CN108474370A - 带有双后冷却器的氦气压缩机 - Google Patents

Abstract

油润滑的氦气压缩机系统位于环境空气温度在15℃到30℃之间的室内环境中。该系统包括压缩机、接收压缩的氦气和油的混合物且通过分离的端口排放氦气和油的压缩机内部或外部的分离器、用于实现氦气和油的冷却的水冷却后冷却器、用于实现氦气和油的冷却的空气冷却后冷却器，空气冷却后冷却器包括换热器和风扇，两个冷却器串联连接，从氦气排放端口延伸且通过水冷却后冷却器和空气冷却后冷却器的第一管线，氦气由水冷却后冷却器和空气冷却后冷却器中的一个或两个冷却；以及从油排放端口延伸通过两个冷却器的第二管线。

Description

带有双后冷却器的氦气压缩机

技术领域

本发明大体上涉及用于以吉福德-麦克马洪(Gifford McMahon)(GM)和布雷顿(Brayton)循环操作的低温制冷系统的氦气压缩机单元。更具体而言，本发明涉及如果供水或供气存在堵塞在水冷却与空气冷却之间提供冗余的双后冷却器。

背景技术

授予McMahon等人的美国专利号2,906,101中描述了GM循环制冷机的操作的基本原理。GM循环制冷机由压缩机构成，压缩机将排放压力下的气体供应到入口阀，入口阀允许气体通过再生器进入膨胀空间，在冷端换热器内绝热地使气体膨胀，在该处，其从受冷却的物体接收热，然后将低压下的气体通过再生器和出口阀返回压缩机。GM循环已经成为小型商用制冷机中产生低温温度的主要手段，主要是因为其可利用批量生产的油润滑的空调压缩机来以最低成本建造可靠、长寿命的制冷机。尽管氦气由设计的制冷剂替代，但GM循环制冷机在空调压缩机的设计极限内的压力和功率输入下操作良好。通常，GM制冷机在大约2MPa的高压和大约0.8MPa的低压下操作。GM制冷机中的冷膨胀机通常由5m到20m长的气体管线从压缩机分开。膨胀机和压缩机通常安装在室内，且压缩机通常由水冷却，最常见的是由水冷却器单元循环的水。安装在室内的空气冷却压缩机通常由空调空气冷却，空调空气在15℃到30℃的温度范围中。

以Brayton循环操作以产生制冷的系统由将排放压力下的气体供应到换热器的压缩机构成，由此允许气体从换热器通过入口阀进入膨胀空间，绝热地使气体膨胀，通过出口阀内排放膨胀气体(其更冷)，将冷气体循环通过受冷却的负载，然后使其在低压下通过换热器回到压缩机。在低温下操作的Brayton循环制冷机还可设计成利用用于GM循环制冷机的相同压缩机操作。

不利地，设计成用于空调服务的压缩机在压缩氦气时需要附加冷却，因为包括氦气的单原子气体在压缩时比标准制冷剂变得更热得多。美国专利号7,674,099描述了使由Copeland Corp.制造的涡旋压缩机适于将油连同氦气一起注入涡管中的手段，使得大约2%的排量用于泵送油。大约70%的压缩的热在热油中离开压缩机，而余下的在热氦气中。

Copeland压缩机水平地定向，且需要外部散装油分离器来从氦气除去大部分油。广泛用于压缩氦气的另一个涡旋压缩机由Hitachi Inc.制造。Hitachi压缩机垂直地定向，且使氦气和油通过压缩机的顶部处的分离的端口直接地进入涡管，且将其排放到压缩机的壳内。大部分油与壳内的氦气分离，且在底部附近流出壳，同时氦气在顶部附近流出。使用Copeland和Hitachi涡旋压缩机的氦气压缩机系统在一个或多个后冷却器中具有用于氦气和油的分离的通道。热从油和氦气传递至空气或水。冷却的油返回到压缩机，而冷却的氦气在流到膨胀机之前通过第二油分离器和吸附器。美国专利号7,674,099将后冷却器8示为由水冷却的单个换热器。这是用于在冷冻水可用的室内操作的氦气压缩机系统的典型布置。一些氦气压缩机系统具有位于室内的空气冷却后冷却器，但其将额外的热负载置于空调系统上，所以更通常的是具有安装在室外的空气冷却后冷却器，其与压缩机整体结合或与压缩机分离。美国专利号8,978,400示出了带有Hitachi涡旋压缩机的布置，其具有在室外由空气冷却的油冷却器，且所有其它带有氦气的室内构件通过空气或水冷却。如'400专利中所述，将具有氦气的所有构件保持在室内的空调环境(其中温度在15℃到30℃)中最大程度地减小从热油演变的污染物，且延长了最终的吸附器的寿命。

专利DE3023925 描述了一种带有水冷却后冷却器的氦气压缩机系统，其具有利用空气冷却的换热器和循环水的泵来冷却水的选择。该布置将氦气/油与水的换热器的温差加至水与空气的换热器，且导致了将更多污染物释放到氦气中的较高的氦气和油的温度。

发明内容

本发明的目的在于提供利用膨胀机、优选GM循环膨胀机操作来产生低温温度下的制冷的氦气压缩机的后冷却器中的冗余。重要应用在于冷却在接近4K温度下操作且需要很可靠的操作的超导MRI磁体。大多数MRI系统位于医院中，且具有可用的冷冻水，所以氦气压缩机中的主后冷却器是水冷却的。在水冷却系统的故障情况下，本发明提供了使用空气冷却后冷却器的备用冷却。优选的选择在于具有与水冷却后冷却器串联的空气冷却后冷却器，且第二选择在于具有两个并联的后冷却器。

附图说明

图1为具有与水冷却后冷却器串联的空气冷却后冷却器的油润滑的氦气压缩机系统的示意图。

图2为具有与水冷却后冷却器并联的空气冷却后冷却器的油润滑的氦气压缩机系统的示意图。

具体实施方式

在附图中相同或相似的部分具有相同的标号，且不重复描述。

图1为具有与水冷却后冷却器串联的空气冷却后冷却器的油润滑的氦气压缩机系统的示意图，且图2为具有与水冷却后冷却器并联的空气冷却后冷却器的油润滑的氦气压缩机系统的示意图。这些图示出了垂直Hitachi涡旋压缩机，而水平Copeland压缩机的示意图是相似的。

所有附图中共同的压缩机系统构件为：压缩机壳2、壳中的高压容积4、压缩机涡管13、驱动轴14、马达15、油泵18、压缩机的底部中的油26、油回流管线16、氦气回流管线17、来自涡管的氦气/油混合物排放19、油分离器7、吸附器8、主油流控制孔口22、控制来自油分离器的油的流量的孔口23、从油分离器7到吸附器8和内部泄压阀35的气体管线33、从内部泄压阀35到氦气回流管线17的气体管线34、吸附器入口气体联接件36、将高压氦气通过管线49供应到膨胀机1且使低压下的气体通过管线50、联接件38和管线17返回到压缩机的吸附器出口气体联接件37。

图1中的压缩机系统100示出了与空气冷却后冷却器6串联的水冷却后冷却器5。高压氦气从压缩机2流过管线20，管线20延伸通过后冷却器5和6到油分离器7。高压油从压缩机2流过管线21，管线21延伸通过后冷却器5和6到主油控制孔口22。与氦气和油成对流传热关系，冷却水9流过后冷却器5。风扇27与氦气和油成对流传热关系驱动空气通过后冷却器6。

该系统中的应用通常是室内的，其中在10℃到30℃之间的温度下的冷冻水是可用的，且水冷却后冷却器6是主冷却器。氦气和油通常以接近室温离开后冷却器5，所以可允许风扇27连续地运转，而不从空气传递大量热或将大量热传递至空气。使风扇连续地运转在水回路受阻的情况下提供了冗余，而不必须采取任何动作。另一个选择在于感测离开水冷却后冷却器5的氦气和/或油的温度，且具有控制电路，其在温度超过限定温度时开启风扇27，且在温度降到低于限定温度时关闭风扇27。此温度传感器可如传感器30所示安装。

图2为压缩机系统200的示意图。其示出了油润滑的氦气压缩机系统的示意图，其具有与水冷却后冷却器5并联的空气冷却后冷却器6。氦气在高压下从压缩机2通过管线40流到三通阀24，三通阀24示出在允许氦气在管线41中流过水冷却后冷却器5然后通过管线43连接到油分离器7的位置上。油在高压下从压缩机2通过管线45流到三通阀25，三通阀24示出在允许油在管线46中流过水冷却后冷却器5然后通过管线48连接到主油控制限制器22的位置上。为了将氦气和油从流动通过后冷却器5转换到空气冷却后冷却器6，三通阀24和25逆时针旋转90°。在阀切换时，氦气在管线42中流过空气冷却后冷却器6，然后通过管线43到油分离器7，且油在管线47中流过空气冷却后冷却器6，然后通过管线48到主油控制限制器22。阀的切换可为手动或自动的，且基于如上文所述的温度传感器30来控制。风扇27将在氦气和油流过空气冷却后冷却器6时开启。确定正在使用哪个后冷却器的控制系统，在存在故障时，在从一个后冷却器切换至另一个时，在开启和关闭风扇时，以及在打开和关闭供水阀时，可作为压缩机系统的部分包括在内或位于外部控制系统中。

使水冷却后冷却器作为主冷却器的优先选择是典型的，但可存在空气冷却后冷却器是主冷却器而水冷却后冷却器用作备用的情况。还有可能的是，在冬季使用空气冷却后冷却器来帮助加热建筑物，而在夏季使用水冷却后冷却器来最大程度地减小空调上的负载。一些MRI磁体在运输期间通过运行使用空气冷却压缩机的制冷机来保持冷却，因为电力可用，但冷却水不可用。

虽然对于冷却4K下的MRI磁体的GM循环制冷机已最详细地描述本发明，但其还可适用于Brayton循环制冷机和例如150K下的冷却低温泵面板的应用。将进一步理解的是，其能够进行进一步的修改、使用和/或改变，大体上遵循本发明的原理，且包括与归入本发明所属领域中的已知或习惯实践内的本公开的此类偏离，且可应用于前文所述的基本特征，落入本发明的范围或所附权利要求的限制内。另外，应理解的是，本文以及摘要使用的短语和用语是为了描述目的，且不应当认作是限制性的。

还应理解的是，以下权利要求旨在覆盖本文所述的本发明的全部一般和具体特征。

Claims (10)

1.一种油润滑的氦气压缩机系统，其位于环境空气温度在15℃到30℃之间的室内环境中，所述压缩机系统包括：

压缩机；

在压缩机内部或外部的分离器，其接收压缩的氦气和油的混合物并将氦气和油通过分离的端口排放，

用于实现氦气和油的冷却的水冷却后冷却器，

用于实现氦气和油的冷却的空气冷却后冷却器，所述空气冷却后冷却器包括换热器和风扇，所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器串联连接：

第一管线，其从氦气排放端口延伸并经过所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器，氦气由所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器中的一个或二者冷却；以及

第二管线，其从油排放端口延伸并经过所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器，油由所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器中的一个或二者冷却；

其中所述第一管线和所述第二管线是分离的。

2.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，所述第一管线和所述第二管线在经过所述空气冷却后冷却器之前经过所述水冷却后冷却器。

3.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，其包括连接到控制器上的一个或多个传感器。

4.一种油润滑的氦气压缩机系统，其位于环境空气温度在15℃到30℃之间的室内环境中，所述压缩机系统包括：

压缩机；

在压缩机内部或外部的分离器，其接收压缩的氦气和油的混合物并将氦气和油通过分离的端口排放，

水冷却后冷却器；

空气冷却后冷却器；

第一管线，其从氦气排放端口延伸并经过三通阀，然后经过所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器中的一个，氦气由相应的水冷却后冷却器或空气冷却后冷却器冷却；以及

第二管线，其从油排放端口延伸并经过三通阀，然后经过所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器中的一个，油由相应的水冷却后冷却器或空气冷却后冷却器冷却；

其中所述第一管线和所述第二管线是分离的。

5.根据权利要求4所述的油润滑的氦气压缩机系统，其特征在于，油和氦气流过所述空气冷却后冷却器和水冷却后冷却器中的一个。

6.一种操作油润滑的氦气压缩机系统的方法，所述油润滑的氦气压缩机系统位于环境空气温度在15℃到30℃之间的室内环境中，所述压缩机系统包括：

压缩机；

在压缩机内部或外部的分离器，其接收压缩的氦气和油的混合物并将氦气和油通过分离的端口排放，

用于实现氦气和油的冷却的水冷却后冷却器；

用于实现氦气的冷却的空气冷却后冷却器，所述空气冷却后冷却器包括换热器和风扇，所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器串联连接；

连接到编程为检测所述水冷却后冷却器中的故障的控制器的一个或多个传感器，

第一管线，其从氦气排放端口延伸并经过所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器，氦气由所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器中的一个或二者冷却；以及

第二管线，其从油排放端口延伸并经过所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器，油由所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器中的一个或二者冷却；

其中所述第一管线和所述第二管线是分离的；

所述方法包括以下步骤：

(a)利用流过所述水冷却后冷却器的水运行所述压缩机，

(b)检测所述水冷却后冷却器中的故障，

(c)开启所述风扇。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述风扇一直开启。

8.一种操作油润滑的氦气压缩机系统的方法，所述油润滑的氦气压缩机系统位于环境空气温度在15℃到30℃之间的室内环境中，所述压缩机系统包括：

压缩机；

在压缩机内部或外部的分离器，其接收压缩的氦气和油的混合物并将氦气和油通过分离的端口排放，

水冷却后冷却器；

空气冷却后冷却器；

连接到编程为检测所述水冷却后冷却器中的故障的控制器的一个或多个传感器，

第一管线，其从氦气排放端口延伸并经过三通阀，然后经过所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器中的一个，氦气由相应的水冷却后冷却器或空气冷却后冷却器冷却；以及

第二管线，其从油排放端口延伸并经过三通阀，然后经过所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器中的一个，油由相应的水冷却后冷却器或空气冷却后冷却器冷却；

其中所述第一管线和所述第二管线是分离的；

所述方法包括以下步骤：

(a)利用由所述水冷却后冷却器冷却的氦气和油运行所述压缩机，

(b)检测所述水冷却后冷却器中的故障，

(c)将氦气和油的流从所述水冷却后冷却器切换至所述空气冷却后冷却器。

9.一种在将建筑物内部保持在15℃到30℃的范围内的温度中保存能量的方法，其中制冷机在低温温度下在该建筑物中运行，所述系统包括：

GM和Brayton循环膨胀机中的一个，

油润滑的氦气压缩机；

用于实现氦气和油的冷却的水冷却后冷却器；

用于实现氦气和油的冷却的空气冷却后冷却器，所述空气冷却后冷却器包括换热器和风扇，所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器串联连接；

所述方法包括以下步骤：

(a)当建筑物外的温度大于建筑物内的温度时，利用流过所述水冷却后冷却器的水运行所述制冷机，并且所述空气冷却后冷却器的风扇关闭，当建筑物外的温度小于建筑物内的温度时，运行而没有水流过所述水冷却后冷却器，并且所述空气冷却后冷却器的风扇开启。

10.一种在将建筑物内部保持在15℃到30℃的范围内的温度中保存能量的方法，其中制冷机在低温温度下在该建筑物中运行，所述系统包括：

GM和Brayton循环膨胀机中的一个，

油润滑的氦气压缩机；

用于实现氦气和油的冷却的水冷却后冷却器；

用于实现氦气和油的冷却的空气冷却后冷却器，所述空气冷却后冷却器包括换热器和风扇，所述水冷却后冷却器和所述空气冷却后冷却器并联连接；

所述方法包括以下步骤：

(a)当建筑物外的温度大于建筑物内的温度时，利用流过所述水冷却后冷却器的氦气和油运行所述制冷机，当建筑物外的温度小于建筑物内的温度时，利用流过所述空气冷却后冷却器的氦气和油运行所述制冷机。