用于控制低溫冷卻系統(tǒng)的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于控制低溫冷卻系統(tǒng)的裝置。該裝置設置有經(jīng)由連接元件(4)與壓縮機(1)和機械制冷機(2)連接的供氣管路(3A)和回氣管路(3B)。連接元件(4)與供氣管路(3A)和回氣管路(3B)氣體連通并且將氣體供給至機械制冷機(2)。連接元件以循環(huán)方式調(diào)節(jié)所供給的氣體的壓力。壓力感測裝置(6)監(jiān)測供氣管路和回氣管路中的至少一者的壓力?？刂葡到y(tǒng)(5)用于根據(jù)由壓力感測裝置監(jiān)測到的壓力來調(diào)節(jié)由連接元件供給的循環(huán)氣體壓力的頻率。本發(fā)明還公開了一種控制低溫冷卻系統(tǒng)的相關方法。
【專利說明】用于控制低溫冷卻系統(tǒng)的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于控制低溫冷卻系統(tǒng)的裝置和方法，特別是使用某些類型的氣體壓縮機驅動機械制冷機的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]當今例如超導性和超流性等低溫特性在一系列不同的應用(包括磁共振成像(MRI)、超導磁體、傳感器和基礎研究)中被廣泛地使用。過去為了達到此類應用所需的低溫，使用例如氮或氦等低溫液體的蒸發(fā)作為冷卻機制。低溫液體相關的缺點在于:由于它們?nèi)菀自诶纭霸弧币夯骰騼Υ嫒萜鲀?nèi)泄露，因此它們往往是“消耗品”。此外，用于儲存或以其他方式處理低溫液體的這種裝置往往比較笨重并且需要特殊的搬運過程。
[0003]近來，閉循環(huán)制冷機(CCR)被用于替代低溫液體，以提供可選的制冷機制。與低溫液體的蒸發(fā)相反，閉循環(huán)制冷機不依賴于冷卻劑內(nèi)的相變。事實上，閉循環(huán)制冷機根據(jù)使用與工作氣體冷卻劑的收縮和膨脹相關聯(lián)的冷卻的原理進行工作。在本文中，術語“機械制冷機”用于描述這種裝置，但本領域的普通技術人員將會認識到，術語“低溫冷卻機”與該術語是同義的。
[0004]機械制冷機使用例如氦氣等工作氣體以相對適中的冷卻能力提供2K至3K(開爾文)的冷卻。由于機械制冷機是封閉的系統(tǒng)，使得它們具有很少的活動部件并且對于工作氣體而言幾乎沒有損失，因此機械制冷機特別有利。出于這些原因，機械制冷機在技術上和商業(yè)上都具有非常大的吸引力，因此存在持續(xù)提高此類機械制冷機的性能的需求。
[0005]盡管迄今為止已經(jīng)在與機械制冷機相關的技術上取得了進步，但此類機械制冷機的熱力性能系數(shù)(COP)和相關的冷卻效率仍然不是特別理想。作為實例，為了在4K的液氦溫度下提供約I瓦的冷卻能力，需要幾千瓦的輸入電功率。存在例如對超導磁體的冷卻或對較高熱質(zhì)量的冷卻等許多應用，在這些應用中，從室溫冷卻到低溫區(qū)域所需的冷卻時間是重要的參數(shù)。應認識到，優(yōu)選的是盡量縮短這種冷卻時間的周期。正是在這樣的背景下，本發(fā)明獲得了應用并且提供了新的優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于控制低溫冷卻系統(tǒng)的裝置，該裝置包括:供氣管路和回氣管路，它們適于在使用時與壓縮機連接；壓力感測裝置，其適于監(jiān)測所述供氣管路和所述回氣管路中的至少一者的壓力；連接元件，其與所述供氣管路和所述回氣管路氣體連通，所述連接元件適于在使用時將氣體供給至機械制冷機，所述連接元件以循環(huán)方式調(diào)節(jié)所供給的氣體的壓力；以及控制系統(tǒng)，其適于根據(jù)由所述壓力感測裝置監(jiān)測到的壓力來調(diào)節(jié)由所述連接元件供給的循環(huán)氣體壓力的頻率。
[0007]本申請的發(fā)明人認識到，通過精心控制用于操作機械制冷機的循環(huán)氣體壓力的頻率，能夠提高機械制冷機的冷卻效率。本申請的發(fā)明人還認識到，當供氣管路和回氣管路與工作的壓縮機連接時，供氣管路和回氣管路中的一者或兩者中的壓力可以用于提供關于機械制冷機(其發(fā)生改變，因為該制冷機經(jīng)歷了冷卻循環(huán))的工作狀態(tài)的反饋。在知曉了機械制冷機的壓力響應如何提供關于冷卻循環(huán)的階段信息(例如，機械制冷機的特定階段內(nèi)達到的溫度)的情況下，關于壓力的信息可以用于調(diào)節(jié)施加循環(huán)氣體壓力的頻率。由于最佳頻率隨著機械制冷機的冷卻而變化，因此能夠在冷卻循環(huán)期間將頻率調(diào)節(jié)為接近或獲得最佳頻率(作為溫度的函數(shù))。
[0008]使用氣體管路中的一者內(nèi)的監(jiān)測壓力提供關于冷卻循環(huán)的信息特別有利，因為這樣無需直接感測機械制冷機的冷卻部分內(nèi)的環(huán)境。
[0009]本發(fā)明并不受用于將機械制冷機與壓縮機連接的特定連接元件的限制。這種連接元件通?？梢园ㄒ粋€或多個閥。盡管在本發(fā)明中回轉閥特別有利，但也可以使用各種類型的閥。連接元件通常由例如步進電動機、三相異步電動機或直線直流電動機(其由可變直流電源驅動)驅動。這種電動機驅動器的轉速通常由控制系統(tǒng)控制。
[0010]壓力感測裝置可以包括用于監(jiān)測供氣管路或回氣管路中的至少一者的壓力的壓力傳感器(例如壓力換能器)。通過在這些管路中的一個中使用單個傳感器可以很容易地實現(xiàn)本發(fā)明，然而也可以設想在一個或兩個管路中使用一個或多個傳感器。為了對氣體供給頻率提供足夠的控制，優(yōu)選的是:在壓力感測裝置中將所述應用所需的最小裝置設置為提供關于機械制冷機的狀態(tài)的足夠信息。
[0011]除關于壓力的信息之外，裝置還可以包括用于監(jiān)測機械制冷機的冷卻區(qū)域內(nèi)的溫度的溫度感測裝置。在這種情況下，控制系統(tǒng)適于根據(jù)由除壓力感測裝置之外的溫度感測裝置監(jiān)測到的溫度來控制氣體壓力的頻率。
[0012]雖然本發(fā)明主要涉及用于控制低溫冷卻系統(tǒng)的裝置，但應認識到，本發(fā)明還可以包括一種低溫冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括該裝置以及壓縮機和機械制冷機中的一者或兩者，其中，該壓縮機與供氣管路和回氣管路氣體連通。
[0013]根據(jù)應用可以使用眾多不同類型的壓縮機，這些壓縮機包括渦旋式壓縮機、回轉螺桿式壓縮機、回轉葉片式壓縮機、回轉潤滑式壓縮機和膜式壓縮機。這些壓縮機中的每一種均共享用于壓縮機氣體的供給管路和回氣管路的共同特征。對于本發(fā)明的使用而言，供給管路可以被視為相對高壓管路，而回氣管路可以被視為相對低壓管路。
[0014]本發(fā)明可以使用眾多不同類型的機械制冷機，這些機械制冷機包括脈沖管制冷機、吉福德-麥克馬洪制冷機和斯特林制冷機。為了使這些機械制冷機能夠被壓縮機驅動，這些機械制冷機中的每一個均使用供氣管路和回氣管路。本申請的發(fā)明人注意到，用于控制低溫冷卻系統(tǒng)的裝置可以與同裝置一起使用的壓縮機或機械制冷機中的每一者分開。然而，有益的是包括這種裝置作為機械制冷機或(有可能是)壓縮機的組成部分。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種控制低溫冷卻系統(tǒng)的方法，其中，該系統(tǒng)包括用于與壓縮機連接的供氣管路和回氣管路以及與供氣管路和回氣管路氣體連通并且適于在使用時將氣體供給至機械制冷機的連接元件，該連接元件以循環(huán)方式調(diào)節(jié)所供給的氣體的壓力，該方法包括監(jiān)測供氣管路和回氣管路中的至少一者的壓力以及根據(jù)所監(jiān)測的壓力來調(diào)節(jié)由連接元件供給的循環(huán)氣體壓力的頻率。
[0016]因此，該方法通?？梢杂蛇m當?shù)目刂葡到y(tǒng)的操作來實現(xiàn)。該方法通常被根據(jù)本發(fā)明的第一方面的裝置使用。應理解的是，可以使用適當?shù)目刂破魈峁┛刂葡到y(tǒng)的功能，并且功能可以包括硬件和軟件的適當組合，以使控制系統(tǒng)能夠被校準、編程和操作。通常，循環(huán)氣體壓力的調(diào)節(jié)的頻率被設定為按照預定關系。這種關系可以包括例如線性函數(shù)或多項式函數(shù)等函數(shù)。還可以根據(jù)所提供的壓力和頻率之間的分段關系提供頻率。還可以通過使用查找表而非直接計算來實現(xiàn)。
[0017]一般來說，連接元件能夠以回轉方式運動，并且在這種情況下，通過使連接元件以相應轉速運動來實現(xiàn)所述頻率。在實踐中，在連接元件由電動機驅動的情況下，可以通過所需電動機電流或電動機轉速來實現(xiàn)提供所需頻率。
[0018]優(yōu)選地，根據(jù)預定關系來調(diào)節(jié)頻率。這種關系可以以數(shù)據(jù)(例如表示查找表)體現(xiàn)或者通過使用數(shù)學關系體現(xiàn)。在每種情況下，可以通過循環(huán)分階段過程實現(xiàn)方法實施過程中的關系應用，例如這種關系應用體現(xiàn)在由適當軟件執(zhí)行的算法中。可以采樣和處理壓力數(shù)據(jù)，以便算法的每次循環(huán)都可以對相應頻率進行評估，這樣允許立即、“實時”地響應壓力的變化。
[0019]優(yōu)選的是，調(diào)節(jié)頻率以便將所監(jiān)測的壓力保持在預定壓力范圍內(nèi)。在機械制冷機的工作期間，這種范圍可以變窄為預期壓力變化的一小部分。在實踐中，這種范圍可以趨向于單個壓力值。范圍的大小可能取決于裝置的許多參數(shù)，這些參數(shù)包括隨機械制冷機的冷卻在壓力方面可以實現(xiàn)的控制程度。通常根據(jù)裝置的最大工作壓力設定預定壓力范圍。例如，機械制冷機或壓縮機可以確定這種最大壓力?？梢詫㈩A定壓力范圍設定為接近于安全參數(shù)內(nèi)實用的最大壓力。
[0020]通常還控制工作頻率范圍以便給預定關系提供邊界條件。例如，如果根據(jù)預定關系頻率低于最小閾值頻率，則將頻率設定為最小閾值頻率。在實踐中，這通常發(fā)生在如下情況下:當機械制冷機高于基準溫度時，發(fā)現(xiàn)根據(jù)預定關系可以實現(xiàn)用于在基準溫度操作機械制冷機的最佳頻率。作為實例，即使基準溫度是約4K，也可以在約60K的溫度實現(xiàn)最小閾
值頻率。
[0021]類似地，如果根據(jù)預定關系頻率高于最大閾值頻率，則將頻率設定為最大閾值頻率。
[0022]優(yōu)選地，方法中所使用的工作頻率在1Ηζ-5Ηζ的范圍內(nèi)。通常，工作壓力在lMPa-40MPa的范圍內(nèi)。
[0023]盡管氣體冷卻劑優(yōu)選為氦氣，但本發(fā)明并不限于任何特定類型的氣體冷卻劑。對于通過機械制冷機獲得大約2K-4K的極低溫的低溫應用而言，氦氣是優(yōu)選的冷卻劑。
[0024]雖然該方法的主要效用是在機械制冷機的冷卻循環(huán)期間，但還應認識到，通常可以在從基準溫度開始加熱工作的機械制冷機的同時應用該方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]現(xiàn)在，參考附圖對根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)和方法的實例進行描述，其中:
[0026]圖1示出常規(guī)的低溫冷卻系統(tǒng)；
[0027]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的示例性低溫冷卻系統(tǒng)；以及
[0028]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實例的流程圖。
【具體實施方式】
[0029]為了實現(xiàn)對本發(fā)明的充分理解，我們首先參照圖1對已知的閉循環(huán)制冷機(CCR)系統(tǒng)進行描述。
[0030]系統(tǒng)100包括渦旋式壓縮機I和脈沖管制冷機(PTR) 2。兩個氣體管路3A和3B將渦旋式壓縮機I與脈沖管制冷機2連接。氣體管路3A和3B實質(zhì)上是能夠承受高壓的氣體管路。氣體管路3A是使用時包含高壓的氣體冷卻劑的供給管路。管路3B是呈低壓管路形式的回氣管路。呈回轉閥4形式的連接元件示出為脈沖管制冷機2的組成部分?；剞D閥4由電動機控制器5驅動，并且電動機的工作轉速固定以確?；剞D閥具有由F_iM給定的恒定回轉頻率。當脈沖管制冷機處于“冷”態(tài)或穩(wěn)態(tài)工作溫度時，將該頻率設計為脈沖管制冷機使用的最佳頻率。
[0031]可選地，可以將壓力傳感器6設置在壓縮機內(nèi)，以便檢測高壓管路3A內(nèi)的異常壓力。渦旋式壓縮機I還設置有旁路系統(tǒng)7，當檢測到高壓管路內(nèi)的壓力的臨界值時旁路系統(tǒng)7受驅使而工作。在已知系統(tǒng)中，總是在冷卻降溫過程開始時達到高壓管路3A內(nèi)的臨界壓力，并且在冷卻降溫過程中保持較長的時間。根據(jù)機械制冷機的類型，該時間可以是達到低溫區(qū)域所需的完全冷卻時間的至少三分之一直到二分之一。
[0032]雖然存在壓力的臨界值，但旁路系統(tǒng)7可以保持打開并且允許氣體冷卻劑在高壓供給管路和低壓回氣管路之間通過。在這種情況下，氣體冷卻劑是氦氣，并且旁路系統(tǒng)7的操作確保沒有氦氣散失到外界大氣中。由于氦氣是一種昂貴的氣體，因此上述這點比較重要。
[0033]上述實例給出了現(xiàn)有技術的標準閉循環(huán)制冷機系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，機械制冷機(低溫冷卻機)由壓縮機驅動。機械制冷機可以采取各種形式，這些形式包括GM(吉福德-麥克馬洪)冷卻機、斯特林冷卻機、脈沖管制冷機、冷頭和低溫泵。在這些類型的每個CCR中，回轉閥或其他連接元件調(diào)節(jié)在壓縮機和機械制冷機之間傳送的氣體冷卻劑的質(zhì)量流量。為了最大限度地利用低溫時的冷卻能力，機械制冷機設計為:當處于穩(wěn)態(tài)或冷態(tài)時，脈沖管制冷機(或等同物)的氦氣質(zhì)量流量與壓縮機的最佳工作點匹配。因此，在每個機械制冷機中，存在用于回轉閥或其他類型的連接元件的最佳頻率值Ftjptimum，以使冷卻能力最大化。
[0034]然而，應注意的是，氦氣和其他氣體的重要物理特性在于氣體的密度隨著溫度的下降而增大。在具有機械制冷機的低溫系統(tǒng)中，室溫和工作溫度之間的溫度差是約290K，這是非常大的溫度差。在約2K-4K的工作溫度下，氦氣氣體冷卻劑的密度顯著高于室溫下的密度。當工作壓力為幾巴時，4K溫度下的氦氣的密度值比氦氣在室溫(300K)下的等效密度高100倍。
[0035]在上述常規(guī)閉循環(huán)制冷機系統(tǒng)中，在冷卻降溫過程開始時，由壓縮機輸送的氣體冷卻劑的質(zhì)量流量不能經(jīng)由回轉閥完全傳送到脈沖管制冷機。這是因為壓縮機的工作頻率太低(幾赫茲)。結果，壓力集聚在壓縮機的高壓側。根據(jù)系統(tǒng)的初始充氣壓力值，這時的壓力可能會超過臨界極限值。通常會設置安全閥，安全閥在這種壓力的臨界值下工作并且被定位在高壓管路中。已知的是，將過剩壓力排放到外界大氣中，或者如圖1所示將安全閥設置為旁路形式以使旁路有效地將氦氣排放到壓縮機的低壓側。
[0036]來自壓縮機的電動機8的動力提供高壓供給管路3A和低壓回氣管路3B中的氣體冷卻劑的壓力。因此，旁路可以采取過壓閥的形式，并且與將氦氣排放到大氣中的閥相比過壓閥是優(yōu)選的，這是因為如果壓力達到臨界值，氦氣不會從系統(tǒng)中散失。盡管如此，在最初的冷卻降溫期間，總是在冷卻降溫過程開始時達到臨界值。
[0037]之后，隨著低溫穩(wěn)態(tài)區(qū)域的臨近，壓力降低并且旁路關閉。當?shù)蛪哼_到穩(wěn)態(tài)下的工作壓力，回轉閥的頻率和由頻率控制的壓力(具有Ftjptimum的頻率)獲得最佳的工作溫度。
[0038]現(xiàn)在，參考圖2對根據(jù)本發(fā)明的閉循環(huán)制冷機系統(tǒng)的實例進行描述。在圖2中，具有與圖1所示裝置相似特征的裝置以類似的帶撇號的附圖標記表示。
[0039]在圖2中，根據(jù)本發(fā)明的閉循環(huán)制冷機(CCR)系統(tǒng)示出為系統(tǒng)200。渦旋式壓縮機I’經(jīng)由高壓管路(3A’ )和低壓管路(3B’ )與脈沖管制冷機2’連接。呈回轉閥4’形式的連接元件同樣控制脈沖管制冷機2’。在這個實例中，回轉閥4’能夠以可變頻率F進行工作。在這種情況下，改型的電動機控制器5’接收來自壓力換能器6’的信號。該換能器是提供監(jiān)測信號的壓力傳感器，該監(jiān)測信號與由換能器感測到的壓力大小相關。該信號被提供至電動機控制器5’。電動機控制器5’包括處理器和相關的可編程存儲器。處理器對來自壓力換能器6’的信號進行采樣，并且使用適當?shù)乃惴ɑ虿檎冶韺⑿盘栟D換為輸出到回轉閥4’的適當控制信號。這在圖2中通過將壓力換能器6’與電動機控制器5’連接的線條和將電動機控制器5’與回轉閥4’連接的線條示出。因此，電動機控制器5’提供用于操作閉循環(huán)制冷機200的控制機制。應認識到，圖2所示的部件為示意性示出的部件，然而還可以存在例如安全閥、油分離器、過濾器、熱交換器、傳感器等未具體示出的其他常用部件。[0040]因此，在呈脈沖管制冷機2’形式的機械制冷機的穩(wěn)態(tài)低溫工作期間，圖2所示的示例性裝置具有與圖1所示裝置相同的優(yōu)點。然而，在冷卻降溫過程中，圖2所示示例性裝置還能夠實現(xiàn)更高的效率。這是通過改變回轉閥機構的頻率以便動態(tài)地適應在脈沖管制冷機2’和壓縮機I’之間交換的氦氣質(zhì)量流量來實現(xiàn)的。在例如接近室溫等高溫下，回轉閥4’在相應的頻率區(qū)域F內(nèi)進行工作，頻率區(qū)域F顯著高于與穩(wěn)態(tài)低溫下的脈沖管制冷機2’相關的最佳設計頻率Ftjptimu^由于存在高頻區(qū)域F，因此與現(xiàn)有技術的系統(tǒng)相比，降低了壓縮機的高壓側內(nèi)的壓力，因而機械制冷機能夠在初始高溫下以不損失效率的方式進行工作。之后，當脈沖管制冷機冷卻時，可以減小頻率區(qū)域，以便在達到穩(wěn)態(tài)溫度時接近然后獲
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[0041]因此，與例如圖1中的系統(tǒng)100等已知系統(tǒng)的整體效率相比，顯著提高了閉循環(huán)制冷機200的整體效率。在該具體實例中，根據(jù)由電動機控制器5’調(diào)節(jié)的自動反饋機制，按照來自壓力換能器的信號來對頻率F進行電子控制。應注意的是，沒有使用壓力傳感器，或者在該具體實例中，沒有使用多于一個的壓力換能器6’。關鍵參數(shù)是系統(tǒng)所允許的最大壓力，因為最大壓力通常是壓縮機的設計限制并且最大壓力會決定機械制冷機的可能的冷卻效率。
[0042]因此，使脈沖管制冷機2’的效率最大化。應認識到，通過計算或者通過實驗測量可以得到用于優(yōu)化頻率F以及所經(jīng)歷的壓力的函數(shù)的算法。在推導出這個算法(或等同物)時需要考慮的另一個變量是考慮確保減少整體振動。
[0043]示例性裝置的實際好處在于:閉循環(huán)制冷機系統(tǒng)200能夠比圖1所示的等效閉循環(huán)制冷機100更迅速地達到低溫區(qū)域。還顯著增強了高溫時可用的冷卻能力，從而可以觀察到系統(tǒng)的關鍵參數(shù)整體上提高了至少35%。
[0044]現(xiàn)在參考圖3，圖3對圖2所示系統(tǒng)的操作進行了更詳細的描述。在步驟300中，啟動壓縮機I’并且啟動壓縮機的電動機8，。在步驟301中，電動機控制器5’使回轉閥4’以所述脈沖管制冷機2’的最大轉速(“SL”)轉動。在圖3中該值被表示為“Qmax”。在步驟302中，對來自壓力換能器6’的信號進行采樣并且通過表示為“例程I”的算法取平均值，以幾毫秒的采樣率來進行采樣。在步驟303中，通過將若干計數(shù)值的平均壓力信號轉換成壓力讀數(shù)來求出第一壓力讀數(shù)(標示為“Pactual”)。在步驟304中,將Pactual與預定的設定點值(標示為“SPMax”)進行比較。如果壓力Pactual大于SPmax (其通?？赡転?10psi或2.83MPa)，則在步驟305中壓縮機自動停止并且顯示故障代碼。當高壓管路未與回轉閥4’連接或堵塞時，這種故障通常會發(fā)生。
[0045]然而，如果壓力低于410psi(2.83MPa)的設定點壓力，則在步驟306中使用第二算法(“例程2”)，在第二算法中，電動機控制器5’開始以預定采樣率獲取監(jiān)測的壓力讀數(shù)。例程2轉換來自壓力換能器6’的壓力值的滾動平均數(shù)并且將該求出的值賦予Pactual。
[0046]在步驟307中，將Pactual與設定點壓力SPl進行比較。SPl是略微低于壓縮機設計所允許的最大壓力(SPmax)的壓力(SPl例如是400ps1、2.76MPa)。在可能的情況下，優(yōu)選的是:以可以被視為SPl的最高安全壓力操作脈沖管制冷機，從而實現(xiàn)脈沖管制冷機2’的最大冷卻能力。隨著脈沖管制冷機2’的冷卻，保持接近于SPl的高壓所需的回轉閥4’的轉速逐漸降低。出于這個原因，需要使回轉閥4’逐漸減慢。這通過監(jiān)測壓力Pactual來實現(xiàn)。
[0047]如果平均壓力Pactual小于設定點壓力(SPl)，則需要進行步驟308，即優(yōu)選地降低回轉閥4’的轉速。在步驟308中，計算評估轉速Εν。轉速Ev被計算為使當前轉速(SL)改變了量“f” (其表示轉速的遞減變化)。在步驟309中，將該評估轉速與轉速Q(mào)min進行比較。Qmin是脈沖管制冷機2’在“冷態(tài)”下的最佳轉速(即在基準溫度下所使用的轉速)。如果評估轉速Ev不小于Qmin，則在步驟310中，將降低的轉速指定為新轉速SL。轉速降低后，算法返回到步驟303并且重復步驟303。
[0048]如果在步驟308中計算出的評估轉速Ev小于Qmin，則在步驟311中將轉速SL設定為Qmin并且算法返回到步驟303。
[0049]步驟307中的另一種選擇是:壓力Pactual不小于SPl。在這種情況下，優(yōu)選的是增大回轉閥4’的轉速。然后，在步驟312中進行與在步驟308中進行的計算相似的計算，即計算評估轉速Εν。然后在步驟313中，將該評估轉速與轉速Q(mào)max進行比較。Qmax是回轉閥4’的最大工作轉速,而Qmax又由脈沖管制冷機2’的最大工作轉速設定。
[0050]在步驟314中，如果評估轉速Ev不大于Qmax,則將轉速(SL)增大至Εν。然后算法返回到步驟303。
[0051]如果評估轉速Ev大于Qmax,則在步驟315中將轉速SL設定為Qmax并且算法同樣返回到步驟303。
[0052]在脈沖管制冷機2’的整個工作中特別是在冷卻循環(huán)期間重復該過程。
[0053]該過程的全局效果在于:通過將轉速一直降低到Qmin來將實際壓力Pactual保持為接近于SP1。在脈沖管制冷機2’達到基準溫度之前達到Qmin是系統(tǒng)的工作性質(zhì)。當實際達到Qmin時,在實踐中Pactual因進一步冷卻而降低,但轉速SL在Qmin值處保持不變。
[0054]雖然本實例的重點在于例如脈沖管制冷機2’等閉循環(huán)制冷機的冷卻循環(huán)，但還應注意的是，上述過程同樣可以在從基準溫度開始升溫的過程中實施。
[0055]存在許多不同的實踐手段，通過該手段可以實現(xiàn)決定圖3的過程的算法。在圖3中，可以通過等式f = C(Pactual-SPl) (c是常量)計算“f”值。這確保在每個過程循環(huán)期間可以實現(xiàn)的轉速的變化幅度與實際壓力(Pactual)和所需壓力(SPl)之間的差值成正比。
[0056]應認識到，可以借助于查找表容易地實現(xiàn)圖3的示例性實例。當然可以設想出有效地具有溫度-壓力區(qū)域的連續(xù)性的更高級系統(tǒng)，并且借助于查找表中相應數(shù)量的表格條目或者借助于根據(jù)例如線性逼近或多項式逼近的計算來實現(xiàn)該系統(tǒng)。這可能包括用于優(yōu)化系統(tǒng)的性能(例如減少振動)的額外考慮因素的使用。
【權利要求】
1.一種用于控制低溫冷卻系統(tǒng)的裝置，包括: 供氣管路和回氣管路，它們適于在使用時與壓縮機連接； 壓力感測裝置，其適于監(jiān)測所述供氣管路和所述回氣管路中的至少一者的壓力； 連接元件，其與所述供氣管路和所述回氣管路氣體連通，所述連接元件適于在使用時將氣體供給至機械制冷機，并且所述連接元件以循環(huán)方式調(diào)節(jié)所供給的氣體的壓力；以及 控制系統(tǒng)，其適于根據(jù)由所述壓力感測裝置監(jiān)測到的壓力來調(diào)節(jié)由所述連接元件供給的循環(huán)氣體壓力的頻率。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述連接元件包括回轉閥。
3.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述壓力感測裝置還包括用于監(jiān)測所述供氣管路和所述回氣管路中的至少一者的壓力的壓力傳感器。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述裝置還包括用于監(jiān)測所述機械制冷機的冷卻區(qū)域內(nèi)的溫度的溫度感測裝置，并且所述控制系統(tǒng)適于根據(jù)由所述溫度感測裝置監(jiān)測到的溫度來控制所述循環(huán)氣體壓力的頻率。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述連接元件由電動機驅動，并且所述控制系統(tǒng)適于控制所述電動機的轉速。
6.—種低溫冷卻系統(tǒng),包括: 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置；以及 壓縮機和機械制冷機中的一者或兩者，其中，所述壓縮機與所述供氣管路和所述回氣管路氣體連通。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述壓縮機選自由下述壓縮機組成的群組:渦旋式壓縮機、回轉螺桿式壓縮機、回轉葉片式壓縮機、回轉潤滑式壓縮機和膜式壓縮機。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的系統(tǒng)，其中，所述機械制冷機選自由下述制冷機組成的群組:脈沖管制冷機、吉福德-麥克馬洪制冷機和斯特林制冷機。
9.一種控制低溫冷卻系統(tǒng)的方法，其中，所述系統(tǒng)包括用于與壓縮機連接的供氣管路和回氣管路以及連接元件，所述連接元件與所述供氣管路和所述回氣管路氣體連通并且適于在使用時將氣體供給至機械制冷機，并且所述連接元件以循環(huán)方式調(diào)節(jié)所供給的氣體的壓力，所述方法包括: 監(jiān)測所述供氣管路和所述回氣管路中的至少一者的壓力；以及 根據(jù)所監(jiān)測到的壓力來調(diào)節(jié)由所述連接元件供給的循環(huán)氣體壓力的頻率。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中，所述連接元件能夠以回轉方式運動，并且通過使所述連接元件以相應轉速運動來實現(xiàn)所述頻率。
11.根據(jù)權利要求9或10所述的方法，其中，根據(jù)預定關系來調(diào)節(jié)所述頻率。
12.根據(jù)權利要求9至11中任一項所述的方法，其中，調(diào)節(jié)所述頻率，以便將所監(jiān)測到的壓力保持在預定壓力范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，根據(jù)裝置的最大工作壓力來設定所述預定壓力范圍。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，如果根據(jù)所述預定關系所述頻率低于最小閾值頻率，則將所述頻率設定為所述最小閾值頻率。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中，當所述機械制冷機冷卻到約60K時，實現(xiàn)所述最小閾值頻率。
16.根據(jù)權利要求9至16中任一項所述的方法，其中，如果根據(jù)所述預定關系所述頻率高于最大閾值頻率,則將所述頻率設定為所述最大閾值頻率。
17.根據(jù)權利要求9至16中任一項所述的方法，其中，所述頻率在1Ηz-5Ηζ的范圍內(nèi)。
18.根據(jù)權利要求9至16中任一項所述的方法，其中，所監(jiān)測到的壓力在lMPa-40MPa的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權利要求9至18中任一項所述的方法，其中，所述連接元件由電動機驅動，并且所述方法包括控制所述電動機的轉速以便控制所述頻率。
20.根據(jù)權利要求9至19中任一項 所述的方法，其中，所述氣體是氦氣。
【文檔編號】F25B9/14GK103917833SQ201280055467
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年9月27日 優(yōu)先權日:2011年9月27日
【發(fā)明者】約翰·加賽德, 馬蒂亞斯·比勒, 達尼埃萊·托爾托雷拉, 袁興 申請人:牛津儀器納米技術工具有限公司