CN1675509A - 防止氦气压缩机中的油携带 - Google Patents

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Abstract

一种泵送的氦气回路，其包括：带有高压端口(16)和低压端口(18)的压缩机(14)，每一端口连接到供应设备(61、63、65、67)，以便分别向所述供应设备供应压缩氦气以及从所述供应设备接收压缩氦气；泄压阀(12)，其在操作上响应于预定的压差以便使得该高压端口与该低压端口相连；位于该泄压阀的低压侧和所述供应设备之间的止逆阀(13)；以及用于防止从该压缩机向所述供应设备携带油的装置。

Description

防止氦气压缩机中的油携带
背景技术
当氦气被压缩时，产生相对较大的热量。氦气是具有已知气体中的最大比热容量比的气体之一(对于氦气γ＝Cp/Cv＝1.67)。当氦气被压缩时，必须提供非常有效的冷却机构。在缺少这种冷却机构的情况下，不可能达到氦气的液化温度，并且不可能制造液氦。在例如核磁共振成像(MRI)的应用中，必须实现数量级为4-10K的极低温度。通常需要将超导磁体保持在超导状态中。氦气只是在该温度下保持气态的已知气体，并且因此必须解决氦气液化所涉及的问题。
用于从被压缩的氦气中排出热量的两种可供选择的方法是已知的。在一种方法中，氦气分阶段地压缩，并且被压缩的氦气在每一阶段之后通过经过被冷却的导热叶片例如水冷金属叶片从而被冷却。在第二种方法中，在压力下油与氦气混合。对氦气压缩所产生的热量由油来吸收。在氦气用于冷却之前，该油必须从氦气中排出，这是因为油会凝固并且如果处于所希望的温度范围即数量级为4-10K中可能在深冷场合中导致出现问题。
本发明涉及油与氦气混合的该第二种方法的压缩和冷却。
图1示出了带有内旁通泄压阀12的已知氦气压缩机的示意图。在深冷操作例如核磁共振成像中，通常使用带有内旁通泄压阀的氦气压缩机来压缩氦气。这种装置作为整体单元来制造并供货，其具有高压(HP)和低压(LP)端口16、18。设置内旁通泄压阀12以便防止对压缩机单元14的损坏，否则如果例如高压端口16被阻塞时将出现这种情况。内旁通泄压阀12通过有效地连接高压端口16和低压端口18从而对高压端口与低压端口之间的压差增加将作出反应。这提供了用于被压缩的氦的路径11，并且防止对压缩机单元14的损坏。在低压端口18与内旁通泄压阀连接部分之间，还通常设置有止逆阀(NRV)13。这旨在防止气体的回流并防止气体和流经内旁通泄压阀12的任何污物到达低压端口18。油分离器17设置在压缩机单元14的高压输出管路中，以便将油从被压缩的氦气中分离出来。该油分离器不会保留氦气中的100％的油，因此已知的是设置例如活性炭的油吸收器19，其在高压端口16的上游位于压缩机中或者在外侧位于高压端口16的下游。
已知类型的氦泵是涡旋式压缩机。图2A-ID示意地示出了涡旋式压缩机的操作部分。涡旋式压缩机包括两个相似的同心涡旋件21、23，一个涡旋件插入到另一涡旋件中。涡旋件23保持静止，而涡旋件21在其中转动。如图2A所示，当外开口27和27’打开时，气体吸入到压缩室25和25’。当涡旋件21转动时，如图2B所示，外开口27和27’关闭并且压缩室25和25’吸入到涡旋件23中。当涡旋件21继续其转动，并且如图2C所示，压缩室25和25’进一步地吸入到涡旋件中，并且其容积减小，在压缩室25和25’内压缩气体。外开口27和27’再次打开，以便使得另一压缩室29和29’暴露在周围气体。压缩室25和25’朝向涡旋件的中心移动，保持逐渐地压缩，直到在压缩室内的气体在压缩机的中心达到最大的压力，如图2D所示。其中，高压气体经固定涡旋件23中的排出端口22排放。各个压缩室25和25’、29和29’等顺序地到达排出端口22，同时新的压缩室通过外开口27的打开和关闭从而形成。
尽管以上在本发明的应用中对压缩气体进行了描述，但是该涡旋式压缩机可用于氦气与油的混合物，以下称为“气体+油”。
引言
由图1所示的氦气压缩机制造的压缩氦气的典型应用是供应给用于冷却超导MRI磁体的脉冲管式制冷装置61。经高压管路63和高压端口16向已知类型的脉冲管式制冷装置供应高压泵送氦气，同时较低压力的氦气回流经高压管路65返回到低压端口18。在这种情况下，高压端口通常提供压力大约为2.4MPa(24bar)的氦气，而低压端口通常接收大约压力大约为0.6MPa(6bar)的氦气。本发明的脉冲管式制冷装置通常使用旋转阀(RV)机构67。大量的彼此旋转的盘限定阀的打开和关闭的次数和阀孔口的尺寸。这种结构确保了正确且不变的时间选择以及在旋转阀机构67中使用的各种阀的尺寸关系。在这种情况下，低压端口和高压端口连接到旋转阀机构的至少一个阀上。
低压端口和高压端口通常利用较长的柔性软管63、65与脉冲管式制冷装置连接。在本发明人的脉冲管式制冷装置的开发过程中，注意到带有旋转阀和弯曲管路的某些脉冲管式制冷装置冷头长期充满了压缩机油。当在四个系统种出现这种情况时，这不能认为是随机的现象。为了理解携带油的机构，进行了实验。本发明提供了用于克服或至少是减轻现有技术的压缩机/脉冲管式制冷装置组件的问题的装置和方法，并且本发明可应用于其中的带有内旁通泄压阀的氦气压缩机具有与阀机构连接的高压和低压端口的任何系统。
在本发明之前，已经认为最可能导致在弯曲管路中存在油的原因是与高压端口16连接的吸收器19的低效率。
在最初的研究中，如图1所示，与脉冲管式制冷装置(PTR)连接的弯曲管路65为二十米长。在高压管路63中的压力对于持续4-6小时的每一阶段以0.1MPa的幅度从2.4MPa(24bar)增加到2.9MPa(29bar)。在每一阶段之后，对两米的低压管路65进行残留气体分析(RGA)，以便跟踪在管路中的任何油。在检查管路下，该弯曲管路被加热到大约200摄氏度。在包含油的管路中，检测到程度非常高的微量的CO和CO2，这表示油在检测中在管路中分解。对于每次实验，运行PTR，并且在其第二级上出现10K的空载温度。PTR随后分别在其第一和第二级承受40W和6W的加热器负荷。然而，在所有的这些状态中没有检测到任何的油。气体总是可以从高压端口16经过气体回路63、67、65流到低压端口18。
已知的是，多个故障状况可能导致旋转阀(RV)67止动，同时氦气压缩机继续运行。在这些状况下，在高压管路中的氦气压力升高到非常高的数值，例如2.9MPa(29bar)，而在低压管路中的氦气压力快速地下降到非常低的压力，例如0.15MPa(1.5bar)。
对于在冷却PTR冷头之后止动该旋转阀67而同时氦气压缩机继续运行的效果，进行了其它的研究。一旦旋转阀67止动，在高压管路63中的和压缩机的连接部分内的氦气压力升高。这种升高的速率和强度取决于旋转阀67的止动位置。如果高压端口16在止动位置与PTR连接，则高压管路中的压力升高不是非常大。然而，如果低压端口在旋转阀止动位置与压缩机连接，则高压管路中的压力升高非常大。当低压端口与压缩机连接时，在整个低压管路中的气体压力被压缩机降低到非常低的数值。
在该研究过程中，旋转阀67在压缩机压力和高压管路中的压力升高到2.8-2.9MPa(28-29bar)的位置止动并且该压缩机在这种状况下运行1到2天。此刻，可以在两米长的管路33中观察到微量的油。
然而，应当注意，高压管路仅在长期加热之后在管路中出现微量的油，而低压管路几乎在加热时立即出现油。这种没有预料到的且令人吃惊的结果得到以下结论，即，到达脉冲管式制冷装置61和柔性软管63、65的油从压缩机首先克服止逆阀(NRV)的阻力传送到低压管路，并且在操作过程中随后经过PTR冷头进入高压管路。该结论被检验并且获得到本发明，本发明提供了用于防止油经过止逆阀和低压端口的输送的各种方法和装置。
进行了其它的研究以便跟踪携带油的机构。在位置31处，在两米长的低压弯曲管路33的远端处连接压力表，以便代替另一吸收器，而另一端连接到压缩机的低压端口18。压缩机的高压端口16保持未连接，并且因此是阻塞的。在低压管路中的初始压力为0.15MPa(1.5bar)。该压缩机在高压管路的压力为2.8-2.9MPa(28-29bar)的情况下运行两到三天。这基本上是在内旁通状况下运行压缩机，只有从高压管路经内旁通阀12流向低压管路的气流。已经发现，在低压管路中的压力随时间增加到0.4MPa(4bar)，这是由于经内旁通阀12输送的气体+油的混合物没有流经吸收器19。气体+油进入连接部分15。低压端口18处于非常低的压力。如果由于从高压管路经内旁通阀12的高压气体+油进入而引起在连接部分15处的压力充分升高，则气体+油的一部分可能经过NRV朝向并经过低压端口18流入低压管路65。当进行残留气体分析(RGA)时，两米长的管路33出现微量的油。这被认为是证实了这样的假设，即，气体+油可以穿过NRV。在一段时间之后，显著量的油以这种方式输送到低压弯曲管路65中并随后输送到PTR61的冷头。
为了证实这种效果，对于与PTR61连接的高压和低压管路63、65重复进行实验并且启动压缩机。旋转阀67随后止动，模拟故障状况。一旦旋转阀67止动，低压管路中的压力下降到0.15-0.2MPa(1.5-2bar)，压缩机中的和高压管路中的压力增加到2.8-2.9MPa(28-29bar)。这些状况与在前的实验的假设相似，从而证实了该实验的有效性。
本发明部分地基于以下发现，即，特别是在旋转阀67止动而压缩机仍然运行的过程中，通过防止油从压缩机低压侧的携带，从而可以防止或至少明显地减少油从压缩机输送到PTR。在这种情况下，气体+油从压缩机穿过NRV13朝向PTR61输送，这是由于压缩机压力与PTR的低压管路65中的低压之间的高压差而引起的。因此无论在什么情况下，应当避免出现这种状况。依据本发明的另一方面，提供了方法和装置以便降低这种状况的效果的出现。
因此，本发明提供了后附的权利要求所限定的方法和装置。
参照对优选实施例的下列描述并结合附图，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1示出了依据现有技术的向脉冲管式制冷装置供应压缩氦气的已知氦气压缩机；
图2示出了依据现有技术的涡旋式压缩机；
图3示出了应用于本发明的实施例的图1所示的系统；
图4示出了应用于本发明的另一实施例的图1所示的系统；和
图5示出了应用于本发明的再一实施例的图1所示的系统。
图3示出了依据本发明的实施例的用于防止从氦气压缩机经低压管路携带油的装置，其包括本身公知的集油器，以具有新颖性和创造性特征的方式设置在位置31处位于压缩机和旋转阀之间的低压管路65中。
该集油器通过在一侧上使用两米的弯曲管路33并且在另一端使用二十米的弯曲管路32从而与在低压管路上的压缩机连接。在弯曲管路32、33中的初始压力保持为0.15MPa(1.5bar)。该实施例按以下方式来检验，即通过使得压缩机在内旁通模式下运行到非常高的压力2.8-2.9MPa(28-29bar)。应当注意，在压力表上的压力随时间增大。该压缩机在大约2.8MPa的高压下运行数天。在运行三天之后对两米的管路33进行残留气体分析(RGA)，显示具有带有油的致污物，而在位置31处的集油器之外的二十米的管路32没有显示出有任何的油的踪迹。因此该检验证实，依据本发明的实施例，在给定的时间段内使用集油器以便防止油从氦气泵中携带是令人满意的。
依据本发明的第二实施例，与油吸收器19相似的另一油吸收器设置在位置31处，以便代替上述的集油器。
依据本发明的第三实施例，通过在位置31处在低压管路65中设置气体存储器以便代替上述的集油器和油收集器，可减少从压缩机输送到PTR的油。该存储器用于当旋转阀止动的情况下降低NRV13两侧的压差。压差降低的强度取决于该存储器的容积。
例如SHI和Cryomech压缩机的特定的已知氦气压缩机设置有内部气体存储器，其在低压管路中具有吸收器/过滤器。例如Leybold和APD压缩机的其它压缩机没有这样的特征。
依据本发明的第四实施例，组合式的气体存储器和油吸收器设置在位置31处在低压管路65中。其用于防止并控制油携带的问题。该气体存储器部件用于降低NRV两侧的压差，由此降低气体+油流经NRV的可能性。该吸收器部件防止经过NRV的任何油进一步沿低压管路朝向PTR输送。
依据本发明的第五实施例，如图4所示，低压开关51在NRV之后设置在低压管路中。如果RV67由于任何原因止动，在低压管路中的压力将从其通常的水平0.5-0.6MPa(5-6bar)快速地下降。该开关51依据低压管路的压力的下降而响应，并且使得一旦检测到该压力下降就使得压缩机停机。这防止在NRV13的两侧积累产生较大的压差，并且降低气体+油输送经过NRV13的可能性。由于该开关51设计成尽可能地作出响应，因此该开关优选为设计成响应于低压管路的压力的较小下降。例如，该开关可以由0.5MPa(5bar)的低压管路压力来促动，以便使得压缩机单元14止动。
开关51可以是能够控制在氦气压缩机中可能遇到的温度和压力的任何的压力传感器。在优选实施例中，该压力开关51是电气开关，并且当由低压管路中的异常低压促动时，该压力开关使得供应给压缩机单元的电力中断，由此使得压缩机的运行停止。
在被检验的实施例中，该压力开关(Barksdale Control ProductsGmbH，UDS 7 type)在Leybold氦气压缩机的低压端口18之前固定在低压侧上。在10K OMT PRT 1030207的情况下，该氦气压缩机具有与脉冲管式制冷装置61连接的低压端口16和高压端口18。为了产生对于压力开关51适当的开关压力，确定当PTR加温时出现的对于该系统的低压截止值。已经发现，通过在压缩机指示表上的14巴的充注静压，可获得0.51MPa(5.1bar)的最小动压，和2.4MPa(24bar)的最大动压。在较低温度时在动态条件下该压力改变为0.63MPa(6.3bar)最小和2.2MPa(22bar)最大，其中PTR的第一级处的热负荷为50W，PTR的第二级处的热负荷为6W。因此0.51MPa(5.1bar)的压力开关设定被认为是适当的。
一旦建立低压开关设定，进行重复的检验以便确定压力开关51的开关重复性，并且获得对于压缩机单元14适当的断开延迟。在每一检验循环中，在PTR61启动运行之后，由于向RV驱动器的电力中断，因此RV67止动。压力开关51设定成在0.51MPa(5.1bar)时操作。记录到在高压管路中的压力增加，而在低压管路中的压力下降。测量从RV止动到压缩机停机的时间延迟。该循环重复五次。在所有的情况下，在RV止动的五秒之内该压缩机停机。在高压管路中的压力增加到2.55MPa(25.5bar)最大。这不足以使得内旁通阀12操作，并且不足以使得任何油流经NRV13。在这些检验之后，压缩机的低压端口18对油进行检查。通过视觉观察发现没有油。该系统还显示没有油的踪迹或PTR的性能没有恶化。该检验表明，压力开关51几乎立刻使得压缩机停机，这防止了油从压缩机低压管路向PTR冷头的携带。在该被检验的实施例中，发现0.51MPa(5.1bar)的开关操作压力是适当的。因此，该压力开关51的操作是令人满意的。
然而，该开关操作压力应当仔细地选择。PTR的充注或填充压力应当是正确的，以便保持压力开关在所选择的开关操作压力下正确地操作。如果填充静压小于推荐的标准数值，或者更准确地说是用于确定该压力开关操作压力的数值，则在启动过程中由于压力开关51的不希望的促动而引起该压缩机停机。另外，如果该充注静压过高，使得压缩机停机所需的时间延迟被延长，并且当RV止动时压缩机在旁通操作模式下运行。这将使得内旁通阀12促动，并且由于气体+油流经NRV13而引起低压管路可能被污染。
依据本发明的第六实施例，如图6所示，内旁通阀12设置有其自身的朝向压缩机单元14的返回通路61。以这种方式，由于在高压管路63中的过大压力，例如在旋转阀67在连接的设备上止动的情况下，因此流经该内旁通阀的任何气体+油将直接流向压缩机单元14，并且不会到达NRV13和低压管路65。流经该内旁通阀12的任何气体+油将处于较高的压力，其明显大于在低压管路65中的压力。为了防止气体+油流经压缩机单元14进入低压管路65，返回通路61连接到压缩机泵上，例如如图2A-2D所示在较高压力位置即比从低压端口18接收气体的开口27和27’更靠近涡旋件的中心的位置连接到涡旋式压缩机上。返回通路61优选为通过其自身的集管连接到压缩机上，深入压缩机的中心。因为氦气在压缩机中与油混合，所以返回通路61提供气体+油的事实不会引起问题。对于该特定实施例的缺点在于变型是该压缩机单元所需的。
尽管本发明参照数量有限的特定实施例来进行描述，但是在后附的权利要求的范围内本发明可以作出各种改变和变化。特定的实施例可以组合。例如，集油器或气体存储器/吸收器可设置在低压管路上在压力开关的上游。本发明可有利地应用于氦气压缩机经阀系统向设备供应压缩氦气的任何情况。尽管本发明参照由旋转阀来操作脉冲管式制冷装置来进行描述，但是本发明可有利地应用于任何阀控制的设备。

Claims (8)

1.一种泵送的氦气回路，其包括：带有高压端口(16)和低压端口(18)的压缩机(14)，每一端口连接到供应设备(61、63、65、67)，以便分别向所述供应设备供应压缩氦气以及从所述供应设备接收压缩氦气；泄压阀(12)，其在操作上响应于预定的压差以便使得该高压端口与该低压端口相连；位于该泄压阀的低压侧和所述供应设备之间的止逆阀(13)；以及用于防止从该压缩机向所述供应设备携带油的装置，其特征在于，所述装置包括用于防止油离开该低压端口并朝向所述供应设备输送的装置。
2.如权利要求1所述的泵送的氦气回路，其特征在于，所述装置包括在该回路中位于该低压端口与所述供应设备之间的集油器。
3.如权利要求1所述的泵送的氦气回路，其特征在于，所述装置包括在该回路中位于该低压端口与所述供应设备之间的油吸收器。
4.如权利要求1所述的泵送的氦气回路，其特征在于，所述装置包括在该回路中位于该低压端口与所述供应设备之间的气体存储器。
5.如权利要求1所述的泵送的氦气回路，其特征在于，所述装置包括在该回路中位于该低压端口与所述供应设备之间的组合式的气体存储器和油吸收器。
6.如权利要求1所述的泵送的氦气回路，其特征在于，所述装置包括在该回路中位于该低压端口与所述供应设备之间的压力促动的开关，该开关在操作上响应于在该低压端口处的气体压力下降到低于预定数值从而使得该压缩机停机，该预定数值小于在正常操作中在该低压端口处的最小压力。
7.一种泵送的氦气回路，其包括：带有高压端口(16)和低压端口(18)的压缩机(14)，每一端口连接到供应设备(61、63、65、67)，以便分别向所述供应设备供应压缩氦气以及从所述供应设备接收压缩氦气；以及泄压阀(12)，其在操作上响应于预定的压差以便使得压缩氦气从该高压端口返回到该压缩机；其特征在于，该泄压阀在该高压端口与压缩机之间连接，独立于该低压端口。
8.一种用于防止从氦气压缩机(14)向供应设备(61、63、65、67)携带油的方法，其包括以下步骤：
经高压端口(16)向所述供应设备供应压缩氦气；
经低压端口(18)从所述供应设备接收压缩氦气；
响应于超过预定数值的压差而操作泄压阀(12)，由此使得带有油的压缩氦气从该高压端口流向该压缩机，
其特征在于，该方法还包括防止来自该带有油的压缩氦气的油从该低压端口向所述供应设备输送的步骤。
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