DE112005003132T5

DE112005003132T5 - Kroygener Kühler mit verringerter Eingangsleistung

Info

Publication number: DE112005003132T5
Application number: DE112005003132T
Authority: DE
Inventors: Mingyao Xu; Jin Lin Gao
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: CN101080600A; WO2006075982A1; CN101080600B; DE112005003132B4; US8783045B2; US20080092588A1; JP5095417B2; JP2008527308A

Abstract

Kryokühler mit Ventilen, der mindestens einen Kompressor, eine Ventileinheit und einen Expander mit mindestens einem Puffervolumen aufweist, welches mit dem Einlass eines Regenerators durch Ventile verbunden ist, die Gas aus den Puffervolumen zum Regenerator auslassen, bevor Gas direkt vom Kompressor zum Regenerator fließt, und die Gas aus dem Regenerator zum Puffervolumen auslassen, bevor Gas vom Regenerator direkt zum Kompressor ausgelassen wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mit Ventilen versehene kryogene Kühler, insbesondere auf Gifford-McMahon-Kühler (G-M-Kühler) und G-M-Pulsrohrkühler. Gas wird zyklisch zwischen hohen und niedrigen Drücken durch einen Ventilmechanismus bewegt, der mit einem Expander verbunden ist. Der Ventilmechanismus besteht üblicherweise aus einer Drehventilscheibe und einem Ventilsitz. Drehscheibenventile bieten sich an, um mit mehreren Anschlüssen ausgelegt zu werden. Es gibt getrennte Anschlüsse, die, durch periodische Ausrichtung der unterschiedlichen Anschlüsse, den Durchlass eines Arbeitsströmungsmittels gestatten, welches durch einen Kompressor geliefert wird, und zwar zu und von den Regeneratoren und Arbeitsvolumen des Expanders.
G-M- und Solvay-Kältemaschinen verwenden Kompressoren, die Gas mit einem nahezu konstanten hohen Druck liefern, und die Gas mit einem nahezu konstanten niedrigen Druck aufnehmen. Das Gas wird zu einem sich hin und her bewegenden Expander bzw. Verdränger geliefert, der mit niedriger Geschwindigkeit relativ zum Kompressor durch den Ventilmechanismus läuft, der abwechselnd Gas in den Expander hinein und aus diesem heraus lässt.
W.E. Gifford dachte auch an einen Expander, der den festen Verdränger durch einen Gasverdränger ersetzt, und nannte ihn „Pulsrohr-Kühler" bzw. „Pulsrohr-Refrigerator". Dies wurde zuerst beschrieben im US-Patent 3,237,412 , welches ein Pulsrohr zeigt, welches mit Ventilen verbunden ist, wie die früheren G-M-Kühler.
Frühe Pulsrohr-Kühler waren nicht effizient genug, um mit den G-M-Kühlern in Wettbewerb zu treten. Eine signifikante Verbesserung wurde gemacht von Mikulin u.a., wie 1984 berichtet, und gesteigertes Interesse war auf die Suche nach weiteren Verbesserungen gerichtet. Beschreibungen von größeren Verbesserungen seit 1984 sind in den hier aufgelisteten Bezugsschriften zu finden. Alle diese Puls rohre können als G-M-Expander laufen, die Ventile verwenden, um Gas zyklisch in das Pulsrohr hinein und aus diesem heraus zu leiten. G-M-Pulsrohre, die bei niedriger Geschwindigkeit laufen, werden typischerweise für Anwendungen unter ungefähr 20 K verwendet.
Diese Bauart einer mit Ventilen versehenen kryogenen Kältemaschine (Kryokühler) hat den Nachteil eines niedrigen Wirkungsgrades aufgrund des Komprimierens und des Entspannens der Leervolumen bzw. Arbeitsräume in dem Expander, wenn sich Gas zyklisch in den Expander hinein und aus diesem heraus bewegt. In einer mit Ventilen versehenen kryogenen Kältemaschine gibt es eine große Druckdifferenz durch das Hochdruckventil direkt nachdem es öffnet, weil der Druck am Einlass des Regenerators nahe dem niedrigen Druck ist. Wenn andererseits das Niederdruckventil öffnet, gibt es auch eine große Druckdifferenz durch das Ventil, weil der Druck am Einlass des Regenerators nahe dem hohen Druck ist. Dieser Prozess erzeugt einen irreversiblen Verlust, der nicht durch Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes der Ventile verringert werden kann. Der Verlust erstreckt sich auf das Leervolumen des Kaltkopfes.
Im japanischen Patent P2001-317827 von Fujimoto werden zwei Puffer mit dem Einlass des Regenerators durch zwei Drehventile verbunden, die durch eine Zeitsteuersequenz gesteuert werden, wie in 2 von P2001-317827 gezeigt. Bei diesem Patent fließt während des Ladeprozesses im ersten Schritt Gas zuerst in den Regenerator vom ersten Puffer. Im zweiten Schritt fließt Gas von der Versorgungsseite des Kompressors sowohl in den Regenerator als auch in den ersten Puffer. Der Effekt des zusätzlichen ersten Puffers, der in diesem Patent gezeigt ist, ist klein, da die Gasmenge, die in den Regenerator vom ersten Puffer im ersten Schritt fließt, vom Kompressor im zweiten Schritt kompensiert werden muss. Während des Auslassprozesses fließt Gas im dritten Schritt aus dem Regenerator in den zweiten Puffer. Im vierten Schritt fließt Gas sowohl aus dem Regenerator als auch dem zweiten Puffer zur Rückleitungsseite des Kompressors. Der Effekt des in diesem Patent gezeigten zusätzlichen zweiten Puffers ist klein, da das Gas, welches in den zweiten Puffer vom Regenerator im dritten Schritt fließt, aus dem zweiten Puffer in den Kompressor im vierten Schritt ausfließen muss.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die Gasmenge zu verringern, die vom Kompressor geliefert wird, und einen kryogenen Refrigerator bzw. eine Kältemaschine mit verringertem Druckabfall während der zyklischen Gasbewegung vorzusehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist herausgefunden worden, dass eine mit Ventilen versehene kryogene Kältemaschine so ausgelegt werden kann, dass ein Teil des Gasflusses zwischen dem Kompressor und dem Expander von einer mit Ventilen versehenen Verbindung geliefert werden kann und zu dieser ausgelassen werden kann, und zwar zu einem Puffervolumen. Der Druckabfallverlust durch das Ventil wird mit dem erfindungsgemäßen Konzept verringert, und die Gasmenge, die vom Kompressor geliefert werden muss, wird verringert.
Diese Erfindung liefert Mittel zur Verringerung der Leistungseingabe in einen G-M← oder G-M-Pulsrohr-Kühler. Ein Puffervolumen speichert Gas, welches zum und vom warmen Ende des Kühlers durch ein Ventil fließt, während der Perioden öffnet und schließt, wenn die Hauptversorgungs- und Rückleitungsventile geschlossen sind, und welches geschlossen ist, wenn die Hauptversorgungs- und Rückleitungsventile offen sind.
Während des Ladeprozesses wird Gas in den Regenerator von einem oder mehreren Puffervolumen geladen, anstatt von der Versorgungsseite des Kompressors, wenn der Druck am Einlass des Regenerators niedriger ist als der Druck im Puffer. Während des Entladeprozesses wird Gas vom Regenerator zum Puffer entladen anstatt von der Rückleitungsseite des Kompressors, wenn der Druck am Einlass des Regenerators höher ist als der Druck im Puffer. Der Netto-Effekt ist, die Gasmenge zu reduzieren, die vom Kompressor geliefert wird, was somit den Systemwirkungsgrad steigert. Zusätzlich kann die Druckdifferenz durch die Ventile verringert werden, die Gasflussgeschwindigkeit kann niedriger sein und das hörbare Geräusch kann verringert werden, da die Gasflussgeschwindigkeit verringert wird.
Das Puffervolumen kann ein getrenntes Volumen sein oder kann ein Puffervolumen sein, welches in dem Expander eingeschlossen ist, um den G-M-Verdränger oder den Gaskolben in einem Pulsrohr anzutreiben.
Das Puffervolumen kann ein Behälter mit irgendeiner Art von Form sein. Es kann einfach ein langes Rohr oder eine flexible Gasleitung sein.
Das Puffervolumen kann ein Teil des Kompressors, der Ventileinheit, des Expanders oder irgendwelcher Untersysteme in einem Kühlsystem sein. Es kann entweder vom Kompressor, von der Ventileinheit, vom Expander oder irgendeinem Untersystem in einem Kühlsystem getrennt sein oder damit integriert sein. Es kann ein inneres Volumen in dem Kompressor, in der Ventileinheit, in dem Expander oder irgendeinem Untersysteme in einem Kühlsystem sein.
Diese Erfindung kann durch einen einstufigen Kühler oder einen mehrstufigen Kühler ausgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines G-M-Kühlers mit einem mechanischen Verdrängerantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, eines Puffervolumens und von drei An-Aus-Ventilen zeigen.
2 ist eine schematische Darstellung eines G-M-Kühlers mit einem pneumatischen Verdrängerantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von zwei Puffervolumen und von drei An-Aus-Ventilen zeigen.
3 ist eine schematische Darstellung eines G-M-Kühlers mit einem pneumatischen Verdrängerantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, eines einzelnen Puffervolumens und von drei An-Aus-Ventilen zeigen.
4 ist eine ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit einer einzigen Zumessöffnung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von zwei Puffervolumen und von drei An-Aus-Ventilen zeigen.
5 ist eine ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit einer einzigen Zumessöffnung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, eines einzelnen Puffervolumens und von drei An-Aus-Ventilen zeigen.
6 ist eine ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit doppeltem Einlass gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von zwei Puffervolumen und drei An-Aus-Ventilen zeigen.
7 ist eine ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit doppeltem Einlass gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, eines einzelnen Puffervolumens und drei An-Aus-Ventilen zeigen.
8 ist eine ist eine Schemadarstellung eines grundlegenden Pulsrohrkühlers mit vier Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, eines Puffervolumens und von fünf An-Aus-Ventilen zeigen.
9 ist eine ist eine Schemadarstellung eines Pulsrohrkühlers mit vier Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von zwei Puffervolumen und von fünf An-Aus-Ventilen zeigen
10 ist eine ist eine Schemadarstellung eines Pulsrohrkühlers mit vier Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, eines einzelnen Puffervolumens und von fünf An-Aus-Ventilen zeigen.
11 ist eine ist eine Schemadarstellung eines Pulsrohrkühlers mit fünf Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von zwei Puffervolumen und von sechs An-Aus-Ventilen zeigen.
12 ist eine ist eine Schemadarstellung eines Pulsrohrkühlers mit fünf Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, eines einzelnen Puffervolumens und von sechs An-Aus-Ventilen zeigen.
13 ist eine ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit Aktivpuffer gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von drei Puffervolumen und fünf An-Aus-Ventilen zeigen.
14 ist eine ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit Aktivpuffer gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von drei Puffervolumen und sieben An-Aus-Ventilen zeigen.
15 ist eine ist eine Schemadarstellung eines G-M-Kühlers gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von zwei Puffervolumen und vier An-Aus-Ventilen zeigen. Gas wird von zwei Puffervolumen in Abfolge geliefert, bevor es vom Kompressor geliefert wird.
16 ist eine ist eine Schemadarstellung eines G-M-Kühlers gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei kleine Schemadarstellungen die Komponentenbeziehungen des Kompressors, von drei Puffervolumen und fünf An-Aus-Ventilen zeigen. Gas wird von drei Puffervolumen in Abfolge geliefert, bevor es vom Kompressor geliefert wird.
17 ist ein Beispiel einer Ventilzeitsteuersequenz, die auf die in 1 bis 7 gezeigten Kühler angewandt werden kann.
18 ist ein Beispiel einer Ventilzeitsteuersequenz, die auf die in 8 bis 10 gezeigten Kühler angewandt werden kann.
19 ist ein Beispiel einer Ventilzeitsteuersequenz, die auf die in 11 bis 12 7 gezeigten Kühler angewandt werden kann.
20 ist ein Beispiel einer Ventilzeitsteuersequenz, die auf den in 13 gezeigten Kühler angewandt werden kann.
21 ist ein Beispiel einer Ventilzeitsteuersequenz, die auf den in 14 gezeigten Kühler angewandt werden kann.
22 ist ein Beispiel einer Ventilzeitsteuersequenz, die auf den in 15 gezeigten Kühler angewandt werden kann.
23 ist ein Beispiel einer Ventilzeitsteuersequenz, die auf den in 16 gezeigten Kühler angewandt werden kann.
24 ist ein Druck-Volumen-Diagramm (P-V-Diagramm) für einen herkömmlichen Kühler mit G-M-Zyklus.
25a, 25b und 25c sind P-V-Diagramme für einen Kühler mit G-M-Zyklus mit einem, zwei und drei Puffervolumen, jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung.
26a und 26b sind P-V-Diagramme für G-M-Pulsrohre mit aktivem Puffer, wie in den 13 bzw. 14 gezeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf irgendeine Art eines Kühlers anwendbar, bei dem Gas in den Expander hinein und aus diesem heraus zyklisch durch eine Ventileinheit bewegt wird, was G-M-Kühler, Solvay-Kühler und G-M-Pulsrohrkühler einschließt. Sie ist von speziellem Wert, wenn sie auf Niedertemperaturpulsrohre mit mehreren Stufen angewandt wird.
1 ist eine Schemadarstellung eines G-M-Kühlers mit einem mechanischen Verdrängerantrieb zusammen mit kleinen Schemadarstellungen eines Kompressors 1, eines Puffervolumens 13 und von drei An-Aus-Ventilen. Die drei An-Aus-Ventile leiten zyklisch Gas in den Regenerator 6 hinein und aus diesem heraus. Das Ventil 2, V1, steuert Gas, welches zwischen der Versorgungsseite des Kompressors 1 und dem Einlass des Regenerators 6 fließt. Das Ventil 3, V2, steuert Gas, welches zwischen dem Einlass des Regenerators 6 und der Rückleitungsseite des Kompressors fließt. Das Ventil 12, V3, steuert Gas, welches zwischen dem Einlass des Regenerators 6 und dem Leistungsreduktionspuffervolumen 13 fließt. V1, V2, und V3 öffnen und schließen gemäß der Zeitsteuersequenz, wie sie in 17 gezeigt ist. Ein Verdränger 61 ist in einem Zylinder 60 eingeschlossen. Eine Steuervorrichtung, die in 1 nicht gezeigt ist, steuert die Ventilzeitsteuerung und die Verdrängung des Verdrängers 61. Eine Dichtung 62, die zwischen dem Zylinder 60 und dem Verdränger 61 angeordnet ist, verhindert, dass sich kaltes Gas mit warmem Gas vermischt. Ein Wärmetauscher 7 tauscht Wärme zwischen dem Kühler und der Last aus.
Zu Beginn des Ladeprozesses ist der Einlass des Regenerators 6 auf niedrigem Druck, P1. Gas tritt dann in den Regenerator 6 vom Puffervolumen 13 ein, welches auf einem mittleren Druck Pm ist, wenn das Ventil V3 geöffnet ist. Nachdem der Druck am Einlass des Regenerators 6 fast gleich Pm ist, wird V3 geschlossen und das Ventil V1 wird geöffnet. Das Gas fließt in den Einlass des Regenerators 6 von der Versorgungsseite des Kompressors 1, welcher auf einem hohen Druck Ph ist. Der Verdränger 61, der am kalten Ende des Zylinders 60 beim Beginn des Ladeprozesses ist, bewegt sich dann zum warmen Ende, während das verdrängte Volumen am kalten Ende sich mit Gas mit Ph füllt.
Beim Beginn des Entladeprozesses ist der Einlass des Regenerators 6 auf Ph, Gas fließt aus dem Regenerator 6 zum Puffervolumen 13, während V3 offen ist. Nachdem der Druck am Einlass des Regenerators 6 nahezu dem Druck im Puffervolumen 13 erreicht, wird V3 geschlossen und das Ventil V2 wird geöffnet. Gas fließt aus dem Einlass des Regenerators 6 zur Rückleitungsseite des Kompressors 1, der auf einem niedrigen Druck P1 ist. Der Verdränger 61, der am warmen Ende des Zylinders 60 ist, bewegt sich dann zum kalten Ende, während das verdrängte Volumen am kalten Ende Gas mit P1 zum Kompressor 1 zurückleitet. In einem herkömmlichen G-M-Kühler fließt das gesamte Gas in den Regenerator 6 vom Kompressor 1 während des Ladens, und das gesamte Gas fließt aus dem Regenerator 6 zum Kompressor 1 während des Entladens. Im Vergleich zu einem herkömmlichen G-M-Kühler hat der G-M-Kühler gemäß dieser Erfindung eine niedrigere Eingangsleistung, da es weniger Gas gibt, welches vom Kompressor her fließt. Das Puffervolumen 13 und V3 können als Leistungsverringerungskomponenten angesehen werden.
Es kann auch weniger Druckabfall durch V1 und V2 geben, da weniger Gas durch diese Ventile fließt.
2 ist eine schematische Darstellung eines G-M-Kühlers mit einem pneumatischen Verdrängerantrieb. Mit einem pneumatischen Verdrängerantrieb wird die Phasenverschiebung des Verdrängers 63 durch einen Gasfluss von einem Verdrängerantriebspuffervolumen 11 durch eine Flussbegrenzung 5 erreicht. Die Flussbegrenzung 5 könnte eine Zumessöffnung, ein Nadelventil, ein Kapillarrohr oder irgendetwas anderes ähnlich Geartetes sein. Der Ausdruck „Phasenverschiebung" bezieht sich auf die zyklische Bewegung des Verdrängers, die außer Phase mit der zyklischen Druckveränderung ist, sodass der Druck nahe seinen maximalen und minimalen Werten ist, wenn sich der Verdränger bewegt.
Der Arbeitsprozess eines G-M-Kühlers mit einem pneumatischen Antrieb und einem Leistungsreduktionspuffervolumen 13 und V3 ist ähnlich einer Einheit mit einem mechanischen Antrieb, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
3 ist eine schematische Ansicht eines G-M-Kühlers mit einem pneumatischen Verdrängerantrieb gemäß dieser Erfindung, wobei das Leistungsreduktionspuffervolumen 13 der 2 mit einem Verdrängerantriebspuffervolumen 11 kombiniert ist. Dies ist möglich, weil sie beide ungefähr den gleichen Druck Pm haben. Das Ventil V3 verbindet das Puffervolumen 11 mit dem warmen Ende bzw. Warmkopf des Regenerators 6. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
4 ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit einer einzigen Zumessöffnung gemäß dieser Erfindung. Ein Pulsrohrkühler mit Zumessöffnung ist ähnlich einem G-M-Kühler mit einem pneumatischen Antrieb, außer, das bei einem Pulsrohrkühler es keinen festen Verdränger gibt. Der feste Verdränger 63 in 2 wird durch einen Gasverdränger im Pulsrohr 9 mit einer Flussglättungsvorrichtung 10 für das warme Ende und einer Flussglättungsvorrichtung 8 für das kalte Ende in 4 ersetzt. Ein Mittel zur Steuerung der Hin- und Herbewegung des Gasverdrängers, welches als Phasenverschieber bekannt ist, weist ein Puffervolumen 11 und eine Flussbegrenzung bzw. Drossel 5 auf. Diese tragen zur Phasenverschiebung zwischen der Gasflussgeschwindigkeit des Gasverdrängers und der Druckoszillation im Pulsrohr bei. Dies ist analog zur Beschreibung des Pro zesses für 1, wobei, wenn der Druck ungefähr Ph erreicht, dann der Verdränger sich nach oben bewegt, und zwar gefolgt von dem Druck, der ungefähr auf PI abfällt, wenn der Verdränger sich nach unten bewegt. Das Puffervolumen 11 und die Zumessöffnung bzw. Drossel 5 dienen zur gleichen Funktion des Antriebs des Gasverdrängers wie sie dies bei dem festen Verdränger in 2 tun. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie jener, der in Verbindung mit 1 beschrieben wird.
5 ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit einzelner Zumessöffnung gemäß dieser Erfindung, bei dem das Leistungsverringerungspuffervolumen der 4 mit einem Gasverdrängerantriebspuffervolumen 11 kombiniert ist. Der Einlass des Regenerators 6 ist mit dem Puffervolumen 11 durch das Ventil V3 verbunden. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
6 ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit doppeltem Einlass gemäß dieser Erfindung. Ein Pulsrohrkühler mit doppeltem Einlass ist ähnlich einem Pulsrohrkühler mit einzelner Zumessöffnung, außer dass bei einem Pulsrohrkühler mit doppeltem Einlass ein Flussdurchlass vorhanden ist, der das warme Ende des Regenerators 6 mit dem warmen Ende des Pulsrohrs 9 verbindet. Ein Flussbegrenzer bzw. eine Drossel (Zumessöffnung) 4 steuert Gas, welches durch diesen Durchlass fließt. Dadurch, dass man eine geeignete Gasmenge durch diesen Durchlass fließen lässt, wird die Phasenverschiebung im Pulsrohr 9 im Vergleich zu dem Pulsrohr mit einzelner Zumessöffnung bzw. Drossel der 4 verbessert. Auch wird die Gasmenge, die durch den Regenerator 6 zum Pulsrohr 9 fließt, verringert, daher wird der Wirkungsgrad des Regenerators verbessert. Das Puffervolumen 13 und das Ventil V3 dienen zur gleichen Funktion, wie bezüglich 4 beschrieben. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
7 ist eine Schemadarstellung eines G-M-Pulsrohrkühlers mit doppeltem Einlass gemäß dieser Erfindung, wobei das Leistungsreduktionspuffervolumen der 6 mit dem Gasverdrängerantriebspuffervolumen 11 kombiniert ist. Der Einlass des Regenerators 6 ist mit dem Puffervolumen 11 durch das Ventil V3 verbunden.
Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie in Verbindung mit 1 beschrieben. Ein Beispiel der Ventilzeitsteuerung für V1, V2 und V3, welches auf die Kühler in 1 bis 7 angewandt werden kann, ist in 17 gezeigt. Es sei bemerkt, dass die in 17 gezeigte Zeitsteuerung nur verwendet wird, um den grundlegenden Mechanismus dieser Kühler zu erklären. Die tatsächliche Ventilzeitsteuerung könnte abweichend von der in 17 gezeigten Zeitsteuerung variiert werden.
8 ist eine Schemadarstellung eines grundlegenden Pulsrohrkühlers mit vier Ventilen, zu dem das Leistungsreduktionspuffervolumen 13 und das Ventil V3 gemäß dieser Erfindung hinzugefügt worden sind. Die Phasenverschiebung des Gasverdrängers im Pulsrohr 9 wird erreicht durch ordnungsgemäße Steuerung der Ventilzeitsteuerung von V1, V2, V3, V4 und V5. Pulsrohrkühler mit vier Ventilen haben einen Vorteil dahingehend, dass die Phasenverschiebung im Pulsrohr 9 durch aktive Ventile 13, V4, und 14, V5, gesteuert werden, und zwar anstelle von passiven Ventilen, wie in 4 bis 7 gezeigt. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie jener der in Verbindung mit 1 beschrieben wurde.
9 ist eine Schemadarstellung eines OPTR-Kühlers mit vier Ventilen (OTPR = Orifice Puls Tube Refrigerator), zu dem das Leistungsreduktionspuffervolumen 13 und das Ventil V3 gemäß dieser Erfindung hinzugefügt worden sind. Ein OPTR-Kühler mit vier Ventilen ist ähnlich einem grundlegenden Pulsrohrkühler mit vier Ventilen, wie in 8 gezeigt, außer dass die Flussbegrenzungsvorrichtung bzw. Drossel 5 und das Puffervolumen 11 am warmen Ende des Pulsrohrs 9 in 9 hinzugefügt sind. Die Phasenverschiebung im Pulsrohr 9 wird erreicht durch ordnungsgemäße Steuerung der Ventilzeitsteuerung von V1, V2, V3, V4 und V5 und des Flusse zum Puffervolumen 11 hin und weg von diesem durch die Flussbegrenzung bzw. Drossel 5. Im Vergleich zu einem grundlegenden Pulsrohrkühler mit vier Ventilen, wie dieser in 8 gezeigt ist, wird die Leistung eines OPTR-Kühlers mit vier Ventilen dadurch verbessert, dass man etwa Gas hat, welches zwischen dem Puffervolumen 11 und dem Pulsrohr 9 ausgetauscht wird, anstatt zum Kompressor 1 hin und weg von diesem. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie jener, der in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Der gesamte Wirkungsgrad des Kühlers wird verbessert durch Verringerung des Gasflusses vom Kompressor und daher durch Verringerung der Eingangsleistung des Kompressors.
10 ist eine Schemadarstellung eines OPTR-Kühlers mit vier Ventilen gemäß dieser Erfindung, wobei das Leistungsreduktionspuffervolumen der 9 mit einem Gasverdrängerantriebspuffervolumen 11 kombiniert ist. Der Einlass des Regenerators 6 ist mit dem Puffervolumen 11 durch das Ventil V3 verbunden. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie in Verbindung mit 1 beschrieben. Ein Beispiel der Ventilzeitsteuerung für V1, V2, V3, V4 und V5 der Pulsrohrkühler mit vier Ventilen in 8 bis 10 ist in 18 gezeigt.
11 ist eine Schemadarstellung eines Pulsrohrkühlers mit fünf Ventilen, zu dem das Leistungsreduktionspuffervolumen 13 und das Ventil V3 gemäß dieser Erfindung hinzugefügt worden sind. Ein Pulsrohrkühler mit fünf Ventilen ist ähnlich dem OPTR-Kühler mit vier Ventilen der 9, außer dass bei einem Pulsrohrkühler mit fünf Ventilen die Flussbegrenzung bzw. Drossel 5 in 9 durch ein aktives Ventil 15, V6, ersetzt wird. Die Phasenverschiebung im Pulsrohr der 11 wird erreicht durch ordnungsgemäße Steuerung der Ventilzeitsteuerung von V1, V2, V3, V4, V5 und V6. In einem Pulsrohrkühler mit fünf Ventilen kann die Phasenverschiebung präziser im Vergleich zu dem Pulsrohrkühler der 9 gesteuert werden, und zwar durch Steuerung des Gasflusses zwischen dem Puffervolumen 11 und dem Pulsrohr 9 durch ein aktives Ventil 15 anstatt durch eine passive Flussbegrenzung bzw. Drossel 5. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie jener, der in Verbindung mit 1 beschrieben wurde.
12 ist eine Schemadarstellung eines Pulsrohrkühlers mit fünf Ventilen gemäß dieser Erfindung, wobei das Leistungsreduktionspuffervolumen 13 der 11 mit dem Gasverdrängerantriebspuffervolumen 11 kombiniert ist. Der Einlass des Regenerators 6 ist mit dem Puffervolumen 11 durch das Ventil V3 verbunden. Der Arbeitsprozess ist der gleiche, wie jener, der in Verbindung mit 1 beschrieben wurde.
Ein Beispiel der Ventilzeitsteuerung für V1, V2, V3, V4, V5 und V6 der Pulsrohrkühler mit fünf Ventilen in 11 und 12 ist in 19 gezeigt.
13 ist eine Schemadarstellung eines Pulsrohrkühlers mit aktivem Puffer, zu dem das Leistungsreduktionspuffervolumen 13 und das Ventil V3 gemäß dieser Erfindung hinzugefügt worden sind. Ein Pulsrohrkühler mit aktivem Puffer hat keine Verbindung zwischen dem Kompressor 1 und dem warmen Ende bzw. Warmkopf des Pulsrohrs 9. Gas bewegt sich zyklisch zwischen dem warmen Ende des Pulsrohrs 9 und zwei Puffern, dem Puffervolumen 40, welches einen Druck nahe Ph hat, und dem Volumen 41 hin und her, welches einen Druck nahe PI hat, und zwar durch zwei aktive Ventile, nämlich das Ventil 42, V7, und das Ventil 43, V8. Die Phasenverschiebung im Pulsrohr 9 wird erreicht durch ordnungsgemäße Steuerung der Ventilzeitsteuerung von V1, V2, V3, V7 und V8. Die Leistung eines Pulsrohrkühlers mit aktivem Puffer wird dadurch verbessert, dass man einen Gaszyklus zwischen dem Puffervolumen 13 und dem warmen Ende des Regenerators 6 hat. Der Gesamtwirkungsgrad des Kühlers wird verbessert durch Verringerung des Gasflusses vom Kompressor, was daher die Eingangsleistung des Kompressors verringert. Ein Beispiel der Ventilzeitsteuerung für V1, V2, V3, V7 und V8 des Pulsrohrkühlers mit aktivem Puffer in 13 ist in 20 gezeigt.
14 ist eine Schemadarstellung eines Pulsrohrkühlers mit aktivem Puffer gemäß dieser Erfindung. Sie ist ähnlich jener des Pulsrohrkühlers der 13, außer, dass der Einlass des Regenerators mit Puffervolumen 40 und 41 durch Ventile 52, V9, und 54, V10, verbunden ist. Die Ventile V7 und V8 in 14 sind ähnlich V7 und V8 in 13, außer dass die Ventilzeitsteuerung geringfügig anders ist. Ein Beispiel der Ventilzeitsteuerung für V1, V2, V3, V7, V8, V9, und V10 des Pulsrohrkühlers mit aktivem Puffer in 14 ist in 21 gezeigt.
Obwohl in 1 bis 13 nur ein Leistungsreduktionspuffervolumen 13 oder 11 und ein Ventil V3 mit dem Einlass des Regenerators 6 verbunden ist, sei bemerkt, dass eine Reihe von Puffern mit Steuerventilen mit dem Einlass des Regenerators verbunden sein könnte, um weiter die Leistungseingabe in den Kompressor zu verringern. Das Prinzip der Verwendung von zusätzlichen Leistungsreduktionspuf fervolumen und Steuerventilen ist unter Verwendung der in 15 und 16 gezeigten G-M-Kühler veranschaulicht. Dies sind zwei Variationen des in 1 gezeigten G-M-Kühlers. In 15 sind zwei Puffervolumen 13 und 70 mit dem Einlass des Regenerators 6 durch zwei Ventile V3 und 71, V11, verbunden, die gemäß der in 22 gezeigten Ventilzeitsteuerung gesteuert werden.
In 16 sind drei Leistungsreduktionspuffervolumen 13, 70 und 80 mit dem Regenerator 6 durch drei Ventile V3, V11 und 81, V12, verbunden, die gemäß der in 23 gezeigten Ventilzeitsteuerung gesteuert werden.
24 ist ein Druck-Volumen-Diagramm (P-V-Diagramm) für einen typischen Kühler bzw. eine Kältemaschine mit G-M-Zyklus, welches die Beziehung zwischen dem Druck in dem kalten verdrängten Volumen 60 oder seinem äquivalenten Teil in einem Pulsrohr, und der Verdrängung von 60 zeigt. In der ursprünglichen Beschreibung des Zyklus, wie sie im US-Patent 2,906,101 zu finden ist, ist das P-V-Diagramm rechteckig, es ist in der Praxis jedoch herausgefunden worden, dass es effizienter ist, die Ventile V1 und V2 zu schließen, bevor der feste Verdränger oder der Gasverdränger die Enden des Hubes erreicht. Der Zyklus schreitet im Uhrzeigersinn voran. Das Ausmaß der Kühlung, welches bei jedem Zyklus erzeugt wird, ist proportional zur Fläche des Diagramms. V1 lässt Gas vom Kompressor mit hohem Druck ein, und V2 entlüftet Gas zum Kompressor mit niedrigem Druck. Dadurch, dass man V1 und V2 vor dem Ende des Hubes schließen lässt, gibt es eine gewisse Expansion des Hochdruckgases und eine gewisse erneute Kompression des Niederdruckgases aufgrund der Übertragung von Gas in den Expander.
25a ist ein P-V-Diagramm der in den 1 bis 12 gezeigten Kühler bzw. Kältemaschinen, und zwar mit einem Leistungsreduktionspuffervolumen und einem Ventil V3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug zu dem, in 17 gezeigten Zeitsteuerdiagramm ist das P-V-Diagramm der 24 modifiziert, und zwar dadurch, dass man einen Teil des Gases am Ende der Hochdruckexpansionsphase zum Puffervolumen 3 fließen lässt, wenn V3 geöffnet wird, und wobei in ähnlicher Weise am Ende der Niederdruckrekompressionsphase das Gas aus dem Puffervolumen fließt, wenn V3 geöffnet wird. Es ist wichtig zu bemerken, dass nichts von dem Gas, welches zum Leistungsreduktionspuffervolumen und weg von diesem durch das Ventil V3 fließt, zum Kompressor geliefert oder zurückgeleitet wird. Weil ein Teil des Gases, welches den Expander unter Druck setzt, vom Puffer kommt und zum Puffer zurückgeleitet wird, kann mehr Abkühlung mit der gleichen Menge an Gas erzeugt werden, die vom Kompressor geliefert wird. Alternativ kann die gleiche Menge an Abkühlung verwendet werden und ein kleinerer Kompressor kann verwendet werden. Dies verringert die Eingangsleistung in den Kryokühler.
26b ist ein P-V-Diagramm für Kühler mit zwei Leistungsreduktionspuffervolumen und Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Anordnung mit zwei Leistungsreduktionspuffervolumen und Ventilen ist in 15 als eine Anpassung der 1 veranschaulicht, wobei jedoch das zweite Leistungsreduktionspuffervolumen 70 und das Ventil V11 zu allen in den 2 bis 12 gezeigten Kühlern hinzugefügt werden kann. Mit Bezug auf das in 22 gezeigte Ventilzeitsteuerdiagramm ist das P-V-Diagramm der 24 dadurch modifiziert, dass es einen gewissen Teil des Gases am Ende der Hochdruckexpansionsphase zu den Puffervolumen fließen lässt, wenn die Ventile V3 und V11 sequenziell geöffnet und geschlossen werden, und in ähnlicher Weise fließt am Ende der Niederdruckrekompressionsphase das Gas aus den Puffervolumen, wenn V11 und V3 sequentiell geöffnet und geschlossen werden. Das Hinzufügen eines zweiten Leistungsreduktionspuffervolumens und eines Ventils verringert weiter die Gasmenge, die vom Kompressor zu liefern ist, und zwar im Vergleich zu einem einzelnen Leistungsreduktionspuffervolumen und einem Ventil.
26c ist ein P-V-Diagramm für Kühler mit drei Leistungsreduktionspuffervolumen und Ventilen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung mit drei Leistungsreduktionspuffervolumen und Ventilen ist in 16 veranschaulicht, und zwar als eine Anpassung von 1, jedoch können die zweiten und dritten Leistungsreduktionspuffervolumen 70 und 80 und die Ventile V11 und V12 zu allen in den 2-12 gezeigten Kühlern bzw. Kältemaschinen hinzugefügt werden. Mit Bezug auf das in 23 gezeigte Ventilzeitsteuerdiagramm ist das P-V-Diagramm der 24 dadurch modifiziert, dass man einen Teil des Gases am Ende der Hochdruckexpansionsphase zu den Puffervolumen fließen lässt, wenn die Ventile V11, V3 und V12 sequenziell geöffnet und geschlossen werden, und indem in ähnlicher Weise am Ende der Niederdruckrekompressionsphase das Gas aus den Puffervolumen fließt, wenn V12, V3 und V11 sequenziell geöffnet und geschlossen werden. Das Hinzufügen eines dritten Leistungsreduktionspuffervolumens und eines Ventils verringert weiter die Menge des Gases, die von dem Kompressor zu liefern ist im Vergleich zu zwei Leistungsreduktionspuffervolumen und Ventilen.
26a ist ein P-V-Diagramm für den in 13 gezeigten Kühler mit einem Leistungsreduktionspuffervolumen und einem Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf das in 20 gezeigte Zeitsteuerdiagramm wird das P-V-Diagramm der 24 dadurch modifiziert, dass man einen Teil des Gases während der Kompressionsphase aus dem Leistungsreduktionspuffervolumen 13 fließen lässt, wenn V3 geöffnet und geschlossen wird, und in ähnlicher Weise fließt während der Expansionsphase Gas zum Leistungsreduktionspuffervolumen 13, wenn V3 geöffnet und geschlossen wird. Nichts von dem Gas, welches zum Puffervolumen 13 hin und weg davon fließt, wird zum Kompressor geliefert oder zurück geleitet. Weil ein beträchtlicher Anteil des Gases, welches den Expander unter Druck setzt, vom Puffervolumen 13 kommt und zum Puffervolumen 13 zurückgeleitet wird, ist weniger Gas erforderlich, um ein gegebenes Ausmaß an Abkühlung zu erzeugen, sodass die Eingangsleistung verringert werden kann,
26b ist ein P-V-Diagramm für den in 14 gezeigten Kühler, wobei ein Leistungsreduktionspuffervolumen 13 und das Ventil V3 mit der Anwendung von Antriebspuffervolumen 40 und 41 als Leistungsreduktionspuffervolumen kombiniert ist, und zwar durch deren Verbindung durch die Ventile V9 und V10 mit dem warmen Ende des Regenerators 6. Mit Bezug auf das in 21 gezeigte Zeitsteuerdiagramm ist das P-V-Diagramm der 24 dadurch modifiziert, dass man einen gewissen Anteil des Gases während der Kompressionsphase aus den Puffervolumen 41, 13 und 40 fließen lässt, wenn die Ventile V10, V3 und V9 sequenziell geöffnet und geschlossen werden. In ähnlicher Weise fließt während der Expansionsphase Gas aus den Puffervolumen 40, 13 und 41, wenn V9, V3 und V10 sequenziell geöffnet und geschlossen werden. Dies hat eine weitere Verringerung des Gases zur Folge, die erforderlich ist, um ein gegebenes Ausmaß an Kühlung zu erzeugen, wobei somit die Eingangsleistung weiter verringert werden kann.
Obwohl die in 1 bis 16 gezeigten Kühler einstufige Kühler bzw. Kältemaschinen sind, ist es auch möglich, das Konzept dieser Erfindung auf einen mehrstufigen Kühler mit mehreren Ventilen durch ordnungsgemäße Steuerung der Zeitsteuerung der Ventile anzuwenden.
Das Vorangegangene beschreibt die Erfindung bezüglich von den Erfinder vorhergesehenen Ausführungsbeispielen für die eine Beschreibung verfügbar war, und zwar ungeachtet dessen, dass unwesentliche Modifikationen der Erfindung, die gegenwärtig nicht vorausgesehen wurden, trotzdem äquivalente Ausführungen davon darstellen können.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mit Ventilen versehene Kryokühler, insbesondere auf Gifford-McMahon-Kühler (G-M-Kühler bzw. Kältemaschinen) und auf G-M-Pulsrohrkühler, wo Gas zyklisch zwischen hohen und niedrigen Drücken durch einen Ventilmechanismus geleitet wird, der mit einem Expander verbunden ist. Die Eingangsleistung wird durch Anwendung eines Puffervolumens verringert, welches Gas speichert, welches zum warmen Ende des Regenerators und von diesem weg fließt, und zwar durch ein Ventil, welches sich während der Perioden öffnet und schließt, wenn die Hauptversorgungs- und Rückleitungsventile geschlossen sind, und sich schließt, wenn die Hauptversorgungs- und Rückleitungsventile offen sind.

Claims

Kryokühler mit Ventilen, der mindestens einen Kompressor, eine Ventileinheit und einen Expander mit mindestens einem Puffervolumen aufweist, welches mit dem Einlass eines Regenerators durch Ventile verbunden ist, die Gas aus den Puffervolumen zum Regenerator auslassen, bevor Gas direkt vom Kompressor zum Regenerator fließt, und die Gas aus dem Regenerator zum Puffervolumen auslassen, bevor Gas vom Regenerator direkt zum Kompressor ausgelassen wird.
Kryokühler mit Ventilen nach Anspruch 1, der ein G-M-Kühler oder ein G-M-Pulsrohrkühler ist.
Kryokühler mit Ventilen nach Anspruch 1 der ein Puffervolumen hat.
Kryokühler mit Ventilen nach Anspruch 1 mit zwei oder mehr Puffervolumen, die mit dem Einlass des Regenerators im Expander durch Ventile verbunden sind, die Gas von dem Puffervolumen in den Regenerator in Abfolge laden, bevor Gas direkt zum Regenerator vom Kompressor fließt, und die Gas vom Regenerator zu den Puffervolumen in umgekehrter Reihenfolge auslassen, bevor Gas aus dem Regenerator direkt zum Kompressor abgelassen wird, wobei kein Gas direkt aus dem Kompressor in irgendein Puffervolumen eintritt oder irgendein Puffervolumen direkt zum Kompressor verlässt.
Kühler nach Anspruch 1, wobei das Ventil, welches das Puffervolumen mit dem Regeneratoreinlass verbindet, zwischen Zeitperioden geöffnet und geschlossen wird, wenn die Hochdruck- und Niederdruckventile offen sind.
Kühler nach Anspruch 1, wobei das Puffervolumen aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus allein stehenden Puffervolumen und Puffervolumen besteht, die mit einem anderen Expanderpuffervolumen kombiniert sind.
Kühler nach Anspruch 1, wobei der Expander aus der Gruppe von Pulsrohren ausgewählt ist, die aus Pulsrohren mit einzelner Zumessöffnung, mit doppelter Zumessöffnung, mit vier Ventilen, mit fünf Ventilen und mit aktivem Puffer besteht.
Kühler nach Anspruch 1, wobei der Expander eine Abkühlung in einer Stufe oder in mehreren Stufen erzeugt.
Kühler nach Anspruch 2, wobei der Expander eine G-M-Bauart mit einem mechanischen oder pneumatischen Antrieb ist.
Kühler der G-M-Bauart oder der G-M-Pulsrohr-Bauart, der mindestens einen Kompressor, einen Expander mit einem Ventil, welches Hochdruckgas vom Kompressor zum Einlass des Regenerators einlässt, und eine Ventil aufweist, welches Niederdruckgas vom Regenerator zum Kompressor zurückleitet, wobei eine mit Ventilen versehene Verbindung zwischen einem Puffervolumen und dem Einlass des Regenerators im Expander vorgesehen ist.
Kühler nach Anspruch 1, wobei kein Gas in die Puffervolumen direkt vom Kompressor eintritt oder das Puffervolumen direkt zum Kompressor verlässt.