CN108474371B - 双氦气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于以Gifford McMahon (GM)或Brayton循环操作的低温制冷系统的油润滑的氦气压缩机单元。本发明的目的在于通过具有歧管连接至空气冷却压缩机上的水冷却压缩机以及检测故障的传感器来提供冗余，以便如果供水或供气中存在故障，则可保持膨胀机运行。

Description

双氦气压缩机

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油润滑的氦气压缩机单元。更具体而言，本发明涉及如果一个或另一个存在故障或如果一个或另一个或两者的操作中存在系统优点在水冷却与空气冷却之间提供冗余的双压缩机。

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。

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。在低温温度下操作的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。

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，其温度通常在压缩机所设计用于的10℃到40℃的中间点。安装在室内的空气冷却压缩机通常由空调空气冷却，其在15℃到30℃的温度范围中。

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。空气冷却的压缩机已经设计成用于在室内或室外操作。US8,978,400中的图3A和3B示出了带有Hitachi涡旋压缩机的布置，其具有两个空气冷却油冷却器，一个在室内而另一个在室外，同时所有其它构件在室内，其中氦气始终由空气冷却。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℃的范围)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。在夏季将一些或所有热释放到室外减小了空调系统上的负载，而在冬季将热释放到室内空气减小了加热系统上的负载。两个压缩机(一个是空气冷却的在室内或室外操作，而另一个是水冷却的在室内操作)可在一个故障的情况下提供冗余，且如果每个都在一年中的大部分操作，则可延长保养之间的时间。在室外使用的空气冷却的油润滑的氦气压缩机通常设计成在-30℃到45℃的温度范围中操作。对这些压缩机的功率输入通常在2到15kW的范围中。

发明内容

本发明的目的在于提供利用GM循环膨胀机操作的氦气压缩机系统中的冗余以产生低温温度下的制冷。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，所以主氦气压缩机是水冷却的。在水冷却系统或水冷却压缩机中有故障的情况下，本发明提供了备用的空气冷却氦气压缩机，其以一种方式连接到公共歧管上，使得从一个压缩机到另一个的跨越不会影响膨胀机的操作。

附图说明

图1为连接到供应和回流歧管上的图1和2中所示的压缩机的示意图。

图2为具有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3为具有水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和描述，且不重复其描述。图1为示出空气冷却的油润滑的氦气压缩机100可如何与水冷却的油润滑的氦气压缩机200歧管连接来将气体供应至GM膨胀机的示意图。从膨胀机返回的气体通过联接件52进入低压歧管50，且通过止回阀10分流至空气冷却压缩机100，或通过止回阀11分流至水冷却压缩机200。两个压缩机通过联接件53连接到高压歧管51和GM膨胀机上。在压缩机关闭时，止回阀10和11防止气体流入回流气体歧管50。使两个压缩机直接地连接到高压歧管51上导致了压缩机在高压下关闭，且还防止油转移出"关闭的"压缩机至"开启的"压缩机。当带有单个油润滑的压缩机的GM制冷机关闭时，相比于低压，平衡压力将更接近高压，因为在高压下比低压通常存在更大的容积，例如，在油分离器和吸附器中。当两个压缩机并联连接且仅一个运行而另一个具有高压时，其需要它们两个都关闭时的平衡压力高于它们分别连接到膨胀机时的平衡压力。

图2为具有空气冷却后冷却器的油润滑的氦气压缩机系统100的示意图，而图3为具有水冷却后冷却器的油润滑的氦气压缩机系统200的示意图。目前由本发明的受让人制造的标准压缩机系统基本上与这些图中所示的相同。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。

两个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26的底部中的油、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内部泄压阀35和压力平衡电磁阀39的气体管线33、从内部泄压阀35和压力平衡电磁阀39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、将高压氦气供应至膨胀机的吸附器出口气体联接件37以及从膨胀机接收低压氦气的联接件38。

图2中的空气冷却压缩机系统100示出了从压缩机2流过管线20的高压氦气，管线20通过空气冷却的后冷却器6延伸至油分离器7。高压油从压缩机2流过管线21，管线21通过空气冷却后冷却器6延伸至主油控制孔口22。风扇27以与氦气和油成对流传热关系驱动空气通过后冷却器6。

图3中的水冷却压缩机系统200示出了从压缩机2流过管线20的高压氦气，管线20通过水冷却后冷却器5延伸至油分离器7。高压油从压缩机2流过管线21，管线21通过水冷却后冷却器5延伸至主油控制孔口22。冷却水9以与氦气和油成对流传热关系流过后冷却器6。

使用设计成用于空调制冷剂的油润滑的压缩机中的主要考虑在于油的管理。首先，多得多的油与气体一起压缩以便冷却氦气，而其次，低温膨胀机不可承受任何油，因此需要很强的除油系统。还存在的考虑在于启动和关闭期间的油转移。压力平衡电磁阀39在压缩机关闭时开启，以便避免使压缩机2中的高压气体将油通过回流管线17吹回，在该处，其可转移到膨胀机。

具有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。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。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。

水冷却后冷却器中的最可能的故障原因在于换热器的结垢、低冷却水流量和高入口水温。对于空气冷却后冷却器，最可能的原因在于空气流的阻塞、风扇故障和高空气温度。温度和压力传感器用于监测制冷系统的操作。对于检测故障关键的温度传感器位于以下的管线中的一个或多个上：离开水冷却后冷却器5的油、离开空气冷却后冷却器6的油、管线20中的氦气排放温度、管线21中的离开压缩机的油温度、进入和离开水冷却后冷却器5的水管线9以及室内和室外空气温度。可使用其它故障传感器，例如，冷却水流量传感器。

受冷却的系统，例如，MRI磁体，大体上具有控制系统，其确定两个压缩机中的哪个运行。控制系统的设计者确定各个压缩机中的哪个传感器提供关键信号，其可用于确定何时从一个压缩机切换到另一个。切换可在另一个开启之前使操作压缩机关闭来完成，但优选的是关闭的一个在另一个关闭之前开启。使两个压缩机同时开启导致气体旁通通过内部泄压阀35。如果至少一个压缩机开启，则控制系统保持膨胀机操作。

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案的此类偏离，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有特征。

Claims (8)

1.一种将气体供应至在低温温度下操作的膨胀机的油润滑的氦气压缩机系统，所述压缩机系统包括：

具有第一供应侧和第一返回侧的空气冷却压缩机；

具有第二供应侧和第二返回侧的水冷却压缩机；

连接到各个压缩机的相应的供应侧和膨胀机的高压侧上的气体供应歧管；

连接到各个压缩机的相应的返回侧和膨胀机的低压侧上的气体回流歧管；

防止气体从任一压缩机流入所述气体回流歧管的止回阀；以及

连接到控制器上的检测关键操作参数的多个传感器；

所述控制器控制从一个压缩机到另一个的跨越，使得所述膨胀机的操作不受影响。

2.根据权利要求1所述的油润滑的氦气压缩机系统，其特征在于，所述水冷却压缩机和所述空气冷却压缩机位于室内环境中。

3.根据权利要求1所述的油润滑的氦气压缩机系统，其特征在于，所述水冷却压缩机位于室内环境中，以及所述空气冷却压缩机位于室外环境中。

4.根据权利要求1所述的油润滑的氦气压缩机系统，其特征在于，如果至少一个压缩机开启，则所述膨胀机操作。

5.根据权利要求1所述的油润滑的氦气压缩机系统，其特征在于，所述膨胀机为GM或Brayton类型中的一个。

6.根据权利要求1所述的油润滑的氦气压缩机系统，其特征在于，所述水冷却压缩机在所述空气冷却压缩机关闭之前开启，并且所述空气冷却压缩机在所述水冷却压缩机关闭之前开启。

7.一种保持膨胀机的操作的方法，所述膨胀机在利用水或空气的冷却中断期间在低温温度下操作，

所述系统包括：

所述膨胀机；

具有第一供应侧和第一返回侧的空气冷却压缩机；

具有第二供应侧和第二返回侧的水冷却压缩机；

连接到各个压缩机的相应的供应侧和膨胀机的高压侧上的气体供应歧管；

连接到各个压缩机的相应的返回侧和膨胀机的低压侧上的气体回流歧管；

控制器；

防止气体从任一压缩机流入所述气体回流歧管的止回阀；以及

连接到所述控制器上的检测关键操作参数的多个传感器；

所述方法包括以下步骤：

(b)对所述控制器编程以确定操作的压缩机的冷却手段何时失效；以及

(c)从所述控制器向关闭的压缩机发送信号以将其打开，接着从所述控制器发送信号到失效的压缩机以将其关闭。

8.一种在将建筑物的内部保持在15℃到30℃的范围中的温度中保存能量的方法，其中制冷机在低温温度下运行，所述系统包括：

空气冷却压缩机，

水冷却压缩机，

连接到各个压缩机的供应侧和膨胀机的高压侧上的气体供应歧管，

连接到各个压缩机的返回侧和膨胀机的低压侧上的气体回流歧管，

防止气体从任一压缩机流入所述回流歧管的装置，

所述方法包括：

将两个压缩机定位在所述建筑物内，

利用一个压缩机操作所述膨胀机，

在建筑物外的温度大于建筑物内的温度时操作所述水冷却压缩机，以及在建筑物外的温度小于建筑物内的温度时操作所述空气冷却压缩机。