CN103814191A - 气体平衡低温膨胀式发动机 - Google Patents

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Abstract

按布雷顿循环操作的膨胀式发动机，是在低温温度产生制冷的系统的一部分，其包括压缩机、逆流式换热器和可能在远程的负载，其由从发动机循环的气体冷却。该发动机具有在气缸中的活塞，当活塞在移动时，该活塞上方和下方的压力基本上相同。活塞驱动杆上的低压力提供了使活塞移动趋向热端的力失衡。

Description

气体平衡低温膨胀式发动机
发明的背景
1.技术领域
本发明涉及一种膨胀式发动机，其按布雷顿(Brayton)循环进行操作以在低温温度产生制冷。
2.背景技术
一种按布雷顿循环操作以产生制冷的系统包括压缩机，该压缩机向逆流式换热器供给处于排气压力的气体，气体从该换热器通过进气阀进入膨胀空间，该气体绝热地膨胀，通过排气阀排出膨胀了的气体(其更冷)，该冷气体循环通过正被冷却的负载，然后该气体通过该逆流式换热器返回到该压缩机。
本领域的先驱S.C.Collins的美国专利2,607,322有对早期的膨胀式发动机的设计的描述，其已经被广泛用来液化氦气。膨胀活塞被连接到飞轮和发电机/电动机的曲柄机构驱动作往复运动。在活塞处于冲程的底部(最小冷体积)时进气阀打开，并且高压力气体驱动活塞向上，这促使飞轮速度增大并驱动发电机。在活塞到达顶部之前，进气阀关闭，并且膨胀空间中的气体的压力和温度下降。在冲程的顶部，排气阀打开，并且随着活塞被向下推动，由在其减速时的飞轮驱动，气体流出。根据飞轮的大小，它可以继续驱动发电机/电动机以输出功率，或者它可以提取功率，此时它充当电动机。
进气阀和排气阀通常由连接到飞轮的凸轮驱动，如S.C.Collins的美国专利3,438,220中所示的。该专利描述了一种机构，其不同于先前的专利，其联接活塞与飞轮的方式不会在活塞的热端处的密封件上施加侧向力。
J.G. Pierce的美国专利5,355,679描述了一种进气阀和排气阀的替代设计，所述进气阀和排气阀类与220中的阀的类似之处在于都是被凸轮驱动并且具有处于室温的密封件。
H.Hattori等人的美国专利5,092,131描述了一种苏格兰轭式驱动机构和由往复运动活塞致动的冷的进气阀和排气阀。所有这些发动机具有作用于活塞的热端上的大气，并且已经被设计成主要是用以液化氦气、氢气和空气。返回气体接近大气压力，供给压力大约是10到15个大气压。压缩机输入功率通常是在15至50千瓦的范围内。
较低功率的制冷机通常是按GM、脉冲管或斯特林(Stirling)循环操作。较高功率的制冷机通常是按使用涡轮膨胀机的布雷顿或克劳德(Claude)循环操作。WE.Gifford和H.O.McMahon的美国专利3,045,436描述了GM循环。较低功率的制冷机使用再生器换热器，其中气体来回流动通过填充床，气体从未离开膨胀机的冷端。这与能够将冷气体分配至远程负载的布雷顿循环制冷机形成对比。
′220的Collins类型发动机中的发电机/电动机所回收的能量的量相对于压缩机功率输入来说小，所以在许多应用中，机械简单性通常比效率更重要。J.F.Maguire等人的美国专利6,202,421描述了一种发动机，其通过使用用于活塞的液压驱动机构来去除飞轮和发电机/电动机。进气阀由螺线管致动，并且排气阀由螺线管/气动组合致动。液压驱动的发动机的动机是提供一种小而轻的发动机，其能够可拆卸地连接到超导磁体用以使它冷却下来。权利要求覆盖可拆卸连接。
J.L. Smith的美国专利6,205,791描述了一种膨胀式发动机，其具有自由浮动活塞，且工作气体(氦气)围绕着该活塞。活塞上方即热端的气体压力是由连接到两个缓冲体积的阀控制，一个缓存体积的压力是高压力与低压力之间的差值的大约75％，另一个体积的压力是该压力差值的大约25％。电激活的进气阀、排气阀和缓冲阀被正时(timed)打开和关闭，使得活塞被驱动上下移动，且活塞的上方和下方的压力差值小，所以极少气体流动通过活塞和气缸之间的小间隙。活塞中的位置传感器提供用于控制这四个阀的打开和关闭的正时的信号。
如果有人将脉冲管想象是用气体活塞代替实心活塞，则会在Zhu Shaowei的美国专利5,481,878中看到相同的“双缓冲体积控制”。Shaowei的专利′878的图3示出了四个控制阀的打开和关闭的正时，Smith的专利′791的图3示出了有利的P-V图，其能够由活塞位置与控制阀的打开和关闭之间的关系的良好正时来获得。该P-V图的面积是所产生的功，并且最高效率是通过在′791的图3的点1和3之间相对于P-V功最小化被吸入到膨胀空间中的气体的量来获得(它等于产生的制冷)。
进气阀和排气阀相对于活塞位置的打开和关闭的正时对获得好效率来说是重要的。已经被构造成液化氦气的大部分发动机使用了类似于Collins专利′220的凸轮致动阀。Smith的专利′791和Maguire的专利′421示出了电致动阀。其它机构包括如H.Asami等人的美国专利5,361,588所示的在苏格兰轭式驱动轴的端部上的旋转阀和如Sarcia的美国专利4,372,128所示的由活塞驱动轴致动的梭阀(shuttle valve)。
与本发明中描述的那些类似的多端口旋转阀的例子在M.Xu等人的美国专利申请2007/0119188中找到。R.C.Longsworth的美国专利6,256,997描述了使用″O″形圈来减少与在冲程的端部处撞击的气动致动活塞相关的振动。这能够适用于本发明。
R.C.Longsworth的申请日为2010年3月15日的专利申请序列号61/313,868描述了一种按布雷顿循环操作的往复运动膨胀式发动机，其中，活塞具有在热端处的由机械驱动或在高低压力之间交变的气体压力驱动的驱动杆，并且在活塞移动时，驱动杆周围区域中的活塞的热端处的压力基本上相同于活塞的冷端处的压力。该概念的气动致动版本的测试已经表明：没有必要在杆上在高低之间交变压力来促使活塞往复运动，而是有可能将杆上的压力维持在低压力。这简化了发动机的构造，因为它现在仅需致动冷的高压力和低压力阀。
R.C.Longsworth的申请日为2010年10月8日的专利申请序列号61/391,207描述了按布雷顿循环操作的往复运动膨胀式发动机的控制，如前一申请中所描述的，其允许它使用以将物质冷却到低温温度的时间最少化。
发明内容
本发明以新的方式组合在先设计的特征以获得良好效率。它提供了对我们的序列号为61/313,868的专利申请的基本设计概念的简化，其中，存在带有驱动杆的活塞，当它在移动时，具有在驱动杆周围的热端与活塞的冷端之间的小压力差值。
驱动杆被连接到通往压缩机的低压力线路，热排出体积通过两条线路被连接到来自压缩机的高压力线路，所述两条线路中每条线路均具有止回阀和固定的或可调剂的阀，当冷的进气阀打开时活塞从冷端移向热端，并在冷的排气阀打开时移向冷端。从压缩机高压力线路到热排出体积的这两条线路中的可调节阀能够使循环在宽范围的速度(和温度)内得到最优化。在来自压缩机的高压力线路与热排出体积之间能够增加第三线路，其具有在活塞处于冷端时打开的主动或被动阀。
附图说明
图1示出发动机100，其具有以截面示出的在气缸中处于热端的带有驱动杆的活塞，以及阀和换热器的示意图。该示意图示出了连接在热排出体积与压缩机低压力线路之间的线路，带有主动阀。
图2示出发动机200，其具有以截面示出的在气缸中处于热端的带有驱动杆的活塞，以及阀和换热器的示意图。该示意图示出了连接在热排出体积与压缩机低压力线路之间的线路，带有在驱动杆中的被动阀。
图3示出在图1和2中所示的发动机的压力-体积图。
图4示出了在图1和2中所示的发动机的阀打开和关闭顺序。
具体实施方式
图1和2中示出的本发明的两个实施例使用相同附图标记和相同的示意图来识别相当的部分。因为为了最小化换热器中的对流损失，膨胀式发动机通常取向成冷端朝下，所以，活塞从冷端趋向热端的移动经常被称为向上移动，因此，活塞上下移动。
图1是发动机组件100的截面/示意图。活塞1在气缸6中往复运动，气缸6具有冷端帽9、热安装凸缘7和热气缸盖8。驱动杆2连在活塞1上并且在驱动杆气缸69中往复运动。冷端处的排出体积DVc3与热端处的排出体积DVw4由活塞1和密封件50分开。驱动杆上方的排出体积DVs5与DVw由密封件51分开。线路32连接DVs5到低压力回流线路31中的低压力Pl。线路37连接线路30中的高压力通过可调节阀Vwi15和止回阀CVi13到DVw4。线路38连接DVw4通过止回阀CVo13和可调节阀Vwo15到线路30中的高压力。热端换热器42也在该线路中。发动机100与发动机200的不同之处在于主动阀Va35，其在打开时允许气体通过线路39从线路30中的Ph流至DVw4。
当进气阀Vi10在DVc3处于最小而打开时产生制冷，在DVc处于Ph而克服DVw中的平衡压力向上推动活塞1，则关闭Vi，打开Vo11，气体随着它流出至Pl而在DVc中膨胀，随着它膨胀而冷却。当活塞1往回朝向冷端9移动时，处于Pl的气体被推出DVc。通过Vo流出的冷气体经过线路35到达换热器41，在这里它由正被冷却的负载加热，然后流动穿过线路36到达逆流式换热器40，在这里它冷却处于Ph的进气，先于高压力气体流动通过线路34到达Vi10。
在打开Vi10之前，借助于在活塞1在冷端处静止的同时已经打开的Va16，VDw4中的压力处于Ph。当Vi打开时，DVc3和DVw4中的压力接近Ph，但是DVs5中的压力是Pl，这形成力失衡，由此驱动活塞1趋向热端。压力稍高于线路30中的压力的气体通过CVo12和可调节阀Vwo14流出。活塞1移动趋向热端的速度由Vwo14的设置来决定。当DVw最小时，Vi10关闭且Vo11打开。来自处于Ph的线路30的气体流动通过线路38，通过可调节阀Vw15和CVi13，进入DVw4，推动活塞1趋向冷端。活塞1移动趋向冷端的速度由Vw15的设置来决定。当Va16打开时，对DVw4的加压的过程促使气体变热，与冷端处的过程相反。
当气体通过线路37被推出时，该热在换热器42中被移除。
需要以驱动杆2上处于Pl的气体和DVc3和DVw4中处于Ph的气体所形成的力失衡来克服气体流动通过线路37、换热器40和进气阀Vi10时Ph中的压力降低。该力失衡还克服密封件50和51中的摩擦。在实际的机器中，驱动杆2的面积通常是活塞1的冷端的面积的5％至15％，并且取决于发动机要运行多快。
图2是发动机组件200的截面/示意图，其与发动机组件100的不同仅在于用被动阀Vp17代替主动阀Va16。被动阀Vp17最方便地被内置于驱动杆2中，从而在活塞1接近冷端时使处于Ph的气体被准许进入DVw4。在图2所示实施例中，Vp17包括围绕驱动杆2的气缸盖8中的环形槽18、在驱动杆2上具有滑动配合的密封套圈19、和在外侧且由保持器环21保持就位的″O″形密封环20、以及由驱动杆2中的端口23连接的横端口22和24。处于Ph的气体从线路30通过线路33连接到环形槽18。当活塞1接近冷端时，该气体通过Vp17被准许进入DVw4。准许处于高压力的气体进入DVw中会推动活塞1至冷端，而Vo11仍然打开。
专利申请序列号61/313,868描述了进气阀Vi10和排气阀Vo11的优选结构，这两者都是通过从多端口旋转阀循环出来的气体在室温被气动地致动的。
如果发动机是要用于冷却负载，并且一个人想保持来自压缩机的恒定功输出，那么就有必要在室温以最大发动机转速开始，并且随着它变冷而降低发动机转速。这是通过降低多端口旋转阀的速度并调节阀VWo14和VWi15而完成的，从而使得活塞1实现全冲程但是不会在热端长时间停留，并且一旦DVw处于Ph，活塞就从冷端移动趋向热端。替代地，有可能在阀Vwi15和Vwo14处于固定位置的情况下以恒定速度进行操作来在最低温度进行操作。如果速度是固定的，那么在冷却期间，压缩机将旁通一些气体。
图3示出了压力-体积图，并且图4示出了在图1和2中所示的发动机的的阀打开和关闭顺序。P-V图上的状态点数字对应于图4所示的阀打开/关闭顺序。阀打开和关闭的正时没有示出，仅示出顺序。P-V图上的点1表示活塞1处于冲程的末端，DVc最小，DVw处于Ph，DVs处于Pl。Vi打开，从而准许处于Ph的气体至VDc。当DVw中的气体通过线路37被推出的同时，VDc增加。在点2处，Vi关闭，然后点3处，Vo打开，因此DVc中的压力降至Pl。活塞1朝向冷端移动少量到点4，因为随着DVc降至Pl，活塞上方的余隙体积中的处于Ph的气体膨胀。气体通过线路38流入DVw中并且当它流动通过Vwi15时压力从Ph降至Pl，直到VDc为最小，点5。在该点，Va16或Vp17打开，准许处于Ph的气体至VDw4。点6是Vo11关闭时的点。
表1提供了制冷能力的例子，其是对于在Vi处为2.2MPa且在Vo处为0.8MPa的压力来计算的。氦流量是6.0g/s并且包括流向用于Vi和Vo的阀致动器的流和用以允许空隙体积的气体。换热器效率被假定为98％。
发动机被假定为具有可变速度驱动器，一种用来控制活塞的速度和阀正时的机构，以提供全冲程，其只在冲程的热端处有短暂停留时间并且在底部有足够的停留时间以完全加压DVw4。发动机的尺寸被制作成将物质从室温冷却至约30K，假定热时的最大速度为6Hz。最佳速度几乎正比于绝对温度。
发动机在整个冷却的大部分中使用假定压力下的假定流量。制冷冷却能力Q和操作速度N对200K和60K的Vi处的温度T被列出。很明显，发动机能够被设计成以固定速度在狭窄的温度范围内操作，例如120K，用于冷却低温泵来捕获水蒸汽。相对于Camot的发动机效率随着它冷却并且发动机减慢而提高，因为气体的较少部分被用在热端。效率在80K时最高，然后下降，因为换热器损失占支配地位。
表1计算性能
Figure BPA0000183088790000071
其它实施例在以下权利要求书的范围之内。例如，如果Vwo14能够被设计成对于流进DVw4比起流出具有不同的特性，则能够去除有Vwi15的线路38、和CVi16以及CVo12。如果没有CVo12的Vwo14能够在Va或Vp将已经打开时的短时间内打开，那么也可以去除Va16和Vp17。如果循环正时不理想，则循环仍然会产生大量制冷。

Claims (6)

1.一种膨胀式发动机，其以处于高压力和低压力的从压缩机供给的气体进行操作用于在低温温度产生制冷，包括：
在气缸中的活塞，所述活塞具有在热端处的有低压力作用在其上的驱动杆，在所述气缸的冷端处的进气阀和排气阀在所述活塞接近所述气缸的冷端时且在它移动趋向热端时准许高压力气体进入，并在所述活塞接近所述气缸的热端时且在它移动趋向冷端时将气体排向低压力；和
在所述活塞移动时将所述驱动杆的区域之外的所述活塞的热端上的压力维持在与所述活塞的冷端上大致相同的压力的装置。
2.根据权利要求1所述的膨胀式发动机，其中，在所述活塞移动时维持压力大致相同的装置包括被连接在所述热端与来自压缩机的高压力线路之间的线路，这些线路带有与节流阀串联的进气止回阀和与节流阀串联的排气止回阀。
3.根据权利要求2所述的膨胀式发动机，其中，当所述活塞接近所述冷端时，通过来自压缩机的高压力线路与所述活塞的热端之间的主动阀和被动阀中的一个，使在所述活塞的热端上的压力从低压力上升到高压力。
4.根据权利要求3所述的膨胀式发动机，其中，所述被动阀被包含在所述驱动杆中。
5.根据权利要求2所述的膨胀式发动机，其中，所述活塞在热端与冷端之间移动的速度通过改变所述节流阀的设置而得到改变。
6.根据权利要求2所述的膨胀式发动机，其中，通过带有所述排气止回阀的线路中的冷却器从热端移除热量。
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