CN100455949C - 低温致冷机杂质清除的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种从GM型低温致冷机去除杂质的方法，该GM型低温致冷机结合有用油润滑的压缩机，其中这种杂质是在维修该致冷机的过程中被引入的，其中用干净油更换至少一部分油。

Description

低温致冷机杂质清除的方法

发明领域

本发明涉及低温致冷机，尤其涉及脉冲管致冷机、GiffordMcMahon(GM)致冷机和苏威(Solvay)致冷机，其使用空气调节型用油润滑的压缩机。

技术背景

这些致冷机包括蒸发器，有时被称为冷头(coldhead)，其通过气体供给和返回管道与远处的压缩机相连。这些系统广泛用于冷却MRI磁体和低温泵。这些致冷机具有相对于压缩机以低速运行的蒸发器，因此能够在4K到20K的温度范围内有效的产生致冷。压缩机中的油通常在油分离器中从氦操作液中除去，油分离器将油返回到压缩机，油分离器之后是吸附器，大概每18个月更换吸附器。

虽然制造过程已经发展到确定氦足够干净，使得新致冷机可以在稳定的温度运行很长时间，但是发现在维修期间有时引入杂质。这可以导致操作温度升高。当这种情况发生时，发现在现有技术中去除这些杂质是很困难的，并且通常更换压缩机以恢复可接受的操作。

本发明揭示了一种在致冷机变脏之后将其返回到可接受的操作的方法，这是本发明的目的。

发明内容

在维修4K GM型致冷机之后，由于在蒸发器中杂质的积累，有时使得温度慢慢的升高。维修蒸发器包括：卸下气体管道，当蒸发器变暖时排出氦，取下驱动装置，更换封口，重新组装，用干净氦清洗，重新连接气体管道，以及重启致冷机。连接蒸发器和压缩机的气体管道通常具有自封闭接合器，当它们连接时通常仅允许极少量的空气与氦混合。有时，磨损的接合器允许过量的空气与氦混合。最终在蒸发器中将杂质排除在外(freeze out)。可以通过在蒸发器冷却时断开气体管道、连接排气阀、然后使蒸发器变热并在气体膨胀时排出收集的气体来去除蒸发器中的杂质。用干净氦清洗去除了来自蒸发器的残留杂质。压缩机也可以用干净氦清洗，但是这不能总是完全去除残留的杂质，以阻止再次在蒸发器中具有杂质积累的重复，并且导致冷却温度慢慢升高。

比通过更换压缩机来解决这个问题更好的方法是，发现可以通过首先隔离蒸发器、使其加热并用高纯度氦对其清洗，然后用干净油更换压缩机中的油来解决这问题。这在消费者处就可以完成，因此节省了可观的费用。

附图简述

图1为广泛用于冷却MRI磁体的GM致冷机的示意图，示出了用于填充油或从压缩机排出油的端口。

发明详述

GM循环致冷机通过使用油润空气调节型压缩机，能够在很低的温度产生致冷，并且可靠性高、寿命长和价钱低。通过使用具有很低蒸汽气压的油(比如Union Carbide LB 100X)、真空烘焙以去除杂质、以及知道如何去除当离开压缩机时进入到氦中的油，使得这成为可能。

图1为GM致冷机10的示意图，其包括蒸发器70、供给气体管道48、返回气体管道49和压缩机系统15。在用于冷却MRI磁体的当前4K GM致冷机中的蒸发器的描述包含在美国专利5481879中。气体管道通常是弹性SS波纹管型管道，其末端具有

自封闭接合器44。这里描述的压缩机系统是Sumitomo重工(SumitomoHeavy Industries)制造的CSW-71型。美国专利6488120描述了具有许多相似特征的压缩机。

在压缩机系统15中主要部件是压缩机20、油分离器30、吸附器40、油/氦冷却器50和缓冲罐60。氦以低压(比如0.7Mpa)通过气体管道49从蒸发器70返回，该气体管道49在返回端口45与压缩机系统10相连。然后氦通过缓冲罐60流向压缩机20的入口。缓冲罐60在系统中用于消除由在大约1Hz操作的蒸发器70和在大约50或60Hz操作的压缩机20所产生的压力脉冲。一些压缩机具有用作缓冲罐的在低压下的壳体，但是示出的压缩机是蜗管型压缩机，其使低压氦直接进入蜗管21。蜗管21由电动机22驱动。

管道26中已经在50中冷却的油也被注入蜗管，其中它和氦混合，结果氦和油都被压缩。混合物从蜗管的中心排出，并且大部分的油从氦分离出来并集中在压缩机的底部23中。

高压氦(比如2.1Mpa)流过管道27和冷却器50，然后进入油分离器30。在分离器30中从氦分离出来的油通过管道31、过滤器32和管口43返回到压缩机入口。离开分离器30的氦流进包括通气压安全阀43、压力传感器41和电磁阀42的集合管。当传感器41指示达到压力上限时，控制器(未示出)打开阀42，应该正常的流过吸附器40、供给端口45和气体管道48到达蒸发器70的气体迂回回到缓冲罐60。通过经由管道51流入和经由管道52流出的水在50中冷却氦和油。氦经由填充端口47加入到系统。油可以经由填充端口24加入到系统，并通过端口25排出。

油分离器30十分高效，但是它确实允许大约100mL/yr的油进入到吸附器40。吸附器可以容纳最少800mL，但是因为油进入蒸发器70的严重性，建议每两年更换吸附器40。在吸附器的入口和出口处的自封闭接合器44使得可实现在用户处更换吸附器。还将油加入到压缩机20以补偿在吸附器40中除去的油。每两年的例行维修还包括：停止蒸发器70，将蒸发器70加热到室温，卸下蒸发器处的气体管道48和49，从蒸发器排出气体，拆开蒸发器来维修活塞环和阀碟，重新装配蒸发器，连接氦供给瓶，从蒸发器清洗空气，然后用气体管道48和49更换维修气体配件。

在正常情况下，执行维修不会引入杂质到氦循环中。但是，如果空气确实进入到系统并与氦混合，已经发现除了水之外空气中的所有成分相对容易除去。润滑油具有很强的吸水性，并且只有当其被加热到大约300℃时才快速释放水。接近室温时，水经过几个月的周期从油中散发。在蒸发器中水的聚集是在其它杂质已被除去之后蒸发器温度升高的首要原因。

本发明基于将压缩机20中的油更换从而将被水污染的系统回到其原始操作条件的观测结果。

虽然以下不打算作为关于该过程的工作的说明，但是要求系统功能如下。

CSW-71压缩机系统承载大约3.8L已被真空烘焙的油。这些油中的大约1L充满油分离器。剩余的主要分布在压缩机20的底部23和油冷却器50中。油冷却器50被构造成：使得油从冷却器50排出并返回到压缩机的底部23。因此可能通过排出阀25从压缩机排出差不多3L油。如果假设将油真空烘焙可以在油中剩下大约30ppm的水，并且蒸发器可以承受油中约50ppm的水，那么为了在混合之后系统中的油具有平均50ppm，计算得到在分离器中不可能去除的油可以具有约125ppm的水。当然，当干净的油具有30ppm以下的水含量时，将可以排出更少的油，或是可以容纳更高的污染等级，或是二者都可以。

因为维修系统的问题引入这么高程度的污染是不可能的，并且对于不能与CSW-71一样更换大部分的油的系统，为了将污染程度减小到可接受的程度而更换油的过程对系统起作用也是不可能的。

在本发明的第二实施例中，部分油排出和再填充过程可以被重复执行一次或多次，以逐渐的减少在油中包含的污染。这种多次排出-再填充过程在一些系统中是实用的，在这些系统中以单次排出-再填充操作去除所需量的油是不可能或不切实际的。当尽可能多的油被更换，之后压缩机可以在气体管道断开的情况下运行，直到杂质均匀地与油混合。然后再将一部分油更换。

尽管这个过程直接应用于由Sumitomo重工制造的当前的4KGM致冷机，但是这个过程也可以用于具有被污染的用油润滑的压缩机的任何GM致冷机。大多数系统具有油填充端口，使得可以在更换吸附器之后加入油。这可以用于通过将压缩机翻转到其一侧而排出油。

没有发现当前的系统具有油排出阀。根据本发明设计的新系统具有油排出端口，其便于油的去除和更换。尽管发现可能通过油填充端口从系统排出大约40％的油，但当安装了油排出端口时，能够被去除的量几乎加倍。

以上描述的CSW-71压缩机代表了本发明的优选实施例，因为：a)它具有油冷却器，当系统关闭时排回到压缩机，b)它具有用于添加油的油填充端口，c)它具有在压缩机底部用于去除油的油排出阀，及d)大约79％的大部分油可以被排出和更换。其它类似的压缩机可以用于替换本优选实施例的CSW-71压缩机，只要它们具有油填充端口和油排出端口中的至少一个。

Claims (12)

1、一种从GM、脉冲管或苏威型低温致冷机中去除杂质的方法，该低温致冷机包括油润滑的压缩机，该方法包括：用干净油更换该压缩机中的至少一部分油。

2、一种从GM、脉冲管或苏威型低温致冷机中去除杂质的方法，该低温致冷机包括油润滑的压缩机，其中该杂质在维修该致冷机的过程中被引入，该方法包括：用干净油更换至少一部分所述油。

3、如权利要求2所述的方法，其中在所述维修期间将蒸发器从所述压缩机断开。

4、如权利要求1所述的方法，其中所述杂质是水。

5、如权利要求1所述的方法，其中所述更换被重复多次。

6、如权利要求4所述的方法，其中用含水少于50ppm的充足的干净油更换所述低温致冷机中充足的油，以使得在所述低温致冷机中油的平均水含量不大于50ppm。

7、如权利要求6所述的方法，其中所述干净油具有大约30ppm的水含量。

8、如权利要求6所述的方法，其中所述干净油具有低于30ppm的水含量。

9、如权利要求4所述的方法，其中更换所述低温致冷机中至少25％的油。

10、如权利要求1所述的方法，其所述低温致冷机为GM型低温致冷机。

11、如权利要求1所述的方法，其所述低温致冷机为苏威型致冷机。

12、如权利要求1所述的方法，其所述低温致冷机为脉冲管致冷机。

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