超低溫深冷混合液化器的製作方法

2023-11-01 12:19:42

專利名稱：超低溫深冷混合液化器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及冷凍，更具體地說，涉及產生致冷作用對液化需要超低溫的氣體諸如氫氣進行液化。
某些氣體如氖、氫或氦的液化，需要形成非常低溫的致冷。例如常壓下氖於27.1K液化，氫於20.39K液化，而氦於4.21K下液化。產生這樣的低溫致冷，費用很大。由於在諸如能量產生、能量傳輸及電子學領域中氖、氫或氦流體的應用變得日益重要，對這些流體液化系統的任何改進都是非常需要的。
脈衝管致冷，其中通過對氣體提供壓力脈衝形成致冷，是用於液化諸如氖、氫及氦的流體的，但是這種應用只對較小規模才有效。
因此，本發明的目的在於，提供一種致冷改良系統，對難液化諸如氖、氫或氦的流體產生足以使之液化的致冷。
本發明的另一目的在於，提供一種使難於液化諸如氖、氫或氦的流體進行液化的致冷系統，能夠操作達到較高生產能力。
上述和其它目的通過本發明均可達到，本領域技術人員在閱讀本發明披露之後都會很明白的，其內容之一為在超低溫條件下形成產物流的方法包括(A)、壓縮多組分致冷劑流，冷卻該壓縮後的多組分致冷劑流，產生冷卻後的多組分致冷劑流，並膨脹該冷卻後的多組分致冷劑流，使該多組分致冷劑流至少部分冷凝；(B)、壓縮脈衝管氣體，產生熱的壓縮脈衝管氣體，通過與至少被部分冷凝的該多組分致冷劑流進行間接熱交換，來冷卻該熱的壓縮脈衝管氣體，產生冷卻後的壓縮脈衝管氣體及升溫後的多組分致冷劑流，並通過與冷傳熱介質直接接觸，進一步冷卻該冷卻後的壓縮脈衝管氣體，產生冷脈衝管氣體和升溫後的傳熱介質；(C)、膨脹冷脈衝管氣體，產生超低溫脈衝管氣體，並產生一種氣體壓力波，壓力波壓縮並加熱脈衝管工作流體，再通過與升溫後的多組分致冷液的間接熱交換，冷卻該加熱後的脈衝管工作流，產生進一步升溫後的多組分致冷劑流；及(D)、將超低溫脈衝管氣體送去與產物流進行間接熱交換，產生超低溫條件的產物流，然後將所得脈衝管氣體送至與升溫後的傳熱介質直接接觸，產生所述冷傳熱介質。
本發明的另一方面為生產處於超低溫條件的產物流的設備包括(A)、壓縮機，多組分致冷劑流熱交換器，將來自壓縮機的流體輸送至該多組分致冷劑流熱交換器的設備，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備；(B)、包括再生器熱交換器和內盛傳熱介質的再生器主體再生器，用於在再生器內產生脈動流的氣體增壓設備，及將流體從膨脹器送至再生器熱交換器的設備；(C)、包括脈衝管熱交換器和脈衝管主體的脈衝管，用於將流體從再生器熱交換器輸送至脈衝管熱交換器的設備，及將流體從脈衝管熱交換器輸送至多組分致冷劑流熱交換器的設備；及(D)、在再生器主體與脈衝管主體間輸送氣體的通道設備，所述通道設備包括產物流熱交換器，對產物流熱交換器提供產物流的設備，和在超低溫條件下從產物流熱交換器中抽出產物流的設備。
這裡所用術語「多組分致冷劑流」指的是一種包括兩種或更多種物質並能夠產生致冷作用的流體。
這裡所用術語「可變負荷致冷劑」指的是由兩種或多種組分構成的一種混合物，其比例可使這些組分的液相在該混合物的泡點及露點間進行連續升溫變化。混合物的泡點指的是在給定壓力下只要加熱整個處於液相的混合物就形成與液相平衡的蒸汽相的溫度。混合物的露點溫度指的是在給定壓力下只要撤熱整個處於汽相的混合物就形成與汽相平衡的液相的溫度。因此，在混合物泡點與露點間的溫度區就是汽液兩相平衡的共存區。在實施本發明中，對於該可變負荷致冷劑的泡點與露點間的溫差至少10°K，優選至少20°K，最優選至少50°K。
這裡所用術語「超低溫條件」指溫度在90K或以下的條件。
這裡所用術語「間接熱交換」指的是，使幾種流體在無任何實體接觸或彼此互不混合情況下所進行的熱交換。
這裡所用術語「膨脹」指實行壓力降低的過程。
這裡所用術語「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說明本發明一組優選實施方案的流程示意圖，其中多組分致冷劑流的致冷系統是與脈衝管致冷系統組合而成的。
圖2為本發明另一優選實施方案的流程示意圖，其中一個活性磁再生器致冷系統是與脈衝管致冷系統組合而成的。
一般本發明包括利用非脈衝管系統產生非常低溫的致冷系統，優選為一種多組分致冷劑流的致冷系統，或一種活性磁再生器的致冷系統。該非脈衝管系統按定義方式與脈衝管系統組合一體，從而不使由該脈衝管系統所產生的熱進入該非脈衝管系統中，使脈衝管系統有效產生超低溫致冷，使較大量產物流體進入超低溫條件。
現參照附圖對本發明加以更詳細描述。參考附圖1，多組分致冷劑流310經壓縮機311壓縮至壓力一般達60-1000磅/平方英寸(絕)(psia)的範圍。用於實施本發明的多組分致冷劑流包括至少一種大氣氣體，優選為氮、氬及/或氖，和優選至少一種含碳數多至4個的氟化合物，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多至3個的烴。
壓縮後的多組分致冷劑流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行間接熱交換，加以冷卻，如下進一步所述。將冷卻後的多組分致冷劑流315從熱交換器301輸送至膨脹器316，膨脹器優選為膨脹伐，其中該多組分致冷劑流315被節流膨脹至較低壓力，從而降低其溫度。由於在膨脹器316中膨脹的結果，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，優選起全部冷凝它的作用。再經管線317，將所得多組分致冷劑流輸送至位於再生器252熱端的再生器熱交換器258中。
再生器252包含脈中管氣體，脈衝管氣體可以是如氦、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選的。
在再生器252的熱端提供脈衝，即壓縮力，如以脈衝箭頭10示意說明，從而開始第一部分脈衝管序。優選的是用活塞提供脈衝，該活塞以與再生器252構成通訊流來壓縮脈衝管氣體罐。另一優選對再生器提供脈衝的方法是採用熱聲學驅動器，對再生器內的氣體提供聲能。還有另外一種對再生器提供脈衝的方法是採用線形馬達/壓縮機的排列組合法。脈衝起著壓縮脈衝管氣體的作用，在再生器252的熱端產生熱脈衝管氣體。熱脈衝管氣體與熱交換器258中至少被部分冷凝的多組分致冷劑流進行間接熱交換，而受到冷卻，產生升溫後的多組分致冷劑流318，並形成冷卻後的壓縮脈衝管氣體，穿過再生器其餘部分，即再生器主體。有些脈衝管採用雙入口幾何形狀，其中有些脈中氣也被送至該脈衝管的溫端。
再生器主體內裝有傳熱介質。在實施本發明中，適宜傳熱介質包括鋼珠、金屬絲網、高密度的蜂窩結構、膨脹金屬及鉛球粒。
傳熱介質，在被帶至第二部分脈衝管序這樣的低溫後，已處於低溫，一般在2K-250K的範圍，這一點將在以下作更為完整的敘述。當該冷卻後的壓縮脈衝管氣體輸送穿過再生器主體時，通過與冷傳熱介質進一步直接接觸，而受到進一步冷卻，產生升溫後的傳熱介質和冷脈衝管氣，一般在溫度4K-252K的範圍。
將冷脈衝管氣經管線11輸送至脈衝管253冷端。脈衝管253另一端，即熱端，有一穿過它冷脈衝管氣進入脈衝管內的脈衝管熱交換器259。冷脈衝管氣進入脈衝管253冷端，進行膨脹，溫度降低，從而形成超低溫脈衝管氣，並也產生了氣體壓力波，向脈衝管253的溫端行進，並壓縮脈衝管內的氣體，稱之為脈衝管工作流體，從而加熱脈衝管工作流體。
升溫後的多組分致冷劑流經管線318被送至脈衝管253溫端的脈衝管熱交換器259。在實施本發明中，該脈衝管主體僅裝有傳輸壓能的氣體，通過冷端脈衝管氣體的膨脹加熱脈衝管溫端脈衝管工作流體。也就是說，脈衝管內未裝諸如用於作為活塞組合的移動部件。脈衝管操作無移動部件是本發明的重要優點。該升溫後的多組分致冷劑流在脈衝管熱交換器259中通過與加熱後的脈衝管工作流體的間接熱交換，進一步被加溫，產生進一步加溫的完全呈氣態的多組分致冷劑流，並從脈衝管熱交換器259經管線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，該多組分致冷劑流通過與以物流314送至熱交換器301進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，而所得的又進一步升溫後的多組分致冷劑流從熱交換器301經管線310被送至壓縮機311，並重新開始多組分致冷劑流的循環。
在脈衝管253溫端搭接了一條通儲存器254有銳孔257的管線。脈衝管工作流體的壓縮波與脈衝管的溫端壁接觸，反向開始第二部分的脈衝管序。採用銳孔257及儲存器254保持該壓縮波協調，以不致幹擾在脈衝管253冷端膨脹冷脈衝管氣所產生的下一個壓縮波。
在脈衝管253冷端的超低溫脈衝管氣返回穿過管線11至再生器252。在此返回的路程中，該超低溫脈衝管氣通過產物流熱交換器255，與管線12帶給熱交換器255的產物物流進行間接熱交換，而被升溫。在實施本發明中屬於可被冷卻、液化及/或過冷的產物流，可以是氫、氘、氦、氖、氮、氬及包括其中一種或多種的混合物。
產物流穿過產物流換熱器255，通過與超低溫脈衝管氣的間接熱交換，達到了超低溫條件。處於超低溫條件並可為氣態或液態或淤漿狀的所得產物流經產物流熱交換器而被抽出，並加以回收。
從產物流熱交換器255出來的脈衝管氣，經管線11被送至再生器252，在252中脈衝管氣體與再生器主體內的傳熱介質直接接觸，產生前述的冷傳熱介質，從而完成脈衝管第二部分致冷劑序，並使再生器進入以後的第一部分脈衝管致冷序的條件。
圖2說明本發明的另一實施方案，其中不使由脈衝管致冷系統產生的熱進入一種與脈衝管致冷系統組合一起的活性磁再生器致冷系統。圖2中數字的意義與圖1中的相同，對於普通部件均不再加詳述。
現參看圖2，溫致冷劑流320被輸送經泵321以物流322進入冷卻器323，經冷卻形成冷卻後的致冷劑流324。活性磁再生器包括按磁化進行升溫及按去磁進行冷卻的床材料。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。所得冷卻後的致冷劑流325再被升溫，並通過脈衝管系統進一步被升溫，如前所述，所得升溫後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一步升溫。溫致冷劑流經再生器302流出作為物流320，並再開始新循環。
雖然參照一些優選實施方案對本發明已作了詳細說明，但對於本領域技術人員都會承認，還有一些本發明的其它實施方案是在本發明權利要求項的精神及範圍內的。
權利要求
1.在超低溫條件下生產產物流的方法，包括(A)、壓縮多組分致冷劑流，冷卻該壓縮後的多組分致冷劑流，產生冷卻後的多組分致冷劑流，並膨脹該冷卻後的多組分致冷劑流，使該多組分致冷劑流至少部分冷凝；(B)、壓縮脈衝管氣體，產生熱的壓縮脈衝管氣體，通過與至少被部分冷凝的該多組分致冷劑流進行的間接熱交換，來冷卻該熱的壓縮脈衝管氣體，產生冷卻後的壓縮脈衝管氣體及升溫後的多組分致冷劑流，並通過與冷傳熱介質直接接觸，進一步冷卻該冷卻後的壓縮脈衝管氣體，產生冷脈衝管氣體和升溫後的傳熱介質；(C)、膨脹冷脈衝管氣體，產生超低溫脈衝管氣體，並產生一種氣體壓力波，壓力波壓縮並加熱脈衝管工作流體，再通過與升溫後的多組分致冷劑流的間接熱交換，冷卻該加熱後的脈衝管工作流，產生進一步升溫後的多組分致冷劑流；及(D)、將超低溫脈衝管氣體送去與產物流進行間接熱交換，產生超低溫條件的產物流，然後將所得脈衝管氣體送至與升溫後的傳熱介質進行直接接觸，產生所述冷傳熱介質。
2.按照權利要求1的方法，其中該膨脹後的多組分致冷劑流完全被冷凝。
3.按照權利要求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.按照權利要求1的方法，其中該膨脹後的多組分致冷劑流是一種可變負荷的致冷劑。
5.生產處於超低溫條件的產物流的設備，包括(A)、壓縮機、多組分致冷劑流熱交換器，將流體經壓縮機輸送至該多組分致冷劑流熱交換器的設備、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備；(B)、包括再生器熱交換器和裝有傳熱介質的再生器主體的再生器，用於在再生器內產生脈動流的增壓氣體的設備，及將流體經膨脹器送至再生器熱交換器的設備；(C)、包括脈衝管熱交換器和脈衝管主體的脈衝管，用於將再生器熱交換器的流體輸送至脈衝管熱交換器的設備，及將脈衝管熱交換器的流體輸送至多組分致冷劑流熱交換器的設備；及(D)、在再生器主體與脈衝管主體間輸送流體的通道設備，所述通道設備包括產物流熱交換器，對產物流熱交換器提供產物流的設備，和在超低溫條件下從產物流熱交換器中抽出產物流的設備。
6.按照權利要求5的設備，其中膨脹器是一種閥門。
7.按照權利要求5的設備，其中用於對再生器內物流產生增壓氣體的設備包括一種活塞。
8.按照權利要求5的設備，其中用於對再生器內物流產生增壓氣體的設備包括一種熱聲驅動器。
9.在超低溫條件下生產產物流的方法，包括(A)、冷卻致冷劑流，產生冷卻後的致冷劑流，(B)、壓縮脈衝管氣體，產生熱的壓縮脈衝管氣體，通過與冷卻後的致冷劑流間接熱交換，冷卻該熱壓縮後脈衝管氣體，產生冷卻後壓縮脈衝管氣體及升溫後的致冷劑流，並通過與冷傳熱介質直接接觸，進一步冷卻該冷卻後壓縮脈衝管氣體，產生冷脈衝管氣體和升溫後的傳熱介質；(C)、膨脹冷脈衝管氣體，產生超低溫脈衝管氣體，並產生一種氣體壓力波，壓力波壓縮及加熱脈衝管工作流體，再通過與升溫後的致冷劑流的間接熱交換，冷卻該加熱後的脈衝管工作流，產生進一步升溫後的致冷劑流；及(D)、將超低溫脈衝管氣體與產物流進行間接熱交換，產生超低溫條件的產物流，然後將所得脈衝管氣體與升溫後的傳熱介質進行直接接觸，產生所述冷傳熱介質。
10.生產處於超低溫條件的產物流的設備，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備；(B)、包括再生器熱交換器和裝有傳熱介質的再生器主體的再生器，用於在再生器內產生脈動流的增壓氣體的設備，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備；(C)、包括脈衝管熱交換器和脈衝管主體的脈衝管，用於將再生器熱交換器的致冷劑流輸送至脈衝管熱交換器的設備，及將脈衝管熱交換器的致冷劑流輸送至致冷劑流熱交換器的設備；及(D)、在再生器主體與脈衝管主體間輸送氣體的通道設備，所述通道設備包括產物流熱交換器，對產物流熱交換器提供產物流的設備，和在超低溫條件下從產物流熱交換器中抽出產物流的設備。
全文摘要
一種有效產生致冷用於使產物流達到超低溫條件的系統,其中一臺活性磁再生器或一種多組分致冷劑流循環與一種脈衝管系統相組合,用以回收該脈衝管系統所產生的熱量。
文檔編號F25J1/02GK1299039SQ00134448
公開日2001年6月13日 申請日期2000年12月1日 優先權日1999年12月3日
發明者A·阿查裡雅, J·H·羅亞爾, C·F·戈特茨曼, D·P·博納奎斯特, B·阿爾曼 申請人:普拉塞爾技術有限公司