氣體液化系統和方法

2023-06-10 13:57:46

專利名稱：氣體液化系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於氣體液化的系統和方法，並且更具體地說，涉及適於改進的液化和性能效率的系統和方法。
背景技術：
氦是地球上的稀有元素並且其許多科學和工業應用繼續推動不斷增長的需求。例如，氣態氦的通常使用包括焊接、提升(氣球)、以及半導體和光纖製造。在液態中，一般的使用包括冷卻某些藥品和科學設備、清洗燃料箱體(NASA)、以及固態物理、磁性和很寬範圍的其他研究課題中的基礎研究。因為氦的普遍使用、其有限的可獲得性、以及氦的有限儲備，所以氦被認為是一種高成本不可再生能源。因此，越來越多地關注回收氦和類似的惰性氣體。具體地，液態氦在有必要使溫度達到-200° C以下的多種應用中被用作冷卻劑。這種應用通常與超導體的使用相關，特別地是在疏散和絕緣容器或者稱作杜瓦瓶(Dewars)或低溫恆溫器(cryostats)的真空瓶中操作的低溫物理研究設備中。這種低溫恆溫器包括氣相與液相的混合物，並且當蒸發時，氣相通常釋放到大氣。因此通常有必要從外部來源購買額外的氦以持續低溫恆溫器中的設備的操作。液態氦的最重要應用之一是冷卻在磁共振成像(MRI)設備中使用的高磁場超導線圈，所述磁共振成像設備通過非侵入性地形成內部本體的圖像而提供了重要的診斷技術以便診斷人體中的寬泛種類的醫學狀況。液態氦的最大使用者是的大型國際科學設施或設備，諸如歐洲原子核研究委員會的國際實驗室的大型強子對撞機。諸如歐洲原子核研究委員會的實驗室通過它們自己的大規模(等級L)工業液化工廠來回收、淨化、並且再液化回收的氣體，這通常的產量多於100升/小時並且要求多於100千瓦的輸入功率。對於具有適度消耗的實驗室來說，產量約15升/小時的中等(等級M)液化廠是合適的。當氣體以液態氮預冷時這些大型和中型液化廠實現約I升/小時/千瓦(24升/天/千瓦)的性能R，並且在沒有預冷的情況下約0. 5升/小時/千瓦(12升/天/千瓦)。為了較小規模的應用，現在可購得小型製冷器(refrigerator)，其能夠實現足夠低的溫度以液化多種氣體，並且特別地，在低於4. 2絕對溫度的低溫溫度下液化氦。在該行業中，這些小型製冷器通常地稱作閉合循環低溫冷卻器(cryocooler)。這些低溫冷卻器具有三個部件(I)冷鐓(coolhead)(其一部分被稱作「冷凝管(cold finger，指形冷凝器)」並且通常地具有一個或多個冷卻級)，其中通過氦氣的周期性壓縮和膨脹冷凝管的最冷端實現非常低的溫度；(2)氦壓縮器，該氦壓縮器將高壓氦氣提供到冷鐓並且從冷鐓接收低壓氦氣；以及(3)高壓和低壓連接軟管，所述高壓和低壓連接軟管將冷鐓連接到氦壓縮器。冷凝管的一個或多個冷卻級中的每個均具有不同的直徑以適應不同溫度的氦流體的特性變化。冷凝管中的每個級均包括內部再生器以及內部膨脹體積，其中在每個級的最冷端處發生冷卻。
由於這些低溫冷卻器的發展，小規模(等級S)液化工廠設施已經成為可購得的，然而，目前這些液化器的性能限於小於2升/天/千瓦。在這些液化器中，將被液化的氣體不會經歷複雜的熱動力循環，而是通過與低溫冷卻器的冷級或者與附接到低溫冷卻器的冷級的熱交換器的熱交換來簡單地冷卻。在這些小規模液化器中，低溫冷卻器冷鐓在通常稱作杜瓦瓶的雙壁容器的頸部中操作，所述雙壁容器僅包含將要被液化的氣體並且是熱絕緣的以使熱量從容器外部到內部的流動最小化。在氣體冷凝以後，所形成的液體存儲在杜瓦瓶的內部罐的內部。理想地，以低溫冷卻器為基礎的該小規模液化器可以實現與大型與中型規模液化器相當的效率。然而，在實踐中，就升/天/千瓦而言的可實現液化性能對於這些小規模液化器已經顯著地小於通過較大等級M和等級L液化廠實現的性能。因此，存在很大提高小規模液化器性能的空間，並且在本領域中該改進將特別有益。

發明內容
摶術問是頁當前可獲得的用於每天生產少於20升液化製冷劑的小規模液化工廠設施(或「S等級」液化器)當與通過較大規模液化工廠設施獲得的性能比較時是非常沒有效率的。此夕卜，中間和大比規模工廠設施具有極大的複雜性，要求廣泛的維護，並且它們的液化率遠超過許多用戶的需要。根據這些限制，可以實現大於2. 0升/天/千瓦的操作效率的「S等級」的液化器先前是不可獲得的。技術方案和有益效果本發明的實施方式的一個目的是提供一種氣體液化系統，以及用於基於低溫冷卻器來液化該氣體液化系統中的氣體的方法，該系統適於利用氣態元素的空氣動力學特性通過在升高壓力處操作來從低溫冷卻器提取增加的冷卻功率，並且因此升高液化溫度，其中低溫冷卻器的增加的冷卻功率用於改進該系統的液化率和性能。為了完成這些改進，氣體液化系統適於具有用於控制該系統的液化區域內的壓力的裝置，以使得升高的壓力提供在如上所述的增加的液化壓力下的操作。通過精確地控制流入該系統中的氣體，內部液化壓力可以保持在升高的閾值處。在升高的壓力處，就在重要臨界溫度以下，使用冷鐓的增加的冷卻能量。液化區域在這裡限定為杜瓦瓶內的容積，包括鄰近製冷器的第一級的第一冷卻區域，在該第一冷卻區域進入系統的氣體進行初始冷卻；以及鄰近製冷器的第二或後續級的第二冷凝區域，在該第二冷凝區域冷卻的氣體進一步冷凝成液相。因此，對於本發明的目的，液化區域包括杜瓦瓶的頸部部分並且延伸到存儲液化冷卻劑的存儲部分。在本發明的多個實施方式中，用於控制壓力的裝置可包括適於調節要進入液化區域的輸入氣體流的整體壓力控制模塊，以使得在液化過程期間精確地保持液化區域中的壓力。另選地，從電磁閥、質量流計、壓力調節器、以及其他壓力控制裝置中選擇的一系列壓力控制部件可以單獨地布置在該系統的幾個位置處，以使得單一化部件的集體分組適於提供對進入系統的液化區域中的輸入氣體的控制。在本發明的一些實施方式中，液化的氣體元素是氦。氦氣然後在接近2. 27巴的壓力下並且在約5. 19K下液化，以使從閉合循環低溫冷卻器可獲得的功率最大化。作為指示性數據，對於本發明的一個優選實施方式來說，該系統能夠在標準狀態下將105，OOO升的氦氣液化19kg的氦質量，並使其進入到150升容量的容器。這利用在4. 2K下消耗7. 5kff的電力來產生I. 5W冷卻功率的典型製冷器，並通過在5. 19K下超過65升/天(或者260克/小時)的液化速率(相當於在4. 2K下50升/天的速率)來實現。性能因數R因此>7升/天/千瓦，這是在當前可獲得的小規模液化器上的顯著改進。自然地，由於低溫冷卻器自身的效率持續改進，因此這裡描述的氣體液化系統的性能也將改進。上述液化改進通過用於液化氣體的氣體液化系統實現，該系統包括氣體進入模塊，該氣體進入模塊構造為將氣體從氣源提供到該系統；熱絕緣容器，所述熱絕緣容器的上部部件包括至少一個頸部部分，並且還包括至少一個內部罐，所述內部罐構造成保持氣體以及從已經液化的氣體而產生的液體； 至少一個低溫冷卻器冷鐓，位於所述熱絕緣容器的頂部處，所述至少一個低溫冷卻器冷鐓的冷部分至少部分地在頸部部分內延伸並且朝向所述容器的內部罐行進；氣體壓縮器，該氣體壓縮器構造為通過連接裝置將壓縮氣體提供到低溫冷卻器冷鐓以便低溫冷卻器的操作；至少一個氣體壓力控制機構，該氣體壓力控制機構構造為控制來自氣體進入模塊的氣體吸入壓力以及將該壓力調節為所述系統內部所需的氣體壓力；以及控制裝置，所述控制裝置構造為通過所述氣體壓力控制機構控制該系統以及所述低溫冷卻器冷鐓的性能。根據本發明的實施方式的系統適於對容器內部的蒸汽壓力保持精確的控制，並且因此適於保持溫度以及由此在那裡產生冷凝的低溫冷卻器的能量的精確控制。因此，該系統允許控制低溫冷卻器的操作點和功率，如通過所述低溫冷卻器的一個或多個級的溫度確定的，以及由此可以控制從氣體提取的熱量，既用於所述氣體從室溫到操作點的預冷卻也用於所述氣體的冷凝和液化。本發明的另一個方面提供了一種利用在本申請中公開的氣體液化系統的氣體液化方法，該方法包括以下步驟通過氣體進入模塊將一定量的氣體供給到氣體液化系統；通過氣壓控制機構和控制裝置調節進入內部罐的氣體的壓力；以及通過氣體壓力控制機構和控制裝置調節低溫冷卻器冷鐓的功率；通過氣體壓力控制機構來控制進入內部罐的氣體的壓力變化的速率，以便優化壓力變化期間和之後內部罐內的液化速率；以及將存在於絕緣容器的內部罐中的氣體的壓力調節至恆定確定值，以設定期望的液化速率。總之，在下面的詳細說明中描述的氣體液化系統通過以較高的壓力執行氣體液化而實現了比現有的以低溫冷卻器為基礎的液化器更高的效率，並且因此實現了較高的溫度，這裡低溫冷卻器具有更高的冷卻功率以執行液化，並且被液化的製冷劑具有更低的冷凝熱量。通過精確地控制進入液化區域的室溫氣體的流速，該系統的液化效率進一步提高並且穩定，並且從而精確地控制該系統的液化區域中的冷凝氣體的壓力。在較高冷凝壓力下獲得較高低溫冷卻器功率和較低冷凝熱的雙倍效果，通過精確的壓力控制而進一步增強，從而允許該新的氣體液化過程以與當前從其他基於低溫冷卻器的液化器可獲得的輸入功率相比對該低溫冷卻器輸入更少的功率而實現了更高的液化率。


當結合附圖閱讀時本發明的特性和優點通過下面的詳細描述將更加顯而易見，在附圖中圖I是氦4的相圖；圖2是用於具有兩個級的典型低溫冷卻器的加載圖，其示出了在多種溫度處的低溫冷卻器的第一與第二級的冷卻功率，以及在該液化系統的典型液化循環的軌跡特性(trajectory characteristic)期間冷繳的幾個操作點(a、b和c)；圖3是根據本發明的至少一個實施方式的系統和其組成元件的示意圖；圖4是用於改進圖3的冷卻氣體的液化的所述系統的一部分的總體示意圖，進一·步示出了圍繞該系統的液化區域的對流路徑；以及圖5是根據圖4的系統的示意圖，進一步示出了系統內的在這裡被稱作液化區域的虛線區域。
具體實施例方式在下面的描述中，為了說明的目的而非限制性的，闡述細節並進行描述以便提供對本發明的徹底理解。然而，對於本領域中的這些技術人員顯而易見的是在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，本發明可以在不同於這些細節和描述的其他實施方式中實施。下面將參照附圖描述一些實施方式，其中說明性特徵通過參考標號指出。在本發明的一般實施方式中，液化系統(這裡還稱作低溫恆溫器)包括隔離的存儲容器或者杜瓦瓶，所述存儲容器或杜瓦瓶包括存儲部分和從存儲部分延伸並且連接到處於周圍環境溫度下的外部容器的頸部部分。杜瓦瓶通過一殼體絕緣，殼體內的在存儲部分外部的容積基本上排空了空氣。頸部部分適於至少部分地接收低溫冷卻器冷鐓。該冷鐓可以包括一個或多個級，每個級均具有不同的橫截面。可選地，隔離容器的頸部部分可以適於以階梯式的方式在幾何形狀上與冷鐓低溫冷卻器的一個或多個級相符。隔離的容器還包括從存儲部分延伸到杜瓦瓶的上表面的傳送埠。還設有控制機構以便控制氣體流動，以及由此控制杜瓦瓶的液化區域內的壓力。控制機構通常地包括壓力傳感器，該壓力傳感器用於探測低溫恆溫器的液化區域內的壓力；壓力調節器或者用於調節進入杜瓦瓶的液化區域的氣體壓力的其他裝置；質量流計；以及一個或多個閥，所述一個或多個閥用於調節進入液化區域的輸入氣體流。在此方面，控制機構還連接到計算機以便動態地調節輸入氣體流，以及因此，調節在低溫恆溫器的液化區域內的壓力以便產生最佳效率。儘管未示出，應該指出的是低溫恆溫器可以包括一個或多個存儲部分以及在隔離容器內部從所述存儲部分延伸的一個或多個頸部部分。在本發明的一個實施方式中，氣體液化系統的製冷冷鐓朝向容器的內部罐行進並且包括限定製冷級的至少一個級。在本發明的另一個實施方式中，低溫冷卻器冷鐓包括朝向容器的內部罐行進的由第一級和第二級構成的缸體，所述第一級和第二級都平行於容器的頸部定向，並且所述第一級和第二級共同地限定兩個製冷級。
在又一個實施方式中，朝向容器的內部罐行進的低溫冷卻器冷鐓包括共同地限定三個或更多個冷卻級的三個或多個級。對於本發明的這些實施方式來說，包括製冷系統的一個或多個級的冷鐓在熱隔離容器或杜瓦瓶的頸部中操作。第一級是最暖的並且在頸部中比其他級更遠離液化區域地來操作，其他級在頸部中更靠近液化區域地操作。 氣體在頸部的暖端進入並且通過冷鐓的第一級的壁、通過第一級的最冷端預冷卻，進而通過更冷的級的壁進一步預冷卻，並且然後在冷鐓的最冷級的最冷端處冷凝。(對於一個級的實施方式，冷凝發生在第一級的最冷端)一旦冷凝或液化，液體便落到所述箱的底部，或者落到存儲部分，並位於隔離容器的內部。封閉循環低溫冷卻器的每個級產生的冷卻功率主要地通過該封閉循環低溫冷卻器是溫度確定，但是其次也取決於在先前級的溫度。該信息通常由低溫冷卻器製造商提供，該信息為描繪第一和第二級的功率與第一和第二級的溫度的相關性的二維載荷圖。對於本發明很重要的是在每個級可獲得的冷卻功率通常隨著溫度增加。除了在第一級和隨後的級處產生冷卻功率，冷鐓還沿著其整個長度，特別是在室溫與第一級的最冷端之間沿著柱形冷凝管的表面，以及沿著柱冷凝管在第一級與隨後級之間的長度產生冷卻功率。本發明的一個目的是使氣體與多個冷卻級之間，以及氣體與低溫冷卻器冷鐓的多個冷卻級之間的柱冷凝管的壁之間的熱交換最優化。這通過使用氣體的高熱傳導性特性實現，而不需要任何類型的附接到冷鐓的機械熱交換器或者冷凝器，或者在頸部中的任何輻射屏，這些裝置在先前現有技術的系統中通常認為是必要的。因此，本發明的又一個目的是通過對氣體與在多個冷卻級之間的柱形冷凝管的壁之間的熱傳遞進行優化而在最高可能溫度處從氣體中提取出儘可能多的熱量。這還將減小在低溫冷卻器冷鐓的多個冷卻級上的熱載荷,從而使預冷和液化過程的熱效率優化。通常地說，多級冷鐓構造有上部級或第一級，該上部級或第一級具有比冷鐓的下部級更大的直徑。在此方面，低溫冷卻器冷鐓的這些級以階梯樣式製造，其中兩個或多個級具有不同的橫截面。隔離容器的頸部部分可以適用於多個實施方式中以便接收低溫冷卻器冷鐓的一個或多個級。在一個實施方式中，隔離容器的頸部部分可以包括適於與低溫冷卻器冷鐓的一個或多個級的表面緊密配合的內表面，使得頸部部分在第一級處包括第一內徑並且在第二級處包括第二內徑，其中第一內徑與第二內徑不同。狹窄的容積減少了沿著頸部的熱載荷，同時階梯狀的頸部改進了氣體與低溫冷卻器之間的交換過程，以利於在階梯區域中的自然熱對流，至少在初始冷卻期間。另選地，頸部部分可以適於具有沿著頸部部分的與低溫冷卻器冷鐓中的一個或多個級鄰近的長度延伸的一致內徑。當使用直的頸部時，對於初始冷卻和液化來說交換過程仍然是高效的。因此，本發明可以在容器內部使用直的或者階梯狀的頸部。在本發明的一個實施方式中，氣壓控制機構包括下面元件中的一個或多個電控輸入閥，比如電磁閥，所述電控輸入閥允許氣體從所述氣體進入模塊進入所述系統；絕對壓力調節器，所述絕對壓力調節器調節從所述氣體進入模塊流動至熱隔離容器的內部罐的氣體的壓力；質量流計，所述質量流計測量來自絕對壓力調節器以及進入內部罐的氣體體積；以及壓力傳感器，在隔離容器內部，所述壓力傳感器測量隔離容器的內部罐內的氣體的壓力。根據本發明的該實施方式，管道或導管的系統、閥(手動或者電控制的)、以及控制機構能夠在氣體進入杜瓦瓶時對操控氣體的壓力和質量流速。該進入的氣體壓力可以不同於存在於杜瓦瓶內的氣體的壓力，或者可能需要調節杜瓦瓶中的壓力以實現最佳性能。為了避免極大地擾亂平衡狀態的快速壓力變化，該系統通過例如電磁閥和壓力控制機構來整合上述氣壓控制機構。該過程調節對於控制從氣體進入機構到杜瓦瓶的氣體流動而言必要的進入壓力。此外，本發明的該系統通過使用控制機構實現了其精確的壓力控制，所述控制機構通過調節閥和氣體的質量流來調節低溫冷卻器的冷鐓的冷卻功率。
此外，控制結構從該系統接收必要的數據以計算在容器內部的液體的水平(level)，所述容器需要執行必要的調節。此外，可以在略微高於大氣壓力處開始並且達到接近臨界氣壓值的變化壓力範圍下執行液化過程。利用具有特定的控制軟體(諸如基於實驗室觀察的應用)的諸如個人電腦或者FPGA (場程序化門陣列)的可編程裝置，或者連接到軟體存儲在其中並且可遠程地存取的數字存儲硬體，全部功能和程序都可遠程或在原地控制。在本發明的另一個實施方式中，液化系統包括傳送埠和位於允許液體提取的隔離容器的頂部處的閥，所述液體由存在於內部罐內的存儲部分中的液化氣體而產生。在本發明的一個實施方式中，氣體液化方法包括從容納在內部罐中的氣體的總質量以及通過在熱動力平衡處測量的壓力或溫度而確定的氣體和液體的密度，來確定內部罐的存儲部分內部的液化氣體的水平。氣體水平可以根據包括質量流速率、集成的質量流速率、容器的內部罐的總容積、以及如通過容器內部的壓力和溫度確定的氣體和液體的密度的算法來計算。在本發明的另一個實施方式中，氣體液化方法包括清洗模式，該清洗模式包括以下步驟觸發輸入閥使其關閉，以防止氣體流入到氣體液化系統中；確定並保持隔離容器的壓力；以及執行製冷冷鐓的開/關循環，迫使低溫冷卻器級的溫度超過存在於隔離容器內部的雜質的熔融與升華溫度，使得該雜質沉澱並且落入到內部罐的底部並且因此淨化氣體預冷卻與液化的區域。在又一個實施方式中,氣體液化方法包括等待模式(standby mode,備用模式),其中液化氣體的體積以與蒸汽平衡的方式無限地保存，這通過控制裝置啟動，通過氣體壓力控制機構觸發進入閥以關閉進入到系統中的氣體並且通過執行冷鐓的開始/停止循環或者通過低溫冷卻器冷鐓的速度控制來獲得必要減小功率。通過上面的執行開始/停止循環的等待模式以及清洗模式，通過進入控制機構的自動操縱，人們可以停止氣體液化並且保持內部罐中的液體體積恆定。低溫冷卻器冷鐓的開始/停止循環在冷鐓中產生溫度循環，所受溫度循環允許在上述冷鐓的階梯缸體處獲得的雜質的熔融以及隨後的沉澱。
在又一個實施方式中，氣體液化方法使回收氣體能夠在大氣壓力或略微高於大氣壓力下直接液化，該方法包括在大氣壓力或略微高於大氣壓力處將氣體存儲在緩衝器存儲箱體中；以及通過氣體壓力控制機構使該系統保持在大氣壓力或大氣壓力附近以便優化液化。對於氦的情形來說，當杜瓦瓶中的蒸汽壓力與液體平衡時，氣態和液態氦的溫度僅通過平衡蒸汽-壓力曲線限定。對於本發明重要的是氦的溫度隨著壓力沿著蒸汽壓力曲線增加。在氦的情形中，壓力和溫度均從氦的三相點(在0. 051巴的絕對壓力和2. 17K的溫度下)增加到氦的臨界點，這在2. 27巴的絕對臨界壓力Pc與5. 19K的臨界溫度Tc處發生。通常沒有施加的載荷，關閉的循環低溫冷卻器所達到的最低溫度為約3K，對此溫度氦的蒸汽壓力為約0. 5巴。因此，閉合循環低溫冷卻器系統與氦蒸汽壓力曲線重疊的實際範圍從在3K的約0. 5巴到在5. 19K的2. 27巴。因此，製冷系統還可以在中間點處在大氣壓力與
4.23K的溫度處操作。在本發明的氣體液化方法的另一個實施方式中，氣體壓力控制機構、氣體進入模塊、以及控制裝置通過在至少一個數字數據存儲裝置中的軟體程序來管理。在另一個實施方式中，數字數據存儲裝置連接到負責執行軟體程序的可編程裝置。在另一個一般性的實施方式中，結合描述的系統提供用於氣體的液化的方法。該方法包括(i)至少提供包含一定量的氣相冷卻劑的源；杜瓦瓶，該杜瓦瓶具有由存儲部分和從該存儲部分延伸的頸部部分限定的液化區域；低溫冷卻器，該低溫冷卻器至少部分地布置在頸部部分內，該低溫冷卻器適於使容納在液化區域內部的冷卻劑從氣相冷凝至液相；以及壓力控制機構，該壓力控制機構包括至少一個壓力傳感器、一個質量流計、以及一個或多個閥；(ii)使用所述壓力傳感器測量所述杜瓦瓶的所述液化區域內的蒸汽壓力；(iii)通過動態地控制液化區域周圍的輸入氣體流在操作範圍內將所述蒸汽壓力保持在所述液化區域內；以及(iv)使用壓力控制機構調節液化區域周圍的輸入氣體流。在一些實施方式中，該方法還可以包括在計算機上處理數據以便動態控制低溫恆溫器的步驟，其中所述數據包括以下項中的至少一個測得的蒸汽壓力；以及輸入氣體流的速率。儘管氦在代表性實施方式中被被廣泛地討論，應該認識到其他的製冷劑也可以以類似的方式使用，這些方式包括而不限於氮、氧、氫、氖、和其他低溫氣體。此外，應該認識到儘管在這裡的幾個描述性實施方式中描述為不同的單元，控制機構的部件可以單獨地定位在其他系統部件附件並且適於完成類似的液化過程。例如，壓力調節器可以附接到氣體存儲源或者另外地定位在存儲源與低溫恆溫器系統的液化區域之間的任何地方。另選地，該源可以裝配有壓縮器以提供期望壓力的輸入氣體。該系統在壓力控制機構內並不是必要地需要壓力調節器。應該認識到，可以實現所述系統的多種更改的構造以使得可以獲得類似的結果。因此，壓力控制機構旨在包括直接附接或者在其他情況下共同地設置在系統內的部件的集合，以便動態地控制輸入氣體流，以及因此控制在低溫恆溫器的液化區域內的壓力。現在參照附圖，圖I示出了氦4的一般相圖。一般閉合循環的低溫冷卻器冷鐓的操作範圍在約3. OK與約5. 2K之間並且在約0. 25巴與約2. 27巴之間。參照圖I的液化曲線，Z1代表氦氣在大氣下液化的點，並且液化溫度是約4. 2K，用於小規模液化器的現有技術的當前狀態也是這樣。Z2表示液化曲線上的氦氣剛好在液體和氣體處於平衡的臨界點以下液化的點。在Z2處的壓力在臨界壓力Pc (這裡約2. 2巴)附近，並且Z2處的液化溫度是約
5.2K。本液化系統旨在就在該點(Z2)處操作並且優選地在典型氦氣液化過程期間操作。最佳液化壓力略微在臨界壓力以下，即在氦的情形中是2. I巴，對該速率的壓力可以達到並且超過2. I巴下65升/天(260g/h)，相當於I巴下50升/天，具有等於或者甚至高於7升/天/千瓦的效率。圖2表示加載圖，其限定了以50Hz操作並且使用7. 5kff的功率操作的典型低溫冷卻器冷鐓18 (參見圖3)的特徵。該加載圖限定了一組成對的點(T1, T2)和(P1, P2)之間的獨特關係，其中T1是第一級的最冷端的溫度，T2是第二級的最冷端的溫度，P1是第一級10的·功率，並且P2是第二級11的功率。測量點(0W，0W)映射到點(3K，24K)，這表示在沒有載荷施加到該低溫冷卻器的兩個級的任一個上的情況下實現的最低溫度在第二級上約3K並且在第一級上24K。測量點(5W，40W)映射到點(6. 2K，45K)並且示出如果5W的功率施加到第二級並且40W的功率施加到第一級，則第二級將以約6. 2K操作並且第一級以約45K操作。測得的加載映射點通過線連接以插入中間點。在加載圖上也示出了作為連續線循環連接點(a)、(b)、和(C)的有效氦氣液化循環。這些點通過氦的溫度(或者壓力)確定並且相對於第二級的溫度T2繪製。點(a)處於約
4.3K的溫度(T2)處，該溫度與約I. 08巴的壓力相應，該壓力略微高於I. 0巴的大氣壓力。在點(a)處液化速率為約20升/天。點(b)靠近臨界點並且在5. IK的溫度T2處，該溫度與2. I巴的壓力相應。在點(b)處出現最大液化效率並且通常地所述系統保持在點(b)處直到內部罐的體積完全地填充以液態氦。在點(b)處，液化速率是約65升/天(260g/hr)，這相當於在I. 0巴處50升/天。示出的將點(a)連接到點(b)的軌跡是在這些兩個點之間沿循的同時保持準平衡狀態的一個最有效路徑。點(C)在大氣壓力下為約4. 2K (T2)，在將液體傳送到杜瓦瓶外部並且進入科學或醫學裝置以前該系統通常地返回到所述大氣壓力。示出的將點(b)與點(C)連接的軌跡是在這兩個點之間取得的最有效軌跡的其中之一。不僅在內部罐中的壓力降低，而且由於液體的密度在這些兩個點之間增加，因此液體收縮的體積以及因此液化必須沿著該軌跡繼續以便當所述跡線達到點(C)時保持內部罐填充有液體。氣體液化系統也可以在比由點(a)、(b)、和(C)限定的軌跡更寬的範圍上操作。液化器的總工作區域的一個實例描述為圖2中的虛線所包圍的區域。該工作區域的下左區域包括壓力小於I個大氣壓情況下氦氣的液化，其中第二級的最冷端的溫度T2在4. 2K以下並且液化速率繼而是約17升/天。該區域對於MRI設備以及必須在這些條件下操作的其他設備是適當的。在工作區域的上右區域處，示出液化器可以在臨界點以上操作，在那裡液化器僅以稠密氦氣填充內部罐。其他有效軌跡包括，例如，點(c)與點(a)匹配的情形，限定了包括軌跡(a)、(b)、(a)的閉合循環。圖3示出了根據本發明的多個實施方式的一般氣體液化系統I的示意圖。該系統主要通過氣體進入模塊2供給以氣體，優選地在氦氣情況下供以99%純度或更高純度的回收氣體，但是如果有必要該系統可以以較低的純度等級操作。圖3的系統示出了兩個氦氣源25，第一源直接連接到氣體進入模塊，並且第二源還包括用於與敏感性MRI和其他設備一起操作緩衝器存儲箱24。氣體在諸如杜瓦瓶或熱水瓶容器的熱絕緣真空瓶或容器8的內部罐9中液化。該液化過程包括控制內部罐中的氣體壓力，同時氣體通過包括具有一個或多個級的閉合循環低溫冷卻器的一個或多個低溫冷卻器冷鐓18來冷卻與冷凝，所述一個或多個級布置在隔離容器的內部罐的一個或多個頸部20中。
儘管原則上本發明允許使用任何多級低溫冷卻器，但下面的描述指向包括具有兩個製冷級的冷鐓的實施方式。然而，對於本領域中的技術人員顯而易見的是，在其他類型的冷鐓的應用(裝配有一個、兩個、或更多個製冷級)能夠以液化速率的同等增加而類似地實現。在圖3中，低溫冷卻器冷鐓18具有通過階梯樣式限定的兩個冷級，第一級10的柱形直徑大於第二級11的直徑。在氦的情形中，氣體的高導熱率以及通過沿著重力方向的熱梯度產生的對流在冷鐓的兩個級與氣體之間的提供了非常有效的熱交換，並且消除了對機械熱交換器、冷凝管、以及輻射屏的需要。對流僅在第一冷卻過程中是重要的，因為在內部罐9的底部變冷之後，氦在溫度中分層並且梯度通常與重力相反。溫度傳感器被用於測量在第一級10的下端處的蒸汽溫度Tsi，在第二級11下端處的蒸汽溫度TS2，以及在內部罐9的底部處的蒸汽或液體溫度TS3。在冷凝以後，固體沉降到內部罐的存儲部分中並且填充該存儲部分。當需要時，液體經由傳送閥或埠 6被手動地或者自動地傳送到內部罐的外部。在冷鐓上的連接裝置17被用於連接到製冷壓縮器22，經由所述製冷壓縮器壓縮氣體經由壓縮器軟管21被供給到冷鐓18並且從冷鐓返回並且電力經由壓縮器電纜22A被供給到冷鐓並且從冷鐓返回。氣體壓力控制機構19保持對氣體的輸入流的控制以控制內部罐9內部的壓力。氣體壓力控制機構利用壓力傳感器7測量內部罐的壓力並且利用輸入閥3 (優選地電磁閥)、壓力調節器4、以及多種流動控制輸入閥(優選地電磁閥或者手動閥12、13、14、15、16)來控制將要到容器的氣體的流速。氣體質量流計5測量瞬時流速，所述瞬時流速通過氣體壓力調節器4調節，因為氣體壓力調節器控制壓力。綜合的氣流、壓力、和溫度被用於計算氣體的總量以及在隔離的容器9的內部罐內累積的液體的水平。如果氦供給的壓力不充足則氣體壓力控制結構19便可以停止氣體輸入，並且可以將該系統切換到等待模式以保持液化氣體的質量。當可用於低溫冷卻器的冷鐓18的最後一級11上的冷凝的功率增加時，將要進入隔離容器的氣體的質量流，以及因此液化速率將會增加。由於氦以與冷鐓相同的溫度曲線分層，因此在氣體與冷鐓之間的熱交換被優化。至少包括監控器和裝配有程序化軟體/硬體的計算機的計算機控制裝置23通過氣體壓力控制機構19、製冷冷鐓18、低溫冷卻器壓縮器22、溫度傳感器、以及在內部罐內的可選擇等級指示器來控制系統的性能。液化過程包括將相當於內部罐9 100%體積的氣體的質量引入所述內部罐並且使所述內部罐保持儘可能接近大氣壓力或者在最短可能時間內接近用於液體的選擇應用的壓力。為實現這點，在整個過程期間必須通過低溫冷卻器18的冷鐓從氣體提取最大功率。也就是說，該過程在低溫冷卻器冷鐓加載圖上描述的軌跡中理想的且最有效的一個。
在本發明的另一個實施方式中，氣體液化系統I構造為用於在MRI機器中的回收氦。為了增加的安全性，氣體回收系統可以包括位於MRI機器與小的緩衝存儲箱24之間的額外的手動安全閥，所述小的緩衝存儲箱優選為金屬的，且就布置在氣體入口之前。該緩衝器存儲箱或外部容器的功能是建立小型氣體儲備器，其中壓力可以調節為在大氣壓或接近大氣壓處執行，且總是在MRI機器的特定範圍內。此外，豎直進出埠 6可以定位在杜瓦瓶的頂部部分的其中一個側面上，以便將液體氦從液化器傳送到科學或醫學MRI設備。這可以構造為插入簡單的傳送管，或者其可以構造為具有低溫閥。當在內部罐9中的液體與等壓過程相對應時冷蒸汽的冷凝過程累積，在所述等壓過程期間壓力中的任何幹擾都導致減小的液化速率。對於以最佳效率執行的氣體液化系統I來說，因此有必要用不同的氣體壓力控制機構19的電子控制來執行內部罐9的精確壓力控制，並且貫穿整個過程都保持該控制。
已經觀察到，最高的液化速率僅能夠以99. 99%或更好的氣體純度獲得，而較低純度的氣體顯著地使液化性能劣化。此外，在被不純淨氣體汙染之後，當輸入氣體恢復到99. 99%或更好的純度時，該系統沒有顯示出液化速率的改進。然而，等待模式還可以被用於清潔冷鐓的表面並且用於恢復效率。當第一級與第二級的溫度被設置為足夠高以產生任何雜誌的融合和升華時，該系統便在沒有氣體損失的情況下經歷再生、或者清潔過程。在一組幾個這樣的等待模式循環以後,液化速率再次增加到液化高純度氣體的特徵值。在液體傳送操作過程中，由於製冷冷鐓的第一級與第二級的溫度增加(超過100K)，因此再次產生了相同的淨化或再生效果。圖4和圖5進一步示出了根據本發明的多個實施方式的用於冷卻劑液化的系統。系統101包括真空隔離容器102，該真空隔離容器具有存儲部分或箱103以及從所述存儲部分延伸的頸部部分104、至少部分地容納在頸部部分內的冷鐓低溫冷卻器105、以及由大體上布置在存儲部分與頸部部分之間並鄰近冷鐓的一定體積的空間限定的液化區域106 (如通過圖5的虛線區域進一步描繪的)。冷鐓包括N個冷鐓級，表示為第一級107、第二級108、第三級109、以及第N級110。在圖5的系統中，頸部部分是直的頸部。然而如通過圖4中的虛線指出的，頸部能夠可選擇地適於在幾何形狀上與冷鐓級的表面相符。在圖4中進一步描述了冷卻氣體對流路徑111。該系統適於通過控制低溫恆溫器的液化區域內的壓力來改進冷卻劑的液化。壓力控制機構114包括電子壓力控制器112和用於控制流入低溫恆溫器的輸入氣體的質量流計113，以使得液化區域內的壓力優化從而改進液化。提取埠 115提供了液化冷卻劑的存取。在本發明的一些實施方式中，用於改進諸如氦的冷卻劑的液化的方法，包括提供低溫恆溫器，該低溫恆溫器包括具有存儲部分和從存儲部分延伸的至少一個頸部部分的真空隔離容器；冷鐓低溫冷卻器，該冷鐓低溫冷卻器至少部分地容納在頸部部分內；以及液化區域，該液化區域通過布置在存儲部分與頸部部分之間且鄰近冷鐓的一定體積的空間限定；提供壓力控制機構，以便在低溫恆溫器的液化區域周圍保持期望的壓力，其中該期望的壓力在液化區域周圍的是基本均勻的；以及在液化過程期間控制液化區域內的壓力，以使得冷卻劑的液化可以在略高的溫度處完成，在所述溫度處低溫冷卻器構造為以增加的冷卻功率操作。
權利要求
1.一種用於液化氣體的氣體液化系統(I)，包括 氣體進入模塊(2)，所述氣體進入模塊適於連接到氣體源並且構造為將氣體提供至所述系統； 熱隔離容器(8); 至少一個內部罐(9)，所述至少一個內部罐在所述容器(8)中並具有從所述容器延伸的至少一個頸部(20)； 至少一個製冷冷鐓(18)，所述至少一個製冷冷鐓具有位於所述頸部內的冷凝管部分並且朝向所述內部罐行進； 氣體壓縮器(22)，所述氣體壓縮器構造為將壓縮氣體提供至所述製冷冷鐓以用於所述低溫冷卻器的操作； 其特徵在於 至少一個氣體壓力控制機構(19)，所述氣體壓力控制機構構造為控制流自所述氣體進入模塊的氣體進入壓力並且將這個壓力調節至所述內部罐內所需的氣體壓力；以及 至少一個控制裝置(23)，所述至少一個控制裝置用於通過所述氣體壓力控制機構控制所述系統和所述製冷冷鐓的性能。
2.根據權利要求I所述的氣體液化系統，其特徵在於，朝向所述內部罐行進的所述至少一個製冷冷鐓包括一個、兩個、或更多個級(107、108、109、110)，每個級均具有不同的橫截面。
3.根據權利要求2所述的氣體液化系統，其特徵在於，所述內部罐的頸部具有與所述製冷冷鐓的所述級(107、108、109、110)的幾何形狀相應的階梯樣式。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的氣體液化系統，其特徵在於，所述氣體壓力控制機構(19)包括以下部件中的一個或多個 電控輸入閥(3 )，所述電控輸入閥控制進入所述內部罐的氣體流； 壓力調節器(4)，所述壓力調節器調節從所述氣體進入模塊流至所述內部罐的氣體的壓力； 質量流計(5)，所述質量流計測量來自所述壓力調節器並進入所述內部罐的氣體體積； 壓力傳感器(7)，所述壓力傳感器測量所述內部罐內的氣體的壓力。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的氣體液化系統，還包括構造為控制通過所述壓力控制機構的氣體的通行的閥(12、13、14、15、16 )。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的氣體液化系統，其特徵在於，所述氣體是氦氣。
7.一種利用根據權利要求1-6中任一項所述的氣體液化系統(I)的氣體液化方法，該方法包括以下步驟 通過所述氣體進入模塊(2)將氣體供應到所述氣體液化系統(I)； 通過所述氣體控制機構(19)和所述控制裝置(23)調節進入所述內部罐(9)的氣體的壓力； 通過所述控制裝置調節所述製冷冷鐓(18)的功率以確定液化速率； 通過所述氣體壓力控制機構(19)來控制所述內部罐(9)中的進入氣體的壓力變化速率，以便在壓力變化的期間及之後優化所述內部罐(9)內的液化速率；以及將存在於所述內部罐(9)中的氣體的壓力調節至高於大氣壓力的恆定確定值，以設定期望的液化速率。
8.根據權利要求7所述氣體液化方法，還包括從所述內部罐(9)中的氣體的總質量來確定所述內部罐(9)內部的液化氣體的水平，和/或通過測量熱動力平衡下的壓力或溫度來確定所述氣體和液體的密度。
9.根據權利要求7或8所述的氣體液化方法，還包括以下步驟 觸發輸入閥(3)以進行關閉，以防止氣體流入所述系統中； 確定並維持所述內部罐(9)中的壓力；以及 執行所述製冷冷鐓的開/關循環，致使製冷冷鐓級(10、11)的溫度超過存在於所述內部罐(9)內部的雜質的熔化溫度與升華溫度，使得這些雜質沉澱並且落入所述內部罐(9)的底部中並且因此清潔所述氣體預冷卻與液化的區域。
10.根據權利要求7-9中任一項所述的氣體液化方法，還包括等待模式，其中液化氣體的體積無限地保持在與所述蒸汽平衡的狀態中，所述等待模式通過這樣的方式開始所述控制裝置(23)通過所述氣體壓力控制機構(19)觸發所述輸入閥(3)以關閉到所述氣體液化系統的氣體進入。
11.根據權利要求7-10中任一項所述的氣體液化方法，包括在大氣壓力以上直接液化回收氣體，包括 在氣體在大氣壓力以上通過所述氣體進入模塊(2 )通行以前將氣體存儲在緩衝器存儲罐(24)中；以及 直接液化，通過所述氣體壓力控制機構(19)將所述氣體液化系統維持在大氣壓力以上的壓力下。
12.根據權利要求7-11中任一項所述的氣體液化方法，其特徵在於，所述氣體壓力控制機構(19)、所述氣體進入模塊(2)、以及所述控制裝置(23)通過在至少一個數據存儲裝置中的軟體程序來管理。
13.根據權利要求12所述的氣體液化方法，其特徵在於，所述數據存儲裝置連接至負責執行所述軟體程序的可編程裝置。
14.根據權利要求7-13中任一項所述的氣體液化方法，其特徵在於，所述氣體從以下項構成的組中選擇氦氣、氮氣、氧氣、氫氣、和氖氣。
全文摘要
本發明提供了一種用於氣體液化的系統和方法，在從略微高於大氣壓力到接近臨界點的壓力的多個壓力範圍，所述氣體以液態在要求低溫的應用中用作冷卻劑。該系統和方法以閉合循環製冷器為基礎並且利用氣體的熱動力特性以實現最佳液化速率。
文檔編號F25B9/00GK102971593SQ201180033135
公開日2013年3月13日 申請日期2011年5月2日 優先權日2010年5月3日
發明者孔拉多·裡略·米連, 勒蒂西亞·託卡多·馬丁內斯, 理察·C·賴內曼, 理察·J·沃伯頓 申請人:西班牙高等科研理事會, 薩拉戈薩大學, Gwr儀器有限公司