[发明专利]布雷顿循环发动机

说明书

技术领域

本发明涉及气体平衡布雷顿循环发动机，并且具体地涉及设计为在大约150K下运转的具有在5至30KW的范围中的输入功率的气体平衡布雷顿循环发动机。

背景技术

布雷顿型或布雷顿循环发动机包括三个基本部件：气体压缩机、逆流换热器、以及膨胀器。

归属于SHI低温学的四个近期专利申请描述了气体平衡布雷顿循环膨胀发动机和两种改编，一种来降低到达低温学温度的冷却时间，另一种来冷却用于抽吸水汽的低温泵。在布雷顿循环上运转来产生冷冻的系统由压缩机组成，该压缩机向逆流换热器供应处于排出压力的气体，这允许气体通过冷入口阀到膨胀空间，绝热地使气体膨胀，排出膨胀的气体(其更加冷)通过出口阀中，使冷气体循环通过正被冷却的负载，并然后使气体通过逆流换热器返回至压缩机。

由R.C. Longsworth在2011年9月15日申请的美国专利申请公开2011/0219810描述了一种在布雷顿循环上运转的往复式膨胀发动机，其中，活塞在热端部处具有由机械驱动器或在高压和低压之间交替的气体压力驱动的驱动杆，并且当活塞移动时，在绕驱动杆的区域中的活塞的热端部处的压力实质上与在活塞的冷端部处的压力相同。由R.C. Longsworth在2012年4月12日申请的美国专利申请公开2012/0085121描述了在布雷顿循环下运转的往复式膨胀发动机的控制，如在之前的申请中所描述的，这允许其缩短将物质冷却至低温学温度的时间。由S. Dunn等人在2011年5月12日申请的美国序列号13/106,218描述了促动膨胀器活塞的备选机构。由R.C.Longsworth在2011年7月6日申请的美国序列号61/504,810描述了布雷顿循环发动机向用于低温抽吸水汽的冷却盘管的应用。在公开的专利申请2011/0219810和美国序列号13/106,218中描述的发动机称为“气体平衡布雷顿循环发动机”。在由S. Dunn在2006年4月28日申请的称为“带有油旁路的压缩机”的美国专利申请公开2007/0253854描述了可用于向这些发动机供应气体的压缩机系统。本发明的发动机合并冷旋转阀，其具有与由W. E. Clifford在1965年9月14日申请的美国专利3,205,668和由A. J. Lobb在1991年1月29日申请的美国专利编号4,987,743相同的一些特征。其还合并了：如在由R. C. Longsworth在2001年7月10日申请的美国专利编号6,256,997中描述的振动吸收双缓冲器；和如在由H. As ami等人申请的美国专利编号5,590,533中描述的活塞上的抗磨损涂层。

用于抽吸水汽的低温泵需要低温板，其被冷却至在120K和170K之间的温度。这比低温抽吸空气所需的10K至20K的温度范围热得多。C. B. Rood等人在《低温学工程的进展》第9卷(“Advances in Cryogenic Engineering”)(Plenum出版社，纽约(1964)，496-506页)中的称为“用于在10-30K范围中的运转的氦冷冻机”(“Helium Refrigerators for Operation in the 10-30K Range”)的论文描述了一种大型布雷顿循环冷冻机，其具有能够产生高于1.0KW的处于20K的冷冻的往复式膨胀发动机。该冷冻机被开发来在大型空间隔室中低温抽吸空气。在1970年代早期开始，在120K至170K的范围的温度下低温抽吸水汽和500至3000W的容量已经由如由Missimer在1973年10月30日申请的美国专利3,768,273中所描述的使用混合气体的冷冻机支配。由Flynn等人在2003年6月10日申请的更近期的美国专利6,574,978描述了控制冷却和加热这种类型的冷冻机的速率的机构，该种类型的冷冻机在大约150K下产生大约500至3000W来抽吸水汽。

在混合气体冷冻机中使用的制冷剂包括由于它们在全球变暖上的影响而逐渐淘汰的一些。因而，期望使用一种布雷顿循环发动机，其使用均环境友好的氦、氩或氮。本发明基于如下认识：在约150K下运转的布雷顿循环发动机可比设计为用于较低温度的发动机简单得多。这些简化使其实用于设计一种发动机，该发动机可产生高于3000W的冷冻，并且因此与现有的混合气体冷冻机竞争。

发明内容