專利名稱：超低溫深冷混合液化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及冷凍，更具體地說，涉及產(chǎn)生致冷作用對(duì)液化需要超低溫的氣體諸如氫氣進(jìn)行液化。
某些氣體如氖、氫或氦的液化，需要形成非常低溫的致冷。例如常壓下氖于27.1K液化，氫于20.39K液化，而氦于4.21K下液化。產(chǎn)生這樣的低溫致冷，費(fèi)用很大。由于在諸如能量產(chǎn)生、能量傳輸及電子學(xué)領(lǐng)域中氖、氫或氦流體的應(yīng)用變得日益重要，對(duì)這些流體液化系統(tǒng)的任何改進(jìn)都是非常需要的。
脈沖管致冷，其中通過對(duì)氣體提供壓力脈沖形成致冷，是用于液化諸如氖、氫及氦的流體的，但是這種應(yīng)用只對(duì)較小規(guī)模才有效。
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種致冷改良系統(tǒng)，對(duì)難液化諸如氖、氫或氦的流體產(chǎn)生足以使之液化的致冷。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種使難于液化諸如氖、氫或氦的流體進(jìn)行液化的致冷系統(tǒng)，能夠操作達(dá)到較高生產(chǎn)能力。
上述和其它目的通過本發(fā)明均可達(dá)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明披露之后都會(huì)很明白的，其內(nèi)容之一為在超低溫條件下形成產(chǎn)物流的方法包括(A)、壓縮多組分致冷劑流，冷卻該壓縮后的多組分致冷劑流，產(chǎn)生冷卻后的多組分致冷劑流，并膨脹該冷卻后的多組分致冷劑流，使該多組分致冷劑流至少部分冷凝；(B)、壓縮脈沖管氣體，產(chǎn)生熱的壓縮脈沖管氣體，通過與至少被部分冷凝的該多組分致冷劑流進(jìn)行間接熱交換，來冷卻該熱的壓縮脈沖管氣體，產(chǎn)生冷卻后的壓縮脈沖管氣體及升溫后的多組分致冷劑流，并通過與冷傳熱介質(zhì)直接接觸，進(jìn)一步冷卻該冷卻后的壓縮脈沖管氣體，產(chǎn)生冷脈沖管氣體和升溫后的傳熱介質(zhì)；(C)、膨脹冷脈沖管氣體，產(chǎn)生超低溫脈沖管氣體，并產(chǎn)生一種氣體壓力波，壓力波壓縮并加熱脈沖管工作流體，再通過與升溫后的多組分致冷液的間接熱交換，冷卻該加熱后的脈沖管工作流，產(chǎn)生進(jìn)一步升溫后的多組分致冷劑流；及(D)、將超低溫脈沖管氣體送去與產(chǎn)物流進(jìn)行間接熱交換，產(chǎn)生超低溫條件的產(chǎn)物流，然后將所得脈沖管氣體送至與升溫后的傳熱介質(zhì)直接接觸，產(chǎn)生所述冷傳熱介質(zhì)。
本發(fā)明的另一方面為生產(chǎn)處于超低溫條件的產(chǎn)物流的設(shè)備包括(A)、壓縮機(jī)，多組分致冷劑流熱交換器，將來自壓縮機(jī)的流體輸送至該多組分致冷劑流熱交換器的設(shè)備，膨脹器，及將該多組分致冷劑流熱交換器中的流體輸送至膨脹器的設(shè)備；(B)、包括再生器熱交換器和內(nèi)盛傳熱介質(zhì)的再生器主體再生器，用于在再生器內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)流的氣體增壓設(shè)備，及將流體從膨脹器送至再生器熱交換器的設(shè)備；(C)、包括脈沖管熱交換器和脈沖管主體的脈沖管，用于將流體從再生器熱交換器輸送至脈沖管熱交換器的設(shè)備，及將流體從脈沖管熱交換器輸送至多組分致冷劑流熱交換器的設(shè)備；及(D)、在再生器主體與脈沖管主體間輸送氣體的通道設(shè)備，所述通道設(shè)備包括產(chǎn)物流熱交換器，對(duì)產(chǎn)物流熱交換器提供產(chǎn)物流的設(shè)備，和在超低溫條件下從產(chǎn)物流熱交換器中抽出產(chǎn)物流的設(shè)備。
這里所用術(shù)語“多組分致冷劑流”指的是一種包括兩種或更多種物質(zhì)并能夠產(chǎn)生致冷作用的流體。
這里所用術(shù)語“可變負(fù)荷致冷劑”指的是由兩種或多種組分構(gòu)成的一種混合物，其比例可使這些組分的液相在該混合物的泡點(diǎn)及露點(diǎn)間進(jìn)行連續(xù)升溫變化?；旌衔锏呐蔹c(diǎn)指的是在給定壓力下只要加熱整個(gè)處于液相的混合物就形成與液相平衡的蒸汽相的溫度?；旌衔锏穆饵c(diǎn)溫度指的是在給定壓力下只要撤熱整個(gè)處于汽相的混合物就形成與汽相平衡的液相的溫度。因此，在混合物泡點(diǎn)與露點(diǎn)間的溫度區(qū)就是汽液兩相平衡的共存區(qū)。在實(shí)施本發(fā)明中，對(duì)于該可變負(fù)荷致冷劑的泡點(diǎn)與露點(diǎn)間的溫差至少10°K，優(yōu)選至少20°K，最優(yōu)選至少50°K。
這里所用術(shù)語“超低溫條件”指溫度在90K或以下的條件。
這里所用術(shù)語“間接熱交換”指的是，使幾種流體在無任何實(shí)體接觸或彼此互不混合情況下所進(jìn)行的熱交換。
這里所用術(shù)語“膨脹”指實(shí)行壓力降低的過程。
這里所用術(shù)語“大氣氣體”指指的是下述氣體之一氮(N2)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)、氘(D2)、氫(H2)、及氦(He)。


圖1說明本發(fā)明一組優(yōu)選實(shí)施方案的流程示意圖，其中多組分致冷劑流的致冷系統(tǒng)是與脈沖管致冷系統(tǒng)組合而成的。
圖2為本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方案的流程示意圖，其中一個(gè)活性磁再生器致冷系統(tǒng)是與脈沖管致冷系統(tǒng)組合而成的。
一般本發(fā)明包括利用非脈沖管系統(tǒng)產(chǎn)生非常低溫的致冷系統(tǒng)，優(yōu)選為一種多組分致冷劑流的致冷系統(tǒng)，或一種活性磁再生器的致冷系統(tǒng)。該非脈沖管系統(tǒng)按定義方式與脈沖管系統(tǒng)組合一體，從而不使由該脈沖管系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱進(jìn)入該非脈沖管系統(tǒng)中，使脈沖管系統(tǒng)有效產(chǎn)生超低溫致冷，使較大量產(chǎn)物流體進(jìn)入超低溫條件。
現(xiàn)參照附圖對(duì)本發(fā)明加以更詳細(xì)描述。參考附圖1，多組分致冷劑流310經(jīng)壓縮機(jī)311壓縮至壓力一般達(dá)60-1000磅/平方英寸(絕)(psia)的范圍。用于實(shí)施本發(fā)明的多組分致冷劑流包括至少一種大氣氣體，優(yōu)選為氮、氬及/或氖，和優(yōu)選至少一種含碳數(shù)多至4個(gè)的氟化合物，諸如碳氟烴、氫碳氟烴、氫氯化碳氟烴及碳醚，及/或至少一種其碳原子數(shù)多至3個(gè)的烴。
壓縮后的多組分致冷劑流312，在冷卻器313中通過與適宜的冷卻液體如水的間接熱交換，進(jìn)行冷卻，移出壓縮熱，將所得多組分致冷劑流314輸送通過多組分致冷劑流熱交換器301，其中用升溫多組分致冷劑流與之進(jìn)行間接熱交換，加以冷卻，如下進(jìn)一步所述。將冷卻后的多組分致冷劑流315從熱交換器301輸送至膨脹器316，膨脹器優(yōu)選為膨脹伐，其中該多組分致冷劑流315被節(jié)流膨脹至較低壓力，從而降低其溫度。由于在膨脹器316中膨脹的結(jié)果，該多組分致冷劑流的溫度降低，起到至少部分冷凝該多組分致冷劑流的作用，優(yōu)選起全部冷凝它的作用。再經(jīng)管線317，將所得多組分致冷劑流輸送至位于再生器252熱端的再生器熱交換器258中。
再生器252包含脈中管氣體，脈沖管氣體可以是如氦、氫、氖、氦與氖的混合物，或氦與氫的混合物。氦、氦與氫的混合物是優(yōu)選的。
在再生器252的熱端提供脈沖，即壓縮力，如以脈沖箭頭10示意說明，從而開始第一部分脈沖管序。優(yōu)選的是用活塞提供脈沖，該活塞以與再生器252構(gòu)成通訊流來壓縮脈沖管氣體罐。另一優(yōu)選對(duì)再生器提供脈沖的方法是采用熱聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)再生器內(nèi)的氣體提供聲能。還有另外一種對(duì)再生器提供脈沖的方法是采用線形馬達(dá)/壓縮機(jī)的排列組合法。脈沖起著壓縮脈沖管氣體的作用，在再生器252的熱端產(chǎn)生熱脈沖管氣體。熱脈沖管氣體與熱交換器258中至少被部分冷凝的多組分致冷劑流進(jìn)行間接熱交換，而受到冷卻，產(chǎn)生升溫后的多組分致冷劑流318，并形成冷卻后的壓縮脈沖管氣體，穿過再生器其余部分，即再生器主體。有些脈沖管采用雙入口幾何形狀，其中有些脈中氣也被送至該脈沖管的溫端。
再生器主體內(nèi)裝有傳熱介質(zhì)。在實(shí)施本發(fā)明中，適宜傳熱介質(zhì)包括鋼珠、金屬絲網(wǎng)、高密度的蜂窩結(jié)構(gòu)、膨脹金屬及鉛球粒。
傳熱介質(zhì)，在被帶至第二部分脈沖管序這樣的低溫后，已處于低溫，一般在2K-250K的范圍，這一點(diǎn)將在以下作更為完整的敘述。當(dāng)該冷卻后的壓縮脈沖管氣體輸送穿過再生器主體時(shí)，通過與冷傳熱介質(zhì)進(jìn)一步直接接觸，而受到進(jìn)一步冷卻，產(chǎn)生升溫后的傳熱介質(zhì)和冷脈沖管氣，一般在溫度4K-252K的范圍。
將冷脈沖管氣經(jīng)管線11輸送至脈沖管253冷端。脈沖管253另一端，即熱端，有一穿過它冷脈沖管氣進(jìn)入脈沖管內(nèi)的脈沖管熱交換器259。冷脈沖管氣進(jìn)入脈沖管253冷端，進(jìn)行膨脹，溫度降低，從而形成超低溫脈沖管氣，并也產(chǎn)生了氣體壓力波，向脈沖管253的溫端行進(jìn)，并壓縮脈沖管內(nèi)的氣體，稱之為脈沖管工作流體，從而加熱脈沖管工作流體。
升溫后的多組分致冷劑流經(jīng)管線318被送至脈沖管253溫端的脈沖管熱交換器259。在實(shí)施本發(fā)明中，該脈沖管主體僅裝有傳輸壓能的氣體，通過冷端脈沖管氣體的膨脹加熱脈沖管溫端脈沖管工作流體。也就是說，脈沖管內(nèi)未裝諸如用于作為活塞組合的移動(dòng)部件。脈沖管操作無移動(dòng)部件是本發(fā)明的重要優(yōu)點(diǎn)。該升溫后的多組分致冷劑流在脈沖管熱交換器259中通過與加熱后的脈沖管工作流體的間接熱交換，進(jìn)一步被加溫，產(chǎn)生進(jìn)一步加溫的完全呈氣態(tài)的多組分致冷劑流，并從脈沖管熱交換器259經(jīng)管線319送至多組分致冷劑流熱交換器301。在多組分致冷劑流熱交換器301內(nèi)，該多組分致冷劑流通過與以物流314送至熱交換器301進(jìn)行冷卻的多組分致冷劑流的間接熱交換而被加熱，如前所述，而所得的又進(jìn)一步升溫后的多組分致冷劑流從熱交換器301經(jīng)管線310被送至壓縮機(jī)311，并重新開始多組分致冷劑流的循環(huán)。
在脈沖管253溫端搭接了一條通儲(chǔ)存器254有銳孔257的管線。脈沖管工作流體的壓縮波與脈沖管的溫端壁接觸，反向開始第二部分的脈沖管序。采用銳孔257及儲(chǔ)存器254保持該壓縮波協(xié)調(diào)，以不致干擾在脈沖管253冷端膨脹冷脈沖管氣所產(chǎn)生的下一個(gè)壓縮波。
在脈沖管253冷端的超低溫脈沖管氣返回穿過管線11至再生器252。在此返回的路程中，該超低溫脈沖管氣通過產(chǎn)物流熱交換器255，與管線12帶給熱交換器255的產(chǎn)物物流進(jìn)行間接熱交換，而被升溫。在實(shí)施本發(fā)明中屬于可被冷卻、液化及/或過冷的產(chǎn)物流，可以是氫、氘、氦、氖、氮、氬及包括其中一種或多種的混合物。
產(chǎn)物流穿過產(chǎn)物流換熱器255，通過與超低溫脈沖管氣的間接熱交換，達(dá)到了超低溫條件。處于超低溫條件并可為氣態(tài)或液態(tài)或淤漿狀的所得產(chǎn)物流經(jīng)產(chǎn)物流熱交換器而被抽出，并加以回收。
從產(chǎn)物流熱交換器255出來的脈沖管氣，經(jīng)管線11被送至再生器252，在252中脈沖管氣體與再生器主體內(nèi)的傳熱介質(zhì)直接接觸，產(chǎn)生前述的冷傳熱介質(zhì)，從而完成脈沖管第二部分致冷劑序，并使再生器進(jìn)入以后的第一部分脈沖管致冷序的條件。
圖2說明本發(fā)明的另一實(shí)施方案，其中不使由脈沖管致冷系統(tǒng)產(chǎn)生的熱進(jìn)入一種與脈沖管致冷系統(tǒng)組合一起的活性磁再生器致冷系統(tǒng)。圖2中數(shù)字的意義與圖1中的相同，對(duì)于普通部件均不再加詳述。
現(xiàn)參看圖2，溫致冷劑流320被輸送經(jīng)泵321以物流322進(jìn)入冷卻器323，經(jīng)冷卻形成冷卻后的致冷劑流324。活性磁再生器包括按磁化進(jìn)行升溫及按去磁進(jìn)行冷卻的床材料。再生器302是去磁的，致冷劑流324穿過再生器302的熱交換器部分，在該過程中通過裝有去磁床材料的熱交換器而被冷卻。所得冷卻后的致冷劑流325再被升溫，并通過脈沖管系統(tǒng)進(jìn)一步被升溫，如前所述，所得升溫后的致冷劑流被輸送返回至已被磁化的活性磁再生器302，從而使該致冷劑流進(jìn)一步升溫。溫致冷劑流經(jīng)再生器302流出作為物流320，并再開始新循環(huán)。
雖然參照一些優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明已作了詳細(xì)說明，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都會(huì)承認(rèn)，還有一些本發(fā)明的其它實(shí)施方案是在本發(fā)明權(quán)利要求項(xiàng)的精神及范圍內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.在超低溫條件下生產(chǎn)產(chǎn)物流的方法，包括(A)、壓縮多組分致冷劑流，冷卻該壓縮后的多組分致冷劑流，產(chǎn)生冷卻后的多組分致冷劑流，并膨脹該冷卻后的多組分致冷劑流，使該多組分致冷劑流至少部分冷凝；(B)、壓縮脈沖管氣體，產(chǎn)生熱的壓縮脈沖管氣體，通過與至少被部分冷凝的該多組分致冷劑流進(jìn)行的間接熱交換，來冷卻該熱的壓縮脈沖管氣體，產(chǎn)生冷卻后的壓縮脈沖管氣體及升溫后的多組分致冷劑流，并通過與冷傳熱介質(zhì)直接接觸，進(jìn)一步冷卻該冷卻后的壓縮脈沖管氣體，產(chǎn)生冷脈沖管氣體和升溫后的傳熱介質(zhì)；(C)、膨脹冷脈沖管氣體，產(chǎn)生超低溫脈沖管氣體，并產(chǎn)生一種氣體壓力波，壓力波壓縮并加熱脈沖管工作流體，再通過與升溫后的多組分致冷劑流的間接熱交換，冷卻該加熱后的脈沖管工作流，產(chǎn)生進(jìn)一步升溫后的多組分致冷劑流；及(D)、將超低溫脈沖管氣體送去與產(chǎn)物流進(jìn)行間接熱交換，產(chǎn)生超低溫條件的產(chǎn)物流，然后將所得脈沖管氣體送至與升溫后的傳熱介質(zhì)進(jìn)行直接接觸，產(chǎn)生所述冷傳熱介質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中該膨脹后的多組分致冷劑流完全被冷凝。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中該多組分致冷劑流包括至少一種大氣氣體。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其中該膨脹后的多組分致冷劑流是一種可變負(fù)荷的致冷劑。
5.生產(chǎn)處于超低溫條件的產(chǎn)物流的設(shè)備，包括(A)、壓縮機(jī)、多組分致冷劑流熱交換器，將流體經(jīng)壓縮機(jī)輸送至該多組分致冷劑流熱交換器的設(shè)備、膨脹器、及將流體由該多組分致冷劑流熱交換器輸送至膨脹器的設(shè)備；(B)、包括再生器熱交換器和裝有傳熱介質(zhì)的再生器主體的再生器，用于在再生器內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)流的增壓氣體的設(shè)備，及將流體經(jīng)膨脹器送至再生器熱交換器的設(shè)備；(C)、包括脈沖管熱交換器和脈沖管主體的脈沖管，用于將再生器熱交換器的流體輸送至脈沖管熱交換器的設(shè)備，及將脈沖管熱交換器的流體輸送至多組分致冷劑流熱交換器的設(shè)備；及(D)、在再生器主體與脈沖管主體間輸送流體的通道設(shè)備，所述通道設(shè)備包括產(chǎn)物流熱交換器，對(duì)產(chǎn)物流熱交換器提供產(chǎn)物流的設(shè)備，和在超低溫條件下從產(chǎn)物流熱交換器中抽出產(chǎn)物流的設(shè)備。
6.按照權(quán)利要求5的設(shè)備，其中膨脹器是一種閥門。
7.按照權(quán)利要求5的設(shè)備，其中用于對(duì)再生器內(nèi)物流產(chǎn)生增壓氣體的設(shè)備包括一種活塞。
8.按照權(quán)利要求5的設(shè)備，其中用于對(duì)再生器內(nèi)物流產(chǎn)生增壓氣體的設(shè)備包括一種熱聲驅(qū)動(dòng)器。
9.在超低溫條件下生產(chǎn)產(chǎn)物流的方法，包括(A)、冷卻致冷劑流，產(chǎn)生冷卻后的致冷劑流，(B)、壓縮脈沖管氣體，產(chǎn)生熱的壓縮脈沖管氣體，通過與冷卻后的致冷劑流間接熱交換，冷卻該熱壓縮后脈沖管氣體，產(chǎn)生冷卻后壓縮脈沖管氣體及升溫后的致冷劑流，并通過與冷傳熱介質(zhì)直接接觸，進(jìn)一步冷卻該冷卻后壓縮脈沖管氣體，產(chǎn)生冷脈沖管氣體和升溫后的傳熱介質(zhì)；(C)、膨脹冷脈沖管氣體，產(chǎn)生超低溫脈沖管氣體，并產(chǎn)生一種氣體壓力波，壓力波壓縮及加熱脈沖管工作流體，再通過與升溫后的致冷劑流的間接熱交換，冷卻該加熱后的脈沖管工作流，產(chǎn)生進(jìn)一步升溫后的致冷劑流；及(D)、將超低溫脈沖管氣體與產(chǎn)物流進(jìn)行間接熱交換，產(chǎn)生超低溫條件的產(chǎn)物流，然后將所得脈沖管氣體與升溫后的傳熱介質(zhì)進(jìn)行直接接觸，產(chǎn)生所述冷傳熱介質(zhì)。
10.生產(chǎn)處于超低溫條件的產(chǎn)物流的設(shè)備，包括(A)、致冷劑流熱交換器和將致冷劑流輸送至該致冷劑流熱交換器的設(shè)備；(B)、包括再生器熱交換器和裝有傳熱介質(zhì)的再生器主體的再生器，用于在再生器內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)流的增壓氣體的設(shè)備，及將致冷劑流由致冷劑熱交換器送至再生器熱交換器的設(shè)備；(C)、包括脈沖管熱交換器和脈沖管主體的脈沖管，用于將再生器熱交換器的致冷劑流輸送至脈沖管熱交換器的設(shè)備，及將脈沖管熱交換器的致冷劑流輸送至致冷劑流熱交換器的設(shè)備；及(D)、在再生器主體與脈沖管主體間輸送氣體的通道設(shè)備，所述通道設(shè)備包括產(chǎn)物流熱交換器，對(duì)產(chǎn)物流熱交換器提供產(chǎn)物流的設(shè)備，和在超低溫條件下從產(chǎn)物流熱交換器中抽出產(chǎn)物流的設(shè)備。
全文摘要
一種有效產(chǎn)生致冷用于使產(chǎn)物流達(dá)到超低溫條件的系統(tǒng),其中一臺(tái)活性磁再生器或一種多組分致冷劑流循環(huán)與一種脈沖管系統(tǒng)相組合,用以回收該脈沖管系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量。
文檔編號(hào)F25J1/02GK1299039SQ00134448
公開日2001年6月13日 申請(qǐng)日期2000年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月3日
發(fā)明者A·阿查里雅, J·H·羅亞爾, C·F·戈特茨曼, D·P·博納奎斯特, B·阿爾曼 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司