ХОЛОДИЛЬНИК И СПОСОБ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНИКА Российский патент 2018 года по МПК F25B11/02 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к холодильнику, включающему в себя детандер-компрессор, и способу работы упомянутого холодильника.

Уровень техники

[0002] Известный холодильник использует цикл Брайтона в качестве цикла охлаждения и включает в себя детандер-компрессор, способный осуществлять криогенное охлаждение. Кроме того, в некоторых случаях предусмотрен бесконтактный подшипник, такой как магнитный подшипник, чтобы поддерживать выходной вал двигателя для приведения в действие детандер-компрессора. Бесконтактный подшипник поддерживает вращающийся вал, такой как выходной вал двигателя, без контакта с вращающимся валом, и не вызывает потери на механическое трение и абразивное истирание с вращающимся валом, а значит обладает высокой долговечностью по сравнению с роликовым подшипником, который поддерживает вращающийся вал, при этом контактируя с вращающимся валом. Поэтому, например, для поддержания выходного вала двигателя, который работает с высокой частотой вращения, предусмотрен бесконтактный подшипник, такой как магнитный подшипник.

[0003] 1-й патентный документ раскрывает детандер-компрессор, снабженный таким бесконтактным подшипником. Упомянутый раскрытый детандер-компрессор представляет собой турбокомпрессор с магнитным подшипником, включающий в себя рабочее колесо турбины и рабочее колесо компрессора, прикрепленные к одному и другому концу вала, с магнитным подшипником, поворотно поддерживающим упомянутый вал.

При использовании холодильника с детандер-компрессором, раскрытого в 1-ом патентном документе, часть энергии расширения, генерируемой при расширении текучей среды посредством детандера, рекуперируется, и рекуперированная энергия расширения повторно используется в качестве энергии вращения вращающегося вала двигателя для приведения в действие компрессора. При этом уменьшается электроэнергия для приведения в действие двигателя, и повышается коэффициент полезного действия (coefficient of performance - COP) холодильника.

[0004] Однако в связи с последними достижениями в криогенных технологиях существует потребность в дополнительном повышении COP, чтобы дополнительно улучшить свойство рационального использования энергии холодильников, которые используют цикл Брайтона.

В детандер-компрессоре, снижение адиабатической эффективности детандера и уменьшение COP холодильника может быть вызвано притоком тепла за счет хладагента, проходящего через область, образующуюся во внутреннем пространстве корпуса вследствие разности давлений между компрессором и детандером, вытекающего из стороны задней поверхности компрессора в сторону детандера.

[0005] При этом известный холодильник включает множество компрессоров, предусмотренных в более чем одной ступенях, чтобы повысить степень сжатия компрессоров для осуществления криогенного охлаждения.

2-й патентный документ раскрывает кондиционер охлаждающего воздуха с двумя ступенями компрессоров и детандеров, который осуществляет цикл двухступенчатого сжатия и двухступенчатого расширения. В данном устройстве детандер-компрессор, который объединяет в одно целое компрессор верхней ступени и первый и второй детандеры, размещен в уплотненном резервуаре, который уже не требует обеспечения уплотнения между компрессорами и детандерами.

В 3-ем патентном документе, для решения упомянутой проблемы детандер-компрессора, вытекающий хладагент возвращают в сторону впуска или сторону выпуска компрессора из линии отбора, расположенной в корпусе.

Перечень цитируемых источников

Патентные документы

[0006]

1-й патентный документ: JPH7-91760A

2-й патентный документ: 2005-98604А

3-й патентный документ: описание и чертежи РСТ/JP2014/077109 (еще не опубликован)

Сущность изобретения

Проблемы, которые должны быть решены

[0007] Как было описано выше, в холодильнике, снабженном детандер-компрессором, охлаждающие характеристики могут ухудшаться высокотемпературным хладагентом, который проходит через область, образующуюся во внутреннем пространстве корпуса детандер-компрессора, и вытекает из стороны компрессора в сторону детандера.

1-й и 2-й патентные документы не раскрывают решения упомянутой проблемы.

Хотя решение, предложенное в 3-м патентном документе, способно до некоторой степени предотвратить приток высокотемпературного хладагента из компрессора, количество хладагента, которое должно быть возвращено в линию отбора, ограничено, чтобы предотвратить снижение несущей способности магнитного подшипника и ухудшение характеристик компрессора.

[0008] Задачей по меньшей мере одного варианта осуществления настоящего изобретения является создание холодильника, использующего цикл Брайтона, включающего в себя детандер-компрессор, без упомянутой проблемы и имеющего повышенный COP.

Решение упомянутых проблем

[0009] (1) Холодильник в соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления настоящего изобретения содержит: охлаждающую часть для охлаждения объекта, подлежащего охлаждению, посредством теплообмена с хладагентом; детандер-компрессор, включающий в себя компрессор для сжатия хладагента и детандер для расширения хладагента, причем упомянутый компрессор и упомянутый детандер объединены в детандер-компрессоре; и линию циркуляции хладагента для циркуляции хладагента в упомянутом компрессоре, упомянутом детандере и упомянутой охлаждающей части. Упомянутый компрессор включает компрессор нижней ступени, компрессор промежуточной ступени и компрессор верхней ступени, расположенные последовательно в упомянутой линии циркуляции хладагента, и упомянутый детандер-компрессор, включает в себя: компрессор промежуточной ступени, детандер для адиабатического расширения и охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора верхней ступени; первый двигатель, содержащий выходной вал, соединенный с компрессором промежуточной ступени и с детандером; по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором промежуточной ступени и детандером, для поддержания выходного вала первого двигателя без контакта с упомянутым выходным валом; и корпус для размещения компрессора промежуточной ступени, детандера и упомянутого по меньшей мере одного бесконтактного подшипника.

[0010] В упомянутом детандер-компрессоре, область между детандером и компрессором, во внутреннем пространстве упомянутого корпуса, не является проточным каналом, изначально предназначенным для протекания рабочей текучей среды. Поэтому между компрессором и упомянутой областью и между детандером и упомянутой областью обычно предусмотрено уплотнение, так что рабочая текучая среда не протекает в упомянутую область из компрессора и детандера. Однако даже если предусмотрены такие уплотнения, трудно уплотнить рабочую текучую среду полностью и предотвратить утечку из компрессора.

В результате глубоких исследований, проведенных авторами настоящего изобретения, было обнаружено, что разность давлений между стороной компрессора и стороной детандера является причиной утечки части рабочей текучей среды, сжимаемой компрессором, в сторону детандера через крошечный зазор уплотнения из стороны компрессора через упомянутую область, и что высокотемпературная вытекающая текучая среда, проникающая в детандер, может вызывать снижение адиабатической эффективности детандера.

[0011] При использовании упомянутой конфигурации (1), компрессоры предусмотрены в трех ступенях, и таким образом можно увеличить степень сжатия и уменьшить температуру хладагента до криогенно низкой температуры.

В холодильнике, снабженном детандер-компрессором, можно экономить энергию посредством создания множества ступеней компрессоров, включающих компрессор верхней ступени, который требует значительной электроэнергии, объединенный с детандером, чтобы компенсировать энергию, расходуемую компрессором верхней ступени рекуперированной энергией расширения. Однако давление и температура хладагента, вытекающего из компрессора верхней ступени в сторону детандера, значительно отличаются от давления и температуры хладагента, расширенного посредством детандера. Очень большое количество тепла поступает в детандер, даже если объем утечки небольшой, что может значительно ухудшать адиабатическую эффективность детандера и охлаждающие характеристики (охлаждающую способность, COP) холодильника.

[0012] При использовании упомянутой конфигурации (1), компрессор промежуточной ступени и детандер объединены в детандер-компрессоре, и таким образом можно уменьшить или по существу устранить разность давлений между статическим давлением на выходе компрессора промежуточной ступени и статическим давлением на входе детандера во время нормальной работы. Следовательно, можно ограничить объем хладагента, который вытекает из компрессора в детандер и приток тепла, и предотвратить ухудшение адиабатической эффективности детандера и охлаждающих характеристик холодильника.

[0013] (2) В некоторых вариантах осуществления, в упомянутой конфигурации (1), холодильник дополнительно содержит линию отбора, расположенную так, чтобы сообщаться с областью между компрессором промежуточной ступени и детандером во внутреннем пространстве корпуса, и выполненную с возможностью отбора по меньшей мере части вытекающего хладагента, который протекает из стороны компрессора промежуточной ступени в сторону детандера внутри корпуса, из упомянутой области в линию циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска компрессора промежуточной ступени за пределами корпуса. Корпус выполнен с возможностью уплотнения упомянутой области от наружной стороны корпуса, так что по меньшей мере часть вытекающего хладагента через линию отбора является единственным потоком хладагента между упомянутой областью и внешней стороной корпуса.

[0014] Также при использовании упомянутой конфигурации (1), если хладагент вытекает из стороны компрессора в сторону детандера, то по меньшей мере часть вытекающего хладагента, перемещающегося из стороны компрессора в сторону детандера, отбирается из упомянутой области в линию циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска компрессора промежуточной ступени за пределами корпуса, через линию отбора. Следовательно, даже если хладагент вытекает из стороны компрессора, можно дополнительно уменьшить объем хладагента, который перемещается в сторону детандера, и тем самым дополнительно предотвратить перенос тепла в детандер через вытекающий хладагент. Таким образом, можно предотвратить уменьшение адиабатической эффективности детандера и ухудшение охлаждающих характеристик холодильника вследствие вытекающей текущей среды из стороны компрессора.

[0015] Если корпус не уплотнен от внешней стороны, и другой газ, помимо вытекающего хладагента, перемещающегося из упомянутой области в область циркуляции хладагента, может проникать в упомянутую область с внешней стороны корпуса, тепло может передаваться от упомянутого газа, проникающего в упомянутую область с внешней стороны корпуса, в детандер, имеющий низкую температуру. Таким образом, тепло может поступать в детандер неожиданно не только за счет вытекающего хладагента, но и за счет газа, проникающего в упомянутую область с внешней стороны корпуса, и трудно предотвратить причину неожиданного притока тепла в детандер даже при использовании линии отбора.

[0016] Для сравнения, при использовании детандер-компрессора, в соответствии с упомянутой конфигурацией (2), упомянутая область уплотнена от внешней стороны корпуса, так что по меньшей мере часть вытекающего хладагента через линию отбора является единственным потоком между упомянутой областью и внешней стороной корпуса.

Таким образом вытекающая жидкость по сути является единственной причиной неожиданного притока тепла в детандер. Следовательно, при использовании линии отбора, образующей поток хладагента, который направляет по меньшей мере часть хладагента, перемещающегося из стороны компрессора в сторону детандера в упомянутой области, в линию циркуляции хладагента, можно предотвратить неожиданный приток тепла в сторону детандера и значительно повысить COP.

[0017] (3) В некоторых вариантах осуществления, в упомянутой конфигурации (1) или (2), холодильник дополнительно содержит манометр для определения дифференциального давления между давлением участка, расположенного ближе к компрессору промежуточной ступени, чем к детандеру, в упомянутой области внутреннего пространства корпуса, и давлением участка, расположенного ближе к детандеру, чем к компрессору промежуточной ступени, в упомянутой области. Наличие или отсутствие вытекающего хладагента определяется из значения, регистрируемого упомянутым манометром.

При использовании упомянутой конфигурации (3), можно точно прогнозировать объем хладагента, который вытекает из компрессора промежуточной ступени в сторону детандера, посредством определения разности давлений между упомянутыми двумя участками.

Таким образом, можно предотвратить приток тепла в детандер посредством управления работой холодильника или посредством отбора вытекающего хладагента из линии отбора, если детандер-компрессор включает линию отбора, на основе упомянутой определяемой разности давлений.

[0018] (4) В некоторых вариантах осуществления, в любой из упомянутых конфигураций (1)-(3), холодильник дополнительно содержит термометр для определения разности температур между температурой участка, расположенного ближе к компрессору промежуточной ступени, чем к детандеру, в упомянутой области внутреннего пространстве корпуса, и температурой участка, расположенного ближе к детандеру, чем к компрессору промежуточной ступени, в упомянутой области. Наличие или отсутствие вытекающей текучей среды определяется из значения, регистрируемого упомянутым термометром.

При использовании упомянутой конфигурации (4), можно точно прогнозировать объем хладагента, который вытекает из компрессора промежуточной ступени в сторону детандера, посредством определения разности температур между упомянутыми двумя участками.

Таким образом, можно предотвратить приток тепла в детандер посредством управления работой холодильника, или посредством отбора вытекающего хладагента из линии отбора, если холодильник включает линию отбора, на основе определяемой разности температур.

[0019] (5) В некоторых вариантах осуществления, в упомянутой конфигурации (3) или (4), холодильник дополнительно содержит: клапан отбора, расположенный в линии отбора, для регулирования объема отбора вытекающего хладагента; и контроллер для управления степенью открытия упомянутого клапана отбора на основе значения, регистрируемого упомянутым манометром или упомянутым термометром.

При использовании упомянутой конфигурации (5), управление степенью открытия клапана отбора осуществляется посредством упомянутого контроллера на основе разности давлений, определяемой посредством манометра, или разности температур, определяемой посредством термометра, и таким образом можно управлять объемом отбора в соответствии с объемом вытекающего хладагента. А значит можно дополнительно уменьшить количество тепла, которое поступает в детандер.

[0020] (6) В некоторых вариантах осуществления, в упомянутой конфигурации (5), упомянутый контроллер выполнен с возможностью управления степенью открытия клапана отбора на основе по меньшей мере одного из: COP холодильника или разности температуры хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера.

COP холодильника может быть получен из COP стандарта потребления мощности (COP_b) как в формуле (1) или из COP стандарта мощности сжатия (COP_c) как в формуле (2).

(Формула 1)

(1)

(Формула 2)

(2)

В вышеприведенных уравнениях (1) и (2), G - массовый расход [кг/с] хладагента, который циркулирует в линии циркуляции хладагента; P - мощность (потребление мощности) [Вт]; h₁ - энтальпия [Дж/кг] на входе в компрессор; h₂ - энтальпия [Дж/кг] на выходе из компрессора; h₅ - энтальпия [Дж/кг] на входе в теплообменник для охлаждающей части; h₆ - энтальпия [Дж/кг] на выходе из теплообменника для охлаждающей части.

[0021] Чем больше количество вытекающего хладагента, отведенного в линию циркуляции хладагента, тем меньше количество тепла, которое поступает в детандер через перетекающий хладагент. Однако если объем отбора будет слишком большим, то будет больше вытекающего хладагента, который не циркулирует в линии циркуляции хладагента и не участвует в охлаждении объекта, подлежащего охлаждению, что может приводить к увеличению мощности двигателя, используемой для сжатия, и уменьшению эффективности компрессора. Таким образом, COP холодильника, включающего в себя детандер-компрессор, достигает своего максимума при некотором объеме отбора (объем отбора для максимального COP).

Ввиду этого, при упомянутой конфигурации (6), можно повысить COP холодильника посредством управления объемом отбора до величины, близкой к объему отбора для максимума COP, в соответствии с рабочими условиями, на основе по меньшей мере одного из COP холодильника или разности температуры холодильника между стороной впуска и стороной выпуска детандера.

Кроме того, во время работы при меньших изменениях в условиях, степень открытия можно регулировать ручным клапаном так, чтобы обеспечить постоянную степень открытия.

[0022] В некоторых вариантах осуществления, в любой из упомянутых конфигураций (1)-(6), холодильник дополнительно содержит адиабатический корпус, термически изолированный от наружной стороны и вмещающий в себя детандер и охладитель.

При упомянутой конфигурации (7), детандер и охладитель размещаются в адиабатическом корпусе, который термически изолирован от наружной стороны, и таким образом можно предотвращать уменьшение адиабатической эффективности детандера и уменьшение охлаждающих характеристик холодильника вследствие проникновения внешнего тепла.

[0023] В некоторых вариантах осуществления, в любой из упомянутых конфигураций (1)-(7), холодильник дополнительно содержит компрессорный узел, который включает в себя: второй двигатель, содержащий выходной вал, соединенный с компрессором нижней ступени и с компрессором верхней ступени; по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором нижней ступени и компрессором верхней ступени, для поддержания упомянутого выходного вала и упомянутого второго двигателя не контактируя с упомянутым выходным валом; и корпус для размещения компрессора нижней ступени, компрессора верхней ступени и упомянутого по меньшей мере одного бесконтактного подшипника.

При упомянутой конфигурации (8), компрессорный узел включает компрессор нижней ступени и компрессор верхней ступени, и таким образом можно создать холодильник с простой конструкцией и низкой стоимостью. Кроме того, компрессор нижней ступени и компрессор верхней ступени можно приводить в действие посредством одного двигателя, и таким образом можно уменьшить электроэнергию, требующуюся для приведения в действие компрессоров по сравнению с вариантом, при этом компрессор нижней ступени и компрессор верхней ступени приводятся в действие независимо.

[0024] (9) В некоторых вариантах осуществления, в упомянутой конфигурации (8), холодильник дополнительно содержит первый теплообменник, расположенный в линии циркуляции хладагента между компрессором нижней ступени и компрессором промежуточной ступени, для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора нижней ступени; второй теплообменник, расположенный в линии циркуляции хладагента между компрессором промежуточной ступени и компрессором верхней ступени, для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора промежуточной ступени; и третий теплообменник, расположенный в линии циркуляции хладагента между компрессором верхней ступени и детандером, для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора верхней ступени. Первый теплообменник, второй теплообменник и третий теплообменник расположены между детандер-компрессором, и компрессорным узлом так, чтобы быть параллельными друг другу в продольном направлении.

[0025] При упомянутой конфигурации (9), первый теплообменник, второй теплообменник и третий теплообменник расположены так, чтобы быть параллельными в продольном направлении, и таким образом можно уменьшить установочное пространство для теплообменников.

Кроме того, упомянутые три теплообменника используются для образования узла теплообменников, расположенного между детандер-компрессором, включающего компрессор промежуточной ступени и компрессорный узел, включающий в себя компрессор нижней ступени и компрессор верхней ступени, и таким образом можно облегчить размещение трубопровода, который должен быть соединен с упомянутыми устройствами, и уменьшить длину и соответственно стоимость трубопровода. Кроме того, уменьшение длины трубопровода позволяет уменьшить потери давления хладагента, который протекает в трубопроводе, и соответственно улучшить охлаждающие характеристики холодильника.

[0026] (10) Способ работы холодильника в соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления настоящего изобретения описан для холодильника, который содержит: охлаждающую часть для охлаждения объекта, подлежащего охлаждению, посредством теплообмена с хладагентом; детандер-компрессор, включающий в себя компрессор для сжатия хладагента и детандер для расширения хладагента, причем упомянутый компрессор и упомянутый детандер объединены в детандер-компрессоре; и линию циркуляции хладагента для циркуляции хладагента в упомянутом компрессоре, упомянутом детандере и упомянутой охлаждающей части. Упомянутый компрессор включает компрессор нижней ступени, компрессор промежуточной ступени и компрессор верхней ступени, расположенные последовательно в линии циркуляции хладагента. Упомянутый детандер-компрессор, включает в себя: компрессор промежуточной ступени, детандер для адиабатического расширения и охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора промежуточной ступени; первый двигатель, содержащий выходной вал, соединенный с компрессором промежуточной ступени и с детандером; по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором промежуточной ступени и детандером, для поддержания выходного вала первого двигателя не контактируя с выходным валом; и корпус для размещения компрессора промежуточной ступени, детандера или упомянутого по меньшей мере одного бесконтактного подшипника. Упомянутый корпус выполнен с возможностью уплотнения области между компрессором промежуточной ступени и детандером, внутреннего пространства упомянутого корпуса, от наружной стороны упомянутого корпуса. Упомянутый способ включает: этап сжатия хладагента с использованием упомянутых трех компрессоров; этап расширения хладагента, сжатого на этапе сжатия, с использованием детандера; этап охлаждения объекта, подлежащего охлаждению, посредством теплообмена с хладагентом, расширенным на этапе расширения; и этап отбора, через линию отбора, расположенную так, чтобы сообщаться с упомянутой областью внутри корпуса, по меньшей мере части вытекающего хладагента, который протекает из стороны компрессора промежуточной ступени в сторону детандера внутри корпуса, из упомянутой области внутри корпуса в линию циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска компрессора, за пределами корпуса.

[0027] В соответствии с упомянутым способом (10), аналогично упомянутой конфигурации (1), если хладагент вытекает из стороны компрессора в сторону детандера, то по меньшей мере часть вытекающего хладагента, перемещающегося из стороны компрессора в сторону детандера, отбирается из упомянутой области в линию циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска компрессора промежуточной ступени, за пределами корпуса через линию отбора.

Следовательно, даже если хладагент вытекает из стороны компрессора промежуточной ступени, можно дополнительно уменьшить количество хладагента, которое перемещается в сторону детандера, и тем самым дополнительно предотвратить передачу тепла в детандер через вытекающий хладагент. Таким образом, можно предотвратить уменьшение адиабатической эффективности детандера и ухудшение охлаждающих характеристик хладагента вследствие вытекающей текучей среды из стороны компрессора.

[0028] Кроме того, при корпуса детандер-компрессора, упомянутая область уплотнена от наружной стороны корпуса так, что по меньшей мере часть вытекающего хладагента через линию отбора является единственным потоком между упомянутой областью и наружной стороной корпуса. Таким образом вытекающая жидкость является по существу единственной причиной неожиданного притока тепла в детандер. Следовательно, при наличии линии отбора, образующей поток хладагента, который направляет по меньшей мере часть хладагента, перемещающегося из стороны компрессора в сторону детандера в упомянутой области, в линию циркуляции хладагента, можно предотвратить неожиданный приток тепла в детандер и существенно повысить COP.

[0029] (11) В некоторых вариантах осуществления, в упомянутом способе (10), этап отбора включает первый этап регулирования объема обора в сторону впуска или сторону выпуска компрессора промежуточной ступени на основе дифференциального давления между давлением участка, расположенного ближе к компрессору промежуточной ступени, чем к детандеру, в упомянутой области внутри корпуса, и давлением участка, расположенного ближе к детандеру, чем к компрессору промежуточной ступени, в упомянутой области.

В соответствии с упомянутым способом (11), можно точно прогнозировать объем хладагента, который вытекает из компрессора промежуточной ступени в сторону детандера посредством определения разности давлений между упомянутыми двумя участками. Таким образом, можно предотвратить приток тепла в детандер посредством отбора вытекающего хладагента из линии отбора на основе упомянутой определяемой разности давлений.

[0030] (12) В некоторых вариантах осуществления, в упомянутом способе (10) или (11), этап отбора включает второй этап регулирования объема отбора в сторону впуска или сторону выпуска компрессора промежуточной ступени на основе разности температур между температурой участка, расположенного ближе к компрессору промежуточной ступени, чем к детандеру, в упомянутой области внутри корпуса, и температурой участка, расположенного ближе к детандеру, чем к компрессору промежуточной ступени, в упомянутой области.

В соответствии с упомянутым способом (12), можно точно прогнозировать объем хладагента, который вытекает из компрессора промежуточной ступени в сторону детандера посредством определения разности температур между упомянутыми двумя участками. Таким образом, можно предотвратить приток тепла в детандер посредством отбора вытекающего хладагента из линии отбора на основе упомянутой определяемой разности температур.

[0031] (13) В некоторых вариантах осуществления, в любом из упомянутых способов (10)-(12), этап отбора включает третий этап регулирования объема отбора из упомянутой области внутри корпуса в сторону впуска компрессора на основе по меньшей мере одного из COP холодильника или разности температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера.

В соответствии с упомянутым способом (13), можно повысить COP холодильника посредством регулирования объема отбора на основе по меньшей мере одного из COP холодильника или разности температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера.

[0032] (14) В некоторых вариантах осуществления, в любом из упомянутых способов (10)-(13), компрессор промежуточной ступени содержит центробежный компрессор, включающий в себя рабочее колесо компрессора, прикрепленное к концу первого двигателя. Детандер содержит центробежный детандер, включающий в себя рабочее колесо турбины, прикрепленную к другому концу первого двигателя. Этап сжатия и этап расширения включают регулирование давлений так, чтобы они были по существу одинаковыми на задней стороне рабочего колеса компрессора и на задней стороне рабочего колеса турбины.

В соответствии с упомянутым способом (14), можно предотвратить утечку высокотемпературного хладагента из стороны задней поверхности рабочего колеса компрессора в сторону детандера, посредством выравнивания давления на стороне задней поверхности рабочего колеса компрессора и давления на стороне задней поверхности рабочего колеса турбины.

Преимущества изобретения

[0033] В соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления настоящего изобретения, можно предотвратить приток тепла в детандер за счет утечки хладагента из стороны компрессора внутри корпуса детандер-компрессора, и таким образом можно повысить адиабатическую эффективность детандера и улучшить охлаждающие характеристики (охлаждающую способность, COP) холодильника.

Краткое описание чертежей

[0034] Фиг.1 представляет собой принципиальную схему холодильника в соответствии с вариантом осуществления.

Фиг.2 принципиальную схему холодильника в соответствии с вариантом осуществления.

Фиг.3 представляет собой вид в вертикальном разрезе детандер-компрессора, в соответствии с вариантом осуществления.

Фиг.4 представляет собой схему последовательности операций способа работы холодильника в соответствии с вариантом осуществления.

Фиг.5 представляет собой принципиальную схему части холодильника в соответствии с вариантом осуществления.

Фиг.6 представляет собой принципиальную схему холодильника в соответствии со сравнительным примером.

Фиг.7 представляет собой принципиальную схему холодильника в соответствии со сравнительным примером.

Подробное описание изобретения

[0035] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи. При этом предполагается, что если конкретно не указано, то размеры, материалы, формы, относительные положения и т.п. элементов, описанных в вариантах осуществления и показанных в чертежах, следует понимать только как пояснительные и не ограничивающие объем настоящего изобретения.

Например, формулировки относительного или абсолютного расположения, такие как «в направлении», «вдоль направления», «параллельный», «перпендикулярный», «центрированный», «концентрический» и «коаксиальный», не следует понимать как указывающие расположение только в строгом буквальном смысле, но также включает состояние, когда упомянутое расположение является относительно смещенным на допустимое значение или на угол или расстояние, в результате чего можно осуществлять данную функцию.

Например, формулировку одинакового состояния, такая как «такой же», «одинаковый» и «однородный» не следует понимать как указывающую только состояние, в котором данный признак строго одинаковый, но также включает состояние, в котором существует отклонение или отличие, которое может также осуществлять данную функцию.

Кроме того, например, определение формы, такое как прямоугольная форма или цилиндрическая форма, не следует понимать только как геометрически строгую форму, но также включает форму с неровностью или закругленными углами в пределах диапазона, в которой может быть достигнут данный эффект.

С другой стороны, выражение, такое как «содержат», «включают», «имеют», «заключают» и «образуют» не должны восприниматься как исключающие другие элементы.

[0036] Фиг.1 и 2 представляют собой схемы холодильника 10 (10А, 10В) в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.

Холодильник 10 (10А, 10В) включает охлаждающую часть 12, которая охлаждает объект, подлежащий охлаждению, посредством теплообмена с хладагентом, детандер-компрессор 14, и линию 16 циркуляции хладагента.

Детандер-компрессор 14 включает компрессор С2 промежуточной ступени для сжатия хладагента, и детандер Т для расширения хладагента, которые объединены в детандер-компрессор 14. Линия 16 циркуляции хладагента приспособлена для циркуляции хладагента через компрессоры С1, С2, С3, детандер Т и охлаждающую часть 12.

Компрессоры, предусмотренные для холодильника 10 (10А, 10В), включают компрессор С1 нижней ступени, компрессор С2 промежуточной ступени и компрессор С3 верхней ступени, которые расположены последовательно в линии 16 циркуляции хладагента.

[0037] Как показано на фиг.3, детандер-компрессор 14 в соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления включает: компрессор С2 промежуточной ступени; детандер Т; первый двигатель М1; по меньшей мере один бесконтактный подшипник 22, 24, 26; и корпус 28, который вмещает в себя компрессор С2 промежуточной ступени, детандер Т и упомянутый по меньшей мере один бесконтактный подшипник.

Детандер Т адиабатически расширяет и охлаждает хладагент, выпускаемый из компрессора С3 верхней ступени. Выходной вал 20а первого двигателя М1 соединен с компрессором С2 промежуточной ступени и с детандером Т. Упомянутый по меньшей мере один бесконтактный подшипник 22, 24, 26 расположен между компрессором С3 верхней ступени и детандером Т и поддерживает выходной вал 20а без контакта с выходным валом 20а.

В показанном варианте осуществления, компрессор С2 промежуточной ступени и детандер Т расположены на одной и другой концевой части выходного вала 20а.

[0038] Компрессор С2 промежуточной ступени и детандер Т приводятся в действие посредством первого двигателя М1. Компрессор С2 промежуточной ступени выполнен с возможностью сжатия хладагента r, а детандер Т расширяет хладагент r. Энергия давления хладагента r используется в качестве вспомогательной мощности для компрессора С2 промежуточного давления, и таким образом можно уменьшить мощность первого двигателя М1.

[0039] В холодильнике 10 (10А, 10В), показанном на фиг.1 и 2, хладагент циркулирует в линии 16 циркуляции хладагента.

В качестве примерного варианта осуществления холодильника 10 (10А, 10В), в линии 16 циркуляции хладагента между компрессором С1 нижней ступени и компрессором С2 промежуточной ступени расположен первый теплообменник Нх1 для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора С1 нижней ступени.

Кроме того, в линии 16 циркуляции хладагента между компрессором С2 промежуточной ступени и компрессором С3 верхней ступени расположен второй теплообменник Нх2 для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора С2 промежуточной ступени.

Кроме того, в линии 16 циркуляции хладагента между компрессором С3 верхней ступени и детандером Т расположен третий теплообменник Нх3 для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора С3 верхней ступени.

[0040] Хладагент после одноступенчатого сжатия посредством компрессора С1 нижней ступени подвергается охлаждению посредством первого теплообменника Нх1 и передается в компрессор С2 промежуточной ступени для дополнительного сжатия посредством компрессора С2 промежуточной ступени. После сжатия посредством компрессора С2 промежуточной ступени хладагент подвергается охлаждению посредством второго теплообменника Нх2 и сжатию посредством компрессора С3 верхней ступени. После сжатия посредством компрессора С3 верхней ступени хладагент подвергается охлаждению посредством третьего теплообменника Нх3 и дополнительному охлаждению посредством регенеративного теплообменника 30, перед передачей в детандер Т. Хладагент вращает детандер Т, и энергия давления хладагента используется в качестве вспомогательной мощности для компрессора С2 промежуточной ступени, при этом сам хладагент расширяется, снижая давление и температуру.

Хладагент с низким давлением и низкой температурой передается в охлаждающую часть 12. Охлаждающая часть 12 включает, например, теплообменник и охлаждает объект, подлежащий охлаждению, посредством хладагента. Затем хладагент передается в регенеративный теплообменник 30 для охлаждения хладагента, который должен передаваться в детандер Т, и вновь поступает в компрессор С1 нижней ступени.

[0041] В примерном варианте осуществления, объект, подлежащий охлаждению, посредством теплообмена с хладагентом в охлаждающей части 12, представляет собой жидкий азот для охлаждения сверхпроводящего устройства 32, такого как сверхпроводящий кабель.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1, линия 34 циркуляции жидкого азота расположена так, чтобы циркулировать через охлаждающую часть 12, сверхпроводящее устройство 32 и расширительный бак 36. В линии 34 циркуляции жидкого азота расположен насос 38 для жидкого азота, и жидкий азот, охлажденный до очень низкой температуры в охлаждающей части 12, направляется в сверхпроводящее устройство 32.

[0042] При этом сверхпроводящее устройство 32 приходит в сверхпроводящее состояние, а значит требует охлаждения при очень низкой температуре. Таким образом, хладагент находится при очень низкой температуре на стороне выпуска детандера Т, и поэтому существует большая разность температур между стороной выпуска компрессора С2 промежуточной ступени и стороной выпуска детандера 18, в линии 16 циркуляции хладагента.

Например, в варианте осуществления, если на стороне впуска компрессора С2 промежуточной ступени температура находится в пределах приблизительно от 30°С до 40°С, а на стороне выпуска в пределах приблизительно от 90°С до 100°С, то на стороне впуска детандера 18 температура находится в пределах приблизительно от минус 190°С до минус 200°С, а на стороне выпуска в пределах приблизительно от минус 210°С до минус 220°С.

Следовательно, если хладагент вытекает из стороны компрессора С2 промежуточной ступени в сторону детандера 18, то охлаждающие характеристики холодильника 10 (10А, 10В) снижаются.

Кроме того, хладагент, который перемещается в линии 16 циркуляции хладагента, можно выбрать в соответствии с целевой температурой охлаждения объекта, подлежащего охлаждению, например, из гелия, неона, водорода, азота, воздуха, углеводорода или т.п.

[0043] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1 и 2, обводная линия 16а соединена с линией 16 циркуляции хладагента на стороне выпуска третьего теплообменника Нх3 и стороне впуска компрессора С1 нижней ступени. В обводной линии 16а расположен буферный бак 40, способный временно хранить хладагент. Выше и ниже по потоку от буферного бака 40 расположены клапаны 42 и 44 открытия-закрытия.

Объем хладагента, который циркулирует в линии 16 циркуляции хладагента, можно регулировать посредством временного хранения хладагента в буферном баке 40.

Кроме того, первый теплообменник Нх1, второй теплообменник Нх2 и третий теплообменник Нх3 снабжаются охлаждающей водой W, например, в качестве охлаждающей среды для охлаждения хладагента.

[0044] В примерном варианте осуществления детандер-компрессора 14, показанном на фиг.3, выходной вал 20а первого двигателя 20 поддерживается без контакта посредством радиальных магнитных подшипников 22, 24 и упорного магнитного подшипника 26, расположенных между компрессором С2 промежуточной ступени и детандером Т. Радиальные магнитные подшипники 22 и 24 расположены по обе стороны от первого двигателя М1, для того чтобы поднимать выходной вал 20а посредством магнитной силы и выдерживать радиальную нагрузку выходного вала 20а. Упорный магнитный подшипник 26 расположен между первым двигателем М1 и детандером Т, чтобы выдерживать осевую нагрузку выходного вала 20а посредством магнитной силы, так что между упорным магнитным подшипником 26 и диском 50 ротора, расположенным на выходном валу 20а, образуется зазор.

[0045] В примерном варианте осуществления, компрессор С2 промежуточной ступени представляет собой центробежный компрессор, включающий в себя рабочее колесо 52 компрессора, прикрепленное к концу первого двигателя М1, а детандер Т представляет собой центробежный детандер, включающий в себя рабочее колесо 54 турбины, прикрепленное к другому концу первого двигателя М1. Рабочее колесо 52 компрессора и рабочее колесо 54 турбины оба расположены в проточном канале хладагента r. Вокруг выходного вала 20а расположен статор 20b.

[0046] Как показано на фиг.3, в примерном варианте осуществления, линия 56 (56') отбора образована через детандер-компрессор 14.

Линия 56 (или 56') отбора расположена так, чтобы сообщаться с областью «Is» внутреннего пространства корпуса 28, которая расположена между компрессором С2 промежуточной ступени и детандером Т. Через линию 56 (56') отбора, по меньшей мере часть вытекающего хладагента r0, перемещающегося из стороны компрессора С2 промежуточной ступени в сторону детандера Т внутри корпуса 28, отбирается из области «Is» в линию 16 циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска компрессора С2 промежуточной ступени за пределами корпуса 28.

Кроме того, корпус 28 выполнен так, чтобы уплотнять область «Is» от наружной стороны корпуса 28, так что по меньшей мере часть потока вытекающего хладагента r через линию 56 отбора является единственным потоком между областью «Is» и наружной стороной корпуса 28.

[0047] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.3, внутри корпуса 28 расположены уплотнительный элемент 62 для сдерживания утечки хладагента r из компрессора С2 промежуточной ступени в корпус, и уплотнительный элемент 64 для сдерживания утечки хладагента r из детандера Т в корпус 28.

Уплотнительные элементы 62 и 64 могут представлять собой лабиринтные уплотнения. В этом случае, как показано на фиг.3, лабиринтные уплотнения могут быть расположены на задней стороне рабочего колеса 52 компрессора или рабочего колеса 54 турбины, между корпусом 28 и рабочим колесом 52 компрессора или рабочим колесом 54 турбины, и вокруг выходного вала 20а и между выходным валом 20а и корпусом 28.

[0048] Если разность давлений между стороной компрессора промежуточной ступени и стороной детандера в пределах области «Is» становится больше, то уплотнительные элементы 62 и 64 могут оказаться не способными полностью предотвратить утечку хладагента из стороны компрессора промежуточной ступени в корпус. После выхода из области «Is», вытекающий хладагент r0 проходит через зазор между выходным валом 20а и бесконтактными подшипниками 22, 24 и 26 и протекает в сторону детандера, где рабочая температура ниже, чем на стороне компрессора промежуточной ступени. Следовательно, тепло проникает в детандер Т, и адиабатическая эффективность детандера может снижаться.

Таким образом, вытекающий хладагент r0 выпускают в линию 16 циркуляции хладагента на стороне впуска или стороне выпуска компрессора С2 промежуточной ступени, или в линию 16 циркуляции хладагента на стороне впуска или стороне выпуска компрессора С1 нижней ступени, через линию 56 (56') отбора, тем самым предотвращая приток тепла в сторону детандера.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.3, линия 56 (56') отбора проходит в радиальном направлении так, чтобы проходить через корпус 28. Положение линии 56 (56') отбора в аксиальном направлении конкретно не ограничено, и она может быть расположена вдоль аксиального направления выходного вала 20а.

[0049] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.3, дополнительно предусмотрен манометр для определения дифференциального давления между давлением участка области «Is», расположенного ближе к компрессору С2 промежуточной ступени, чем к детандеру Т, и давлением участка области «Is», расположенного ближе к детандеру Т, чем к компрессору С2 промежуточной ступени. Наличие или отсутствие объема вытекающего хладагента r0 прогнозируется на основе дифференциального давления, определяемого посредством манометра.

В показанном варианте осуществления, манометр 66 предусмотрен для определения давления участка области «Is», расположенного ближе к компрессору С2 промежуточной ступени, чем к детандеру Т, а манометр 68 предусмотрен для определения давления участка области «Is», расположенного ближе к детандеру Т, чем к компрессору С2 промежуточной ступени. Значения, определяемые посредством манометров, вводят в контроллер 60, который определяет дифференциальное давление между ними, и на основе упомянутого дифференциального давления прогнозируют наличие или отсутствие объема вытекающего хладагента r0.

[0050] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.3, дополнительно предусмотрен термометр для определения разности температур между температурой участка области «Is», расположенного ближе к компрессору С2 промежуточной ступени, чем к детандеру Т, и температурой участка области «Is», расположенного ближе к детандеру Т, чем к компрессору С2 промежуточной ступени.

В показанном варианте осуществления, термометр 70 предусмотрен для определения температуры участка области «Is», расположенного ближе к компрессору С2 промежуточной ступени, чем к детандеру Т, а термометр 72 предусмотрен для определения температуры участка области «Is», расположенного ближе к детандеру Т, чем к компрессору С2 промежуточной ступени. Значения, определяемые посредством термометров, вводят в контроллер 60, который определяет разность температур между ними, и на основе упомянутой разности температур прогнозируют наличие или отсутствие объема вытекающего хладагента r0.

В варианте осуществления, показанном на фиг.3, предусмотрены и манометры 66, 68 и термометры 70, 72. При этом детандер-компрессор 14 может включать или датчики давления или термометры.

[0051] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1 и 3, детандер-компрессор 14 дополнительно включает клапан 58 отбора, расположенный в линии 56 отбора, для регулирования объема отбора вытекающего хладагента r0.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.3, также предусмотрен контроллер 60 для управления степенью открытия клапана 58 отбора на основе значений, регистрируемых манометрами 66 и 68 и термометрами 70 и 72. Следовательно, на основе наличия или отсутствия объема вытекающего хладагента r0 можно управлять объемом отбора вытекающего хладагента r0.

[0052] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1 и 2, детандер Т и охлаждающая часть 12 размещаются в адиабатическом корпусе 74, который термически изолирован от наружной стороны.

В показанном варианте осуществления, регенеративный теплообменник 30 также размещен в уплотненном корпусе 74.

[0053] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1, предусмотрен компрессорный узел 76, который включает компрессор С1 нижней ступени, компрессор С3 верхней ступени, второй двигатель М2, упомянутый по меньшей мере один бесконтактный подшипник 22, 24 и 26 и корпус 28 для размещения данных устройств.

Выходной вал 78 второго двигателя М2 соединен с компрессором С1 нижней ступени и компрессором С3 верхней ступени, и упомянутый по меньшей мере один бесконтактный подшипник 22, 24 и 26 содержит, например, радиальные магнитные подшипники и упорный магнитный подшипник, которые поддерживают выходной вал 78 без контакта с ним.

Корпус 28 и бесконтактные подшипники 22, 24, 26 для компрессорного узла 76 могут иметь такую же конфигурацию, как корпус 28 и бесконтактные подшипники 22, 24, 26 для детандер-компрессора 14 или необязательно могут иметь такую же конфигурацию.

[0054] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.2, первый теплообменник Нх1, второй теплообменник Нх2 и третий теплообменник Нх3 расположены между детандер-компрессором 14 и компрессорным узлом 76 так, чтобы быть параллельными в продольном направлении, при этом образуя, например, узел 80 теплообменников.

[0055] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1, контроллер 60 выполнен с возможностью управления степенью открытия клапана 58 отбора на основе по меньшей мере одного из COP холодильника 10 (10А) или разности температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т.

COP холодильника может быть вычислен посредством измерения, например, мощности (потребляемой мощности) первого двигателя М1 и второго двигателя М2. При этом мощность измеряется посредством динамометров 82 и 84, и результаты измерений передаются в контроллер 60.

Температуры стороны впуска и стороны выпуска детандера Т измеряются посредством термометра 86, расположенного на стороне впуска детандера 6, и термометра 88, расположенного на стороне выпуска детандера Т, в линии 22 циркуляции хладагента, и результаты изменений передаются в контроллер 60. Контроллер 60 вычисляет разность температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т исходя из температур, измеряемых посредством термометров 86 и 88.

[0056] Кроме того, в линии 56 (56') отбора расположен расходомер, который определяет объем отвода вытекающего хладагента, отбираемый в линию 16 циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска компрессора С2 промежуточной ступени за пределами корпуса от области «Is». Результаты измерений передаются в контроллер 60.

Кроме того, расходомер 92, расположенный в линии 16 циркуляции хладагента, определяет объем циркуляции хладагента.

[0057] В примерном варианте осуществления, контроллер 60 выполнен с возможностью регулирования объема отбора из области «Is» внутри корпуса детандер-компрессора 14 в сторону впуска компрессора С2 промежуточной ступени, на основе измерений расхода вытекающего хладагента в линии 56 отбора, мощности первого двигателя М1 и второго двигателя М2, COP холодильника 10 (10А), разности температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т, или т.п. Кроме того, COP холодильника может быть получен из COP стандарта потребления мощности (COP_b), полученного из вышеприведенного уравнения (1), или из COP стандарта мощности сжатия (COP_с), полученного из вышеприведенного уравнения (2).

В вышеприведенных уравнениях (1) и (2), G - массовый расход [кг/с] хладагента, который циркулирует в линии 16 циркуляции хладагента; P - суммарная мощность (потребляемая мощность) [W] первого двигателя М1 и второго двигателя М2; h₁ - суммарная энтальпия [Дж/кг] на входе компрессора С1 нижней ступени, компрессора С2 промежуточной ступени и компрессора С3 верхней ступени; h₂ - суммарная энтальпия [Дж/кг] на выходе компрессора С1 нижней ступени, компрессора С2 промежуточной ступени и компрессора С3 верхней ступени; h₅ - энтальпия [Дж/кг] на входе теплообменника для охлаждающей части 12; и h₆ - энтальпия [Дж/кг] на выходе теплообменника для охлаждающей части 12.

[0058] В примерном варианте осуществления, контроллер 60 включает память, которая хранит информацию об эксплуатационных условиях для холодильника 10 (10А), включая по меньшей мере одно из целевого COP холодильника или разности температур между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т, и регулирует объем отбора посредством управления степенью открытия клапана 58 отбора, так чтобы удовлетворять упомянутые эксплуатационные условия, на основе результата определения по меньшей мере одного из COP холодильника, вычисляемого посредством динамометров 82, 84, или т.п. (в дальнейшем также называемого «измеренным COP холодильника») или термометров 86, 88.

Контроллер 60 может определять значение команды степени открытия клапана 58 отбора на основе разности между информацией, которая показывает эксплуатационные условия холодильника 10(10А), хранящейся в памяти, и результатом определения по меньшей мере одного из измеренного COP холодильника или термометров 86, 88. При этом контроллер 60 может включать пропорциональный контроллер (P controller), пропорционально-интегральный контроллер (PI controller), пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер (PID controller) или т.п., для определения значения команды степени открытия для клапана 58 отбора.

[0059] Кроме того, эксплуатационные условия холодильника 10(10А), которые максимизируют COP, могут варьироваться в соответствии с нагрузками на охлаждение охлаждающей части 12. В этом случае контроллер 60 может регулировать объем отбора на основе результата определения по меньшей мере одного из измеренного COP холодильника или термометров 86, 88, так чтобы удовлетворять эксплуатационные условия, соответствующие нагрузкам на охлаждение охлаждающей части 12.

Энтальпии h₁, h₂, h₅ и h₆ получают соответственно из измеренных значений давлений Р₁, Р₂, Р₅ и Р₆ и температур Т₁, Т₂, Т₅ и Т₆ в соответствующих точках. Кроме того, холодильник 10(10А) может включать расходомер (не показанный) для измерения массового расхода хладагента, который циркулирует в линии 16 циркуляции хладагента, или термометры (не показанные) и манометры (не показанные) для измерения соответственно температур и давлений входа и выхода каждого компрессора и входа и выхода охлаждающей части 12.

[0060] В другом варианте осуществления, контроллер 60 включает память, хранящую информацию о по меньше мере одном из целевого COP холодильника или максимального значения разности температур между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т, и регулирует объем отбора посредством управления степенью открытия клапана 58 отбора, так что результат определения по меньшей мере одного из измеренного COP холодильника или термометров 86, 88 становится ближе к целевому COP холодильника или максимальной величине разности температур между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т. Контроллер 60 может определять значение команды степени открытия клапана 58 отбора на основе разности между целевым COP холодильника, хранящимся в памяти, или информацией, которая указывает максимальное значение разности температур между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т, и результатом определения по меньшей мере одного из измеренного COP холодильника или термометров 86, 88. При этом контроллер 60 может включать пропорциональный контроллер (P controller), пропорционально-интегральный контроллер (PI controller), пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер (PID controller) или т.п., для определения значения команды степени открытия для клапана 58 отбора.

[0061] В примерном варианте осуществления, контроллер 60 выполнен с возможностью регулирования объема отбора из области «Is» внутри корпуса в сторону впуска или сторону выпуска компрессора С2 промежуточной ступени, так чтобы не превышать верхний предел объема отбора, определяемый так, чтобы не превышать допуска нагрузок (осевых нагрузок) упорного магнитного подшипника 26.

[0062] Как показано на фиг.4, способ работы холодильника в соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления включает этап S10 сжатия, этап S12 расширения, этап S14 охлаждения и этап S16 отбора.

На этапе S10 сжатия, компрессор С1 нижней ступени, компрессор С2 промежуточной ступени и компрессор С3 верхней ступени сжимают хладагент.

На этапе S12 расширения, детандер Т расширяет хладагент, сжатый на этапе S10 сжатия.

На этапе S14 охлаждения, объект, подлежащий охлаждению, подвергается охлаждению в охлаждающей части 12 посредством теплообмена с хладагентом, расширенным посредством детандера Т2.

На этапе S16 отбора, через линию 56 (56') отбора, расположенную так, чтобы сообщаться с областью «Is» внутри корпуса детандер-компрессора 14, по меньшей мере часть вытекающего хладагента r0, перемещающегося из компрессора С2 промежуточной ступени к детандеру Т, отбирается из области «Is» внутри корпуса в линию 16 циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска компрессора С2 промежуточной ступени за пределами корпуса.

[0063] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.4, этап S16 отбора включает первый этап S16a регулирования объема отбора в сторону впуска или сторону выпуска компрессора С2 промежуточной ступени на основе разности давлений между давлением участка, расположенного ближе к компрессору 16 промежуточной ступени, чем к детандеру Т, области «Is» внутри корпуса детандер-компрессора 14, и давлением участка, расположенного ближе к детандеру Т, чем к компрессору 16 промежуточной ступени, области «Is».

Давления упомянутых двух участков определяются, например, посредством манометров 66 и 68, показанных на фиг.3.

[0064] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.4, этап S16 отбора включает второй этап S16b регулирования объема отбора в сторону впуска или сторону выпуска компрессора С2 промежуточной ступени на основе разности температур между температурой участка, расположенного ближе к компрессору 16 промежуточной ступени, чем к детандеру Т, области «Is» внутри корпуса детандер-компрессора, и температурой участка, расположенного ближе к детандеру Т, чем к компрессору 16 промежуточной ступени, области «Is».

Температуры упомянутых двух участков определяются, например, посредством термометров 70 и 72, показанных на фиг.3.

[0065] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.4, третий этап S16c регулирования объема отбора из области «Is» внутри корпуса детандер-компрессора 14 в сторону впуска или сторону выпуска компрессора С2 промежуточной ступени, на основе по меньшей мере одного из COP холодильника 10(10А) или разности температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т.

Из упомянутых трех этапов, включающих первый этап S16a регулирования объема отбора, второй этап S16b регулирования объема отбора и третий этап S16с регулирования объема отбора, по меньшей мере один из упомянутых этапов может быть выполнен, или два или более этапов могут быть выполнены совместно. Кроме того, порядок выполнения этапов S16a-S16c не ограничен порядком, показанным в чертеже.

[0066] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.3, компрессор 16 промежуточной ступени представляет собой центробежный компрессор, включающий в себя рабочее колесо компрессора 52, прикрепленное к концу первого двигателя М1, а детандер Т представляет собой центробежный детандер, включающий в себя рабочее колесо 54 турбины, прикрепленное к другому концу первого двигателя М1.

На этапе S10 сжатия и этапе S12 расширения, регулирование давления осуществляется таким образом, чтобы они были по существу одинаковыми на задней стороне рабочего колеса 52 компрессора и на задней стороне рабочего колеса 54 турбины.

[0067] В некоторых вариантах осуществления, показанных на фиг.1 и 2, компрессор С2 промежуточной ступени и детандер Т объединены в детандер-компрессор 14 и таким образом можно уменьшить или по существу устранить разность давлений между статическим давлением на входе компрессора С2 промежуточного давления и статическим давлением на входе детандера Т во время нормальной работы. Следовательно, можно ограничить объем хладагента, который вытекает из компрессора С2 промежуточной ступени в детандер Т, таким образом предотвращая приток тепла, и предотвратить снижение адиабатической эффективности детандера Т и охлаждающих характеристик холодильника 10(10А, 10В).

[0068] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1 и 3, в случае если хладагент еще вытекает из компрессора С2 промежуточной ступени в детандер Т, по меньшей мере часть вытекающего хладагента r0 отбирается за пределы корпуса из области «Is» через линию 56(56') отбора, и таким образом можно дополнительно уменьшить объем хладагента, который перемещается в сторону детандера.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1, можно прогнозировать наличие или отсутствие объема утечки вытекающего хладагента r0 посредством определения разности давлений или температур между стороной компрессора промежуточной ступени и стороной детандера, в пределах области «Is». На основе упомянутого прогнозирования можно предотвратить приток тепла в детандер Т посредством управления холодильником 10(10А) или посредством регулирования объема отбора через линию 56(56') отбора.

[0069] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1 и 3, в линии 56(56') отбора расположен клапан 58 отбора, и предусмотрен контроллер 60 для управления степенью открытия клапана 58 отбора на основе разности давлений или разности температур, и таким образом можно эффективно предотвратить приток тепла в детандер Т.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1, контроллер 60 управляет степенью открытия клапана 58 отбора на основе по меньшей мере одного из COP холодильника 10(10А) или разности температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера Т, а значит можно управлять объемом отбора до такого значения, которое максимизирует COP в соответствии с эксплуатационными условиями, и тем самым повысить COP холодильника 10(10А).

[0070] В примерном варианте осуществления, детандер Т и охлаждающая часть 12, а также регенеративный теплообменник 30, размещаются в адиабатическом корпусе 74, и таким образом можно предотвратить снижение адиабатической эффективности детандера Т и охлаждающих характеристик холодильника 10(10А) вследствие притока тепла извне.

В примерном варианте осуществления, компрессорный узел 76 включает компрессор С1 нижней ступени и компрессор С3 верхней ступени, объединенные в нем, и таким образом можно получить холодильник 10(10А, 10В) с простой конструкцией и низкой стоимостью. Кроме того, компрессор С1 нижней ступени и компрессор С3 верхней ступени можно приводить в действие посредством одного двигателя, и таким образом можно уменьшить электроэнергию, требующуюся для приведения в действие компрессоров по сравнению с вариантом, в котором приведение в действие компрессора С1 нижней ступени и компрессора С3 верхней ступени осуществляется независимо.

[0071] В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.2, первый теплообменник Нх1, второй теплообменник Нх2 и третий теплообменник Нх3 расположены так, чтобы быть параллельными в продольном направлении, и таким образом можно уменьшить установочное пространство для теплообменников.

Кроме того, теплообменники используются для образования узла 80 теплообменников, расположенного между детандер-компрессором 14 и компрессорным узлом 76, и таким образом можно облегчить размещение трубопровода, который должен быть подсоединен между теплообменниками, и уменьшить длину, а значит и стоимость упомянутого трубопровода. Кроме того, уменьшение длины трубопровода позволяет уменьшить потери давления хладагента, который перемещается в трубопроводе, и таким образом улучшить охлаждающие характеристики холодильника 10(10А, 10В).

Кроме того, можно предусмотреть буферный бак 40, при этом экономя пространство, и можно сделать более удобным закрепление трубопровода.

[0072] Фиг.6 представляет собой принципиальную схему холодильника 100 сравнительного примера. В холодильнике 100, третий теплообменник Нх3 образует узел 102 с компрессорным узлом 76, а узел 104 теплообменников включает только первый теплообменник Нх1 и второй теплообменник Нх2.

В холодильнике 100, компрессорный узел 102 занимает больше пространства, а установочное пространство узла 104 теплообменников не может быть уменьшено. Кроме того, упомянутые устройства соединены более длинным трубопроводом, который может увеличивать потери давления хладагента, который перемещается в трубопроводе, и ухудшать характеристики холодильника 100.

[0073] Кроме того, как показано на фиг.7, для компрессора С1 нижней ступени и компрессора С2 промежуточной ступени, объединенных с компрессорном узле 106, требуется более длинный трубопровод, чем для холодильника 100, чтобы соединить трубопроводом компрессор С1 нижней ступени и компрессор С2 промежуточной ступени с первым теплообменником Нх1 и вторым теплообменником Нх2. Кроме того, требуется больше пространства для размещения трубопровода, и увеличивается длина трубопровода, которая может увеличивать потери давления хладагента, который перемещается в трубопроводе, и ухудшать характеристики холодильника 100.

[0074] Фиг.5 представляет собой принципиальную схему компрессора С1 нижней ступени и компрессора С3 верхней ступени в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном варианте осуществления, компрессор С1 нижней ступени и компрессор С3 верхней ступени снабжены соответствующими отдельными двигателями М3 и М4. Двигатели М3 и М4 включают соответствующие динамометры 94 и 96, и значения, регистрируемые динамометрами, вводят в контроллер 60. В остальном конфигурация данного варианта осуществления такая же, как конфигурация вышеописанного варианта осуществления, показанного на фиг.1.

В соответствии с данным вариантом осуществления, компрессор С1 нижней ступени и компрессор С3 верхней ступени могут быть приведены в действие при соответствующих специальных частотах вращения двигателей, и таким образом могут работать в оптимальных эксплуатационных условиях для каждого компрессора.

Промышленная применимость

[0075] В соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления настоящего изобретения, можно получить холодильник, использующий цикл Брайтона, снабженный детандер-компрессором, посредством чего можно предотвратить утечку хладагента из компрессора к детандеру, и тем самым предотвратить снижение адиабатической эффективности детандера и охлаждающих характеристик холодильника.

Перечень ссылочных позиций

[0076]

10(10А, 10В), 100 Холодильник

12 Охлаждающая часть

14 Детандер-компрессор

16 Линия циркуляции хладагента

16а Обводная линия

20а,78 Выходной вал

20b Статор

22,24,26 Бесконтактные подшипники

28 Корпус

30 Регенеративный теплообменник

32 Сверхпроводящее устройство

34 Линия циркуляции жидкого азота

36 Расширительный бак

38 Насос для жидкого азота

40 Буферный бак

42,44 Клапан открытия-закрытия

50 Диск ротора

52 Рабочее колесо

54 Ротор турбины

56,56' Линия отбора

58 Клапан отбора

60 Контроллер

62,64 Уплотнительный элемент

66,68 Манометр

70,72,86,88 Термометр

74 Адиабатический корпус

76,102 Компрессорный узел

80,104 Узел теплообменников

82,84,94,96 Динамометр

90,92 Расходомер

С1 Компрессор нижней ступени

С2 Компрессор промежуточной ступени

С3 Компрессор верхней ступени

Нх1 Первый теплообменник

Нх2 Второй теплообменник

Нх3 Третий теплообменник

Is Область

М1 Первый двигатель

М2 Второй двигатель

Т Детандер

r Хладагент

r0 Вытекающий хладагент

w Охлаждающая вода

Холодильник включает охлаждающую часть для охлаждения объекта посредством теплообмена с хладагентом, детандер-компрессор и линию циркуляции хладагента для циркуляции хладагента через компрессор, детандер и охлаждающую часть. Компрессор включает компрессор нижней ступени, компрессор промежуточной ступени и компрессор верхней ступени, расположенные последовательно в линии циркуляции хладагента. Детандер-компрессор включает компрессор промежуточной ступени, детандер для адиабатического расширения и охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора верхней ступени, и первый двигатель, содержащий выходной вал, соединенный с компрессором промежуточной ступени и с детандером. Между компрессором промежуточной ступени и детандером расположен бесконтактный подшипник для поддержания выходного вала первого двигателя без контакта с упомянутым выходным валом. Холодильник снабжен корпусом для размещения компрессора промежуточной ступени, детандера и бесконтактного подшипника. Холодильник дополнительно содержит первый, второй и третий теплообменники, расположенные параллельно друг другу в продольном направлении. Техническим результатом изобретения является повышение охлаждающей способности холодильника. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Холодильник, содержащий:

охлаждающую часть для охлаждения объекта, подлежащего охлаждению, посредством теплообмена с хладагентом;

детандер-компрессор, включающий в себя компрессор для сжатия хладагента и детандер для расширения хладагента, причем упомянутый компрессор и упомянутый детандер объединены в детандере-компрессоре; и

линию циркуляции хладагента для циркуляции хладагента через упомянутый компрессор, упомянутый детандер и упомянутую охлаждающую часть,

при этом компрессор нижней ступени, компрессор промежуточной ступени и компрессор верхней ступени расположены последовательно в линии циркуляции хладагента,

причем упомянутый детандер-компрессор включает в себя:

компрессор промежуточной ступени;

детандер для адиабатического расширения и охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора верхней ступени;

первый двигатель, содержащий выходной вал, соединенный с компрессором промежуточной ступени и с детандером;

по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором промежуточной ступени и детандером, для поддержания выходного вала первого двигателя без контакта с упомянутым выходным валом; и

корпус для размещения компрессора промежуточной ступени, детандера и упомянутого по меньшей мере одного бесконтактного подшипника, и

при этом упомянутый холодильник дополнительно содержит первый теплообменник, второй теплообменник и третий теплообменник, расположенные параллельно друг другу в продольном направлении.

2. Холодильник по п.1, дополнительно содержащий линию отбора, расположенную так, чтобы сообщаться с областью между компрессором промежуточной ступени и детандером во внутреннем пространстве упомянутого корпуса, и выполненную с возможностью отбора по меньшей мере части вытекающего хладагента, который протекает из стороны компрессора промежуточной ступени в сторону детандера внутри упомянутого корпуса, из упомянутой области в линию циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска компрессора промежуточной ступени за пределами упомянутого корпуса,

причем упомянутый корпус выполнен с возможностью уплотнения упомянутой области от внешней стороны корпуса, так что по меньшей мере часть вытекающего хладагента через линию отбора является единственным потоком хладагента между упомянутой областью и внешней стороной корпуса.

3. Холодильник по п.2, дополнительно содержащий манометр для определения дифференциального давления между давлением участка, расположенного ближе к компрессору промежуточного давления, чем к детандеру, в упомянутой области внутреннего пространства корпуса, и давлением участка, расположенного ближе к детандеру, чем к компрессору промежуточной ступени в упомянутой области,

при этом наличие или отсутствие вытекающей текучей среды определяется из значения, регистрируемого манометром.

4. Холодильник по п.2 или 3, дополнительно содержащий термометр для определения разности температур между температурой участка, расположенного ближе к компрессору промежуточной ступени, чем к детандеру в упомянутой области внутреннего пространства корпуса, и температурой участка, расположенного ближе к детандеру, чем к компрессору промежуточной ступени в упомянутой области,

при этом наличие или отсутствие вытекающего хладагента определяется из значения, регистрируемого термометром.

5. Холодильник по п.3 или 4, дополнительно содержащий:

клапан отбора, расположенный в линии отбора, для регулирования объема отбора вытекающего хладагента; и

контроллер для управления степенью открытия упомянутого клапана отбора на основе значения, регистрируемого манометром или термометром.

6. Холодильник по п.5,

в котором упомянутый контроллер выполнен с возможностью управления степенью открытия клапана отбора на основе по меньшей мере одного из: COP холодильника или разности температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера.

7. Холодильник по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащий адиабатический корпус, термически изолированный от внешней стороны и вмещающий в себя детандер и охлаждающую часть.

8. Холодильник по любому из пп. 1-7, дополнительно содержащий компрессорный узел, который включает в себя:

второй двигатель, содержащий выходной вал, соединенный с компрессором нижней ступени и с компрессором верхней ступени;

по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором нижней ступени и компрессором верхней ступени, для поддержания выходного вала второго двигателя без контакта с упомянутым выходным валом; и

корпус для размещения компрессора нижней ступени, компрессора верхней ступени и упомянутого по меньшей мере одного бесконтактного подшипника.

9. Холодильник по п.8,

в котором упомянутый первый теплообменник расположен в линии циркуляции хладагента между компрессором нижней ступени и компрессором промежуточной ступени для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора нижней ступени,

упомянутый второй теплообменник расположен в линии циркуляции хладагента между компрессором промежуточной ступени и компрессором верхней ступени для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора промежуточной ступени, а

упомянутый третий теплообменник расположен в линии циркуляции хладагента между компрессором верхней ступени и детандером, для охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора верхней ступени, и

при этом первый теплообменник, второй теплообменник и третий теплообменник расположены между детандером-компрессором и компрессорным узлом, так чтобы быть параллельными друг другу в продольном направлении.

10. Способ работы холодильника, который содержит:

охлаждающую часть для охлаждения объекта, подлежащего охлаждению, посредством теплообмена с хладагентом;

детандер-компрессор, включающий в себя компрессор для сжатия хладагента и детандер для расширения хладагента, причем упомянутый компрессор и упомянутый детандер объединены в детандере-компрессоре; и

линию циркуляции хладагента для циркуляции хладагента через упомянутый компрессор, упомянутый детандер и упомянутую охлаждающую часть,

при этом компрессор нижней ступени, компрессор промежуточной ступени и компрессор верхней ступени расположены последовательно в линии циркуляции хладагента,

причем упомянутый детандер-компрессор включает в себя:

компрессор промежуточной ступени;

детандер для адиабатического расширения и охлаждения хладагента, выпускаемого из компрессора промежуточной ступени;

первый двигатель, содержащий выходной вал, соединенный с компрессором промежуточной ступени и с детандером;

по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором промежуточной ступени и детандером, для поддержания выходного вала первого двигателя без контакта с упомянутым выходным валом; и

корпус для размещения компрессора промежуточной ступени, детандера и упомянутого по меньшей мере одного бесконтактного подшипника, и

причем упомянутый корпус выполнен с возможностью уплотнения области между компрессором промежуточной ступени и детандером, внутреннего пространства корпуса, от внешней стороны корпуса,

причем упомянутый способ включает:

этап сжатия хладагента посредством упомянутых трех компрессоров;

этап расширения хладагента, сжатого на этапе сжатия, посредством детандера;

этап охлаждения объекта, подлежащего охлаждению, посредством теплообмена с хладагентом, расширенным на этапе расширения; и

этап отбора, через линию отбора, расположенную так, чтобы сообщаться с упомянутой областью внутри корпуса, по меньшей мере части вытекающего хладагента, который протекает из стороны компрессора промежуточной ступени в сторону детандера внутри корпуса, из упомянутой области внутри корпуса в линию циркуляции хладагента, соединенную со стороной впуска или стороной выпуска упомянутого компрессора за пределами корпуса.

11. Способ работы холодильника по п.10,

в котором упомянутый этап отбора включает первый этап регулирования объема отбора в сторону впуска или сторону выпуска компрессора промежуточной ступени на основе дифференциального давления между давлением участка, расположенного ближе к компрессору промежуточной ступени, чем к детандеру, в упомянутой области внутри корпуса, и давлением участка, расположенного ближе к детандеру, чем к компрессору промежуточной ступени в упомянутой области.

12. Способ работы холодильника по п.10 или 11,

в котором упомянутый этап отбора включает второй этап регулирования объема отбора в сторону впуска или сторону выпуска компрессора промежуточной ступени на основе разности температур между температурой участка, расположенного ближе к компрессору промежуточной ступени, чем к детандеру, в упомянутой области внутри корпуса, и температурой участка, расположенного ближе к детандеру, чем к компрессору промежуточной ступени в упомянутой области.

13. Способ работы холодильника по любому из пп. 10-12,

в котором упомянутый этап отбора включает третий этап регулирования объема отбора из упомянутой области внутри корпуса в сторону впуска компрессора на основе по меньшей мере одного из COP холодильника или разности температур хладагента между стороной впуска и стороной выпуска детандера.

14. Способ работы холодильника по любому из пп. 10-13,

в котором компрессор промежуточной ступни содержит центробежный компрессор, включающий в себя рабочее колесо компрессора, прикрепленное к концу первого двигателя,

при этом детандер содержит центробежный детандер, включающий в себя рабочее колесо турбины, прикрепленное к другому концу первого двигателя, и

причем этап сжатия и этап расширения включают регулирование давлений так, чтобы они были, по существу, одинаковыми на задней стороне центробежного компрессора и на задней стороне центробежного детандера.