[发明专利]制冷装置和制冷方法

说明书

一种制冷装置，该制冷装置旨在通过与在工作回路(10)中循环的工作流体进行热交换而从至少一个构件(15)中提取热量，该装置包括以下串联的机构：流体压缩机构(13)，优选地等压或基本上等压流体冷却机构，流体膨胀机构(8)，以及流体加热机构(9，6)，在该装置中，压缩机构(13，4)是离心压缩型的并且由串联地布置在回路(10)中的两个压缩级(13，4)组成，该装置包括对两个压缩级(13，4)进行驱动的两个相应的电驱动马达(2，7)，该膨胀机构由涡轮(8)组成，该涡轮联接到压缩级(13，4)中的一个压缩级的马达(2)，该膨胀机构的涡轮(8)联接到该第一压缩级的驱动马达(2)。

技术领域

本发明涉及用于低温制冷的装置和方法。

更特别地，本发明涉及一种用于在-100℃至-273℃之间的低温制冷的装置，该装置包括包含工作流体的工作回路，该装置旨在通过与在工作回路中循环的工作流体进行热交换而从至少一个部件中提取热量，该工作回路包括以下串联的机构：用于优选地等熵或基本上等熵压缩该流体的机构，用于优选地等压或基本上等压冷却该流体的机构，用于使该流体优选地等熵或基本上等熵膨胀的机构，以及用于优选地等压或基本上等压加热该流体的机构，其中，该压缩机构是离心压缩型的并且包括两个压缩级，这两个压缩级分别是串联地布置在该回路中的第一压缩级和第二压缩级，该装置包括两个压缩级的两个相应的电驱动马达，并且该膨胀机构由涡轮组成，该涡轮联接到这些压缩级中的一个压缩级的马达。

本发明特别地涉及具有被称为“涡轮布雷顿(Turbo Brayton)”循环或“涡轮布雷顿冷却器”的制冷机。

本发明特别地涉及低温制冷机，即达到低于或等于-100℃或173K的温度、尤其是在-100℃至-273℃之间的温度。

背景技术

文献JP 3928230 B2描述了一种使用高速马达的涡轮布雷顿型制冷机，涡轮和压缩机分别位于其驱动轴的两端。

为了提高制冷机的能量效率，一种解决方案由使用一个或多个高效离心压缩机组成。如果离心压缩机的比转速等于或接近最佳值，则该离心压缩机达到较高的效率。由本领域技术人员通过收集具有不同比转速的大量离心压缩机的效率的测量值以实验方式来确定最佳值。当使用以下定义的单位制进行计算时，该最佳值典型地为0.75。

如果这个比转速高于或低于最佳值，则效率会降低。离心压缩机的比转速ws由以下公式定义：ws＝w.Q^0.5/Δhs^0.75

其中，w是压缩机的转速(以弧度/秒为单位)，Q是压缩机入口处的体积流量(以m³/s为单位)，并且Δhs是假定压缩是等熵的情况下通过压缩级的焓增(以J/kg为单位)。

在图1中展示了一种已知的装置。单个马达2驱动压缩机和涡轮8。发明人发现，这种类型的装置不能使压缩机以良好的比转速运转。实际上，这种结构中固有的低体积流量导致相对于最佳值的低比转速。

图2中所展示的另一种已知解决方案包括：使用第二马达7，在其端部之一处具有离心压缩机，并且将这个机器放置在已经存在的压缩机的上游。

由于相对于制冷机的最佳总焓Δhs有变化，因此相对于现有技术没有对制冷机进行修改。这种新颖的结构使得能够将总焓Δhs的变化分布在两个压缩级4、13上，并且因此使一个压缩级的焓Δhs的变化减少、并且使两个压缩级4、13的比转速增加并接近或达到最佳比转速。

然而，发明人发现，实际上，这种改进仅有益于第一压缩级4。实际上，如果第一压缩级4以最佳比转速操作，则第二压缩级13将以典型地是最佳比转速一半的比转速操作。这对这个级的效率有影响(典型地效率低十个点)，并且因此对制冷机的总效率有很大影响。

这可以在以下计算示例中进行演示(其中，假定两个马达2、7的机械功率和转速相同)。