检测低温制冷系统中低温制冷剂的污染的制作方法

本发明的领域涉及检测低温制冷系统内低温制冷剂的污染。

背景技术：

1、低温冷却系统使用诸如氦气之类的制冷剂。制冷剂的纯度是重要的，因为杂质在较低的系统温度处冻结，并且可能引起损坏或下降的性能。常规系统定期监视制冷剂，以确保污染水平保持在可接受的水平以下。这可以通过取得样本并且使用rga(残余气体分析仪)确定样本内的污染物来完成。rga是一种复杂的仪器，并且通常位于偏远的地点处，并且要求大量专业知识来对其进行操作。

2、将合期望的是具有一种允许以不过度干扰系统的正常操作的方式来执行常规并且廉价的分析的分析技术。

技术实现思路

1、一个方面提供了一种用于检测低温制冷系统中低温制冷剂的污染的传感器，所述传感器包括：进口，用于耦合到所述低温制冷系统中的低温制冷剂流动路径；与所述进口流体连通的热导率检测器，所述热导率检测器被配置为当所述传感器耦合到所述低温制冷系统时生成指示从所述低温制冷系统接收的所述低温制冷剂的所检测热导率的信号；电路，被配置为将所述热导率信号转换成所述低温制冷剂的污染的指示；以及输出，被配置为输出所述低温制冷剂的污染的所述指示。

2、本发明的发明人认识到，在低温系统中使用的诸如氦气之类的制冷剂具有高传导率，这在许多情况下与可能泄漏到系统内的制冷剂中的其他杂质的传导率非常不同。他们还认识到，能够在原位标识低温制冷剂内的杂质或污染的存在将使得制冷剂能够被更定期地测试，并且使任何污染被更早地检测到。因此，实施例提供了一种具有用于检测低温制冷系统自身内的制冷剂的传导率的热导率检测器的传感器。这允许测试被定期执行，并且结果立即可用。以这种方式，提供了使用相对低成本、易于使用的传感器对污染进行的早期检测。这样的传感器可能不能够像常规的rga分析仪一样准确地标识污染的性质，然而，能够检测是否存在制冷剂污染允许低温系统被保护，并且在确定更准确的分析可能有帮助的情况下，则可以执行该更准确的分析。以这种方式，对制冷剂的更繁重的远程感测(如果使用的话)可以准确地针对其中要求结果的情形，并且比常规情况更少得多。

3、在一些实施例中，传感器仅具有用于耦合到低温制冷剂流动路径的一个端口，这个单个端口充当用于允许流进入传感器的进口，并且在已经执行检测时还充当出口，此时制冷剂可以从传感器排出。然而，在其它实施例中，存在进口和出口两者，其中热导率检测器被布置在两者之间，从而允许所述流通过传感器，使得传感器内的制冷剂被连续补充，并且代表制冷系统中的制冷剂。

4、虽然制冷剂可以具有不同的形式——如果其被配置为在低温温度下操作，通常在100k以下的温度下操作——但是在一些实施例中制冷剂是氦气。氦气经常被用作低温系统中的制冷剂，并且实施例在检测氦气中的污染物方面特别有效，因为与其他气体相比，并且特别是与可能在受污染的制冷剂中发现的气态杂质相比，氦气在气态状态下具有非常高的传导率。因此，氦气流内的任何污染会引起热导率的显著改变，并且因此能够在相当准确的程度上被检测。

5、在一些实施例中，所述传感器进一步包括控制电路，所述控制电路包括用于接收指示所述制冷系统的当前状态的至少一个信号的输入，所述控制电路被配置为取决于所述至少一个所接收的信号来控制所述热导率检测器的操作。

6、传感器被配置为安装在制冷系统上，使得它可以测量传导率，并且由此在原位测量低温制冷剂的污染。它可以由控制电路控制，该控制电路接收指示制冷系统的当前操作状态或状况的信号，这些信号被用于控制传感器以执行热导率检测。在这点上，所述信号可以指示当前操作状态，诸如它是否正在进入再生状态，和/或它们可以指示制冷系统内的低温制冷剂的性质，诸如温度、压力或流速率，这些也是制冷系统的当前操作状态的间接指示器，并且对热导率测量具有影响。

7、在一些实施例中，所述传感器进一步包括至少一个阀，所述至少一个阀被布置成控制往返于所述传感器的所述低温制冷剂的流。

8、在一些实施例中，传感器可以在制冷系统内被安装在低温制冷剂流内，并且可以不存在与传感器相关联的阀。然而，在其他实施例中，可以存在与传感器的进口和/或出口相关联的一个或多个阀，所述阀被配置为控制往返于传感器的流。在例如传感器处于旁通线路中的情况下，可以使用阀，使得低温制冷剂被从其通常的流动路径转移，以在要执行测量时流过旁通线路并且因此流过传感器。当不执行测量时，阀可以关闭，并且制冷剂可以流过旁通线路。在这点上，可以优选的是在停滞流中执行热检测测量，并且因此，可以有利的是能够利用阀来控制流，使得指示系统的制冷剂被捕获，但是在执行测量时是停滞的。

9、另外地和/或替代地，控制电路可以响应于制冷系统操作，并且特别是当低温制冷剂流已经停止时，控制测量。

10、在其他实施例中，传感器可以在流动的制冷剂内，并且被配置为将热导率测量转换成污染指示的电路可以接收指示流速率的信号，使得转换可以考虑诸如湍流之类的对热导率测量的流影响。

11、在一些实施例中，所述控制电路被配置为控制所述至少一个阀的操作。

12、在存在与传感器相关联的阀的情况下，则热导率检测器的控制电路操作也可以控制所述一个或多个阀的操作。

13、在一些实施例中，所述控制电路被配置为响应于确定指示所述低温制冷系统处于再生阶段中的所述所接收的信号而启动所述热导率检测器来执行热导率检测。

14、如先前指出的，低温制冷系统中的污染问题是污染物在低温温度下冻结，并且这可能引起损坏和/或限制流动。因此，当针对污染进行测试时，在高于低温温度的温度下——其中污染物将不会冻结并且将存在于传感器内的制冷剂内——这样做可以因此更加准确和有效。在低温制冷系统被用作例如低温真空泵的情况下，则它将定期地具有再生阶段，在所述再生阶段中，低温泵的低温冷却器被提升到低温温度以上以释放所捕获的分子。在这样的系统中，在这样的时段期间执行污染检测测量可以是有利的时间。因此，在一些实施例中，控制电路被配置为在确定系统处于再生阶段中并且也许已经达到特定温度时启动传感器来执行热导率测量。

15、在再生阶段期间执行热导率测量的另一优点是，压缩机和低温泵在再生阶段中的大部分时间期间是不操作的，并且流是停滞的。这意味着测量不需要针对诸如湍流之类的流影响进行校正，并且可以执行更准确或至少更简单的测量。

16、在一些实施例中，所述控制电路被配置为响应于确定所述低温制冷系统低于200k，优选地低于100k，并且所述污染物在所述低温制冷系统内冻结，启动所述热导率检测器来执行所述热导率检测作为基线热导率检测。

17、如上面所讨论的，在制冷系统处于低温温度下的情况下，则污染物可以被捕获。特别地，在低温制冷系统低于200k，优选地低于100k的情况下，许多污染物将被冻结在系统的最冷部分内，并且检测远离最冷部分的低温制冷剂的热导率将提供基本上纯净的制冷剂的基线指示。因此，可以有利的是定期地执行这样的热导率检测。这些是有用的，以便能够准确地比较由相同传感器在相同定位中测量的具有和不具有污染物的低温制冷剂的热导率的差异，并且将这些读数转换成污染的量。在制冷系统定期地执行再生阶段的情况下，则这个基线检测可以在再生阶段的开始处或附近执行，其中低温制冷剂是停滞的并且不存在流动，并且制冷系统的最冷部分仍然处于低温温度下。这个基线测量可以针对每个再生循环执行，或者可以针对子集来执行它，使得在特定时间或特定数目的再生循环之后，该基线测量被重复，并且用作比较的热导率测量被更新。

18、在一些实施例中，所述控制电路被配置为响应于确定所述制冷系统高于220k，优选地高于270k，控制所述热导率检测器来启动所述热导率检测器，以执行所述热导率检测作为污染热导率检测。

19、为了执行对其存在于低温制冷剂内的污染物的准确测量，可以有利的是在制冷系统被确定为高于低温温度——例如高于220k，优选地高于270k——时执行它们。在制冷系统包括再生阶段的情况下，则这个较高的温度可以以某种方式出现到再生阶段中，并且该系统可以在执行热导率检测之前执行混合循环。混合循环可以包括制冷系统的压缩机和泵在非常短的时间段内操作以混合系统周围的制冷剂，使得保持在系统的较冷部分内的污染物分布在制冷剂内。混合循环不在长的时间长度内发生，因为在这个循环期间不期望进行冷却。它可以持续多于30秒，并且通常少于5分钟。

20、在一些实施例中，所述电路被配置为取决于所述基线热导率检测和所述污染热导率检测两者来将所述热导率信号转换成所述低温制冷剂的污染的指示。

21、将所确定的热导率转换成污染的指示的电路可以考虑基线热导率检测(在存在一个的情况下)，使得两个信号之间的差异可以给出污染的准确指示。

22、热导率检测器可以采取许多形式，在一些实施例中，热导率检测器包括细丝热导率检测器。

23、细丝热导率检测器相对便宜并且易于操作。在一些实施例中，可以存在两个细丝热导率检测器，一个细丝热导率检测器和另一个参考细丝热导率检测器，所述另一个参考细丝热导率检测器与所述制冷系统隔离并且包括预定纯度的制冷剂，所述电路被配置为取决于所述另一参考细丝热导率检测器和所述细丝热导率检测器的所述热导率检测的比较来将所述热导率信号转换成所述低温制冷剂的污染的指示。

24、为了提供对污染的准确检测，细丝热导率检测器可以要求参考热导率检测器，所述参考热导率检测器检测纯净或基本上纯净的制冷剂的热导率，并且其与实际制冷剂的热导率之间的热导率的差异被用作污染的指示。

25、在其他实施例中，所述热导率检测器包括微机电系统(mems)器件。

26、mems器件可以对细丝检测器是优选的，因为它更准确并且更加独立于湍流和传感器定向。它也不要求第二器件充当参考器件，而是可以在不同的时间处自己执行基线测量并且使用比较来改进准确度。

27、在一些实施例中，所述电路被配置为接收指示所述制冷剂的温度和压力中的至少一个的信号，并且取决于所述至少一个温度和压力来将所述热导率信号转换成污染的所述指示。

28、由热导率检测器测量的热导率取决于制冷剂的温度和压力，并且因此，在一些实施例中，电路可以接收指示这些值的信号，并且可以在其污染的确定中使用它们。在一些实施例中，传感器本身可以包括温度和/或压力传感器中的至少一个，或者它可以具有用于从制冷系统接收指示制冷剂的温度和压力的信号的输入。在这点上，可以有利的是如果传感器本身包括温度传感器，因为这对于热导率具有显著影响，并且可以合期望的是尽可能接近测量热导率的地方来测量温度。

29、另外的方面提供了一种低温制冷系统，其包括低温制冷剂和根据一个方面的用于确定所述低温制冷剂的污染的传感器。

30、在一些实施例中，低温制冷系统进一步包括用于压缩所述低温制冷剂的至少一个压缩机、至少一个泵和用于控制所述低温制冷系统的操作的控制器，所述控制器被配置为通过在向所述传感器传输信号以启动对所述低温制冷剂的所述污染的检测之前在预定时间内触发所述压缩机和所述至少一个泵的操作，从而控制混合循环。

31、在一些实施例中，所述至少一个泵包括低温泵。

32、如先前指出的，当通过检测热导率来确定低温制冷剂的污染时，可以合期望的是执行混合循环以将污染物分布在制冷剂内。这在系统处于预热过程中并且可能在再生阶段期间停滞的情况下可能特别有利。因此，在一些实施例中，可以存在与制冷系统相关联的控制电路，该控制电路被配置为在向传感器传输启动热导率测量的信号之前控制混合循环。

33、又一方面提供了一种检测低温制冷系统中低温制冷剂的污染的方法，所述方法包括：

34、将包括热导率检测器的传感器耦合到所述低温制冷系统中的低温制冷剂流动路径，使得低温制冷剂流入到所述热导率检测器中；

35、利用所述热导率检测器来测量所述低温制冷剂的热导率；

36、将所述所测量的热导率转换成所述低温制冷剂的污染量的指示；和

37、输出所述低温制冷剂的污染的所述指示。

38、在一些实施例中，所述制冷系统包括低温泵系统。

39、在一些实施例中，所述方法包括确定所述制冷系统正在进入再生阶段的初始步骤，测量所述热导率的所述步骤在所述再生阶段期间执行。

40、在一些实施例中，所述方法包括确定所述低温制冷系统处于低温温度下，优选地低于100k，并且执行基线热导率测量步骤。

41、在一些实施例中，所述方法包括在执行测量所述热导率的所述步骤之前确定所述制冷系统高于低温温度，优选地高于200k。

42、在一些实施例中，将所述所测量的热导率转换成所述低温制冷剂的污染量的指示的所述步骤包括将所述所测量的热导率与所述所测量的基线热导率进行比较。

43、在所附的独立和从属权利要求中阐述了进一步的特定和优选方面。从属权利要求的特征可以酌情地与独立权利要求的特征相组合，并且可以不同于权利要求中明确阐述的那些来进行组合。

44、在装置特征被描述为可操作来提供功能的情况下，将领会到的是，这包括提供那个功能或者被适配或配置为提供那个功能的装置特征。