CN116710716A - 低温制冷系统和低温泵 - Google Patents

Abstract

公开了一种低温制冷系统和方法。低温制冷系统包括：制冷单元，所述制冷单元包括膨胀单元；以及可变速度压缩机，配置成压缩制冷剂。所述可变速度压缩机配置成经由较低压力管线从制冷单元接收制冷剂并且经由较高压力管线将压缩的制冷剂供应到制冷单元。还具有控制电路，配置成控制所述可变速度压缩机，以通过在冷却期间控制所述压缩机初始以降低的频率操作并且随后增加所述可变速度压缩机的操作频率使得所述可变速度压缩机以较高频率操作来将所述可变速度压缩机的功率消耗保持在预定阈值以下。

Description

低温制冷系统和低温泵

技术领域

本发明的领域涉及低温制冷系统、低温泵和制冷方法。

背景技术

低温制冷系统是已知的。这样的系统使用诸如Gifford-McMahon过程的制冷过程并且通常包括容纳蓄热材料和膨胀室的膨胀型制冷单元。压缩机压缩制冷剂气体并将压缩的制冷剂供应到制冷单元，在制冷单元中它被蓄热材料冷却且然后膨胀。降压后的制冷剂气体返回压缩机，从而形成制冷循环。通过重复该制冷循环可以获得极低的温度。对于低的低温制冷，氦可能是优选的制冷剂。

制冷过程的效率受较高压力和较低压力制冷剂之间的压力差以及制冷剂的质量流量的影响。然而，这些因素本身受到压缩机能力的限制。

将期望提供一种改进的制冷系统。

发明内容

第一方面提供了一种低温制冷系统，包括：制冷单元，所述制冷单元包括膨胀单元；可变速度压缩机，配置成压缩制冷剂，所述可变速度压缩机配置成经由较低压力管线从所述制冷单元接收制冷剂并且经由较高压力管线将压缩的制冷剂供应到所述制冷单元；以及控制电路，配置成控制所述可变速度压缩机，以通过在冷却期间控制所述压缩机初始以降低的频率操作并且随后增加所述可变速度压缩机的操作频率使得所述可变速度压缩机以较高频率操作来将所述可变速度压缩机的功率消耗保持在预定阈值以下。

制冷过程的效率随着较高压力和较低压力管线之间的增加压力差以及制冷剂的增加质量流量而增加。这些因素的增加可以通过增加系统的填充压力以及通过增加压缩机速度来实现。然而，增加压缩机速度和增加制冷剂的压力都会增加压缩机的功率消耗，压缩机的功率消耗通常受到限制以避免其过热和失效。

本发明的发明人认识到压缩机的功率消耗在操作期间变化并且特别地，可能在冷却期间处于其最高并且在稳态操作期间较低。特别地，随着温度降低，制冷剂可能会在制冷单元中发生一些积聚，并且制冷剂的压力将下降。这种压力下降允许压缩机以较高频率操作而不需要附加的功率。因此，他们意识到，如果提供控制电路来控制压缩机在冷却期间最初以较低的速度操作，从而限制供应给压缩机的功率，然后随着制冷剂压力的下降，可以增加操作频率。这将允许压缩机配置成在稳态操作期间以较高频率操作，同时在冷却期间被保护免于过热并且可以提供改进的性能。

在一些实施例中，所述低温制冷系统通过以下中的至少一种提供有附加的制冷剂：增加初始填充压力使得所述可变速度压缩机在所述制冷单元的冷却期间以全速操作将导致可变速度压缩机消耗高于所述预定阈值的功率；或者通过提供与从所述制冷单元向所述压缩机供应较低压力制冷剂的低压管线流体连通的制冷剂的缓冲体积。

制冷过程(例如Gifford-McMahon过程)的制冷或冷却功率由工作流体或制冷剂的压力差驱动。根据气体从高压水平(供应压力)膨胀到较低压力水平(返回压力)的热力学原理，系统的冷却功率越高，这两个压力之间的压力差越高。此外，通过系统的制冷剂质量流量越高，提供的冷却功率就越高。

因此，由压缩机提供的该压力增加应当尽可能高。压缩机的容量受其压缩比和最大允许功率消耗的限制，这在许多情况下与驱动压缩机的马达的马达绕组中的最大允许电流有关。压缩比首先取决于系统的高压体积和低压体积之间的体积比，其次取决于系统的填充压力，第三当然取决于制冷单元的制冷剂需求与压缩机的泵容量之间的平衡。

可以通过增加制冷剂的填充压力来提供制冷单元的改进的冷却功率。通过增加填充压力，高压和低压两者都将增加，因此制冷剂的再循环质量流量增加。然而，这也将增加对制冷剂压缩所需的电功率的需求。提供控制电路来控制压缩机的操作速度并限制消耗的功率允许系统设计有附加的制冷剂。

总之，可以通过增加初始填充压力(实际上过度填充制冷系统)和/或通过提供与较低压力管线流体连通的附加缓冲体积从而改变高压体积和低压体积之间的体积比来提供附加量的制冷剂。通常设置系统的初始填充压力，以便当压缩机以全速操作时，它将不会消耗超过其指定的功率消耗值的功率，因此将不会过热或切断(cut out，或停机)。具有设置可以由压缩机消耗的最大功率的控制系统允许增加制冷剂的初始填充压力，而没有压缩机过热和切断的风险。然而，在一些情况下，压缩机可能无法在高压下有效地操作，并且在这种情况下，附加的制冷剂可以以附加缓冲体积的形式供应，从而在不增加初始填充压力的情况下存在附加的制冷剂。

应当注意的是，附加填充压力是在系统未操作时系统中制冷剂的压力。可以为特定的制冷系统指定该初始填充压力。压缩机操作的全速可以是压缩机在稳定冷却操作阶段中的最大操作速度或频率，在稳定冷却操作阶段中，保持低温并且制冷系统不处于功率节省模式。

在一些实施例中，所述控制电路还配置成控制所述可变速度压缩机以将所述较高压力管线和较低压力管线的压力保持在预定限制值内。

压缩机可以在某些压力限制内有效地操作，例如涡旋压缩机可以具有限定高压和低压限制值的性能图，在这些限制内的操作是可接受的。这些限制取决于泵的机械性质(即外壳强度)和涡旋单元的热力学(热平衡)限制。在一些实施例中，配置成控制压缩机的速度以便限制功率消耗的控制电路也可以用于控制速度以将压缩机的操作保持在这些预定的压力限制内。

在一些实施例中，所述制冷系统还包括至少一个压力传感器以感测较高压力管线和较低压力管线之间的压力差。

该系统可以包括较高压力管线传感器和较低压力管线传感器，或者它可以包括用于测量两个压力管线之间的压力差的差压传感器。来自这些压力传感器的信号被发送到控制电路。

在一些实施例中，低温制冷系统还包括在所述较高压力管线上的入口阀；并且所述控制电路还配置成控制所述入口阀以将所述较高压力管线和较低压力管线的压力保持在预定限制值内。

在一些实施例中，控制电路配置成将所述较高压力管线和所述较低压力管线之间的压力差保持在预定限制值内。

在一些实施例中，控制电路可以控制压缩机的速度和入口阀的操作两者，以便将较高压力值和较低压力值保持在预定限制内。

为了在稳态操作期间控制操作，除了将功率保持在预定阈值以下之外，控制电路还可以控制至制冷单元的入口阀，以便保持较高压力管线和较低压力管线之间的期望压力差，并且确保有效冷却。

在一些实施例中，所述控制电路配置成响应于检测到的所述可变速度压缩机的功率消耗下降而增加所述可变速度压缩机的操作的所述频率。

在冷却期间，影响系统中的制冷剂压力有三个效应。由于压缩机升温至其操作温度(通常约为60℃)，因此压力会增加。由于由制冷单元的热负载(可能将氦温度从20增加到50℃)导致的低压体积中的制冷剂变暖也会导致压力增加。然而，制冷单元的冷端中也存在由制冷剂积聚导致的系统中的压力下降。该第三效应大于前两个效应，因此，随着系统冷却，系统内的制冷剂压力降低，并且这在较低温度下变得特别明显。因此，压缩机在冷却期间通常将出现压力下降，压缩机的功率消耗也将下降。在一些情况下，控制电路响应于检测到这种功率下降而增加压缩机的操作频率，以将压缩机的功率消耗保持接近阈值，在一些情况下在其10％以内。

在一些实施例中，稳态操作期间的所述最大操作频率在50和70Hz之间，并且冷却期间的所述初始操作频率较低，在30和50Hz之间。

初始操作频率可以显著小于稳态操作频率，在一些情况下它可以从35hz增加(35hz increasing)直到它达到最大操作频率，在一些实施例中为60hz。这是可变速度压缩机在稳态下操作的操作频率。在一些实施例中，稳态操作可能略低于最大操作频率。

在一些实施例中，制冷剂包括氦。

在一些实施例中，所述制冷单元配置成冷却至80K，优选至50K，更优选至低于10K，更优选至4K。

制冷单元可以是能够冷却至80K的低温制冷单元，或者在一些实施例中它可以是特别低温的制冷单元(在一些实施例中冷却低至4k)。在制冷单元在非常低的温度下操作的情况下，制冷剂在制冷单元中的积聚以及制冷系统内压力相应降低的效应特别明显。因此，实施例对于这样的制冷系统特别有效。

在一些实施例中，所述制冷剂的初始压力比在冷却期间没有可变速度压缩机的功率控制的情况下制冷单元指定的压力高5％，优选地高10％。

在冷却期间没有压缩机的功率控制的情况下，那么通常它将以恒定速度驱动，并且将设置制冷剂的速度/压力，以便压缩机在存在峰值功率消耗的冷却期间不会过热。在冷却期间有功率控制的情况下，那么制冷剂压力可能会增加，因为冷却期间的功率消耗被控制并且不再是限制因素。

在一些实施例中，所述制冷系统还包括制冷剂的所述缓冲体积，所述缓冲体积包含所述制冷系统内制冷剂总量的20％以上，优选地50％以上，在一些情况下90％以上。

制冷系统可以提供有附加的制冷剂，在一些情况下附加的按体积或质量计20％的制冷剂并且在其它情况下附加的50％或90％以上的制冷剂。制冷系统可以配置成以一定量的制冷剂操作，使得当可变速度压缩机从启动开始以最大操作速度操作时，不超过由压缩机消耗的功率阈值。这是制冷系统的标准制冷剂量，提供压缩机功率控制的实施例可以通过增加初始填充压力和/或将其供应到与较低压力管线相关联的缓冲体积中来提供附加量的制冷剂，缓冲体积改变高压体积和低压体积之间的体积比。

制冷系统可能指定在13-17巴之间的初始填充压力下使用制冷剂操作。在指定为该范围的下限的情况下，那么可以通过用制冷剂过度填充和增加系统中的填充压力来增加压力。这对于根据实施例的制冷系统是可接受的，因为压缩机功率供应被控制以保持在阈值以下。在系统供应的制冷剂处于该范围的上限的情况下，那么压缩机可能不会配置成在高于指定压力的压力下操作，在这种情况下，可以使用低压管线中的缓冲体积来供应附加的制冷剂，从而改变高压体积和低压体积之间的体积比。在一些情况下，可能会采用增加制冷剂的压力和添加缓冲体积的组合。

在一些实施例中，所述控制电路还配置成在功率节省模式下控制所述可变速度压缩机以将所述可变速度压缩机的功率消耗保持在预定的降低阈值以下。

控制电路还可以配置成操作功率节省模式，其中响应于确定在稳态操作期间制冷系统上存在降低的负载，它为压缩机功率设置降低的阈值。用于冷却的相同控制电路随后可以在这种降低负载、功率节省模式下控制功率消耗。

第二方面提供一种低温泵，包括根据第一方面的低温制冷系统。

第三方面提供了一种操作低温制冷系统的方法，该低温制冷系统包括具有膨胀单元的制冷单元和配置成压缩制冷剂的可变速度压缩机，使得较高压力制冷剂被供应到所述制冷单元并且从所述制冷单元接收较低压力制冷剂，所述方法包括：在所述制冷单元的初始冷却期间以初始较低频率操作所述压缩机，以将由所述可变速度压缩机消耗的功率保持在预定阈值以下；以及随后将所述压缩机的操作频率增加到全速操作。

在一些实施例中，该方法还包括：初始步骤，通过以下中的至少一种来为所述制冷系统提供增加量的制冷剂：增加所述系统内的制冷剂的填充压力，使得所述可变速度压缩机在冷却期间以最大操作频率操作将超过功率消耗的所述预定阈值；或者提供与所述较低压力管线流体连通的附加制冷剂的缓冲体积。

应当注意的是，系统的效率对于压缩机的较低速度通常会改进，因此用制冷剂过度填充制冷系统可以使其在冷却期间以较低速度高效操作。当制冷剂的压力由于制冷剂在较低温度下在制冷单元或冷头中的积聚而下降时，那么压缩机的速度可以增加并且可以保持冷却效率。

在所附的独立和从属权利要求中阐述了进一步的特定和优选方面。从属权利要求的特征可以适当地与独立权利要求的特征组合，并且可以以与权利要求中明确列出的组合不同的组合。

在装置特征被描述为可操作以提供功能的情况下，将理解的是，这包括提供该功能或者适于或配置成提供该功能的装置特征。

附图说明

现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，其中：

图1显示了根据第一实施例的低温制冷系统；

图2显示了传统的低温制冷系统和根据实施例的低温制冷系统之间的差异。

图3显示了根据进一步实施例的低温制冷系统；和

图4示意性地显示了图示根据实施例的方法中的步骤的流程图。

具体实施方式

在更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。

实施例提供低温冷却装置。实施例可用于低温冷却系统中，其可用于超导磁体/线圈。它们可用于低温冷凝器系统和低温泵系统，用于气体的再升华、凝华、凝固或沉积。

这种低温装置最初以冷却模式操作，然后以稳态制冷模式操作。在制冷单元冷却的冷却过程期间，制冷单元的较冷部分内(例如冷头活塞系统内)的制冷剂显著积聚。这将导致制冷系统中的高压和低压降低。制冷剂的这种降低导致压缩机的电功率消耗减少。因此，在冷却温度下稳态没有调节的情况下，压缩机将以减少的制冷剂量运行。

然而，如果增加系统中的制冷剂量以补偿稳态下积聚在制冷单元中的制冷剂量，那么在压缩机的初始冷却期间存在变得过载的危险。冷却期间有一段相对短的时段，其中系统内的压力处于其最高压力，并且在此时段期间存在压缩机热过载的危险。

通过使用控制压缩机马达的绕组电流和电功率的控制模式，实施例解决了这些相互矛盾的问题，并试图实现稳态操作中改进的冷却功率以及改进制冷器冷却过程。设置阈值功率值并且控制马达以使得消耗的功率低于该阈值功率的频率转动。

该控制机制既可以支持初始冷却，也可以在压缩机预热期间重启或冷头冷却中的不匹配或热系统重启或在非稳态条件下重启的情况下支持系统启动。

具有该控制机制允许将附加的制冷剂添加到系统。这可以通过增加系统的填充压力来完成。连接到压缩机的制冷单元或冷头中的制冷剂压力由初始填充固定。在低温系统启动期间(打开冷头制冷剂阀驱动器，然后打开压缩机)，冷头通常会在20到60分钟内冷却。该冷却过程受影响系统制冷剂压力的三个因素的影响。

1)通过将由涡旋体积和油预分离器体积组成的压缩机体积加热到60℃的操作温度的压力增加。

2)通过加热由冷头热负载引起的制冷剂低压体积流量的压力增加(制冷剂温度从20增加到50℃)。

3)由冷头的冷端中的制冷剂积聚造成系统中压力下降。

效应3明显大于效应1和2，导致整个系统中的“等效”制冷剂系统压力较低，尤其是对于低温应用。因此，高压和低压两者都降低，这限制了冷头性能，此外，由于吸入压力太低，压缩机无法实现其全部制冷剂质量流量潜力。

为了增加再循环制冷剂质量流量并调节系统以增加差压，可以增加压缩机的速度(例如从50到70Hz)。可以确定，压缩机的效率越低，速度越高。其原因是通过增加压缩机速度增加能量耗散，这将增加管道和压缩机外壳中的气体速度，导致气体压力损失并导致吸入压力低。因此，针对给定的差压，以其可能的最高速度运行压缩机可能不是最佳的。相反，也许通过提高填充压力来增加制冷剂的量可以提供改进的性能和效率增加两者。

对于传统系统，这种过度填充是不可能的，因为压缩机(可能是涡旋泵)的所需较大马达电流(以泵送更稠密的制冷剂)会导致绕组过热(这可能会由于马达保护开关而导致切断)。

压缩机的热关断问题已经在实施例中通过压缩机的功率控制来解决，该功率控制可以被调节到马达绕组中的最大允许电流，这将不会导致绕组温度过高。功率控制将影响压缩机驱动器(马达)的频率。这意味着基本上恒定水平的电功率消耗将导致压缩机马达速度最初低于压缩机马达的额定速度，但是在一些实施例中通过增加制冷剂填充压力来补偿这种效应。该特征允许系统的限定制冷剂压力过度填充，而没有热关断或过载的危险。借助于这样的功率控制，冷却过程将以中等或低压缩机速度开始，供应必要的压力差以及冷头操作所需的制冷剂流量。

附加地和/或替代地，可以通过提供与低压管线相关联的制冷剂的缓冲体积来补偿该效应。在这方面，填充压力和质量流量可能不仅会受到停止系统的实际填充压力的影响，而且可能会以相同的方式受到产生永久性低压体积过剩的影响，这会将制冷剂质量转移到较小的高压体积，从而增加运行操作中的总系统压力。该选项可能是绕过压缩机部件的低压强度限制所必需的。

总之，如果使用附加的制冷剂(例如氦)，通过在系统初始填充时提供较高的氦压力和/或者通过提供附接到低压管线的氦缓冲体积(这两者都会导致增加的氦质量流量)，高压(供应)和低压(返回)之间的降低压力差在冷头的性能中被补偿。

图1显示了根据实施例的低温系统。低温制冷系统包括控制电路10，控制电路10配置成控制马达20，马达20驱动压缩制冷系统中的制冷剂的压缩机30。控制电路10还控制马达70，该马达70驱动未示出的入口阀，入口阀控制较高压力制冷剂到制冷单元或冷头40的供应。在该实施例中，存在与冷头50的较冷部分相关联的温度传感器60.

控制电路10包括存储阈值的数据存储器，用于设置供应给压缩机的功率和/或电流的最大值。

在该实施例中，制冷单元40包括Gifford McMahon制冷单元(该Gifford McMahon活塞系统在下文中被称为“冷头”)并且压缩机30供应加压氦作为致冷剂或制冷剂。该系统是气密密封系统，具有封闭的制冷剂循环。为了改进低温系统的性能，提供了控制系统10，这允许测量和调节供应给压缩机马达20的变频驱动器输出电流和/或电功率。

将压缩机30的功率消耗保持在阈值以下允许制冷系统配置有更高的制冷剂初始填充压力，因为这不再受限于在冷却过程期间以最大速度运行的压缩机所消耗的功率。

在该实施例中，压缩机马达20直接连接到向压缩机供应功率并由控制电路10控制的变频驱动器(VFD)25。该电流和/或电功率控制将影响VFD的输出频率和因此压缩机马达的旋转速度。该控制电路10试图调节压缩机转速以接近马达20的绕组的最大允许电负载，而没有热关断的危险。

系统操作如下：

启动程序：

1)打开冷头40和压缩机30。

2)VFD 25斜升供应给压缩机马达20的功率的输出频率，直到达到绕组电流和/或功率的阈值，以这种方式控制电路10限制VFD 25输出频率。

3)在压缩机-冷头系统的加热期间，最关键的负载情况是通过VFD 25的控制通过限制频率，这将限制压缩机30的转速并导致较低的绕组电流和/或功率。

4)冷头40冷却的进程将导致越来越多的氦积聚在冷头40中。这将导致系统压力降低。VFD 25将提供受控斜升至供应给马达的电流和/或功率的输出频率。

5)实现稳态操作。电流和/或功率控制将建议VFD将VFD的最大可能频率释放到马达20。此时，系统的控制可以转到步进马达70对入口阀的控制，这可以被控制以提供供应和返回压力管线之间的期望压力差。

令人惊讶的是，检测到不需要以可能的最高转速运行压缩机以在稳态下在冷头上实现最大冷却功率。相反，稳态操作中的增加冷却功率可以通过使用系统配置来测量，在该系统配置中，VFD输出频率与电网频率相比受到限制，同时保持全部绕组电流/功率。在再循环氦的质量流量与系统中供应和返回压力之间的压力差之间发现了优选操作点。在这方面，消耗的功率取决于压缩机的频率/速度以及吸入压力和高压。通过结合基于系统中的压力和压缩机速度的控制，于是可以找到优选操作点。其原因可能是在较高的压缩机速度下系统中的能量耗散增加，这将立即导致性能损失。因此，可能不希望以特定阈值功率和系统中最大可能差压所允许的最高可能速度运行压缩机，并且借助于适当的测量和控制可以找到具有较低频率的优选操作点。

在一些实施例中，该电流/功率控制系统10还可以用于在部分负载条件下限制低温系统在稳态下的能量需求。在这种情况下，可以使用与较低绕组电流/电功率相对应的附加设定点或阈值。以这种方式，可以使用相同的控制电路支持能量节省模式。

图2显示了与传统制冷系统相比的实施例的操作。左侧图表显示了传统系统的操作，而右侧图表显示了根据实施例的制冷系统的操作。

左上图显示了传统系统中的压力在开启前最初较低，然后在开启后高压管线和低压管线两者如何随着温度下降和制冷剂在系统的最冷部分中积聚而逐渐降低。借助于根据实施例的系统，初始制冷剂压力随着系统“过度填充”而较高。压缩机速度在开启时受到限制，因此高压和低压管线需要时间来达到稳态值。一旦达到，这些压力就会保持，并且由于初始过度填充，较高压力高于常规系统中的较高压力。

在第二组图表中，压缩机功率显示在传统制冷系统中在启动后随着时间的推移而降低，因为系统中的压力由于制冷剂在冷头的最冷部分中积聚而降低。右图表显示了在冷却期间供应给压缩机的功率最初如何减少，这对应于较低的压缩机速度。功率逐渐增加到最大功率，一旦系统达到稳态就可以保持最大功率。在两个实施例中，压缩机可以安全应对的最大功率是8.3KW，然而，在实施例中，通过在冷却期间控制压缩机，可以在稳态下将这个更高的功率施加到压缩机，而不会在冷却期间使压缩机过载。

第三对图表显示了压缩机的操作频率如何针对传统制冷系统和实施例的制冷系统而变化。实施例的制冷系统最初具有降低的压缩机操作频率，其一旦冷却完成就增加到全部最大速度或接近全部最大速度。现有技术的压缩机具有单个操作速度。

最后两个图表显示了实施例如何由于制冷剂的增加的质量流量而提供改进的冷头功率，实施例可以通过过度填充系统或提供附加的体积来提供制冷剂的增加的质量流量。

图3显示了制冷系统的替代实施例，其具有连接到低压管线62的低压缓冲体积80，所述管线将制冷剂从制冷单元40返回到压缩机30。存在用于感测低压管线62的压力的压力传感器65和用于感测高压管线64的压力的附加压力传感器67。在一些实施例中，可以使用差压传感器代替高压和低压传感器。

在操作期间，控制电路10通过根据功率阈值控制驱动压缩机的马达的旋转频率来控制压缩机速度以及用于将高压制冷剂从较高压力制冷剂管线64供应至制冷单元或冷头40的入口阀的旋转频率两者。

制冷系统的操作借助于压缩机以初始较低频率驱动而开始，同时制冷剂的压力较高，操作频率通过由控制电路10控制的压缩机马达的阈值功率限制设定。随着制冷剂压力由于制冷剂在制冷单元40较冷部分中积聚而下降，由压缩机使用的功率也下降，控制电路检测到这一点并增加频率和转速，这导致马达绕组电流和功率消耗增加，使得功率消耗保持接近阈值水平，在一些实施例中，在该值的2％以内，在其它实施例中，在阈值功率水平的5％以内，并且在另外实施例中，在阈值功率水平的10％以内。以这种方式，随着制冷剂压力的下降，马达的速度增加，同时由马达消耗的功率保持在阈值以下但接近阈值。一旦系统达到稳态，压缩机以或接近其最大频率操作，制冷系统可由控制冷头40的入口阀的控制电路10控制。控制入口阀控制制冷系统的差压，这再次影响制冷系统的冷却。在这方面，压缩机可以在某些高压和低压限制内有效地操作，对于涡旋式压缩机，其可以在涡旋性能图中限定，该涡旋性能图设置压缩机可以在其中有效操作的高压管线和低压管线的限制值。在一些实施例中，控制单元10可用于控制压缩机的操作速度，不仅确保不超过最大功率消耗，而且确保不超出涡旋性能图的高压和低压限制。因此，控制单元10接收来自压力传感器65和67的信号，并且响应于这些中的任一个指示高压和/或低压管线中的压力正朝着限制值移动，控制单元可以修正压缩机的操作速度使压力远离这些限制值。在一些实施例中，控制单元10可以控制入口阀和压缩机的速度中的一者或两者以将压缩机的操作保持在期望压力限制内。

在该实施例中，存在低压缓冲体积80，其允许附加的制冷剂被供应到系统而不将系统内的压力增加到超过涡旋压缩机30可以有效操作的压力。以这种方式，该实施例调节了高压和低压之间的体积比，并且在不增加填充压力的情况下增加了系统中的制冷剂的量。这是增加制冷剂填充压力的替代选项(尽管它可以与此选项结合使用)。

增加制冷剂量的两种选项(即增加填充压力和供应附加缓冲体积)都可以用于调节制冷单元的操作条件以增加系统的冷却功率和/或效率。增加冷却功率的技术限制是压缩机的电功率消耗，这将导致压缩机马达绕组中的高电流。在这些变得过高的情况下，热保护开关(断路器)将操作并关闭压缩机马达。为了系统的安全和稳定操作，应当避免这种情况。

图4示意性地显示了图示根据实施例的方法中的步骤的流程图。

启动发生在步骤S0，其可以是初始启动或制冷循环中断后的启动。在步骤S10，压缩机马达被供电以在第一初始降低频率下操作。由马达消耗的功率可以持续评估，这在步骤D5和D15中显示，如果它低于阈值P_t超过一定量ΔP，则在步骤S20马达的旋转频率增加。如果它高于阈值P_t，则在步骤S30降低旋转频率。如果它在所需范围内，则不改变旋转频率。

在步骤S20的旋转频率可能增加到或接近最大旋转频率之后，在步骤D25确定冷却过程是否完成，并且如果是，则开始稳态操作。

尽管本文已经参考附图详细公开了本发明的说明性实施例，但是应当理解的是，本发明并不限于精确的实施例并且本领域的技术人员可以在其中实现各种改变和修改，而不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的范围。

附图标记

10 控制电路

20 压缩机马达

25 变频驱动器

30 压缩机

40 制冷单元或冷头

50 冷头的低温点

62 较低压力管线

64 较高压力管线

65、67 压力传感器

80 缓冲体积

Claims (14)

1.一种低温制冷系统，包括：

制冷单元，所述制冷单元包括膨胀单元；

可变速度压缩机，配置成压缩制冷剂，所述可变速度压缩机配置成经由较低压力管线从所述制冷单元接收制冷剂并且经由较高压力管线将压缩的制冷剂供应到所述制冷单元；以及

控制电路，配置成控制所述可变速度压缩机，以通过在冷却期间控制所述压缩机初始以降低的频率操作并且随后增加所述可变速度压缩机的操作频率使得所述可变速度压缩机以较高频率操作来将所述可变速度压缩机的功率消耗保持在预定阈值以下。

2.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其中，

所述低温制冷系统通过以下中的至少一种提供有附加的制冷剂：

增加初始填充压力，使得所述可变速度压缩机在所述制冷单元的冷却期间以全速操作将导致可变速度压缩机消耗高于所述预定阈值的功率；或者

通过提供与所述较低压力管线流体连通的制冷剂的缓冲体积。

3.根据权利要求1或2所述的低温制冷系统，其中，

所述控制电路还配置成控制所述可变速度压缩机以将所述较高压力管线和较低压力管线的压力保持在预定限制值内。

4.根据任一项前述权利要求所述的低温制冷系统，其中，所述控制电路响应于检测到的所述可变速度压缩机的功率消耗下降而增加所述可变速度压缩机的所述操作频率。

5.根据任一项前述权利要求所述的低温制冷系统，其中，所述压缩机的所述初始降低操作频率小于所述制冷单元的稳态操作期间的最大操作频率的70％，优选地小于60％。

6.根据任一项前述权利要求所述的低温制冷系统，其中，稳态操作期间的所述最大操作频率在50和70Hz之间，并且冷却期间的所述初始操作频率较低，优选地在30和50Hz之间。

7.根据任一项前述权利要求所述的低温制冷系统，其中，所述制冷剂包括氦。

8.根据任一项前述权利要求所述的低温制冷系统，其中，所述制冷单元配置成冷却至80K，优选至50K，更优选至低于10K，更优选至4K。

9.根据权利要求2或者权利要求3至8中任一项在从属于权利要求2时所述的低温制冷系统，其中，所述制冷剂的初始压力比在冷却期间没有可变速度压缩机的功率控制的情况下所述制冷单元指定的压力高5％，优选地高10％。

10.根据权利要求2中任一项或者权利要求3至8中任一项在从属于权利要求2时所述的低温制冷系统，所述制冷系统还包括制冷剂的所述缓冲体积，所述缓冲体积包含所述制冷系统内制冷剂总量的20％以上，优选地50％以上，在一些情况下90％以上。

11.根据任一项前述权利要求所述的低温制冷系统，其中，所述控制电路还配置成在功率节省模式下控制所述可变速度压缩机以将所述可变速度压缩机的功率消耗保持在预定的降低阈值以下。

12.一种低温泵，包括根据任一项前述权利要求所述的低温制冷系统。

13.一种操作低温制冷系统的方法，该低温制冷系统包括具有膨胀单元的制冷单元和配置成压缩制冷剂的可变速度压缩机，使得较高压力制冷剂被供应到所述制冷单元并且从所述制冷单元接收较低压力制冷剂，所述方法包括：

在所述制冷单元的初始冷却期间，以初始较低频率操作所述压缩机，以将由所述可变速度压缩机消耗的功率保持在预定阈值以下；以及

随后将所述压缩机的操作频率增加到全速操作。

14.根据权利要求13所述的方法，该方法包括：初始步骤，通过以下中的至少一种来为所述制冷系统提供增加量的制冷剂：

增加所述系统内的制冷剂的填充压力，使得所述可变速度压缩机在冷却期间以最大操作频率操作将超过功率消耗的所述预定阈值；或者

提供与所述较低压力管线流体连通的附加制冷剂的缓冲体积。