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Diese Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine, die in dem Brayton-Zyklus arbeitet, sowie ein Verfahren, um eine Kühlung bei kryogenen Temperaturen bereitzustellen.
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Ein System, das in dem Brayton-Zyklus arbeitet, um Kühlung bereitzustellen, besteht aus oder umfasst einen Kompressor, der einem Wärmetauscher ein Gas bei einem Austrittsdruck bereitstellt, wobei das Gas von dem Wärmetauscher durch ein Einlassventil, das das Gas adiabatisch expandiert, in einen Expansionsraum zugegeben wird, das das expandierte Gas (das kälter ist) durch ein Auslassventil auslässt, das kalte Gas durch eine Last, die gekühlt wird, zirkuliert, dann das Gas durch den Wärmetauscher zu dem Kompressor zurückführt. U. S. Patent
2,607,322 von S. C. Collins, einem Pionier in diesem Gebiet, umfasst eine Beschreibung des Designs von einer frühen Expansionsmaschine, die häufig genutzt wurde, um Helium zu verflüssigen. Der Expansionskolben wird in einer Hin- und Her-Bewegung durch einen Kurbel-Mechanismus angetrieben, der mit einem Schwungrad und einem Generator/Motor verbunden ist. Das Ansaugventil wird geöffnet, wenn der Kolben am Tiefpunkt des Arbeitstaktes (minimales kaltes Volumen) ist und das unter Hochdruck stehende Gas den Kolben nach oben treibt, was bewirkt, dass sich die Schwungradgeschwindigkeit erhöht und den Generator antreibt. Das Ansaugventil wird geschlossen bevor der Kolben den Höhepunkt erreicht und der Druck und die Temperatur des Gases in dem Expansionsvolumen fallen. An dem Höhepunkt des Taktes öffnet das Auslassventil und das Gas fließt heraus, wenn der Kolben nach unten gedrückt wird, wobei der Kolben durch das Schwungrad angetrieben wird, während es sich verlangsamt. Abhängig von der Größe des Schwungrad kann es den Generator/Motor weiter antreiben, um Leistung abzugeben oder es kann Leistung abziehen, wenn es als Motor fungiert.
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Viele folgende Maschinen haben Designs die ähnlich sind. Alle weisen Umgebungsluft auf, die auf das warme Ende des Kolbens einwirkt und sie sind primär dazu ausgebildet, um Helium zu verflüssigen. Das zurückkehrende Gas ist nahe an dem Atmosphärendruck und stellt Druck bereit, der ungefähr 10 bis 15 Atmosphären entspricht. Die Eingangsleistung des Kompressors liegt typischerweise im Bereich von 15 bis 50 kW. Kühlgeräte mit niedrigerer Leistung arbeiten typischerweise in dem GM-, Pulsrohr- oder Sterlingszyklus. Kühlgeräte mit höherer Leistung arbeiten typischerweise in den Brayton- oder Claude-Zyklen, wobei sie Turboexpander nutzen. Die Kühlgeräte mit niedrigerer Leistung nutzen Regenerator-Wärmetauscher, in denen das Gas in einem Schüttbett hin und her fließt, wobei das Gas niemals das kalte Ende des Expanders verlässt. Dies ist gegensätzlich zu den Brayton-Zyklus-Kühlgeräten, die kaltes Gas zu einer entfernten Last verteilen können.
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Es sind zwei wichtige thermodynamischen Faktoren für das Design einer Brayton-Expansionsmaschine zu berücksichtigen. Die erste ist die Fähigkeit, die von der Maschine produzierte Arbeit zurückzugewinnen. In einer idealen Maschine gibt das Carnot-Prinzip an, dass das Verhältnis von der idealen Eingangsarbeit, Wi, zu der produzierten Kühlung, Q, proportional zu (Ta-Tc)/Tc ist, wenn Arbeit zurückgewonnen wird, wobei Ta Umgebungstemperatur und Tc die Kühltemperatur ist, und proportional zu Ta/Tc ist, wenn die Arbeit nicht zurückgewonnen wird. Für eine Umgebungstemperatur von 300 K und einer Kühltemperatur von 4 K beträgt der Verlust ohne die Zurückgewinnung von Arbeit 1,4 %. Für Tc = 80 K ist der Verlust 27 %. Der zweite Verlust ergibt sich aus der unvollständigen Expansion des Gases. Im Idealfall ist das Kühleinlassventil, das das Gas bei einem hohen Druck in den Expansionsraum zugibt, geschlossen und der Kolben fährt fort, das Gas zu expandieren, bis es den unteren Rückführdruck erreicht. Für eine adiabatische Expansion von Helium von 2,2 MPa zu 0,8 MPa ist bei einer vollständigen Expansion 30 % mehr Kühlung vorhanden als bei keiner Expansion. Sogar das Expandieren auf 1,6 MPa stellt zusätzlich 16 % mehr Kühlung bereit.
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U. S. Patent 6,205,791 von J. L. Smith beschreibt eine Expansionsmaschine, die einen frei schwimmenden Kolben aufweist, mit dem Arbeitsgas (Helium) um dem Kolben. Der Gasdruck über dem Kolben, dem warmen Ende, wird durch Ventile gesteuert, die mit zwei Puffervolumina verbunden sind, wobei eines bei einem Druck von etwa 75 % der Differenz zwischen dem hohen und niedrigen Druck und das andere bei ungefähr 25 % der Druckdifferenz liegt. Elektrisch aktivierte Einlass-, Auslass- und Pufferventile werden zeitgesteuert geöffnet und geschlossen, sodass der Kolben mit einer kleinen Druckdifferenz über und unter dem Kolben nach oben und nach unten getrieben wird, sodass sehr wenig Gas durch die kleinen Freiräume zwischen dem Kolben und dem Zylinder fließt. Ein Positionssensor in den Kolben stellt ein Signal bereit, das zum Ansteuern der Zeitsteuerung des Öffnens und des Schließens der vier Ventile genutzt wird. Wenn jemand an eine Pulsröhre denkt, wobei der feste Kolben durch einen Gaskolben ersetzt wird, dann ist die gleiche „Zwei Puffer Volumen Steuerung“ in
U. S. Patent 5,481,878 von Zhu Shaowei beschrieben.
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3 des `878 Shaowei Patent zeigt die Zeitsteuerung des Öffnens und des Schließens der vier Steuerventile und 3 des `791 Smith Patents zeigt ein günstiges P-V Diagramm, das mit einer guten Zeitsteuerung der Beziehung zwischen der Kolbenposition und dem Öffnen und dem Schließen der Steuerungsventile erreicht werden kann. Die Fläche des P-V Diagramms ist die Arbeit, die produziert wird, und die maximale Effizienz wird durch das Minimieren des Betrags des Gases erreicht, das zwischen den Punkten 1 und 3 des `791 3 Diagramms relativ zu der P-V Arbeit, (die gleich der produzierten Kühlung ist), in das Expansionsvolumen gezogen wird.
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Die Zeitsteuerung des Öffnens und des Schließens des Einlass- und des Auslassventils relativ zu der Position des Kolbens ist wichtig, um eine hohe Effizienz zu erzielen. Die meisten Maschinen, die zum Verflüssigen von Helium gebaut wurden, nutzten Ventile, die durch Schaltnocken betätigt wurden, ähnlich zu denen des `220 Collins Patents. Das `791 Smith Patent zeigt elektrisch betätigte Ventile. Andere Mechanismen beinhalten ein Drehventil am Ende einer Scotch-Yoke-Treiberwelle, wie in U. S. Patent
5,361,588 von H. Asami et al dargestellt, und ein Wechselventil, das durch die Kolbentreiberwelle betätigt wird, wie in U. S. Patent
4,372,128 von Sarcia dargestellt. Ein Beispiel eines Mehrport-Drehventils ist in U. S. Patentanmeldung
2007/0119188 von M. Xu et al zu finden.
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U. S. Seriennummer
61/313,868 vom 15. März 2010 von R. C. Longsworth beschreibt eine sich hin und her bewegende Expansionsmaschine, die im Brayton-Zyklus arbeitet, in der der Kolben einen Treibschaft an dem warmen Ende aufweist, der durch einen mechanischen Antrieb angetrieben wird oder durch Gasdruck, der zwischen einem hohen und einem niedrigen Druck wechselt, wobei der Druck an dem warmen Ende des Kolbens in einem Bereich um den Treibschaft im Wesentlichen der gleiche ist wie der Druck an dem kalten Ende des Kolbens während der Kolben sich bewegt. Der Druck an dem warmen Ende des Kolbens wird durch ein Ventilpaar gesteuert, das das warme verschobene Volumen mit der Niedrigdruckleitung verbindet während der Kolben sich zum warmen Ende bewegt, und das das warme verschobene Volumen mit der Hochdruckleitung verbindet, wenn sich der Kolben zu dem warmen Ende bewegt. Dies stellt einen kleinen Teil von zurückgewonnener Arbeit bereit, in der Form, dass Niedrigdruckgas, das in das warme verschobene Volumen gezogen wird, komprimiert wird und zu dem Gas in der Hochdruckleitung hinzugefügt wird. Ein anderes Mittel, um einen Druck an dem warmen Ende eines Kolbens so beizubehalten, dass er nahezu dem Druck an dem kalten Ende gleicht während der Kolben sich bewegt, wird in dem U. S. Patent
8,776,534 von R. C. Longsworth beschrieben. Diese Expansionsmaschine unterscheidet sich von der '868 Anmeldung durch das Ersetzen des Ventils an dem warmen Ende, das die Niedrigdruckleitung mit dem warmen verschobenen Volumen verbindet, durch eines, das die Hochdruckleitung mit dem verschobenen Volumen verbindet, während der Kolben sich zu dem kalten Ende bewegt. Ein anderes Ventil, das parallel zu diesem ist, wird hinzugefügt, um das warme verschobene Volumen sehr schnell unter Druck zu setzen, während der Kolben an dem kalten Ende ist. Relativ zu der ` 868 Anmeldung hat dies den Vorteil, dass keine aktiven Ventile an dem warmen Ende benötigt werden, jedoch hat dies den Nachteil, dass es keine Zurückgewinnung von irgendeiner Arbeit bereitstellt, die durch die Expansion des Gases an dem kalten Ende ausgegeben wird.
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Die Patentanmeldung S/N
61/391,207 vom 8. Oktober 2010 von R. C. Lognsworth beschreibt die Steuerung einer sich hin und her bewegenden Expansionsmaschine, die im Brayton-Zyklus arbeitet, wie in den vorherigen Anmeldungen beschrieben, die ein Minimieren der Zeit zum Kühlen einer Masse auf kryogene Temperaturen ermöglicht. Diese Mechanismen können in der gegenwärtigen Anmeldung genutzt werden, werden hier aber nicht beschrieben.
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US 6 205 791 B1 betrifft einen kompakten, modularen Kryokühler für den Einsatz in relativ kleinen Anwendungen, d. h. Anwendungen, die weniger als etwa 10 Watt Kühlkapazität bei etwa 10 K oder weniger erfordern. Der Kryokühler nutzt einen rekuperativen Wärmetauscher, der integral mit einem schwimmenden Kolbenexpander kombiniert ist, dessen Kolben für eine periodische Bewegung innerhalb eines Expansionszylinders geeignet ist. Der Kolben ist ohne einen externen Antriebsmechanismus betätigbar, sondern durch selektive Betätigung von prozessorgesteuerten „intelligenten“ Impulsventilen mit variablem Strom, die dazu dienen, abwechselnd Arbeitsflüssigkeit und Ballastflüssigkeit an gegenüberliegende Enden des Zylinders zu koppeln. Die Ventile werden als Reaktion auf Ausgangssignale betätigt, die von einem nichtinvasiven induktiven Sensor erzeugt werden, der die Position des Kolbens im Zylinder erkennt. Die Kombination des schwimmenden Kolbenexpanders, der durch den Sensor, intelligente Ventile und einen Prozessor präzise gesteuert wird, mit dem rekuperativen Wärmetauscher sorgt für einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen kleinen Kryokühlern, die typischerweise regenerative Wärmetauscher verwenden. Der schwimmende Kolbenexpander und der rekuperative Wärmetauscher sind als integrierte, modulare Einheit gefertigt, was die Skalierung auf N modulare Einheiten erleichtert. Für die Verbindung benachbarter Moduleinheiten ist nur ein einziger Strömungsweg erforderlich, was sowohl die Skalierung als auch die Verteilerkonstruktion vorteilhaft vereinfacht.
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DE 11 2011 100 912 T5 betrifft eine Expansionsmaschine, die mit einem Brayton-Kreislaufprozess zur Kühlung bei kryogenen Temperaturen arbeitet und einen Kompressor, einen Gegenstrom-Wärmetauscher und eine Last aufweist, die entfernt angeordnet sein kann und durch Gas gekühlt wird, das von der Maschine in Umlauf gebracht wird. Die Maschine weist einen Kolben in einem Zylinder auf, wobei über und unter dem Kolben etwa der gleiche Druck vorhanden ist, während dieser sich bewegt. Der Kolben und Ventile können entweder mechanisch oder pneumatisch betätigt werden, und die Drücke über und unter dem Kolben können durch einen Regenerator, der die beiden Räume verbindet, oder durch Ventile etwa gleich gehalten werden.
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DE 11 2005 003 132 T5 beschreibt einen Kryokühler mit Ventilen, der Folgendes aufweist: Mindestens einen Kompressor, einen Regenerator, einen Expander mit mindestens einem Puffervolumen, welches mit einem Einlass des Regenerators durch ein Ventil verbunden ist, ein Hochdruckventil, welches in einem Durchlass sitzt, der eine Versorgungsseite des mindestens einen Kompressors mit dem Regenerator verbindet, und ein Niedrigdruckventil in einem anderen Durchlass, das eine Rückleitungsseite des mindestens einen Kompressors mit dem Regenerator verbindet, wobei das Ventil eingerichtet ist, derart geöffnet oder geschlossen zu werden, dass Gas anstatt von der Versorgungsseite des mindestens einen Kompressors aus dem mindestens einen Puffervolumen zum Regenerator eingelassen wird, falls ein Druck am Einlass des Regenerators geringer ist als ein Innendruck innerhalb des mindestens einen Puffervolumens während eines Einlassprozesses, und Gas anstatt von der Rückleitungsseite des mindestens einen Kompressors aus dem Regenerator zu dem mindestens einen Puffervolumen ausgelassen wird, falls der Druck am Einlass des Regenerators höher ist als der Innendruck innerhalb des mindestens einen Puffervolumens während eines Auslassprozesses.
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DE 11 2012 002 047 T5 betrifft eine Expansionsmaschine, die mit einem Brayton-Kreislauf arbeitet, der Teil eines Systems zum Erzeugen einer Kühlung bei Tieftemperaturen ist, das einen Kompressor, einen Gegenstrom-Wärmetauscher und eine Last, die entfernt sein kann, die durch Gas gekühlt wird, das von der Maschine zirkuliert wird, umfasst. Die Maschine hat einen Kolben in einem Zylinder, der über und unter dem Kolben nahezu den gleichen Druck hat, während dieser sich bewegt. Niederdruck auf einem Kolbenantriebsschaft stellt ein Kräfteungleichgewicht her, um den Kolben in Richtung des warmen Endes zu bewegen.
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US 2013 / 0 285 663 A1 betrifft eine kryogene Kältemaschine, die einem Zylinder und einen im Zylinder beweglich angeordneten Verdränger umfasst. Der Verdränger sorgt dafür, dass ein Betriebsgas in den Zylinder einströmt und das Gas aus dem Zylinder austritt. Die Kältemaschine umfasst des Weiteren einen Kompressor zum Komprimieren des Betriebsgases. Der Kompressor umfasst eine Niederdruckseite zur Aufnahme des aus dem Zylinder ausgestoßenen Gases und eine Hochdruckseite zur Abgabe des im Kompressor komprimierten Gases in den Zylinder. Die Kältemaschine umfasst ferner ein Mitteldruck-Puffervolumen, das mit einer Hochdruckseite oder einer Niederdruckseite des Kompressors verbunden ist. Der Kompressor stellt einen Druck des Puffervolumens ein. Das Puffervolumen ist ebenfalls mit dem Zylinder verbunden.
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Erfindungsgemäß arbeitet eine Expansionsmaschine mit Gas, das von einem Kompressor bereitgestellt wird, um Kühlung bei Temperaturen von unter 160 K zu produzieren, wobei das Gas in einer ersten Leitung bei einem hohen Druck bereitgestellt wird und in einer zweiten Leitung bei einem niedrigen Druck zurückgeführt wird, wobei die Expansionsmaschine umfasst: Einen Kolben in einem Zylinder, wobei der Kolben einen Treibschaft an einem warmen Ende, ein Kalteinlassventil an einem kalten Ende des Zylinders, das öffnet, um ein unter Hochdruck stehendes Gas von der ersten Leitung zu einem kalten verschobenen Volumen zuzugeben, wenn der Kolben nahe dem kalten Ende des Zylinders angeordnet ist und das schließt, wenn der Kolben zumindest zwei Drittel des Wegs zu dem warmen Ende zurücklegt, und ein Kaltauslassventil an dem kalten Ende des Zylinders aufweist, das öffnet, um Gas zu einem niedrigen Druck an die zweite Leitung auszulassen, wenn der Kolben nahe dem warmen Ende des Zylinders angeordnet ist und wenn der Kolben sich zu dem kalten Ende bewegt, wobei Kraft auf den Treibschaft ausgeübt ist, den Kolben hin und her zu bewegen; ein Puffervolumen, das mit einem warmen Verschiebevolumen zwischen dem warmen Ende des Kolbens und dem warmen Ende des Zylinders außerhalb der Fläche des Treibschafts durch eine dritte Leitung verbunden ist, die ein Pufferventil in der dritten Leitung aufweist, wobei das Pufferventil geöffnet wird, nachdem das Kalteinlassventil schließt und geschlossen wird, bevor das Kalteinlassventil öffnet, wobei das Puffervolumen Gas nur über das Pufferventil aufnimmt und abgibt, und das Puffervolumen nicht im Austausch mit dem kalten verschobenen Volumen steht; und einen Satz an Ventilen, um den Druck in dem warmen verschobenen Volumen bei ungefähr dem gleichen Druck zu erhalten wie in dem kalten verschobenen Volumen, während der Kolben sich bewegt.
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Ein Verfahren zum Produzieren von Kühlung bei Temperaturen von unter 160 K mit einer Expansionsmaschine wird bereitgestellt, wobei die Expansionsmaschine umfasst: Einen Kolben in einem Zylinder, wobei der Zylinder ein warmes Ende und ein kaltes Ende aufweist, und der Kolben einen Treibschaft an dem warmen Ende hat; ein Puffervolumen, das über ein Pufferventil mit einem warmen verschobenen Volumen verbunden ist, das einen Raum zwischen dem warmen Ende des Kolbens außerhalb der Fläche des Treibschafts und dem warmen Ende des Zylinders umfasst, wobei das Puffervolumen Gas nur über das Pufferventil aufnimmt und abgibt, und das Puffervolumen nicht im Austausch mit einem kalten verschobenen Volumen am kalten Ende des Kolbens steht; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- (a) Bereitstellen der Expansionsmaschine mit einem Gas bei einem hohen Druck von einer Versorgungsleitung eines Kompressors;
- (b) Rückführen des Gases zu dem Kompressor mittels einer Rückführleitung bei einem niedrigeren Druck als der hohe Druck in der Versorgungsleitung;
- (c) Hin- und Her-Bewegen des Kolbens in dem Zylinder zwischen dem kalten Ende und dem warmen Ende durch eine auf den Treibschaft ausgeübte Kraft;
- (d) Zugeben von Gas von der Versorgungsleitung bei einem hohen Druck zu dem kalten Ende des Zylinders mittels eines Kalteinlassventils, wenn der Kolben an oder in der Nähe des kalten Endes des Zylinders angeordnet ist und während der Kolben sich zu dem warmen Ende bewegt;
- (e) Schließen des Kalteinlassventils, wenn der Kolben bei zumindest zwei Dritteln des Wegs zu dem warmen Ende des Zylinders ist, danach Zugeben von Gas zu dem Puffervolumen, während der Kolben sich zu dem warmen Ende des Zylinders bewegt;
- (f) Auslassen des Gases von dem kalten Ende des Zylinders zu der Rückführleitung über ein Kaltausgleichsventil, wenn der Kolben nahen dem warmen Ende des Zylinders angeordnet ist wenn der Kolben sich zu dem kalten Ende des Zylinders bewegt;
- (g) Zugeben von Gas von dem Puffervolumen mittels eines Pufferventils zu dem warmen verschobenen Volumen während zumindest eines Teils der Zeit, in der das Kaltauslassventil geöffnet ist;
- (h) Erhalten des Drucks an dem warmen Ende des Kolbens außerhalb einer Fläche des Treibschafts bei etwa den gleichen Druck wie am kalten Ende des Kolbens, während der Kolben sich bewegt.
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Die Erfindung verbessert die Effizienz von Maschinen, die in der `868 Anmeldung und dem
U. S. Patent 8,776,534 beschrieben werden, durch das Hinzufügen eines Puffervolumens an dem warmen Ende, um eine partielle Expansion des Gases zu ermöglichen. Ein Ventil wird hinzugefügt, das das warme verschobene Volumen mit einem Puffervolumen verbindet, das nahe an einem durchschnittlichen Druck zwischen den hohen und niedrigen Drücken liegt, der ein Druck zwischen den hohen und niedrigen Drücken ist (d.h., ein Zwischendruck). Das erlaubt dem Kalteinlassventil geschlossen zu werden, bevor der Kolben das warme Ende erreicht, und erlaubt dem Kolben sich fortgesetzt zu dem warmen Ende zu bewegen und das kalte Gas zu expandieren, wenn der Druck an dem warmen Ende des Kolbens auf den durchschnittlichen Druck oder den Zwischendruck in den Puffervolumen fällt. Das Gas fließt während dieser Phase des Zyklus in das Puffervolumen und fließt heraus, wenn der Kolben an oder nahe dem kalten Ende ist und bevor das Kalteinlassventil geöffnet wird, oder es fließt hinaus, bevor das Kalteinlassventil geöffnet wird.
- 1 zeigt eine Maschine 100, bei der ein Puffervolumen und ein Pufferventil zu dem warmen verschobenen Volumen der Maschine, die in U. S. Patent 8,776,534 beschrieben wird, hinzufügt sind.
- 2 zeigt eine Maschine 200, bei der ein Puffervolumen und ein Pufferventil zu dem warmen verschobenen Volumen der Maschine hinzufügt sind, die in U. S. Patentanmeldung S/N 61/313,868 beschrieben wird. Bei ihr ist auch ein zweites Ventil zwischen der Hochdruckleitung und dem warmen verschobenen Volumen hinzugefügt.
- 3 zeigt ein Druckvolumendiagramm für die Maschinen die in den 1 und 2 dargestellt werden.
- 4a, b, und c zeigen Sequenzen zum Öffnen und Schließen von Ventilen für die Maschinen, die in den 1 und 2 dargestellt werden.
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Die zwei Ausführungsbeispiele dieser Erfindung, die in den 1 und 2 dargestellt sind, nutzen dieselben Bezugszeichen und dieselben schematischen Darstellungen, um äquivalente Teile zu benennen. Da Expansionsmaschinen üblicherweise so orientiert sind, dass das kalte Ende nach unten zeigt, um die kollektiven Verluste in dem Wärmetauscher zu minimieren, wird die Bewegung des Kolbens von dem kalten Ende zum warmen Ende häufig als Bewegung nach oben bezeichnet, sodass der Kolben sich nach oben und nach unten bewegt. Die Zyklusbeschreibung nimmt an, dass Helium bei 2,2 MPa bereitgestellt und bei 0,8 MPa zurückgeführt wird.
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1 ist eine Querschnitts- / schematische Darstellung einer Maschinen Baugruppe 100. Kolben 1 bewegt sich in Zylinder 6 hin und her, der eine kalte Endkappe 9, einen warmen Lagerflansch 7 und einen warmen Zylinderkopf 8 aufweist. Treibschaft 2 ist mit den Kolben 1 verbunden und bewegt sich in dem Treibschaftzylinder 69 hin und her. Das verschobene Volumen an dem kalten Ende, DVc, 3, ist von dem verschobenen Volumen an dem warmen Ende, DVw, 4, durch den Kolben 1 und die Dichtung 50 getrennt. Das verschobene Volumen über dem Treibschaft, DVs, 5, ist von DVw durch die Dichtung 51 getrennt. Leitung 33 verbindet DVs, 5, mit niedrigem Druck, Pl, in der Niedrigdruck-Rückführungsleitung, 31. Leitung 32 verbindet DVw, 4, mit dem Pufferventil Vb, 14, dem Ventil VWo, 15, dem Ventil Vwp, 16 und dem Ventil Vwh, 17. Das Pufferventil Vb, 14, ist mit den Puffervolumen 20 verbunden. Das Ventil Vwo ist mit den hohen Druck, Ph, in der Hochdruckleitung 30 durch den Wärmetauscher 42 verbunden. Die Ventile Vwp, 16, und Vwh sind auch mit der Hochdruckleitung 30 verbunden. Der Grund dafür, drei Ventile bereitzustellen, die mit der Hochdruckleitung 30 verbunden sind, ist, Gasfluss bei Umgebungstemperatur in DVw, 4, durch Vwp, 16, und Vwh, 17, zu haben, um dann das Gas, nach dem es durch die Kompression in die Vw, 4, aufgeheizt ist, durch Vwo, 15, ausfließen zu lassen und in dem Wärmetauscher 42 kühlen zu lassen, bevor es in die Hochdruckleitung 30 zurückfließt. Das Ventil Vwp, 16, unterscheidet sich von Vwh, 17, dadurch, dass es eine hohe Durchflussrate erlaubt, um DVw, 4, mit Druck zu beaufschlagen, wenn der Kolben 1 an den kalten Ende ist, während Vwh, 17, einen beschränkten Durchfluss aufweist, um die Geschwindigkeit des Kolbens zu steuern, wenn er sich nach unten bewegt. Unter hohem Druck stehendes Gas in Leitung 30 fließt durch den Gegenfluss-Wärmetauscher 40 und dann durch die Leitung 34 zu dem Kalteinlassventil Vci, 10, das das Gas in das kalte verschobene Volumen DVc, 3, zugibt. Das Gas fließt aus DVc, 3, durch das Kaltauslassventil VCco, 11, aus, und dann durch Leitung 35, den kalten Wärmetauscher 41 und die Leitung 36, um dann zu den Kompressor durch den Gegenfluss-Wärmetauscher 40 zurückzukehren, wobei es die ganze Zeit einen niedrigen Druck aufweist.
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2 ist eine Querschnitts- / schematische Darstellung einer Maschinenanordnung 200. Diese unterscheidet sich von der Maschinenanordnung 100 durch das Ersetzen des Ventils Vwh, 17, das Leitung 30 bei Ph mit DVw, 4, verbindet mit dem Ventil Vwl, 18, das Leitung 31 bei Pl mit DVw, 4, verbindet und durch das Hinzufügen der Ventile Vsi, 12, und Vsu, 13. Die Maschine 100 treibt den Kolben durch das Verbinden von Ph der Leitung 30 mit DVw, 4, über das Ventil Vwh, 17 nach unten, während Pl am Treibschaft 2 beibehalten wird. Die Maschine 200 treibt den Kolben durch das Verbinden von Ph der Leitung 30 mit DVs, 5, über das Ventil Vsi, 12, nach unten, während Pl in DVw, 4 durch das Verbinden von Pl mit der Leitung 31 über das Ventil Vwl, 18 beibehalten wird.
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Nicht dargestellt ist die Option des Ersetzens der pneumatischen Kraft am Treibschaft 2 mit einer mechanischen Kraft.
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3 zeigt ein Druck-Volumendiagramm für beide Maschinen 100 und 200, wobei Vc das kalte verschobene Volumen DVc, 3, ist. Die Fläche des P-V Diagramms ist gleich der Kühlung die pro Zyklus produziert wird. Es ist eine Aufgabe des Designs, die Fläche des Diagramms mit einem minimalen Gas-Betrag zu maximieren. 4a und 4b zeigen Ventil-Öffnungs- und -Schließ-Sequenzen für Maschine 100 und 4c zeigt Ventil-Öffnungs- und -Schließ-Sequenzen für Maschine 200. Die Zustandspunktziffern im P-V Diagramm entsprechen der Ventil-Öffnungs-/Schließ-Sequenz, die in den 4a, 4b und 4c dargestellt ist. Die durchgezogene Linien zeigen an, wenn die Ventile offen sind und die gestrichelten Linien repräsentieren sie, wenn sie geöffnet oder geschlossen werden können. Punkt 1 im P-V Diagramm repräsentiert den Kolben 1 an dem kalten Ende, beim minimalem DVc. DVw ist bei Ph und DVs ist bei Pl. Vci öffnet und gibt Gas bei Ph zu VDc. VDc erhöht sich, während das Gas in DVw komprimiert wird, über Ph, weil dort ein geringer Druck am Treibschaft 2 anliegt. Das Gas in DVw wird durch das Ventil Vwo in die Hochdruckleitung 30 gedrückt. Am Punkt 2 hat sich der Kolben 1 mehr als 2/3 seines Weges zu dem warmen Ende bewegt. An diesem Punkt sind Vci und Vwo geschlossen, danach wird Vb geöffnet, sodass Gas in das Puffervolumen fließt und der Druck in DVc und DVw um etwa 30 % bis 45 % des Abstands zu Pl fällt, wenn der Kolben 1 sich weiter zum warmen Ende bewegt. Am Punkt 3 wird Vb geschlossen, dann wird Vco geöffnet und der Druck in DVc und DVw fällt auf Pl. DVw wird sich leicht vergrößern, da das Gas in Leitung 32 durch den Druck am Punkt 3 auf Pl expandiert. Am Punkt 4 wird Vwh geöffnet und der Kolben 1 bewegt sich dann zum kalten Ende, Punkt 5. Vwh wird kurz bevor der Kolben 1 das kalte Ende erreicht geschlossen. Vco ist jederzeit zwischen den Punkten 5 und 1 geschlossen. Am Punkt 5 wird Vb geöffnet, um dem Gas zu ermöglichen, von dem Puffervolumen 20 zu DVw zu fließen und um den Druck in VDw auf einen Druck bei Punkt 6 zu erhöhen, wenn Vb geschlossen ist. An diesem Punkt ist der Druck fast der gleiche wie der Druck in dem Puffervolumen. Am Punkt 6 wird Vwb geöffnet, um den Druck in DVw schnell auf Ph zu bringen. Vwb wird dann geschlossen, bevor der Zyklus sich am Punkt 1 startend wiederholt. Der Gasfluss in das Puffervolumen 20 zwischen den Punkten 2 und 3 ist gleich dem Ausfluss zwischen den Punkten 5 und 6 und ergibt einen Zwischendruck von Pi im Puffervolumen 20. Eine vernünftige Größe für das Puffervolumen 20 für dieser Ausführungsform ist etwa 2,5 Mal DVw.
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4b stellt an Punkt 4 die Option des Öffnens des Ventils Vb anstatt Vwh dar und schließt es, nach dem Punkt 5 erreicht wurde, wobei dann Vwp geöffnet und geschlossen wird, bevor Vci geöffnet wird. Diese Option für die Ventilsequenz erlaubt es dem Zwischendruck Pi im Puffervolumen 20 kleiner zu sein als bei der vorherigen Ventilsequenz und es erlaubt Vci früher zu schließen, d.h. Punkt 2 wird nach links verschoben und das Gas in DVc expandiert bei einem niedrigeren Druck. Der Druck in DVc und DVw kann um etwa 70 % des Abstands von Ph zu Pl fallen, wenn sich der Kolben 1 von Punkt 2 zu Punkt 3 bewegt. Dies vermeidet das Erfordernis von Vwh.
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Das Ventilzeitsteuerungsdiagramm, das in 4c für Maschine 200 dargestellt ist, unterscheidet sich von dem für Maschine 100 durch das Ersetzen des Ventils Vwl, 17, durch Vwl, 18 und durch das Hinzufügen der Ventile Vsi, 12 und Vso, 13. Vsi gibt VDs, 5, unter Hochdruck stehendes Gas zu, um den Kolben 1 zwischen den Punkten 5 und 6 nach unten zu drücken, und Vso verbindet VDs, 5, mit Pl, um ein Kräfte-Ungleichgewicht herzustellen, das den Kolben 1 nach oben zwischen die Punkte 1 und 3 treibt. Vwl, 18, öffnet an Punkt 3 und lässt den Druck in Leitung 32 auf Pl fallen, bevor Vco sich an Punkt 4 öffnet. Das Gas, das zwischen den Punkten 4 und 5 in DVw gezogen wird, ist komprimiert und wird zwischen den Punkten 1 und 2 der Leitung 30 unter Hochdruck zurückgeführt. Dies repräsentiert die Rückgewinnung von einem Teil der Arbeit, die durch die Maschine erzeugt wurde, in der Form von zusätzlichem Gasfluss zu dem kalten Ende, der die Kühlung, die produziert wird, erhöht. Es wird darauf hingewiesen, dass Vsi und Vso nicht benötigt werden, wenn der Kolben 1 durch mechanische Mittel hin und her bewegt wird. Die Fläche des Treibschafts 2 liegt im Bereich von 8 % bis 15 % der Fläche des Kolbens 1 am kalten Ende, sodass der Treibschaft ungefähr 3 % des Flusses von den Kompressor nutzt, um den Kolben nach oben und nach unten zu treiben, wenn die Temperatur an dem kalten Ende, 9, ungefähr bei 80 K liegt. Für die gleiche Expansion des Gases bei den Punkten 2 und 3 ist die Erhöhung in Prozent der Kühlung, die produziert wird, ungefähr die gleiche für alle kalten Temperaturen. Die Erhöhung der Kühlung durch die Rückgewinnung von Arbeit ist allerdings proportional zu (Th-Tc)/Th, sodass die Extraventile zum pneumatischen Antreiben der Maschine 200 bei unter ungefähr 50 K keinen großen Effekt im Gegensatz zu Maschine 100 aufweisen, jedoch einen großen Effekt bei Temperaturen über 100 K haben.
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U. S. Patent Nr.
8,783,045 von M. Xu et al beschreibt einen GM- oder einen GM-Typ-Pulsrohrexpander, der ein Puffervolumen, das mit dem warmen Ende des Zylinders verbunden wird, als Mittel benutzt, um den Energieverbrauch in dem Kühlgerät zu reduzieren. Er tut dies, indem das Versorgungsventil des Kompressors geschlossen wird, wenn der Verdrängungskörper den Höhepunkt erreicht und dann durch das Öffnen eines Ventils zu dem Puffervolumen, sodass der Druck auf den Druck in dem Puffervolumen fällt. Das Pufferventil wird dann geschlossen und das Ventil, das das Gas zu dem Kompressor zurückführt wird geöffnet. Das Gas fließt von dem Puffervolumen zurück in den Zylinder nachdem das Rückführventil geschlossen wurde und bevor das Versorgungsventil geöffnet wird. Das P-V Diagramm muss dafür rechteckig mit keiner Expansion oder erneuten Kompression sein, um den Fluss zu dem Expander in jedem Zyklus zu reduzieren. Die GM- und GM-Typ Pulsrohre haben Rehgeneratoren zwischen den warmen und kalten verschobenen Volumina, sodass dort niemals eine große Druckdifferenz zwischen dem warmen und kalten Ende herrscht. Der Brayton-Kolben weist andererseits nicht inhärent den gleichen Druck an beiden Enden des Kolbens auf. Die Expansion und die erneute Kompression des Gases in einem GM-Expander kann durch ein frühes Schließen der Versorgungs- und Rückführventile erzielt werden, jedoch nicht durch das Hinzufügen eines Puffervolumens.
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Das Hinzufügen eines Puffervolumens zu einer Gasausgleichs-Brayton-Maschine hat einen anderen Effekt als wenn es einem GM- oder einem GM-Typ-Pulsrohrexpander hinzugefügt wird. Die Brayton-Maschine produziert wegen der Erhöhung der Fläche in P-V Diagramm mehr Kühlung pro Zyklus. Es ist nicht offensichtlich, dass diese Extrakühlung durch das Breitstellen eines Puffervolumens aus dem `045 Patent zu den Brayton-Zyklusmaschinen des U.S. Patent Nr.
8,776,534 und der Anmeldung U.S. Serien-Nr. 61/313,868 bewirkt werden kann.
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Tabelle 1 stellt ein Beispiel für die Kühlkapazitäten bereit, die für die Drücke bei Vci von 2,2 MPa und bei Vco bei 0,8 MPa berechnet wurden. Die Flussrate von Helium von dem Kompressor ist 5,5 g/s. Der Kolbendurchmesser ist 82,4 mm und der Hub ist 24,4 mm. Die Wärmetauscher (HX) Effizienz wird bei 98 % angenommen. Die Kühlraten (Q) für die Maschinen 100 und 200 basieren auf dem P-V Diagramm der
3 und werden mit dem vorherigen Design verglichen, das keine Expansion des Gases nach Punkt 2 aufweist. Tc ist die Temperatur des Gases, das durch Vci fließt, und N ist die Zyklusrate. Tabelle 1 Berechnete Performance
| Maschine | Vorher | 100 | 200 |
| P-V Expansion - % | 0 | 36 | 36 |
| Rückgewinnung | Nein | Nein | Ja |
| | | | |
| Tc-K | 70 | 70 | 70 |
| N-Hz | 2.4 | 3.2 | 3.6 |
| HX Fluss - g/s | 5.3 | 5.3 | 5.9 |
| Q - W | 270 | 370 | 410 |
| | | | |
| Tc-K | 140 | 140 | 140 |
| N-Hz | 4.7 | 6.2 | 7.6 |
| HX Fluss - g/s | 5.3 | 5.3 | 6.3 |
| Q - W | 720 | 910 | 1,100 |
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Die prozentuale Erhöhung der Kühlung durch die Nutzung eines Puffervolumens ist bei niedrigeren Temperaturen signifikanter, da der Verlust des Wärmetauschers für Maschine 1 der gleiche ist wie für die frühere Maschine. Ein Teil des Nutzens, mehr Gasfluss zum kalten Ende in Maschine 2 relativ zu Maschine 1 zu haben, wird durch höhere Verluste im Wärmetauscher ausgeglichen.
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Während Expansionsmaschinen, die im Brayton-Zyklus arbeiten, typischerweise benutzt wurden, um Kühlung und verflüssigte Gase bei Temperaturen von unter 120 K zu produzieren, können sie auch bei Kryopumpen-Wasserdampf bei Temperaturen bis zu 160 K angewandt werden.
