[发明专利]快速降温的低温制冷机

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