用于给机载低温燃料箱加燃料的过冷器及其操作方法与流程

1.本公开大体涉及给低温燃料箱加燃料，并且更具体地，涉及用于给机载低温燃料箱加燃料的过冷系统。


背景技术：

2.用于低温燃料箱的加燃料系统通常包括供应箱和/或拖车(trailer)、流量控制阀、体积流量计、低温阀、柔性真空夹套流线和机载低温燃料箱。开始加燃料时，供应箱启动低温燃料流，通过一系列终止于机载低温燃料箱的真空夹套流线。流量控制阀调节离开供应箱的低温燃料的流率。体积流量计测量低温燃料流过流量计的速率，例如，以升每秒为单位。低温阀通常以完全打开或完全关闭的位置调节低温燃料流量。供应箱具有温度计，并且低温燃料的密度性质取决于低温燃料的温度。低温燃料的密度可以基于燃料的温度来确定。供应到机载低温燃料箱的低温燃料的体积可以基于体积流率和加燃料的持续时间来确定。供应到机载低温燃料箱的低温燃料的质量可以基于低温燃料的体积和密度来确定。
附图说明
3.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的优选实施例的完整且使能的公开，包括其最佳模式，其中：
4.图1示出了用于给机载低温燃料箱加燃料的已知系统；
5.图2a示出了根据本公开的教导的用于给机载低温燃料箱加燃料的第一示例过冷系统；
6.图2b示出了根据本公开的教导的用于给机载低温燃料箱加燃料的第二示例过冷系统；
7.图2c示出了根据本公开的教导的用于给机载低温燃料箱加燃料的第三示例过冷系统；
8.图3示出了液态氢(示例低温燃料)的饱和压力与温度和密度与温度的热力学性质；
9.图4是说明过冷系统的操作的流程图；
10.图5是说明过冷系统中的过冷器的操作的流程图；
11.图6是说明可以由示例处理器电路执行和/或实例化以实施控制过冷系统中的过冷器的过冷器控制器的示例机器可读指令和/或操作的流程图；和
12.图7示出了包括处理器电路的示例处理平台，处理器电路被构造为执行图6的示例机器可读指令。
13.附图未按比例绘制。相反，可以在附图中放大层或区域的厚度。通常，在整个附图和随附的书面描述中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。如本专利中所使用的，声明任何部分(例如，层、膜、区、区域或板)以任何方式在(例如，定位、位于、设置或形成等)另一部分上，表示被指代部分或者与另一部分接触，或者被指代部分在另一部分上方，
其中一个或多个中间部分位于它们之间。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接、联接、连接、接合、拆卸、断开联接、断开连接、分离等)应被广义地解释，并且可以包括元件集合之间的中间构件和元件之间的相对移动。如本文所用，术语“可断开联接”是指两个部分能够被附接、连接和/或以其他方式接合，并且然后被拆卸、断开连接和/或以其他方式非破坏性地彼此分离(例如，通过移除一个或多个紧固件，移除连接部分等)。因此，连接/断开连接参考不一定推断两个元件直接连接并且彼此具有固定关系。声明任何部分与另一部分“接触”意味着在这两个部分之间没有中间部分。
14.当识别可单独提及的多个元件或部件时，本文使用描述符“第一”、“第二”、“第三”等。除非基于其使用上下文另有说明或理解，否则此类描述符并非旨在赋予列表中的优先级、物理顺序或布置或时间排序的任何含义，而仅用作分别指代多个元件或部件的标签，以便于理解所公开的示例。在一些示例中，描述符“第一”可以用于指代详细描述中的元件，而在权利要求中可以使用不同的描述符(例如“第二”或“第三”)来指代相同的元件。在这种情况下，应当理解，使用这种描述符仅是为了便于指代多个元件或部件。
具体实施方式
15.用于机载低温燃料箱的已知加燃料系统的操作在与加燃料之前储存低温燃料的温度相似的温度下为低温燃料加燃料。在一些示例中，低温燃料在对应于高于大气压力的饱和压力的温度下储存在供应箱中。在这样的示例中，低温燃料也将在高于大气压力的饱和压力下储存在机载低温燃料箱中。如果机载低温燃料箱在飞行中发生故障或被刺穿，高饱和压力可能会对由液态冷冻剂提供动力的运载器(例如，氢飞行器)造成灾难性损坏。在一些示例中，供应箱被驱动到起飞和/或发射场以用低温燃料(例如，液态氢(lh2))为机载箱加燃料。在这样的示例中，lh2储存在绝热的供应箱中，但lh2的温度仍然不受调节，在这种情况下，机载lh2的质量既不可控，也不在功能上优化。在本文公开的示例中，用于氢飞行器的加燃料系统中的过冷器在加燃料期间降低温度并增加lh2的密度，从而可以使用较小的机载低温燃料箱来储存相同质量的lh2，并且可以精确控制提供到机载低温燃料箱的lh2的质量。例如，如果lh2由25开尔文(k)下的供应箱提供，则在示例氢飞行器上lh2燃料的密度约为64kg/m3。本文公开的示例过冷器可在加燃料时将lh2的温度降低至20k，从而将lh2的密度提高至约71kg/m3并将机载箱体积减少约10％。
16.术语“上游”和“下游”指的是相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。术语“主要”和“辅助”是指相应流线的端点。例如，“主要”是指将过冷的低温燃料引导至机载低温燃料箱的流线，而“辅助”是指将未使用的低温燃料引导至储存箱的流线。术语“饱和压力”是指给定的低温液体及其蒸汽可以在密闭容器内以热力学平衡共存的压力。
17.在本文使用的一些示例中，“包括”和“包含”(及其所有形式和时态)在本文中用作开放式术语。因此，只要权利要求采用任何形式的“包括”或“包含”(例如，包含、包括、具有等)作为序言或在任何类型的权利要求陈述中采用任何形式的“包括”或“包含”(例如，包含、包括、具有等)，应当理解，在不超出对应权利要求或陈述的范围的情况下，可以存在附加的元件、术语等。如本文所用，当短语“至少”用作例如权利要求的序言中的过渡术语时，其以与术语“包含”和“包括”是开放式的相同的方式是开放式的。例如，术语“和/或”当以例
如a、b和/或c的形式使用时，指的是a、b、c的任何组合或子集，例如(1)单独a，(2)单独b，(3)单独c，(4)a与b，(5)a与c，(6)b与c，以及(7)a与b以及与c。如本文在描述结构、部件、项目、对象和/或事物的上下文中使用的，短语“a和b中的至少一个”旨在指代包括(1)至少一个a，(2)至少一个b，以及(3)至少一个a和至少一个b中的任何的实施方式。类似地，如本文在描述结构、部件、项目、对象和/或事物的上下文中使用的，短语“a或b中的至少一个”旨在指代包括(1)至少一个a，(2)至少一个b，以及(3)至少一个a和至少一个b中的任何的实施方式。如本文在描述过程、指令、动作、活动和/或步骤的进行或执行的上下文中使用的，短语“a和b中的至少一个”旨在指代包括(1)至少一个a，(2)至少一个b，以及(3)至少一个a和至少一个b中的任何的实施方式。类似地，如本文在描述过程、指令、动作、活动和/或步骤的进行或执行的上下文中使用的，短语“a或b中的至少一个”旨在指代包括(1)至少一个a，(2)至少一个b，以及(3)至少一个a和至少一个b中的任何的实施方式。
18.如本文所用，单数参考(例如，“一”、“一个”、“第一”、“第二”等)不排除复数。如本文所用，术语“一”或“一个”实体是指该实体中的一个或多个。术语“一”(或“一个”)、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。此外，虽然单独列出，但多个装置、元件或方法动作可以通过例如单个单元或处理器来实施。此外，虽然单独的特征可以包括在不同的示例或权利要求中，但这些可以可能地被组合，并且不同示例或权利要求中的包括并不意味着特征的组合是不可行的和/或不利的。
19.对于本文公开的附图，相同的数字在所有附图中指示相同的元件。图1的示例图示是表示现有低温加燃料系统100的框图。如图1所示，低温加燃料系统100(“系统100”)包括通过联接的真空夹套(vj)流线110串联连接的部件。一般而言，低温加燃料系统100可包括手动操作或电子致动的流量控制阀104(例如，低温截止阀)以调节由供应箱102提供的低温燃料的流量。
20.流量控制阀104在低于233k的工作温度下操作并且可以用于传输低温度的低温流体(例如，液化天然气、液态氧、液态氢等)。在一些示例中，流量控制阀104调节低温流体的流量，从而可以将已知质量的燃料提供到机载低温燃料箱112。示例流量控制阀104被构造成在传输期间使低温燃料绝热，使得流体不会加热、蒸发和作为气体泄漏。在一些示例中，流量控制阀104通过一个或多个vj流线110连接到供应箱102。
21.示例低温加燃料系统100还可包括手动操作或电子致动的低温阀108。在一些示例中，低温阀是切断阀以快速终止流向机载低温燃料箱112，使得机载低温燃料箱112不会过满。示例低温阀108被构造成在传输期间使低温燃料绝热，使得流体不会加热、蒸发和作为气体泄漏。在一些示例中，低温阀108通过一个或多个vj流线110连接到机载低温燃料箱112。
22.在一些示例中，图1所示的vj流线110用于连接低温加燃料系统100的部件。示例低温加燃料系统100的vj流线110保持低温流体的温度，因此流体不会加热并作为气体泄漏出系统100。在一些示例中，vj流线110可包括vj管道、柔性管线、vj阀、蒸汽排放口、蒸汽排放加热器、vj歧管等。通常，示例vj流线110包括内管道和外管道或内管线和外管线。示例vj流线110的内管道携带低温液体并利用多个交替的隔热层和非导电间隔层绝缘。绝缘层在示例vj流线110中的内管道和外管道之间形成空间，该空间使用真空泵减压以形成静态真空屏蔽。真空屏蔽保护示例低温燃料免受由于传导、对流和辐射引起的热传递。
23.图1所示的示例低温加燃料系统100包括流量计106。在一些示例中，流量计106是在多个时间段内测量低温燃料的体积流率的低温流量计。术语时间段是指示例低温以特定体积流率流动的时间长度。供应到机载低温燃料箱112的示例低温燃料的体积通过合计体积流率乘以加燃料持续时间的对应时间段来确定。供应到机载低温燃料箱112的示例低温燃料的密度是取决于低温燃料的温度的热力学性质。由于示例vj流线110防止低温燃料在加燃料过程中吸收热量，低温燃料储存在供应箱102中的温度类似于低温燃料储存在机载低温燃料箱112中的温度。因此，机载低温燃料箱112内的示例低温燃料的密度可以在加燃料过程期间多次根据机载低温燃料箱112或供应箱102的温度读数来确定。示例流量计106由此允许确定储存在机载低温燃料箱112中的低温燃料质量。然而，机载低温燃料箱112中的示例低温燃料的密度和质量取决于供应箱102内的低温燃料的温度，该温度通常是不可调节的。例如，供应箱102可以在将低温燃料运输到氢飞行器进行加燃料之前，在液态冷冻剂工业设施处用20开尔文(k)的lh2填充。20k的示例lh2温度与14磅每平方英寸(psi)的示例lh2饱和压力相关，这与大气压力类似，并且因此对于储存在机载低温燃料箱112中的示例lh2是期望的饱和压力。然而，在运输过程中，供应箱102内的lh2的示例温度可能会增加到24k的温度。24k的示例lh2温度与40psi的示例lh2饱和压力相关，这对于机载低温燃料箱112中储存的lh2可能是不希望的饱和压力。
24.如图1所示，示例机载低温燃料箱112位于氢飞行器上以将液态或气态氢供应到改进的燃气涡轮发动机。示例氢动力涡轮发动机燃烧氢燃料和压缩空气的混合物以产生推力。与非低温燃料箱相比，用于储存低温燃料(例如，lh2)的示例机载低温燃料箱112具有更厚的壁并且由更坚固的合金制成以避免脆性开裂。相对于非低温燃料箱，示例机载低温燃料箱112在低温度(例如，20k)下储存低温燃料。示例机载低温燃料箱112使低温燃料绝热以防止温度升高(例如，从20k到24k)，温度升高会导致气化和饱和压力升高(例如，从14psi到40psi)。由于相对于非低温燃料箱具有根本不同的绝缘架构(例如，内容器和外容器之间的真空层)，该示例的机载低温燃料箱112的体积可以比非低温燃料箱大高达四倍。在许多液态低温燃料运载器(例如，氢飞行器)中，减小机载低温燃料箱112的体积(例如，从20m3到18m3)可以增加储存容量、乘客容量、货物重量限制等。
25.图2a示出了包括过冷器204的过冷低温加燃料系统200(“系统200”)。示例过冷器204可以与图1的低温加燃料系统100结合使用，以代替流量控制阀104，并且可以与诸如汽化器222、压缩机224、储存箱226等的附加和/或替代部件结合使用。在图2a所示的示例中，过冷器204包括第一阀206、第二阀208、低温热交换器210和温度传感器212。在图2所示的示例中，过冷低温加燃料系统200包括供应箱202、流量计106、低温阀108、vj流线110、机载低温燃料箱214、汽化器222、压缩机224、以及储存箱226。
26.图2a中所示的示例过冷器204包括第一阀206，以将流动的低温燃料分离进入主要流线228和辅助流线230。示例第一阀206可以改变进入主要流线228和辅助流线230的体积流率。示例过冷器204还包括第二阀208，以降低辅助流线230中的低温燃料的饱和压力，从而降低流过辅助流线230的低温燃料的温度。示例过冷器204还包括低温热交换器210，以将热量从主要流线228中的较热的低温燃料传递到辅助流线230中的较冷的低温燃料。示例过冷器204还包括温度传感器212，温度传感器212测量主要流线228中的低温燃料的温度并将测量的温度反馈回过冷器控制器232以确定第一阀206中的致动器位置。
27.图2a中所示的示例过冷器204包括第一阀206，其可以是例如电子致动的比例阀和/或伺服阀。传统的方向控制阀通常在完全打开、完全关闭或完全切换的流动状态下操作。在使用传统的方向控制阀操作期间改变流动方向将需要用于每个方向的单独的个体阀，并且会涉及复杂的液压回路。比例阀和/或伺服阀可以调节阀内的阀芯位置，以控制通过一个或多个出口的流率。可变定位允许阀芯设计为带有计量槽口，以在单个阀中提供方向控制功能。例如，示例第一阀206可以是比例阀，其输入一个低温燃料流线并输出两个可变且可控体积流量的流线。示例第一阀206可以通过调整示例第一阀206内的阀芯位置来调整主要流线228的入口区域和辅助流线230的入口区域。通过调整主要流线228和辅助流线230的入口区域，示例第一阀206调整主要流线228和辅助流线230内的流率。
28.图2a所示的示例过冷器204包括第二阀208，例如热力膨胀阀等。热力膨胀阀是一种计量装置，其可以输入低温流体，并且在一些示例中，将部分低温液体的状态改变为气体，从而降低辅助流线230内的饱和压力(例如，从40psi到4psi)和温度(例如，从24k到16k)。当lh2的饱和压力降低时，lh2的温度也会降低。因此，通过使第二阀208中的示例lh2热膨胀，辅助流线230中的温度降低。示例lh2的温度与饱和压力的关系在下面结合图3进行更详细的描述。示例第二阀208可通过在操作期间机械地和/或电子地调整流体从上游入口到下游出口的流动来在第二阀208下游的辅助流线中保持一致的饱和压力。示例第二阀208输出的饱和压力可以在操作之前进行校准。
29.图2a所示的示例过冷器204包括低温热交换器210。示例低温热交换器210可以将热量从较热的流线(例如，主要流线228)传递到较冷的流线(例如，辅助流线230)。主要流线228和辅助流线230进入低温热交换器210并流过壳体和/或外壳内的管组和/或板组。管可以由其他部件支撑，例如风扇、冷凝器、冷却剂、板、挡板、拉杆、间隔件等。主要流线228间接接触辅助流线230，使得流体不混合，但主要流线228可以自由地将热量传递到辅助流线230。示例低温热交换器210可以是单程和/或多程设计，其中流体以错流、逆流或平行流动模式流动。在一些示例中，低温热交换器210使用错流方法，其中主要流线228和辅助流线230在两个不同点处进入低温热交换器210并且垂直交叉路径。在一些示例中，低温热交换器210使用平行流动方法，其中主要流线228和辅助流线230在同一端进入低温热交换器210，在平行路径中流动，并在另一端离开。在一些示例中，低温热交换器210使用逆流方法，其中主要流线228和辅助流线230在相对端进入低温热交换器210，在平行路径中流动，并在相对端离开。图2a所示的示例过冷器204包括温度传感器212。示例温度传感器212可以测量主要流线228内的低温燃料的温度，并将测量的温度反馈回过冷器控制器232。示例温度传感器212可以是低温硅传感器、铂电阻传感器、低温温度监测器等。
30.图2a所示的示例过冷器204包括过冷器控制器232。示例过冷器控制器232是包括第一控制器和第二控制器的闭环控制系统。在一些示例中，第一控制器是温度回路控制器234。在一些示例中，第二控制器是位置回路控制器236。图2a的温度回路控制器234和/或位置回路控制器236可以由处理器电路238(如执行指令的中央处理单元)实例化(例如，创建实例，在任何时间长度内产生，具体化，实施等)。在一些示例中，温度回路控制器234和位置回路控制器236集成在处理器电路238上，如图2a所示。示例温度回路控制器234至少基于源温度和目标温度来确定命令的第一阀致动器位置。在一些示例中，源温度是供应箱202中的低温燃料的温度。在一些示例中，目标温度是储存在机载低温燃料箱214中的低温燃料的温
度。示例供应箱202中的温度可以从温度计手动读取并输入到温度回路控制器234中，由温度回路控制器234以电子方式读取和输入，或这些选项的任何组合。示例温度回路控制器234确定来自温度传感器212的测量温度与目标温度之间的误差。示例温度回路控制器234基于误差和先前的命令的第一阀致动器位置来确定(例如，调整)命令的第一阀致动器位置。
31.示例位置回路控制器236基于命令的第一阀致动器位置确定实际的第一阀致动器位置。示例位置回路控制器236基于实际的第一阀致动器位置产生主要第一阀有效区域和辅助第一阀有效区域。在一些示例中，主要第一阀有效区域在主要流线228的入口处。在一些示例中，辅助第一阀有效区域在辅助流线230的入口处。通过增加主要第一阀有效区域连同减小辅助第一阀有效区域，主要流线228中的低温燃料的温度(由温度传感器212测量)增加。通过减小主要第一阀有效区域连同增加辅助第一阀有效区域，主要流线228中的低温燃料的温度(由温度传感器212测量)降低。
32.图2a所示的过冷器204的示例低温热交换器210可以在一个温度(例如，24k)下输入主要流线228中的低温燃料，并且可以在较低的温度(例如，20k)下输出主要流线228中的低温燃料。来自示例低温热交换器210的主要流线228中的温度输出取决于经由辅助流线230输入到低温热交换器210的低温液体和/或蒸汽的量。在一些示例中，经由辅助流线230输入到低温热交换器210的低温液体和/或蒸汽的量基于由位置回路控制器236产生的主要第一阀有效区域和辅助第一阀有效区域来确定。下面公开的两个示例说明了过冷器204的操作情况，其中，供应箱202中的示例lh2温度为24k，第二阀208下游的辅助流线230中的lh2温度为16k，机载低温燃料箱112中的目标温度为20k。在第一示例中，第一阀206由过冷器控制器232致动，使得主要第一阀有效区域是主要流线228的入口的最大区域的90％，而辅助第一阀有效区域是辅助流线230的入口的最大区域的10％。第一示例情况可以导致由温度传感器212测量的lh2温度为22k。在第二示例中，过冷器控制器232致动第一阀206，使得主要第一阀有效区域是主要流线228的入口的最大区域的80％，而辅助第一阀有效区域是辅助流线230的入口的最大区域的20％。第二示例情况可以导致由温度传感器212测量的lh2温度为20k，这与目标温度相匹配。
33.如图2a所示，示例机载低温燃料箱214位于氢飞行器上以将液态或气态氢供应到改进的燃气涡轮发动机。示例氢动力涡轮发动机燃烧氢燃料和压缩空气的混合物以产生推力。与非低温燃料箱相比，用于储存低温燃料(例如，lh2)的示例机载低温燃料箱214具有更厚的壁并且由更坚固的合金制成以避免脆性开裂。示例机载低温燃料箱214还具有排放装置，例如排放阀，以释放累积的蒸汽压力。术语“蒸汽压力”在本文中用于描述由蒸发或汽化的低温液体施加在容器(例如，供应箱202和/或机载低温燃料箱214)和低温液体上的压力。相对于非低温燃料箱，示例机载低温燃料箱214以低温度(例如，20k)储存低温燃料。示例机载低温燃料箱214使低温燃料绝热以防止温度升高(例如，从20k到24k)，温度升高会导致气化和饱和压力升高(例如，从14psi到40psi)。由于过冷低温燃料的密度增加，该示例的机载低温燃料箱214可以具有比图1所示的机载低温燃料箱112更小的体积。例如，过冷器204可以将示例lh2的温度从24k降低到20k，从而将流动的lh2的密度从66kg/m3增加到71kg/m3。在一些示例中，图1所示的系统100不包括过冷器204并且因此用24k和66kg/m3的lh2为示例机载低温燃料箱112加燃料。在一些示例中，示例系统100的机载低温燃料箱112的体积可以是
20m3。由于体积与密度成反比，如果示例系统200以71kg/m3的密度加注lh2，则机载低温燃料箱214的体积可以为18.6m3以包含与系统100的机载低温燃料箱112相同的lh2燃料的质量。
34.图2a所示的示例过冷低温加燃料系统200包括供应箱202。在一些示例中，供应箱202是低温运输拖车和/或将低温燃料带到加燃料位置的移动油罐车。例如，供应箱202可以在停机坪上被驱动以在飞行前为氢飞行器加燃料。在一些示例中，供应箱202包含用于平衡供应箱202内的蒸汽压力并在供应箱202和机载低温燃料箱214之间提供压力差的集成和/或单独的系统和/或设备。术语源温度是指在示例机载低温燃料箱214加燃料之前储存在示例供应箱202中的低温燃料的温度。下面描述用于向系统200提供压力差的系统和/或设备的进一步示例。
35.图2a所示的示例过冷低温加燃料系统200包括汽化器222。示例汽化器222可以是将液态冷冻剂转化为气态的低温汽化器。示例汽化器222可以使用翅片从周围环境空气中吸收热量并将该热量传递到流过管的低温燃料。示例低温燃料可通过第二阀208和/或低温热交换器210部分或完全转化为气态。示例汽化器222确保辅助流线230中未使用的低温燃料被转化为气体以用于储存和再利用。示例汽化器222的压力设置是指离开示例汽化器222的汽化的低温液体的压力。压力设置可以由过冷器控制器232或由位于示例汽化器222上和/或连接到示例汽化器222的另一个控制器调整。或者，低温燃料可以汽化并释放到环境空气中。
36.图2a所示的示例汽化器222通向压缩机224和储存箱226。示例压缩机224对离开汽化器222的气体加压并将加压气体引导到储存箱226中。离开示例压缩机224的气体压力除以进入示例压缩机224的气体压力被称为压缩机224的压缩比。示例压缩比可以通过过冷器控制器232或位于压缩机224上和/或连接到压缩机224的另一个控制器和/或控制系统来调整。储存箱226中未使用的气体可以被转化回低温流体并在以后用作低温燃料。
37.图2b示出了包括如前所述的过冷器204的过冷低温加燃料系统200(“系统200”)。示例过冷器204可以与图1的低温加燃料系统100结合使用，以代替流量控制阀104，并且可以与诸如压力建立盘管216、汽化器222、压缩机224、和储存箱226的附加部件结合使用。在图2b的图示示例中，过冷器204包括第一阀206、第二阀208、低温热交换器210和温度传感器212，如之前参考图2a所述。在图2b的图示示例中，系统200包括流量计106、低温阀108、vj流线110、机载低温燃料箱214、汽化器222、压缩机224和储存箱226。如图2b所示的示例系统200还包括供应箱202，其中示例压力建立盘管216连接到供应箱202。
38.图2b的示例供应箱202包括通向压力建立盘管216的流线。在一些示例中，通向压力建立盘管216的流线与通向过冷器204的流线是分开的。示例压力建立盘管216包括返回供应箱202的流线。在一些示例中，供应箱202中的低温燃料根据图2b所示的流动方向通过流线被抽取到压力建立盘管216中。在一些示例中，压力建立盘管216在加燃料之前增加供应箱202中的蒸汽压力，使得供应箱中的蒸汽压力大于机载低温燃料箱214中的蒸汽压力。示例机载低温燃料箱214包括打开以降低机载低温燃料箱214内的蒸汽压力的排气阀。在一些示例中，增加供应箱202中的蒸汽压力和降低机载低温燃料箱214中的蒸汽压力为系统200提供压力差。
39.图2b的示例压力建立盘管216用于调节和维持蒸汽压力以在系统200中保持一致的加燃料速度。在一些示例中，压力建立盘管216是具有翅片的汽化器，翅片被环境空气加
热，这导致流动的低温液体相变成蒸汽。该示例的压力建立盘管216将蒸汽反馈回供应箱202，从而增加供应箱202内的蒸汽压力。在一些示例中，上升的蒸汽压力将分布力施加到低温燃料的表面，其驱动低温燃料流过压力建立盘管216，并因此形成压力建立回路。示例压力建立盘管216包括控制器，该控制器响应于压力建立盘管216的输出蒸汽压力致动压力建立回路的输入阀。例如，在加燃料之前，机载低温燃料箱214具有100psi的蒸汽压力并且供应箱202具有15psi的蒸汽压力。压力建立盘管216的示例阀打开，并且输出压力通过控制器设置为100psi。同时，例如，机载低温燃料箱214上的排气阀打开并且蒸汽压力降低到70psi。在这样的示例中，系统200的加燃料速度将是第一速度。例如，如果通过压力建立盘管216将供应箱202中的蒸汽压力增加到80psi，并且将机载低温燃料箱214中的蒸汽压力降低到70psi，那么加燃料速度将小于第一速度。
40.图2c示出了包括如前所述的过冷器204的过冷低温加燃料系统200(“系统200”)。示例过冷器204可与图1的低温加燃料系统100结合使用，以代替流量控制阀104，并且可与诸如输送泵218、汽化器222、压缩机224和储存箱226的附加部件结合使用。在图2c的图示示例中，过冷器204包括第一阀206、第二阀208、低温热交换器210和温度传感器212，如之前参考图2a所述。在图2c所示的示例中，系统200包括流量计106、低温阀108、vj流线110、机载低温燃料箱214、汽化器222、压缩机224和储存箱226。如图2c所示的示例系统200还包括供应箱202，其中示例输送泵218浸没在供应箱202内和/或外部连接到供应箱202。
41.图2c的示例输送泵218可以是电子和/或液压驱动的低温离心泵。在一些示例中，输送泵与供应箱202一起浸没在低温液体中和/或外部连接到供应箱202。在一些示例中，输送泵218是电子致动的、可控的，并且提供从供应箱202向系统200的低温燃料的可变流速。在一些示例中，输送泵218包括齿轮箱，该齿轮箱提供从供应箱202到系统200的低温燃料的固定和/或可变流速。图2c所示的示例输送泵218向系统200提供大于机载低温燃料箱214内的蒸汽压力的蒸汽压力。在一些示例中，可以打开机载低温燃料箱214上的排气阀以降低机载低温燃料箱214内的压力，从而调整系统200内的流率和/或减轻输送泵218所需的工作以将低温燃料泵入系统200。
42.图3是说明液态氢(低温燃料的示例)的温度与密度302和温度与饱和压力304的热力学关系的图表。图3中所示的lh2的热力学性质可用于确定加注到机载低温燃料箱214的lh2的质量以及加注到图2a-2c的机载低温燃料箱214的lh2的目标温度和饱和压力。例如，温度传感器212测量的lh2的温度可以通过过冷器控制器232或另一个计算系统输入到图3中绘制的密度-温度函数302，以返回示例lh2的密度。在这样的示例中，由流量计106测量的体积流率和由密度-温度函数302确定的密度可用于确定供应到机载低温燃料箱214的lh2的质量。
43.图4是示出用于控制如本文所公开的过冷低温加燃料系统200的操作的示例过程/操作400的流程图。虽然主要参考利用图2a-2c的过冷低温加燃料系统200对lh2进行过冷来描述示例过程/操作400，但过程/操作400可用于用另一种过冷的低温燃料来为机载低温燃料箱加燃料。
44.在框402处，供应箱202增加供应箱202内的蒸汽压力和/或增加系统200内的蒸汽压力。供应箱202具有如图2b所示的压力建立盘管216、如图2c所示的输送泵218和/或与供应箱202和/或过冷器204上游的系统200结合的如图2a所示的另一个压力建立系统。与增加
供应箱202和/或系统200中的蒸汽压力相结合，通过打开机载低温燃料箱214上的排气阀来降低机载低温燃料箱214中的蒸汽压力。这种压力变化的组合在系统200上产生了压力差。
45.在框404处，低温阀108手动或通过过冷器控制器232或集成到系统200中的另一个控制器电子地打开。打开低温阀108开始给机载低温燃料箱214加燃料，允许低温燃料通过过冷器204进入机载低温燃料箱214。
46.在框406处，低温燃料通过过冷器204过冷。例如，来自供应箱202的低温燃料流向第一阀206，第一阀206将流分流进入主要流线228和辅助流线230。辅助流线230将低温燃料引导至降低低温燃料的饱和压力和温度的第二阀208。主要流线228和辅助流线230都流向低温热交换器210，其中热量从主要流线228传递到辅助流线230。主要流线228中的过冷低温燃料然后被引导至温度传感器212并最终引导至机载低温燃料箱214。
47.在框408处，低温燃料的温度由温度传感器212测量并且在加燃料操作的持续时间内以多个间隔储存。测量的温度可以储存在过冷器控制器存储器240和/或位于系统200中的一些其他存储器中。
48.在框410处，基于如图3所示的示例热力学性质，在加燃料操作的持续时间内以相同的间隔确定和储存低温燃料的密度。例如，确定的密度可以储存在过冷器控制器存储器240和/或位于系统200中的另一个存储器中。
49.在框412处，体积流率由流量计106测量并且在加燃料操作的持续时间内以相同的间隔储存。测量的流率可以储存在过冷器控制器存储器240和/或位于系统200中的另一个存储器中。
50.在框414处，过冷器控制器232和/或位于系统200中的另一个计算装置可以基于在加燃料操作的持续时间内测量和/或确定的温度、密度和流率确定储存在机载低温燃料箱214中的低温燃料的总质量。例如，过冷器204可以以20k向机载低温燃料箱214加注lh2，这对应于71kg/m3的lh2密度。在这样的示例中，机载低温燃料箱214可以具有18m3的lh2的最大体积容量。如果流量计测量的体积流率为0.01m3/s，而示例lh2为20k，则给车载低温燃料箱214加燃料所需的时间为30分钟，并且加注的lh2的总质量为1278kg。
51.在框416处，过冷器控制器232或位于系统200中的另一个控制装置可以确定储存在机载低温燃料箱214中的低温燃料的总质量是否处于目标总质量(例如，1278kg)。如果机载低温燃料箱214中的低温燃料的总质量不是处于目标容量，则过冷低温加燃料操作继续，因为控制返回到框406。
52.在框418处，如果机载低温燃料箱214中的低温燃料的总质量处于目标容量，则过冷器控制器232或位于系统200中的另一个控制装置可以发送电子信号到低温阀108以关闭流动并结束加燃料操作。或者，如果机载低温燃料箱214中的低温燃料的总质量处于目标容量，则可以手动关闭低温阀。
53.图5是示出可以由本文所公开的过冷器204所遵循的根据图4的框406的示例过程或操作500的流程图，以通过过冷器204对低温燃料进行过冷(例如，图4的示例的框406)。虽然主要参考利用图2a-2c的过冷器204对lh2进行过冷来描述操作500，但操作500可用于用另一种过冷的低温燃料来为机载低温燃料箱加燃料。
54.在框502处，过冷器204的第一阀206将来自供应箱202的低温燃料流分离进入主要流线228和辅助流线230。例如，控制器可以致动第一阀206，使得主要第一阀有效区域是主
要流线228的入口的最大区域的90％，并且辅助第一阀有效区域是辅助流线230的入口的最大区域的10％。因此，来自供应箱202的90％的低温燃料流入主要流线228，而来自供应箱202的10％的低温燃料流入辅助流线230。
55.在框504处，过冷器204的第二阀208降低辅助流线230中的低温燃料的饱和压力，从而降低辅助流线230中的低温燃料的温度。例如，第二阀208可以使辅助流线230中的lh2膨胀，使得lh2温度从24k下降到16k并且lh2饱和压力从40psi下降到14psi。
56.在框506处，过冷器204将主要流线228和辅助流线230引导到低温热交换器210。在框508处，低温热交换器210处理来自主要流线228和辅助流线230的低温燃料以将热量从主要流线228传递到辅助流线230，这对流过主要流线228的低温燃料进行过冷。例如，经由主要流线228进入低温热交换器210的低温燃料温度可以是24k并且经由辅助流线230进入低温热交换器210的低温燃料温度可以是16k。在这样的示例中，经由主要流线228离开低温热交换器210的低温燃料温度可以是20k，这取决于有多少低温燃料被第一阀206转移到辅助流线230。
57.在框510处，过冷器204将主要流线228引导至温度传感器212，然后引导至机载低温燃料箱214。过冷器204还将辅助流线引导至汽化器222。
58.图6是示出可以由本文公开的过冷器控制器232遵循的操作600的流程图。虽然主要参考图2a-2c的过冷器控制器232来描述操作600，但操作600可用于控制过冷低温加燃料系统中的任何过冷器。
59.在框602处，温度回路控制器234基于供应箱202中的低温燃料的温度和要储存在机载低温燃料箱214中的低温燃料的目标温度来确定命令的第一阀致动器位置。例如，储存在供应箱202中的低温燃料温度可以是24k，并且要储存在机载低温燃料箱214中的目标低温燃料温度可以是20k。示例温度回路控制器234可确定其达到目标温度，第一阀致动器位置应被致动到主要第一阀有效区域是主要流线228的入口的最大区域的80％并且辅助第一阀有效区域是辅助流线230的入口的最大区域的20％的位置。
60.在框604处，位置回路控制器236基于命令的第一阀致动器位置确定实际的第一阀致动器位置。命令的第一阀致动器位置是第一阀206内的阀芯将被伺服马达致动以实现期望的主要和辅助第一阀有效区域的位置。位置回路控制器236从第一阀206中的伺服马达传感器获得实际的第一阀致动器位置。位置回路控制器236确定来自伺服马达传感器的实际的第一阀致动器位置与来自温度回路控制器234的命令的第一阀致动器位置之间的误差/差异。位置回路控制器236使用反馈回路来控制第一阀206中的伺服马达并将实际的和命令的第一阀致动器位置之间的误差减小到接近零。
61.在框606处，位置回路控制器236基于实际的第一阀致动器位置产生主要第一阀有效区域和辅助第一阀有效区域。主要第一阀有效区域和辅助第一阀有效区域分别影响主要流线228和辅助流线230中的体积流率。
62.在框608处，温度回路控制器234确定来自温度传感器212的测量温度与目标温度之间的误差。
63.在框610处，温度回路控制器234确定误差是否在可接受范围内和/或足够接近零。
64.在框612处，如果温度回路控制器234确定误差不在可接受范围内，则温度回路控制器234基于误差和先前的命令的第一阀致动器位置确定调整的命令的第一阀致动器位
置。
65.在框614处，如果温度回路控制器234确定误差在可接受范围内，则位置回路控制器236保持当前的实际的第一阀致动器位置。
66.图7是构造成执行和/或实例化图6的机器可读指令和/或操作以实施图2a-2c的过冷器控制器232的示例处理器平台700的框图。处理器平台700可以是例如服务器、个人计算机、工作站、自学习机器(例如神经网络)、移动装置(例如手机、智能手机、平板电脑(诸如ipad
tm
))或任何其他类型的计算装置。
67.所示示例的处理器平台700包括处理器电路712。所示示例的处理器电路712是硬件。例如，处理器电路712可以由来自任何期望的家族或制造商的一个或多个集成电路、逻辑电路、fpga微处理器、cpu、gpu、dsp和/或微控制器来实施。处理器电路712可以由一个或多个基于半导体的(例如，基于硅的)装置来实施。在该示例中，处理器电路712实施示例温度回路控制器234和示例位置回路控制器236。
68.所示示例的处理器电路712包括本地存储器713(例如，高速缓存、寄存器等)。所示示例的处理器电路712通过总线718与包括易失性存储器714和非易失性存储器716的主存储器通信。易失性存储器714可以由同步动态随机存取存储器(sdram)、动态随机存取存储器(dram)、动态随机存取存储器和/或任何其他类型的ram装置来实施。非易失性存储器716可以由闪存存储器和/或任何其他期望类型的存储器装置来实施。对所示示例的主存储器714、716的访问由存储器控制器717控制。
69.所示示例的处理器平台700还包括接口电路720。接口电路720可以通过硬件根据任何类型的接口标准(例如以太网接口、通用串行总线(usb)接口、接口、近场通信(nfc)接口、pci接口和/或pcie接口)来实施。
70.在所示示例中，一个或多个输入装置722连接到接口电路720。输入装置722允许用户将数据和/或命令输入到处理器电路712中。输入装置722可以由例如键盘、按钮、鼠标、触摸屏、轨迹板、轨迹球、等点装置和/或语音识别系统来实施。
71.一个或多个输出装置724也连接到所示示例的接口电路720。输出装置724可以例如由显示装置(例如，发光二极管(led)、有机发光二极管(oled)、液晶显示器(lcd)、阴极射线管(crt)显示器、就地切换(ips)显示器、触摸屏等)和/或触觉输出装置来实施。因此，所示示例的接口电路720通常包括图形驱动器卡、图形驱动器芯片和/或图形处理器电路(例如gpu)。
72.所示示例的接口电路720还包括通信装置(例如发射器、接收器、收发器、调制解调器、住宅网关、无线接入点和/或网络接口)，以促进通过网络726与外部机器(例如，任何种类的计算装置)的数据交换。通信可以通过例如以太网连接、数字用户线(dsl)连接、电话线连接、同轴电缆系统、卫星系统、现场无线系统、蜂窝电话系统、光学连接等。
73.所示示例的处理器平台700还包括用于储存软件和/或数据的一个或多个大容量储存装置728。这种大容量储存装置728的示例包括磁储存装置、光储存装置、软盘驱动器、hdd、cd、蓝光磁盘驱动器、独立磁盘冗余阵列(raid)系统、固态储存装置(例如闪存存储器装置)和dvd驱动器。
74.可以由图6的机器可读指令实施的机器可执行指令732可以储存在大容量储存装置728、易失性存储器714、非易失性存储器716中，和/或储存在可移动非暂时性计算机可读
储存介质(例如cd或dvd)上。
75.本文公开了一种用于过冷低温加燃料系统的过冷器。本文公开的示例降低了供应到机载低温燃料箱的低温燃料的温度并增加了其密度。本文公开的示例减少了液体冷冻燃料运载器(例如，氢飞行器)所需的机载箱的体积，并控制了储存在机载箱内的低温燃料的质量。
76.本公开的进一步方面由以下条项的主题提供：
77.本文公开了在给机载低温燃料箱加燃料期间过冷低温燃料的示例方法、设备、系统和制品。进一步的示例及其组合包括以下内容：
78.示例1包括一种过冷器，包括：第一阀，所述第一阀将低温燃料分离进入主要流线和辅助流线，其中所述主要流线中的所述低温燃料具有第一温度，并且其中所述辅助流线中的所述低温燃料具有第二温度；第二阀，所述第二阀通过降低所述辅助流线中的饱和压力来降低所述辅助流线中的所述低温燃料的所述第二温度；低温热交换器，所述低温热交换器通过将热量从所述主要流线传递到所述辅助流线来降低所述主要流线中的所述低温燃料的所述第一温度；温度传感器，所述温度传感器测量所述低温热交换器下游的所述主要流线中的所述低温燃料的测量温度；和过冷器控制器，所述过冷器控制器包括被构造为调节第一温度输出的温度回路控制器和位置回路控制器。
79.示例2包括根据任何前述条项所述的过冷器，其中，所述第一阀是比例阀。
80.示例3包括根据任何前述条项所述的过冷器，其中，所述第二阀是膨胀阀。
81.示例4包括根据任何前述条项所述的过冷器，其中，所述主要流线和所述辅助流线是真空夹套流线。
82.示例5包括根据任何前述条项所述的过冷器，其中，所述主要流线包括所述低温热交换器下游的流量计，以测量所述低温燃料的体积流率。
83.示例6包括根据任何前述条项所述的过冷器，其中，所述主要流线包括所述低温热交换器下游的低温阀，以调节所述低温燃料到机载低温燃料箱的流量。
84.示例7包括根据任何前述条项所述的过冷器，其中，所述低温热交换器包括将所述辅助流线引导至汽化器的第二流线，所述汽化器将所述低温燃料转化为气体。
85.示例8包括根据任何前述条项所述的过冷器，其中，所述汽化器包括将所述气体引导至压缩机的流线，所述压缩机对储存箱中的所述气体加压。
86.示例9包括至少一种非暂时性计算机可读介质，所述至少一种非暂时性计算机可读介质包括指令，所述指令当执行时使过冷器控制器至少：通过致动第一阀将低温燃料分离进入主要流线和辅助流线，其中所述主要流线中的所述低温燃料具有第一温度，并且其中所述辅助流线中的所述低温燃料具有第二温度；通过使用第二阀降低所述辅助流线中的饱和压力来降低所述辅助流线中的所述低温燃料的所述第二温度；通过使用低温热交换器将热量从所述主要流线传递到所述辅助流线来降低所述主要流线中的所述低温燃料的所述第一温度；利用温度传感器测量所述低温热交换器下游的所述主要流线中的所述低温燃料的测量温度；和使用温度回路控制器和位置回路控制器来控制过冷器，所述温度回路控制器和所述位置回路控制器被构造为调节所述过冷器的第一温度输出。
87.示例10包括根据任何前述条项所述的至少一种非暂时性计算机可读介质，其中，来自所述控制器的所述指令通过致动比例阀来将所述低温燃料分离进入所述主要流线和
所述辅助流线。
88.示例11包括根据任何前述条项所述的至少一种非暂时性计算机可读介质，其中，来自所述控制器的所述指令利用所述低温热交换器下游的所述主要流线处的流量计来测量所述低温燃料的体积流率。
89.示例12包括根据任何前述条项所述的至少一种非暂时性计算机可读介质，其中，来自所述控制器的所述指令使用所述低温热交换器下游的所述主要流线处的低温阀来调节所述低温燃料到机载低温燃料箱的流量。
90.示例13包括根据任何前述条项所述的至少一种非暂时性计算机可读介质，其中，来自所述控制器的所述指令调整所述低温热交换器下游的所述辅助流线处的汽化器的压力设置，所述汽化器将所述低温燃料转化为气体。
91.示例14包括根据任何前述条项所述的至少一种非暂时性计算机可读介质，其中，来自所述控制器的所述指令调整所述汽化器下游的所述辅助流线处的压缩机的压缩比，所述压缩机对储存箱中的所述气体加压。
92.示例15包括一种给机载低温燃料箱加燃料的方法，所述方法包括：控制低温加燃料系统的过冷器，包括：使用第一控制器至少基于源温度和目标温度确定命令的第一阀致动器位置；使用所述第一控制器确定来自温度传感器的测量温度与所述目标温度之间的误差；使用所述第一控制器基于所述误差和先前的命令的第一阀致动器位置确定所述命令的第一阀致动器位置；使用第二控制器基于所述命令的第一阀致动器位置确定实际的第一阀致动器位置；和使用所述第二控制器，基于所述实际的第一阀致动器位置，产生主要第一阀有效区域和辅助第一阀有效区域。
93.示例16包括根据任何前述条项所述的方法，包括在所述低温加燃料系统上产生压力差，其中所述过冷器上游的第一压力大于所述机载低温燃料箱内的第二压力。
94.示例17包括根据任何前述条项所述的方法，包括经由低温阀调节主要流线中的低温燃料到所述机载低温燃料箱的流量。
95.示例18包括根据任何前述条项所述的方法，进一步包括：经由流量计测量低温热交换器下游的所述主要流线中的所述低温燃料的一个或多个体积流率；经由所述温度传感器测量所述低温热交换器下游的所述主要流线中的所述低温燃料的所述测量温度；基于所述一个或多个体积流率和所述一个或多个体积流率的一个或多个时间段确定供应到所述机载低温燃料箱的所述低温燃料的体积；至少基于所述低温燃料的所述测量温度和所述低温燃料的热力学性质确定所述低温燃料的密度；和至少基于供应到所述机载低温燃料箱的所述低温燃料的所述体积和所述低温燃料的所述密度来确定供应到所述机载低温燃料箱的所述低温燃料的质量。
96.示例19包括根据任何前述条项所述的方法，包括经由低温热交换器将辅助流线引导至储存箱。
97.示例20包括根据任何前述条项所述的方法，进一步包括：经由所述低温热交换器将所述辅助流线引导至汽化器；经由所述汽化器将低温燃料汽化成气体；和经由压缩机对所述储存箱中的所述气体加压。
98.以下权利要求在此通过引用并入本详细说明，其中每个权利要求作为本公开的单独实施例独立存在。

技术特征：
1.一种过冷器，其特征在于，包括：第一阀，所述第一阀将低温燃料分离进入主要流线和辅助流线，其中所述主要流线中的所述低温燃料具有第一温度，并且其中所述辅助流线中的所述低温燃料具有第二温度；第二阀，所述第二阀通过降低所述辅助流线中的饱和压力来降低所述辅助流线中的所述低温燃料的所述第二温度；低温热交换器，所述低温热交换器通过将热量从所述主要流线传递到所述辅助流线来降低所述主要流线中的所述低温燃料的所述第一温度；温度传感器，所述温度传感器测量所述低温热交换器下游的所述主要流线中的所述低温燃料的测量温度；和过冷器控制器，所述过冷器控制器包括被构造为调节第一温度输出的温度回路控制器和位置回路控制器。2.根据权利要求1所述的过冷器，其特征在于，其中，所述第一阀是比例阀。3.根据权利要求1所述的过冷器，其特征在于，其中，所述第二阀是膨胀阀。4.根据权利要求1所述的过冷器，其特征在于，其中，所述主要流线和所述辅助流线是真空夹套流线。5.根据权利要求1所述的过冷器，其特征在于，其中，所述主要流线包括所述低温热交换器下游的流量计，以测量所述低温燃料的体积流率。6.根据权利要求1所述的过冷器，其特征在于，其中，所述主要流线包括所述低温热交换器下游的低温阀，以调节所述低温燃料到机载低温燃料箱的流量。7.根据权利要求1所述的过冷器，其特征在于，其中，所述低温热交换器包括将所述辅助流线引导至汽化器的第二流线，所述汽化器将所述低温燃料转化为气体。8.根据权利要求7所述的过冷器，其特征在于，其中，所述汽化器包括将所述气体引导至压缩机的流线，所述压缩机对储存箱中的所述气体加压。9.至少一种非暂时性计算机可读介质，其特征在于，所述至少一种非暂时性计算机可读介质包括指令，所述指令当执行时使过冷器控制器至少：通过致动第一阀将低温燃料分离进入主要流线和辅助流线，其中所述主要流线中的所述低温燃料具有第一温度，并且其中所述辅助流线中的所述低温燃料具有第二温度；通过使用第二阀降低所述辅助流线中的饱和压力来降低所述辅助流线中的所述低温燃料的所述第二温度；通过使用低温热交换器将热量从所述主要流线传递到所述辅助流线来降低所述主要流线中的所述低温燃料的所述第一温度；利用温度传感器测量所述低温热交换器下游的所述主要流线中的所述低温燃料的测量温度；和使用温度回路控制器和位置回路控制器来控制过冷器，所述温度回路控制器和所述位置回路控制器被构造为调节所述过冷器的第一温度输出。10.根据权利要求9所述的至少一种非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中，来自所述控制器的所述指令通过致动比例阀来将所述低温燃料分离进入所述主要流线和所述辅助流线。

技术总结
本文公开了一种用于过冷低温加燃料系统的过冷器。过冷器包括将流动的低温燃料分离进入主要流线和辅助流线的第一阀、降低辅助流线中的低温燃料的饱和压力和温度的第二阀、将热量从主要流线传递到辅助流线的低温热交换器、测量主要流线中的过冷低温燃料的温度的温度传感器以及控制第一阀处的主要流线入口和辅助流线入口的有效区域的过冷器控制器。助流线入口的有效区域的过冷器控制器。助流线入口的有效区域的过冷器控制器。


技术研发人员：康斯坦丁诺斯
受保护的技术使用者：通用电气公司
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/5/23