連續流熱力泵的製作方法

2023-09-16 13:00:31

技術領域

本公開的實施例一般涉及低溫泵系統/低溫抽吸系統，更具體地，涉及適用於使用多個熱力抽吸室的系統的實施例，該多個熱力抽吸室順序地從容器接收低溫液體並且通過熱交換器與提供連續氣體供給的氣體供給容器相互連接。

背景技術：

目前增長的需求是使用液體氫LH2用於較高密度存儲，和LH2到氣體氫(GH2)的轉換用於往復運動(in reciprocating)和其他內燃發動機。作為示例性的用途，對具有大往復式發動機的高空長航時(HALE)類型的無人飛行器的需求正成指數增長，並且不久將達到每年3000個飛行器。已經證實，使用氫為這些飛行器加燃料是高效的且環保的解決方法。然而，只有通過作為液體的低溫存儲才可以實現氫的適當的存儲密度。每個飛行器將需要LH2氫泵和GH2轉換系統。如果沒有合適的泵，那麼飛行器將不能夠滿足HALE飛行器的長航時的需求。需要針對發動機的GH2的可靠連續流。

現有的機械LH2抽吸系統供應液體給傳統的熱交換器，用於轉換成氣體，例如火箭燃料系統中使用的機械LH2抽吸系統，已經證明它們是複雜的且對於擴展使用不夠可靠。與在大約幾秒或幾分鐘內耗盡其燃料的火箭系統不同，諸如HALE的應用需要數天或更長的時間連續供應GH2。此外，還需要無特別翻新需求的系統可重用性。

因此，希望提供具有簡化的機械需求同時在一持續時間內提供連續流用於GH2轉換的LH2抽吸系統。

技術實現要素：

此處所公開的實施例提供了用於提供氣體氫的熱力泵。該泵使用多個液體氫(LH2)容器，該多個液體氫(LH2)容器使用來自蓄壓器的氣體氫(GH2)被相繼/順序地加壓。接收來自順序加壓的多個容器中每個容器的LH2的熱交換器將加壓的GH2返回至蓄壓器，從而提供給發動機。

在操作中，實施例提供了通過增壓泵交替地將多個液體氫容器中的一個與含有氣體氫的蓄壓器連接在一起，蓄壓器提供連續流的氫給發動機。

已經討論的特徵、功能、和優勢可以在本公開的各種實施例中獨立實現，或是可以與其他實施例組合起來實現，進一步的細節可以參考下面的說明書和附圖。

一種用於提供氣體氫的熱力泵系統，包含：蓄壓器，其用於存儲加壓的氣體氫；多個液體氫(LH2)容器，其與所述蓄壓器的出口進行流體交流，並被控制用於順序加壓；和熱交換器，其與所述蓄壓器進行流體交流並與用於順序接收LH2的多個容器進行受控流體交流。

所述熱力泵進一步包含供給歧管，其將多個容器和所述熱交換器互相連接，並且所述供給歧管具有用於順序地供應LH2給所述熱交換器的多個供給閥。

所述熱力泵進一步包含加壓歧管，其將所述蓄壓器和所述多個容器互相連接，並且所述加壓歧管具有多個加壓閥，其順序加壓所述容器，同時順序供應LH2。

所述熱力泵進一步包含填充歧管，其將所述多個容器和杜瓦瓶互相連接，並且所述填充歧管具有用LH2順序填充所述容器的多個填充閥。

本發明一個實施例中限定的所述熱力泵進一步包含排放歧管(blow down manifold)，其將所述多個容器和所述杜瓦瓶互相連接，並且所述排放歧管具有多個降壓閥，其順序降壓來自容器的GH2，同時順序填充LH2。

所述熱力泵進一步包含在所述杜瓦瓶和容器中間的蓄壓冷凝器，所述蓄壓冷凝器提供LH2給填充歧管，並接收來自所述排放歧管的GH2。

一種氣體氫(GH2)供給系統，包含：液體氫(LH2)的杜瓦瓶；熱力泵，其具有從所述杜瓦瓶接收LH2的多個容器和提供GH2的熱交換器，所述多個容器順序地提供LH2給所述熱交換器，並當容器中的LH2耗盡時用所述杜瓦瓶的LH2重新填充容器；以及供給GH2的蓄壓器，所述蓄壓器接收來自所述熱交換器的GH2，並提供加壓的GH2給所述多個容器。

所述GH2供給系統進一步包含：供給歧管，其將所述多個容器和所述熱交換器相互連接，並且所述供給歧管具有用於順序供應LH2給所述熱交換器的多個供給閥；

本發明一個實施例中所限定的熱力泵進一步包含加壓歧管，其將所述蓄壓器和所述多個容器互相連接，並且所述加壓歧管具有多個加壓閥，該多個加壓閥順序加壓所述容器，同時順序供給LH2。

所述熱力泵進一步包含填充歧管，其將所述多個容器和所述杜瓦瓶互相連接，以及所述填充歧管具有用LH2順序填充所述容器的多個填充閥。

所述熱力泵進一步包含排放歧管，其將所述多個容器和所述杜瓦瓶互相連接，以及所述排放歧管具有多個降壓閥，所述降壓閥順序減壓所述容器的GH2同時順序填充LH2。

所述熱力泵進一步包含在所述杜瓦瓶和容器中間的蓄壓冷凝器，所述蓄壓冷凝器提供LH2給所述填充歧管，並接收來自所述排放歧管的GH2。

一種提供氫給發動機的方法，包含：通過增壓泵交替地將多個液體氫容器中的一個容器與含有氫氣的蓄壓器連接，所述蓄壓器提供連續流的氫氣給發動機。

所述方法進一步包含：用所述容器和蓄壓器中間的熱交換器增加氫的溫度；和提供來自所述發動機的熱工作氣體給所述熱交換器。

所述方法進一步包含：使用加壓歧管將所述容器與所述蓄壓器互相連接，所述加壓歧管具有連接到所述容器的多個加壓閥；並且操作所述加壓閥用於控制來自所述容器的氫的順序流。

所述方法進一步包含：順序地操作所述熱交換器和每個液體氫容器中間的多個供給閥。

本發明一個實施例所述的方法，其中所述系統以一個流速連續運行。

一種利用熱力泵將連續氣體氫(GH2)供給發動機的方法，包含：用液體氫(LH2)填充多個容器和一個供給杜瓦瓶；通過具有用於加壓的高壓GH2的加壓歧管將所述多個容器中的第一容器連接到蓄壓器，並通過供給歧管將所述第一容器連接到熱交換器；供應來自發動機的熱工作流體給所述熱交換器，以及供應來自所述熱交換器的GH2給所述蓄壓器；提供來自所述蓄壓器的GH2給所述發動機；一旦容器中的所述第一容器中的液體氫耗盡，就斷開所述第一容器與供給歧管和加壓歧管；連接所述多個容器中的第二容器與所述加壓歧管和供給歧管；將所述第一容器通過排放歧管經過第二熱交換器連接到所述杜瓦瓶，以及通過填充歧管將所述第一容器與所述杜瓦瓶連接，通過第二熱交換器重新填充所述第一容器；一旦容器中的所述第二容器中的液體氫耗盡，就斷開所述第二容器與所述供給歧管和加壓歧管；將所述多個容器中的下一個容器與所述加壓歧管和所述供給歧管連接；通過所述排放歧管通過所述第二熱交換器將所述多個容器中的第二容器與所述杜瓦瓶連接，並通過填充歧管將所述多個容器中的下一個容器與所述杜瓦瓶連接，通過所述第二熱交換器重新填充所述第一容器；將所述多個容器順序地連接和斷開用於到與所述發動機的連續GH2流。

所述方法進一步包含連接在所述供給歧管和所述熱交換器中間的第一增壓泵的步驟。

所述方法進一步包含連接在所述杜瓦瓶和所述第二熱交換器中間的第二增壓泵的步驟。

附圖說明

圖1是使用熱力泵的實施例的LH2存儲和GH2供給系統的元件的示意圖；

圖2-16展示了所述熱力泵提供連續GH2供給的操作。

具體實施方式

參考圖1，此處所公開的實施例說明了通過比例流量控制裝置由熱力泵存儲LH2和供給GH2到發動機和/或其他輔助系統的系統。對一個示例性實施例，LH2存儲杜瓦瓶10為系統存儲LH2。儘管示出一個杜瓦瓶，但是對於要求額外的LH2存儲能力的可選實施例而言，可以使用多個杜瓦瓶。熱力泵(TDP)12包括LH2轉移蓄壓器和返回GH2冷凝器14，返回GH2冷凝器14通過第一增壓泵16接收來自杜瓦瓶10的LH2，並通過蓄壓冷凝器中的第一熱交換器18將GH2返回至杜瓦瓶。為所描述的實施例示出為球體20a、20b、和20c的多個TDP容器通過具有進氣閥24a、24b、和24c進入各自的球體中的液體填充歧管22接收來自LH2轉移蓄壓器的LH2。每個球體分別通過供給閥28a、28b、和28c提供LH2給液體供給歧管26。

第二增壓泵30引起液體流流過供給歧管進入熱交換器32，熱交換器32包括流入且通過熱交換器32的一般來自發動機冷卻系統的熱工作流體線34，和流入且通過熱交換器32的LH2到GH2轉換線36。GH2轉換線中的氣體提供給GH2蓄壓器38，GH2蓄壓器38提供臨時GH2存儲用於通過比例流量控制裝置(PFCD)40提供給發動機42，例如適用於HALE航空器應用的往復式內燃發動機。通過PFCD也可以提供GH2給其他輔助系統44，例如用於生成電力的燃料電池，從而補充發動機產生的機械動力。

GH2加壓歧管46通過加壓閥48a、48b和48c使GH2蓄壓器38和每個TDP球體中的空餘量/氣隙(ullage)互相連接，用於對球體可操作地加壓，這將在隨後更詳細地描述。通過降壓閥52a、52b、52c連接到TDP球體的排放歧管50將GH2返回至GH2冷凝器14，用於返回至LH2杜瓦瓶10，這也將在隨後更詳細地描述。

提供快速斷開裝置54a和54b使地面服務設備(GSE)連接LH2杜瓦瓶，用於填充LH2和去除LH2，如果需要，在填充操作期間提供快速斷開裝置(QD)54c使得GH2流入GH2蓄壓器或從GH2蓄壓器流出至GSE。

圖2-16說明了利用TDP泵12的存儲和供給系統的操作。在圖2中，填充系統的操作是通過由箭頭所表示來自GSE的LH2流過QD 54b進入杜瓦瓶10、蓄壓器14，並通過填充歧管22與開著的填充閥24a、24b和24c通過TDP球體穿出開著的降壓閥52a、52b、和52c進入降壓歧管，通過冷凝器18進入杜瓦瓶，並通過QD 54a排回至GSE完成。圖2示出了具有冷的GH2的系統，冷的GH2是由冷卻期間流過系統的LH2迅速蒸發產生的。在充分冷卻系統之後，開始填充LH2的液體，如圖3中所示。本領域的技術人員將認識到，起初惰性氣體流(例如氣體氫之後的氦)可以先於LH2流。完成通過QD 54c用GH2填裝GH2蓄壓器38同時用LH2填充杜瓦瓶和TDP球體。對於示例性的實施例，使用大約150磅/平方英寸(psia)的工作GH2壓力。

如圖4中所示，一旦完成填充TDP球體，填充閥24a、24b和24c被關閉。繼續填充LH2杜瓦瓶直到充滿，如圖5中所示，在此時GSE可以被斷開並且系統處於備用狀態。在某些實施例中，由於操作考慮，可以要求在完成填充TDP球體之前用閥調節完成對LH2杜瓦瓶的填充。

如圖6中所示，操作TDP 12從打開加壓閥48c開始，將來自GH2蓄壓器的GH2壓力導入TDP球體20c。氣體的熱收縮導致氣體壓力較小地降低，如圖所示大約減小5磅/平方英寸而到145磅/平方英寸。由增壓泵30輔助，打開供給閥28c提供LH2流從TDP球體20c流入供給歧管26。LH2流過熱交換器32將LH2氣化為GH2，並流到蓄壓器38以通過PFCD 40供給以便由發動機和/或其他輔助系統使用。流過熱交換器32的流將蓄壓器和TDP球體20c中的工作壓力增加至圖7中所示的標稱值150磅/平方英寸。在示例性的實施例中，壓力調節器(未示出)維持蓄壓器中150磅/平方英寸的標稱壓力。剩餘兩個TDP球體20b和20a以及LH2杜瓦瓶和蓄壓器14中的壓力保持在25磅/平方英寸的標稱值。

當TDP球體20c的LH2基本耗盡時，如圖8中所示，加壓閥48c和供給閥28c均關閉。加壓閥48b打開，對TDP球體20b加壓，如圖中所示氣體壓力波動到145磅/平方英寸，以及供給閥28b打開，提供了LH2從TDP球體20b流入供給歧管，並穿過泵30至熱交換器32然後至蓄壓器38。填充閥24c和降壓閥52c均打開，開始對TDP球體20c重新填充。

如圖9中所示，流過熱交換器32的流增加了蓄壓器和TDP球體20b中的工作壓力，使得在TDP球體20b和蓄壓器38中實現壓力恢復至150磅/平方英寸。TDP球體20c中壓力降至大約25磅/平方英寸以供填充同時流過排放歧管50和熱交換器18並返回至LH2杜瓦瓶10，導致蓄壓器和冷凝器14中的壓力稍微增加25-30磅/平方英寸。如圖10中所示，當TDP球體20b的LH2耗盡時，來自增壓泵16輔助的杜瓦瓶的25磅/平方英寸的LH2流填充TDP球體20c。對於所示的實施例，LH2飽和溫度和飽和壓力導致25磅/平方英寸杜瓦瓶壓力。在可選的系統中，可以使用替換的壓力和溫度。

當TDP球體20b中的LH2基本耗盡時，如圖11中所示，加壓閥48c和供給閥28b均關閉。加壓閥48a打開對TDP球體20a加壓，如圖所示氣體壓力波動至145磅/平方英寸，以及供給閥28ab打開提供LH2從TDP球體20a流入供給歧管和通過泵30流至熱交換器32然後流至蓄壓器38。填充閥24b和降壓閥52b均打開，開始對TDP球體20b重新填充。

如圖12中所示，在TDP球體20a和蓄壓器38中實現了壓力恢復至150磅/平方英寸。TDP球體20b中壓力降至大約25磅/平方英寸以供填充同時流過排放歧管50和熱交換器18並返回至LH2杜瓦瓶10，保持蓄壓器和冷凝器14中的壓力稍微增加25-30磅/平方英寸。如圖13中所示，當TDP球體20a中的LH2耗盡時，來自增壓泵16輔助的杜瓦瓶的LH2流填充TDP球體20b。

當TDP球體20a中的LH2基本耗盡時，如圖14中所示，加壓閥48a和供給閥28a均關閉。加壓閥48c打開對TDP球體20c加壓，如圖所示氣體壓力波動至145磅/平方英寸，以及供給閥28c打開提供LH2流從TDP球體20c流入供給歧管和通過泵30流至熱交換器32然後流至蓄壓器38。填充閥24a和降壓閥52a均打開，開始對TDP球體20a重新填充。

如圖15中所示，在TDP球體20c和蓄壓器38中實現了壓力恢復至150磅/平方英寸。TDP球體20a中的壓力降至大約25磅/平方英寸以供填充同時流過排放歧管50和熱交換器18並返回至LH2杜瓦瓶10，保持蓄壓器和冷凝器14中的壓力稍微增加25-30磅/平方英寸。如圖16中所示，當TDP球體20c的LH2耗盡時，來自增壓泵16輔助的杜瓦瓶的LH2流填充TDP球體20a，使系統處於先前關於圖8描述的狀態，並且三個TDP球體之間循環轉變，以便於連續供應GH2給蓄壓器38和發動機或輔助系統。

對於示例性的實施例，例如HALE飛行器應用，(若干)LH2杜瓦瓶可以是一個或多個10英尺直徑的球形真空有套容器。TDP球體是六英尺直徑不鏽鋼鋼化真空有套容器。在可選的實施例中，可以使用具有額外的絕緣材料的泡沫絕緣或真空外套。TDP球體並不是為了長期存儲LH2。TDP球體的大小和熱性能被選擇成在循環之間具有最小溫度變化(例如，預熱期)的短時間內提供快速周期性的LH2填充、耗盡、和轉移至液體供給歧管。對於該示例性的大小，每個TDP球體的周期大約在標稱流速是一分鐘，並可以20秒鐘達到最大流狀態。儘管對於該實施例已經示出三個TDP球體，但是為了達到期望的熱性能和抽吸性能可以使用兩個球體或更多的球體。此外，儘管在所描述的實施例中用可比較的時間示出了一個球體排出和耗盡球體重新填充的過程，但是需要對多個球體順序地重新填充，從而適應比重新填充時間更快的耗盡時間。此外，雖然在示例性的實施例中使用了球形容器，然而，在可選的實施例中可以使用圓柱形容器或共形(conformal)容器。在某些實施例中，如圖1中所示，加熱器組件56可以用於每個TDP球體，從而維持具體的工作溫度或熱敏電阻。TDP球體填充和耗盡的周期大約是1分鐘，其中熱交換器32在大約2700lbs/小時的熱工作流體流和大約47lbs/小時的H2流工作。增壓泵16和增壓泵30均是電驅動旋轉泵，其提供大約1/2psi的頂部上升用於引入LH2流到系統中，從而避免流停滯。所描述的每個TDP球體中用於確定循環控制的充滿和耗盡條件的水平傳感器/液面傳感器58可以是矽二極體點傳感器、電容式傳感器、或其它合適的裝置。

現在已經如專利法規所要求進行詳細地描述了本公開的各種實施例，本領域的技術人員將認識到，對此處所公開的具體實施例可以做出修改和替代。這些修改均在權利要求所限定的本公開的範疇和含義內。