氣體平衡低溫膨脹式發(fā)動的制造方法
【專利摘要】按布雷頓循環(huán)操作的膨脹式發(fā)動機，是在低溫溫度產(chǎn)生制冷的系統(tǒng)的一部分，其包括壓縮機、逆流式換熱器和可能在遠程的負載，其由從發(fā)動機循環(huán)的氣體冷卻。該發(fā)動機具有在氣缸中的活塞，當(dāng)活塞在移動時，該活塞上方和下方的壓力基本上相同。活塞驅(qū)動桿上的低壓力提供了使活塞移動趨向熱端的力失衡。
【專利說明】氣體平衡低溫膨脹式發(fā)動機
[0001]發(fā)明的背景
1.【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種膨脹式發(fā)動機，其按布雷頓(Brayton)循環(huán)進行操作以在低溫溫度產(chǎn)生制冷。
2.【背景技術(shù)】
[0003]一種按布雷頓循環(huán)操作以產(chǎn)生制冷的系統(tǒng)包括壓縮機，該壓縮機向逆流式換熱器供給處于排氣壓力的氣體，氣體從該換熱器通過進氣閥進入膨脹空間，該氣體絕熱地膨脹，通過排氣閥排出膨脹了的氣體(其更冷)，該冷氣體循環(huán)通過正被冷卻的負載，然后該氣體通過該逆流式換熱器返回到該壓縮機。
[0004]本領(lǐng)域的先驅(qū)S.C.Collins的美國專利2，607，322有對早期的膨脹式發(fā)動機的設(shè)計的描述，其已經(jīng)被廣泛用來液化氦氣。膨脹活塞被連接到飛輪和發(fā)電機/電動機的曲柄機構(gòu)驅(qū)動作往復(fù)運動。在活塞處于沖程的底部(最小冷體積)時進氣閥打開，并且高壓力氣體驅(qū)動活塞向上，這促使飛輪速度增大并驅(qū)動發(fā)電機。在活塞到達頂部之前，進氣閥關(guān)閉，并且膨脹空間中的氣體的壓力和溫度下降。在沖程的頂部，排氣閥打開，并且隨著活塞被向下推動，由在其減速時的飛輪驅(qū)動，氣體流出。根據(jù)飛輪的大小，它可以繼續(xù)驅(qū)動發(fā)電機/電動機以輸出功率，或者它可以提取功率，此時它充當(dāng)電動機。
[0005]進氣閥和排氣閥通常由連接到飛輪的凸輪驅(qū)動，如S.C.Collins的美國專利3，438，220中所示的。該專利描述了一種機構(gòu)，其不同于先前的專利，其聯(lián)接活塞與飛輪的方式不會在活塞的熱端處的密封件上施加側(cè)向力。
[0006]J.G.Pierce的美國專利5，355，679描述了一種進氣閥和排氣閥的替代設(shè)計，所述進氣閥和排氣閥類與220中的閥的類似之處在于都是被凸輪驅(qū)動并且具有處于室溫的密封件。
[0007]H.Hattori等人的美國專利5，092, 131描述了一種蘇格蘭軛式驅(qū)動機構(gòu)和由往復(fù)運動活塞致動的冷的進氣閥和排氣閥。所有這些發(fā)動機具有作用于活塞的熱端上的大氣，并且已經(jīng)被設(shè)計成主要是用以液化氦氣、氫氣和空氣。返回氣體接近大氣壓力，供給壓力大約是10到15個大氣壓。壓縮機輸入功率通常是在15至50千瓦的范圍內(nèi)。
[0008]較低功率的制冷機通常是按GM、脈沖管或斯特林(Stirling)循環(huán)操作。較高功率的制冷機通常是按使用渦輪膨脹機的布雷頓或克勞德(Claude)循環(huán)操作。WE.Gifford和H.0.McMahon的美國專利3，045, 436描述了 GM循環(huán)。較低功率的制冷機使用再生器換熱器，其中氣體來回流動通過填充床，氣體從未離開膨脹機的冷端。這與能夠?qū)⒗錃怏w分配至遠程負載的布雷頓循環(huán)制冷機形成對比。
[0009]' 220的Collins類型發(fā)動機中的發(fā)電機/電動機所回收的能量的量相對于壓縮機功率輸入來說小，所以在許多應(yīng)用中，機械簡單性通常比效率更重要。J.F.Maguire等人的美國專利6，202，421描述了一種發(fā)動機，其通過使用用于活塞的液壓驅(qū)動機構(gòu)來去除飛輪和發(fā)電機/電動機。進氣閥由螺線管致動，并且排氣閥由螺線管/氣動組合致動。液壓驅(qū)動的發(fā)動機的動機是提供一種小而輕的發(fā)動機，其能夠可拆卸地連接到超導(dǎo)磁體用以使它冷卻下來。權(quán)利要求覆蓋可拆卸連接。
[0010]J.L.Smith的美國專利6，205，791描述了一種膨脹式發(fā)動機，其具有自由浮動活塞，且工作氣體(氦氣)圍繞著該活塞?；钊戏郊礋岫说臍怏w壓力是由連接到兩個緩沖體積的閥控制，一個緩存體積的壓力是高壓力與低壓力之間的差值的大約75%，另一個體積的壓力是該壓力差值的大約25%。電激活的進氣閥、排氣閥和緩沖閥被正時(timed)打開和關(guān)閉，使得活塞被驅(qū)動上下移動，且活塞的上方和下方的壓力差值小，所以極少氣體流動通過活塞和氣缸之間的小間隙。活塞中的位置傳感器提供用于控制這四個閥的打開和關(guān)閉的正時的信號。
[0011]如果有人將脈沖管想象是用氣體活塞代替實心活塞,則會在Zhu Shaowei的美國專利5，481，878中看到相同的“雙緩沖體積控制”。Shaowei的專利'878的圖3示出了四個控制閥的打開和關(guān)閉的正時，Smith的專利^ 791的圖3示出了有利的P-V圖，其能夠由活塞位置與控制閥的打開和關(guān)閉之間的關(guān)系的良好正時來獲得。該P-V圖的面積是所產(chǎn)生的功，并且最高效率是通過在'791的圖3的點I和3之間相對于P-V功最小化被吸入到膨脹空間中的氣體的量來獲得(它等于產(chǎn)生的制冷)。
[0012]進氣閥和排氣閥相對于活塞位置的打開和關(guān)閉的正時對獲得好效率來說是重要的。已經(jīng)被構(gòu)造成液化氦氣的大部分發(fā)動機使用了類似于Collins專利'220的凸輪致動閥。Smith的專利'791和Maguire的專利'421示出了電致動閥。其它機構(gòu)包括如H.Asami等人的美國專利5，361，588所示的在蘇格蘭軛式驅(qū)動軸的端部上的旋轉(zhuǎn)閥和如Sarcia的美國專利4，372，128所示的由活塞驅(qū)動軸致動的梭閥(shuttle valve)。
[0013]與本發(fā)明中描述的那些類似的多端口旋轉(zhuǎn)閥的例子在M.Xu等人的美國專利申請2007/0119188中找到。R.C.Longsworth的美國專利6，256，997描述了使用"O"形圈來減少與在沖程的端部處撞擊的氣動致動活塞相關(guān)的振動。這能夠適用于本發(fā)明。
[0014]R.C.Longsworth的申請日為2010年3月15日的專利申請序列號61/313，868描述了一種按布雷頓循環(huán)操作的往復(fù)運動膨脹式發(fā)動機，其中，活塞具有在熱端處的由機械驅(qū)動或在高低壓力之間交變的氣體壓力驅(qū)動的驅(qū)動桿，并且在活塞移動時，驅(qū)動桿周圍區(qū)域中的活塞的熱端處的壓力基本上相同于活塞的冷端處的壓力。該概念的氣動致動版本的測試已經(jīng)表明:沒有必要在桿上在高低之間交變壓力來促使活塞往復(fù)運動，而是有可能將桿上的壓力維持在低壓力。這簡化了發(fā)動機的構(gòu)造，因為它現(xiàn)在僅需致動冷的高壓力和低壓力閥。
[0015]R.C.Longsworth的申請日為2010年10月8日的專利申請序列號61/391，207描述了按布雷頓循環(huán)操作的往復(fù)運動膨脹式發(fā)動機的控制，如前一申請中所描述的，其允許它使用以將物質(zhì)冷卻到低溫溫度的時間最少化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明以新的方式組合在先設(shè)計的特征以獲得良好效率。它提供了對我們的序列號為61/313,868的專利申請的基本設(shè)計概念的簡化，其中，存在帶有驅(qū)動桿的活塞，當(dāng)它在移動時，具有在驅(qū)動桿周圍的熱端與活塞的冷端之間的小壓力差值。[0017]驅(qū)動桿被連接到通往壓縮機的低壓力線路，熱排出體積通過兩條線路被連接到來自壓縮機的高壓力線路，所述兩條線路中每條線路均具有止回閥和固定的或可調(diào)劑的閥，當(dāng)冷的進氣閥打開時活塞從冷端移向熱端，并在冷的排氣閥打開時移向冷端。從壓縮機高壓力線路到熱排出體積的這兩條線路中的可調(diào)節(jié)閥能夠使循環(huán)在寬范圍的速度(和溫度)內(nèi)得到最優(yōu)化。在來自壓縮機的高壓力線路與熱排出體積之間能夠增加第三線路，其具有在活塞處于冷端時打開的主動或被動閥。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1示出發(fā)動機100，其具有以截面示出的在氣缸中處于熱端的帶有驅(qū)動桿的活塞，以及閥和換熱器的示意圖。該示意圖示出了連接在熱排出體積與壓縮機低壓力線路之間的線路，帶有主動閥。
[0019]圖2示出發(fā)動機200，其具有以截面示出的在氣缸中處于熱端的帶有驅(qū)動桿的活塞，以及閥和換熱器的示意圖。該示意圖示出了連接在熱排出體積與壓縮機低壓力線路之間的線路，帶有在驅(qū)動桿中的被動閥。
[0020]圖3示出在圖1和2中所示的發(fā)動機的壓力-體積圖。
[0021]圖4示出了在圖1和2中所示的發(fā)動機的閥打開和關(guān)閉順序。
【具體實施方式】
[0022]圖1和2中示出的本發(fā)明的兩個實施例使用相同附圖標(biāo)記和相同的示意圖來識別相當(dāng)?shù)牟糠帧Ｒ驗闉榱俗钚』瘬Q熱器中的對流損失，膨脹式發(fā)動機通常取向成冷端朝下，所以，活塞從冷端趨向熱端的移動經(jīng)常被稱為向上移動，因此，活塞上下移動。
[0023]圖1是發(fā)動機組件100的截面/示意圖。活塞I在氣缸6中往復(fù)運動,氣缸6具有冷端帽9、熱安裝凸緣7和熱氣缸蓋8。驅(qū)動桿2連在活塞I上并且在驅(qū)動桿氣缸69中往復(fù)運動。冷端處的排出體積DVc3與熱端處的排出體積DVw4由活塞I和密封件50分開。驅(qū)動桿上方的排出體積DVs5與DVw由密封件51分開。線路32連接DVs5到低壓力回流線路31中的低壓力P1。線路37連接線路30中的高壓力通過可調(diào)節(jié)閥Vwil5和止回閥CVil3到DVw4。線路38連接DVw4通過止回閥CVol3和可調(diào)節(jié)閥Vwol5到線路30中的高壓力。熱端換熱器42也在該線路中。發(fā)動機100與發(fā)動機200的不同之處在于主動閥Va35，其在打開時允許氣體通過線路39從線路30中的Ph流至DVw4。
[0024]當(dāng)進氣閥VilO在DVc3處于最小而打開時產(chǎn)生制冷，在DVc處于Ph而克服DVw中的平衡壓力向上推動活塞1，則關(guān)閉Vi，打開Voll，氣體隨著它流出至Pl而在DVc中膨脹，隨著它膨脹而冷卻。當(dāng)活塞I往回朝向冷端9移動時，處于Pl的氣體被推出DVc。通過Vo流出的冷氣體經(jīng)過線路35到達換熱器41，在這里它由正被冷卻的負載加熱，然后流動穿過線路36到達逆流式換熱器40，在這里它冷卻處于Ph的進氣，先于高壓力氣體流動通過線路34 到達 Vi 10。
[0025]在打開VilO之前，借助于在活塞I在冷端處靜止的同時已經(jīng)打開的Val6，VDw4中的壓力處于Ph。當(dāng)Vi打開時，DVc3和DVw4中的壓力接近Ph，但是DVs5中的壓力是P1，這形成力失衡，由此驅(qū)動活塞I趨向熱端。壓力稍高于線路30中的壓力的氣體通過CVol2和可調(diào)節(jié)閥Vwol4流出?；钊鸌移動趨向熱端的速度由Vwol4的設(shè)置來決定。當(dāng)DVw最小時，VilO關(guān)閉且Voll打開。來自處于Ph的線路30的氣體流動通過線路38，通過可調(diào)節(jié)閥Vwl5和CVil3，進入DVw4，推動活塞I趨向冷端?；钊鸌移動趨向冷端的速度由Vwl5的設(shè)置來決定。當(dāng)Val6打開時，對DVw4的加壓的過程促使氣體變熱，與冷端處的過程相反。
[0026]當(dāng)氣體通過線路37被推出時，該熱在換熱器42中被移除。
[0027]需要以驅(qū)動桿2上處于Pl的氣體和DVc3和DVw4中處于Ph的氣體所形成的力失衡來克服氣體流動通過線路37、換熱器40和進氣閥Vi 10時Ph中的壓力降低。該力失衡還克服密封件50和51中的摩擦。在實際的機器中，驅(qū)動桿2的面積通常是活塞I的冷端的面積的5%至15%，并且取決于發(fā)動機要運行多快。
[0028]圖2是發(fā)動機組件200的截面/示意圖，其與發(fā)動機組件100的不同僅在于用被動閥Vpl7代替主動閥Val6。被動閥Vpl7最方便地被內(nèi)置于驅(qū)動桿2中，從而在活塞I接近冷端時使處于Ph的氣體被準(zhǔn)許進入DVw4。在圖2所示實施例中，Vpl7包括圍繞驅(qū)動桿2的氣缸蓋8中的環(huán)形槽18、在驅(qū)動桿2上具有滑動配合的密封套圈19、和在外側(cè)且由保持器環(huán)21保持就位的"O"形密封環(huán)20、以及由驅(qū)動桿2中的端口 23連接的橫端口 22和24。處于Ph的氣體從線路30通過線路33連接到環(huán)形槽18。當(dāng)活塞I接近冷端時，該氣體通過Vpl7被準(zhǔn)許進入DVw4。準(zhǔn)許處于高壓力的氣體進入DVw中會推動活塞I至冷端，而Voll仍然打開。
[0029]專利申請序列號61/313,868描述了進氣閥VilO和排氣閥Voll的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，這兩者都是通過從多端口旋轉(zhuǎn)閥循環(huán)出來的氣體在室溫被氣動地致動的。
[0030]如果發(fā)動機是要用于冷卻負載，并且一個人想保持來自壓縮機的恒定功輸出，那么就有必要在室溫以最大發(fā)動機轉(zhuǎn)速開始，并且隨著它變冷而降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速。這是通過降低多端口旋轉(zhuǎn)閥的速度并調(diào)節(jié)閥VWol4和VWil5而完成的，從而使得活塞I實現(xiàn)全沖程但是不會在熱端長時間停留，并且一旦DVw處于Ph，活塞就從冷端移動趨向熱端。替代地，有可能在閥Vwil5和Vwol4處于固定位置的情況下以恒定速度進行操作來在最低溫度進行操作。如果速度是固定的，那么在冷卻期間，壓縮機將旁通一些氣體。
[0031]圖3不出了壓力-體積圖，并且圖4不出了在圖1和2中所不的發(fā)動機的的閥打開和關(guān)閉順序。P;圖上的狀態(tài)點數(shù)字對應(yīng)于圖4所示的閥打開/關(guān)閉順序。閥打開和關(guān)閉的正時沒有示出，僅示出順序。P-V圖上的點I表示活塞I處于沖程的末端，DVc最小，DVw處于Ph，DVs處于Pl。Vi打開，從而準(zhǔn)許處于Ph的氣體至VDc。當(dāng)DVw中的氣體通過線路37被推出的同時，VDc增加。在點2處，Vi關(guān)閉，然后點3處，Vo打開，因此DVc中的壓力降至P1?；钊鸌朝向冷端移動少量到點4，因為隨著DVc降至P1，活塞上方的余隙體積中的處于Ph的氣體膨脹。氣體通過線路38流入DVw中并且當(dāng)它流動通過Vwi 15時壓力從Ph降至P1，直到VDc為最小，點5。在該點，Val6或Vpl7打開，準(zhǔn)許處于Ph的氣體至VDw4。點6是Voll關(guān)閉時的點。
[0032]表I提供了制冷能力的例子，其是對于在Vi處為2.2MPa且在Vo處為0.8MPa的壓力來計算的。氦流量是6.0g/s并且包括流向用于Vi和No的閥致動器的流和用以允許空隙體積的氣體。換熱器效率被假定為98%。
[0033]發(fā)動機被假定為具有可變速度驅(qū)動器，一種用來控制活塞的速度和閥正時的機構(gòu)，以提供全沖程，其只在沖程的熱端處有短暫停留時間并且在底部有足夠的停留時間以完全加壓DVw4。發(fā)動機的尺寸被制作成將物質(zhì)從室溫冷卻至約30K,假定熱時的最大速度為6Hz。最佳速度幾乎正比于絕對溫度。
[0034]發(fā)動機在整個冷卻的大部分中使用假定壓力下的假定流量。制冷冷卻能力Q和操作速度N對200K和60K的Vi處的溫度T被列出。很明顯，發(fā)動機能夠被設(shè)計成以固定速度在狹窄的溫度范圍內(nèi)操作，例如120K，用于冷卻低溫泵來捕獲水蒸汽。相對于Camot的發(fā)動機效率隨著它冷卻并且發(fā)動機減慢而提高，因為氣體的較少部分被用在熱端。效率在80K時最高，然后下降，因為換熱器損失占支配地位。
[0035]表1計算性能
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種膨脹式發(fā)動機，其以處于高壓力和低壓力的從壓縮機供給的氣體進行操作用于在低溫溫度產(chǎn)生制冷，包括: 在氣缸中的活塞，所述活塞具有在熱端處的有低壓力作用在其上的驅(qū)動桿，在所述氣缸的冷端處的進氣閥和排氣閥在所述活塞接近所述氣缸的冷端時且在它移動趨向熱端時準(zhǔn)許高壓力氣體進入，并在所述活塞接近所述氣缸的熱端時且在它移動趨向冷端時將氣體排向低壓力；和 在所述活塞移動時將所述驅(qū)動桿的區(qū)域之外的所述活塞的熱端上的壓力維持在與所述活塞的冷端上大致相同的壓力的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹式發(fā)動機，其中，在所述活塞移動時維持壓力大致相同的裝置包括被連接在所述熱端與來自壓縮機的高壓力線路之間的線路，這些線路帶有與節(jié)流閥串聯(lián)的進氣止回閥和與節(jié)流閥串聯(lián)的排氣止回閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膨脹式發(fā)動機，其中，當(dāng)所述活塞接近所述冷端時，通過來自壓縮機的高壓力線路與所述活塞的熱端之間的主動閥和被動閥中的一個，使在所述活塞的熱端上的壓力從低壓力上升到高壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的膨脹式發(fā)動機，其中，所述被動閥被包含在所述驅(qū)動桿中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膨脹式發(fā)動機，其中，所述活塞在熱端與冷端之間移動的速度通過改變所述節(jié)流閥的設(shè)置而得到改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膨脹式發(fā)動機，其中，通過帶有所述排氣止回閥的線路中的冷卻器從熱端移除熱量。
【文檔編號】F01B21/04GK103814191SQ201280023004
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月12日
【發(fā)明者】S·鄧, R·龍斯沃思, J·博爾歇爾斯 申請人:住友(Shi)美國低溫研究有限公司