CN117419029A - 一种低温泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温泵系统，包括压缩机单元、低温泵组、数据协调控制器；所述压缩机单元包括压缩机控制器、压缩机变频器、压包；所述低温泵组包括若干低温泵；所述压缩机控制器与所述数据协调控制器相连，所述低温泵控制器与所述数据协调控制器相连，所述压缩机控制器和所述压缩机变频器相连，所述压缩机变频器与所述压包相连。本发明提出通过数据协调控制器采集低温泵与压缩机的运行参数，并根据压缩机的运行状态协调控制系统中低温泵的运行频率，此运行方法提高低温泵系统中压缩机能带动低温泵运行的数量并缩短系统中低温泵全部降温至工作温度的降温时间。
Description
技术领域
本发明涉及了低温泵领域，具体涉及了一种低温泵系统。
背景技术
低温泵系统包含一台或多台低温泵、一台压缩机、一台连接压缩机和低温泵的数据协调控制器，低温泵利用压缩机供给的高压氦气膨胀产生冷量并降低低温泵内部部件温度，膨胀后的低压氦气回到压缩机中被继续压缩为高压氦气，两者压力的差值称为压差。低温泵在降温过程中，随着温度的降低，氦气密度增加，进入低温泵内的氦气量增加，即低温泵运行需要的氦气量随着温度降低而增加。压缩机内部压包的功率以及储存的氦气容量有限，一台压缩机能供给有限数量的低温泵运行，随着低温泵运行数量的增加，压缩机的运行频率会增加，直至压缩机最大运行频率，压缩机压差会降低，高压氦气膨胀产生的冷量减少，低温泵降温时间会增加，若压差降低至最低运行压差时，冷量不足以继续降低低温泵内部部件的温度，此时超出压缩机最大负载，低温泵无法继续降温。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种低温泵系统，目的是提高压缩机同时带动低温泵运行的数量，并缩短系统中低温泵全部降温至工作温度的降温时间。
技术方案：本发明提供的一种低温泵系统，包括压缩机单元、低温泵组、数据协调控制器；所述压缩机单元包括压缩机控制器、压缩机变频器、压包；所述低温泵组包括若干低温泵；所述压缩机控制器与所述数据协调控制器相连，所述低温泵控制器与所述数据协调控制器相连，所述压缩机控制器和所述压缩机变频器相连，所述压缩机变频器与所述压包相连，所述压包分别设有高压供气管和低压回气管；所述低温泵包括制冷机、低温泵控制器、冷却台；所述制冷机设有高压管道和低压管道，所述冷却台固定于所述制冷机上端；所述高压供气管道通过高压供气接口与所述高压管路相连，所述低压回气管通过低压回气接口与所述低压管路相连；所述高压供气管上设有用以测量高压供气管压力的高压压力传感器，所述低压回气管上设有用以测量低压回气管压力的低压压力传感器；
所述压包压缩的高压制冷气体通过所述高压供气管与高压管路输出至所述制冷机，高压制冷气体在所述制冷机中膨胀，膨胀后的制冷气体通过所述低压回气管(与低压管道输送回到所述压包中，重复循环。
优选地，所述制冷机还包括制冷机马达、曲柄运动机构、室温腔、制冷部高压进气阀及低压回气阀；所述制冷部包括排出器；所述制冷机马达与所述曲柄运动机构相连，所述曲柄运动机构与所述排出器连接，所述室温腔位于所述排出器两侧，所述室温腔下方与所述高压管路和低压管路相连。
优选地，所述制冷部还包括蓄冷器、膨胀腔；所述室温腔通过下气体通道与蓄冷器连接，所述蓄冷器通过上气体通道与所述膨胀腔相连，所述膨胀腔上方设有所述冷却台。
优选地，所述压缩机单元具有变频功能；所述低温泵具有变频功能。
优选地，所述高压管路上设有高压进气阀，所述低压管路上设有低压回气阀。
优选地，所述低温泵还设有真空罩，所述真空罩位于所述制冷机上端；所述冷却台固定于所述制冷机上端且位于所述真空罩内。
优选地，所述冷却台上设有温度传感器，温度传感器用以测量冷却台的温度。
优选地，所述蓄冷器上设有密封圈。
优选地，所述蓄冷器内部设置有允许气体通过的蓄冷材料。
一种低温泵系统运行方法，所述压缩机带动所述低温泵降温，所述数据协调控制器实时采集所述压缩机的运行频率与运行压差及所述低温泵的温度与运行频率，并控制所述低温泵的运行频率；当所述压缩机的运行压差高于所述临界压差时，所述数据协调控制器控制所述低温泵以最大频率运行；当所述压缩机的运行压差低于所述临界压差时，所述数据协调控制器降低所述低温泵的运行频率以使所述压缩机的运行压差高于所述临界压差；当所述低温泵中冷却台降低至最低温时，所述数据协调控制器控制所述低温泵以较低运行频率运行，该运行频率下冷却台的温度保持最低温。
有益效果：本发明提供一种新的低温泵系统，通过数据协调控制器采集低温泵与压缩机的运行参数，并根据压缩机的运行状态协调控制系统中低温泵的运行频率，此运行方法提高低温泵系统中压缩机能带动低温泵运行的数量并缩短系统中低温泵全部降温至工作温度的降温时间。
附图说明
图1为本发明低温泵系统整体示意图；
图2为本发明制冷机结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。
在本发明的描述中，“连接”应作广义理解，包含但不限于例如固定连接、可拆卸连接；可以为机械连接、电路连接及通信连接；可以为直接连接、通过中间媒介间接连接等连接方式。
如图1所示，本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统100具备：压缩机单元10、低温泵组20与数据协调控制器30。
图1中，压缩机10具备：压缩机控制器11、压缩机变频器12、压包13、高压供气管14、低压回气管15、高压压力传感器16、低压压力传感器17、高压供气接口18、低压回气接口19。压包13具有储存制冷气体、压缩制冷气体、回收从制冷机排出的低压制冷气体的能力；压缩机变频器12连接压包，压缩机控制器11连接压缩机变频器12，压缩机控制器11控制压缩机变频器12的输出频率以实现压包13在不同频率下的运行工况，即实现压缩机10的变频功能，压缩机10的运行频率具有一个最低值和一个最高值。
压包13压缩的高压制冷气体通过高压供气管14与高压管路26输出至制冷机22，高压制冷气体在制冷机22中膨胀，膨胀后的制冷气体压力降低，通过低压回气管15与低压管路27输送回到压包13中，并再次被压缩为高压制冷气体供给至制冷机22中，以上述过程为供气回气循环，高压制冷气体在制冷机22中的膨胀过程将在下述实施方式中具体说明。
压包13例如可以为涡旋式泵、旋转式泵或使气体压力升高的其他泵。高压供气接口18作为压缩机10的高压制冷气体输出端口而设置于压缩机外壳上，高压供气管14与高压管路26分别连接在高压供气接口18的两端。低压回气接口19作为压缩机10的低压制冷气体的输入端口而设置于压缩机外壳上，低压回气管15与低压管路27分别连接在低压回气接口19的两端。高压压力传感器16配置于高压供气管14上而测定流经高压供气管14的高压制冷气体的压力。低压压力传感器17配置于低压回气管15上而测定流经低压回气管15的低压制冷气体。压缩机控制器11可以从高压压力传感器16与低压压力传感器17测定的制冷气体的压力获取高压供气管14与低压回气管15的测定压差，该压差即为压缩机10的运行压差。
制冷气体可以为例如氦气的气体，以下实施方式中用氦气代替制冷气体。
低温泵组20由1台及以上的低温泵21组成，低温泵21包括制冷机22、低温泵控制器23、冷却台24、真空罩25，数据协调控制器30连接压缩机控制器11与低温泵控制器23。
如图1、图2所示，真空罩25被设计成容纳制冷机22中制冷部220的容器，冷却台24以某种方式连接于制冷机22的制冷部2200的上端，并容纳于真空罩25中，例如冷却台24直接焊接在制冷部2200的上端。温度传感器28配设于冷却台24表面，例如温度传感器28通过螺栓固定于冷却台24的表面，温度传感器28用于测量冷却台24的温度，低温泵控制器23采集温度传感器28的输出数据并转化为温度数值，数据协调控制器30通过低温泵控制器23实时采集冷却台24的温度。所述制冷机22可以为例如吉福特-麦克马洪型制冷机(GM制冷机)。
如图2所示，制冷机22由制冷机马达2201、曲柄运动机构2202、室温腔2203、排出器2204、密封圈2205、蓄冷器2206、下气体通道2207、膨胀腔2208、高压进气阀2209及低压回气阀2210构成。制冷机马达2201连接曲柄运动机构2202，曲柄运动机构2202连接排出器2204，制冷机马达2201带动曲柄运动机构2202运动以使排出器2204在制冷部2200内完成往复式上下运动；蓄冷器2206内部设置有允许气体通过的蓄冷材料，例如铜；排出器2204设置有一个或多个下气体通道2207，氦气可以流过下气体通道2207进入蓄冷器2206内部，蓄冷器2206下端设有密封圈2205。
打开高压进气阀2209，压缩机10输出的高压氦气由高压管路26流过高压进气阀2209进入制冷机22的室温腔2203，此时排出器2204位于制冷部2200的最上端，位于室温腔2203的高压氦气经过下气体通道2207进入蓄冷器2206中，此时制冷机马达2201带动曲柄运动机构2202运动，曲柄运动机构2202带动连接的排出器2204向下运动，位于制冷部2200顶端的膨胀腔2208体积变大，充满室温腔2203与蓄冷器2206中的高压氦气流过上气体通道2211进入膨胀腔2208内，排出器2204运动至最下端，即排出器2204填满室温腔2203，高压氦气全部充满于蓄冷器2206与膨胀腔2208中，关闭高压进气阀2209，随后打开低压回气阀2210，由此膨胀腔2208与蓄冷器2206连通低压管路27，膨胀腔2208与蓄冷器2206内部的氦气压力高于低压管路27内的氦气压力，膨胀腔2208与蓄冷器2206内部的高压氦气向低压管路27膨胀，并且此时排出器2204向上运动，排出膨胀腔2208的氦气，膨胀后的气体温度降低，带动膨胀腔2208与蓄冷器2206降温，排出器2204运动至制冷部2200最上端时，关闭低压回气阀2210，上述过程为制冷机22的一个制冷循环。进行多次制冷循序，以使制冷机22连接的冷却台24降温以达到工作温度，例如10K。
上述制冷机22降温过程中，随着蓄冷器2206的温度降低，由室温腔2203进入膨胀腔2208的较高温度的高压氦气首先与蓄冷器2206进行热量交换，进入膨胀腔第208的高压氦气温度降低，氦气温度降低，密度增加，由此充满膨胀腔2208与蓄冷器2206需要的高压氦气用气量增加，即随着制冷机22温度的降低，降温过程中需要的高压氦气用气量增加。
制冷机马达2201连接具有变频功能的低温泵控制器23，制冷机马达2201的运行频率受低温泵控制器23控制，制冷机22在制冷机马达2201的带动下可以在最高运行频率以下最低运行频率以上的某一频率运行，运行频率减小，高压氦气用气量也减小，运行频率增加，高压氦气用气量也增加。
冷却台24降低至工作温度并维持在该温度，冷却台24不继续降低温度，即制冷机22产生的冷量减小，制冷机马达2201的运行频率降低，消耗的高压氦气量减小。
数据协调控制器30连接压缩机控制器11与一台或多台低温泵21的低温泵控制器23，数据协调控制器30采集压缩机10的运行频率和运行压差及低温控制器23的运行频率及冷却台24的温度，并且数据协调控制器30设有临界压差值。
低温泵系统100运行，压缩机10供给高压氦气至一台或多台低温泵21，数据协调控制器30首先发送指令至低温泵控制器23，控制制冷机马达2201以最高频率运行，即低温泵21以最高频率开始降温。压缩机10首先以最低频率运行，例如最低频率为30hz。
低温泵21数量较少时，例如低温泵21数量为3台或以下时，低温泵21可以以最大运行频率降温以使冷却台24从室温降低至工作温度，在此过程中，压缩机10可以保持最低频率运行。
低温泵21数量较多时，例如低温泵21数量超过3台，低温泵21在降温初期阶段保持最大运行频率以使冷却台24降温，在降温过程中，压缩机10的运行频率首先以最低频率运行，随着每台低温泵21中冷却台24的温度降低，压缩机10的运行频率将从最低频率逐渐增加，最高增加至压缩机10的最高运行频率；若此刻冷却台24还未降至工作温度，制冷机22需要的高压氦气量随冷却台24温度降低持续增加，压缩机10的运行频率已达到最大值，无法继续增加。此时压缩机10将降低高压供气管14的氦气压力，数据协调控制器30连接压缩机控制器11采集的压缩机10的运行压差逐渐降低，压缩机10的运行压差值高于设定于数据协调控制器30内的临界压差值，低温泵21以最大频率运行；若压缩机10的运行压差值低于临界压差值，数据协调控制器30发送指令至低温泵控制器23以控制降低低温泵21的运行频率，例如低温泵21的运行频率降低至最大运行频率的70％，低温泵21的运行频率降低(即制冷机22的频率降低)，制冷机22消耗的高压氦气量减小，则压缩机10的运行压差值增加至超过临界压差值，在此低温泵21运行频率下冷却台24降低至工作温度。若在此运行频率(例如低温泵21最大运行频率的70％)下压缩机10的运行压差值仍低于临界压差值，则数据协调控制器30继续发送指令降低低温泵21的运行频率，以使压缩机10的运行压差值高于临界压差值。
若为了维持压缩机10的运行压差高于临界压差值，低温泵21的运行频率降低至较低值时，例如最大运行频率的20％，由于压缩机10的运行压差较低且低温泵21的运行频率较低，制冷机22产生的冷量较小，无法降低冷却台24的温度甚至冷却台24的温度将增加，数据协调控制器30采集到冷却台24的温度在降低至工作温度之前不再继续降低时，数据协调控制器30将发送停机指令至冷却台24温度较高的低温泵21，低温泵控制器23控制停止制冷机马达2201的运行，由此压缩机10的运行压差增加，剩余低温泵21的冷却台24可以继续降温。
由此，数据协调控制器30实时采集压缩机10的运行数据以调节低温泵21的运行频率，可以增加压缩机10同时带动低温泵21运行的数量，并且相对于单台低温泵21间隔时间降温，该控制方法可以缩短低温泵组20的总降温时间。
Claims (10)
1.一种低温泵系统，其特征在于，包括压缩机单元(10)、低温泵组(20)、数据协调控制器(30)；所述压缩机单元(10)包括压缩机控制器(11)、压缩机变频器(12)、压包(13)；所述低温泵组(20)包括若干低温泵(21)；所述压缩机控制器(11)与所述数据协调控制器(30)相连，所述低温泵控制器(23)与所述数据协调控制器(30)相连，所述压缩机控制器(11)和所述压缩机变频器(12)相连，所述压缩机变频器(12)与所述压包(13)相连，所述压包(13)分别设有高压供气管(14)和低压回气管(15)；所述低温泵(21)包括制冷机(22)、低温泵控制器(23)、冷却台(24)；所述制冷机(22)设有高压管道(26)和低压管道(27)，所述冷却台(24)固定于所述制冷机(22)上端；所述高压供气管道(14)通过高压供气接口(18)与所述高压管路(26)相连，所述低压回气管(15)通过低压回气接口(19)与所述低压管路(27)相连；所述高压供气管(14)上设有用以测量高压供气管(14)压力的高压压力传感器(16)，所述低压回气管(15)上设有用以测量低压回气管(15)压力的低压压力传感器(17)；
所述压包(23)压缩的高压制冷气体通过所述高压供气管(14)与高压管路(26)输出至所述制冷机(22)，高压制冷气体在所述制冷机(22)中膨胀，膨胀后的制冷气体通过所述低压回气管(15)与低压管道(27)输送回到所述压包(13)中，重复循环。
2.根据权利要求1所述的低温泵系统，其特征在于，所述制冷机(22)还包括制冷机马达(2201)、曲柄运动机构(2202)、室温腔(2203)、制冷部(2200)、高压进气阀(2209)及低压回气阀(2210)；所述制冷部(2200)包括排出器(2204)；所述制冷机马达(2201)与所述曲柄运动机构(2202)相连，所述曲柄运动机构(2202)与所述排出器(2204)连接，所述室温腔(2203)位于所述排出器(2204)两侧，所述室温腔(2203)下方与所述高压管路(26)和低压管路(27)相连。
3.根据权利要求2所述的低温泵系统，其特征在于，所述制冷部(2200)还包括蓄冷器(2206)、膨胀腔(2208)；所述室温腔(2203)通过下气体通道(2207)与蓄冷器(2206)连接，所述蓄冷器(2206)通过上气体通道(2211)与所述膨胀腔(2208)相连，所述膨胀腔(2208)上方设有所述冷却台(24)。
4.根据权利要求1所述的低温泵系统，其特征在于，所述压缩机单元(10)具有变频功能；所述低温泵(21)具有变频功能。
5.根据权利要求1所述的低温泵系统，其特征在于，所述高压管路(26)上设有高压进气阀(2209)，所述低压管路(27)上设有低压回气阀(2210)。
6.根据权利要求1所述的低温泵系统，其特征在于，所述低温泵(21)还设有真空罩(25)，所述真空罩(25)位于所述制冷机(22)上端；所述冷却台(24)固定于所述制冷机(22)上端且位于所述真空罩(25)内。
7.根据权利要求6所述的低温泵系统，其特征在于，所述冷却台(24)上设有温度传感器(28)，温度传感器(28)用以测量冷却台(24)的温度。
8.根据权利要求3所述的低温泵系统，其特征在于，所述蓄冷器(2206)上设有密封圈(2205)。
9.根据权利要求3所述的低温泵系统，其特征在于，所述蓄冷器(2206)内部设置有允许气体通过的蓄冷材料。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的一种低温泵系统运行方法，其特征在于，所述压缩机(10)带动所述低温泵(21)降温，所述数据协调控制器(30)实时采集所述压缩机(10)的运行频率与运行压差及所述低温泵(21)的温度与运行频率，并控制所述低温泵(21)的运行频率；当所述压缩机(10)的运行压差高于所述临界压差时，所述数据协调控制器(30)控制所述低温泵(21)以最大频率运行；当所述压缩机(10)的运行压差低于所述临界压差时，所述数据协调控制器(30)降低所述低温泵(21)的运行频率以使所述压缩机(10)的运行压差高于所述临界压差；当所述低温泵(21)中冷却台(24)降低至最低温时，所述数据协调控制器(30)控制所述低温泵(21)以较低运行频率运行，该运行频率下冷却台(24)的温度保持最低温。
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2023
- 2023-10-31 CN CN202311430158.8A patent/CN117419029A/zh active Pending
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