DE112012006734T5 - Brayton-Kreismotor - Google Patents

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Abstract

Um eine Kühlung unterhalb von 200 K zur Verfügung zu stellen, beinhaltet ein Brayton-Kreismotor einen leichten Hubkolben. Der Kühler umfasst einen Kompressor, einen gasbalancierten Hubmotor mit einem kalten Rotationsventil, einem Gegenstromwärmetauscher, einem Gaslagervolumen mit Ventilen, die Systemdrücke anpassen können, einem variablen Geschwindigkeitsmotor und einem Steuersystem, das Gasdruck, Motorgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des Kolbens steuert. Der Motor ist an eine Ladung wie beispielsweise ein Kryopanel angeschlossen, um Wasserdampf durch isolierte Transferleitungen zu pumpen.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft einen gas-balancierten Brayton-Kreismotor und insbesondere gas-balancierte Brayton-Kreismotoren, die zum Betrieb bei etwa 150 K mit einer Eingangsleistung in dem Bereich von 5 bis 30 kW ausgelegt sind.
  • 2. Hintergrund der Erfindung
  • Ein Brayton-Typ oder Brayton-Kreismotor umfasst drei wesentliche Komponenten: einen Gaskompressor, einen Gegenstromwärmetauscher, und einen Expander.
  • Vier neuere Patentanmeldungen, die der SHI Cryogenics zugeordnet sind, beschreiben gas-balancierte Brayton-Kreisexpansionsmotoren sowie zwei Anpassungen, eine, um eine Abkühlzeit auf kryogene Temperaturen zu minimieren, die andere, um eine Kryopumpe zur Förderung von Wasserdampf zu kühlen. Ein System, welches auf dem Brayton-Kreis zur Erzeugung von Kühlung arbeitet, besteht aus einem Kompressor, der Gas zu einem Ablassdruck an einen Gegenstromwärmetauscher bereitstellt, welcher das Gas an einen Expansionsraum durch ein Kalteinlassventil durchlässt, das Gas adiabat entspannt, das entspannte Gas (welches kälter ist) durch ein Auslassventil ablässt, das kalte Gas durch eine Ladung, die gekühlt wird, zirkuliert und dann das Gas durch den Gegenstromwärmetauscher zu dem Kompressor zurückführt.
  • Die U.S. Patentanmeldungsveröffentlichung 2011/0219810 vom 15.9.2011 von R. C. Longsworth beschreibt einen Expansionskolbenmotor, der auf einem Brayton-Kreis basierend arbeitet, in dem der Kolben eine Antriebsspindel an dem warmen Ende, welches von einem mechanischen Antrieb oder von einem Gasdruck, der zwischen hohen und niedrigen Drücken alterniert, angetrieben ist und wobei der Druck an dem warmen Ende des Kolbens in dem Bereich um die Antriebsspindel im Wesentlichen der gleiche wie der Druck an dem kalten Ende des Kolbens ist, während sich der Kolben bewegt. Die U.S. Patentanmeldungsveröffentlichung 2012/0085121 vom 12.4.2012 von R. C. Longsworth beschreibt die Steuerung eines Expansionskolbenmotors, der wie in der vorangehenden Anmeldung beschrieben auf einem Brayton-Kreis basierend arbeitet, was es ihm erlaubt, die Zeit, um eine Masse auf kryogene Temperaturen zu kühlen, zu minimieren. Die U.S. Serien-Nr. 13/106,218 vom 12.5.2011 von S. Dunn, et al., beschreibt alternative Mittel den Expansionskolben anzutreiben. Die U.S. Serien-Nr. 61/504,810 vom 6.7.2011 von R. C. Longsworth beschreibt die Anwendung eines Brayton-Kreismotors, um Spulen zum Kryopumpen von Wasserdampf zu kühlen. Die in der veröffentlichten Patentanmeldung 2011/0219810 und der U.S. Serien-Nr. 13/106,218 beschriebenen Motoren werden als ”gas-balancierte Brayton-Kreismotoren” bezeichnet. Ein Kompressorsystem, das verwendet werden kann, um diese Motoren mit Gas zu versorgen, wird in der U.S. Patentanmeldungsveröffentlichung 2007/0253854 mit dem Titel ”Kompressor mit Ölbypass” von S. Dunn, angemeldet am 28.4.2006, beschrieben. Der Motor der vorliegenden Erfindung umfasst ein kalten Rotationsventil, das einige Merkmale mit dem U.S. Patent 3,205,668 vom 14.9.1965 von W. E. Gifford und dem U.S. Patent Nr. 4,987,743 vom 29.1.1991 von A. J. Lobb gemeinsam hat. Er umfasst auch einen vibrationsabsorbierenden Doppelpuffer wie in dem U.S. Patent Nr. 6,256,997 vom 10.7.2001 von R. C. Longsworth beschrieben und eine Anti-Abriebbeschichtung auf dem Kolben wie in dem U.S. Patent Nr. 5,590,533 vom 7.1.1997 von H. Asami et al. beschrieben.
  • Eine Kryopumpe zum Pumpen von Wasserdampf benötigt ein Kryopanel, das auf eine Temperatur zwischen 120 K und 170 K gekühlt ist. Dies ist wesentlich wärmer als der Temperaturbereich von 10 K bis 20 K, der benötigt wird, um Luft kryogen zu pumpen. Eine Veröffentlichung von C. B. Hood, et al., mit dem Titel ”Heliumkühler zum Betrieb in dem 10–30 K Bereich” in Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 9, Plenum Press, New York (1964), pp 496–506, beschreibt einen großen Brayton-Kreiskühler mit einem Expansionskolbenmotor, der fähig ist, mehr als 1,0 kW bei einer Kühlung bei 20 K zu erzeugen. Dieser Kühler wurde entwickelt, um mit Luft in einer Großraumkammer ein Kryopumpen durchzuführen. Beginnend in den frühen 1970er Jahren wurde das Kryopumpen von Wasserdampf bei Temperaturen im Bereich von 120 K bis 170 K und Kapazitäten von 500 bis 3000 W von Kühlern dominiert, die Mischgase, wie beschrieben in dem U.S. Patent 3,768,273 vom 30.10.1973 von Missimer, verwenden. Ein jüngeres Patent, das U.S. Patent 6,574,978 vom 10.6.2003 von Flynn, et al., beschreibt Mittel zur Steuerung der Kühl- und Wärmerate eines Kühlers diesen Typs, der etwa 500 bis 3000 W bei ungefähr 150 K zum Pumpen von Wasserdampf produziert.
  • Die in Mischgaskühlern verwendeten Kühlmittel umfassen einige, die aufgrund ihres Einflusses auf die globale Erwärmung, bereits aus dem Verkehr gezogen sind. Es ist daher erstrebenswert, einen Brayton-Kreismotor zu verwenden, der Helium, Argon oder Stickstoff verwendet, die alle umweltfreundlich sind. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Brayton-Kreismotor, der bei etwa 150 K arbeitet, wesentlich einfacher sein kann als einer, der für niedrigere Temperaturen ausgelegt ist. Diese Vereinfachungen machen es praktikabel, einen Motor zu entwerfen, der über 3000 W Kühlleistung erzeugen kann und so mit derzeitigen Mischgaskühlern konkurrieren kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist das Design eines leichtgewichtigen Hubkolbens, der eine hohe Verschieberate mit geringer Vibration ermöglicht. Dies wird bevorzugt durch einen becherförmigen Hubkolben erzielt, der einen Boden und eine zylindrische Seitenwand aufweist, wobei der Boden einen Raum nahe Raumtemperatur und einen Expansionsraum unter 200 K trennt und wobei die Seitenwand innerhalb eines Zylinders mit einem Temperaturgefälle zwischen Raumtemperatur und 200 K gleitet. An den Kolben ist eine Antriebsspindel angeschlossen, welche eine Hubbewegung durch pneumatische oder mechanische Kräfte erzeugen kann. Der Motor, der hierin beschrieben wird, arbeitet basierend auf einem gas-balancierten Brayton-Kreis wie in der U.S. Serien-Nr. 13/106,218 beschrieben. Die Hubbewegung ist ferner durch Verwendung eines kalten Rotationsventils minimiert, um Gas hinein in den und heraus aus dem kalten Expansionsraum zu zirkulieren.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Schnittansicht eines Motors 100, der aus einem leichtgewichtigen Kolben mit einer Antriebsspindel, einem Zylinder, einem Anschluss, um Gas in das Warmverdrängungsvolumen einzulassen, und einem Rotationskaltventil zur Steuerung des Gasflusses hinein und heraus aus dem Kaltverdrängungsvolumen besteht. 1 zeigt den Kolben und eine Ventilposition an dem Ende der Aufnahme von Hochdruckgas.
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Kühlsystems 200 und der Relation zwischen dem Motor 100 und den anderen Komponenten. 2 zeigt den Kolben und die Ventilposition an dem Ende des Gasauslasses zum Niederdruck.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • 1 ist ein Querschnitt des Motors 100. Ein becherförmiger Kolben 1 besteht aus dem Boden des Bechers 2, einer zylindrischen Hülse 3, einer Bodenkappe 4, einer Kolbendichtung 5, einer Antireibungsbeschichtung 6, einem Vakuumspalt 7 mit der Hülse 3, einer Kolbenkopplung 11, und einer Antriebsspindel 12. Der Kolben 1 pendelt mit einem Zylinder 8, der üblicherweise aus Edelstahl hergestellt ist, da es eine niedrige thermische Konduktivität aufweist. Der Kolbenboden 2, und die Hülse 3, die ineinander übergehen, werden auch üblicherweise aus Edelstahl hergestellt, um der thermischen Ausdehnung des Zylinders zu entsprechen. Die Bodenkappe 4 ist aus einem Material wie glasverstärktem Plastik hergestellt, das fast der thermischen Ausdehnung von Edelstahl entspricht, eine relativ geringe thermische Konduktivität aufweist und eine relativ geringe Dichte besitzt.
  • Das warme Ende des Zylinders 8 ist von einer Zylinderhülse 9 umgeben, die eine hohe thermische Konduktivität aufweist, um den Zylinder 8 nahe Raumtemperatur in dem Bereich, in dem die Kolbendichtung 5 pendelt, zu halten. Der Zylinder 8 ist als in einen Warmflansch 10 geschweißt gezeigt, an welchem ein Antriebsgehäuse 14 verbolzt ist.
  • Die Antriebsspindel 12 weist eine Dichtung 13 auf, die ein Niederdruckgas 28 von dem Gas in einem Verdrängungsvolumen 29 trennt. Die Antriebsspindel 12 greift in einen Doppelpuffer 15 ein, welcher Elastomerdichtungen aufweist, zum Beispiel O-Ringe, die den Stoß abfangen, bevor der Kolben 1 das Antriebsgehäuse 14 oder eine Ventilbasis 25 trifft. Die Gasanschlüsse an dem warmen Ende des Motors 100 sind für einen gas-balancierten Betrieb gezeigt. Ein Antriebsspindelvolumen 28 ist durch eine Gasleitung 51 mit einem Niederdruck verbunden. Die Gasleitungen 48, 49 und 50 sind jeweils mit einem Hochdruck verbunden. 1 zeigt den Kolben und eine Ventilposition an dem Ende der Aufnahme von dem Hochdruckgas. Während der Kolben 1 sich auf das warme Ende mit kaltem Gas bei Hochdruck zubewegt hat, das in das kalte Verdrängungsvolumen 30 strömt, ist Gas bei einem leicht höheren Druck aus dem warmen Verdrängungsvolumen 29 durch ein Rückschlagventil 43 und durch die Leitung 50 herausgeströmt.
  • Nachdem der Kolben 1 das warme Ende erreicht, dreht sich eine Rotationsventilscheibe 16 in die in 2 gezeigte Position und beginnt Gas in das kalte Verdrängungsvolumen 30 an den Niederdruck abzulassen. Das Gas strömt in das warme Verdrängungsvolumen 29 von der Hochdruckleitung 49 durch das Rückschlagventil 42. Das Ventil 42 kann ein Druckbegrenzungsventil sein und es kann einen Begrenzer in der Leitung 49 geben, um die Geschwindigkeit mit der sich der Kolben 1 auf das kalte Ende zubewegt zu steuern. Es hält auch den Druck in 29 nur leicht höher als in 30. Wenn der Kolben 1 das kalte Ende erreicht, wie in 2 gezeigt, öffnet ein Passivventil 44 und lässt Gas bei Hochdruck von der Leitung 48 in das warme Verdrängungsvolumen 29 strömen.
  • Die Rotationsventilscheibe 16 weist eine erweiterte Welle 17 auf, die mit der Ventilmotorwelle 21 durch einen Antriebspin 19 durch eine Kopplung 18 gekoppelt ist. Ein Ventilmotor 20 kann bei konstanter oder variabler Geschwindigkeit betrieben werden. Die Ventilscheibe 16 kann aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein, die eine geringe thermale Konduktivität aufweist und hartbeschichtet werden kann. In dem gezeigten Design rotiert sie auf einem Ventilsitz 26, welcher ein Niedrigreibungspolymer ist, der mit einer Ventilbasis 25 verbunden ist. In 1 ist das Ventil in der Position gezeigt, in der es Gas von dem Hochdruck zu dem kalten Verdrängungsvolumen 30 durch Gasdurchlässe 23 und 22 durchlässt. In 2 ist die Ventilscheibe 16 um 90° rotiert zu der Position gezeigt, in der Gas von dem Verdrängungsvolumen 30 durch die Durchlässe 22 und 24 zu dem Niederdruck strömt. Ein Ventilmotorgehäuse 52, welches bei Raumtemperatur ist, ist von der Ventilbasis 25 durch eine Hülse 53 getrennt. Die Hülse 53 besteht aus einem Material mit niedriger thermaler Konduktivität wie beispielsweise Edelstahl. Wärmeverluste zwischen dem Motorgehäuse 52 und der Ventilbasis 25 werden ferner durch eine Isolierung 27 minimiert.
  • 2 zeigt ein Tiefkühlsystem 200 und die Relation zwischen dem Motor 100 und den anderen Komponenten. Zusätzlich zu dem Motor 100 umfasst das System 200 einen Kompressor 37, einen Gasvorratstank 38, eine Hochdruckgasversorgungsleitung 35, eine Niederdruckrückführleitung 36, einen Gegenstromwärmetauscher 34, eine Kaltgasleitung bei Niederdruck 32 zu einem externen Ladungswärmetauscher 31, und eine Kaltrückführleitung 33.
  • Die Systemdrücke werden von einem Ventil 39 gesteuert, welches überschüssiges Gas von der Hochdruckleitung 35 in den Vorratstank 38 ausgibt, und von einem Ventil 40, welches Gas von dem Vorratstank 38 in die Niederdruckleitung 36 ausgibt.
  • Die Geschwindigkeit mit der sich der Kolben 1 bewegt, ist durch Ventile 45 und 46 gesteuert. Das Gas strömt in das Verdrängungsvolumen 29 bei Raumtemperatur durch das Ventil 45 und strömt bei einer erhöhten Temperatur durch einen Nachkühler 41 und das Ventil 46 heraus. Da der Betrieb deutlich oberhalb der Temperatur, bei der Luft sich verflüssigt, stattfindet, ist es praktisch, die kalten Komponenten mit einer Schaumisolierung 47 zu isolieren.
  • Während der Leichtgewichtkolben, welcher der Gegenstand der Erfindung ist, für einen gas-balancierten Brayton-Kreismotor beschrieben ist, kann er auch für andere Antriebs- oder Kontrollmechanismen genutzt werden. Viele dieser Möglichkeiten werden in der U.S. Patentanmeldungsveröffentlichung 2011/0219810 und der U.S. Serien-Nr. 13/106,218 beschrieben.
  • Tabelle 1 gibt ein Beispiel des Designs und des Verhaltens von dem Motor 100 wie in 1 gezeigt wieder. Das System nutzt Helium bei Drücken von 2,2 MPa/0,8 MPa und zieht etwa 26 kW Leistung. Das Verhalten ist für eine durchschnittliche Ladungstemperatur von 150 K berechnet.
    Tabelle 1 Beispiel des Designs und des Verhaltens von dem Motor wie gezeigt in Fig. 1 gezeigt.
    Zylinder ID – mm 140
    Kolbenlänge – mm 100
    Kolbenbodendicke – mm 27
    Kolbenkappe 4 Dicke – mm 24
    Kolbenhülsendicke – mm 4
    Hub – mm 36
    Geschwindigkeit – Hz 5,5
    Kolbengewicht – g 2000
    erzeugte Gefrierkühlung – W 4200
    Nettogefrierkühlung – W 3200
  • Alle Patente, veröffentlichten Patentanmeldungen, und anhängige Anmeldungen die in dieser Anmeldung zitiert sind, sind hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gänze für alle Zwecke eingegliedert.

Claims (13)

  1. Brayton-Kreismotor zur Erzeugung von Kühlung bei Temperaturen unter 200 K, wobei der Motor umfasst: einen becherförmigen Hubkolben mit einem Boden und einer zylindrischen Seitenwand, wobei der Boden einen Raum nahe Raumtemperatur und einen Expansionsraum unterhalb 200 K trennt und wobei die Seitenwand innerhalb eines Zylinders mit einem Temperaturgradienten zwischen Raumtemperatur und unterhalb 200 K gleitet.
  2. Brayton-Kreismotor nach Anspruch 1, wobei eine Länge des Kolbens kleiner als ein Durchmesser des Kolbens ist.
  3. Brayton-Kreismotor nach Anspruch 1, wobei eine Dicke des Kolbenbodens weniger als 25% eines Durchmessers des Kolbens beträgt.
  4. Brayton-Kreismotor nach Anspruch 1, wobei der Kolben eine Antriebsspindel an dem warmen Ende umfasst, wobei eine pneumatische und eine mechanische Kraft auf die Antriebsspindel wirken, um den Kolben pendeln zu lassen.
  5. Brayton-Kreismotor nach Anspruch 1, wobei Gas an das kalte Ende des Kolbens bei Hochdruck geleitet ist und zu Niederdruck durch ein Rotationsventil abgelassen ist.
  6. Brayton-Kreismotor nach Anspruch 1, wobei der Kolben bei einer variablen Geschwindigkeit pendelt.
  7. Brayton-Kreismotor nach Anspruch 1, wobei ein Innenbereich der zylindrischen Seitenwand zumindest teilweise entleert ist.
  8. Brayton-Kreismotor nach Anspruch 1, wobei ein Boden des Kolbens zumindest 80% nichtmetallisches Material umfasst.
  9. Gas-balancierter Brayton-Kreismotor zur Erzeugung von Kühlung bei Temperaturen unterhalb von 200 K, wobei der Motor umfasst: einen becherförmigen Hubkolben mit einem Boden und einer zylindrischen Seitenwand, wobei der Boden einen Raum nahe Raumtemperatur und einen Expansionsraum unterhalb 200 K trennt, wobei die Seitenwand innerhalb eines Zylinders mit einem Temperaturgradienten zwischen Raumtemperatur und unterhalb 200 K gleitet, und eine Antriebsspindel, die an der warmen Seite des Bodens des Kolbens angebracht ist.
  10. Gas-balancierter Brayton-Kreismotor nach Anspruch 9, wobei ein Einlassventil und ein Auslassventil an dem kalten Ende des Zylinders angeordnet sind, um Hochdruckgas durchzulassen, wenn sich der Kolben nahe dem kalten Ende des Zylinders befindet und Gas zum Niederdruck auszulassen, wenn sich der Kolben innerhalb dem warmen Ende des Zylinders befindet.
  11. Gas-balancierter Brayton-Kreismotor nach Anspruch 9, wobei ein Rotationsventil an dem kalten Ende des Zylinders angeordnet ist, um Hochdruckgas durchzulassen, wenn sich der Kolben nahe dem kalten Ende des Zylinders befindet und Gas zum Niederdruck auszulassen, wenn sich der Kolben nahe dem warmen Ende des Zylinders befindet.
  12. Gas-balancierter Brayton-Kreismotor nach Anspruch 9, wobei der Kolben bei variabler Geschwindigkeit pendelt.
  13. Gas-balancierter Brayton-Kreismotor nach Anspruch 9, wobei ein Doppelpuffer von der Antriebsspindel angetrieben ist.
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