高温超导体制冷系统的制作方法

[0001]
本发明涉及用于低温制冷的系统和方法。具体地讲，本发明涉及热交换器构造，该热交换器构造例如对于热耦接负载诸如用于高温超导体的制冷回路，使低温制冷剂再循环以改善制冷效率。


背景技术：

[0002]
超导电缆通常使用热耦接液氮回路来进行冷却，其中液氮吸收在正常操作期间在所述电缆中产生的过量热并因此被蒸发。所蒸发的氮通常离开系统并且不再循环，因此例如在开放式构造中损失。此类解决方案一般来讲仅在低至中冷却能力要求下在经济方面可行。在较高冷却能力下，例如高于10kw至20kw，运行成本在此类开放式系统中成为主要考虑因素。此处，闭环制冷系统变得有利，尽管它们的资本支出较高。
[0003]
此外，为了为超导电缆和类似负载提供足够的制冷，需要通过过冷液氮在超临界压力下的再循环来提供冷却。然而，温度范围通常是有限的，因为高温超导体例如电缆的能力随温度下降而降低，而同时氮的三相点为63k。因此，温度范围一般由所用负载的超导特性需要的温度和所用制冷剂的温度下限预定义，以避免所述制冷剂达到固相。
[0004]
冷却液氮回路的已知系统通常包括氖作为制冷剂。为了进一步提高液氮的冷却效率，已知具有实施了耦接的压缩机引擎和涡轮膨胀器的制冷系统。然而，就过程控制而言，这难以实施并且需要复杂的控制系统。
[0005]
由于由氮的三相点限定的有限温度范围以及高温超导体对最低可能冷却温度的要求，较大的冷却能力仅可通过增大制冷剂质量流量来实现。然而，增大膨胀阶段期间的压力比将产生与由氮再循环提供的高温超导体冷却不相容的过大温差。因此，在此类高温超导体应用中，此类耦接的turbo-brayton系统中40％的潜在等熵效率保持被限制为低于约28％。
[0006]
进一步提高冷却效率的其它尝试包括基于氦的制冷管线的具体实施。然而，氦是非常轻的气体，即，具有低分子量，因此在环境温度下非常难以压缩。因此，氦通常在喷油螺杆压缩机中压缩，这通常导致低于20％的总系统等熵效率。
[0007]
因此，需要在不显著增加低温制冷系统的复杂性和/或控制的情况下进一步增大此类系统的等熵效率。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是提供一种减少上述问题的改进的低温制冷系统以及用于提供低温制冷的对应方法。
[0009]
该目的通过包括权利要求1的特征的低温制冷系统以及包括权利要求12的特征的低温制冷方法来实现。优选的实施方案在从属权利要求中提供并且通过说明书和附图提供。
[0010]
因此，在第一方面，提出了一种低温制冷系统，该低温制冷系统包括用于提供低温
制冷剂的供应流的供应装置、流体地耦接到所述供应装置并被构造成压缩所供应的低温制冷剂的压缩机、以及流体地耦接到压缩机的冷箱。冷箱包括第一膨胀设备和第一热交换器，其中第一膨胀设备被构造成从压缩机接收所压缩的低温制冷剂并使其膨胀并将所膨胀的制冷剂提供给第一热交换器，并且其中第一热交换器被构造成热耦接到负载。根据本发明，该系统包括布置在冷箱中的第二热交换器，该第二热交换器包括至少第一热交换部分和第二热交换部分。第一热交换部分被构造成从膨胀设备接收所膨胀的制冷剂并随后将所接收的膨胀的制冷剂提供给第一热交换器，并且第二热交换部分被构造成从第一热交换器接收所膨胀的制冷剂并随后将所膨胀的经加热的制冷剂提供给第一热交换器，其中第一热交换器部分和第二热交换器部分热耦接。第一热交换器被构造成将所接收的膨胀的制冷剂提供给供应装置和/或压缩机。
[0011]
此类构造具有以下优点：不是在膨胀阶段之后直接向第一热交换器提供冷却介质，而是所膨胀的或所冷却的制冷剂首先被来自第一热交换器的所接收的膨胀的制冷剂加热，即，所膨胀的制冷剂在第一热交换器中提供的第一轮冷却之后再循环。这允许根据第一热交换器需要和允许的低温冷却能力将低温制冷剂膨胀至冷得多的温度。同时，通过将来自第一热交换部分的所接收的膨胀的制冷剂(其可因此为经加热的冷却的制冷剂)和该所接收的膨胀的制冷剂(即，来自第二热交换部分)两者提供给第一热交换器，这允许在不增大质量流量的情况下传递两倍的冷却能力。
[0012]
此外，通过使制冷剂再循环，从而使冷却能力加倍，提高了第一热交换器的等熵效率，并且不需要耦接的压缩机和膨胀设备以及对应的控制系统。此外，普通压缩机中制冷剂损失的不利影响没有增强，因为不需要增大质量流量。
[0013]
系统的各种特征可直接或通过至少一个导管或管段彼此连接。此外，冷箱可通过布置在冷箱外部或连接处的阀例如止回阀与压缩机和/或供应装置流体地耦接。因此，压缩机和/或供应装置可经由所述阀直接或通过导管连接到冷箱，其中压缩机的出口连接到冷箱的阀的入口，即，将供应流提供给冷箱，并且压缩机和/或供应装置的入口连接到冷箱的阀的出口，即，从第一热交换器提供返回供应流。
[0014]
同样，第一热交换器和第二热交换器可包括入口和出口，以在适用的情况下提供彼此与膨胀设备、供应装置和/或压缩机之间的流体耦接。例如，第一膨胀设备可被构造成向第一热交换器的第一入口提供所膨胀的制冷剂，以将所膨胀的和/或所冷却的制冷剂提供给第一热交换器，其中第二热交换器的第一热交换部分经由第二热交换器的第一入口与第一膨胀设备流体地耦接以接收所膨胀的制冷剂，并且经由第二热交换器的第一出口与第一热交换器的第一入口流体地耦接以将所膨胀的制冷剂提供给第一热交换器。此外，第二热交换部分可经由第二热交换器的第二入口流体地耦接到第一热交换器的第一出口以接收所膨胀的制冷剂，并且被构造成经由第二热交换器的第二出口和第一热交换器的第二入口将所接收的膨胀的制冷剂提供给第一热交换器。第一热交换器可随后被构造成经由第一热交换器的第二出口将所接收的膨胀的制冷剂提供给供应装置和/或压缩机。
[0015]
如上所概述，该系统包括供应装置和压缩机，以将所压缩的低温制冷剂提供给冷箱。供应装置可包括例如大容器或提供低温制冷剂的足够供应流的任何其它装置，例如与制冷设施或制冷剂生产装置的过程介质流的耦接。供应装置和压缩机可流体地耦接并彼此分开布置，但也可在系统的入口处组合以提供更紧凑的布置。
[0016]
膨胀设备可被构造为膨胀阀、膨胀容器或膨胀涡轮，带有或不带有另外的压力调节器和/或压力控制阀。膨胀设备包括低于膨胀设备上游的压力的恒定压力。因此，膨胀设备被构造成将所压缩的低温制冷剂的压力降至一定程度，使得由于膨胀设备中的突然体积增加(例如，通过对应的尺寸调节和大小调节)，所压缩的制冷剂松弛，致使制冷剂的压力快速降低，以便优选地产生气相。虽然经松弛的制冷剂的温度可保持恒定或降低，但制冷剂的潜热降低，使得热量可被吸收。为了增加可被吸收的热量，系统的所有特征优选地为热隔离的，使得进入和离开系统的热量被认为是零或可忽略不计。
[0017]
为了进一步增大系统的等熵效率，冷箱还可包括第二膨胀设备，其中第二热交换器还可包括第三热交换部分和第四热交换部分。在此类构造中，第二膨胀设备可流体地耦接到第一热交换器和第二热交换器，并且被构造成接收由第一热交换器从第二热交换部分接收的所膨胀的制冷剂，提供所述制冷剂的膨胀，并且随后经由第三热交换部分将经二次膨胀的制冷剂提供给第一热交换器。第四热交换部分可因此被构造成从第一热交换器接收经二次膨胀的制冷剂并随后将所接收的经二次膨胀的制冷剂提供给第一热交换器。此外，至少第三热交换部分和第四热交换部分可热耦接。
[0018]
因此，热可在第三热交换器部分与第四热交换器部分之间交换，使得该经二次膨胀的制冷剂可在被提供给第一热交换器之前被从第一热交换器接收的经二次膨胀的制冷剂加热。此外，第三热交换部分和/或第四热交换部分可热耦接到第一热交换部分和/或第二热交换部分，使得可提供甚至更进一步改善的热交换并且可由第一膨胀设备提供甚至更冷的所膨胀的制冷剂。根据此类构造，离开第一热交换器的制冷剂可因此再循环两次，使得在不增大质量流量的情况下提供四倍的冷却能力。换句话讲，经过第二膨胀机器和第二热交换器能够在相同的温度范围下用相同的质量流量传递甚至四倍的冷却能力。因此，低温制冷剂的较低水平的热可二次使用，从而得到显著更有效的冷却过程。
[0019]
虽然这需要低温制冷剂被压缩机压缩至更高的比率，但这不会显著程度地不利地影响效率，因为压缩功率仅以压力比率的自然对数增大，而效率随质量流量线性增大。因此，与基于氖的turbo-brayton循环相比，此类构造允许实现约28％的相同等熵效率。
[0020]
此外，与已知的turbo-brayton过程相比，此类构造的能量效率显著更高，同时过程控制简单得多，因为压缩机性能不与膨胀涡轮机的机械结构相关联，即，膨胀设备不用于也通过压缩机来驱动制冷剂的压缩。
[0021]
取决于所需的系统，制冷剂借助于膨胀设备和热交换器的再循环可通过包括另外的膨胀设备和热交换部分来重复。例如，再循环可重复第三次或更多次。
[0022]
此外，可提供另外的热交换器。例如，第一热交换器和/或第二热交换器可被构造为一系列热交换器。此外，可提供布置在冷箱中并且位于膨胀设备的上游的一个或多个另外的热交换器。因此，此类热交换器可接收来自压缩机的所压缩的制冷剂和来自第一热交换器的所膨胀的制冷剂两者，使得所压缩的制冷剂在膨胀之前被预热，并且返回到供应装置和/或压缩机的所膨胀的制冷剂在压缩之前被预冷却。
[0023]
优选地，低温制冷系统的压缩机是螺杆压缩机或涡轮压缩机。当实施涡轮压缩机时，压缩机还优选地包括磁性耦接件和/或包括串联压缩机或被构造为串联压缩机。另选地或除此之外，压缩机可被构造成在环境温度下压缩制冷剂。
[0024]
螺杆压缩机的具体实施提供高性价比的压缩，同时这将等熵效率增大至约31％。
具体地讲，螺杆压缩机的具体实施有利于具有较高密度的制冷剂，例如氖，其因此可以较高效率被压缩。
[0025]
另选地，涡轮压缩机的具体实施可有利于具有较低密度的制冷剂，例如氦，并且进一步将等熵效率提高至高于42％。这还允许具有磁性耦接件的压缩机构造，以确保仅损失最少的制冷剂。因此，如从例如气候适应过程或建筑物中已知的那样，可使用一个或多个串联涡轮压缩机。此外，涡轮压缩机的使用还具有提供无油润滑的气密密封的优点。因此，可省略基于氦的低温制冷系统中可能需要的除油系统。
[0026]
此外，环境温度下的压缩不需要任何预冷却或温度控制，并且因此提供高性价比的压缩。
[0027]
如上文所概述，压缩机和膨胀设备被单独地控制并独立地操作，例如，膨胀设备不驱动压缩机并且反之亦然。因此，可提供控制系统，该控制系统独立地调节压缩压力(通过控制压缩机)和膨胀设备的恒定压力。此外，此类控制系统可具有反馈机构，例如一个或多个传感器，具体地讲是与制冷剂流体连通的压力传感器和/或温度传感器，以确保系统根据预定义的或设定的值和参数提供低温制冷。
[0028]
优选地，低温制冷系统的第一热交换器热耦接到负载。具体地讲，负载可包括用于高温超导体例如电缆系统的制冷回路。
[0029]
例如，负载可为制冷回路或电路，其进入第一热交换器的暖端并在冷端处离开第一热交换器。术语“暖端”应被理解为第一热交换器的端部，其中所膨胀的或所冷却的制冷剂已被加热至少第一循环并作为所膨胀的或所加热的制冷剂离开第一热交换器。同样，术语“冷端”应被理解为第一热交换器的端部，其中经由第二热交换器提供的所膨胀的制冷剂进入第一热交换器。借助于热耦接，发生热交换，使得制冷剂从制冷回路吸收热，并且因此将制冷回路冷却至预定义温度。
[0030]
优选地，负载包括第二低温制冷剂，其中所述第二低温制冷剂优选地包括液氮。对于在相对高的温度下具有超导体特性的多种负载，液氮的使用可能是有利的。然而，不同温度下的其它循环液体或气体可使用本发明的构造有效地制冷。同样，另选地或除此之外，可提供其它冷却回路。例如，不是遍历第一热交换器，负载可通过相邻的布置热耦接。另外，第一热交换器或一系列第一热交换器可被布置成为多个负载或制冷回路提供低温制冷。
[0031]
为了进一步增强第一热交换器中的热交换，制冷回路中的第二制冷剂可在进入第一热交换器之前被压缩。可在第一热交换器的下游和待冷却负载的上游提供第二制冷剂的进一步或另选的压缩。
[0032]
为了增大系统的稳定性和可预测性，负载优选作为恒定负载提供，和/或低温制冷优选地以低温制冷剂的恒定质量流量、温度和物理状态提供。因此，系统优选地包括固定的过程条件，因此其可与制冷设备和/或过程介质的供应流相容。
[0033]
取决于第二热交换器的所需制冷能力和尺寸，至少第一热交换部分和第二热交换部分和/或第三热交换部分和第四热交换部分可彼此布置成提供逆流、错流或等流热交换部分。这也适用于第一热交换器，使得第一热交换器的热交换部分可类似地彼此布置和/或相对于热耦接负载诸如制冷回路布置。
[0034]
为了有利于第一热交换器的低温制冷，压缩机和/或供应装置可被构造成将制冷剂作为气态制冷剂提供给第一膨胀设备。优选地，所述构造还确保向第二膨胀设备提供气
态制冷剂。
[0035]
这至少具有以下优点：第一热交换器在较低温度范围下不需要例如容器或相分离器来收集制冷剂的液相，并且同时可提供具有低比焓的蒸发气体流。另外，可提供较小的设备，诸如压缩机和热交换器，使得可减小系统的尺寸。
[0036]
第一膨胀设备还可被构造成提供两相或气相制冷剂，其中第一热交换器被构造为冷气体热交换器并从所冷却的制冷剂接收气相。在此类构造中，膨胀设备因此还可提供液相和气相，其中优选地第一热交换器包括容器，该容器收集液相并提供气相作为低温制冷剂。与蒸发气体交换剂相比，冷气体热交换器的使用具有在大气压下不发生闪发气体或蒸发氦的再循环的优点。
[0037]
优选地，低温制冷剂包括氦和/或氖。如上文所概述，所用的低温制冷剂可根据所需的冷却来选择。例如，冷却可取决于热耦接的高温超导体的所需温度，已知高温超导体随着温度降低而降低能力。同时，需要将低温制冷剂的压力和温度保持为高于相应的三相点。例如，氮的三相点为63k，使得对于较低温度范围，氮的使用可能不适用并且因此可使用其它制冷剂，诸如例如氦和/或氖。此外，低温制冷剂的选择可取决于所实施的压缩机类型，如上文所概述。此外，还可使用其它制冷剂诸如氢或混合物或组合物。
[0038]
为了预冷却所压缩的低温制冷剂，低温制冷系统还可包括蒸发热交换器，该蒸发热交换器布置在冷箱的外部和第一膨胀设备的上游，并且其热耦接到所提供的压缩的低温制冷剂供应流。因此，所膨胀的制冷剂或所冷却的制冷剂可以较低温度提供给第二热交换器，由此进一步改善第一热交换器的冷却效率。蒸发热交换器优选地包括液态水或氢回路作为待蒸发的制冷剂。然而，作为另选方案，也可提供气态氢作为冷气体热交换剂。水或氢的具体实施具有以下优点：形成高性价比的冷却，并且所蒸发的制冷剂可在离开蒸发热交换器之后直接释放到大气中。
[0039]
同样，该系统还可包括蒸发热交换器，该蒸发热交换器布置在冷箱中和第一膨胀设备的上游，并且其热耦接到所提供的压缩的低温制冷剂供应流以预冷却所述制冷剂。优选地，蒸发热交换器包括液氮回路作为待蒸发的制冷剂。冷箱内的布置具有以下优点：提高预冷效率，同时减小系统的尺寸。此外，可提供在负载中(例如在制冷回路中)使用的部分或过量的第二制冷剂，诸如液氮，以在膨胀之前预冷却压缩低温制冷剂。
[0040]
根据本发明的另一方面，提出了一种用于提供低温制冷的方法，该方法包括以下步骤：通过供应装置提供低温制冷剂的供应流，通过压缩机压缩所供应的低温制冷剂，由冷箱中的第一膨胀设备使所压缩的低温制冷剂膨胀，以及将所膨胀的制冷剂提供给冷箱中的第一热交换器，其中第一热交换器被构造成热耦接到负载。根据本发明，所膨胀的制冷剂由冷箱中的第二热交换器的第一热交换部分从膨胀设备接收并随后被提供给第一热交换器。此外，来自第一热交换器的所膨胀的制冷剂由第二热交换器的第二热交换部分接收并随后被提供给第一热交换器，其中热在第一热交换器部分与第二热交换器部分之间交换。由第一热交换器从第二热交换部分接收的所膨胀的制冷剂还被提供给供应装置和/或压缩机。
[0041]
如上文所概述，将所膨胀的制冷剂从第一热交换器提供给第二热交换器并允许通过热耦接与从膨胀设备接收的所膨胀的制冷剂进行热交换具有以下优点：所膨胀的制冷剂在用作低温制冷剂之前先被加热，这允许根据第一热交换器需要和允许的低温冷却能力将低温制冷剂膨胀至冷得多的温度。同时，通过将来自第一热交换部分的所接收的膨胀的制
冷剂(其可因此为经预加热的冷却的或膨胀的制冷剂)和该所接收的膨胀的制冷剂(即，来自第二热交换部分)两者提供给第一热交换器，这允许在不增大质量流量的情况下传递两倍的冷却能力。同样，不需要复杂的控制系统，这与具有耦接的压缩机和膨胀设备的系统相反。
[0042]
优选地，该方法还包括由第一热交换器从第二热交换部分接收的所膨胀的制冷剂由第二膨胀设备接收并膨胀，其中经二次膨胀的制冷剂经由第二热交换器的第三热交换部分提供给第一热交换器。此外，来自第一热交换器的经二次膨胀的制冷剂由第二热交换器的第四热交换部分接收并随后经由第四热交换部分提供给第一热交换器，其中热在至少第三热交换器部分与第四热交换器部分之间交换。
[0043]
因此，该方法可提供离开第一热交换器的制冷剂因此被再循环两次，使得在不增大质量流量的情况下提供四倍的冷却能力。换句话讲，经过第二膨胀设备和第二热交换器能够在相同的温度范围下用相同的质量流量传递甚至四倍的冷却能力。
[0044]
此外，所供应的第一低温制冷剂的压缩可由螺杆压缩机、涡轮压缩机和/或在环境温度下提供。低温制冷剂优选地包括氦和/或氖。
[0045]
为了应用低温制冷，该方法还可包括第一热交换器提供热耦接负载的低温制冷，其中所述负载优选地包括用于高温超导体的制冷回路。此类负载优选地包括液氮作为第二低温制冷剂。因此，第一热交换器可向例如基于液氮的制冷回路提供低温制冷，该制冷回路在超临界温度和压力下向高温超导体提供制冷，其中所提供的低温制冷剂的再循环提供与已知系统相比改善的冷却效率，并且不需要复杂的控制系统或增大质量流量。
附图说明
[0046]
当结合附图考虑时，通过参考以下具体实施方式，将更容易理解本公开，在附图中：
[0047]
图1是低温系统中的第一热交换器和第二热交换器的示意图，该低温系统具有第一低温制冷剂的单次再循环；
[0048]
图2是根据图1的实施方案的示意图，其具有第一低温制冷剂的双重再循环；
[0049]
图3是低温系统中的第一热交换器和第二热交换器的示意图，该低温系统具有第一低温制冷剂的双重再循环和另外的蒸发热交换器；并且
[0050]
图4是另一个低温系统中的第一热交换器和第二热交换器的示意图，该低温系统具有第一低温制冷剂的双重再循环和另外的蒸发热交换器。
具体实施方式
[0051]
在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。在附图中，类似的元件由相同的附图标号表示，并且为了避免冗余，可省略对其进行重复描述。
[0052]
在图1中，示意性地示出了低温制冷系统1，该系统在操作中使用液氦作为低温制冷剂并热耦接到负载7。因此，液氦的供应流由流体地耦接到压缩机3的供应装置2提供。根据图1的实施方案的供应装置2被构造为制冷设备的耦接件，该制冷设备提供液氦的连续供应流。然而，供应装置2还可包括例如向系统1提供所需量和所需流量的液氦的较大容器。
[0053]
供应装置2向流体地耦接的压缩机3提供液氦供应流作为低温制冷剂，该压缩机布
置在其下游并被构造为螺杆压缩机。因此，液氦被加压并作为所压缩的低温制冷剂20提供。螺杆压缩机的使用可能需要具体实施下游除油系统(未示出)，这取决于所用的制冷剂和压缩机的规格。然后借助于冷箱10的连接处的流体耦接或阀将压缩低温制冷剂20(即，加压液氦)提供给冷箱10。该构造确保冷箱10基本上是热隔离的，并且仅经由所述流体耦接连接到外部部件。
[0054]
在冷箱10内，所压缩的低温制冷剂20由被描绘为压力调节器和膨胀阀的第一膨胀设备4接收。然而，可提供包括仅膨胀阀、膨胀涡轮或膨胀阀和压力调节器的组合的其它构造。尽管低温制冷系统1需要在操作的启动或初始阶段使系统1中的温度正常化和稳定化，但在正常操作期间，系统1中各个点或位置处的低温制冷剂的温度和压力被认为是恒定且可预测的。就这一点而言，膨胀设备4包括低于膨胀设备4上游的压力的恒定压力，并且被构造成由所压缩的低温制冷剂20提供气相。由于膨胀设备4中的突然压降，所压缩的低温制冷剂20因此膨胀，使得发生加压液氦的松弛，从而增大第一低温制冷剂的体积。因此，减少了所压缩的低温制冷剂20的潜热，从而允许液氦进一步吸收热。因此，膨胀设备4提供所膨胀的制冷剂22，其可具有与所压缩的低温制冷剂20相比较低的温度并且其由第二热交换器6的第一热交换部分6a接收。
[0055]
在遍历第一热交换器部分6a之后，所膨胀的制冷剂22随后经由相应的入口传递到第一热交换器5。虽然膨胀设备4可被构造成将所膨胀的制冷剂22提供为液体或两相制冷剂，但根据图1的膨胀设备4被构造成提供为气态的所膨胀的制冷剂22，使得第一热交换器5被构造为冷气体热交换器。在第一热交换器5内，所冷却的氦从热耦接的负载7吸收热，使得所冷却的氦作为所膨胀的制冷剂24经由相应的出口离开第一热交换器5，该所膨胀的制冷剂与离开膨胀设备的所膨胀的制冷剂22相比可为经加热的制冷剂。同时，负载7具有低温制冷，使得例如高温超导体可因此被冷却。
[0056]
不是将所膨胀的制冷剂24从第一热交换器5直接返回到供应装置2，来自第一热交换器的所膨胀的制冷剂24被提供给第二热交换器6的第二热交换器部分6b，该第二热交换器热耦接到第一热交换部分6a。因此，所接收的膨胀的制冷剂24遍历第二热交换部分6b，并且随后经由相应的入口传递到第一热交换器5。同样，从第二热交换部分6b接收的所膨胀的制冷剂24吸收第一热交换器5内的热。所接收的膨胀的制冷剂24随后经由相应的出口离开第一热交换器5，并且使所膨胀的制冷剂24返回到供应装置2，使得其可在系统1中重复使用。
[0057]
因此，低温制冷剂在返回到压缩机3之前再循环一次。由于第一热交换部分6a和第二热交换部分6b热耦接，因此所膨胀的制冷剂22以与离开膨胀设备4的所膨胀的制冷剂22相比相对暖的状态提供给第一热交换器5，而同时来自离开第二热交换器6的第一热交换器5的所膨胀的制冷剂24被提供给第一热交换器5。这不仅允许进一步膨胀并提供所压缩的第一低温制冷剂20的对应较低温度，而且还在不增大质量流量的情况下提供了第一热交换器5的冷却能力的加倍。因此，等熵效率通过该构造得到改善。此外，可单独且独立地控制压缩机3和膨胀设备4，不需要复杂的控制系统或机械耦接件，即，不将压缩机的输出关联到膨胀设备并且反之亦然。
[0058]
虽然根据图1的实施方案示意性地描绘了第一热交换器5被构造成向第二热交换部分6b提供从第一热交换部分6a接收的所有所膨胀的制冷剂24，但还可提供的是，仅将所
膨胀的制冷剂24的一部分提供给第二热交换部分6b，而将所膨胀的制冷剂24的其余部分返回到供应装置2。
[0059]
此外，虽然参照液氦作为第一低温制冷剂来描述根据图1的实施方案，但也可使用其它制冷剂，诸如例如氖。此外，图1示意性地示出了作为等流热交换器的第一热交换器5和第二热交换器6。然而，代替等流热交换器或除了等流热交换器之外，还可提供其它构造，诸如逆流热交换器或错流热交换器。
[0060]
根据图2的实施方案大致类似于根据图1的实施方案。此外，根据图2的实施方案包括低温制冷剂的双重再循环，如来自第一热交换器5的所膨胀的制冷剂24的另外返回回路所描绘的那样。为了提供双重再循环，低温制冷系统1在冷箱10中包括第二膨胀设备40，并且第二热交换器6包括另外的第三热交换部分6c和第四热交换部分6d。因此，第二膨胀设备40流体地耦接到第一热交换器5的出口，以相应地接收由第一热交换器5接收的所膨胀的制冷剂24，以使所述制冷剂24膨胀，从而经由第三热交换部分6c将经二次膨胀的制冷剂26提供给第一热交换器5。此外，第四热交换部分6d被构造成从第一热交换器5的相应出口接收经二次膨胀的制冷剂28，并且将所接收的经二次膨胀的制冷剂28提供给第一热交换器5。
[0061]
根据实施方案，第三热交换器部分6c和第四热交换器部分6d热耦接，使得在所述部分之间交换热，并且经二次膨胀的制冷剂26可因此被经二次膨胀的制冷剂28加热，之后再进入第一热交换器5。因此，所膨胀的制冷剂22可以甚至更低的温度提供。同样，来自第一热交换器的所接收的经二次膨胀的制冷剂28可被预冷却，之后再进入第一热交换器5，使得在不增大质量流量的情况下总冷却能力达到四倍。
[0062]
此外，根据该实施方案的压缩机3被提供为具有磁性耦接件的涡轮压缩机。因此，不需要除油系统，并且甚至进一步提高了能量效率。然而，另选地，也可使用螺杆压缩机和任选的除油系统。此外，第一膨胀设备4和第二膨胀设备40被构造成提供液氦的气相，使得第一热交换器5和第二热交换器6被构造为冷气体热交换器。然而，热交换器也可被构造成例如借助于相分离器或容器接收例如来自两相的所膨胀的制冷剂22和/或经二次膨胀的制冷剂26的气相和液相两者。
[0063]
如上文参照图1所述，还可提供的是，不是将从第二热交换部分6b接收的所有所膨胀的制冷剂24和/或从第三热交换部分6c接收的所膨胀的制冷剂28分别提供给第二膨胀设备40和第四热交换部分6d，还可提供的是，仅提供所述膨胀的制冷剂24、28的一部分，而将所膨胀的制冷剂24、28的其余部分返回到供应装置2。
[0064]
在图3中，示意性地示出了系统1的实施方案，其大致对应于根据图2的实施方案。除了第二膨胀设备40以及第三热交换部分6c和第四热交换部分6d之外，热耦接的负载7被构造为用于高温超导体例如电缆的制冷回路70。制冷回路70进入冷箱10并被构造成相对于第一热交换器5处于逆流布置。因此，制冷回路70被构造成在暖端进入第一热交换器5并在相应的冷端离开第一热交换器5，使得制冷回路70中的第二低温制冷剂可被第一热交换器5有效地冷却。第二低温制冷剂例如液氮随后离开冷箱10并被提供给例如电缆以提供所需的冷却。
[0065]
此外，冷箱10包括蒸发热交换器8b，该蒸发热交换器布置在膨胀设备4的上游，并且确保所压缩的低温制冷剂20在被膨胀设备4膨胀之前被冷却。蒸发热交换器8b包括液氮回路82，该液氮回路在蒸发热交换器8b的暖端进入蒸发热交换器并热耦接到所提供的压缩
的低温制冷剂20，使得来自所压缩的低温制冷剂20的热可被液氮吸收。液氮由此蒸发成气相，该气相离开蒸发热交换器8b并可释放到大气中或由例如液化设施接收。虽然在实施方案中液氮回路82被描绘为例如通过制冷回路70的相应分支设置在冷箱10内，但液氮回路82也可经由相应的耦接件部分地设置在冷箱10的外部。同样，所蒸发的液氮也可保留在冷箱10内，而不是释放到冷箱10外部，例如释放到大气中。
[0066]
为了进一步预冷却所压缩的低温制冷剂20，系统1还包括蒸发热交换器8a，该蒸发热交换器布置在冷箱10的外部、蒸发热交换器8b的上游和压缩机3的下游。蒸发热交换器8a包括水回路80并热耦接到所供应的压缩的低温制冷剂20，使得热可在压缩低温制冷剂20与水回路80的水之间交换。因此，水吸收热并被蒸发，使得水以气相离开蒸发热交换器8a。所蒸发的水可被释放到大气中，或者可例如在对应的冷凝之后再使用，或者用于其它目的，诸如气体涡轮或蒸汽涡轮。
[0067]
虽然制冷回路70、水回路80和液氮回路82示意性地描绘为逆流布置，但也可提供其它构造，诸如等流布置或错流布置。
[0068]
根据图4的实施方案大致对应于根据图3的实施方案，使得类似的特征由相同的附图标号表示，并且为了避免冗余，省略对其进行重复描述。此外，根据图4的实施方案的冷箱10还包括布置在膨胀设备4的上游的冷气体热交换器8c、8d。冷气体热交换器8c布置在蒸发热交换器8b的上游，其中所压缩的低温制冷剂20与液氮回路82以及从第一热交换器5返回到供应装置2的经二次膨胀的制冷剂28两者热耦接。因此，所压缩的低温制冷剂20通过从离开蒸发热交换器8b的液氮和经二次膨胀的制冷剂28中的返回气体中蒸发气体而被预冷却。同样，经二次膨胀的制冷剂28中的返回气体可由于蒸发热交换器8a而被预冷却，这取决于系统条件。
[0069]
冷气体热交换器8d被布置在第一膨胀设备4的上游以及蒸发热交换器8b和冷气体热交换器8c两者的下游。同样，所压缩的低温制冷剂20热耦接到来自第一热交换器5的经二次膨胀的制冷剂28，使得所压缩的低温制冷剂20由于与经二次膨胀的制冷剂28中的返回气体的热交换而被进一步冷却。因此，另外的蒸发热交换器8a、8b和冷气体热交换器8c、8d的具体实施提供了具有甚至进一步改善的能量效率的系统。
[0070]
为了增强第一热交换器5的冷却能力，制冷回路70可在第一热交换器5的上游包括压缩机72。虽然压缩机72示意性地描绘为在冷箱10中，但压缩机72也可布置在冷箱10的外部，这取决于系统1的要求。在任何情况下，返回到第一热交换器5的液氮可在被第一热交换器5冷却之前并且在返回到例如电缆之前被压缩。制冷回路70还可包括布置在第一热交换器5的下游的膨胀设备(未示出)，以进一步改善负载7的低温冷却能力。
[0071]
如上文所概述，压缩机3和第一膨胀设备4被单独且独立地控制。因此，系统1包括分别控制压缩机3和第一膨胀设备4的控制单元9a、9c。两个控制单元9a、9c均连接到主控制器9，该主控制器通常被构造成监测相应的控制单元9a、9c。为了提供反馈机构，系统1还可包括一个或多个传感器，例如温度传感器和/或压力传感器，其向相应的控制单元提供测量信号。此外，系统1包括另外的控制单元9b、9d以分别控制制冷回路70的第二膨胀设备40和压缩机72。所述控制单元9b、9d还与主控制器9通信，使得这些控制单元也可被控制器9监测。提供独立的控制单元9a、9b、9c、9d和控制器9通常改善系统1的可控性、可预测性和稳定性。然而，取决于系统1的构造，所述一个或多个控制单元9a、9b、9c、9d也可仅为任选的。例
如，第二膨胀设备40和/或压缩机72可例如在动态范围内不可调节，并且因此被构造成独立于所测量的系统参数提供恒定压力，这对于恒定的系统条件例如低温制冷剂的恒定供应流和恒定负载7可能不是问题。
[0072]
对于本领域技术人员而言显而易见的是，这些实施方案和项目仅描绘了多种可能性的示例。因此，不应将此处所示的实施方案理解为对这些特征和构造进行限制。可以根据本发明的范围来选择所述特征的任何可能的组合和构造。
[0073]
附图标号列表
[0074]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低温制冷系统
[0075]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀ
冷箱
[0076]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
供应装置
[0077]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀ
所压缩的低温制冷剂
[0078]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀ
所膨胀的制冷剂
[0079]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀ
来自第一热交换器的所膨胀的制冷剂
[0080]
26
ꢀꢀꢀꢀꢀ
经二次膨胀的制冷剂
[0081]
28
ꢀꢀꢀꢀꢀ
来自第一热交换器的经二次膨胀的制冷剂
[0082]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压缩机
[0083]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一膨胀设备
[0084]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二膨胀设备
[0085]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一热交换器
[0086]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二热交换器
[0087]
6a
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一热交换部分
[0088]
6b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二热交换部分
[0089]
6c
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第三热交换部分
[0090]
6d
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第四热交换部分
[0091]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
负载
[0092]
70
ꢀꢀꢀꢀꢀ
制冷回路
[0093]
72
ꢀꢀꢀꢀꢀ
压缩机
[0094]
8a-8b
ꢀꢀ
蒸发热交换器
[0095]
8c-8d
ꢀꢀ
冷气体热交换器
[0096]
80
ꢀꢀꢀꢀꢀ
水回路
[0097]
82
ꢀꢀꢀꢀꢀ
液氮回路
[0098]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制器
[0099]
9a-9d
ꢀꢀ
控制单元