[发明专利]气体液化系统和方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于气体液化的系统和方法，并且更具体地说，涉及适于改进的液化和性能效率的系统和方法。

背景技术

氦是地球上的稀有元素并且其许多科学和工业应用继续推动不断增长的需求。例如，气态氦的通常使用包括焊接、提升（气球）、以及半导体和光纤制造。在液态中，一般的使用包括冷却某些药品和科学设备、清洗燃料箱体（NASA）、以及固态物理、磁性和很宽范围的其他研究课题中的基础研究。因为氦的普遍使用、其有限的可获得性、以及氦的有限储备，所以氦被认为是一种高成本不可再生能源。因此，越来越多地关注回收氦和类似的惰性气体。

具体地，液态氦在有必要使温度达到-200°C以下的多种应用中被用作冷却剂。这种应用通常与超导体的使用相关，特别地是在疏散和绝缘容器或者称作杜瓦瓶（Dewars）或低温恒温器（cryostats）的真空瓶中操作的低温物理研究设备中。这种低温恒温器包括气相与液相的混合物，并且当蒸发时，气相通常释放到大气。因此通常有必要从外部来源购买额外的氦以持续低温恒温器中的设备的操作。

液态氦的最重要应用之一是冷却在磁共振成像（MRI）设备中使用的高磁场超导线圈，所述磁共振成像设备通过非侵入性地形成内部本体的图像而提供了重要的诊断技术以便诊断人体中的宽泛种类的医学状况。

液态氦的最大使用者是的大型国际科学设施或设备，诸如欧洲原子核研究委员会的国际实验室的大型强子对撞机。诸如欧洲原子核研究委员会的实验室通过它们自己的大规模（等级L）工业液化工厂来回收、净化、并且再液化回收的气体，这通常的产量多于100升/小时并且要求多于100千瓦的输入功率。对于具有适度消耗的实验室来说，产量约15升/小时的中等（等级M）液化厂是合适的。当气体以液态氮预冷时这些大型和中型液化厂实现约1升/小时/千瓦（24升/天/千瓦）的性能R，并且在没有预冷的情况下约0.5升/小时/千瓦（12升/天/千瓦）。

为了较小规模的应用，现在可购得小型制冷器（refrigerator），其能够实现足够低的温度以液化多种气体，并且特别地，在低于4.2绝对温度的低温温度下液化氦。在该行业中，这些小型制冷器通常地称作闭合循环低温冷却器（cryocooler）。这些低温冷却器具有三个部件：（1）冷镦（coolhead）（其一部分被称作“冷凝管（cold finger，指形冷凝器）”并且通常地具有一个或多个冷却级），其中通过氦气的周期性压缩和膨胀冷凝管的最冷端实现非常低的温度；（2）氦压缩器，该氦压缩器将高压氦气提供到冷镦并且从冷镦接收低压氦气；以及（3）高压和低压连接软管，所述高压和低压连接软管将冷镦连接到氦压缩器。冷凝管的一个或多个冷却级中的每个均具有不同的直径以适应不同温度的氦流体的特性变化。冷凝管中的每个级均包括内部再生器以及内部膨胀体积，其中在每个级的最冷端处发生冷却。

由于这些低温冷却器的发展，小规模（等级S）液化工厂设施已经成为可购得的，然而，目前这些液化器的性能限于小于2升/天/千瓦。在这些液化器中，将被液化的气体不会经历复杂的热动力循环，而是通过与低温冷却器的冷级或者与附接到低温冷却器的冷级的热交换器的热交换来简单地冷却。在这些小规模液化器中，低温冷却器冷镦在通常称作杜瓦瓶的双壁容器的颈部中操作，所述双壁容器仅包含将要被液化的气体并且是热绝缘的以使热量从容器外部到内部的流动最小化。在气体冷凝以后，所形成的液体存储在杜瓦瓶的内部罐的内部。

理想地，以低温冷却器为基础的该小规模液化器可以实现与大型与中型规模液化器相当的效率。然而，在实践中，就升/天/千瓦而言的可实现液化性能对于这些小规模液化器已经显著地小于通过较大等级M和等级L液化厂实现的性能。因此，存在很大提高小规模液化器性能的空间，并且在本领域中该改进将特别有益。

发明内容

技术问题

当前可获得的用于每天生产少于20升液化制冷剂的小规模液化工厂设施（或“S等级”液化器）当与通过较大规模液化工厂设施获得的性能比较时是非常没有效率的。此外，中间和大比规模工厂设施具有极大的复杂性，要求广泛的维护，并且它们的液化率远超过许多用户的需要。根据这些限制，可以实现大于2.0升/天/千瓦的操作效率的“S等级”的液化器先前是不可获得的。

技术方案和有益效果