专利摘要

用于最小化将质量冷却至低温温度的降温时间的制冷系统包括压缩机、膨胀机、储气罐、互连气体管线和控制系统。通过在降温期间保持接近恒定的高压和低压，所述压缩机的输出被保持接近其最大容量，气体被添加到所述储气罐或从所述储气罐被移除以保持接近恒定的高压，并且所述膨胀机的速度被调节以保持接近恒定的低压，在所述高压和所述低压之间没有气体分流。

权利要求

1.一种用于最小化将质量冷却至低温温度的降温时间的制冷系统，所述制冷系统包括：

压缩机；

膨胀机；

储气罐；

互连气体管线；以及

控制系统，其中，

通过在降温期间保持接近恒定的高压和低压，所述压缩机输出的输出被保持在其最大容量附近，气体被添加到所述储气罐或从所述储气罐被移除以保持接近恒定的高压，并且所述膨胀机的速度被调节以保持接近恒定的低压，在所述高压和所述低压之间没有气体分流。

2.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述膨胀机是布雷顿循环类型发动机。

3.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述膨胀机是GM类型的。

4.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述气体借助背压调节器被添加到所述储气罐，所述背压调节器被连接到所述高压处的管线。

5.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述气体借助电磁阀从所述储气罐被移除，所述电磁阀被连接到所述低压处的管线，所述电磁阀由所述控制系统来致动。

6.根据权利要求2所述的制冷系统，包括气动式活塞。

7.根据权利要求6所述的制冷系统，其中，所述活塞的速度由可变节流孔来控制。

8.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述控制系统包括在朝向所述压缩机的高压气体管线和低压气体管线上的压力变换器。

9.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述膨胀机在70 K和100 K之间的温度下具有最大热力学效率。

10.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述膨胀机的速度具有大于6：1的操作速度范围。

11.根据权利要求1所述的制冷系统，其中，所述膨胀机具有大于3.5：1的操作速度范围。

12.用于最小化将质量冷却至低温温度的降温时间的制冷系统，所述制冷系统包括：

压缩机；

膨胀机；

储气罐；

互连气体管线；以及

控制系统，其中，通过在至低温温度的降温期间保持接近恒定的高压和低压，所述压缩机的输出被保持在其最大容量附近，气体被添加到所述储气罐或从所述储气罐被移除以保持接近恒定的高压，并且所述膨胀机的速度被调节以保持接近恒定的低压。

13.根据权利要求12所述的制冷系统，其中，在低于大约250 K的温度下没有气体从高压分流到低压。

14.根据权利要求12所述的制冷系统，其中，所述低温温度小于100 K。

15.根据权利要求12所述的制冷系统，其中，所述膨胀机具有大于2.4：1的操作速度范围。

16.一种用于最小化将质量冷却至低温温度的降温时间的制冷系统，所述制冷系统包括：

压缩机；

膨胀机；

储气罐；

互连气体管线；以及

控制系统，其中，

通过在至小于100 K的降温期间保持接近恒定的高压和低压，所述压缩机输出的输出被保持在其最大容量附近，气体被添加到所述储气罐或从所述储气罐被移除以保持接近恒定的高压，并且所述膨胀机的速度被调节以保持接近恒定的低压，在低于大约250 K的温度下在所述高压和所述低压之间没有气体分流。

17.根据权利要求16所述的制冷系统，其中，所述膨胀机具有大于2.4：1的操作速度范围。

说明书

技术领域

本发明涉及利用以布雷顿或GM循环操作的制冷机来最小化将质量降温至低温温度的时间的机构。

背景技术

大多数低温制冷机被设计成在长时间段内提供在低温下的制冷，并且在降温期间系统简单性被赋予比效率更高的优先级。大多数膨胀机和压缩机被设计成以恒定速度操作，并且大多数系统具有固定充注气体（通常是氦）。通过膨胀机的质量流率与气体的密度成比例，因此当膨胀机运行而暖热时它比当其是冷的时具有低得多的流率。压缩机定尺寸成提供当该单元是冷的时所需的流率，并且该系统通常设计有内部泄压阀，该内部泄压阀在气体是暖热的时使过量气流分流。当制冷机降温时，冷端中的气体变得更致密，因此系统中的气体的高压和低压下降。该压差下降，并且当制冷机接近其设计操作温度时，全部压缩机流经过膨胀机并且没有分流。当在降温期间气体压力下降时，输入功率也下降。实际上，压缩机上的最重负荷发生在启动时，这时仅使用输出流的一部分。

将质量降温至低温温度的问题与从冷的并且经受来自传导、散热和内部热量产生的热负荷的质量移除热量的问题不同。大多数制冷机被设计成保持负荷是冷的，通常具有变化的热负荷。美国专利5,386,708是通过控制膨胀机的速度来保持恒定温度的低温泵的示例。美国专利7,127,901描述了一种系统，该系统具有供应多个低温泵的一个压缩机供应气体。单个膨胀机的速度被控制，以平衡不同低温泵上的热负荷。美国专利4,543,794描述了通过控制压缩机速度来控制超导磁体中的压力（两个相区域中的温度）。膨胀机和压缩机速度还被控制以最小化功率输入。

在美国专利4,951,471中已经描述了向系统添加气体以补偿气体密度的增加。在美国专利6,530,237中已经描述了利用储气罐在系统中添加和移除气体的使用以用于保存功率。

总体上，本文所述的系统具有在5至15 kW的范围内的输入功率，但是更大和更小的系统可落入本发明的范围内。以布雷顿循环操作以产生制冷的系统包括：压缩机，所述压缩机在高压下供应气体至逆流热交换器；膨胀机，所述膨胀机使得气体绝热地膨胀至低压、排出被膨胀气体（其更冷）、使冷的气体循环通过被冷却的负荷、然后使该气体通过逆流热交换器返回至压缩机。往复的膨胀机具有入口阀和出口阀，以允许冷的气体进入膨胀空间中并且将更冷气体排出至负荷。S. C. Collins的美国专利No.2,607,322描述了已经广泛用于液化氦的早期往复膨胀发动机的设计。该早期设计中的膨胀活塞由曲柄机构驱动成往复运动，所述曲柄机构被连接到飞轮以及可以变速操纵的发电机/马达。对于迄今为此构造的系统来说，压缩机输入功率通常在15至50 kW的范围内。较高功率制冷机通常利用涡轮膨胀机以布雷顿或克洛德循环操作。

少于15 kW的制冷机通常以GM、脉动管或斯特林循环操作。W. E. Gifford和H. O. McMahon的美国专利3,045,436描述了GM循环。这些制冷机使用再生器热交换，其中气体通过填充床来回流动，冷的气体从不离开膨胀机的冷端。这与可将冷的气体分配到远程负荷的布雷顿循环制冷机相反。GM膨胀机构造有机械驱动器（通常是止转棒轭（Scotch Yoke）机构），并且还构造有气动驱动器，例如在US 3,620,029中描述的。美国专利No. 5,582,017描述了控制具有止转棒轭驱动器的GM膨胀机的速度，作为最小化低温泵的再生时间的手段。排出器在US 3,620,029类型的气动式GM循环膨胀机中上下移动的速度由通常是固定的节流孔来设定。这限制了速度可改变但不引发明显损失的范围。申请人的申请PCTUS0787409描述了一种用于US 3,620,029类型的气动式膨胀机的速度控制器，所述气动式膨胀机具有在大约0.5至1.5 Hz的速度范围内操作的固定节流孔，但是效率落后于最佳节流孔设置。通过使节流孔可调节，该膨胀机的速度范围可增加而不损害效率。

该专利的申请人最近提交了用于压力平衡布雷顿循环发动机的申请SN 61/313,868，在5至15 kW功率输入范围内，该布雷顿循环发动机将与GM冷却器竞争。机械式驱动器和气动驱动器都被包括。气动驱动器包括用于控制活塞速度的节流孔。该节流孔能够是可变的，因此当速度变化时可优化设置。

用于该制冷机系统的应用可包括：将超导磁体冷却到大约40 K，然后使用另一机构以将该超导磁体进一步冷却和/或保持该超导磁体是冷的；或者将低温板降温至大约125 K并且操作制冷机以泵送水蒸气。氦会是典型制冷剂，但是在一些应用中可使用其他气体，例如Ar。

发明内容

本发明借助如下操作以在降温至低温温度期间使用压缩机的全部输出功率以便最大化制冷率：a）在接近室温下以最大速度操作膨胀机，然后当负荷冷却时使其减慢；以及b）将气体从储气罐传送到该系统，以便保持在该压缩机处的恒定供应压力。例如，膨胀发动机或GM膨胀机被设计成在大约9 Hz的速度、300 K下操作（该大约9 Hz、300 K降到几乎1 Hz、40 K），并且设计成在保持压缩机处的供应气体压力和返回气体压力之间的接近恒定的压差的速度下操作。膨胀机可具有带有变速马达的机械式驱动器或者具有变速马达的气动式驱动器，所述膨胀机调节旋转阀并且具有可调节的节流孔以当膨胀机速度变化时优化活塞或排出器的速度。

附图说明

图1是结合布雷顿循环发动机的快速降温制冷机组件100的示意图。

图2是结合GM循环膨胀机的快速降温组件200的示意图。

图3是如图1所示的布雷顿循环发动机的优选实施方式的示意图。

具体实施方式

在图1、2和3中示出的本发明的实施方式使用相同的附图标记和相同的示意性图示来识别等同的部件。

对于在无损失的情况下以卡诺循环操作的系统来说，理想制冷率Q通过以下的关系式等于功率输入P_wr：

Q = P_wr*(Tc/(Ta - Tc))

其中，Ta是环境温度，并且Tc是制冷可用时的冷温度。对于气体被绝热地压缩和膨胀的布雷顿循环系统来说，该关系式是：

Q = P_wr*(Tc/Ta)

由此可看出，通过以压缩机被设计成所处理的其最大功率输入来操作该压缩机，Q被最大化。这通过将高压Ph和低压Pl保持在使输入功率最大的恒定值来完成。来自压缩机的质量流率是恒定的。该气体的大部分流入和流出通常是固定容积的膨胀空间，因此当膨胀机降温并且气体变得更致密时，膨胀机的速度需要与Tc大致成比例地减少。在气动式GM或布雷顿膨胀机的情况下，气体的大约5%被转向以驱动活塞，并且在GM膨胀机的情况下，气体的大约30%仅流入和流出该再生器。在实际机器中，其他损失包括由压降、热传递温差、气体的不完全膨胀和电阻等引起的损失。

如图1中示意性地示出的，快速降温制冷机组件100中的主要部件包括压缩机1、变速膨胀发动机2、储气罐10、气体供应控制器16和膨胀机速度控制器17。压力变换器13测量压缩机附近的高压Ph，并且压力变换器14测量在压缩机附近的低压Pl。当高压气体管线20中的压力超过Ph的期望值时（例如，当该系统被暖热时），气体通过背压调节器11流入储气罐10中。当气体供应电磁阀12由气体供应控制器16响应于压力Ph降低低于期望值而打开时，气体流出储气罐10并且流入低压管线21中。管线21中的低压Pl由膨胀机速度控制器17来控制，所述膨胀机速度控制器感测来自压力变换器14的Pl并且在Pl小于期望值的情况下增加发动机2的速度或者在Pl大于期望值的情况下减少发动机2的速度。

膨胀发动机2包括：膨胀驱动器4；缸体5，所述缸体在内部具有往复活塞；冷端6；逆流热交换器7；入口阀8；以及出口阀9。冷端6在其上安装有测量Tc的温度传感器15。通过阀9离开的冷气体流经热交换器27，在该热交换器中，所述气体冷却质量26。全部的冷部件被示包含在真空壳体25中。可包括分流气体管线22和23，用于通过停止发动机2以及打开电磁阀24来快速暖热质量26。这种分流回路可被用于暖热低温板。

如图2中示意性地所示，快速降温制冷机组件200与组件100的不同之处在于，将变速布雷顿循环发动机2替换为变速GM循环膨胀机3。在该缸体5内部的是具有再生器的排出器，所述再生器与发动机2中的热交换器7用于相同的功能。GM膨胀机3产生冷端6内的制冷，因此被冷却的质量26必须被直接附接到冷端6。用于快速暖热质量26的分流回路的选择被示出为包括电磁阀24、气体管线22和23以及热交换器28。如图2中所示的其余部件与图1中的那些部件相同。

图3是布雷顿循环发动机2a的优选实施方式的示意图，该布雷顿循环发动机在图1中被示出为变速膨胀发动机2。发动机2a的操作在本人的申请用于压力平衡的布雷顿循环发动机的SN 61/313,868中被更完整地描述，所述布雷顿循环发动机包括气动式或机械驱动式活塞的选择。机械驱动式活塞更易于适应于变速操作，但是在用于控制活塞速度的节流孔33可被控制的情况下可采用气动式活塞。节流孔控制器18使用温度传感器15作为控制的基础，在发动机降温期间调节节流孔开度以使得冷却最大化，所述冷却被产生用于被保持在接近恒定值的压力和流率。该气动式发动机与机械驱动式发动机相比在机械上更简单，并且出于该原因是优选的。

借助连接通过再生器32的气体通道，在活塞30的冷端处的排出体积40中的压力接近等于在活塞30的暖端处的排出体积41中的压力。入口阀Vi， 8和出口阀Vo， 9由在气体管线38和39中的Ph和Pl之间循环的气体压力来气动地致动。致动器未被示出。示意性地示出的旋转阀37具有用于阀致动器的四个端口36以及切换气体压力至驱动杆31以引起活塞30往复运动的两个端口34和35。

设计具有膨胀发动机2a的系统100的示例包括涡旋压缩机1，所述涡旋压缩机具有5.6 L/s的排量、在2.2 MPa的Ph和0.7 MPa的Pl下6 g/s的氦的质量流率、以及8.5 kW的功率输入。发动机2a具有0.19 L的排出体积40。环境温度被采集是300 K。实际损失包括压缩机、气体管线、热交换器和阀中的压降、热传递损失、电力损失、与压缩机中油循环相关的损失、以及用于气动致动的气体。考虑到这些损失，发动机性能被计算如在表1中列出的。相对于卡诺来计算效率。

表1-计算系统性能

峰值效率是接近80 K，并且损失，主要是在热交换器中的损失，防止该系统变得低于大约30 K。速度以大约7：1的比率改变。被优化以在较低温度下有效地操作的膨胀机会具有较低的排量以及较大的热交换器。该膨胀机还必须在更宽范围的速度上操作，以具有接近室温的高容量。如果在上述示例中膨胀机具有9.0 Hz的最大速度、2.6 Hz的最小速度、3.5：1的速度范围，那么该膨胀机将使用最大压缩机功率直至降到大约80 K。如果低于该温度，则低压将增加、高压将减少并且输入功率和制冷将减少。在40 K下，计算制冷率会减少大约40%并且输入功率减少大约25%。如果上述示例中膨胀机具有7.6 Hz的最大速度、1.9 Hz的最小速度、4：1的速度范围，那么气体在其冷却至250 K时将在压缩机中分流，然后在最大压缩机功率下使用所有气体直到降至大约60 K。大于250 K的话，制冷率将比在250 K下的制冷率稍微高一点，但是输入功率将保持在8.5 kW。如果在该最后示例中最小速度是3.2 Hz、速度范围是大约2.4：1，那么将在最大压缩机功率下使用所有气体从250 K降至大约100 K。

系统100和200二者在图1和图2中都被示出为具有可选的气体分流管线22和23，这些气体分流管线可被用于通过停止发动机2或膨胀机3并且打开阀24来暖热质量26。流率和压力由阀24中或未示出的单独阀中的节流孔的尺寸来设置。管线21中的低压在降温期间可更高，以便增加制冷剂的质量流率并且减少输入功率。当该系统暖热时，气体通过背压调节器11回流回到储气罐10中。

下述权利要求书不限于被引用的具体部件。例如，背压调节器11和电磁阀12可被置换为用于相同功能的主动控制阀。也是在这些权利要求书的范围内，包括小于最优值的操作极限值以使得机械设计简化。

快速降温的低温制冷机专利购买费用说明

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