气体平衡布雷顿循环式冷水蒸气低温泵的制作方法
【专利摘要】本发明将使用气体平衡布雷顿循环制冷器来冷却水蒸气低温泵。制冷器包括压缩机、气体平衡往复式引擎以及逆流式热交换器。其通过隔热输送管线连接于低温泵。选择包括具有可调整系统压力的阀的气体储存容积、变速引擎、绕过引擎的压缩机与低温板之间的气体管线，以及绕过热交换器的气体管线。该系统可急速冷却和加热，在不加热引擎的情况下使低温板急速加热和冷却，以及当低温板热负载减小时减少功率输入。
【专利说明】气体平衡布雷顿循环式冷水蒸气低温泵
【技术领域】
[0001]本发明涉及由通常具有在5kW到20kW的范围内的输入功率的气体平衡布雷顿循环制冷器冷却的水蒸气低温泵。
【背景技术】
[0002]授予SHI Cryogenics的三个最近的专利申请描述了气体平衡布雷顿循环膨胀引擎和使从室温到低温温度的冷却时间最小化的控制系统。以布雷顿循环操作来产生制冷的系统由在排放压力下向逆流式热交换器供应气体的压缩机构成，其容许气体通过冷入口阀到膨胀空间，使气体绝热地膨胀，通过出口阀排出膨胀的气体(其为较冷的)，使冷气体循环穿过待冷却的负载，接着使气体通过逆流式热交换器返回至压缩机。
[0003]由R.C.Longsworth提交的日期为3/15/10的专利申请S/N 61/313，868描述了以布雷顿循环操作的往复膨胀引擎，其中，活塞具有在热端处的传动柄，其由机械传动件或在高压与低压之间交替的气体压力驱动，并且在传动柄周围的区域中的活塞的热端处的压力与在活塞移动时在活塞的冷端处的压力基本上相同。由R.C.Longsworth提交的日期为10/8/10的专利申请S/N 61/391，207描述了以布雷顿循环操作的往复膨胀引擎的控制，如前述申请中所述，其使得该引擎能够使物质冷却到低温温度的时间最小化。
[0004]由S.Dunn等人提交的日期为5/12/11的美国专利申请S/N 13/106，218描述了促动膨胀器活塞的备选器件。专利申请61/313，868和13/106,218中描述的引擎在该申请中被称为"气体平衡布雷顿循环引擎"。该引擎具有许多有利特点，当其用于冷却低温板时，其在IlOK到170K的范围内的温度下冷凝水蒸气。由S.Dunn于4/28/06提交的名称为"Compressor With Oil Bypass〃的公布的专利申请US 2007/0253854中描述了用以不出创新的用于该应用中的压缩机系统。
[0005]从20世纪50年代后期开始，在低温泵送技术中做了许多工作，以支持空间计划。由Schueller提交的日期为11/28/61的美国专利3，010，220描述了具有以液体致冷剂冷却的低温板的空间模拟室。由Holkeboer等人提交的日期为3/30/65的美国专利3，175，373描述了大真空系统，该大真空系统具有常规的机械泵和扩散泵以及液体致冷剂冷却的低温板。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 页中的名称为〃Helium Refrigerators for Operation inthe 10-30K Range"的论文描述了具有能够在20K下产生超过1.0kff的制冷的往复膨胀引擎的大型布雷顿循环制冷器。该制冷器开发以在大型空间模拟室中低温泵送空气。由Hogan等人提交的日期为8/29/67的美国专利3，338, 063中描述了由液氮和GM制冷器冷却的早期小型低温泵。吸收小于IOkW的输入功率的GM型制冷器从那时起主导了泵送所有气体的冷却低温板的市场，由Longsworth提交的日期为4/79的美国专利4，150, 549为实例。从20世纪70年代早期开始，以在120K到170K的范围内的温度和500W到3，OOOff的容量低温泵送水蒸气已经由如Missimer提交的日期为10/30/73的美国专利3，768，273中描述的使用混合气体的制冷器主导。由Flynn等人提交的日期为6/10/03的美国专利6，574，978描述了控制冷却和加热该类型的制冷器的速率的器件。
[0006]本申请通过使用通常循环氦的气体平衡布雷顿循环制冷器，背离了使用具有在大约150K下的大约500到3，OOOff的容量的混合气体制冷剂制冷器来泵送水蒸气的当前实践。
【发明内容】
[0007]气体平衡布雷顿制冷器用于冷却低温板，在真空室中，该低温板以在IlOK到170K的范围内的温度操作来泵送水蒸气。可用于将来自制冷器的气体放入罐中或使其返回到制冷器的气体储存罐和阀的添加使得在不损失来自系统的气体的情况下能够调整高压和低压。还可改变引擎速度。控制压力和引擎速度的能力使得能够通过在冷却期间以最大容量操作压缩机来快速冷却。控制压力和引擎速度的能力还使得能够在冷却负载减小时的操作期间减小功率。通过调整操作压力比，还可以调整低温板的入口与出口之间的温差。此外，低温板的急速加热和冷却通过具有使大部分压缩机流循环到低温板的热气体管线和阀，同时保持一些流穿过引擎和热交换器以使它们保持冷的来实现。另一个特征为制冷器的热交换器周围的旁通管线，该旁通管线使得引擎和热交换器能够急速加热。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1示出了系统100，系统100包括由气体平衡布雷顿循环制冷器和辅助设备冷却的水蒸气低温泵的基本构件。
【具体实施方式】
[0009]图1为系统100的示意图，由气体平衡布雷顿循环制冷器冷却的水蒸气低温泵包括附加的管道和控制件，该附加的管道和控制件使得能够实现许多新颖的特征。
[0010]气体平衡布雷顿循环制冷器的基本构件包括压缩机1、引擎2、逆流式热交换器6、在高压下的热气体管线7，以及在低压下的热气体管线8。引擎2示为具有入口阀4和出口阀5，入口阀4和出口阀5由旋转阀3控制的气体气动地促动。专利申请S/N 13/106, 218中更全面地描述了该引擎，并且在专利申请S/N 61/313，868中描述了附加的设计。引擎2和热交换器6安装在真空壳体9中。专利申请公告第US 2007/0253854号描述了油润滑的水平涡旋的压缩机和系统，该系统包括压缩机1，并且用于示出本发明的特征。
[0011]水蒸气低温泵送盘管或低温板21安装在水蒸气低温泵的真空室20中。隔热管线22使冷气体从引擎2传递到盘管21，而隔热管线23使较热的冷气体返回到热交换器6。隔热管线22和23示为借助于在真空壳体9处的卡口连接件26和27以及在室20处的类似的卡口(未示出)可除去地连接在各个端部处。在引擎2与卡口 26之间的冷气体管线18具有截流阀24。同样地，在卡口 27与热交换器6之间的类似的冷气体管线19具有截流阀
25。旁通阀37将来自引擎出口阀5的冷气体管线连接于热交换器6的返回侧。泵出阀28在卡口 26正下方连接到冷的管线18中。
[0012]低温泵盘管21具有与盘管加热管线30和31的连接，该管线30和31分别通过阀32和33连接于热气体管线7和8。热交换器6使用旁通管线36加热，旁通管线36具有联线的常闭阀34和卸压阀35。当其首先被连接时并且在其冷却时，可向系统供应来自连接于低压管线8的外部缸的气体，但当系统变热时其可损失。气体储存罐10和分别将罐10连接于高压管线7和低压管线8的阀11和12的添加允许在正常操作下节约气体，以及调整系统中的压力以利用该系统实现可能的创新中的一些。如果除去截流阀24和25以外的任何构件，或如果管道中存在故障，则将损失一些气体。
[0013]系统控制器16接收来自高压换能器13、低压换能器14、冷引擎温度传感器15，以及具体控制功能所需的其它传感器的输入，并且输出信号，该信号通过连接于旋转阀3、压力控制阀11和12、盘管加热阀32和33、热交换器加热阀34、冷供应和回流阀34和35、旁通阀37，以及其它未示出的可选的控制件的管线来控制引擎速度。
[0014]假定在将制冷器连接于真空室20之前，制冷器就已经装有气体。该申请中示出了氦(单原子气体)和氮(双原子气体)两者的使用。阀24，25，32和33闭合以便保留气体。真空室20中的低温泵盘管21通过在制冷器端部处的卡口 26和27中以及真空室20端部处的类似卡口中插入和密封隔热管线22和23来连接于真空壳体9中的管线18和19。盘管加热管线30和31连接于阀32和33。无论什么气体位于这些管线中，当它们相连接时都使用连接于泵出端口 28的小真空泵来除去该气体。接着，开启阀24和25，并且制冷剂从储存罐10且可能从外部气缸流至管线。真空室20在冷却之前被抽空。
[0015]低温泵盘管21在旁通阀32，33，34和37闭合的情况下冷却。引擎2、热交换器6、冷的管线18和19、隔热管线22和23，以及低温泵盘管21的初始急速冷却在仅列出的旁通阀闭合而阀24和25开启的情况下完成。对于本压缩机，通过以在整个冷却中的其最大输入功率、2.2MPa的高压和0.SMPa的低压操作压缩机来实现快速冷却。在该时段期间，气体添加于系统，并且引擎2的速度与低温泵盘管21的绝对温度大约成比例地减小。本引擎速度将从大约6Hz降到3Hz。
[0016]低温泵盘管21的急速再生成通过隔离其与系统的其余部分以及使其加热同时使其余的冷构件保持为冷的来完成。冷供应阀24和冷回流阀25闭合，旁通阀37开启，并且接着盘管加热旁通阀32和33开启。引擎2的速度设定成保持其操作温度。对于本引擎，这可能为大约IHz的速度。来自压缩机的大部分流在室温下流入低温泵盘管21中并且使其加热。穿过低温泵盘管21的流速部分地通过管线30和31以及阀32和33中的限制部来设定，或者可添加分离的控制阀(未示出)。来自压缩机的流可最大化，同时通过以接近其最大值的低压和较低的高压(例如，分别为0.8MPa和1.4MPa)来操作而保持低功率输入。
[0017]旁通管线36与其它阀结合使用可使系统的全部冷的部分急速加热，或者可单独使引擎2和热交换器6加热。为了使全部冷的区段加热，除开启的热交换器旁通阀34外的阀保留在它们的正常操作状态下。卸压阀35设定成保持大约0.5MPa的高压与低压的压差，并且低压将设定为大约0.SMPa用于以本压缩机来最快地加热。引擎2的速度设定成足够低的以保持大于0.5MPa的压差，以平衡穿过引擎2的气流与穿过旁通阀36和盘管21的流，以便所有构件具有一致的加热速率。为了使引擎2和热交换器6加热而不使冷的构件的平衡加热，旁通阀34开启，阀24和25闭合，并且旁通阀37开启。压力和引擎速度如之前描述地设定。
[0018]如果冷却负载减小，则可节约功率。在涡旋式压缩机中，进入第一凹穴的几乎所有气体都流出，质量流速几乎与入口压力成正比。输入功率随高压和低压变化，并且通过减小低压和压力比来减小。制冷也减少。表I中给出了本涡旋式压缩机的功率减小的实例。该实例使用压缩机的位移来计算质量流速，但接着采用绝热过程，在计算功率输入、制冷速率以及在气体进入和离开引擎2时气体中的温度变化时没有损失，接着使与其流过低温泵盘管21相同的量的气体加热。实际输入功率大约50%以上，并且制冷器和输送管线中的热损失减少了大约25%的温度变化。假定引擎2的速度调整成使用在设定压力下的所有流。已经采用了引擎2的可变速度，但如果当为冷的时，设定对应于最佳速度(例如，对于本膨胀器大约为3Hz)的固定速度，则功率减小仍为可实现的，但冷却和加热由于一些气体以较高的温度在压缩机I中绕过而较慢。
[0019]虽然本系统设计成用于氦，但表I还示出了氮的实例。当氮被压缩和膨胀时，氮与氦相比具有较小的温度变化，并且因此为更有效的制冷剂。两个实例使用338L/m的压缩机位移来计算流速。
[0020]表1-氦和氮的流入和流出膨胀器的气体的所计算的理想的绝热输入功率、冷却以及温度变化的比较。
[0021]气体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
绝热功率 _kW5.70 2.87 4.43 2.35
膨胀器 Tin-K140 140 140 140
膨胀器 Tout-K93 112 92 110
理想的冷却-W1,774 1,609 1,362 861
膨胀器 Tin-K170 170 170 170
膨胀器 Tout-K113 136 112 133
理想的冷却-W2,154 I, 298 I, 654 I, 045
气体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
绝热功率 _kW5.40 2.79 4.19 2.28
膨胀器 Tin-K140 140 140 140
膨胀器 Tout-K105 119 104 118
理想的冷却-WI, 886 I, 110 I, 450 896 膨胀器 Tin-K170 170 170 170
膨胀器 Tout-K127 145 126 143
理想的冷却-W2, 290 I, 348 I, 761 I, 088
这些实例示出的是，输入功率可通过减小高压同时使低压保持恒定，以及通过减小低压来减小。输入功率在这些实例中减小了 50%。本压缩机能够在更低水平的输入功率下操作。冷却速率也减小。在这些实例中，从大约2.75到1.75的压力比的减小导致大约40%的气体的温度变化减小。
[0022]比较氮与氦,所看到的是,输入功率比氦稍低而冷却速率稍高。
【权利要求】
1.一种水蒸气低温泵，包括: 气体平衡布雷顿循环制冷器，冷气体输送管线， 低温板和包含所述低温板的真空室，所述气体平衡布雷顿循环制冷器至少包括: 压缩机、逆流式热交换器，以及气体平衡引擎。
2.根据权利要求1所述的水蒸气低温泵，其特征在于，所述气体平衡布雷顿循环制冷器结合了气体储存容积、用于储存来自所述制冷器高压的气体的器件以及用于使气体返回到所述制冷器低压的器件，所述储存容积容纳在正常操作期间所需的所有所述气体以避免气体排放出所述系统或添加至所述系统。
3.根据权利要求2所述的水蒸气低温泵，其特征在于，所述气体平衡布雷顿循环制冷器的所述输入功率可通过储存气体在所述储存容积中来减小，以减小所述低压和/或所述压力比。
4.根据权利要求2所述的水蒸气低温泵，其特征在于，所述气体平衡布雷顿循环制冷器的所述输入功率可通过减小所述低压和/或所述压力比来减小到其最大值的不到50%。
5.根据权利要求1所述的水蒸气低温泵，其特征在于，所述气体平衡布雷顿循环制冷器的引擎可以以可变速度操作。
6.根据权利要求1所述的水蒸气低温泵，其特征在于，为了最大的压缩机输出，低温板的冷却时间通过控制所 述高压和所述低压以及引擎速度来最小化。
7.根据权利要求1所述的水蒸气低温泵，其特征在于，所述水蒸气低温泵具有器件，其通过使来自所述气体平衡布雷顿循环制冷器的压缩机的所述热气体流中的一些循环穿过所述低温板，同时使来自所述压缩机的所述气体的余量循环穿过所述引擎和所述热交换器来急速加热所述低温板而不加热所述引擎。
8.根据权利要求1所述的水蒸气低温泵，其特征在于，所述引擎、所述热交换器、所述隔热管线以及低温板的加热时间借助于开启绕过所述热交换器的管线中的阀来最小化。
9.根据权利要求2所述的水蒸气低温泵，其特征在于，所述低温板的入口与出口之间的所述温差可从给定的出口温度下的最大值减小大约40%。
10.根据权利要求1所述的水蒸气低温泵，其特征在于，还包括: 分别在所述热交换器的热的入口与出口之间和低温泵盘管入口与出口之间的管线， 所述管线中的常闭阀， 可阻挡所述流穿过所述冷气体输送管线的阀，以及， 在所述引擎的出口与所述热交换器的返回侧的所述入口之间的旁通阀。
11.一种通过如下来急速加热根据权利要求10所述的水蒸气低温板的方法: 开启所述旁通阀， 闭合阻挡所述流穿过所述冷气体输送管线的所述阀， 开启所述常闭阀， 运行所述引擎。
12.根据权利要求1所述的水蒸气低温泵，其特征在于，还包括: 在所述热交换器的所述热入口与所述冷返回入口之间的管线， 在所述管线中的常闭阀， 卸压阀，其允许流仅沿从所述管线的热端到冷端的所述方向，可阻挡所述流穿过所述冷气体输送管线的阀，以及，在所述引擎的出口与所述热交换器的返回侧的所述入口之间的旁通阀。
13.—种通过如下来 急速加热根据权利要求12所述的引擎和热交换器的方法:开启所述旁通阀，闭合阻挡所述流穿过所述冷气体输送管线的所述阀，开启所述常闭阀，运行所述引擎。
【文档编号】F25B9/14GK103930674SQ201280043152
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年6月26日 优先权日:2011年7月6日
【发明者】R.龙斯沃尔思 申请人:住友(Shi)美国低温研究有限公司