise an einer kolbennahen Stirnseite des Verdichterelements, das Verdrängerelement ausgebildet sein. Bei dem Verdrängerelement kann es sich um ein in sich gasdicht geschlossenes, insbesondere zylindrisches Element handeln, das fest mit dem Verdichterelement verbunden ausgebildet sein kann.

Durch ein derartiges Verdrängerelement in dem Arbeitsraum kann das (Gasvolumen des Arbeitsraums reduziert werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Arbeitsraum in dem komprimierten Zustand ein (Tot-/Rest-) Volumen von annähernd null aufweist, was die Auslenkung des Verdichterelements und damit die Belastung des Verdichterelements reduziert.

In einem weiteren Aspekt kann ein eine maximale Längserstreckung des Verdichterelements in der Hubrichtung in dem expandierten Zustand mehr als doppelt so groß sein wie eine minimale Längserstreckung in der Hubrichtung des Verdichterelements in dem komprimierten Zustand.

In einem weiteren Aspekt kann der Übertragungsraum und/oder der Arbeitsraum mit zumindest einem Ausgleichsbehälter, optional über ein Ventil, verbunden sein, um die Kompressorvorrichtung vorzuspannen und etwaige Volumensänderungen, insbesondere bei einem Hochfahren bzw. einer Inbetriebnahme der Kompressorvorrichtung auszugleichen.

In einem weiteren Aspekt ist die Kompression des Verdichterelements reversibel. Das heißt, dass das Verdichterelement seine Geometrie im Betrieb ausschließlich in einem vordefinierten Rahmen verändert und danach eine Ausgangsgeometrie zurückerlangt.

In einem weiteren Aspekt kann eine Wandstärke des Verdichterelements konstant sein. Bevorzugt kann die Wandstärke des Verdichterelements kleiner als 0,2 mm sein.

In einem weiteren Aspekt kann das Verdichterelement aus einer Vielzahl von Membranpaaren ausgebildet sein. Bevorzugt kann das Verdichterelement aus zumindest 30 Membranpaaren ausgebildet sein. Besonders bevorzugt kann das Verdichterelement aus zumindest 40 Membranpaaren ausgebildet sein.

Durch eine Ausbildung des Verdichterelements mit einer Vielzahl von Membranpaaren kann gewährleistet werden, dass jedes der Membranpaare bei der Hubbewegung des Verdichterelements nur eine geringe Auslenkung erfährt, was eine mechanische Belastung des Verdichterelements erheblich reduziert.

In einem weiteren Aspekt kann der Übertragungsraum mit einer mehrstufigen Geometrie, insbesondere einer zweistufigen Geometrie, ausgebildet sein. In anderen Worten kann der Übertragungsraum einen Durchmessersprung aufweisen, wobei ein erster Durchmesser in einem Bereich des Kolbens vorzugsweise kleiner sein kann als ein zweiter Durchmesser in einem Bereich des Verdichterelements. Auf diese Weise kann die durch den Kolben aufzubringende Kraft zum Verdrängen des Übertragungsfluids an die Antriebskraft bzw. das Antriebsmoment der Antriebseinrichtung angepasst werden.

In einem weiteren Aspekt kann die Antriebseinrichtung mit einer Steuereinrichtung ausgebildet und/oder mit der Steuereinrichtung verbunden sein, welche die Kompression/Verdichtung und die Entspannung des Arbeitsmediums in dem Arbeitsraum über die periodische Längsbewegung des Kolbens, insbesondere über eine Drehzahl der Antriebseinrichtung, steuert. In einem weiteren Aspekt kann ein von dem Kolben bei der Bewegung des Kolbens verdrängtes Verdrängungsvolumen einer Arbeitsraumvolumenänderung entsprechen, wodurch eine Steuerung der Kompressorvorrichtung erheblich vereinfacht ist.

In einem weiteren Aspekt kann der Kompressorvorrichtung ein Filter nachgeschaltet sein.

In einem weiteren Aspekt kann es sich bei dem Arbeitsmedium um Helium handeln.

Es ist vorteilhaft, wenn das Bewegungsprofil des Kolbens kein lineares oder kein sinusförmiges Profil ist, sondern einer Sprungfunktion folgt, bei welcher das Arbeitsgas schnell verdichtet, der Druck gehalten und dann das Arbeitsgas wieder schnell entspannt wird. Dieses Bewegungsprofil kann durch eine entsprechende variable Ansteuerung der Antriebseinrichtung erfolgen.

Alternativ kann die Antriebseinrichtung gleichförmig angesteuert werden und die sprungfunktionsförmige Bewegung des Kolbens mittels eines entsprechenden Übertragungselements, wie einer Nocke, erzielt werden. Anders ausgedrückt kann eine lineare Bewegung der Antriebseinrichtung durch ein nockenförmiges Übertragungselement in eine nahezu sprungfunktionsförmige Bewegung des Kolbens übersetzt sein. In nochmals anderen Worten kann das Übertragungselement asymmetrisch zu einer Drehachse des Übertragungselements sein.

In einem weiteren Aspekt kann die eine Antriebseinrichtung mehr als eine Kompressorvorrichtung antreiben. Bevorzugt können bei einer derartigen Ausbildung die Zylinder in Boxerformation angeordnet sein. In anderen Worten können beispielsweise zwei Zylinder diametral gegenüberliegend von der Antriebseinrichtung ausgebildet sein, wobei die Zylinder identisch aufgebaut sein können. Jeder der Zylinder kann mit einem Kolben und einem Verdichterelement ausgebildet sein. In einem weiteren Aspekt kann das Übertragungsfluid (auch) als ein Schmiermittel für die Antriebseinrichtung verwendet werden. Anders ausgedrückt kann auf einer von dem Übertragungsraum abgewandten Seite des Kolbens das Übertragungsfluid als ein Schmierstoff ausgebildet sein. Insbesondere kann das Übertragungsfluid eine Paarung Motor-Pleuel und eine Paarung Pleuel-Kolben schmieren. Durch eine Ausbildung des Übertragungsfluids als Schmiermittel kann verhindert werden, dass mögliche Leckagen des Übertragungsfluids über den Kolben in Richtung zu der Antriebseinrichtung eine negative Auswirkung auf die Antriebseinrichtung haben.

In einem weiteren Aspekt kann die Kompressorvorrichtung für einen Arbeitsfrequenzbereich zwischen 0,1 und 10 Hz und insbesondere für ein Arbeitsfrequenzbereich zwischen 0,5 und 5 Hz ausgelegt sein.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit einer Kompressorvorrichtung nach einem der obigen Aspekte und einem Gifford-McMahon- Kühler oder einem Pulsrohrkühler.

In anderen Worten beinhaltet die Kühlvorrichtung eine Kompressorvorrichtung nach einem der obigen Aspekte und den über den Anschluss angeschlossenen Gifford- McMahon-Kühler oder den Pulsrohrkühler. Optional kann zwischen der Kühlvorrichtung und dem Gifford-McMahon-Kühler oder dem Pulsrohrkühler ein Wärmetauscher zum Kühlen des Arbeitsgases ausgebildet sein oder es kann an dem Gifford-McMahon- Kühler oder dem Pulsrohrkühler direkt eine Kühlvorrichtung ausgebildet sein.

Auf diese Weise ist es möglich, auf ein Drehventil zu verzichten und eine Druckkurve direkt mit der Kompressorvorrichtung herzustellen. Der Gifford-McMahon- Kühler oder der Pulsrohrkühler kann direkt mit der Kompressorvorrichtung verbunden sein. Für den Betrieb des Gifford-McMahon-Kühlers oder des Pulsrohrkühlers ist extrem sauberes Helium Gas (6N = 99,9999 % Helium) notwendig.

In einem Aspekt können die Kompressorvorrichtung und der Gifford-McMahon- Kühler oder der Pulsrohrkühler über einen Hochdruckanschluss verbunden sein. In einem weiteren Aspekt kann die Kühlvorrichtung bzw. die Kompressorvorrichtung mit 16 bar vorgespannt sein. Ein Arbeitsbereich der Kompressorvorrichtung kann zwischen 8 bar und 24 bar liegen.

Weiterhin kann eine Kompressorkältemaschine mit einer Kompressorvorrichtung nach einem der obigen Aspekte, einem Verdampfer und einem Kondensator ausgebildet sein.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer allgemeinen Ausführungsform;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer speziellen Ausführungsform;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaus der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer ersten alternativen Ausführungsform;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer zweiten alternativen Ausführungsform;

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Kompressorvorrichtung in einer dritten alternativen Ausführungsform; und Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung in einer vierten alternativen Ausführungsform;

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung auf der Basis der zugehörigen Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kompressorvorrichtung 2 mit einem gasdichten Zylinder 4, einem in dem Zylinder 4 angeordneten Kolben 6, einem Verdichterelement in Form eines (Metall-) Balgs 8 und einem Anschluss 10, wobei die Kompressorvorrichtung 2 vorgesehen und ausgebildet ist, mit einer Kühlvorrichtung gekoppelt zu werden oder einen Teil der Kühlvorrichtung zu bilden. Der Zylinder 4 beinhaltet eine an einer Innenseite des Zylinders 4 ausgebildete (Zylinder-)Lauffläche 12. Der Kolben 6 beinhaltet ein an einer Außenumfangfläche des Kolbens 6 ausgebildetes Kolbenhemd 14, wobei die Lautfläche 12 des Zylinders 4 und das Kolbenhemd 14 des Kolbens 6 derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Kolben 6 dichtend in dem Zylinder 4 linear entlang einer Zylindermittelachse ZM beweglich ist. Der Kolben 6 und der Zylinder 4 begrenzen einen Übertragungsraum 16. Der Übertragungsraum 16 ist mit einem Übertragungsfluid gefüllt. Der Balg 8 ist in dem Übertragungsraum 16 angeordnet und von dem (inkompressiblen) Übertragungsfluid umgeben. Konkret ist das Übertragungsfluid in einem zwischen dem Zylinder 4, dem Kolben 6 und dem Balg 8 eingeschlossenen/ umschlossenen Fluidraum 18 ausgebildet. Ein Volumen des Fluidraums 18 ist im Wesentlichen unveränderlich, wobei eine Geometrie des Fluidraums 18 sich jedoch verändern kann.

Der Balg 8 beinhaltet/begrenzt einen Arbeitsraum 20. Der Arbeitsraum 20 ist mit einem Arbeitsgas, vorzugsweise Helium, gefüllt. Der Balg 8 ist in der hier dargestellten Ausführungsform als Faltenbalg mit einer ziehharmonikaförmigen Wandung 22 ausgebildet. Der Balg 8 trennt den Übertragungsraum 16 und den Arbeitsraum 20 gas- und fluiddicht voneinander. Der Anschluss 10 ist an einer von dem Kolben 6 abgewandten Seite des Arbeitsraums 20 ausgebildet. Der Anschluss 10 ist vorgesehen und ausgebildet, die Kompressorvorrichtung 2 mit einem Kaltkopf/Kühler 38 (siehe Fig. 3), beispielsweise einem Gifford-McMahon-Kühler oder einem Pulsrohrkühler, zu verbinden.

Fig. 2 zeigt die Kompressorvorrichtung 2 in einer Ausführungsform, wobei der Kolben 6 mittels eines Pleuels 24 entlang der Zylindermittelachse ZM linear beweglich ist.

Nachfolgend wird anhand von Fig. 2 eine Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kompressorvorrichtung 2 beschrieben. Der Antrieb des Kolbens 6 über das Pleuel 24 ist beispielhaft. Selbstverständlich sind andere Antriebsarten des Kolbens 6, welche dazu geeignet sind, den Kolben 6 periodisch entlang der Zylindermittelachse ZM hin und her zu bewegen, als gleichwertig zu betrachten.

Eine durch eine entsprechende Steuervorrichtung (nicht dargestellt) angesteuerte Antriebsvorrichtung in Form eines Elektromotors 26 treibt eine Scheibe 28, auf welcher das Pleuel 24 exzentrisch an einer ersten Lagerstelle 30 gelagert ist, rotierend an. Das Pleuel 24 ist weiterhin an dem Kolben 6 an einer zweiten Lagerstelle 32 gelagert/fixiert. Über das Pleuel 24 wird aus einer rotatorischen/kreisförmigen Bewegung der Scheibe 28 eine lineare Bewegung des Kolbens 6 entlang der Zylindermittelachse ZM. In anderen Worten wird eine von dem Elektromotor 26 erzeugte Kraft über die Scheibe 28 und das Pleuel 24 auf den Kolben 6 übertragen.

Wenn der Kolben 6 entlang der Zylindermittelachse ZM in einer Richtung hin zu dem Balg 8 verfährt, wird die Kraft auf das Übertragungsfluid in dem Fluidraum 18 übertragen. Das Übertragungsfluid, welches den Balg 8 umgibt, überträgt die Kraft auf den Balg 8 und komprimiert das in dem Balg 8 enthaltene Arbeitsgas. Da es sich bei dem Übertragungsfluid um ein näherungsweise inkompressibles Fluid handelt, wird die von dem Elektromotor 26 aufgebrachte Kraft (abzüglich etwaiger Reibungsverluste) im Wesentlichen vollständig in eine Kompression des Balgs 8 und des in dem Arbeitsraum 20 befindlichen Arbeitsgases umgesetzt. In anderen Worten wird durch die Kraft des Elektromotors 26 das Arbeitsgas in dem Arbeitsraum 20 periodisch verdichtet. Ein Arbeitsbereich des Balgs 8 liegt dabei zwischen einer ersten Länge L1 im komprimierten Zustand und einer zweiten Länge L2 im entspannten Zustand. Eine (maximale) Längenänderung AL des Balgs 8, die einer Differenz zwischen der ersten Länge L1 und der zweiten Länge L2 entspricht, ist viel kleiner als die erste Länge L1 oder die zweite Länge L2.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 34 mit der Kompressorvorrichtung 2 in einer ersten Ausführungsform. Der Arbeitsraum 20 der Kompressorvorrichtung 2 ist über den Anschluss 10 mit einer Druckleitung 36 verbunden. Die Druckleitung 36 verbindet die Kompressorvorrichtung 2 gasdicht mit einem als Gifford-McMahon-Kühler oder Pulsrohrkühler ausgebildeten Kaltkopf 38. Für einen Betrieb eines derartigen Kalkkopfes 38 wird ein bestimmtes Arbeitsgasvolumen durch die Kompressorvorrichtung 2 in einem vorbestimmten Frequenzbereich periodisch verdichtet und entspannt.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 34 mit der Kompressorvorrichtung 2 in einer zweiten Ausführungsform. Die Kühlvorrichtung 34 der zweiten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Kühlvorrichtung 34 der ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform ist zwischen dem Anschluss 10 der Kompressorvorrichtung 2 und dem Kaltkopf 38 ein Wärmetauscher 40 ausgebildet, der vorgesehen und ausgebildet ist, das Arbeitsgas, insbesondere nach dem Verdichten, herunter zu kühlen.

Nachfolgend werden anhand der Figuren 5 bis 8 alternative Ausführungsformen der Kompressorvorrichtung 2 erläutert. Auf eine erneute Beschreibung von Elementen, die der in Fig. 1 beschriebenen allgemeinen Ausführungsform entsprechen, wird nachfolgend verzichtet.

Die in Fig. 5 gezeigte erste alternative Ausführungsform der Kompressorvorrichtung 2 beinhaltet in dem Balg 8 ein Topfelement 42. Das Topfelement 42 ist an einer dem Kolben 6 zugewandten Stirnseite des Balgs 8 in dem Arbeitsraum 20 ausgebildet. Das Topfelement 42 reduziert ein Gasvolumen/Innenvolumen des Arbeitraums 20. Das Topfelement 42 ist gasdicht gegenüber dem Arbeitsraum 20 abgeschlossen. Fig. 6 zeigt eine zweite alternative Ausführungsform der Kompressorvorrichtung 2 mit einem wellen- bzw. stabförmigen Führungselement 44. Das stabförmige Führungselement 44 ist an der dem Kolben 6 zugewandten Stirnseite des Balgs 8 in dem Übertragungsraum 16 ausgebildet. Das stabförmige Führungselement 44 erstreckt sich weg von dem Balg 8 hin zu dem Kolben 6 und ist in dem Kolben 6 gelagert. Das stabförmige Führungselement 44 ist in dem Kolben 6 linear geführt bzw. gelagert. Vorzugsweise ist das stabförmige Führungselement 44 in einer Buchse in dem Kolben 6 geführt bzw. gelagert. Optional ist mehr als ein stabförmiges Führungselement 44 an dem Balg 8 ausgebildet. Das stabförmige Führungselement 44 verhindert ein Verkippen des Balgs 8 relativ zu dem Kolben 6.

Fig. 7 zeigt eine dritte alternative Ausführungsform der Kompressorvorrichtung 2 mit einem flächigen Führungselement 46. Das flächige Führungselement 46 ist an der dem Kolben 6 zugewandten Stirnseite des Balgs 8 in dem Übertragungsraum 16 ausgebildet. Das flächige Führungselement 46 erstreckt sich radial nach außen hin zu der Lauffläche 12 erstreckt und den Balg 8 relativ zu der Lauffläche 12 führt. In dem flächigen Führungselement 46 sind Bohrungen 48 ausgebildet, die ein ungehindertes Fließen des Übertragungsfluids in dem Übertragungsraum gewährleisten. Das flächige Führungselement 46 verhindert ein Verkippen des Balgs 8 relativ zu dem Zylinder 4.

Fig. 8 zeigt eine vierte alternative Ausführungsform der Kompressorvorrichtung 2, wobei der Zylinder 4 zweistufig ausgebildet ist. Der Zylinder 4 beinhaltet einen ersten Zylinderabschnitt 50, in welchem der Balg 8 ausgebildet ist und einen zweiten Zylinderabschnitt 52, in welchem der Kolben 6 ausgebildet ist. Ein erster Durchmesser des ersten Zylinderabschnitts 50 ist größer als ein zweiter Durchmesser des zweiten Zylinderabschnitts 52. In anderen Worten ist durch den ersten Zylinderabschnitt 50 und den zweiten Zylinderabschnitt 52 eine Druckübersetzung in dem Zylinder 4 umgesetzt.

Selbstverständlich sind alle beschriebenen Ausführungsformen in ihren Merkmalen, wenn technisch möglich, innerhalb der Ansprüche beliebig kombinierbar.

So ist beispielsweise vorstellbar, dass die Kompressionsvorrichtung 2 mit dem Topfelement 42 in dem Arbeitsraum 20 ausgebildet ist und der Balg 8 zusätzlich mit dem stabförmigen Führungselement 44 und/oder dem flächigen Führungselement 46 ausgebildet ist.

Auch ist vorstellbar, dass die Kompressionsvorrichtung 2 mit dem Zylinder 4, welcher den ersten Zylinderabschnitt 50 und den zweiten Zylinderabschnitt 52 aufweist, und dem Topfelement 42 ausgebildet ist.

Weiterhin ist vorstellbar, dass die Kompressorvorrichtung mit dem Zylinder 4, welcher den ersten Zylinderabschnitt 50 und den zweiten Zylinderabschnitt 52 aufweist, dem Topfelement 42 und dem stabförmigen Führungselement 44 und/oder dem flächigen Führungselement 46 ausgebildet ist.

Bezugszeichenliste

2 Kompressorvorrichtung

4 Zylinder

6 Kolben

8 Balg

10 Anschluss

12 (Zylinder-)Lauffläche

14 Kolbenhemd

16 Übertragungsraum

18 Fluidraum

20 Arbeitsraum

22 Wandung

24 Pleuel

26 Elektromotor

28 Scheibe

30 erste Lagerstelle

32 zweite Lagerstelle

34 Kühlvorrichtung

36 Druckleitung

38 Kaltkopf

40 Wärmetauscher

42 Topfelement/Verdrängerelement

44 stabförmiges Führungselement

46 flächiges Führungselement

48 Bohrung

50 erster Zylinderabschnitt

52 zweiter Zylinderabschnitt

ZM Zylindermittelachse

L1 erste Länge

L2 zweite Länge

AL Längenänderung