[发明专利]用于提高基于制冷机的致冷剂气体液化器中的液化速率的系统和方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于液化气体的系统和方法，并且更具体来说涉及适于获得提高的液化和性能效率的所述系统及方法。本发明申请案的主要领域是氦液化技术，例如<100升/天液化速率的小规模液化器，其基于密闭循环制冷机。

背景技术

氦是地球上的稀有元素并且其各种科学和工业应用继续驱动不断增长的需求。例如，气相氦的常见用途包括焊接、提升(气球)和半导体或光纤制造。在液相中，常见用途包括某些医疗和科学设备的制冷，清洗燃料箱，和固态物理学、磁学的基础研究以及各种其它研究课题。由于氦的广泛应用及其有限的可用性，认为其是高成本的不可再生资源。因此，对回收氦和其它类似稀有气体的兴趣日益增加。

具体来说，在需要达到低于20K的温度的许多应用中，使用液氦作为制冷剂。所述应用常常与超导体的使用有关，并且特别是在低温物理学研究设备中，所述设备在排空和隔热容器或真空烧瓶(称为杜瓦瓶(Dewars)或低温恒温器)中操作。所述低温恒温器含有气相和液相二者的混合物，并且在蒸发时，气相经常释放到大气中。因此，经常需要从外部源购买额外氦以继续低温恒温器中的设备的操作。

液氦最重要的应用之一是制冷磁共振成像(MRI)设备中使用的高磁场超导线圈，所述设备通过在人类中非侵入性地产生用于诊断各种医学病况的内部身体的图像来提供重要的诊断技术。

液氦的最大用户是大型国际科学设施或装备，例如CERN国际实验室的大型强子对撞机。诸如CERN等实验室通过其自己的大规模(L类)工业液化设备回收、纯化和再液化所回收的气体，所述设备通常生产超过100升/小时并需要输入功率超过100kW。对于消费更为适中的实验室，可以生产约15升/小时的中型(M级)液化设备可用。当气体用液氮预冷却时，这些大型和中型液化设备达到约0.5-1升/小时/kW(12-24升/天/kW)和约0.25-0.5升/小时/kW(6-12升/天/kW)的性能R，无需预冷却。

对于较小规模的应用，小规模冰箱现在可商购，其能够实现足够低的温度以液化各种气体，并且特别是在低于4.2K的低温下液化氦。在工业中，这些小规模冰箱通常称为密闭循环制冷机。这些制冷机具有三个部件：冷头(其一部分称为“冷指”，并且通常具有一个或两个制冷级)，其中冷指的最冷端借助氦气的循环压缩和膨胀达到非常低的温度；氦压缩机，其向冷头提供高压氦气并从其接收较低压力的氦气；以及将冷头连接到氦压缩机的高压和低压连接软管。冷指的一或多个冷却级中的每一者都具有不同的直径以适应各种温度下氦流体的性质的变化。冷指的每一级包含内部再生器和内部膨胀容积，其中制冷在每一级的最冷端发生。

由于这些制冷机的研发，各种小规模(“S类”)液化系统在过去几年中已有市售，例如专利申请案WO 2011/139989 A2中揭示的系统或专利US 8,671,698 B2中揭示的系统。在这些液化器中，要液化的气体通过与制冷机的冷级或与附着到制冷机的冷级的热交换器进行热交换来冷却。在这些小规模液化器中，制冷机冷头在双壁容器(杜瓦瓶)的颈部中操作，所述双壁容器仅含有待液化的气体，并且是绝热的，以使热量从容器外部到内部的流动最小化。气体冷凝后，将所得液体存储在杜瓦瓶的内部罐内部。

图1图解说明氦的一般相图，其中基于现有技术(例如，参见专利申请案WO 2011/139989 A2或在物理评论应用(Phys Rev.Applied)3,051001(2015)中发布的文章“在临界点附近和以上工作的小规模氦液化器中液化速率的增强”)，指示不同液化轨迹。在室温(300K)和100kPa-250kPa范围内的压力下以商业或回收气体开始，将气体在恒定压力下冷却，由此根据初始气体压力，通过如A_V、B_V或C_V等单相He蒸气点。通过根据指示的轨迹进一步冷却所述蒸气，液化器可以在约4.2K和1巴(100kPa)下产生两相液体(点Z₁)，也就是准备转移到(例如)MRI设备的液体。如果液化器充满液体，并且不立即需要液体，则产生可以比两相液体更有效地转移到设备的单相过冷液体(例如点A_L)是有利的。参照图1的液化曲线，C_VC_LB_LAA_L代表高性能的可能轨迹。最佳液化压力通常近似临界压力Z₂，即对于氦的情形为2.1巴，即液化速率可达到并超过65升/天、相当于在4.2K下30升/天以上的压力，效率接近4升/天/kW。