制冷和/或液化裝置以及相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制冷和/或液化裝置以及對應(yīng)的方法。
[0002]本發(fā)明更具體地涉及一種用于包含氦氣或由純氦氣組成的工作氣體的制冷和/或液化的裝置，該裝置包括用于工作氣體的、形式為環(huán)路的工作回路并且相繼包括:
[0003]-配備有至少一個壓縮機的工作氣體壓縮站，
[0004]-冷箱，該冷箱用于冷卻工作氣體并且包括串聯(lián)布置的多個熱交換器和用于使工作氣體膨脹的至少一個部件，
[0005]-用于經(jīng)冷卻的工作氣體與使用物之間的熱交換的系統(tǒng)，
[0006]-使已從熱交換系統(tǒng)通過的工作氣體返回到壓縮站的至少一個返回管道，該返回管道包括用于將工作氣體加溫的至少一個交換器，該裝置還包括用于在壓縮站的出口處預(yù)冷卻工作氣體的附加系統(tǒng)，該預(yù)冷卻系統(tǒng)包括諸如液氮的輔助低溫流體的至少一個容積/容器，該容積經(jīng)由至少一個熱交換器與工作回路連接，以便選擇性地將冷能(制冷量/負(fù)大卡，frigorie)從輔助流體轉(zhuǎn)移到工作氣體，該冷箱包括第一工作氣體冷卻級，該第一工作氣體冷卻級包括布置在壓縮站的出口處的第一熱交換器、以及第二熱交換器和第三熱交換器，第一熱交換器屬于鋁制板翅式熱交換器，第二熱交換器屬于焊接板式或焊接管式熱交換器，該第二熱交換器浸在用于輔助冷卻流體的浴槽中。
[0007]本發(fā)明尤其涉及氦制冷器/液化器，該氦制冷器/液化器產(chǎn)生極低的溫度(例如在氦的情形中為4.5K)以便連續(xù)冷卻使用物，例如超導(dǎo)電纜或等離子體生成裝置(“T0KAMAK”)的構(gòu)件。制冷/液化裝置尤其是指冷卻且在合適的情況下液化摩爾質(zhì)量低的氣體如氦氣的極低溫度(深冷溫度)的制冷裝置和/或液化裝置。
【背景技術(shù)】
[0008]使用物被冷卻意思是指使用物需要從較高的起始溫度(例如300K或以上)下降至確定的低的標(biāo)稱工作溫度(例如80K左右)。制冷/液化裝置通常不適合于這種冷卻。
[0009]有時，當(dāng)在很長的時間(幾十天)內(nèi)將重型構(gòu)件(例如超導(dǎo)磁體)從環(huán)境溫度冷卻到80K時，(向使用物給送和從使用物返回的)較熱和較冷的氦流以對流方式從共同的交換器通過。不過，為使該裝置正確工作，有必要限制這些氦流之間的溫差(例如限制在40K到50K之間的最大溫差)。
[0010]為此，該裝置包括在該冷卻期間供給冷能的輔助預(yù)冷卻系統(tǒng)。
[0011]如尤其在文章(U.Wagner的“用于氦制冷循環(huán)中的液氮預(yù)冷卻的方案(Solut1nsfor liquid nitrogen pre-cooling in helium refrigerat1n cycles)，，，CERN-2000)所說明的，該預(yù)冷卻系統(tǒng)通常包括經(jīng)由至少一個熱交換器向工作氣體供給冷能的液氮(處于例如80K的恒溫下)的容積。
[0012]但是，這些已知的預(yù)冷卻系統(tǒng)確實存在制約因素或缺點。
[0013]因而，有必要將處于80K下的氦與(處于環(huán)境溫度下或處于它從待冷卻的使用物返回時的溫度下的)較熱的氦混合。
[0014]為了限制液氮的消耗，還有必要隨著使用物逐漸冷卻而從自待冷卻的使用物返回的氦中回收冷能。這些與溫差和性能有關(guān)的制約因素需要根據(jù)各種工況(冷卻、正常工作)而有所不同的熱交換器技術(shù)。
[0015]因而，在正常工作期間(除冷卻階段以外)，交換器需要具有很高的性能(即低壓降)并且不應(yīng)面臨顯著的溫差。適合于這種正常工作的熱交換器包括鋁釬焊板翅式熱交換器。該類型的交換器通常可以耐受對流流體之間在50K以上的溫差。
[0016]在重型使用物的冷卻期間，交換器中所需的熱交換性能不是很高，但卻保持較高。相比而言，溫差(由于處于恒溫下的液氮)變得較大(大于50K)。
[0017]當(dāng)回路和交換器中的氦溫度依然較高時，壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常工作中所需的壓降。
[0018]用于解決這些問題的已有方案使得位于通向冷箱的入口處的主交換器是必需的，所述冷箱提供氦與氮之間的熱交換。其它方案允許根據(jù)流體(氦或氮)的性質(zhì)來將該主交換器分成利用不同熱交換器技術(shù)制造的若干獨立的部段。
[0019]這些方案并未提供針對上述問題的令人滿意的方案，因為該裝置既不適合于正常工作也不適合于冷卻階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明的一個目的是減輕上文中公開的現(xiàn)有技術(shù)的缺點的全部或一部分。
[0021]為此，根據(jù)本發(fā)明的裝置在按照其在以上【背景技術(shù)】中給出的一般定義的其它方面的基本特征在于，第二和第三熱交換器在第一熱交換器下游與工作回路既串聯(lián)連接又并聯(lián)連接，也就是說在第一熱交換器中冷卻的工作氣體能被選擇性地容許進(jìn)入第二熱交換器和/或第三熱交換器，并且第二熱交換器浸在液化輔助氣體的第一容積中。
[0022]此外，本發(fā)明的一些實施例可包括一個或多個以下特征:
[0023]-所述第二熱交換器為以下中的一者:不銹鋼制或鋁制管式熱交換器、不銹鋼制或鋁制翅管式熱交換器、不銹鋼焊接板式熱交換器，
[0024]-所述回路包括旁通支路，該旁通支路用于選擇性地繞開第三熱交換器，從而允許來自第一熱交換器和/或第二熱交換器的工作氣體選擇性地避開工作回路中的第三熱交換器，
[0025]-所述裝置包括排出氣化的輔助流體的第一排出管道，該第一排出管道經(jīng)由通過第一熱交換器的通路將第一容積的上端與遠(yuǎn)程輔助流體回收系統(tǒng)連接，
[0026]-用于氣化的輔助流體的所述第一排出管道包括用于選擇性地繞開第一熱交換器的旁通支路，
[0027]-第三交換器屬于實現(xiàn)工作氣體與輔助流體之間的選擇性熱交換的類型，所述裝置包括選擇性給送管道，該選擇性給送管道將第一容積與第三熱交換器連接，以便在第三熱交換器中將冷能從輔助流體轉(zhuǎn)移到工作氣體，
[0028]-所述裝置包括被選擇性地給送來自輔助流體源的輔助流體的第二流體容積，并且所述第三熱交換器浸在所述第二容積中，以便允許工作氣體與第二容積的輔助流體之間的冷能的交換，
[0029]-所述裝置包括排出氣化的輔助流體的第二排出管道，該第二排出管道將第二容積的上端經(jīng)由通過第一熱交換器的通路與遠(yuǎn)程輔助流體回收系統(tǒng)連接，
[0030]-用于氣化的輔助流體的所述第二排出管道包括用于選擇性地繞開第一熱交換器的旁通支路，
[0031 ]-所述第二和第三熱交換器經(jīng)由管道和閥的網(wǎng)絡(luò)在第一熱交換器的出口處與工作回路既串聯(lián)連接又并聯(lián)連接，所述管道和閥在兩個熱交換器與用于繞開第二熱交換器的旁通管路之間形成并聯(lián)連接和串聯(lián)連接，
[0032]-所述第一容積經(jīng)由連接至輔助流體源并配備有閥的傳送管道被選擇性地給送輔助流體，
[0033]-所述第一熱交換器屬于在處于不同相應(yīng)溫度下的不同工作氣流之間進(jìn)行熱交換的類型，并且該第一熱交換器包括被給送離開壓縮站的所謂的熱高壓工作氣體的第一通路、與第一通路對流并由用于所謂的冷低壓工作氣體的返回管道給送的第二通路和與第一通路對流并經(jīng)由使尚未從熱交換系統(tǒng)通過的工作氣體從冷箱返回的工作回路返回管道被給送所謂的中壓工作氣體的第三通路。
[0034]本發(fā)明還涉及一種使用根據(jù)上述或下述特征中的任何一個特征的用于工作氣體的制冷和/或液化的裝置來冷卻使用物的方法，在該裝置中經(jīng)由熱交換系統(tǒng)來冷卻使用物，該方法包括預(yù)冷卻具有在250K到400K之間的初始溫度的使用物的步驟，在該步驟中離開壓縮站的工作氣體通過第一熱交換器中的熱交換來冷卻并然后分流成兩個流，其中第一流在第二熱交換器中且然后在第三熱交換器中被冷卻，而第二流直接在第三熱交換器中被冷卻，在第一容積中氣化的輔助流體在不向第一熱交換器移交冷能的情況下排出