用從液化氣容器中蒸發出的氣體的低溫發生器再冷凝易沸騰氣體的裝置的製作方法

2023-05-30 13:46:46

專利名稱：用從液化氣容器中蒸發出的氣體的低溫發生器再冷凝易沸騰氣體的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用低溫發生器再冷凝從液化氣容器中蒸發出的氣體中的易沸騰氣體的裝置。利用該裝置，例如可以藉助一個接在該系統上的小型製冷裝置即所謂的低溫冷卻器使一個通過浸在作為液化氣的液氦裡被冷卻的超導磁體連續工作。相應地在一個由高溫超導材料構成的超導磁體中，該磁體相應地通過浸在液氦中被冷卻。
目前的現有技術狀況簡述如下(也見圖4)整個低溫容器1由一個內容器2構成，該內容器用易沸騰液化氣如液氦一直充到水平7。超導機構且通常是一個帶饋電線6a、6b的勵磁線圈5被浸入液化氣裡。因供給容器2的熱量而被氣化的氦通過一個縮窄的頸管8被排出到周圍環境中或排至一個收集容器中。為減少熱滲透，用一個外殼3包圍住氦容器2。為進一步減少熱滲透，在這兩個容器之間的真空腔裡裝入一個輻射屏蔽罩4，該輻射屏蔽罩通過一個裝在頸管8上的接通環10被排出氦氣冷卻。頸管8一方面要儘可能窄，以便減少熱滲透，但另一方面它必須具有足夠大的橫斷面，以便在並不要排除的、磁體突然變成常導時使額外氣化的氣體逸出，而不會在容器2裡中出現不允許的劇烈增壓。
若氦水平降到某個高度以下，就必須要由一個輸送容器補充氦。這是比較費事的。
其間出現了小型製冷設備，用這種設備又可以直接在冷容器裡使從氦池中蒸發出的氦氣變成液體，而且它們在二級或多級實施方式中附帶提供了用於冷卻輻射屏蔽罩的製冷功率。目前，這種低溫發生器的最重要的實施型式是脈衝管冷卻器和Gifford-McMahon冷卻器。
就這樣的低溫設備被用在這些低溫冷卻設備裡來說，該低溫設備操作起來簡單並且運行和維護都不複雜。這些設備的冷卻機組是脈衝管冷卻裝置且尤其是Gifford-McMahon冷卻裝置，在這樣的設備中，易沸騰氣體的蒸汽被重新液化。在這裡，易沸騰氣體被認為是氦氣He；氫氣H2；氖氣N；氮氣N2，它們在超導技術裡都被用作製冷介質。
這樣一種裝置按權利要求1的特徵構成並且在最簡單的實施形式中具有冷卻裝置即所謂的冷頭。該冷頭在外側用凸緣連接在該裝置上並且在管子8即頸管8裡一直伸向液化氣容器3。在那裡，冷麵26在液化氣液面7上露了出來。這個整個的單級冷卻裝置在結構上是這樣設計和安裝的，即它不加熱要供應的液化氣池就可以裝入和拆下。冷頭由蓄熱器21和脈衝管23組成，在它們之間有傳熱器25。傳熱器25被埋入朝向液化氣池敞露的冷麵26中。
組成部件即蓄熱器(21)、脈衝管(23)各自被一個絕熱的外套/熱屏蔽罩(20，30，31，32)包住，以便抑制同外面的熱耦合，或者在許可範圍內為工作過程箱保持同外界的熱耦合。
這個擴展的且有複式結構的冷卻裝置即冷頭是一個至少兩級的冷卻裝置，它同樣也伸入頸管8裡並且其最後的冷麵28終結於液化氣池的上方。多級冷頭在不加熱要供應的液化氣池的情況下也能夠裝入和拆除。冷頭的每一級包括一個蓄熱器21或22和一個脈衝管23或24，在它們之間有傳熱器25或27，而且每個傳熱器分別嵌入一個冷麵26或28裡。從外面看是最後一級的冷麵28以其暴露的面獨自伸入液化氣容器2的冷的蒸發室裡。各級的部件即蓄熱器21或22和脈衝管23或24如同在第一級實施型式中那樣各自被一個絕熱的外套/熱屏蔽罩20、30、31、32包住。除最後一個之外的所有冷麵26在以下級的方向上同軸線地位於各自一個傳熱環10的對面，該傳熱環導熱良好地安裝在頸管8裡的相應位置上。各冷麵26可以軸向運動並且圍繞圓周形成窄間隙地且理想的是按照相等間距嵌在對應的傳熱環10裡，而在任何一個位置上都與之不接觸。因此，總是存在一個從蒸發室經液化氣池到達冷頭凸緣的氣體通道。伸入頸管8裡的多級冷卻裝置被安裝在一個與容器壁3的一連接凸緣9螺栓連接的凸緣蓋33上，該冷卻裝置可以根據許可的熱作用而軸向延伸，但不對接上。
在從屬權利要求中詳細說明了在不同情況下使裝置更容易運行的一些措施。
權利要求2說明了，各絕熱的外套/熱屏蔽罩20、30、31、32隻是由一個在對應部件上的且導熱差的層構成，該層對於這種應用場合不允許軸向和徑向的導熱，但必要時可以容忍。
權利要求3描述了藉助一個在外套兩端之間貫通的真空腔室進行絕熱的原理。為此，各個部件外套上一個導熱差的薄壁圓筒形管子，這個管子通過在其表面上的造形或支承機構而保持剛性，結果，外壓力且通常是環境壓力在出故障時如浸入的線圈突然從超導狀態轉變到常導狀態時變為過壓，該壓力不將或至少不地面積地將該管子壓貼在外套壁上。按照權利要求4，這也是導熱差的支承機構，它或它們剛性地保持所形成的真空腔室外壁不變。或者，按照權利要求5所述，它是一根從上到下或從下到上成螺旋線狀卷繞部件的軟繩。按權利要求6所述，也可以使用圍繞圓周布置的但相互不接觸的軟繩段來代替這樣一根連續的軟繩。也可以使用其它的、從製冷絕熱技術中知道的措施，只要也可行的話。
權利要求7描述了形成真空腔室的另一有效方式，由於真空腔室外壁是一薄壁波紋管，其小內徑略大於要包圍的部件，因而出現了成點狀或至多局部很短的線狀的同部件外壁的接觸。這種腔室的形成也可以通過薄壁的帶卷邊或線狀加強結構的管子來建立，該管子可以成點狀或必要時在一短距離上成線狀地貼靠住。
如先在權利要求7裡說明的那樣，在權利要求8裡，真空腔室的外壁同樣由薄壁波紋管構成，其小的內徑同樣也略大於所圍住的部件。但是，這個波紋管通過導熱差的、呈螺旋狀或沿軸向裝在部件的外周壁上的杆狀件與該部件保持距離(權利要求9)。
對於無阻礙的氣流來說且尤其在發生故障時，在每個冷麵26裡設有至少一個孔37a，如果有至少兩個孔的話，則它們是均勻地圍繞圓周分布的孔37a(權利要求10)。
以下，按照附圖並結合說明書來進一步強調作為所採取措施結果的本發明優點。附圖包括

圖1-圖4，它們詳細示出了圖1表示有兩個脈衝管冷卻器的結構；圖2a用於保持間距的螺旋狀軟卷繩；圖2b作為真空外壁的波紋管；圖3有兩個McMahon冷卻器的裝置；圖4低溫恆溫器的原理性結構。
圖2示出了兩級脈衝管冷卻器的冷頭的示意構造及其安裝到低溫恆溫器裡的裝配。脈衝管冷卻器及其部件只是用此處標準的部件來表示。兩級冷卻器包括蓄熱器21，它有一通向一個來表示出的且提供脈衝氣流的壓縮機的連接管35。壓力通常在約10巴-25巴之間變化。氣流在蓄熱器21的另一端被分支，從而使第一分支氣流通過一個第一傳熱器25被輸送給第一脈衝管23。在其相對的一端上，通過管接頭34輸入一第二氣流。當該氣流的大小被調定得適合且適當錯開時間時，在傳熱器25區域裡就產生冷卻作用。通過這種冷卻功率，輻射屏蔽罩4冷卻到第一溫度水平，該溫度水平已明顯低於環境溫度。為使輻射屏蔽罩4熱耦合於製冷位置上，傳熱器26被裝入一個導熱良好的結構中，即所謂的第一冷麵26的結構裡。在面對裝在頸管8上的傳熱環10的那一面上，第一冷麵26具有一種周邊有齒的結構，而傳熱環10具有互補結構。這種齒形結構的設計應保證在冷麵26和傳熱環10之間的如圖所示的垂直布置的極限面上形成一個很窄的間隙，這個間隙中充有在容器2裡汽化的氣體。但另一方面，所述嚙合齒的設計應保證在垂直方向上可以進行滑移。通過這種措施，一方面實現了良好的熱耦合，另一方面可以實現滑移，例如由於熱收縮不同而出現的移動，而且可以在需要時不必對低溫恆溫器進行預熱就拆除和裝入該冷頭。
從有一中間溫度的第一蓄熱器21流出的氣體的第二分支氣流流至第二蓄熱器22中並從那裡經過第二傳熱器27流入第二脈衝管24，同樣有一個脈衝氣流在上端經過管接頭36被輸送給第二脈衝管24。因而，在第二傳熱器27區域裡就造成進一步降溫。目前的現有技術是這樣設計該冷卻器的，即在第一級中可支配一個在溫度範圍30K-100K之間的第一冷卻功率，在第二級上可支配一個較小的冷卻功率，它用於氦冷凝並在小於5K的溫度範圍內。若第二傳熱器27埋在第二個冷麵28即一個在蒸發氦氣側有大表面的也良好導熱的結構裡，則在容器2裡蒸發的氦就在那裡冷凝並回流到位於其下的液池裡。
根據具有一個脈動氣流的冷卻器的運行方式，在一個單獨的工作循環中，在承受內壓的管子的表面上也出現了小的溫度波動。在脈衝管23、24裡，這種效應特別突出。在面向蒸發氦氣的那面上的溫度變化導致氣體局部有限地膨脹。但是，這就造成氣體在整個由管子8a、8b構成的容器頸部裡運動。由此最終出現一個不希望有的、從熱的上固定凸緣33到冷氣室7的熱流。還出現另一種效果，該效果與出現在蓄熱器和脈衝管裡的不同溫度有關。由此可能出現在相同的高度上，在該部件上存在不同的溫度。因而，被迫激起自然對流，這種對流同樣造成有害的熱傳輸。
如果兩個蓄熱器21、22和兩個脈衝管23、24由絕熱的壁板29-32構成，則避免了這兩種效果。這或者可以通過具有一個平放的導熱差的塑料層或通過設置該真空腔室的一個被抽真空的中間腔來實現。數字30表示包圍第一蓄熱器的裝料管，29表示第一脈衝管的裝料管，31表示第二蓄熱器的裝料管，32表示第二脈衝管的裝料管。不利的是這樣的裝料管壁造成流向各自冷端的附加熱流。為減弱這種效應，必須使裝料管儘可能設計成薄壁的。但是，壁厚太小時就有以下危險從外面作用的壓力負荷將管子壓癟。這通過圖2a、2b簡明表示的措施來克服。圖2示出了具有最大直徑的部件即第一的蓄熱器21的例子，如裝料管30通過裝在內管21a上的支承機構被穩定。圖2b表示第二種解決方案。在此，裝料管被設計成薄壁波紋管，若其小的內徑略大於內管外徑，就只會造成同可忽略的熱橋的點接觸。這些裝料管可以長期被密封起來，或者具有用於連接一個真空泵的連接管路。
在正常運行時，在頸管8a、8b之內的氦氣處於無內部對流的、穩定的溫度分布形態，並且排氣管37被封住了。只有當氣室裡的壓力因幹擾而超過一個預定值時，才使排氣管37例如通過一個過壓閥被打開。如果必須要有大量氣體流出，那麼第一冷麵可以開設有孔，所述孔可以使氣體從具有周圍壁板86的下頸部輕易地流出到具有周圍壁板8a的部分裡。
圖3示意表示Gifford-McMahon冷卻器，它用於在其重要部件裡的氦氣的二次液化，也就是說，示出了用於採用一個二級Gifford-McMahon冷卻器的類似的解決方案。第一級通過圓柱形結構41構成，其下端面形成第一冷麵26。裝在上面的第二圓筒43具有較小的直徑，第二圓筒構成了第二級。在圓筒41、43內部的壓力脈動以及在那裡進行的蓄熱器運動也造成外壁上的溫度波動。為了避免由此引起的不希望有的熱流動，就要使兩個圓筒的外表面絕熱。在圖中示出了採用一個波紋管外套42、44的解決方案。其它的上面討論過的方案同樣也可以用在Gifford-McMahon冷卻器中。
附圖標記一覽表1低溫容器，氦低溫恆溫器 33 凸緣蓋2內容器 34，35，36 氣體管路3容器壁 37 氣體管路4輻射屏蔽罩 37a 氣體管路5勵磁線圈 37b 排氣管路6a 饋電線 40 Gifford-McMahon冷卻器6b 饋電線 41 結構7水平 42 波紋管外套8頸管 43 圓筒9連接凸緣 44 波紋管外套10 接通環，傳熱環20 脈衝管冷卻器21，22 蓄熱器23，24 脈衝管25 傳熱器26 冷麵27 傳熱器28 冷麵29-32裝料管
權利要求
1.一種用一個從液化氣容器裡蒸發出的氣體的低溫發生器再冷凝易沸騰氣體的裝置，該裝置包括-或是一個一級的冷卻裝置即冷頭，它在一個管子(8)即頸管(8)裡，該冷卻裝置從該裝置的容器(3)的開口/連接凸緣(9)起伸向該裝置的液化氣容器(2)，這冷卻裝置有一個以其暴露的面伸入液化氣容器(2)的冷的氣化腔裡的冷麵(28)，其中該冷卻裝置即該冷頭包括一個蓄熱器(21)和一個脈管(23)以及在該蓄熱器和該脈管之間的傳熱器(25)，而且該傳熱器(25)嵌在該冷麵(26)裡，該冷卻裝置的所述部件即蓄熱器(21)和脈衝管(23)各自被一個絕熱的外套/熱屏蔽罩(20，30，31，32)包圍住，-或是一個至少兩級的冷卻裝置，它在從一個容器(3)的開口/連接凸緣(9)到液化氣容器(2)的頸管(8)裡，該裝置分別有一個冷麵(26)或(28)，所述冷麵可以被裝入和拆除，而不用加熱要供給的液化氣池，其中該冷卻裝置的每一級包括一個蓄熱器(21)或(22)和一個脈衝管(23)或(24)以及在它們之間的傳熱器(25)或(27)，而且每個傳熱器都嵌在各自一個冷麵(26)或(28)裡，第二級/最後一級的冷麵以其暴露的面伸入液化氦氣容器(2)的冷的氣化腔裡，該冷卻裝置各級的部件即蓄熱器(21)或(22)和脈衝管(23)或(24)分別被一個絕熱的外套/熱屏蔽(20，30，31，32)包住，除了最後的冷麵(28)之外的所有冷麵(26)都在朝向下級的方向上同軸地位於各自一個傳熱環(10)的對面，這些傳熱環導熱良好地裝在頸管(8)中的相應位置上，各個冷麵(28)可以軸向移動地並在圍繞圓周面形成等間距的情況下嵌在對應的傳熱環(10)裡，但不與其接觸，因而存在一個從氣化腔經過液化氣池而到達第一冷卻級起點的氣體通道，並且，該至少兩級的且伸入頸管(8)裡的冷頭錨固在一個凸緣蓋(33)上，該凸緣蓋又與容器壁(3)的一連接凸緣(9)用螺栓連接，所述冷頭可以完成軸向熱膨脹，但不會碰到。
2.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於，各個絕熱的外套/熱屏蔽罩(20，30，31，32)由一個導熱差的層構成。
3.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於，各個絕熱的外套/熱屏蔽罩(20，30，31，32)由一個從端面到端面貫通的真空腔室構成，該腔室的外壁由一薄壁圓筒形管子構成，該管子通過造形或支承機構保持剛性，因而該外壓力沒有或至少沒有大面積地將該管子壓貼在內壁上。
4.按權利要求3所述的裝置，其特徵在於，該管子(20，30，31，32)通過一個導熱差的支承機構或多個各自圍繞該管子的支承機構來保持。
5.按權利要求4所述的裝置，其特徵在於，該支承機構是一個呈螺旋狀從上到下或從下到上地圍繞這些部件的軟繩。
6.按權利要求4所述的裝置，其特徵在於，該支承機構是呈螺旋狀從上至下或從下到上地但不連續且不相互接觸地卷繞這些部件的軟繩。
7.按權利要求3所述的裝置，其特徵在於，各個絕熱的外套/熱屏蔽罩(20，30，31，32)是一個薄壁波紋管，其小的內徑略大於要包圍的部件，因而出現了點狀的或局部至多很短的線狀的接觸。
8.按權利要求3所述的裝置，其特徵在於，各個絕熱外套/熱屏蔽罩(20，30，31，32)是一個薄壁的且帶有卷邊或線狀加強結構的管子，它可以呈點狀或至多局部很短地呈線狀貼著。
9.按權利要求7所述的裝置，其特徵在於，各個絕熱外套/熱屏蔽罩(20，30，31，32)是一個薄壁波紋管，其小的內徑略大於所包圍的部件，該管子通過導熱差的、呈螺旋狀或沿軸向裝在部件上的杆狀件與具有通孔的部件在長度範圍內保持距離。
10.按上述權利要求之一所述的裝置，其特徵在於，在每個冷麵(26)上有至少一個孔(37a)，如果至少有兩個孔，則是均勻圍繞圓分布的孔(37a)，這些孔簡化了氣體流動。
全文摘要
用從液化氣容器裡蒸發出的氣體的低溫發生器再冷凝易沸騰氣體的裝置包括一個或至少兩個相連的冷卻級即冷頭。每一級是一脈衝管冷卻器，其位於蓄熱器和所屬脈衝管之間的傳熱器埋在一暴露的冷麵裡。整個冷頭只是用凸緣連接在裝置的外容器上並在裝置的頸管中伸入裡面。冷頭的最後冷麵位於頸管端部並暴露在液化氣冷卻池上的蒸氣室裡。其它冷麵各自在一個裝於頸管上的傳熱環的對面。這兩個各自相對的端面在形成窄間隙的情況下相互嵌接，但不在任何位置上接觸，因而存在一個從液化氣池上面的蒸氣室直到頸管裡的冷頭凸緣的自由通道。每個脈衝管冷卻器級的部件即蓄熱器、脈衝管分別被一個絕熱屏蔽罩包住，該絕熱屏蔽罩一方面可以是一平放的導熱差的襯層，或者另一方面可以是一個環形圍繞的真空腔室，該腔室的外壁只呈點狀或至多在短暫距離上呈線狀地接觸所包覆的部件。
文檔編號F25D19/00GK1537314SQ02815086
公開日2004年10月13日 申請日期2002年7月4日 優先權日2001年8月1日
發明者A·霍夫曼, A 霍夫曼 申請人:卡爾斯魯厄研究中心股份有限公司