CN107850351B - 具有缓冲器的气体平衡发动机 - Google Patents

Abstract

一种以布雷登循环操作的膨胀式发动机，其是用于在低温温度下产生制冷的系统的一部分，所述膨胀式发动机包括压缩机、逆流热交换器、以及可能在远处的由从所述发动机循环来的气体冷却的负载。所述发动机具有在汽缸中的活塞，在所述活塞移动时在其上方和下方具有几乎相同的压力。将所述汽缸的暖端连接至缓冲罐的阀允许在冷位移体积中的气体的部分膨胀和再压缩，这会增加在每个循环中利用相同压缩机流率所产生的制冷。

Description

具有缓冲器的气体平衡发动机

技术领域

本发明涉及以布雷登循环（Brayton cycle）操作以便在低温温度下产生制冷的膨胀式发动机。

背景技术

以布雷登循环操作以便产生制冷的系统由压缩机组成或者包括压缩机，该压缩机将处于排放压力的气体供应至热交换器，准许气体从该热交换器通过进口阀到膨胀空间；使气体绝热膨胀；通过出口阀排出膨胀的气体（其温度更低）；使冷气体循环通过被冷却的负载；然后使气体通过热交换器返回至压缩机。本领域的先驱S.C.Collins的美国专利2,607,322具有对已经广泛用于使氦气液化的早期膨胀式发动机的设计的描述。膨胀式活塞由连接至飞轮和发生器/马达的曲柄机构驱动而做往复运动。在活塞处于冲程的底部（最小冷体积）的情况下进气阀打开，并且高压气体驱动活塞向上，这使得飞轮速度增加并且驱动发生器。进气阀在活塞到达顶部之前关闭并且膨胀空间中的气体的压力和温度降低。在冲程的顶部处，出口阀打开，并且在活塞被推动向下时，气体流出，所述活塞在其减速时由飞轮驱动。取决于飞轮的大小，飞轮可以继续驱动发生器/马达以输出功率，或者飞轮可以在其用作马达时抽吸功率。

许多随后的发动机都具有相似的设计。所有这些发动机都使大气空气作用在活塞的暖端上并且已经主要被设计用于使氦气液化。返回气体接近大气压力，并且供应压力则大约为10至15个大气压。压缩机输入功率通常在15至50kW的范围内。较低功率的制冷机通常以GM、脉冲管或者斯特林循环（Stirling cycles）操作。较高功率的制冷机通常使用涡轮膨胀机以布雷登循环或者克劳德循环（Claude cycles）操作。较低功率的制冷机使用回热器热交换，其中，气体来回流动通过填充床（packed bed），气体从不离开膨胀机的冷端。这与能够将冷气体分布至远处的负载的布雷登循环制冷机相反。

在设计布雷登膨胀式发动机时需要考虑到两个重要的热力学因素。第一个是恢复由发动机所产生的功的能力。在理想的发动机中，卡诺定理（Carnot principal）表述为理想功输入（Wi）与所产生的冷却（Q）的比率在如果功被恢复的情况下与（Ta-Tc）/Tc成比例，并且在如果功没有被恢复的情况下与Ta/Tc成比例，Ta是环境温度，并且Tc是冷温度。对于300K的环境温度和4K的冷温度，没有功恢复的损失是1.4%。对于Tc=80K，损失为27%。第二损失是由于气体的不完全膨胀。理想地，准许处于高压下的气体至膨胀空间的冷进口阀被关闭，并且活塞继续使气体膨胀直到其达到低返回压力。对于使氦气从2.2 MPa绝热膨胀至0.8 MPa，利用完全膨胀可实现比没有利用膨胀多30%的冷却。即使是膨胀至1.6 MPa也会提供附加的16%的冷却。

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，活塞周围具有工作气体(氦气)。活塞上方（即暖端）的气体压力由连接至两个缓冲体积的阀控制，其中一个缓冲体积的压力约为高压与低压之间的差异的75%，并且另一个缓冲体积的压力约为压力差的25%。电激活的进口阀、出口阀、和缓冲阀定时打开和关闭，以便使得利用活塞上方和下方的小压差向上和向下驱动活塞，因此非常少量的气体会流动通过活塞与汽缸之间的小间隙。活塞中的位置传感器提供用于控制打开和关闭这四个阀的时序（timing）的信号。如果想到用气体活塞代替固体活塞的脉冲管，则在Zhu Shaowei的美国专利5,481,878中可见到同样的“两个缓冲体积控制”。

Shaowei的‘878专利的图3示出了打开和关闭四个控制阀的时序，并且Smith的‘791专利的图3示出了能够通过活塞位置与控制阀的打开和关闭之间的关系的良好时序而实现的有利的P-V图表。该P-V图表的面积是所产生的功，并且最大效率通过使被抽吸到‘791的图3的图表的点1与点3之间的膨胀空间中的气体的量相对于P-V功（其等于所产生的制冷）最小化而实现。

相对于活塞的位置打开和关闭进口阀和出口阀的时序对于实现良好的效率很重要。已建立用于使氦气液化的大多数发动机都已经使用类似于Collins的‘220专利的阀的凸轮致动阀。Smith的‘791专利示出了电致动阀。其它机构包括：如H. Asami等人的美国专利5,361,588中示出的在止转棒轭（Scotch Yoke）驱动轴的端部上的旋转阀、以及如Sarcia的美国专利4,372,128中示出的由活塞驱动轴致动的梭阀（shuttle valve）。在M. Xu等人的美国专利申请2007/0119188中可以找到多端口旋转阀的示例。

R. C. Longsworth于10年3月15日的美国序列号61/313,868描述了一种以布雷登循环操作的往复膨胀式发动机，其中，活塞具有在暖端处的由机械驱动器驱动的驱动杆，或者在高压与低压之间交替的气体压力，并且在活塞移动时，在驱动杆周围的区域中在活塞的暖端处的压力基本上与在活塞的冷端处的压力相同。活塞的暖端上的压力由一对阀控制，该对阀在活塞朝着冷端移动时将暖位移体积连接至低压管线，并且在活塞朝着暖端移动时连接至高压管线。这以低压气体的形式提供了一些功恢复，低压气体被抽吸到暖位移体积中，其被压缩且被添加至高压管线中的气体。R. C. Longsworth的美国专利8,776,534中描述了在活塞移动时维持活塞的暖端上的压力的另一装置，所述压力几乎与冷端处的压力相同。该膨胀式发动机与‘868申请不同之处在于，在活塞朝着冷端移动时，用将高压管线连接至位移体积的阀来代替在暖端处的将低压管线连接至暖位移体积的阀。添加了与其平行的另一阀，以便在活塞处于冷端处时快速地加压暖位移体积。这相对于‘868申请而言具有如下优点：在暖端处不需要主动阀，但其具有如下缺点：气体在冷端处膨胀所输出的功率没有任何恢复。

R. C. Longsworth于10年10月8日的专利申请S/N 61/391,207描述了对以布雷登循环操作的往复膨胀式发动机的控制，如在先前申请中所描述的，该往复膨胀式发动机使得其能够使用于将质量冷却至低温温度的时间最小化。这些机构可以用在本申请中，但不在此进行描述。

发明内容

本发明通过在暖端处添加缓冲体积以便容许气体的部分膨胀从而提高了在‘868申请和美国专利8,776,534中描述的发动机的效率。添加了阀，该阀将暖位移体积连接至缓冲体积，缓冲体积接近在高压与低压之间的平均压力，其是在高压与低压之间的压力（即，中间压力）。这容许冷进口阀在活塞到达暖端之前被关闭，并且在活塞的暖端处的压力朝着缓冲体积中的平均压力或者中间压力降低时允许活塞继续朝着暖端移动并且使冷气体膨胀。气体在该循环阶段期间流到缓冲体积中，并且在活塞处于冷端处或附近时且在冷进口阀打开之前流出，或者在冷进口阀打开之前流出。

附图说明

图1示出了发动机100，发动机100将缓冲体积和缓冲阀添加至在美国专利8,776,534中描述的发动机的暖位移体积。

图2示出了发动机200，发动机200将缓冲体积和缓冲阀添加至在美国专利申请S/N61/313,868中描述的发动机的暖位移体积。其还在高压管线与暖位移体积之间添加第二阀。

图3示出了用于在图1和图2中示出的发动机的压力-体积图表。

图4a、图4b和图4c示出了用于在图1和图2中示出的发动机的阀打开和关闭顺序。

具体实施方式

本发明的在图1和图2中示出的两个实施例使用相同的数字和相同的图示法来识别等效部分。由于膨胀式发动机通常被定向为使冷端向下，以便使热交换器中的对流损失最小化，活塞从冷端朝着暖端的移动常常被称为向上移动，因此活塞上下移动。该循环描述假定氦气在2.2 MPa下被供应并且在0.8 MPa下返回。

图1是发动机组件100的横截面/示意图。活塞1在汽缸6中往复，汽缸6具有冷端盖9、暖安装凸缘7、以及暖汽缸头8。驱动杆2附接至活塞1并且在驱动杆汽缸69中往复。在冷端处的位移体积DVc，3通过活塞1和密封件50与在暖端处的位移体积DVw，4分离。在驱动杆上方的位移体积DVs，5通过密封件51与DVw分离。管线33将DVs，5连接至在低压返回管线31中的低压Pl。管线32将DVw 4连接至缓冲阀Vb，14、阀VWo，15、阀Vwp，16、以及阀Vwh，17。缓冲阀Vb，14连接至缓冲体积20。阀Vwo通过热交换器42连接至高压管线30中的高压Ph。阀Vwp，16和Vwh也连接至高压管线30。让三个阀连接至高压管线30的原因在于，使得环境温度气体通过Vwp，16和Vwh，17流到DVw，4中，然后在气体由DVw，4中的压缩加热之后使其通过Vwo，15流出，并且在流回到高压管线30中之前在热交换器42中被冷却。阀Vwp，16与Vwh，17的不同之处在于，当活塞1处于冷端处时，其允许高流率以便对DVw，4加压，而Vwh，17具有限制的流以便在活塞向下移动时控制其速度。管线30中的处于高压的气体流动通过逆流热交换器40，然后通过管线34至冷进口阀Vci，10，所述冷进口阀Vci，10准许气体至冷位移体积DVc，3。气体流出DVc，3，通过冷出口阀Vco，11，然后通过管线35、冷热交换器41、以及管线36，以便通过逆流热交换器40返回至压缩机，其全都处于低压下。

图2是发动机组件200的横截面/示意图。该发动机组件200与发动机组件100的不同之处在于其用阀Vwl，18来取代阀Vwh，17，阀Vwh，17将处于Ph下的管线30连接至DVw，4，阀Vwl，18则将处于Pl下的管线31与DVw，4连接，并且添加了阀Vsi，12和Vso，13。发动机100通过将来自管线30的Ph通过阀Vwh，17连接至DVw，4来向下驱动活塞，同时维持驱动杆2上的Pl。发动机200通过将来自管线30的Ph通过阀Vsi，12连接至DVs，5来向下驱动活塞，同时通过将DVw，4通过阀Vwl，18连接至管线31来维持DVw，4中的Pl。

未示出的选项是利用机械力来取代驱动杆2上的气动力。

图3示出了用于两个发动机100和200的压力-体积图表，Vc是冷位移体积DVc，3。P-V图表的面积等于每个循环所产生的制冷。该设计的目的是利用最小的气体量来使图表的面积最大化。图4a和图4b示出了用于发动机100的阀打开和关闭顺序，并且图4c示出了用于发动机200的阀打开和关闭顺序。P-V图表上的状态点数字与在图4a、图4b和图4c中示出的阀打开/关闭顺序相对应。实线表示阀打开的时候，并且虚线表示阀可以打开或者关闭的时候。P-V图表上的点1表示处于冷端处的活塞1，最小DVc。DVw处于Ph下，并且DVs处于Pl下。Vci打开从而准许空气在Ph下至VDc。当DVw中的气体被压缩为超过Ph时，由于驱动杆2上存在低压，所以VDc增加。DVw中的气体被推动出通过阀Vwo至高压管线30。在点2处，活塞1已经移动了其至暖端的多于三分之二的路径。这时，Vci和Vwo被关闭，然后将Vb打开，以便使气体流到缓冲体积中，并且随着活塞1继续进行至暖端，DVc和DVw中的压力降低了至Pl的压力的约30%至45%。在点3处，Vb被关闭，然后将Vco打开，并且DVc和DVw中的压力降低至Pl。在管线32中的气体从点3处的压力膨胀至Pl时，DVw将略微增加。在点4处，Vwh被打开，并且活塞1然后移动至冷端，点5。在活塞1快要到达冷端之前，Vwh被关闭。Vco在点5与点1之间的任何时间被关闭。在点5处，将Vb打开以便允许气体从缓冲体积20流至DVw并且当Vb被关闭时将VDw中的压力增加至在点6处的压力。在该点处的压力几乎与在缓冲体积中的压力相同。在点6处，将Vwb打开以便快速地将DVw中的压力升至Ph。然后在从点1处开始重复该循环之前关闭Vwb。在点2与点3之间进入缓冲体积20中的气体流等于在点5与点6之间流出的流，并且在缓冲体积20中导致中间压力Pi。用于该实施例的缓冲体积20的合理大小为约2.5倍的DVw。

图4b示出了在点4处打开阀Vb而不是Vwh的选项，并且在到达点5之后将阀Vb关闭，然后在打开Vci之前打开和关闭Vwp。该阀顺序选项允许缓冲体积20中的中间压力Pi低于前一阀顺序，Vci将更快地被关闭，即，点2被移至左侧，并且Dvc中的气体膨胀至更低的压力。在活塞1从点2移动至点3时，DVc和DVw中的压力可以降低约从Ph至Pl的压力的70%。这还会消除对Vwh的需要。

在图4c中示出的用于发动机200的阀时序图表与用于发动机100的阀时序图表的不同之处在于，利用Vwl，18来取代阀Vwh，17，并且添加了阀Vsi，12和Vso，13。Vsi准许高压气体至VDs，5以便在点4与点5之间向下推动活塞1，并且Vso将VDs，5连接至Pl以便产生力的不平衡，这会在点1与点3之间向上驱动活塞1。Vwl，18在点3处打开，并且在Vco在点4处打开之前让管线32中的压力下降至Pl。在点4与点5之间被抽吸到DVw中的气体受到压缩并且在点1与点2之间在高压下返回至管线30。这表示以至冷端的附加气体流的形式对由发动机所做的一些功的恢复，这会增加所产生的制冷。应注意，如果通过机械装置来使活塞1往复，则不需要Vsi和Vso。驱动杆2的面积在处于冷端处的活塞1的面积的8%至15%的范围内，因此当冷端9处的温度为约80K时，其使用来自压缩机的约3%的流来上下驱动活塞1。对于气体从点2至点3的相同膨胀，所产生的制冷的百分数的增加对于所有冷温度大约都是相同的。然而，由于功恢复所引起的制冷的增加与(Th-Tc)/Th成比例，因此，用于气动驱动发动机200的额外阀在低于约50K的情况下不会获得比发动机100更多的制冷，但对于超过100K的温度具有大量收获。

M. Xu等人的美国专利号8,783,045描述了一种GM或者GM类脉冲管膨胀机，其将连接至汽缸的暖端的缓冲体积用作用于减小输入至制冷机的功率的装置。这通过如下方式来完成：当位移器到达顶部时，关闭来自压缩机的供应阀，并且然后打开至缓冲体积的阀以便使压力朝着缓冲体积中的压力降低。然后关闭缓冲阀，并且打开使气体返回至压缩机的阀。在返回阀关闭之后且在供应阀打开之前，气体从缓冲体积流回至汽缸。P-V图表必须是矩形，没有膨胀或者再压缩，因为这会减小每个循环流至膨胀机的流。GM和GM类脉冲管在暖位移体积与冷位移体积之间具有制冷机，因此，在暖端与冷端之间永不会存在太大的压力差。另一方面，布雷登活塞则不会固有地在活塞的两端上具有相同的压力。GM膨胀机中的气体的膨胀和再压缩可以通过提早关闭供应阀和返回阀实现，但不通过添加缓冲体积来实现。

将缓冲体积添加至气体平衡布雷登发动机与将其添加至GM或者GM类脉冲管膨胀机具有不同的效果。由于P-V图表的面积的增加，所以布雷登发动机会在每个循环产生更多冷却。通过将‘045专利的缓冲体积应用至美国专利号8,776,534和美国申请序列号61/313,868的布雷登循环发动机能够提供该额外冷却不是明显的。

表1提供了对于在2.2 MPa的Vci处和在0.8 MPa的Vco处的压力计算出的制冷能力的示例。来自压缩机的氦气流率为5.5 g/s。活塞直径为82.4 mm，并且冲程为25.4 mm。假定热交换器（HX）效率为98%。用于发动机100和200的制冷率（Q）基于图3的P-V图表并且将其与在点2后不具有气体膨胀的现有设计作比较。Tc是流动通过Vci的气体的温度，并且N是该循环的速率。

表1 计算性能

<u>发动机</u>	<u>现有</u>	<u>100</u>	<u>200</u>
				P-V膨胀-%	0	36	36
恢复	否	否	是
Tc - K	70	70	70
				N - Hz	2.4	3.2	3.6
HX流-g/s	5.3	5.3	5.9
				Q - W	270	370	410
				Tc - K	140	140	140
N - Hz	4.7	6.2	7.6
				HX流-g/s	5.3	5.3	6.3
Q - W	720	910	1,100

由于热交换器的损失对于发动机1与对于现有发动机来说是一样的，所以由于缓冲体积的使用而引起的制冷的百分数增加在较低温度下更显著。相对于发动机1，让更多气体流至发动机2中的冷端所带来的一些好处被在热交换器中的更多损失抵消。

尽管以布雷登循环操作的膨胀式发动机已经通常用于在低于120K的温度下产生制冷且使气体液化，但其也可以在高达160K的温度下应用于低温泵水蒸汽。

Claims (7)

1.一种膨胀式发动机，利用从压缩机供应的气体操作，用于在低于160K的温度下产生制冷，所述气体在处于高压下的第一管线中被供应并且在处于低压下的第二管线中被返回，所述膨胀式发动机包括：

汽缸中的活塞，所述活塞具有在所述活塞的暖端处的驱动杆、在所述汽缸的冷端处的冷进口阀和在所述汽缸的所述冷端处的冷出口阀，在所述活塞接近所述汽缸的所述冷端时且当所述活塞朝着所述汽缸的所述暖端移动了至少三分之二的路径时所述冷进口阀打开以准许高压气体至冷位移体积，并且在所述活塞接近所述汽缸的所述暖端时且当所述活塞移动至所述汽缸的所述冷端时所述冷出口阀打开以将气体排出至低压，其中，力被施加至所述驱动杆以导致所述驱动杆往复；

缓冲体积，通过第三管线连接至在所述活塞的所述暖端与在所述驱动杆的区域外部的所述汽缸的所述暖端之间的暖位移体积，所述第三管线具有在所述第三管线中的缓冲阀，所述缓冲阀在所述冷进口阀关闭之后被打开并且在所述冷进口阀打开之前被关闭，其中，所述缓冲体积仅与所述暖位移体积连通；以及

一组阀，用于在所述活塞移动时将所述暖位移体积中的压力维持为大约与在所述冷位移体积中的压力相同。

2.根据权利要求1所述的膨胀式发动机，其中，所述驱动杆上的所述力是气动力和机械力中的一个。

3.根据权利要求2所述的膨胀式发动机，其中，在所述驱动杆上的所述气动力是当所述活塞朝着所述冷端移动时来自所述第一管线的处于高压下的气体以及当所述活塞朝着所述暖端移动时返回至所述第二管线的处于低压下的气体。

4.根据权利要求3所述的膨胀式发动机，其中，所述一组阀包括：暖出口阀，所述暖出口阀在所述活塞接近所述汽缸的所述冷端时且在所述活塞朝着所述暖端移动了至少三分之二的路径时将气体返回至处于高压下的所述第一管线；以及暖进口阀，所述暖进口阀在所述活塞接近所述汽缸的所述暖端时且在所述活塞移动至所述冷端时准许气体来自处于低压下的所述第二管线。

5.根据权利要求1所述的膨胀式发动机，其中，所述驱动杆上的所述力是在所述活塞往复时被供应至和返回至所述第二管线的处于低压下的气体。

6.根据权利要求5所述的膨胀式发动机，其中，所述一组阀包括：暖出口阀，所述暖出口阀在所述活塞接近所述汽缸的所述冷端时且在所述活塞朝着所述暖端移动了至少一半路径时将气体返回至处于高压下的所述第一管线；以及暖进口阀，所述暖进口阀在所述活塞接近所述汽缸的所述暖端时且在所述活塞移动至所述冷端时准许气体来自处于高压下的所述第一管线和所述缓冲体积中的一个。

7.一种利用膨胀式发动机在低于160K的温度下产生制冷的方法，

所述膨胀式发动机包括：

汽缸中的活塞，所述汽缸包括暖端和冷端，并且所述活塞具有在所述活塞的暖端处的驱动杆；

缓冲体积，经由缓冲阀连接至暖位移体积，所述暖位移体积包括在所述驱动杆的区域外部的所述活塞的所述暖端与所述汽缸的所述暖端之间的空间，其中，所述缓冲体积仅与所述暖位移体积连通；

所述方法包括如下步骤：

（a）给所述膨胀式发动机供应来自压缩机的供应管线的处于高压下的气体；

（b）经由返回管线将所述气体返回至所述压缩机，所述返回管线处于比所述供应管线中的所述高压更低的压力下；

（c）使所述活塞在所述汽缸中在所述冷端与所述暖端之间往复；

（d）当所述活塞处于所述汽缸的所述冷端处或附近时并且当所述活塞朝着所述汽缸的所述暖端移动时，准许气体经由冷进口阀从处于所述高压下的所述供应管线至所述汽缸的所述冷端；

（e）当所述活塞处于朝着所述汽缸的所述暖端的至少三分之二的路径处时，关闭所述冷进口阀，然后在所述活塞移动至所述汽缸的所述暖端时准许气体至所述缓冲体积；

（f）在所述活塞移动至所述汽缸的所述冷端时，经由冷出口阀将气体从所述汽缸的所述冷端排出至所述返回管线；

（g）在当所述冷出口阀打开时的至少一部分时间期间，准许气体经由所述缓冲阀从所述缓冲体积至所述暖位移体积；

（h）在所述活塞移动时，将在所述驱动杆的区域外部的所述活塞的所述暖端上的压力维持为大约与所述活塞的所述冷端上的压力相同。

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