混合式布雷顿-吉福德-麦克马洪膨胀机制造技术

一种混合式膨胀机，将布雷顿发动机第一级与一个或多个GM更冷级结合，其使用来自布雷顿发动机的流以在一个或多个远程热量站提供制冷。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术的背景1.
本专利技术涉及制冷机，该制冷机用于在两个或多个低温温度处通过将第一级布雷顿（Brayton）循环发动机与一个或多个吉福德-麦克马洪（Gifford-McMahon）（“GM”）膨胀机结合产生制冷。具体而言，本专利技术涉及制冷机，其中，循环通过布雷顿循环发动机的冷气体由一个或多个GM膨胀机进一步冷却并且传输制冷至一个或多个远程换热器。其中，该制冷机能被使用例如冷却处于30K的超导磁体以及处于70K的周围屏障。2.
技术介绍
按布雷顿循环操作的制冷系统包括压缩机，该压缩机供应处于排气压力的气体至逆流式换热器，该逆流式换热器准许气体通过冷的进口阀进入膨胀空间；在绝热条件下使气体膨胀；通过出口阀将膨胀的气体（其更冷）排出；循环该冷气体通过正被冷却的负载；然后将该气体通过逆流式换热器返回至处于返回压力的压缩机。W.E.Gifford和H.O.McMahon的美国专利3,045,436描述了吉福德-麦克马洪（“GM”）循环。这个制冷机系统还包括供应处于排气压力的气体至膨胀机的压缩机，该膨胀机准许气体通过进口阀至再生器换热器的热端，并且然后进入位于活塞的冷端处的膨胀空间中，从那里它通过再生器和热的出口阀返回至处于返回压力的压缩机。如今被构建的典型的GM型膨胀机具有位于活塞内侧的再生器，因此活塞/再生器变成置换器，其从冷端移动至热端，带有处于高压的气体；然后从热端移动至冷端，带有处于低压的气体。GM型和布雷顿型制冷机之间的重要区别是布雷顿循环制冷机能够分配冷气体至远程负载，而GM膨胀机中的冷的膨胀气体被包含在膨胀空间中。R.C.Longsworth的申请日为2011年9月15日的美国专利申请公开文献2011/0219810描述了按布雷顿循环操作的往复运动膨胀式发动机，其中，活塞具有位于热端处的驱动杆，其由机械驱动器或在高压和低压之间交替的气体压力驱动，并且当活塞正移动时，在围绕驱动杆的区域中位于活塞的热端处的压力基本上与位于活塞的冷端处的压力相同。S.Dunn等人的申请日为2011年5月12日的美国专利申请序列号13/106,218描述了致动膨胀机活塞的替代装置。能够用于供应气体至这些发动机的压缩机系统被描述在由S.Dunn在2006年4月28日递交的名称为“具有油旁通的压缩机”的公开的专利申请U.S.2007/0253854中。在这些申请中描述的发动机提供布雷顿发动机的示例，其能够被使用在这个当前专利技术中。添加第二活塞至布雷顿发动机要求第二对阀以及他们的相关联的致动器，然而，添加附接至布雷顿活塞的GM置换器利用第一级阀以循环压力至第二级。因此当前专利技术的目标是将布雷顿发动机输出能够被循环至远程热量站的冷气体的优点与添加GM冷却的一个或多个附加级至布雷顿发动机的结构的简单性组合，并且使用该循环气体以冷却处于更冷的温度的一个或多个远程热量站。
技术实现思路
当前专利技术将布雷顿发动机第一级与一个或多个GM更冷级结合，其使用来自布雷顿发动机的流以在一个或多个远程热量站处提供制冷。用于在低温温度处产生制冷的混合式膨胀机利用从处于第一压力的源供应并且返回至处于第二压力的源的气体进行操作。第二压力比第一压力更低。该混合式膨胀机包括：在第一温度处产生制冷的布雷顿膨胀式发动机，该布雷顿膨胀式发动机包括往复运动活塞，其具有活塞热端和活塞冷端，以及在第二温度处产生制冷的吉福德-麦克马洪膨胀机，该第二温度比第一温度更冷，该吉福德-麦克马孔膨胀机包括置换器，该置换器被附接至活塞冷端并且与活塞同时往复运动。附图说明图1是混合式膨胀机100的示意图，其包括气动致动的气体平衡布雷顿发动机第一级、GM第二级、远程第一级换热器以及远程第二级换热器；图2是混合式膨胀机200的示意图，其包括布雷顿发动机第一级、GM第二级、远程第一级换热器以及整体式第二级换热器；图3是混合式膨胀机300的示意图，其包括布雷顿发动机第一级、GM第二级、GM第三级、远程第一级换热器以及远程第三级换热器；图4是混合式膨胀机400的示意图，其包括布雷顿发动机第一级、GM第二级以及远程第二级换热器。具体实施方式根据当前专利技术的一个或多个实施方式，图1至图4使用相同的附图标记和相同的示意图来识别等同的部分。因为为了最小化换热器中的对流损失，膨胀式发动机通常被定向成冷端朝下，所以活塞从冷端朝向热端的移动经常被称为向上移动，因此活塞向上和向下移动或移动至顶部和底部。各图没有显示在其上安装有热凸缘7的热安装板以及在热凸缘下方的真空壳体，该真空壳体将冷部件与在外面的空气分离。图1图示布雷顿发动机驱动机构，其被描述在2012年11月14日公开的且名称为“气体平衡低温膨胀式发动机”的美国专利申请公开文献2012/0285181中，而图2、图3和图4图示当前专利技术被修改成的通用驱动机构。在图1中，混合式膨胀机100包括布雷顿活塞/GM置换器组件、位于热端处的驱动组件、气缸组件以及包括多个换热器的管道组件。布雷顿活塞1被附接至位于热端处的驱动杆2，并且由位于冷端处的联接器60连接至GM置换器20，该GM置换器20包含再生器21。密封件51防止气体从置换体积DVs5旁通至置换体积DVw4，置换体积DVs5被置于驱动杆2的上方，置换体积DVw4被置于布雷顿活塞1的上方。密封件50防止气体从置换体积DVw4旁通至置换体积DVc3，置换体积DVc3被置于布雷顿活塞1的下方。密封件52防止气体从置换体积DVc3旁通至在置换器20下方的置换体积23。这个活塞/置换器组件在气缸组件中往复运动。气缸组件包括热凸缘7、第一级气缸6、第一级端帽9、第二级气缸22以及第二级端帽24。气动驱动组件包括未显示的各部件，其当活塞1在冷端附近时打开进口阀Vi10，以及当活塞1在顶部附近时关闭进口阀Vi10；并且其当活塞1位于顶部处时打开出口阀Vo，11，以及当活塞1在底部附近时关闭出口阀Vo，11。在置换体积3和23以及再生器21中的气体压力几乎相同，不一致仅是由于当气体移动时通过再生器21的压降导致的。当活塞1到达顶部时，置换体积DVc3和DVw4在它们中具有处于高压Ph附近的压力的气体。随着进口阀Vi10关闭，出口阀Vo11打开并且允许冷气体流出至低压P1。在置换体积DVw4和DVc3之间的压差引起活塞1向下移动并且将气体从高压供应路线30通过热进口阀Vwi15、进口止回阀CVi13以及连接路线33吸入至置换体积DVw4中。活塞1向下移动所处的速度通过设置热进口阀Vwi15来控制。当活塞1到达底部时，出口阀Vo11关闭并且时间允许气体继续流至DVw4中直到压力在压力Ph附近。然后进口阀Vi10打开以准许处于压力Ph的气体进入。由于压力Ph作用在活塞1的冷端处以及压力P1作用在驱动杆2上引起的力失衡压缩在置换体积DVw4中的气体至压力Ph（即第三压力）以上，并且推动它离开通过出口止回阀CVo12、热出口阀Vwo14、后冷却器48以及连接路线34至高压路线30。活塞1向上移动所处的速度通过设置热出口阀Vwo14控制。置换体积DVs5通过线路32连接至低压返回线路31；因此，它一直处于压力P1。管道组件包括：在室温和第一级温度之间的逆流式换热器40；在第一级温度和第二级温度之间的逆流式换热器41；从处于温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在低温温度处产生制冷的混合式膨胀机，该混合式膨胀机利用从处于第一压力的源供应并且返回至处于第二压力的源的气体进行操作，该第二压力比第一压力更低，该混合式膨胀机包括：在第一温度处产生制冷的布雷顿膨胀式发动机，该布雷顿膨胀式发动机包括往复运动活塞，该往复运动活塞具有活塞热端和活塞冷端，以及在第二温度处产生制冷的吉福德‑麦克马洪膨胀机，该第二温度比第一温度更冷，该吉福德‑麦克马洪膨胀机包括置换器，该置换器被附接至所述活塞冷端，并且与活塞同时往复运动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.19 US 61/917,9991.一种用于在低温温度处产生制冷的混合式膨胀机，该混合式膨胀机利用从处于第一压力的源供应并且返回至处于第二压力的源的气体进行操作，该第二压力比第一压力更低，该混合式膨胀机包括：在第一温度处产生制冷的布雷顿膨胀式发动机，该布雷顿膨胀式发动机包括往复运动活塞，该往复运动活塞具有活塞热端和活塞冷端，以及在第二温度处产生制冷的吉福德-麦克马洪膨胀机，该第二温度比第一温度更冷，该吉福德-麦克马洪膨胀机包括置换器，该置换器被附接至所述活塞冷端，并且与活塞同时往复运动。2.根据权利要求1所述的混合式膨胀机，进一步包括第一冷的热量站，该第一冷的热量站由在流动通过处于所述第一温度附近的温度的布雷顿膨胀式发动机之前或之后的气体冷却。3.根据权利要求2所述的混合式膨胀机，其中，第二冷的热量站由处于所述第二温度附近的温度的气体冷却。4.根据权利要求1所述的混合式膨胀机，进一步包括附接至活塞热端的驱动杆。5.根据权利要求1所述的混合式膨胀机，进一步包括可控制的进口阀和可控制的出口阀，每一个可控制的阀连接至与活塞冷端直接相邻的冷端体积。6.根据权利要求1所述的混合式膨胀机，进一步包括：附接至活塞热端的驱动杆；止回进口阀和止回出口阀，每一个止回阀连接至与杆热端直接相邻的热端体积。7.根据权利要求6所述的混合式膨胀机，进一步包括可控制的进口阀和可控制的出口阀，每一个可控制的阀连接至与活塞冷端直接相邻的冷端体积。8.根据权利要求1所述的混合式膨胀机，进一步包括在第三温度处产生制冷的第二吉福德-麦克马洪膨胀机，该第三温度比第二温度更冷，该第二吉福德-麦克马洪膨胀机包括第二置换器，第二置换器被附接至第一吉福德-麦克马洪膨胀机的冷端，并且与活塞同时往复运动。9.根据权利要求1所述的混合式膨胀机，进一步包括线路，该线路包含流动通过布雷顿膨胀式发动机的冷端的气体，并且连接至吉福德-麦克马洪膨胀机，该线路包括换热器，该换热器用于将热量从在线路中的气体传递至在吉福德-麦克马洪膨胀机的膨胀机体积中的气体。10.一种在低温温度处利用混合式膨胀机产生制冷的方法，该混合式膨胀机包括：布雷顿膨胀式发动机，其包括具有活塞热端和活塞冷端的往复运动活塞；附接至活塞热端的驱动杆，该驱动杆具有杆热端；包括置换器的吉福德-麦克马洪膨胀机，该置换器被附接至活塞冷端；可控制的进口阀和可控制的出口阀，每一个可控制的阀连接至与活塞冷端直接相邻的冷端体积；该方法包括以下步骤：（a）从源供应处于第一压力的气体至可控制的进口阀；（b）通过以下方式，使活塞、置换器和驱动杆在第一位置至第二位置之间同时地往复运动：（i）靠近第一位置，关闭可控制的进口阀；打开可控制的出口...

【专利技术属性】
技术研发人员：R龙斯沃思，
申请(专利权)人：住友SHI美国低温研究有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US