專利名稱：防止氦氣壓縮機中的油攜帶的制作方法
背景技術：
當氦氣被壓縮時，產生相對較大的熱量。氦氣是具有已知氣體中的最大比熱容量比的氣體之一(對于氦氣γ＝Cp/Cv＝1.67)。當氦氣被壓縮時，必須提供非常有效的冷卻機構。在缺少這種冷卻機構的情況下，不可能達到氦氣的液化溫度，并且不可能制造液氦。在例如核磁共振成像(MRI)的應用中，必須實現數量級為4-10K的極低溫度。通常需要將超導磁體保持在超導狀態中。氦氣只是在該溫度下保持氣態的已知氣體，并且因此必須解決氦氣液化所涉及的問題。
用于從被壓縮的氦氣中排出熱量的兩種可供選擇的方法是已知的。在一種方法中，氦氣分階段地壓縮，并且被壓縮的氦氣在每一階段之后通過經過被冷卻的導熱葉片例如水冷金屬葉片從而被冷卻。在第二種方法中，在壓力下油與氦氣混合。對氦氣壓縮所產生的熱量由油來吸收。在氦氣用于冷卻之前，該油必須從氦氣中排出，這是因為油會凝固并且如果處于所希望的溫度范圍即數量級為4-10K中可能在深冷場合中導致出現問題。
本發明涉及油與氦氣混合的該第二種方法的壓縮和冷卻。
圖1示出了帶有內旁通泄壓閥12的已知氦氣壓縮機的示意圖。在深冷操作例如核磁共振成像中，通常使用帶有內旁通泄壓閥的氦氣壓縮機來壓縮氦氣。這種裝置作為整體單元來制造并供貨，其具有高壓(HP)和低壓(LP)端口16、18。設置內旁通泄壓閥12以便防止對壓縮機單元14的損壞，否則如果例如高壓端口16被阻塞時將出現這種情況。內旁通泄壓閥12通過有效地連接高壓端口16和低壓端口18從而對高壓端口與低壓端口之間的壓差增加將作出反應。這提供了用于被壓縮的氦的路徑11，并且防止對壓縮機單元14的損壞。在低壓端口18與內旁通泄壓閥連接部分之間，還通常設置有止逆閥(NRV)13。這旨在防止氣體的回流并防止氣體和流經內旁通泄壓閥12的任何污物到達低壓端口18。油分離器17設置在壓縮機單元14的高壓輸出管路中，以便將油從被壓縮的氦氣中分離出來。該油分離器不會保留氦氣中的100％的油，因此已知的是設置例如活性炭的油吸收器19，其在高壓端口16的上游位于壓縮機中或者在外側位于高壓端口16的下游。
已知類型的氦泵是渦旋式壓縮機。圖2A-ID示意地示出了渦旋式壓縮機的操作部分。渦旋式壓縮機包括兩個相似的同心渦旋件21、23，一個渦旋件插入到另一渦旋件中。渦旋件23保持靜止，而渦旋件21在其中轉動。如圖2A所示，當外開口27和27’打開時，氣體吸入到壓縮室25和25’。當渦旋件21轉動時，如圖2B所示，外開口27和27’關閉并且壓縮室25和25’吸入到渦旋件23中。當渦旋件21繼續其轉動，并且如圖2C所示，壓縮室25和25’進一步地吸入到渦旋件中，并且其容積減小，在壓縮室25和25’內壓縮氣體。外開口27和27’再次打開，以便使得另一壓縮室29和29’暴露在周圍氣體。壓縮室25和25’朝向渦旋件的中心移動，保持逐漸地壓縮，直到在壓縮室內的氣體在壓縮機的中心達到最大的壓力，如圖2D所示。其中，高壓氣體經固定渦旋件23中的排出端口22排放。各個壓縮室25和25’、29和29’等順序地到達排出端口22，同時新的壓縮室通過外開口27的打開和關閉從而形成。
盡管以上在本發明的應用中對壓縮氣體進行了描述，但是該渦旋式壓縮機可用于氦氣與油的混合物，以下稱為“氣體+油”。
引言由圖1所示的氦氣壓縮機制造的壓縮氦氣的典型應用是供應給用于冷卻超導MRI磁體的脈沖管式制冷裝置61。經高壓管路63和高壓端口16向已知類型的脈沖管式制冷裝置供應高壓泵送氦氣，同時較低壓力的氦氣回流經高壓管路65返回到低壓端口18。在這種情況下，高壓端口通常提供壓力大約為2.4MPa(24bar)的氦氣，而低壓端口通常接收大約壓力大約為0.6MPa(6bar)的氦氣。本發明的脈沖管式制冷裝置通常使用旋轉閥(RV)機構67。大量的彼此旋轉的盤限定閥的打開和關閉的次數和閥孔口的尺寸。這種結構確保了正確且不變的時間選擇以及在旋轉閥機構67中使用的各種閥的尺寸關系。在這種情況下，低壓端口和高壓端口連接到旋轉閥機構的至少一個閥上。
低壓端口和高壓端口通常利用較長的柔性軟管63、65與脈沖管式制冷裝置連接。在本發明人的脈沖管式制冷裝置的開發過程中，注意到帶有旋轉閥和彎曲管路的某些脈沖管式制冷裝置冷頭長期充滿了壓縮機油。當在四個系統種出現這種情況時，這不能認為是隨機的現象。為了理解攜帶油的機構，進行了實驗。本發明提供了用于克服或至少是減輕現有技術的壓縮機/脈沖管式制冷裝置組件的問題的裝置和方法，并且本發明可應用于其中的帶有內旁通泄壓閥的氦氣壓縮機具有與閥機構連接的高壓和低壓端口的任何系統。
在本發明之前，已經認為最可能導致在彎曲管路中存在油的原因是與高壓端口16連接的吸收器19的低效率。
在最初的研究中，如圖1所示，與脈沖管式制冷裝置(PTR)連接的彎曲管路65為二十米長。在高壓管路63中的壓力對于持續4-6小時的每一階段以0.1MPa的幅度從2.4MPa(24bar)增加到2.9MPa(29bar)。在每一階段之后，對兩米的低壓管路65進行殘留氣體分析(RGA)，以便跟蹤在管路中的任何油。在檢查管路下，該彎曲管路被加熱到大約200攝氏度。在包含油的管路中，檢測到程度非常高的微量的CO和CO2，這表示油在檢測中在管路中分解。對于每次實驗，運行PTR，并且在其第二級上出現10K的空載溫度。PTR隨后分別在其第一和第二級承受40W和6W的加熱器負荷。然而，在所有的這些狀態中沒有檢測到任何的油。氣體總是可以從高壓端口16經過氣體回路63、67、65流到低壓端口18。
已知的是，多個故障狀況可能導致旋轉閥(RV)67止動，同時氦氣壓縮機繼續運行。在這些狀況下，在高壓管路中的氦氣壓力升高到非常高的數值，例如2.9MPa(29bar)，而在低壓管路中的氦氣壓力快速地下降到非常低的壓力，例如0.15MPa(1.5bar)。
對于在冷卻PTR冷頭之后止動該旋轉閥67而同時氦氣壓縮機繼續運行的效果，進行了其它的研究。一旦旋轉閥67止動，在高壓管路63中的和壓縮機的連接部分內的氦氣壓力升高。這種升高的速率和強度取決于旋轉閥67的止動位置。如果高壓端口16在止動位置與PTR連接，則高壓管路中的壓力升高不是非常大。然而，如果低壓端口在旋轉閥止動位置與壓縮機連接，則高壓管路中的壓力升高非常大。當低壓端口與壓縮機連接時，在整個低壓管路中的氣體壓力被壓縮機降低到非常低的數值。
在該研究過程中，旋轉閥67在壓縮機壓力和高壓管路中的壓力升高到2.8-2.9MPa(28-29bar)的位置止動并且該壓縮機在這種狀況下運行1到2天。此刻，可以在兩米長的管路33中觀察到微量的油。
然而，應當注意，高壓管路僅在長期加熱之后在管路中出現微量的油，而低壓管路幾乎在加熱時立即出現油。這種沒有預料到的且令人吃驚的結果得到以下結論，即，到達脈沖管式制冷裝置61和柔性軟管63、65的油從壓縮機首先克服止逆閥(NRV)的阻力傳送到低壓管路，并且在操作過程中隨后經過PTR冷頭進入高壓管路。該結論被檢驗并且獲得到本發明，本發明提供了用于防止油經過止逆閥和低壓端口的輸送的各種方法和裝置。
進行了其它的研究以便跟蹤攜帶油的機構。在位置31處，在兩米長的低壓彎曲管路33的遠端處連接壓力表，以便代替另一吸收器，而另一端連接到壓縮機的低壓端口18。壓縮機的高壓端口16保持未連接，并且因此是阻塞的。在低壓管路中的初始壓力為0.15MPa(1.5bar)。該壓縮機在高壓管路的壓力為2.8-2.9MPa(28-29bar)的情況下運行兩到三天。這基本上是在內旁通狀況下運行壓縮機，只有從高壓管路經內旁通閥12流向低壓管路的氣流。已經發現，在低壓管路中的壓力隨時間增加到0.4MPa(4bar)，這是由于經內旁通閥12輸送的氣體+油的混合物沒有流經吸收器19。氣體+油進入連接部分15。低壓端口18處于非常低的壓力。如果由于從高壓管路經內旁通閥12的高壓氣體+油進入而引起在連接部分15處的壓力充分升高，則氣體+油的一部分可能經過NRV朝向并經過低壓端口18流入低壓管路65。當進行殘留氣體分析(RGA)時，兩米長的管路33出現微量的油。這被認為是證實了這樣的假設，即，氣體+油可以穿過NRV。在一段時間之后，顯著量的油以這種方式輸送到低壓彎曲管路65中并隨后輸送到PTR61的冷頭。
為了證實這種效果，對于與PTR61連接的高壓和低壓管路63、65重復進行實驗并且啟動壓縮機。旋轉閥67隨后止動，模擬故障狀況。一旦旋轉閥67止動，低壓管路中的壓力下降到0.15-0.2MPa(1.5-2bar)，壓縮機中的和高壓管路中的壓力增加到2.8-2.9MPa(28-29bar)。這些狀況與在前的實驗的假設相似，從而證實了該實驗的有效性。
本發明部分地基于以下發現，即，特別是在旋轉閥67止動而壓縮機仍然運行的過程中，通過防止油從壓縮機低壓側的攜帶，從而可以防止或至少明顯地減少油從壓縮機輸送到PTR。在這種情況下，氣體+油從壓縮機穿過NRV13朝向PTR61輸送，這是由于壓縮機壓力與PTR的低壓管路65中的低壓之間的高壓差而引起的。因此無論在什么情況下，應當避免出現這種狀況。依據本發明的另一方面，提供了方法和裝置以便降低這種狀況的效果的出現。
因此，本發明提供了后附的權利要求所限定的方法和裝置。
參照對優選實施例的下列描述并結合附圖，可以更好地理解本發明，在附圖中圖1示出了依據現有技術的向脈沖管式制冷裝置供應壓縮氦氣的已知氦氣壓縮機；圖2示出了依據現有技術的渦旋式壓縮機；圖3示出了應用于本發明的實施例的圖1所示的系統；圖4示出了應用于本發明的另一實施例的圖1所示的系統；和圖5示出了應用于本發明的再一實施例的圖1所示的系統。
圖3示出了依據本發明的實施例的用于防止從氦氣壓縮機經低壓管路攜帶油的裝置，其包括本身公知的集油器，以具有新穎性和創造性特征的方式設置在位置31處位于壓縮機和旋轉閥之間的低壓管路65中。
該集油器通過在一側上使用兩米的彎曲管路33并且在另一端使用二十米的彎曲管路32從而與在低壓管路上的壓縮機連接。在彎曲管路32、33中的初始壓力保持為0.15MPa(1.5bar)。該實施例按以下方式來檢驗，即通過使得壓縮機在內旁通模式下運行到非常高的壓力2.8-2.9MPa(28-29bar)。應當注意，在壓力表上的壓力隨時間增大。該壓縮機在大約2.8MPa的高壓下運行數天。在運行三天之后對兩米的管路33進行殘留氣體分析(RGA)，顯示具有帶有油的致污物，而在位置31處的集油器之外的二十米的管路32沒有顯示出有任何的油的蹤跡。因此該檢驗證實，依據本發明的實施例，在給定的時間段內使用集油器以便防止油從氦氣泵中攜帶是令人滿意的。
依據本發明的第二實施例，與油吸收器19相似的另一油吸收器設置在位置31處，以便代替上述的集油器。
依據本發明的第三實施例，通過在位置31處在低壓管路65中設置氣體存儲器以便代替上述的集油器和油收集器，可減少從壓縮機輸送到PTR的油。該存儲器用于當旋轉閥止動的情況下降低NRV13兩側的壓差。壓差降低的強度取決于該存儲器的容積。
例如SHI和Cryomech壓縮機的特定的已知氦氣壓縮機設置有內部氣體存儲器，其在低壓管路中具有吸收器/過濾器。例如Leybold和APD壓縮機的其它壓縮機沒有這樣的特征。
依據本發明的第四實施例，組合式的氣體存儲器和油吸收器設置在位置31處在低壓管路65中。其用于防止并控制油攜帶的問題。該氣體存儲器部件用于降低NRV兩側的壓差，由此降低氣體+油流經NRV的可能性。該吸收器部件防止經過NRV的任何油進一步沿低壓管路朝向PTR輸送。
依據本發明的第五實施例，如圖4所示，低壓開關51在NRV之后設置在低壓管路中。如果RV67由于任何原因止動，在低壓管路中的壓力將從其通常的水平0.5-0.6MPa(5-6bar)快速地下降。該開關51依據低壓管路的壓力的下降而響應，并且使得一旦檢測到該壓力下降就使得壓縮機停機。這防止在NRV13的兩側積累產生較大的壓差，并且降低氣體+油輸送經過NRV13的可能性。由于該開關51設計成盡可能地作出響應，因此該開關優選為設計成響應于低壓管路的壓力的較小下降。例如，該開關可以由0.5MPa(5bar)的低壓管路壓力來促動，以便使得壓縮機單元14止動。
開關51可以是能夠控制在氦氣壓縮機中可能遇到的溫度和壓力的任何的壓力傳感器。在優選實施例中，該壓力開關51是電氣開關，并且當由低壓管路中的異常低壓促動時，該壓力開關使得供應給壓縮機單元的電力中斷，由此使得壓縮機的運行停止。
在被檢驗的實施例中，該壓力開關(Barksdale Control ProductsGmbH，UDS 7 type)在Leybold氦氣壓縮機的低壓端口18之前固定在低壓側上。在10K OMT PRT 1030207的情況下，該氦氣壓縮機具有與脈沖管式制冷裝置61連接的低壓端口16和高壓端口18。為了產生對于壓力開關51適當的開關壓力，確定當PTR加溫時出現的對于該系統的低壓截止值。已經發現，通過在壓縮機指示表上的14巴的充注靜壓，可獲得0.51MPa(5.1bar)的最小動壓，和2.4MPa(24bar)的最大動壓。在較低溫度時在動態條件下該壓力改變為0.63MPa(6.3bar)最小和2.2MPa(22bar)最大，其中PTR的第一級處的熱負荷為50W，PTR的第二級處的熱負荷為6W。因此0.51MPa(5.1bar)的壓力開關設定被認為是適當的。
一旦建立低壓開關設定，進行重復的檢驗以便確定壓力開關51的開關重復性，并且獲得對于壓縮機單元14適當的斷開延遲。在每一檢驗循環中，在PTR61啟動運行之后，由于向RV驅動器的電力中斷，因此RV67止動。壓力開關51設定成在0.51MPa(5.1bar)時操作。記錄到在高壓管路中的壓力增加，而在低壓管路中的壓力下降。測量從RV止動到壓縮機停機的時間延遲。該循環重復五次。在所有的情況下，在RV止動的五秒之內該壓縮機停機。在高壓管路中的壓力增加到2.55MPa(25.5bar)最大。這不足以使得內旁通閥12操作，并且不足以使得任何油流經NRV13。在這些檢驗之后，壓縮機的低壓端口18對油進行檢查。通過視覺觀察發現沒有油。該系統還顯示沒有油的蹤跡或PTR的性能沒有惡化。該檢驗表明，壓力開關51幾乎立刻使得壓縮機停機，這防止了油從壓縮機低壓管路向PTR冷頭的攜帶。在該被檢驗的實施例中，發現0.51MPa(5.1bar)的開關操作壓力是適當的。因此，該壓力開關51的操作是令人滿意的。
然而，該開關操作壓力應當仔細地選擇。PTR的充注或填充壓力應當是正確的，以便保持壓力開關在所選擇的開關操作壓力下正確地操作。如果填充靜壓小于推薦的標準數值，或者更準確地說是用于確定該壓力開關操作壓力的數值，則在啟動過程中由于壓力開關51的不希望的促動而引起該壓縮機停機。另外，如果該充注靜壓過高，使得壓縮機停機所需的時間延遲被延長，并且當RV止動時壓縮機在旁通操作模式下運行。這將使得內旁通閥12促動，并且由于氣體+油流經NRV13而引起低壓管路可能被污染。
依據本發明的第六實施例，如圖6所示，內旁通閥12設置有其自身的朝向壓縮機單元14的返回通路61。以這種方式，由于在高壓管路63中的過大壓力，例如在旋轉閥67在連接的設備上止動的情況下，因此流經該內旁通閥的任何氣體+油將直接流向壓縮機單元14，并且不會到達NRV13和低壓管路65。流經該內旁通閥12的任何氣體+油將處于較高的壓力，其明顯大于在低壓管路65中的壓力。為了防止氣體+油流經壓縮機單元14進入低壓管路65，返回通路61連接到壓縮機泵上，例如如圖2A-2D所示在較高壓力位置即比從低壓端口18接收氣體的開口27和27’更靠近渦旋件的中心的位置連接到渦旋式壓縮機上。返回通路61優選為通過其自身的集管連接到壓縮機上，深入壓縮機的中心。因為氦氣在壓縮機中與油混合，所以返回通路61提供氣體+油的事實不會引起問題。對于該特定實施例的缺點在于變型是該壓縮機單元所需的。
盡管本發明參照數量有限的特定實施例來進行描述，但是在后附的權利要求的范圍內本發明可以作出各種改變和變化。特定的實施例可以組合。例如，集油器或氣體存儲器/吸收器可設置在低壓管路上在壓力開關的上游。本發明可有利地應用于氦氣壓縮機經閥系統向設備供應壓縮氦氣的任何情況。盡管本發明參照由旋轉閥來操作脈沖管式制冷裝置來進行描述，但是本發明可有利地應用于任何閥控制的設備。
權利要求
1.一種泵送的氦氣回路，其包括帶有高壓端口(16)和低壓端口(18)的壓縮機(14)，每一端口連接到供應設備(61、63、65、67)，以便分別向所述供應設備供應壓縮氦氣以及從所述供應設備接收壓縮氦氣；泄壓閥(12)，其在操作上響應于預定的壓差以便使得該高壓端口與該低壓端口相連；位于該泄壓閥的低壓側和所述供應設備之間的止逆閥(13)；以及用于防止從該壓縮機向所述供應設備攜帶油的裝置，其特征在于，所述裝置包括用于防止油離開該低壓端口并朝向所述供應設備輸送的裝置。
2.如權利要求1所述的泵送的氦氣回路，其特征在于，所述裝置包括在該回路中位于該低壓端口與所述供應設備之間的集油器。
3.如權利要求1所述的泵送的氦氣回路，其特征在于，所述裝置包括在該回路中位于該低壓端口與所述供應設備之間的油吸收器。
4.如權利要求1所述的泵送的氦氣回路，其特征在于，所述裝置包括在該回路中位于該低壓端口與所述供應設備之間的氣體存儲器。
5.如權利要求1所述的泵送的氦氣回路，其特征在于，所述裝置包括在該回路中位于該低壓端口與所述供應設備之間的組合式的氣體存儲器和油吸收器。
6.如權利要求1所述的泵送的氦氣回路，其特征在于，所述裝置包括在該回路中位于該低壓端口與所述供應設備之間的壓力促動的開關，該開關在操作上響應于在該低壓端口處的氣體壓力下降到低于預定數值從而使得該壓縮機停機，該預定數值小于在正常操作中在該低壓端口處的最小壓力。
7.一種泵送的氦氣回路，其包括帶有高壓端口(16)和低壓端口(18)的壓縮機(14)，每一端口連接到供應設備(61、63、65、67)，以便分別向所述供應設備供應壓縮氦氣以及從所述供應設備接收壓縮氦氣；以及泄壓閥(12)，其在操作上響應于預定的壓差以便使得壓縮氦氣從該高壓端口返回到該壓縮機；其特征在于，該泄壓閥在該高壓端口與壓縮機之間連接，獨立于該低壓端口。
8.一種用于防止從氦氣壓縮機(14)向供應設備(61、63、65、67)攜帶油的方法，其包括以下步驟經高壓端口(16)向所述供應設備供應壓縮氦氣；經低壓端口(18)從所述供應設備接收壓縮氦氣；響應于超過預定數值的壓差而操作泄壓閥(12)，由此使得帶有油的壓縮氦氣從該高壓端口流向該壓縮機，其特征在于，該方法還包括防止來自該帶有油的壓縮氦氣的油從該低壓端口向所述供應設備輸送的步驟。
全文摘要
一種泵送的氦氣回路，其包括帶有高壓端口(16)和低壓端口(18)的壓縮機(14)，每一端口連接到供應設備(61、63、65、67)，以便分別向所述供應設備供應壓縮氦氣以及從所述供應設備接收壓縮氦氣；泄壓閥(12)，其在操作上響應于預定的壓差以便使得該高壓端口與該低壓端口相連；位于該泄壓閥的低壓側和所述供應設備之間的止逆閥(13)；以及用于防止從該壓縮機向所述供應設備攜帶油的裝置。
文檔編號F04C29/00GK1675509SQ03819539
公開日2005年9月28日 申請日期2003年6月26日 優先權日2002年8月17日
發明者M·D·阿特里, D·M·克勞利, P·D·丹尼爾斯 申請人:西門子磁體技術有限公司