用于抽空超大体积的设备和方法技术

一种目标体积排空系统包括涡轮压缩机和真空泵，该系统在第一配置中可操作以将目标体积压力从环境压力减小到例如在200mbar与50mbar之间的第一中间压力，并且在第二配置中可操作以将压力从例如10mbar的第二中间压力进一步减小到例如在0.1mbar与1mbar之间的目标局部真空。涡轮压缩机可以电力驱动或通过燃料燃烧驱动，并且可以是常规的或改进的涡轮喷气发动机。多个涡轮压缩机可从并联运行过渡到串联运行。通过将目标体积排出到吊杆罐体积和/或通过将涡轮压缩机系统配置成提供对真空泵送系统的支持，压力可从第一中间压力降低到第二中间压力。本发明专利技术适用于超级高铁运输系统。统。统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于抽空超大体积的设备和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求提交于2018年11月15日的美国临时申请62/767,862的权益，其全文以引用方式并入本文中以用于所有目的。


[0003]本专利技术涉及真空系统，更具体地说，涉及用于抽空非常大的体积的设备和方法。

技术介绍

[0004]长距离输送人群的传统方法可以分为四种基本类型：铁路、公路、水路和航空。通过道路和水路的运输往往相对便宜，但是相对较慢。通过空中旅行要快得多，但是昂贵。铁路运输人员可能既慢又昂贵。
[0005]已经提出了用于在长距离上快速且经济地输送大量人员的若干替代方案，例如通过高度抽空的地下管道的磁悬浮乘客座舱的超音速运输。然而，由于隧道效应、超导磁体的冷却以及维持所需超高真空的高成本，这些提议在实践中并未证明是可行的。
[0006]然而，存在一种新的方法，通常称为“超级高铁”(hyperloop)，其似乎克服了先前概念的问题，并且其可能成为货物和人在高达约900英里的距离上快速、廉价地大量运输的新范例。根据超级高铁概念，座舱将被推动通过被升高并安装在塔架上的运输管道而长距离。将管道抽空到局部真空，该局部真空可以是0.1毫巴(mbar)至1mbar之间的压力，由此压力将足够低以减小经过座舱的空气摩擦，同时还足够高以允许座舱在磁悬浮不是优选的情况下空气动力学地骑在气垫上。将管道分成部分(section)，例如分成每部分10
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20英里的长度，使得可以在不排放整个管道的情况下对各个部分进行排放以进行维护。
[0007]超级高铁概念的一个关键方面是在管道中使用“局部”真空，而不是超高真空(ultra
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high vacuum)，这大大降低了在管道内产生和保持真空的难度。即使对于这种局部真空，估计由于管的长度、所需的许多互连以及系统的非常大的体积，不可避免的泄漏将需要以通常20,000
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50,000实际立方英尺每分钟(ACFM)/英里管道的速率连续地抽吸管道，以保持局部真空。虽然这是一个重要的要求，但是预期足够数量的传统真空泵将能够满足该要求。
[0008]然而，直到本专利技术，对于最初将管道中的压力从环境压力降低到操作局部真空，还没有找到令人满意的解决方案。不幸的是，这种“初始”抽空不会是一次性事件。由于维护、修理和其它要求，将需要定期对管的部分重新加压，然后将它们再次从环境降低到操作局部真空。
[0009]一种方法是简单地通过增大泵的尺寸和/或通过提供更多的泵来“加大”真空泵送系统，使得系统具有足够的容量来从环境压力抽空管道。现有的提议建议实施多级真空系统，其包括增压泵，例如干式螺杆泵或任何几种类型的“罗茨”(root)鼓风机，其具有从第一真空级到最后级到大气的高分级比。这些建议通过加大真空系统中的大气级或降低级比来解决启动时的高质量流量泵送的问题。
[0010]然而，即使当包括增压泵时，这些方法也倾向于非常慢，并且也倾向于显著地增加泵送系统的功率消耗和成本，即使一旦实现局部真空就关闭初始泵送所需的附加泵。例如，根据一些估计，预期将需要50兆瓦的功率来操作真空泵，这将需要维持典型的超级高铁管道内的局部真空。这些提出的解决方案的高功率消耗是有问题的，这不仅是因为能量成本，而且因为提供超大功率源、电缆和耦合以满足在抽气期间的过大功率要求的成本。
[0011]在抽空期间，这种增加的成本大部分是由于真空泵在接近环境压力下操作时的低效率。在接近环境压力下空气的有效抽吸需要能够在小压差上产生高质量流的系统。然而，真空泵被优化用于泵送低质量流穿过高压差。结果，真空泵在接近环境压力下不能有效地工作，而传统的环境压力泵不能像真空泵那样很好地工作。为此，如果需要从处于环境压力下的管道泵送高质量流，则对于将管道维持在一mbar或更低的局部真空有效的泵(或泵送系统)将是非常低效的或无效的，使得能量需求过大，并且管道返回到真空所需的时间不切实际地长。
[0012]因此，需要一种高效、具有成本效益的系统和方法，用于将非常大体积内的压力从环境快速降低到局部真空，例如0.1mbar与1mbar之间的局部真空，优选地不需要电力消耗的大的喘振(surge)。

技术实现思路

[0013]本专利技术是一种具有成本效益的系统和方法，用于快速和有效地将非常大体积内的压力从环境减压到局部真空，在实施方式中，局部真空在0.1mbar和1mbar之间。实施方式提供了所需的压力降低，而不需要电力消耗的大的喘振。尽管本专利技术有时在此参照超级高铁质量运输系统进行描述，但是应当注意，本专利技术不限于与超级高铁系统一起使用，而是适用于需要快速排空非常大量的空气或气体的任何系统。
[0014]本专利技术通过实施包括至少一个涡轮压缩机的涡轮压缩机系统，在“抽空”的初始阶段期间提供了目标体积内的大量空气或气体的大质量流排空。涡轮压缩机通常不被认为适用于真空应用，因为它们仅在有限的压力差范围内可操作，并且如果它们以过小的质量流量操作，则由于“喘振”而遭受故障。即使对于例如抽空用于测试航天器的大腔室的应用，其可以具有超过10,000立方米的体积，涡轮压缩机也被认为是不合适的，因为它们将仅在泵送过程的初始、接近环境阶段期间操作非常短的时间，并且将因此仅提供抽空时间的最小减少。
[0015]因此，在本专利技术的时候，将涡轮压缩机应用于排空系统与本领域公认的知识相反。然而，甚至可以是10
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30英里长的超级高铁管道的单个部分，预期具有可以在数百万立方米的体积。因此，本专利技术人认识到，超级高铁代表了一种新的范例，这导致本专利技术人与本领域公认的知识相反地进行，并且将涡轮压缩机实现为排空系统的一部分。
[0016]在实施方式中，本专利技术的涡轮压缩机系统可操作以将目标体积内的压力从环境压力降低到200mbar以下。在这些实施方式的一些中，涡轮压缩机系统可操作以将目标体积中的压力降低到低于100mbar，或甚至低于50mbar。一旦达到目标体积中的该中间压力，涡轮压缩机系统与目标体积隔离，并且更传统的真空泵送系统用于将目标体积内的压力降低到最终目标局部真空。
[0017]在一些实施方式中，一个或多个涡轮压缩机的叶轮由电动马达驱动。在其它实施
方式中，涡轮压缩机的叶轮通过由气流驱动的涡轮旋转，在实施方式中，气流通过燃料的燃烧产生。并且在这些实施方式中的一些实施方式中，涡轮驱动的涡轮压缩机被修改，或者在一些实施方式中，为常规的涡轮喷气发动机。在实施方式中，另外的常规涡轮喷气发动机通过调整其输出喷嘴而被修改，从而与常规操作相比，减小推力并且提高允许压力比，同时减小噪声。
[0018]本专利技术减少了对过量电源和电缆的需求，因为涡轮压缩机系统比在接近环境压力下的常规真空泵送系统更有效。涡轮喷气发动机实施方式和结合了由燃料燃烧驱动的涡轮驱动涡轮压缩机的其它实施方式进一步减少或消除了在泵送期间对过量电力的任何需要，因为泵送能量在泵送的初始阶段主要或完全由燃料燃烧而不是电力提供。结果，特别是在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在目标体积内建立目标局部真空的设备，所述系统包括：涡轮压缩机系统，所述涡轮压缩机系统包括第一涡轮压缩机，所述涡轮压缩机系统能够在第一排空阶段期间操作，用以将所述目标体积内的压力从环境压力降低到第一中间压力；真空泵送系统；以及互连系统，所述互连系统能够在控制器的控制下操作，用以在所述涡轮压缩机系统与所述目标体积之间以及在所述真空泵送系统与所述目标体积之间建立气体连通。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述真空泵送系统在最终排空阶段期间能够操作，用以将所述目标体积内的压力从第二中间压力降低到所述目标局部真空。3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统包括离心式涡轮压缩机。4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统包括轴向涡轮压缩机。5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统包括具有由电动马达旋转的叶轮的涡轮压缩机。6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统包括具有叶轮的涡轮驱动的涡轮压缩机，所述叶轮由气体驱动的涡轮旋转，所述气体驱动的涡轮由燃料燃烧产生的气体驱动。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述涡轮喷气发动机在设计上与可操作用于推进飞行器的飞行器涡轮喷气发动机基本上相同。8.根据权利要求7所述的设备，其中，包括在所述涡轮压缩机系统中的涡轮喷气发动机在设计上与用于推进飞行器的飞行器涡轮喷气发动机基本相同，除了包括在所述涡轮压缩机系统中的涡轮喷气发动机不包括出口喷嘴。9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述真空泵送系统包括至少一个多级泵，所述多级泵包括以下中的至少一者：螺杆式真空鼓风机；“罗茨”型真空鼓风机；油密封真空泵；干式运行真空泵；以及液环泵。10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统还包括气体喷射器。11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述涡轮压缩机系统还包括中间冷却器。12.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，涡轮压缩机系统还包括第二涡轮压缩机，并且其中，所述互连系统构造成将所述第二涡轮压缩机从与所述第一涡轮压缩机并联连接转换到与所述第一涡轮压缩机串联连接。13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述互连系统配置成将所述第一涡轮压缩机从第一配置转换到第二配置，在所述第一配置中，所述第一涡轮压缩机与所述目
标体积直接气体连通，在所述第二配置中，所述第一涡轮压缩机与所述真空泵送系统气体连通并且配置成向所述真空泵送系统提供支持。14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述目标体积是超级高铁运输系统的多区段运输管道的区段，其中，多个所述区段中的每个区段包括用于与其连接到所述涡轮压缩机系统的配件，并且其中，所述涡轮压缩机系统安装在车辆上，所述车辆能够在所述区段之间输送所述涡轮压缩机系统以用于在其抽空期间连接。15.根据权利要求14所述的设备，其中，抽空真空泵送系统也安装在所述车辆上，并且能够操作用于在所述最终排空阶段期间提高抽空速率。16.根据权利要求14或15所述的设备，其中，所述车辆适于在常规高速公路上运输所述压缩机系统。17.一种用于将目标体积中的压力从环境压...

【专利技术属性】
技术研发人员：H，
申请(专利权)人：福斯管理公司，
类型：发明
国别省市：