氣體平衡布雷頓循環(huán)式冷水蒸氣低溫泵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明將使用氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器來(lái)冷卻水蒸氣低溫泵。制冷器包括壓縮機(jī)、氣體平衡往復(fù)式引擎以及逆流式熱交換器。其通過(guò)隔熱輸送管線連接于低溫泵。選擇包括具有可調(diào)整系統(tǒng)壓力的閥的氣體儲(chǔ)存容積、變速引擎、繞過(guò)引擎的壓縮機(jī)與低溫板之間的氣體管線，以及繞過(guò)熱交換器的氣體管線。該系統(tǒng)可急速冷卻和加熱，在不加熱引擎的情況下使低溫板急速加熱和冷卻，以及當(dāng)?shù)蜏匕鍩嶝?fù)載減小時(shí)減少功率輸入。
【專利說(shuō)明】氣體平衡布雷頓循環(huán)式冷水蒸氣低溫泵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及由通常具有在5kW到20kW的范圍內(nèi)的輸入功率的氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器冷卻的水蒸氣低溫泵。
【背景技術(shù)】
[0002]授予SHI Cryogenics的三個(gè)最近的專利申請(qǐng)描述了氣體平衡布雷頓循環(huán)膨脹引擎和使從室溫到低溫溫度的冷卻時(shí)間最小化的控制系統(tǒng)。以布雷頓循環(huán)操作來(lái)產(chǎn)生制冷的系統(tǒng)由在排放壓力下向逆流式熱交換器供應(yīng)氣體的壓縮機(jī)構(gòu)成，其容許氣體通過(guò)冷入口閥到膨脹空間，使氣體絕熱地膨脹，通過(guò)出口閥排出膨脹的氣體(其為較冷的)，使冷氣體循環(huán)穿過(guò)待冷卻的負(fù)載，接著使氣體通過(guò)逆流式熱交換器返回至壓縮機(jī)。
[0003]由R.C.Longsworth提交的日期為3/15/10的專利申請(qǐng)S/N 61/313，868描述了以布雷頓循環(huán)操作的往復(fù)膨脹引擎，其中，活塞具有在熱端處的傳動(dòng)柄，其由機(jī)械傳動(dòng)件或在高壓與低壓之間交替的氣體壓力驅(qū)動(dòng)，并且在傳動(dòng)柄周圍的區(qū)域中的活塞的熱端處的壓力與在活塞移動(dòng)時(shí)在活塞的冷端處的壓力基本上相同。由R.C.Longsworth提交的日期為10/8/10的專利申請(qǐng)S/N 61/391，207描述了以布雷頓循環(huán)操作的往復(fù)膨脹引擎的控制，如前述申請(qǐng)中所述，其使得該引擎能夠使物質(zhì)冷卻到低溫溫度的時(shí)間最小化。
[0004]由S.Dunn等人提交的日期為5/12/11的美國(guó)專利申請(qǐng)S/N 13/106，218描述了促動(dòng)膨脹器活塞的備選器件。專利申請(qǐng)61/313，868和13/106,218中描述的引擎在該申請(qǐng)中被稱為"氣體平衡布雷頓循環(huán)引擎"。該引擎具有許多有利特點(diǎn)，當(dāng)其用于冷卻低溫板時(shí)，其在IlOK到170K的范圍內(nèi)的溫度下冷凝水蒸氣。由S.Dunn于4/28/06提交的名稱為"Compressor With Oil Bypass〃的公布的專利申請(qǐng)US 2007/0253854中描述了用以不出創(chuàng)新的用于該應(yīng)用中的壓縮機(jī)系統(tǒng)。
[0005]從20世紀(jì)50年代后期開(kāi)始，在低溫泵送技術(shù)中做了許多工作，以支持空間計(jì)劃。由Schueller提交的日期為11/28/61的美國(guó)專利3，010，220描述了具有以液體致冷劑冷卻的低溫板的空間模擬室。由Holkeboer等人提交的日期為3/30/65的美國(guó)專利3，175，373描述了大真空系統(tǒng)，該大真空系統(tǒng)具有常規(guī)的機(jī)械泵和擴(kuò)散泵以及液體致冷劑冷卻的低溫板。由 C.B.Hood 等人在 Plenum 出版社(New York)的 Advance in Cryogenic Engineering中的第 9 卷(1964) ,496-506 頁(yè)中的名稱為〃Helium Refrigerators for Operation inthe 10-30K Range"的論文描述了具有能夠在20K下產(chǎn)生超過(guò)1.0kff的制冷的往復(fù)膨脹引擎的大型布雷頓循環(huán)制冷器。該制冷器開(kāi)發(fā)以在大型空間模擬室中低溫泵送空氣。由Hogan等人提交的日期為8/29/67的美國(guó)專利3，338, 063中描述了由液氮和GM制冷器冷卻的早期小型低溫泵。吸收小于IOkW的輸入功率的GM型制冷器從那時(shí)起主導(dǎo)了泵送所有氣體的冷卻低溫板的市場(chǎng)，由Longsworth提交的日期為4/79的美國(guó)專利4，150, 549為實(shí)例。從20世紀(jì)70年代早期開(kāi)始，以在120K到170K的范圍內(nèi)的溫度和500W到3，OOOff的容量低溫泵送水蒸氣已經(jīng)由如Missimer提交的日期為10/30/73的美國(guó)專利3，768，273中描述的使用混合氣體的制冷器主導(dǎo)。由Flynn等人提交的日期為6/10/03的美國(guó)專利6，574，978描述了控制冷卻和加熱該類型的制冷器的速率的器件。
[0006]本申請(qǐng)通過(guò)使用通常循環(huán)氦的氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器，背離了使用具有在大約150K下的大約500到3，OOOff的容量的混合氣體制冷劑制冷器來(lái)泵送水蒸氣的當(dāng)前實(shí)踐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]氣體平衡布雷頓制冷器用于冷卻低溫板，在真空室中，該低溫板以在IlOK到170K的范圍內(nèi)的溫度操作來(lái)泵送水蒸氣。可用于將來(lái)自制冷器的氣體放入罐中或使其返回到制冷器的氣體儲(chǔ)存罐和閥的添加使得在不損失來(lái)自系統(tǒng)的氣體的情況下能夠調(diào)整高壓和低壓。還可改變引擎速度?？刂茐毫鸵嫠俣鹊哪芰κ沟媚軌蛲ㄟ^(guò)在冷卻期間以最大容量操作壓縮機(jī)來(lái)快速冷卻?？刂茐毫鸵嫠俣鹊哪芰€使得能夠在冷卻負(fù)載減小時(shí)的操作期間減小功率。通過(guò)調(diào)整操作壓力比，還可以調(diào)整低溫板的入口與出口之間的溫差。此外，低溫板的急速加熱和冷卻通過(guò)具有使大部分壓縮機(jī)流循環(huán)到低溫板的熱氣體管線和閥，同時(shí)保持一些流穿過(guò)引擎和熱交換器以使它們保持冷的來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)特征為制冷器的熱交換器周圍的旁通管線，該旁通管線使得引擎和熱交換器能夠急速加熱。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1示出了系統(tǒng)100，系統(tǒng)100包括由氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器和輔助設(shè)備冷卻的水蒸氣低溫泵的基本構(gòu)件。
【具體實(shí)施方式】
[0009]圖1為系統(tǒng)100的示意圖，由氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器冷卻的水蒸氣低溫泵包括附加的管道和控制件，該附加的管道和控制件使得能夠?qū)崿F(xiàn)許多新穎的特征。
[0010]氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器的基本構(gòu)件包括壓縮機(jī)1、引擎2、逆流式熱交換器6、在高壓下的熱氣體管線7，以及在低壓下的熱氣體管線8。引擎2示為具有入口閥4和出口閥5，入口閥4和出口閥5由旋轉(zhuǎn)閥3控制的氣體氣動(dòng)地促動(dòng)。專利申請(qǐng)S/N 13/106, 218中更全面地描述了該引擎，并且在專利申請(qǐng)S/N 61/313，868中描述了附加的設(shè)計(jì)。引擎2和熱交換器6安裝在真空殼體9中。專利申請(qǐng)公告第US 2007/0253854號(hào)描述了油潤(rùn)滑的水平渦旋的壓縮機(jī)和系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括壓縮機(jī)1，并且用于示出本發(fā)明的特征。
[0011]水蒸氣低溫泵送盤管或低溫板21安裝在水蒸氣低溫泵的真空室20中。隔熱管線22使冷氣體從引擎2傳遞到盤管21，而隔熱管線23使較熱的冷氣體返回到熱交換器6。隔熱管線22和23示為借助于在真空殼體9處的卡口連接件26和27以及在室20處的類似的卡口(未示出)可除去地連接在各個(gè)端部處。在引擎2與卡口 26之間的冷氣體管線18具有截流閥24。同樣地，在卡口 27與熱交換器6之間的類似的冷氣體管線19具有截流閥
25。旁通閥37將來(lái)自引擎出口閥5的冷氣體管線連接于熱交換器6的返回側(cè)。泵出閥28在卡口 26正下方連接到冷的管線18中。
[0012]低溫泵盤管21具有與盤管加熱管線30和31的連接，該管線30和31分別通過(guò)閥32和33連接于熱氣體管線7和8。熱交換器6使用旁通管線36加熱，旁通管線36具有聯(lián)線的常閉閥34和卸壓閥35。當(dāng)其首先被連接時(shí)并且在其冷卻時(shí)，可向系統(tǒng)供應(yīng)來(lái)自連接于低壓管線8的外部缸的氣體，但當(dāng)系統(tǒng)變熱時(shí)其可損失。氣體儲(chǔ)存罐10和分別將罐10連接于高壓管線7和低壓管線8的閥11和12的添加允許在正常操作下節(jié)約氣體，以及調(diào)整系統(tǒng)中的壓力以利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可能的創(chuàng)新中的一些。如果除去截流閥24和25以外的任何構(gòu)件，或如果管道中存在故障，則將損失一些氣體。
[0013]系統(tǒng)控制器16接收來(lái)自高壓換能器13、低壓換能器14、冷引擎溫度傳感器15，以及具體控制功能所需的其它傳感器的輸入，并且輸出信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)連接于旋轉(zhuǎn)閥3、壓力控制閥11和12、盤管加熱閥32和33、熱交換器加熱閥34、冷供應(yīng)和回流閥34和35、旁通閥37，以及其它未示出的可選的控制件的管線來(lái)控制引擎速度。
[0014]假定在將制冷器連接于真空室20之前，制冷器就已經(jīng)裝有氣體。該申請(qǐng)中示出了氦(單原子氣體)和氮(雙原子氣體)兩者的使用。閥24，25，32和33閉合以便保留氣體。真空室20中的低溫泵盤管21通過(guò)在制冷器端部處的卡口 26和27中以及真空室20端部處的類似卡口中插入和密封隔熱管線22和23來(lái)連接于真空殼體9中的管線18和19。盤管加熱管線30和31連接于閥32和33。無(wú)論什么氣體位于這些管線中，當(dāng)它們相連接時(shí)都使用連接于泵出端口 28的小真空泵來(lái)除去該氣體。接著，開(kāi)啟閥24和25，并且制冷劑從儲(chǔ)存罐10且可能從外部氣缸流至管線。真空室20在冷卻之前被抽空。
[0015]低溫泵盤管21在旁通閥32，33，34和37閉合的情況下冷卻。引擎2、熱交換器6、冷的管線18和19、隔熱管線22和23，以及低溫泵盤管21的初始急速冷卻在僅列出的旁通閥閉合而閥24和25開(kāi)啟的情況下完成。對(duì)于本壓縮機(jī)，通過(guò)以在整個(gè)冷卻中的其最大輸入功率、2.2MPa的高壓和0.SMPa的低壓操作壓縮機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速冷卻。在該時(shí)段期間，氣體添加于系統(tǒng)，并且引擎2的速度與低溫泵盤管21的絕對(duì)溫度大約成比例地減小。本引擎速度將從大約6Hz降到3Hz。
[0016]低溫泵盤管21的急速再生成通過(guò)隔離其與系統(tǒng)的其余部分以及使其加熱同時(shí)使其余的冷構(gòu)件保持為冷的來(lái)完成。冷供應(yīng)閥24和冷回流閥25閉合，旁通閥37開(kāi)啟，并且接著盤管加熱旁通閥32和33開(kāi)啟。引擎2的速度設(shè)定成保持其操作溫度。對(duì)于本引擎，這可能為大約IHz的速度。來(lái)自壓縮機(jī)的大部分流在室溫下流入低溫泵盤管21中并且使其加熱。穿過(guò)低溫泵盤管21的流速部分地通過(guò)管線30和31以及閥32和33中的限制部來(lái)設(shè)定，或者可添加分離的控制閥(未示出)。來(lái)自壓縮機(jī)的流可最大化，同時(shí)通過(guò)以接近其最大值的低壓和較低的高壓(例如，分別為0.8MPa和1.4MPa)來(lái)操作而保持低功率輸入。
[0017]旁通管線36與其它閥結(jié)合使用可使系統(tǒng)的全部冷的部分急速加熱，或者可單獨(dú)使引擎2和熱交換器6加熱。為了使全部冷的區(qū)段加熱，除開(kāi)啟的熱交換器旁通閥34外的閥保留在它們的正常操作狀態(tài)下。卸壓閥35設(shè)定成保持大約0.5MPa的高壓與低壓的壓差，并且低壓將設(shè)定為大約0.SMPa用于以本壓縮機(jī)來(lái)最快地加熱。引擎2的速度設(shè)定成足夠低的以保持大于0.5MPa的壓差，以平衡穿過(guò)引擎2的氣流與穿過(guò)旁通閥36和盤管21的流，以便所有構(gòu)件具有一致的加熱速率。為了使引擎2和熱交換器6加熱而不使冷的構(gòu)件的平衡加熱，旁通閥34開(kāi)啟，閥24和25閉合，并且旁通閥37開(kāi)啟。壓力和引擎速度如之前描述地設(shè)定。
[0018]如果冷卻負(fù)載減小，則可節(jié)約功率。在渦旋式壓縮機(jī)中，進(jìn)入第一凹穴的幾乎所有氣體都流出，質(zhì)量流速幾乎與入口壓力成正比。輸入功率隨高壓和低壓變化，并且通過(guò)減小低壓和壓力比來(lái)減小。制冷也減少。表I中給出了本渦旋式壓縮機(jī)的功率減小的實(shí)例。該實(shí)例使用壓縮機(jī)的位移來(lái)計(jì)算質(zhì)量流速，但接著采用絕熱過(guò)程，在計(jì)算功率輸入、制冷速率以及在氣體進(jìn)入和離開(kāi)引擎2時(shí)氣體中的溫度變化時(shí)沒(méi)有損失，接著使與其流過(guò)低溫泵盤管21相同的量的氣體加熱。實(shí)際輸入功率大約50%以上，并且制冷器和輸送管線中的熱損失減少了大約25%的溫度變化。假定引擎2的速度調(diào)整成使用在設(shè)定壓力下的所有流。已經(jīng)采用了引擎2的可變速度，但如果當(dāng)為冷的時(shí)，設(shè)定對(duì)應(yīng)于最佳速度(例如，對(duì)于本膨脹器大約為3Hz)的固定速度，則功率減小仍為可實(shí)現(xiàn)的，但冷卻和加熱由于一些氣體以較高的溫度在壓縮機(jī)I中繞過(guò)而較慢。
[0019]雖然本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成用于氦，但表I還示出了氮的實(shí)例。當(dāng)?shù)粔嚎s和膨脹時(shí)，氮與氦相比具有較小的溫度變化，并且因此為更有效的制冷劑。兩個(gè)實(shí)例使用338L/m的壓縮機(jī)位移來(lái)計(jì)算流速。
[0020]表1-氦和氮的流入和流出膨脹器的氣體的所計(jì)算的理想的絕熱輸入功率、冷卻以及溫度變化的比較。
[0021]氣體He 密度 0300K, latm-g/L 0.1625 Cp-J/gK 5.2 Tin-K 300
Ph-MPa2.2 1.4 1.7 1.1
Pl-MPa0.8 0.8 0.6 0.6
Pr2.75 1.75 2.83 1.83
流速-g/s7.32 7.32 5.49 5.49
絕熱功率 _kW5.70 2.87 4.43 2.35
膨脹器 Tin-K140 140 140 140
膨脹器 Tout-K93 112 92 110
理想的冷卻-W1,774 1,609 1,362 861
膨脹器 Tin-K170 170 170 170
膨脹器 Tout-K113 136 112 133
理想的冷卻-W2,154 I, 298 I, 654 I, 045
氣體N2
密度 0300K，latm-g/L1.142
Cp-J/gK1.042
Tin-K300
Ph-MPa2.2 1.4 1.7 1.1
Pl-MPa0.8 0.8 0.6 0.6
Pr2.75 1.75 2.83 1.83
流速-g/s51.5 51.5 38.6 38.6
絕熱功率 _kW5.40 2.79 4.19 2.28
膨脹器 Tin-K140 140 140 140
膨脹器 Tout-K105 119 104 118
理想的冷卻-WI, 886 I, 110 I, 450 896 膨脹器 Tin-K170 170 170 170
膨脹器 Tout-K127 145 126 143
理想的冷卻-W2, 290 I, 348 I, 761 I, 088
這些實(shí)例示出的是，輸入功率可通過(guò)減小高壓同時(shí)使低壓保持恒定，以及通過(guò)減小低壓來(lái)減小。輸入功率在這些實(shí)例中減小了 50%。本壓縮機(jī)能夠在更低水平的輸入功率下操作。冷卻速率也減小。在這些實(shí)例中，從大約2.75到1.75的壓力比的減小導(dǎo)致大約40%的氣體的溫度變化減小。
[0022]比較氮與氦,所看到的是,輸入功率比氦稍低而冷卻速率稍高。
【權(quán)利要求】
1.一種水蒸氣低溫泵，包括: 氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器，冷氣體輸送管線， 低溫板和包含所述低溫板的真空室，所述氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器至少包括: 壓縮機(jī)、逆流式熱交換器，以及氣體平衡引擎。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，所述氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器結(jié)合了氣體儲(chǔ)存容積、用于儲(chǔ)存來(lái)自所述制冷器高壓的氣體的器件以及用于使氣體返回到所述制冷器低壓的器件，所述儲(chǔ)存容積容納在正常操作期間所需的所有所述氣體以避免氣體排放出所述系統(tǒng)或添加至所述系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，所述氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器的所述輸入功率可通過(guò)儲(chǔ)存氣體在所述儲(chǔ)存容積中來(lái)減小，以減小所述低壓和/或所述壓力比。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，所述氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器的所述輸入功率可通過(guò)減小所述低壓和/或所述壓力比來(lái)減小到其最大值的不到50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，所述氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器的引擎可以以可變速度操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，為了最大的壓縮機(jī)輸出，低溫板的冷卻時(shí)間通過(guò)控制所 述高壓和所述低壓以及引擎速度來(lái)最小化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，所述水蒸氣低溫泵具有器件，其通過(guò)使來(lái)自所述氣體平衡布雷頓循環(huán)制冷器的壓縮機(jī)的所述熱氣體流中的一些循環(huán)穿過(guò)所述低溫板，同時(shí)使來(lái)自所述壓縮機(jī)的所述氣體的余量循環(huán)穿過(guò)所述引擎和所述熱交換器來(lái)急速加熱所述低溫板而不加熱所述引擎。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，所述引擎、所述熱交換器、所述隔熱管線以及低溫板的加熱時(shí)間借助于開(kāi)啟繞過(guò)所述熱交換器的管線中的閥來(lái)最小化。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，所述低溫板的入口與出口之間的所述溫差可從給定的出口溫度下的最大值減小大約40%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，還包括: 分別在所述熱交換器的熱的入口與出口之間和低溫泵盤管入口與出口之間的管線， 所述管線中的常閉閥， 可阻擋所述流穿過(guò)所述冷氣體輸送管線的閥，以及， 在所述引擎的出口與所述熱交換器的返回側(cè)的所述入口之間的旁通閥。
11.一種通過(guò)如下來(lái)急速加熱根據(jù)權(quán)利要求10所述的水蒸氣低溫板的方法: 開(kāi)啟所述旁通閥， 閉合阻擋所述流穿過(guò)所述冷氣體輸送管線的所述閥， 開(kāi)啟所述常閉閥， 運(yùn)行所述引擎。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水蒸氣低溫泵，其特征在于，還包括: 在所述熱交換器的所述熱入口與所述冷返回入口之間的管線， 在所述管線中的常閉閥， 卸壓閥，其允許流僅沿從所述管線的熱端到冷端的所述方向，可阻擋所述流穿過(guò)所述冷氣體輸送管線的閥，以及，在所述引擎的出口與所述熱交換器的返回側(cè)的所述入口之間的旁通閥。
13.—種通過(guò)如下來(lái) 急速加熱根據(jù)權(quán)利要求12所述的引擎和熱交換器的方法:開(kāi)啟所述旁通閥，閉合阻擋所述流穿過(guò)所述冷氣體輸送管線的所述閥，開(kāi)啟所述常閉閥，運(yùn)行所述引擎。
【文檔編號(hào)】F25B9/14GK103930674SQ201280043152
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月6日
【發(fā)明者】R.龍斯沃爾思 申請(qǐng)人:住友(Shi)美國(guó)低溫研究有限公司