CN117597559A - 串联布置的循环低温冷却器系统 - Google Patents

Abstract

用于将制冷传递到远程位置的循环回路串联在吉福德‑麦克马洪(GM)或GM型脉冲管冷头和压缩机之间。来自压缩机的高压气体可以流过远程加热站，然后再返回冷头，或者低压气体可以从冷头流向远程加热站，然后再返回压缩机。第一部分气体(可能包括环境温度下的所有气体)进入逆流热交换器，被冷头冷却，流向远程负载，然后在流经逆流热交换器时恢复到环境温度。高压或低压管线可以具有循环控制阀，该循环控制阀将第二部分气体分流，直接在冷头和压缩机之间流动。控制器调节循环控制阀，以优化负载的冷却。

Description

串联布置的循环低温冷却器系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年7月29日提交的序列号为63/226,851的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及对远离吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon，GM)或GM型脉冲管冷头(膨胀机)的负载进行冷却。

背景技术

阀式再生循环低温制冷器(低温冷却器)，如吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon，GM)或脉冲管低温冷却器，由于其效率高、体积小、成本低，在为小于1kW的制冷负载提供低温制冷方面很受欢迎。这些低温冷却器限定为具有压缩机，压缩机向冷头提供高压气体，并从冷头接收低压气体；冷头包括阀，阀将气体循环到往复式置换器，该往复式置换器通过再生器在冷热置换容积之间转移气体。这种类型的低温冷却器的缺点是，只能在位于冷头上的冷表面处提供制冷。与排放能够循环至远程负载的低压冷气体的布雷顿循环膨胀机不同的是，这些再生型膨胀机在室温下返回低压气体。为了克服这一缺点，已经开发出了将再生循环低温冷却器与含流体回路相结合的系统，其通过将冷却流体从冷头冷表面循环到远离冷头的位置来传递制冷。当需要在较宽的温度范围内进行制冷时，或者当被冷却物体的特性不允许使用液体或液气相变进行冷却时，就会在这种回路中使用气体作为流体。在这种情况下，当气体的温度在回路的一部分降低(冷却)，而在回路的另一部分升高(升温)时，制冷由气体的显热传递。

已经描述了两种类型的使用气体作为循环流体的循环回路。一种类型具有冷循环器，整个循环回路都处于低温状态，包括使冷流体移动通过回路的机构。另一种类型具有暖循环器，其回路的一部分包含低温下的冷头和远程负载，另一部分包含在高温下(如室温或室温以上)使流体移动的机构。在两部分之间和回路内是回热式热交换器，该回热式热交换器允许回路的冷部分在明显低于循环器温度的条件下操作。回热式热交换器冷却来自循环器的流体，并加热返回到循环器的流体。

具有冷循环器的系统的示例可见于美国专利6,347,522、英国专利2,433,581以及许多技术论文，例如"Cryogenic Thermal Studies on Cryocooler-Based HeliumCirculation Systems for Gas Cooled Superconducting Power Devices(用于气冷超导动力装置的基于低温冷却器的氦循环系统的低温热研究)"，Kim等人，Cryocoolers 18。美国专利10,704,809描述了一种具有GM膨胀机的系统，其具有冷循环器和使用该冷循环器冷却或加热远程负载的装置。在这些系统中，循环回路与低温冷却器是分开的，使得它们不会共用或交换流体。具有与低温冷却器共用和交换流体的冷循环机构的系统的变型形式可见于"Performance Test of Pulse Tube Cooler with Integrated Circulator(具有集成循环器的脉冲管冷却器的性能测试)"，Maddocks等人，Cryocoolers 16。在这种情况下，循环流体从低温冷却器的冷表面内部产生并排放到冷表面内部；在低温冷却器内部压力摆动的作用下移动的流体通过止回阀整流为直流流动。

具有热循环器的系统的示例可见于美国专利5,889,456和9,612,062以及技术论文"Remote Helium Cooling Loops for Laboratory Applications(实验室应用的远程氦冷却回路)"，Trollier等人，Cryocoolers 17。美国专利7,003,977描述了一种循环系统，其具有冷存储部件，该冷存储部件可以具有热循环器或冷循环器。在这些示例中，低温冷却器和循环回路是分开的，如上所述。具有循环回路和低温冷却器共用和交换流体的热循环器的系统的示例可见于美国专利7,474,099和技术论文"Remote Cooling with the HECCooler(具有HEC冷却器的远程冷却)"，Michaelian等人，Cryocoolers 15。美国专利申请公布2021/0025624描述了使用喷射器使压缩机流量的一部分循环，以提高到达远程负载的冷流量。在这些示例中，一个压缩机用于冷头和循环回路两者，其中循环回路与冷头并联布置。美国专利6,923,009中描述了具有热循环器的系统的示例，其中低温冷却器被由消耗性低温流体冷却的热交换器所取代。

这些先前公开所没有教导的以及本发明所公开的是一种系统，其中循环回路和低温冷却器共用和交换流体，循环回路与低温冷却器冷头的暖进气口或排气口串联流动布置。

发明内容

用于将制冷传递到远程位置的循环回路串联在GM或GM型脉冲管冷头和压缩机之间。在压缩机和冷头之间流动的部分或全部气体会被转移以便由冷头进行冷却，然后冷却远程负载，然后再返回与直接流向冷头或从冷头流出的部分气体汇合。来自压缩机的高压气体可以流过远程加热站，然后再返回冷头(膨胀剂)，或者低压气体可以从冷头流向远程加热站，然后再返回压缩机。循环气体流过逆流热交换器，该逆流热交换器位于与冷头和压缩机连接的管线(处于环境温度)以及冷头和远程负载的一个或多个冷表面之间。在气体直接流向压缩机或从压缩机流出的管线中，可以具有循环控制阀，该循环控制阀将流量引向循环回路并控制驱动流量通过循环回路的压降。控制器根据各种传感器的输入调节循环控制阀，以优化负载的冷却。循环到负载的气体称为第一部分，而直接在压缩机和冷头之间流动的其余气体称为第二部分。

循环回路可以包含例如隔离阀、吸附剂、充填口和排气口、卡口和真空夹套传输管线以及加热器等元件，以支持将远程负载冷却到低温和将其加热回室温的功能。

例如，通过将气体循环到远程负载的低温制冷系统来实现这些优点和其它优点。低温制冷系统包括：压缩机，其将气体从低压压缩至高压；至少一个吉福德-麦克马洪(GM)或GM型脉冲管冷头，其在高压管线中、在环境温度下从所述压缩机接收气体，并在低压管线中将气体返回，在GM或GM型脉冲管的一个或多个冷表面产生制冷；以及循环回路，所述高压管线和低压管线中的全部或部分所述气体流过该循环回路。循环回路将制冷从所述一个或多个冷表面传递到远程负载。例如，通过调节循环控制阀以控制远程负载冷却的方法，来实现这些优点和其它优点。

附图说明

附图仅以示例的方式而非以限制的方式描绘了根据本发明的一种或多种实施方式。在图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。

图1是低温制冷系统的示意图，该低温制冷系统的一个实施例是在远程负载离开冷头之后并且在远程负载返回到压缩机之前，将部分或全部气体在低压下循环，以冷却远程负载。

图2是低温制冷系统的示意图，该低温制冷系统的一个实施例是在远程负载离开压缩机之后并且在远程负载返回到冷头之前，将全部气体在高压下循环，以冷却远程负载。

图3是对于一次穿过回路而言在远程负载处可用的冷却与循环流速和热交换器效率的函数关系示例曲线图。

图4是低温制冷系统的示意图，该低温制冷系统的一个实施例是在远程负载离开压缩机之后并且在远程负载返回到冷头之前，将部分或全部气体在高压下循环，以冷却远程负载。循环气体在冷头和负载之间流动两次，然后返回到热交换器。

图5是对于两次穿过回路而言在远程负载处可用的冷却与循环流速和热交换器效率的函数关系示例曲线图。

图6是低温制冷系统的示意图，其示出了本发明的任何实施例可适于冷却和加热远程负载的多种不同方式。

具体实施方式

在该部分中，将参考示出了本发明的优选实施例的附图更全面地描述本发明的一些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围传达给本领域技术人员。附图中相同或相似的部分标以相同的标号，不再赘述。

本实施例提供了一种通过循环氦气来冷却负载的系统，该负载在低温下操作，并且远离吉福德-麦克马洪(GM)或GM型脉冲管冷头(膨胀机)。参考图1，所示为低温制冷系统100，其通过将循环回路与冷头40串联布置而为远程负载80提供制冷。具体来说，压缩机20在高压和环境(室温)温度下提供氦气流，直接通过管线10流动到冷头(膨胀机)40的暖端。冷头40操作成以高压吸入氦气，使气体膨胀并在冷表面42处提供制冷，以第一低压Pl'和接近环境(室温)温度将气体排入管线13。从冷头40排出的部分或全部氦气流通过管线14流入循环回路，剩余部分通过循环控制阀90和管线12以返回压力Pl返回到压缩机20。与冷头串联布置的循环回路是系统中的包含流动进入管线14和离开管线16的部分。

通过管线14进入循环回路的氦气流动通过回热式热交换器60的供应侧，在这里其被相对的氦气流冷却到接近循环回路冷操作温度的温度。氦气从回热式热交换器60的供应侧流向热交换器44，在那里其通过冷头40的冷表面42处提供的制冷被进一步冷却。然后，循环氦气通过管线15流向热交换器72，以冷却远程负载80。氦气从这里通过热交换器60(其冷却供应侧氦气)返回，然后通过管线16与管线12连接，在压力Pl下返回到压缩机20。管线14和16穿过暖凸缘21，该暖凸缘将在室内环境下操作的部件与由真空22隔热的冷部件分隔开。大多数GM和GM型脉冲管低温制冷器设计成在10℃至40℃之间的环境温度下操作，但也有一些可以设计成在该范围之外操作。

压缩机处的管线10和12中的氦气压力通常分别在2至3MPa和0.5至1MPa的范围内。当系统处于其操作温度时，循环控制阀90两侧的压差通常约为0.1MPa，但在冷却或加热时会更高。循环控制阀90可调节管线13中的冷头出口(处于Pl'(Pl+dP))与压缩机20处的管线12(处于Pl)之间的压降dP。增加压降将驱动更多的流量通过循环回路，降低冷头40的制冷率。当低温制冷系统用于将远程负载从室温冷却下来时，主动控制的优势就显现出来了。当远程负载80是热的(接近室温)时，循环回路中的压力损失相对较高，因为与冷的时候相比气体的密度较低且粘度较高。由于冷头40的热损失较低，因此制冷量也相对较高。通过减少通过循环控制阀90的流量，可以增加通过循环回路的流量，并将T1下的冷表面42与T1+dT下的负载80之间的温差dT降到最低。循环的第一部分气体在冷表面42处冷却，并且可以说在该处升温后向负载80传递制冷。温度传感器42a和80a分别测量这两个位置的温度。

通过使用循环控制阀90对循环进行主动控制，可以针对给定的操作条件优化通过循环回路的流量和通过冷头40的流量。对流量、温度、压力、压差的测量或这些测量的组合可用于为循环控制阀90的流量控制决策提供信息。

一种优选的方法是使用控制器(未示出)调节循环控制阀90，以尽量减小传感器42a和80a之间的温差。传感器的位置和类型并不局限于图1所示的温度传感器42a和80a，也可以是任何位置和类型的传感器，以有效地检测循环回路中的压力、温度和/或气体流量。可以确定流过循环回路的气体部分的量，以尽量降低远程负载80的温度，或尽量提高远程负载80冷却的冷却速率。

参考图2，示出了低温制冷系统200，其与系统100的不同之处在于，在气体进入冷头40之前，先将气体从压缩机20在高压下循环至远程负载80。低压气体直接从冷头40通过管线12返回到压缩机20。如图1所示，系统200也可以具有循环控制阀90，而图2则示出了来自压缩机20的所有流量的循环。无论是在高压还是低压下循环气体，系统都可以具有循环控制阀90，如针对系统100所示(另见图4)，也可以没有，如针对系统200所示。气体通过管线10在Ph下离开压缩机20，然后通过管线11在Ph'下返回到冷头40，差值dP即为循环回路中的压降。循环回路的压降dP通常设计为小于Ph-Pl的约10％。

举例说明，在80K温度下使用GM制冷器冷却负载，在冷表面42处、在2.0/0.8MPa压力下、在10g/s的流量下，该GM制冷器在80K温度下产生600W的冷却，但在80K温度以下，产生的冷却要少约10W/K。优选的是，循环回路设计为压降较低，例如小于0.1MPa，并且热交换器效率较高。

参考图3，示出了在热交换器效率为98.5％和99％的情况下，远程负载80在80K下的可用冷却与循环速率的函数关系曲线图。通过循环气体来冷却温度为80K的远程负载80，需要将气体冷却到低于80K的温度。图3还示出了冷表面42的温度，假定气体被冷却到该温度。如果循环流速为6g/s，热交换器60的效率为98.5％，假设除热交换器60外没有其它损耗，则在远程负载80处可获得最大375W的制冷。两个主要损耗源是热交换器中的105W和由于膨胀机40在68K下操作而导致冷却能力减少的120W。在热交换器效率为99％的情况下，最佳循环流速约为8g/s。热交换器的损耗为94W，膨胀机40在70.2K下操作，冷却能力降低98W，剩下408W可用于冷却远程负载80。如果循环控制阀90关闭，所有流量都通过循环回路，则在负载80处可获得的制冷为404W。设计者可以选择不使用循环控制阀90，让所有流量循环。

可以使用利用循环控制阀90调节循环流速的控制器(未示出)，来获得使前面的示例中冷表面42和负载80之间的温差最小的流速。

参考图4，示出了低温制冷系统250，其具有循环控制阀90，在冷表面42和远程负载80之间具有"两次穿过"循环回路，包括通过管线15a连接的第一次穿过热交换器44a和72a，以及通过返回管线17和管线15b连接的第二次穿过热交换器44b和72b。图5是热交换器60效率为99％、假设条件与图3相同的情况下，系统250可获得的冷却的曲线图。最佳循环流速接近6g/s，其中热交换器的损耗为71W，由于膨胀机处于72.7K下而导致的冷却能力的降低为73W，剩下457W可用于冷却远程负载80。

参考图6，示出了低温制冷系统300的示意图，其示出了基本循环系统如何能够适应不同的应用。循环回路示出为处于高压，和系统200中一样，但这些变化同样适用于示出为低压气体循环的系统100。

许多应用都需要加热负载，作为流程或维护的一部分。一些GM和GM型脉冲管可以"反向运行"，产生加热而不是冷却。无需对系统100和200进行任何改动。对于不能反向运行的冷头，将加热管线15中的气体并随后加热负载80的加热器54要求气体循环并绕过冷头。旁通阀94可以在冷头40关闭时使得气体循环。

低温制冷器的冷部件通常容纳在其自身的真空壳体62中，并通过真空隔离的(或带夹套的)传输管线74a和74b将气体循环到远程负载80。传输管线可以通过卡口70a和70b与制冷器可移除地连接，或者可以与制冷器共用共同的真空22。远程负载80可以通过热交换器72进行冷却或者通过使气体流经负载来进行冷却。通过使流过负载的气体循环来冷却远程负载80的一个问题是保持气体清洁。隔离阀68a和68b关闭后，可在连接远程负载80时保持制冷器内的气体的清洁。连接到远程负载后，必须清洁回路。通常是通过阀门64a和64b对管线进行充气和排气。可在管线15中加入吸附器52，以帮助保持气体清洁。系统冷却后，可通过阀64a或64b添加气体。

系统300包括循环控制阀90和冷头40之间的缓冲容积96。缓冲容积96的作用是使进入冷头的流量平稳。就系统200而言，其将被添加到管线11。之前未示出或讨论过的选项包括：使用一个以上的冷头、操作并联的一个以上的压缩机、使用具有两个或更多个冷表面并在不同温度下将气体循环至远程负载的多级冷头、以不同速度操作冷头、增加可从系统中添加或移除气体的气体存储系统、或者使用其它气体，如氖、氩或氮。

此处使用的术语和描述仅作为说明阐述，并不意味着限制。本领域的技术人员将认识到，在本发明的精神和范围内以及在此描述的实施例内，许多变化是可能的。

Claims (15)

1.一种将气体循环至远程负载的低温制冷系统，其包括：

压缩机，所述压缩机将气体从低压压缩至高压；

至少一个吉福德-麦克马洪(GM)或GM型脉冲管冷头，所述至少一个GM或GM型脉冲管冷头在高压管线中从所述压缩机接收处于环境温度下的气体，并且在低压管线中将气体返回，在GM或GM型脉冲管的一个或多个冷表面处产生制冷；以及

循环回路，所述高压管线和低压管线中的所述气体的全部或部分流动通过所述循环回路，其中所述循环回路将所述制冷从所述一个或多个冷表面传递到远程负载。

2.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其中所述高压管线和低压管线中的一个具有循环控制阀，所述循环控制阀由控制器控制，所述控制器连接到传感器。

3.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其还包括处于所述循环回路中、介于环境温度与所述一个或多个冷表面的温度之间的回热式热交换器。

4.根据权利要求3所述的低温制冷系统，其还包括隔离阀，所述隔离阀将连接到远程负载的管线与系统的其它部分隔离。

5.根据权利要求4所述的低温制冷系统，其还包括一个或多个端口，所述一个或多个端口被配置为在与远程负载连接的管线中添加或移除气体。

6.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其中所述循环回路还包括第二次穿过，所述第二次穿过将循环气体从远程负载返回到所述一个或多个冷表面，然后再返回到远程负载。

7.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其中所述冷头具有处于不同温度下的两个冷表面。

8.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其中气体是从氦气、氖气、氮气和氩气组成的组中选取的一种或多种气体。

9.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其还包括一个或多个缓冲容积，所述一个或多个缓冲容积与所述冷头连通，以用于使气流脉动变得平滑。

10.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其还包括在远程负载与所述一个或多个冷表面之间的卡口连接。

11.根据权利要求1所述的低温制冷系统，其还包括在远程负载与所述一个或多个冷表面之间的真空夹套传输管线。

12.一种使用将气体循环至远程负载的低温制冷系统冷却远程负载的方法，所述低温制冷系统包括：

压缩机，所述压缩机将气体从低压压缩至高压；以及

至少一个GM或GM型脉冲管冷头，所述至少一个GM或GM型脉冲管冷头在高压管线中从所述压缩机接收气体，并且在低压管线中将气体返回，在GM或GM型脉冲管的至少一个冷表面处产生制冷，

其中所述高压管线和低压管线中的一个具有循环控制阀，所述循环控制阀将第一部分气体分流，以流过循环回路，所述循环回路将制冷从所述冷表面传递到远程负载；

所述方法包括：

调节所述循环控制阀，以控制远程负载的冷却。

13.根据权利要求12所述的方法，其中基于测量得到的所述高压管线和低压管线中的压力、温度或流量中的至少一个来确定所述第一部分气体的量。

14.根据权利要求12所述的方法，其中将所述第一部分气体的量确定为使远程负载的温度降到最低。

15.根据权利要求12所述的方法，其中将所述第一部分气体的量确定为最大限度地提高远程负载冷却的冷却速率。