TW202238049A - 低溫冷凍系統及低溫幫浦 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種低溫冷凍系統及方法。該低溫冷凍系統包括：一冷凍機單元，其包括一膨脹單元及經組態以壓縮冷凍劑之一變速壓縮機。該變速壓縮機經組態以經由一較低壓管線從該冷凍機單元接收冷凍劑且經由一較高壓管線將經壓縮冷凍劑供應至該冷凍機單元。亦存在控制電路，其經組態以藉由在冷卻期間控制該壓縮機最初以一降低頻率操作且隨後增加該變速壓縮機之一操作頻率，使得該變速壓縮機以一較高頻率操作來控制該變速壓縮機以將該變速壓縮機之一功率消耗維持在低於一預定臨限值。

Description

低溫冷凍系統及低溫幫浦

本發明之領域係關於低溫冷凍系統、低溫幫浦及冷凍方法。

低溫冷凍系統係已知的。此等系統使用諸如吉福特-麥克馬洪(Gifford-McMahon)程序之一冷凍程序，且通常包括容置一熱累積材料及一膨脹室之一膨脹型冷凍機單元。一壓縮機壓縮一冷凍劑氣體且將經壓縮冷凍劑供應至冷凍機單元，在冷凍機單元中該經壓縮冷凍劑由熱累積材料冷卻且接著膨脹。經減壓冷凍劑氣體返回至壓縮機，藉此形成一冷凍循環。藉由重複此冷凍循環可獲得一極低溫度。針對低溫冷凍，氦氣可為較佳冷凍劑。

冷凍程序之有效性受較高壓及較低壓冷凍劑之間的壓差及冷凍劑之質量流速之影響。然而，此等因素本身受到壓縮機能力之限制。

將期望提供一改良冷凍系統。

第一態樣提供一種低溫冷凍系統，其包括：一冷凍機單元，其包括一膨脹單元；一變速壓縮機，其經組態以壓縮冷凍劑，該變速壓縮機經組態以經由一較低壓管線從該冷凍機單元接收冷凍劑且經由較高壓管線將經壓縮冷凍劑供應至該冷凍機單元；及控制電路，其經組態以藉由在冷卻期間控制該壓縮機最初以一降低頻率操作且隨後增加該變速壓縮機之一操作頻率，使得該變速壓縮機以一較高頻率操作來控制該變速壓縮機以將該變速壓縮機之一功率消耗維持在低於一預定臨限值。

一冷凍程序之有效性隨著較高壓及較低壓管線之間的一增加壓差及冷凍劑之一增加質量流速而增加。此等因素之增加可藉由增加系統之填充壓力以及藉由增加壓縮機速度來達成。然而，增加壓縮機速度及增加冷凍劑壓力兩者皆增加壓縮機之功率消耗，且一壓縮機之功率消耗通常係有限的以避免其過熱及失效。

本發明之發明人認識到：壓縮機之功率消耗在操作期間變化，且特定言之，可在冷卻期間處於其最高，且在穩態操作期間較低。特定言之，隨著溫度降低，冷凍單元中可存在冷凍劑之一些累積，且冷凍劑之壓力將下降。此壓力下降容許壓縮機在無需額外功率之情況下以一較高頻率操作。因此，其等意識到，若提供控制電路來控制壓縮機在冷卻期間最初以一較低速度操作且藉此限制供應至壓縮機之功率，則隨著冷凍劑之壓力下降，操作頻率可在隨後增加。此將容許壓縮機經組態以在穩態操作期間以較高頻率操作，同時在冷卻期間被保護免於過熱，如此則可提供一改良效能。

在一些實施例中，藉由以下之至少一者向該低溫冷凍系統提供額外冷凍劑：增加一初始填充壓力，使得該變速壓縮機在該冷凍機單元之冷卻期間之全速操作將導致變速壓縮機消耗高於該預定臨限值之功率；或藉由提供與將較低壓冷凍劑從該冷凍單元供應至該壓縮機之一低壓管線流體連通之冷凍劑之一緩衝體積。

諸如吉福特-麥克馬洪程序之一冷凍程序之冷凍或冷卻能力係由工作流體或冷凍劑之壓差驅動。根據一氣體從一高壓位準(供應壓力)膨脹至一較低壓位準(返回壓力)之熱力學原理，此兩個壓力之間的壓差愈高，系統之冷卻能力愈高。此外，冷凍劑通過系統之質量流速愈高，所提供之冷卻能力愈高。

因此，由壓縮機提供之此壓力增加應儘可能高。壓縮機之容量受到其壓縮比及最大容許功率消耗之限制，在許多情況中，其與驅動壓縮機之馬達之馬達繞組中之最大容許電流有關。壓縮比首先取決於系統之高壓及低壓體積之體積比，且其次取決於系統之填充壓力，且第三當然取決於冷凍單元之冷凍劑需求與壓縮機之幫浦容量之間的平衡。

可藉由增加冷凍劑之填充壓力來提供冷凍單元之改良冷卻能力。藉由增加填充壓力，高壓及低壓兩者皆將增加，且因此冷凍劑之再循環質量流速升高。然而，此亦將增加冷凍劑之壓縮所需之電功率需求。提供控制電路來控制壓縮機之操作速度且限制所消耗之功率容許系統經設計具有額外冷凍劑。

總而言之，可藉由增加初始填充壓力、實際上過度填充冷凍系統及/或藉由提供與較低壓管線流體連通之一額外緩衝體積且藉此改變高壓及低壓體積之間的體積比來提供一額外量之冷凍劑。一系統之初始填充壓力通常經設定，使得當壓縮機全速操作時，其將不會消耗高於其指定功率消耗值之功率，且因此將不會過熱或當機。具有設定可由壓縮機消耗之最大功率之一控制系統容許冷凍劑之初始填充壓力增加，而不具有壓縮機過熱及當機之風險。然而，在一些情況中，壓縮機可無法在一高壓下有效地操作，且在此情況中，額外冷凍劑可以一額外緩衝體積之形式提供且藉此在不增加初始填充壓力之情況下存在額外冷凍劑。

應注意，額外填充壓力係當系統不操作時系統中之冷凍劑之壓力。可針對一特定冷凍系統指定此初始填充壓力。壓縮機之全速操作可為壓縮機在其中維持低溫且冷凍系統不處於節電模式之穩定冷卻操作階段中之最大操作速度或頻率。

在一些實施例中，該控制電路經進一步組態以控制該變速壓縮機以將該等較高壓及較低壓管線之壓力維持在預定限制值內。

壓縮機可在特定壓力限制內有效地操作，例如渦旋壓縮機可具有定義高壓及低壓限制值之一效能圖，在此等限制內之操作係可接受的。此等限制取決於幫浦之機械學(即，外殼強度)及渦旋單元之熱力學(熱平衡)限制。在一些實施例中，經組態以控制壓縮機之速度以便限制功率消耗之控制電路亦可用於控制速度以將壓縮機之操作維持在此等預定義壓力限制內。

在一些實施例中，該冷凍系統進一步包括至少一個壓力感測器以感測較高壓及較低壓管線之間的壓差。

該系統可包括一較高壓管線感測器及一較低壓管線感測器，或其可包括用於量測兩個壓力管線之間的壓差之一差壓感測器。來自此等壓力感測器之信號經發送至控制電路。

在一些實施例中，低溫冷凍系統進一步包括該較高壓管線上之一入口閥；且該控制電路經進一步組態以控制該入口閥以將該等較高壓及較低壓管線之壓力維持在預定限制值內。

在一些實施例中，控制電路經組態以將該較高壓管線與該較低壓管線之間的一壓差維持在預定限制值內。

在一些實施例中，控制電路可控制壓縮機之速度及入口閥之操作兩者，以便將較高壓及較低壓值保持在預定限制內。

為了在穩態操作期間控制操作，除了將功率維持在低於預定臨限值之外，控制電路亦可控制冷凍單元之一入口閥，以便維持較高壓及較低壓管線之間的一所要壓差，且確保一有效冷卻。

在一些實施例中，該控制電路經組態以回應於該變速壓縮機之功率消耗之一所偵測下降而增加該變速壓縮機之該操作頻率。

在冷卻期間，存在影響系統中之冷凍劑壓力之三個效應。存在歸因於壓縮機升溫至其操作溫度通常約60°C之一壓力增加。亦存在歸因於由冷凍機單元之一熱負載導致之低壓體積中之冷凍劑升溫之一壓力增加，此可使氦氣溫度從20°C增加至50°C。然而，亦存在由冷凍單元之冷端中之冷凍劑累積導致之系統中之一壓力降低。

此第三效應大於前兩個效應，且因此，隨著系統冷卻，系統內之冷凍劑壓力降低，且此在較低溫度下變得特別明顯。因此，壓縮機在冷卻期間通常將看到一壓力下降，且壓縮機之功率消耗亦將下降。在一些情況中，控制電路回應於偵測到此功率下降而增加壓縮機之操作頻率以將壓縮機之功率消耗維持在接近於臨限值，在一些情況中在臨限值之10%內。

在一些實施例中，穩態操作期間之該最大操作頻率在50 Hz與70 Hz之間，且冷卻期間之該初始操作頻率較低，在30 Hz與50 Hz之間。

初始操作頻率可實質上小於穩態操作頻率，在一些情況中，其可增加35 Hz，直至其達到最大操作頻率，在一些實施例中係60 Hz。此係變速壓縮機在穩定狀態下操作之一操作頻率。在一些實施例中，穩態操作可略低於最大操作頻率。

在一些實施例中，冷凍劑包括氦氣。

在一些實施例中，該冷凍單元經組態以冷卻至80K，較佳地至50K，更佳地至低於10K，更佳地至4K。

冷凍單元可為能夠冷卻至80K之一低溫冷凍單元，或在一些實施例中，其可為一特別低溫冷凍單元，在一些實施例中冷卻至低達4K。在冷凍單元在非常低溫度下操作之情況下，冷凍單元中之冷凍劑之累積及冷凍系統內之對應壓力降低之效應特別明顯。因此，實施例對於此冷凍系統特別有效。

在一些實施例中，該冷凍劑之一初始壓力比在冷卻期間不存在變速壓縮機之功率控制之情況下針對冷凍單元指定之壓力高5%，較佳地10%。

若在冷卻期間不存在壓縮機之功率控制，則通常將以一恆定速度驅動壓縮機，且將設定冷凍劑之速度/壓力，使得壓縮機在存在峰值功率消耗之冷卻期間不會過熱。若在冷卻期間存在功率控制，則冷凍劑壓力可隨著冷卻期間之功率消耗得到控制而增加，且不再為限制因素。

在一些實施例中，該冷凍系統進一步包括冷凍劑之該緩衝體積，該緩衝體積含有該冷凍系統內之冷凍劑總量之大於20%，較佳地大於50%，在一些情況中大於90%。

冷凍系統可具備額外冷凍劑，在一些情況中，額外20%體積或質量之冷凍劑，且在其他情況中，大於額外50%或90%之冷凍劑。冷凍系統可經組態以使用一定量之冷凍劑操作，使得當從啟動開始以變速壓縮機之最大操作速度操作時，未超過由壓縮機消耗之功率臨限值。此係用於一冷凍系統之冷凍劑之標準量，且提供壓縮機之功率控制之實施例可藉由增加初始填充壓力及/或以與較低壓管線相關聯之一緩衝體積供應冷凍劑來提供一額外量之冷凍劑，緩衝體積更改高壓及低壓體積之間的體積比。

一冷凍系統可經指定以在13巴至17巴之間的一初始填充壓力下使用冷凍劑操作。若其針對此範圍之較低端指定，則可藉由過度填充冷凍劑且增加系統中之填充壓力來增加壓力。此對於根據實施例之冷凍系統係可接受的，因為壓縮機電源經控制以維持在低於一臨限值。若系統在此範圍之較高端經供應有冷凍劑，則壓縮機可未經組態以在高於該指定壓力之壓力下操作，且在此一情況中，可使用低壓管線中之一緩衝體積來供應額外冷凍劑以更改高壓及低壓體積之間的體積比。在一些情況中，可存在增加冷凍劑之壓力及增加一緩衝體積之一組合。

在一些實施例中，該控制電路經進一步組態以在一節電模式下控制該變速壓縮機以將該變速壓縮機之一功率消耗維持在低於一預定減小臨限值。

控制電路亦可經組態以操作一節電模式，其中回應於判定在穩態操作期間冷凍系統上存在一減小負載，其針對壓縮機功率設定一減小臨限值。相同於用於冷卻之控制電路可接著在此減少負載、節電模式下控制功率消耗。

一第二態樣提供一種低溫幫浦，其包括根據第一態樣之一低溫冷凍系統。

一第三態樣提供一種操作一低溫冷凍系統之方法，該低溫冷凍系統包括：一冷凍機單元，其包括一膨脹單元；及一變速壓縮機，其經組態以壓縮一冷凍劑，使得將一較高壓冷凍劑供應至該冷凍機單元，且從該冷凍機單元接收一較低壓冷凍劑，該方法包括：在該冷凍單元之一初始冷卻期間以一初始較低頻率操作該壓縮機以將由該變速壓縮機消耗之一功率維持在低於一預定臨限值；及隨後將該壓縮機之一操作頻率增加至一全速操作。

在一些實施例中，該方法進一步包括藉由以下之至少一者向該冷凍系統提供一增加數量之冷凍劑之一初始步驟：增加該系統內之冷凍劑之一填充壓力，使得該變速壓縮機在冷卻期間以一最大操作頻率之操作將超過功率消耗之該預定臨限值；或提供與該較低壓管線流體連通之額外冷凍劑之一緩衝體積。

應注意，通常針對壓縮機之較低速度來改良系統之效率，因此使用冷凍劑過度填充冷凍系統容許其在冷卻期間以較低速度高效地操作。當冷凍劑之壓力歸因於冷凍劑在較低溫度下在冷凍單元或冷頭中之累積而下降時，可增加壓縮機之速度且可維持冷卻效率。

在隨附獨立及附屬技術方案中陳述進一步特定及較佳態樣。附屬技術方案之特徵可酌情與獨立技術方案之特徵組合，且可為除在發明申請專利範圍中明確陳述外之組合。

在一設備特徵被描述為可操作以提供一功能之情況下，應瞭解，此包含提供該功能或經調適或組態以提供該功能之一設備特徵。

在更詳細論述實施例之前，首先將提供一概述。

實施例提供一低溫冷卻裝置。實施例可用於低溫冷卻系統中，其等可用於一超導磁體/線圈。其等可用於低溫冷凝器系統及低溫幫浦系統中以用於氣體之再昇華、去昇華、凝固或沈積。

此等低溫裝置最初在一冷卻模式下操作，且接著在一穩態冷凍模式下操作。在冷凍單元冷卻時之冷卻程序期間，冷凍單元之冷卻器部分內部(諸如在一冷頭活塞系統內)之冷凍劑顯著累積。此將導致冷凍系統中之高壓及低壓之一降低。冷凍劑之此減少導致壓縮機之電功率消耗之一降低。因此，在未在冷卻溫度下之穩定狀態下進行調整之情況下，壓縮機將使用減少量之冷凍劑運行。

然而，若系統中之冷凍劑量增加以補償在穩定狀態下累積於冷凍劑單元中之冷凍劑量，則在壓縮機之初始冷卻期間存在變得過載之一危險。在冷卻期間存在一相對短時間段，其中系統內之壓力處於其等之最高，且在此時間段期間存在壓縮機之熱過載之一危險。

實施例解決此等競爭性問題，且尋求藉由使用控制壓縮機馬達之繞組電流及電功率之一控制模式來達成穩態操作中之一改良冷卻能力以及改良冷凍機冷卻程序。設定一臨限值功率值且控制馬達以一頻率轉動，使得所消耗之功率低於此臨限值功率。

此控制機構可支援初始冷卻以及在壓縮機之升溫期間之重新啟動或冷頭之冷卻失配或熱系統之重新啟動或非穩態條件下之重新啟動之情況中之系統啟動兩者。

擁有此控制機構容許額外冷凍劑添加至系統。此可藉由增加系統之填充壓力來完成。連接至壓縮機之冷凍單元或冷頭中之冷凍劑之壓力由初始填充來決定。在低溫系統之啟動期間(開啟冷頭冷凍劑閥驅動，其後接著開啟壓縮機)，冷頭通常在20至60分鐘內冷卻。此冷卻程序受到影響系統之冷凍劑壓力之三個因素之影響。 1)藉由將由渦旋體積及油預分離器體積組成之壓縮機體積加熱至操作溫度60°C導致之壓力增加 2)藉由加熱由冷頭之熱負載導致之冷凍劑低壓體積流量(冷凍劑溫度從20°C增加至50°C)導致之壓力增加 3)由冷頭之冷端中之冷凍劑累積導致之系統中之壓力降低。

效應3顯著大於效應1及2，從而導致整個系統中之一較低「等效」冷凍劑系統壓力，尤其是針對低溫應用。因此，高壓及低壓兩者皆降低，此限制冷頭效能，此外由於吸入壓力過低，壓縮機無法達成其完全冷凍劑質量流量潛能。

為了提高再循環冷凍劑質量流量且調節系統以增加差壓，可增加壓縮機之速度(例如，從50 Hz至70 Hz)。經確定壓縮機之速度愈高，效率愈低。此原因係藉由增加壓縮機速度導致之升高能量耗散，此將增加管道及壓縮機外殼中之氣體速度，從而導致氣體之壓力損失且導致低吸入壓力。因此，以一給定差壓為目標，使壓縮機以其最高可能速度運行可能並非最佳的。代替地，可能藉由增強填充壓力來增加冷凍劑之量可提供改良效能及一效率增加兩者。

針對習知系統，此過度填充係不可能的，此係因為壓縮機(其可為一渦旋幫浦)所需之較大馬達電流(用以泵送更緻密冷凍劑)導致繞組之一過熱(此可導致歸因於一馬達保護開關之當機)。

在實施例中，壓縮機之熱關閉問題已藉由壓縮機之一功率控制來解決，該功率控制可經調整至馬達繞組中之最大容許電流，此將不會導致過高繞組溫度。功率控制將影響壓縮機驅動(馬達)之頻率。此意謂一實質上恆定位準之電功率消耗將導致一壓縮機馬達速度低於壓縮機馬達最初之額定速度，但在一些實施例中此效應藉由增加冷凍劑填充壓力來補償。此特徵容許系統之一經定義冷凍劑壓力過度填充，而不具有熱關閉或過載之危險。憑藉此一功率控制，冷卻程序將以中等或低壓縮機速度開始，從而供應必要壓差以及冷卻頭之操作所需之冷凍劑流量。

另外及/或替代地，可藉由提供與低壓管線相關聯之冷凍劑之一緩衝體積來補償該效應。在此方面，填充壓力及質量流速不僅可受到已停止系統之實際填充壓力之影響，而且可以相同方式藉由產生一永久低壓體積過量而受到影響，此將一冷凍劑質量轉移至較小高壓體積，因此增加運行操作中之總系統壓力。此選項對於規避壓縮機組件之低壓強度限制可為必要的。

總而言之，若使用諸如氦氣之額外冷凍劑(藉由在最初填充系統時提供一較高氦氣壓力及/抑或藉由提供附接至低壓管線之氦氣之一緩衝體積，該兩者皆導致增加氦氣質量流量)，則在冷頭之效能中補償高(供應)及低(返回)壓力之間的一減小壓差。

圖1展示根據一實施例之一低溫系統。該低溫冷凍系統包括控制電路10，該控制電路10經組態以控制驅動一壓縮機30壓縮冷凍系統中之冷凍劑之一馬達20。控制電路10亦控制馬達70，該馬達70驅動一入口閥(未展示)控制將較高壓冷凍劑供應至冷凍單元或冷頭40。在此實施例中，存在與冷頭50之較冷部分相關聯之一溫度感測器60。

控制電路10包括一資料儲存器，該資料儲存器儲存用於設定供應至壓縮機之功率及/或電流之一最大值之一臨限值。

在此實施例中，冷凍單元40包括一吉福特-麥克馬洪冷凍機單元(此吉福特-麥克馬洪活塞系統在下文中被指定為「冷頭」)，且壓縮機30供應加壓氦氣作為低溫劑或冷凍劑。該系統係具有一封閉冷凍劑循環之一氣密系統。為了改良低溫系統之效能，提供控制系統10，且此容許量測及調節供應至壓縮機馬達20之可變頻率驅動輸出電流及/或電功率。

將壓縮機30之功率消耗維持在低於一臨限值容許冷凍系統經組態具有一較高冷凍劑初始填充壓力，此係因為此不再受到由在冷卻程序期間以最大速度運行之壓縮機消耗之功率之限制。

在此實施例中，壓縮機馬達20直接連接至將功率供應至壓縮機且由控制電路10控制之一可變頻率驅動(VFD) 25。此電流及/或電功率控制將影響VFD之輸出頻率及因此壓縮機馬達之旋轉速度。此控制電路10尋求在無熱關閉之危險之情況下將壓縮機轉速調整至接近於馬達20之繞組之最大容許電負載。

該系統如下操作： 啟動程序： 1)開啟冷頭40及壓縮機30 2)VFD 25使供應至壓縮機馬達20之功率之輸出頻率上升，直至達到繞組電流及/或功率之臨限值，以此方式，控制電路10限制VFD 25之輸出頻率。 3)在壓縮機-冷頭系統之加熱期間，藉由VFD 25之控制以受限頻率方式成功度過最關鍵負載情況，此將限制壓縮機30之轉速，且導致較低繞組電流及/或功率。 4)冷頭40之冷卻進展將導致愈來愈多之氦氣累積於冷頭40中。此將導致系統壓力降低。VFD 25將把受控上升提供至供應至馬達之電流及/或功率之輸出頻率。 5)達成穩態操作。電流及/或功率控制將通知VFD將VFD之最大可能頻率釋放至馬達20。此時，系統之控制可藉由步進馬達70傳遞至入口閥之控制，此可經控制以提供供應及返回壓力管線之間的一所要壓差。

出人意料地，偵測到無須以最高可能轉速來運行壓縮機，以便在穩定狀態下達成冷頭上之最大冷卻能力。實情係，可藉由使用一系統組態來量測穩態操作中之增加冷卻能力，其中VFD輸出頻率與電網頻率相比受到限制，同時維持全繞組電流/功率。在再循環氦氣之質量流量與系統中之供應及返回壓力之間的壓差之間找到一較佳操作點。在此方面，所消耗之功率取決於壓縮機之頻率/速度以及吸力及高壓。藉由組合基於系統中之壓力及壓縮機之速度之控制，可找到一較佳操作點。此之原因可為在較高壓縮機速度下之系統中之升高能量耗散，此將立即導致效能損失。因此，不期望壓縮機在系統中之一特定臨限值功率及一最大可能差壓所容許之最高可能速度下運行，且憑藉適當量測及控制，可找到具有一較低頻率之一較佳操作點。

在一些實施例中，此電流/功率控制系統10亦可用於在部分負載條件下限制處於穩定狀態之低溫系統之能量需求。在此情況中，可使用對應於較低繞組電流/電功率之一額外設定點或臨限值。以此方式，可使用相同控制電路來支援一節能模式。

圖2展示與習知冷凍系統相比之實施例之操作。左手側圖表展示一習知系統之操作，而右手側圖表展示根據一實施例之一冷凍系統之操作。

左上側圖表展示一習知系統中之壓力在開啟之前最初如何較低，且接著在開啟之後，高壓管線及低壓管線兩者皆具有隨著溫度下降及冷凍劑累積於系統之最冷部分中而逐漸降低之壓力。憑藉根據一實施例之系統，當系統被「過度填充」時，初始冷凍劑壓力較高。壓縮機速度在開啟時受到限制，因此高壓及低壓管線需要時間來達到一穩態值。一旦達到，此等壓力維持不變，且較高壓力高於習知系統中歸因於初始過度填充之較高壓力。

在第二組圖表中，壓縮機功率被展示為在啟動之後在一習知冷凍系統中隨著時間之推移而減小，此係因為系統中之壓力歸因於冷頭之最冷部分中之冷凍劑之積累而降低。右側圖表展示在冷卻期間供應至壓縮機之功率最初如何減少，且此對應於一較低壓縮機速度。一旦系統達到穩定狀態，功率逐漸增加至可維持之一最大功率。在兩項實施例中，壓縮機可安全應對之此最大功率為8.3 KW，然而，在一實施例中，藉由在冷卻期間控制壓縮機，可在穩定狀態下將此較高功率施加至壓縮機，而不會在冷卻期間使壓縮機過載。

第三對圖表展示壓縮機之操作頻率如何針對一習知冷凍系統及一實施例之冷凍系統而變化。一實施例之冷凍系統最初具有壓縮機之一降低操作頻率，一旦冷卻已結束，該操作頻率增加至全最大速度或接近於全最大速度。先前技術之壓縮機具有單一操作速度。

最後兩個圖表展示一實施例如何提供一改良冷頭功率，此係歸因於實施例可藉由過度填充系統或提供一額外體積而提供之冷凍劑之增加質量流速。

圖3展示一冷凍系統之一替代實施例，該冷凍系統具有連接至低壓管線62之一低壓緩衝體積80，該管線將冷凍劑從冷凍單元40返回至壓縮機30。存在用於感測低壓管線62之壓力之一壓力感測器65及用於感測高壓管線64之壓力之一額外壓力感測器67。在一些實施例中，可使用一差壓感測器來代替高壓及低壓感測器。

在操作期間，控制電路10藉由取決於一功率臨限值控制驅動壓縮機之馬達之旋轉頻率來控制壓縮機速度及用於將高壓冷凍劑從較高壓冷凍劑管線64供應至冷凍單元或冷頭40之入口閥之旋轉頻率兩者。

冷凍系統之操作開始於在冷凍機之壓力較高時以一初始較低頻率驅動壓縮機，操作頻率由藉由控制電路10控制之壓縮機馬達之臨限值功率限制來設定。當冷凍劑壓力歸因於冷凍劑在冷凍單元40之較冷部分中之累積而下降時，由壓縮機使用之功率亦下降，且控制電路偵測到此且增加頻率及轉速，此導致增加馬達繞組電流及功率消耗，使得功率消耗保持接近於臨限值位準，在一些實施例中在此值之2%內，在其他實施例中在5%內，且在仍其他實施例中在臨限值功率位準之10%內。以此方式，隨著冷凍劑之壓力下降，馬達之速度增加，同時由馬達消耗之功率維持在低於但接近於臨限值。一旦系統已達到穩定狀態，壓縮機以其最大頻率或接近於其最大頻率操作，冷凍系統可由控制冷頭40之入口閥之控制電路10來控制。控制入口閥控制冷凍系統之差壓，此再次影響冷凍系統之冷卻。在此方面，壓縮機可在特定高壓及低壓限制內有效地操作，針對一渦旋壓縮機，該等高壓及低壓限制可在一渦旋效能圖中定義，該渦旋效能圖針對壓縮機可在其內有效地操作之高壓及低壓管線設定限制值。在一些實施例中，控制單元10可用於控制壓縮機之操作速度以不僅確保不超過最大功率消耗，而且確保渦旋效能圖之高壓及低壓限制不被破壞。因此，控制單元10接收來自壓力感測器65及67之信號，且回應於此等信號之任一者指示高壓及/或低壓管線中之壓力移動朝向一限制值，控制單元可修改壓縮機之操作速度以使壓力遠離此等限制值。在一些實施例中，控制單元10可控制入口閥及壓縮機之速度之一者或兩者以將壓縮機之操作維持在所要壓力限制內。

在此實施例中，存在一低壓緩衝體積80，其容許將額外冷凍劑供應至系統，而不會將系統內之壓力增加至超出渦旋壓縮機30可有效操作之壓力。以此方式，此實施例調整高壓與低壓之間的體積比，且在不增加填充壓力之情況下增加系統中之冷凍劑量。此係增加冷凍劑之填充壓力之一替代選項(但其可與此選項結合使用)。

用於增加冷凍劑量之兩個選項(即，增加填充壓力及提供一額外緩衝體積)可用於調整冷凍單元之操作條件以增加冷卻能力及/或系統之效率。用於增加冷卻能力之技術限制係壓縮機之電功率消耗，其將導致壓縮機馬達之繞組中之高電流。當此等變得過高時，一熱保護開關(斷路器)將操作且關閉壓縮機馬達。為了系統之安全及穩定操作，應避免此情況。

圖4示意性地展示繪示根據一實施例之一方法中之步驟之一流程圖。

啟動發生在步驟S0，其可為初始啟動或在冷凍循環中之一中斷之後的啟動。在步驟S10，為壓縮機馬達供電以在一第一初始降低頻率下操作。可連續評估由馬達消耗之功率，且此在步驟D5及D15中展示，且若其低於臨限值P _t超過一定量ΔP，則在步驟S20增加馬達之旋轉頻率。若其高於臨限值P _t，則在步驟S30降低旋轉頻率。若其在所需範圍內，則不改變旋轉頻率。

在步驟S20將旋轉頻率可能增加至或接近於最大旋轉頻率之後，在步驟D25判定冷卻程序是否完成，且若完成，則開始穩態操作。

儘管本文中已參考隨附圖式詳細揭示本發明之闡釋性實施例，然應理解，本發明不限於所揭示精確實施例，且在不脫離如由隨附發明申請專利範圍及其等之等效物定義之本發明之範疇的情況下可藉由熟習此項技術者在其中實現各種改變及修改。

10:控制電路 20:壓縮機馬達 25:可變頻率驅動(VFD) 30:壓縮機 40:冷凍單元/冷頭 50:冷頭之低溫點 62:較低壓管線 64:較高壓管線 65:壓力感測器 67:壓力感測器 70:馬達 80:低壓緩衝體積

現將參考隨附圖式進一步描述本發明之實施例，其中：

圖1展示根據一第一實施例之一低溫冷凍系統；

圖2展示一習知低溫冷凍系統與根據一實施例之一低溫冷凍系統之間的差異；

圖3展示根據一進一步實施例之一低溫冷凍系統；及

圖4示意性地展示繪示根據一實施例之一方法中之步驟之一流程圖。

10:控制電路

20:壓縮機馬達

25:可變頻率驅動(VFD)

30:壓縮機

40:冷凍單元/冷頭

50:冷頭之低溫點

70:馬達

Claims (14)

1. 一種低溫冷凍系統，其包括： 一冷凍機單元，其包括一膨脹單元； 一變速壓縮機，其經組態以壓縮冷凍劑，該變速壓縮機經組態以經由一較低壓管線從該冷凍機單元接收冷凍劑，且經由一較高壓管線將經壓縮冷凍劑供應至該冷凍機單元；及 控制電路，其經組態以藉由在冷卻期間控制該壓縮機最初以一降低頻率操作且隨後增加該變速壓縮機之一操作頻率，使得該變速壓縮機以一較高頻率操作來控制該變速壓縮機以將該變速壓縮機之一功率消耗維持在低於一預定臨限值。
2. 如請求項1之低溫冷凍系統，其中 藉由以下之至少一者向該低溫冷凍系統提供額外冷凍劑： 增加一初始填充壓力，使得該變速壓縮機在該冷凍機單元之冷卻期間之全速操作將導致該變速壓縮機消耗高於該預定臨限值之功率；或 藉由提供與該較低壓管線流體連通之冷凍劑之一緩衝體積。
3. 如請求項1或2之低溫冷凍系統，其中 該控制電路經進一步組態以控制該變速壓縮機以將該等較高壓及較較低壓管線之該壓力維持在預定限制值內。
4. 如前述請求項中任一項之低溫冷凍系統，其中該控制電路經組態以回應於該變速壓縮機之功率消耗之一所偵測下降而增加該變速壓縮機之該操作頻率。
5. 如前述請求項中任一項之低溫冷凍系統，其中該壓縮機之該初始降低操作頻率小於該冷凍單元之一穩態操作期間之一最大操作頻率之70%，較佳地小於60%。
6. 如前述請求項中任一項之低溫冷凍系統，其中穩態操作期間之該最大操作頻率在50 Hz與70 Hz之間，且冷卻期間之該初始操作頻率較低，較佳地在30 Hz與50Hz之間。
7. 如前述請求項中任一項之低溫冷凍系統，其中該冷凍劑包括氦氣。
8. 如前述請求項中任一項之低溫冷凍系統，其中該冷凍單元經組態以冷卻至低於80K，較佳地至低於50K，更佳地至低於10K，更佳地至4K。
9. 如請求項2或如當依附於請求項2時之請求項3至8中任一項之低溫冷凍系統，其中該冷凍劑之一初始壓力比在冷卻期間不存在該變速壓縮機之功率控制之情況下針對該冷凍單元指定之壓力高5%，較佳地10%。
10. 如請求項2或如當依附於請求項2時之請求項3至8中任一項之低溫冷凍系統，該冷凍系統進一步包括冷凍劑之該緩衝體積，該緩衝體積含有該冷凍系統內之冷凍劑總量之大於20%，較佳地大於50%，在一些情況中大於90%。
11. 如前述請求項中任一項之低溫冷凍系統，其中該控制電路經進一步組態以在一節電模式下控制該變速壓縮機以將該變速壓縮機之一功率消耗維持在低於一預定減小臨限值。
12. 一種低溫幫浦，其包括如前述請求項中任一項之低溫冷凍系統。
13. 一種操作一低溫冷凍系統之方法，該低溫冷凍系統包括：一冷凍機單元，其包括一膨脹單元；及一變速壓縮機，其經組態以壓縮一冷凍劑，使得將一較高壓冷凍劑供應至該冷凍機單元，且從該冷凍機單元接收一較低壓冷凍劑，該方法包括： 在該冷凍單元之一初始冷卻期間以一初始較低頻率操作該壓縮機以將由該變速壓縮機消耗之一功率維持在低於一預定臨限值；及 隨後將該壓縮機之一操作頻率增加至一全速操作。
14. 如請求項13之方法，該方法包括藉由以下之至少一者向該冷凍系統提供一增加數量之冷凍劑之一初始步驟： 增加該系統內之冷凍劑之一填充壓力，使得該變速壓縮機在冷卻期間以一最大操作頻率之操作將超過功率消耗之該預定臨限值；或 提供與該較低壓管線流體連通之額外冷凍劑之一緩衝體積。

Images