CN111936802A - 冷却循环制冷剂的热站 - Google Patents

Abstract

用于GM循环膨胀机或斯特林循环膨胀机的热站提供了一种通用、高效且经济高效的热量传递方式，当在GM循环膨胀机或斯特林循环膨胀机中的气体在蓄冷器和置换容积之间流动时，可将由循环制冷剂冷却的低温下的远程负载的热量传递到该气体。热交换器包括外壳，该外壳具有与其热连接的外部翅片和内部翅片，该外部翅片和内部翅片平行于外壳的轴线对齐，并且被封闭在壳体中，在该壳体的底部上具有入口端口和出口端口。

Description

冷却循环制冷剂的热站

背景技术

1.技术领域

本发明涉及改进热站的构造，该热站将热量从用于冷却外部负载的循环制冷剂传递到在以GM循环或斯特林循环操作的高容量膨胀机的冷端内部的往复气流，从而在低温下产生制冷作用。

2.背景信息

GM循环和斯特林循环制冷机通过以下方式在膨胀机中在低温下产生制冷：随着置换容积增加，而使高压气体通过蓄冷器(regenerator)式热交换器流向在汽缸中往复运动的活塞的冷端，然后降低压力，并且，随着活塞减小置换容积，而使气体通过蓄冷器流回。通过使热量通过汽缸的冷端盖的壁进行传导以封闭冷置换容积，可以利用制冷来冷却负载。冷端盖和将热量传递到膨胀机中气体的装置称为冷热站。

用于冷却低温泵、超导MRI磁体和实验室研究仪器的大多数低温制冷机都使用GM式制冷机。这些应用中的大多数在4至70K之间的温度下需要1到50W的相对较少量的冷却，这通过传导传递到制冷机的热站。现在，对能够在接近75K的温度下将300至1,000W的负载进行冷却的制冷机的需求不断增长，在实践中这大多数可以通过循环的制冷剂进行冷却。制冷剂可以通过冷风扇或室温压缩机以气体的形式循环，通过泵以液体的形式循环，或者通过自然对流以气体或液体的形式循环。自然对流的最简单形式是对制冷剂进行冷凝，使液体排出到负载中，在该负载中蒸发，然后以气体形式返回冷凝表面。

本发明的目的是提供具有冷热站的大容量GM膨胀机，其可以冷却或冷凝制冷剂，是紧凑的、有效的并且易于安装和连接到循环管道。这需要最小化在循环制冷剂与在膨胀机中气体之间的温差，同时最小化流经热站的循环制冷剂的压降。使压降最小化很重要，因为输入到冷风扇或泵的功率成为制冷机热负载的一部分。最小化温差涉及内部热交换器和外部热交换器的设计，该设计将来自循环气体的热量通过冷端盖传递到内部热交换器，内部热交换器将热量传递到在膨胀机中的气体。

龙斯沃思(Longsworth)的美国专利US4,277,949示出了一种系统，该系统使用氦气从远程负载传递热量，氦气在室温下由压缩机循环，并由缠绕膨胀机热站的管冷却。通过对流联接器将处于不同温度的负载连接到循环氦气，这使负载可以与制冷机热断开。在王(Wang)的美国专利US8,375,742中描述了通过冷凝制冷剂的自然对流来冷却远程负载的系统的示例。图7示出了膨胀机，该膨胀机的冷端上的延伸表面安装在隔绝套筒中。制冷剂在冷端冷凝，并通过隔绝管向下排放到杜瓦瓶中(杜瓦瓶中可以冷却负载)，蒸发掉的气体从隔绝管中返回以重新冷凝。还示出了通过全部自然对流将一小部分气流带到室温(以拦截热泄漏)然后再冷凝的选择。

本发明的热站包括若干部件的新颖组合，这些部件使得能够以有利的方式安装膨胀机。安装膨胀机的有利方式要求在膨胀机的冷端处具有紧凑的热站，使得安装板上的孔的尺寸最小化，并且简化循环管的附接。已知在蓄冷式膨胀机的蓄冷器和膨胀空间之间使用的热交换器包括通过线材电火花加工(EDM)、铣削或锯切而切割成的环形间隙、穿孔板、丝网、波纹金属片材和槽。在槽之间形成翅片的狭槽的尺寸可设定为相对于压降和空隙体积具有最佳的热传递。

通过使用折叠的铜带状物形成紧密间隔的翅片是有利的。可以将带状物形成为在三种功能特性(热传递、压降和空隙体积)之间具有良好的平衡，并且成本要比任何一种加工方法都要低得多。带状物甚至可以形成到比可以加工的间隙更窄的间隙中，并且可以拉伸或压缩带状物以改变三种功能特性之间的关系。

折叠的带状物可用于优化在膨胀机冷端中的热传递，更有利地，可优化为从制冷剂的循环流中传递热量，该制冷剂的循环流将热量从远程负载传递到膨胀机冷端的外部。已经发现最佳的几何形状是具有外部折叠的带状物，该外部折叠的带状物从负载中除去热量，热结合到圆柱形冷热站的外部，并且具有由机加工槽或内部折叠的带状物形成的翅片，该翅片热结合在冷热站的内部。因此，热量以最小的温差从在(铜)热站外壳上的外部折叠的带状物径向地直接传递到内部翅片。由折叠的带状物形成的翅片的位置在冷热站的外部比在冷热站的内部更有利的原因是，由于不必担心在外部翅片中的空隙体积，因此表面积和流通面积可以较大并且成本优势更大。折叠的带状物比机加工翅片所需的材料更少，因此更紧凑。内部热交换器和外部热交换器的这种布置形式能够使冷端的直径最小化，从而可以使在真空壳体中的安装孔最小化。但是，仅在冷热站上没有径向配件的情况下，才可能有小的安装孔。使制冷剂在外部壳体内循环的新颖方法可以使连接到循环制冷剂的管安装在底部。

如果循环制冷剂在外部翅片中冷凝并在负载处蒸发，则热量可以最有效地从负载传递。氮气可用于针对在约65K至85K的温度范围内的负载进行冷凝和蒸发，而氖气可用于针对在约22K至35K的温度范围内的负载进行冷凝和蒸发。氦气可在使用氦气作为制冷剂的制冷机的范围内的任何温度下使用。

发明内容

本发明包括在GM膨胀机上的用于冷却循环制冷剂的热站，其是紧凑的、有效的，并且易于安装和连接到循环管道。热站包括处于圆柱形壳体中的外壳，该外壳具有与外壳热连接的外部翅片和内部翅片，这些外部翅片和内部翅片平行于外壳的轴线对齐，该圆柱形壳体具有连接到循环气体管道的入口端口和出口端口。通过以下方式使得壳体的直径最小化：在外部热交换器上使用折叠的带状物，并将入口端口和出口端口定位在壳体的底部上，使得孔的直径最小化，所述孔用于将膨胀机安装在低温恒温器的暖凸缘上。外部热交换器中的翅片可以配置为允许壳体中针对不同的制冷剂和取向具有不同的循环模式。

附图说明

图1A示出了现有技术的气动GM循环膨胀机的示意图，其具有内部冷端热交换器，如美国专利US6,256,997中所述的热交换器。对于图3-5中所示的新设计，示出了圈出的区域。

图1B示出了具有机加工槽的冷端的平面图以及外部壳体的局部剖视图，该机加工槽形成作为外部热交换器的翅片。

图2示出了折叠的带状物的一部分。

图3a示出了具有管的GM膨胀机100的冷端的示意图，该管将气体从蓄冷器引入到汽缸的底部，然后通过具有在圆形外壳内的机加工翅片的环形空间返回，并进入膨胀空间。外壳的外部是壳体中的折叠的带状物，该折叠的带状物设计用于再次冷凝制冷剂(例如氮气)。

图3b示出了GM膨胀机100的冷端热交换器的一部分的放大图，其中圆形外壳内部具有机加工翅片，而外部具有折叠的带状物翅片。

图4a示出了GM膨胀机200的冷端的示意图，其在内部和外部热交换器中均具有折叠的带状物翅片，并且壳体具有两个端口。外部折叠的带状物的破裂使得气体能够从底部进入，然后流到顶部，在顶部处气体被分配以通过翅片向下流回底部。这种构造可用于冷却循环气体或冷凝制冷剂。

图4b示出了GM膨胀机200的环形间隙的一部分的放大图，该环形间隙具有折叠的带状物，返回气体在外部折叠的带状物中的断裂部处流到顶部。

图5a示出了GM膨胀机300的冷端的示意图，其具有与GM膨胀机200相同的内部和外部折叠的带状物热交换器，但是置换器的延伸部和密封件迫使来自蓄冷器的气体通过冷端中的内部环形空间向下流动到膨胀空间。壳体具有横跨底部的分隔壁，该分隔壁使得通过分隔壁的一侧上的端口进入底部的气体向上流过大约一半的外部翅片，并且向下流过另一半外部翅片，然后流过出口端口。

图5b示出了GM膨胀机300的环形间隙的一部分的放大图，该环形间隙具有折叠的带状物，密封件抵靠内部折叠的带状物内部的套筒。

图6示出了GM膨胀机400的冷端的示意图，壳体端部中的单个端口定位成使得当膨胀机在冷端向下方向和水平方向之间取向时，流入壳体的制冷剂气体可以在外部翅片中冷凝，并且作为液体通过该端口排出。

具体实施方式

附图使用相同的数字表示相同的部分，“向上”和“顶部”是指热端，而“向下”和“底部”是指冷端。

图1示出了现有技术的气动GM循环膨胀器的示意图，其具有当今使用最广泛的冷端热交换器设计。本发明描述了新的设计，用于将热量从负载传递到在膨胀机冷端处圈出的圆形区域中的膨胀机中的气体。图1整体示出了典型的气动GM膨胀机，以描述循环并将冷端连贯起来。该系统包括压缩机40或优选由压缩机40组成，该压缩机通过管线31将高压气体供应至膨胀机，该膨胀机允许气体通过暖入口阀44至暖置换容积30，然后进入置换器1中的蓄冷器3，通过蓄冷器并进入置换器延伸部12a的冷端处的膨胀空间5。置换器1在汽缸2内向上移动，以高压冷气体填充置换容积5。然后关闭入口阀44，打开出口阀45，使置换容积5中的气体下降至较低温度，同时下降至较低压力。随着置换器1向下移动，低压下的冷气体被从冷置换容积5中推出。当冷气体流经置换器延伸部分12a和冷端22之间的环形间隙7，然后通过径向端口15、蓄冷器3、暖置换容积30、出口阀45和通往压缩机40的低压管线32时，来自连接到冷端37的负载的热量传递到该冷气体。汽缸2具有暖汽缸凸缘46，该凸缘安装在低温恒温器凸缘47上。置换器1具有附接到顶部的驱动杆35，该驱动杆在暖头41中的驱动杆孔36中往复运动。置换器1的往复运动是由阀42和43与阀44和45异相打开和关闭而引起的，因此，当气体流经管线34以驱动阀杆容积36时，气体在高压和低压之间交替变化。

图1A包括目前正在构建的系统示意图，该系统可循环制冷剂以冷却低温恒温器26中的装置25。冷端37具有机加工槽，这些槽在冷端盖22的外部形成作为外部热交换器的翅片(如图1b)所示，外部壳体16具有入口端口21a和出口端口21b，该入口端口使循环气体径向地在翅片上方，而出口端口在外部壳体16的底部的翅片下方。可以是风扇或泵的循环器27通过真空隔绝的连接管28和29驱动制冷剂。该冷端在以低压降传递热量时非常有效，但径向入口端口导致组装复杂，这是因为在将膨胀机的其余部分通过低温恒温器凸缘47中的端口插入后，必须将其添加到冷端37。而且，机加工翅片增加了成本和尺寸。本发明的主要优点是使冷端37的直径最小化，从而使其通过低温恒温器凸缘47中的端口进行装配，该端口相当小，并且在连接到负载的管道连接到冷端37之前不需要额外的组装工作。

图2示出了折叠的带状物13的一部分，该带状物通常由铜片材形成。折叠的带状物的形状由厚度T、宽度W、高度H和间隙G限定。目前，折叠的铜带状物是使用较薄且具有比可机加工的间隙窄的片材制造的。可以将厚度在0.3到1.0mm范围内的片材折叠成H/T比约为15，G/(G+T)比>0.6。在将片材折叠之后，通过将折叠部推在一起，可以进一步减小间隙。可以通过拉伸折叠的带状物来交替地增大间隙。

如图3a所示，膨胀机100的汽缸2的冷端处的压力边界包括圆柱形外壳4和端板10。图3b示出了内部热交换器6和外部热交换器14的细节，内部热交换器由压配合到外壳4中的芯部9中的机加工槽形成，外部热交换器包括热结合到外壳4外部的折叠的带状物。芯部9与管8具有足够紧密的配合，以将来自蓄冷器3的大部分气体带到端板10的顶部，然后径向地通过流动通道11，然后通过内部热交换器6返回并进入冷置换容积5。壳体16包围外部折叠的带状物14，在底部具有入口端口21和出口端口22，并安装到汽缸2上的冷凸缘48。这些被布置成使得诸如氮气的制冷剂气体可以通过入口端口21流入歧管20，歧管将气体分配到折叠的带状物14，在该折叠的带状物处冷凝，然后作为液体通过出口端口22排出至被冷却的负载。折叠的带状物14上方的歧管19在将气体分配到最冷的表面中起次要作用。热量从冷凝的制冷剂流过外部热交换器14、圆柱形外壳4、内部热交换器6、并流入从冷置换容积5流入和流出的气体。传导热量的部件，内部和外部热交换器6和14以及外壳4，由具有高导热率的材料制成，铜是优选的，而壳体16和端口22和21可以优选由SS制成。虽然将具有高导热率的金属热结合的过程通常涉及钎焊或铜焊，但可以通过其他方法(例如压配合)完成，只要接合处的温差相对于外部气流和内部气流之间的温差小即可。未示出将加热器包裹在壳体16周围以促进加热负载的选择。

如图4a和4b所示，膨胀机200示出了折叠的带状物作为内部热交换器14，并且除了外部部件被设计为冷却循环气态制冷剂而不是冷凝制冷剂之外，其与膨胀机100相似。这通过具有返回端口21a来完成，该返回端口将已经冷却了负载的气体通过壳体16的底部传递进入流动通道18，该流动通道连接至外部折叠的带状物14顶部处的歧管19，并且将气体分配成向下通过折叠的带状物回流。然后，冷却气体通过出口端口21b流出。流动通道18通过屏障23与出口歧管20分开。

在图5a中示出了用于膨胀机300的冷端的另一种引导循环气态制冷剂通过外部热交换器14的装置。流过入口端口21a的气体在下部气室20a中分配，以向上流过外部热交换器14的一侧上的翅片到达顶部气室空间19，并通过另一侧上的翅片、底部气室空间20b和出口端口向下返回。

膨胀机300具有在蓄冷器3下方的延伸部12b，该延伸部紧密配合在套筒17内部，而套筒又紧密配合在内部热交换器6内部。延伸部12b的直径小于置换器1的直径，因此将冷置换容积分成内部置换容积5a和外部置换容积5b。密封件49防止气体在置换容积5a和5b之间泄漏，并迫使气体通过径向通道15流入冷置换容积5b，其中一些气体留在该冷置换容积5b中，其余气体通过内部热交换器6流入冷置换容积5a。容积5b约为总冷置换容积的15％，这意味着将流过膨胀机100和200的内部热交换器6的气体的仅85％会流过膨胀机300的内部热交换器6。这可能在热力学上是有利的，因为从蓄冷器3流出的气体的最后15％比最初的85％的温度明显高，因此即使流过内部热交换器6的气体较少，平均温度也较低。

图6示出了膨胀机400的冷端的示意图，其在壳体16的外底部上具有单个端口21。膨胀机400可以水平安装，使得液态制冷剂39b可以在气态制冷剂39a流入的同时通过端口21排出。如果正在冷却的装置位于端口21下方，则诸如氮气之类的制冷剂可以通过自然对流进行循环。

表1给出了示例，该示例将通过在外壳4的外部机加工翅片而制成的外部热交换器与折叠的带状物进行了比较。该设计基于在200kPa下通过循环5g/s的氦气而在80K下传递400W的冷却，其中两种设计在气体和翅片中具有相同的温差，并且具有相同的压降。机加工翅片的厚度位于其根部处，而用于机加工翅片的铜的重量包括从凹槽中去除的材料。

表1-机加工翅片与折叠的带状物翅片的比较

可以看到，折叠的带状物大大减小了壳体16的直径，并减少了制造翅片所需的材料量。

在权利要求中，顶部和底部以及向上和向下，是参考在轴线竖直的情况下、冷端朝下时的膨胀机。

Claims (14)

1.一种以GM循环或斯特林循环操作的低温膨胀机，用于冷却循环制冷剂，该低温膨胀机包括：

汽缸，所述汽缸在暖端处具有安装凸缘，

置换器，所述置换器处于所述汽缸中，在暖端和冷端之间往复运动，该运动产生冷置换容积，

蓄冷器，第一气体通过所述蓄冷器流入所述冷置换容积和从冷置换容积流出，

第一热交换器，所述第一热交换器处于所述蓄冷器和冷置换容积之间，所述第一热交换器通过圆柱形外壳径向地将热量从在所述圆柱形外壳外部的第二热交换器中的第二循环气体传递到所述第一气体，

所述第二热交换器封闭在壳体中，所述壳体具有用于所述第二气体的入口端口和出口端口，

所述壳体具有在所述第二热交换器上方的顶部气室空间，还具有在所述第二热交换器下方的底部气室空间，并且

引导所有所述第二循环气体流过所述第二热交换器的所述入口端口和出口端口处于所述壳体的底部上。

2.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述入口端口和出口端口布置成：使得可冷凝气体通过所述入口端口返回，并且使得液体通过所述出口端口离开。

3.根据权利要求2所述的低温膨胀机，其中所述低温膨胀机能够在冷端向下方向和水平方向之间取向。

4.根据权利要求2所述的低温膨胀机，其中液体泵使所述循环制冷剂循环。

5.根据权利要求2所述的低温膨胀机，其中所述循环制冷剂通过自然对流进行循环。

6.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述第二热交换器包括与所述低温膨胀机的轴线平行的翅片，所述翅片由在所述圆柱形外壳中的机加工槽和与所述圆柱形外壳的外表面热结合的折叠的铜带状物中的一者形成。

7.根据权利要求6所述的低温膨胀机，其中流过所述入口端口的气体通过在所述第二热交换器的一侧上的翅片向上流动到顶部气室空间，并通过在所述第二热交换器的另一侧上的翅片向下返回到所述底部气室空间和所述出口端口。

8.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中流过所述入口端口的气体通过在所述壳体内部的旁路通道向上流动到所述顶部气室空间，并通过所述第二热交换器向下返回到所述底部气室空间和所述出口端口。

9.根据权利要求8所述的低温膨胀机，其中所述循环制冷剂通过自然对流进行循环。

10.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述第二气体通过风扇、液泵和自然循环中的一种进行循环。

11.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中加热器与所述第二热交换器热接触。

12.根据权利要求1所述的低温膨胀机，其中所述冷置换容积包括在所述蓄冷器和所述第一热交换器之间的第一容积，所述第一容积小于总冷置换容积的20％。

13.一种以GM循环或斯特林循环操作的低温膨胀机，用于冷却循环制冷剂，该低温膨胀机包括：

置换器，所述置换器处于汽缸中，在暖端和冷端之间往复运动，该往复运动产生冷置换容积，

蓄冷器，第一气体通过所述蓄冷器流入所述冷置换容积和从冷置换容积流出，

第一热交换器，所述第一热交换器处于所述蓄冷器和冷置换容积之间，所述第一热交换器通过圆柱形外壳径向地将热量从在所述圆柱形外壳外部的第二热交换器中冷凝的第二气体传递到所述第一气体，

所述第二热交换器封闭在壳体中，所述壳体具有用于所述第二气体的单个端口，并且

所述端口处于所述壳体的底部上。

14.根据权利要求12所述的低温膨胀机，其中当所述低温膨胀机的轴线为水平方向时，所述端口从所述壳体排出液体。

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