專利名稱：提供冷量的熱虹吸方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及給制冷負荷提供冷量，尤其具有為超導設備提供冷量的優(yōu)點。
背景技術：
超導設備在低溫環(huán)境下工作，一般在80K以下。為了保證維持超導特性所必須的低溫條件，必須連續(xù)地給超導設備提供冷卻。超導設備通常安置在遠程位置，從而引起提供冷量的制冷系統的可靠性問題。最常見的制冷系統要求使用至少一臺低溫泵將制冷劑流體送給制冷負荷。用制冷系統給超導設備供冷時，制冷系統使用低溫泵就有可能帶來問題。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種為制冷負荷提供冷量的改進系統，該系統的可靠性高，而且可以很有效地給超導設備之類應用提供冷量。
發(fā)明概述通過本發(fā)明可以獲得上述和其他目的，本領域的普通技術人員通過閱讀本說明書就能夠明白這些目的。本發(fā)明是一種為制冷負荷提供冷量的方法，它包括(A)產生低溫工作氣體，通過與耦合流體蒸氣間接熱交換來加熱該低溫工作氣體，從而產生耦合流體液體，并且形成具有一個液面的耦合流體存儲液；(B)利用熱虹吸效應將來自耦合流體存儲液的耦合流體液體送給一個制冷負荷，所述制冷負荷的位置高度低于該耦合流體存儲液的液面；并且(C)將耦合流體液體的冷量提供給該制冷負荷，并使該耦合流體液體蒸發(fā)產生耦合流體蒸氣，該蒸汽用來與低溫工作氣體進行間接熱交換。
本文中，所用術語“熱虹吸”意指這樣一種方法，其中通過提供使一部分流體蒸發(fā)的熱量，使流體升高并接著被冷卻并因重力流動返回到可再次蒸發(fā)的位置，從而不用機械裝置來使流體移動就使流體在一種裝置內循環(huán)。
本文中，所用術語“制冷機”意指一種多孔分布物質(porousdistributed mass)形式的熱裝置，比如球形或堆疊式篩板、穿孔金屬板等，它們具有良好的熱容量，通過與該多孔分布物質直接熱交換可以冷卻流進來的熱氣體并加熱返回的冷氣體。
本文中，所用術語“脈管制冷機”意指一種制冷裝置，利用包括脈沖發(fā)生器的適合部件產生低溫制冷作用。
本文中，所用術語“小孔”意指一種氣流限制裝置，它位于脈管制冷機的脈管膨脹機熱端和氣庫之間。
本文中，所用術語“壓力波”意指以一種循環(huán)方式使大量氣體按順序經歷高壓和低壓的能量。


圖1簡化表示了用于實現本發(fā)明的一種脈管制冷機的一個實施方案。
圖2是本發(fā)明一個實施方案的示意圖，其中脈管制冷機的冷端熱交換器位于耦合流體儲箱的內部。
圖3是本發(fā)明一個實施方案的示意圖，其中直接由耦合流體給該超導裝置提供冷量。
圖4是本發(fā)明一個實施方案的示意圖，其中脈管制冷機的冷端熱交換器位于耦合流體儲箱的外部。
圖4A-4C為在本發(fā)明中用來產生低溫工作氣體的三種不同制冷循環(huán)的溫/熵圖。
詳細說明本發(fā)明包括利用一個制冷循環(huán)產生低溫工作氣體來液化耦合流體。優(yōu)選該低溫工作氣體由脈管制冷機產生，除了需要產生壓力波外，脈管制冷機沒有運動部件，從而產生制冷作用以便提供該低溫工作氣體來液化該耦合流體。該液化后的耦合流體利用熱虹吸效應被送給一個制冷負荷，因此不需要使用低溫泵。該裝置提高了系統供冷的可靠性，當冷量的接收設備處在遠程位置時，這一點尤為有利，比如典型的超導設備。
下面將參考附圖并結合利用脈管制冷機的優(yōu)選制冷系統來詳細描述本發(fā)明。附圖中相同部件的數字標記也相同。
該脈管制冷系統通常是封閉的制冷系統，它使工作氣體在一個封閉回路中周期性地振蕩，這樣做時就將冷端的熱負荷傳遞給熱端。振蕩的頻率和相變由系統的結構決定。脈管制冷機或制冷系統的一個實施方案示意在圖1中。
在圖1所示脈管制冷系統中，驅動器或者壓力波發(fā)生器1可以是一個活塞或者其他機械壓縮裝置，或者是聲波或熱聲波發(fā)生裝置，或者是任何其他給工作氣體提供脈沖或壓力波的適當裝置。即，脈沖發(fā)生器將聲能送給工作氣體引起壓力和速度振蕩。氦氣是優(yōu)選的工作氣體；然而任何有效的工作氣體都可以用在脈管制冷機中，其中這種氣體可以是氮氣、氧氣、氬氣、氖氣或者是包含其中一種或多種的混合物比如空氣。
振蕩的工作氣體在二次冷卻器2中通過與冷卻介質比如水50間接熱交換而被冷卻下來。當工作氣體向冷端熱交換器移動時，再生器3中的工作氣體通過與再生器中的介質熱交換而被冷卻下來。
脈管制冷系統的幾何構形和脈動配置可以這樣冷端熱交換器和脈管6的冷端6a中的振蕩工作氣體因脈沖循環(huán)中的摩擦而膨脹，熱量通過間接熱交換被工作氣體吸收，工作氣體給所述耦合流體提供冷量。工作氣體的冷量通過間接換熱被傳遞給耦合流體，正如下面更充分討論的那樣。一些聲能耗散在小孔中，由此得到的熱量從熱端6b通過熱端熱交換器7與冷卻介質比如水51間接換熱而散掉。優(yōu)選脈管制冷系統采用一個小孔8和氣庫9來使氣體位移和壓力脈沖維持在適當相位。氣庫9的尺寸要足夠大以至于脈管中的氣體在振蕩流動期間發(fā)生非常小的壓力波動。
圖2中脈管制冷機，如參考圖1描述的脈管制冷機被大致或者象標記100表示的單元塊形式示意出來，只是冷端熱交換器4除外，這里對該部件作出了具體說明?，F在參考圖2，可以都是氣體形式或者部分是氣體、部分是液體形式的耦合流體18被送進耦合流體儲箱13中。在圖2所示的本發(fā)明實施方案中，耦合流體18為兩相流體。液相20在耦合流體儲箱13內部向下降落，而氣相19通往冷端熱交換器4，該熱交換器放置在耦合流體儲箱13內部的上半部。耦合流體氣體19在冷端熱交換器4中與前述低溫工作氣體間接換熱，從而產生耦合流體液體11，然后耦合流體液體11從冷端熱交換器4出來，并與耦合流體液體20一起在耦合流體儲箱13內形成耦合流體儲液21。在耦合流體儲箱13內部，耦合流體儲液21有一個液面22，液面22是耦合流體液體的上表面。
實踐本發(fā)明時的優(yōu)選耦合流體是氖?？捎米鞅景l(fā)明的耦合流體的其他流體包括氦、氫、氮、氧、氬、甲烷、氪、氙、R-14、R-23、R-218以及上面確定物質中的一種或多種的混合物比如空氣。
制冷劑26被送到制冷負荷設備25上，該設備在圖2所示的實施方案中是一個熱交換器。制冷劑26作為制冷負荷并在熱交換器25內通過與耦合流體液體間接換熱而被冷卻。生成的被冷卻的制冷劑27又用來給一個比如超導裝置提供冷量。制冷劑可以是任何流體或者流體的混合物，混合物中的各流體的凝固點同時都低于超導裝置所需的工作溫度，而且低于耦合流體的沸點或者起泡點。這包括但不限于氦、氫、氖、氮、氧、氬、甲烷、氪、氙、R-14、R-23、R-218以及上面確定物質中的一種或多種的混合物比如空氣。
耦合流體液體以物流24的形式從耦合流體儲箱13內的耦合流體儲液21中流到制冷負荷裝置25，該裝置的位置高度低于耦合液體的液面22。通過與熱交換器25內的冷卻劑間接熱交換，至少一部分耦合流體液體汽化，從而給冷卻劑提供冷量。所得到的耦合流體蒸氣以物流18的形式返回冷端熱交換器4，再次液化低溫工作氣體。如上所述，物流18除了包括耦合流體蒸氣之外，還可以包括耦合流體液體。
耦合流體從耦合流體儲箱流向制冷負荷裝置并返回耦合流體儲箱內是通過熱虹吸效應完成的，因此不需要用低溫或其他機械泵使耦合流體循環(huán)，盡管當耦合流體的濃度極低或者存在阻礙耦合流體在重力作用下循環(huán)的物理約束時，要用泵來增加熱虹吸效應。液面和系統壓降設計成可以使熱交換器25既不會充滿液體也不會沒有液體。在某些情形中，可以使用控制回路。液體的壓頭，即儲箱13內液體的高度要維持在足以克服管路和熱交換器25內的壓力的高度。
圖3示出了本發(fā)明的另一個實施方案，其中制冷負荷裝置是一個超導裝置。對于相同的部件，圖3中的數字標記與圖2中的數字標記相同，而且下面不再詳細描述這些相同的部件。
現在參考圖3，耦合流體液體流24流向超導裝置30，該裝置的位置高度低于耦合流體液體的液面22，而且其中的至少一部分發(fā)生蒸發(fā)并因此給制冷負荷提供冷量。所得到的至少部分汽化了的耦合流體以物流18的形式從超導裝置30流到冷端熱交換器4中，該熱交換器在圖3所示的實施方案中被置于耦合流體儲箱13內。通常，當保持耦合流體的壓力低于臨界壓力時，耦合流體可以是任何流體或者混合物，其沸點(混合物情況下為起泡點和露點)大大低于需要的冷卻劑出口溫度，或者大大低于需要的超導裝置的工作溫度。
圖4示出了本發(fā)明的另一個實施方案，其中脈管制冷系統的冷端熱交換器位于耦合流體儲箱的外部。對于相同的部件，圖4中的數字標記與圖2中的數字標記相同，而且下面不再詳細描述這些相同的部件。
現在參考圖4，從熱交換器25出來的溫熱耦合流體18流到脈管制冷機100的冷端熱交換器4，該溫熱耦合流體可以全部或部分為蒸汽形式。耦合流體蒸氣通過與冷端熱交換器4內的低溫工作氣體間接熱交換而冷凝下來，所得到的耦合流體液體以物流33的形式流到耦合流體儲箱13中，它在其中形成了具有液面22的耦合流體儲液21。
脈管低溫冷卻器或制冷機優(yōu)選基于圖4B表示的斯特林循環(huán)。可選擇地，可以使用其他熱力制冷循環(huán)。作為示例，可以采用分別由圖4A和4C表示的理想卡諾循環(huán)和布雷頓循環(huán)的某些實際變體。在圖4A-4C中，“Tr”代表獲得冷量的溫度。它是理想循環(huán)中的最低溫度?？捎糜诘蜏乩鋮s器的其他制冷循環(huán)包括采用磁熱材料在磁場中工作的磁制冷以及焦耳-湯姆森制冷。其他有用的低溫冷卻器循環(huán)包括斯特林循環(huán)的變形比如Gifford-McMahon循環(huán)，以及基于朗肯循環(huán)的MGR(混合氣體制冷)循環(huán)。MGR循環(huán)涉及由不同氣體混合組成的制冷劑，該制冷劑可在普通壓縮機內壓縮，由一組預冷卻的熱交換器冷卻，并通過焦耳-湯姆森絕熱膨脹而膨脹。此外，可以利用低溫制冷劑或由另一個制冷機使低溫冷卻器預冷卻。例如，可以利用液氮制冷或通過其他制冷方式比如SGR(單一氣體制冷)或者一個MGR朗肯形式的制冷機，使脈管制冷機預冷卻。
通過采用本發(fā)明，用很少或者不用運動部件而且不需要機械泵就可以產生冷量并將冷量送給制冷負荷比如超導裝置，從而提高了可靠性并因此提高了效率。雖然這里參考某些優(yōu)選實施方案詳細描述了本發(fā)明，但是本領域普通技術人員應當明白，本發(fā)明在權利要求書的精神和范圍內還有其他的實施方案。
權利要求
1.一種為制冷負荷提供冷量的方法，它包括(A)產生低溫工作氣體，通過與耦合流體蒸氣(19)間接熱交換來加熱該低溫工作氣體，從而產生耦合流體液體(11)，并且形成具有一個液面(22)的耦合流體存儲液(21)；(B)利用熱虹吸效應將來自耦合流體存儲液的耦合流體液體送給一個制冷負荷(26)，所述制冷負荷的位置高度低于該耦合流體存儲液的液面；并且(C)將耦合流體液體的冷量提供給該制冷負荷，并使該耦合流體液體蒸發(fā)產生耦合流體蒸氣，該蒸汽用來與低溫工作氣體進行間接熱交換。
2.根據權利要求1所述的方法，其中耦合流體包括氖。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，利用熱虹吸效應，使耦合流體從耦合流體存儲液流到制冷負荷，之后全部從制冷負荷返回到耦合流體存儲液中。
4.根據權利要求1所述的方法，其中制冷負荷包括冷卻劑流體。
5.根據權利要求1所述的方法，其中制冷負荷包括超導設備。
6.根據權利要求1所述的方法，其中通過給工作氣體提供脈沖來產生壓縮的工作氣體，并在脈管的冷端使該壓縮的工作氣體膨脹，從而產生低溫工作氣體。
全文摘要
一種方法，其中如下產生冷量，優(yōu)選利用一個脈沖管低溫冷卻器(100)或制冷機產生低溫工作氣體，用該低溫工作氣體液化耦合流體(24，18)，該耦合流體通過熱虹吸效應在耦合流體儲液(21)和制冷負荷(26)比如超導設備之間循環(huán)，從而給該制冷負荷提供冷量。
文檔編號F28D15/02GK1623072SQ02828672
公開日2005年6月1日 申請日期2002年10月23日 優(yōu)先權日2002年3月28日
發(fā)明者D·P·博納奎斯特, J·F·比林哈姆, J·齊亞, N·J·林奇, B·阿曼 申請人:普萊克斯技術有限公司