制冷和/或液化装置以及对应的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制冷和/或液化装置以及对应的方法。
[0002]本发明更具体地涉及一种用于包含氦气或由纯氦气组成的工作气体的制冷和/或液化的装置，该装置包括用于工作气体的、形式为环路的工作回路并且相继包括:
[0003]-配备有至少一个压缩机的工作气体压缩站，
[0004]-冷箱，该冷箱用于冷却工作气体并且包括串联布置的多个热交换器和用于使工作气体膨胀的至少一个部件，
[0005]-用于经冷却的工作气体与使用物之间的热交换的系统，
[0006]-使已从热交换系统通过的工作气体返回到压缩站的至少一个返回管道，该返回管道包括用于将工作气体加温的至少一个交换器，该装置还包括用于在压缩站的出口处预冷却工作气体的附加系统，该预冷却系统包括诸如液氮的辅助低温流体的一个容积/容器，该容积经由至少一个热交换器与工作回路连接，以便选择性地将冷能(制冷量/负大卡，frigorie)从辅助流体转移到工作气体，该冷箱包括第一工作气体冷却级，该第一工作气体冷却级包括在压缩站的出口处既串联连接又并联连接至工作回路的第一和第二热交换器，也就是说离开压缩站的工作气体能被选择性地容许进入第一和/或第二热交换器，第一冷却级还包括选择性地与辅助流体进行热交换的第三热交换器。
[0007]本发明尤其涉及氦制冷器/液化器，该氦制冷器/液化器产生极低的温度(例如在氦的情形中为4.5K)以便连续冷却使用物，例如超导电缆或等离子体生成装置(“Τ0ΚΑΜΑΚ”)的构件。制冷/液化装置尤其是指冷却且在合适的情况下液化摩尔质量低的气体如氦气的极低温度(深冷温度)的制冷装置和/或液化装置。
【背景技术】
[0008]使用物被冷却意思是指使用物需要从较高的起始温度(例如300K或以上)下降至确定的低的标称工作温度(例如80K左右)。制冷/液化装置通常不适合于这种冷却。
[0009]有时，当在很长的时间(几十天)内将重型构件(例如超导磁体)从环境温度冷却到80K时，(向使用物给送和从使用物返回的)较热和较冷的氦流以对流方式从共同的交换器通过。不过，为使该装置正确工作，有必要限制这些氦流之间的温差(例如限制在40K到50K之间的最大温差)。
[0010]为此，该装置包括在该冷却期间供给冷能的辅助预冷却系统。
[0011]如尤其在文章(U.Wagner的“用于氦制冷循环中的液氮预冷却的方案(Solut1nsfor liquid nitrogen pre-cooling in helium refrigerat1n cycles)，，，CERN-2000)所说明的，该预冷却系统通常包括经由至少一个热交换器向工作气体供给冷能的液氮(处于例如80K的恒温下)的容积。
[0012]但是，这些已知的预冷却系统确实存在制约因素或缺点。
[0013]因而，有必要将处于80K下的氦与(处于环境温度下或处于它从待冷却的使用物返回时的温度下的)较热的氦混合。
[0014]为了限制液氮的消耗，还有必要随着使用物逐渐冷却而从自待冷却的使用物返回的氦中回收冷能。这些与温差和性能有关的制约因素需要根据各种工况(冷却、正常工作)而有所不同的热交换器技术。
[0015]因而，在正常工作期间(除冷却阶段以外)，交换器需要具有很高的性能(即低压降)并且不应面临显著的温差。适合于这种正常工作的热交换器包括铝钎焊板翅式热交换器。该类型的交换器通常可以耐受对流流体之间在50K以上的温差。
[0016]在重型使用物的冷却期间，交换器中所需的热交换性能不是很高，但却保持较高。相比而言，温差(由于处于恒温下的液氮)变得较大(大于50K)。
[0017]当回路和交换器中的氦温度依然较高时，压降远远大于正常工作中所需的压降。
[0018]用于解决这些问题的已有方案使得位于通向冷箱的入口处的主交换器是必需的，所述冷箱提供氦与氮之间的热交换。其它方案允许根据流体(氦或氮)的性质来将该主交换器分成利用不同热交换器技术制造的若干独立的部段。
[0019]这些方案并未提供针对上述问题的令人满意的方案，因为该装置既不适合于正常工作也不适合于冷却阶段。
【发明内容】
[0020]本发明的一个目的是减轻上文中公开的现有技术的缺点的全部或一部分。
[0021]为此，根据本发明的装置在按照其在以上【背景技术】中给出的一般定义的其它方面的基本特征在于，第三热交换器与第一和第二热交换器既串联连接又并联连接，也就是说离开第一和/或第二热交换器的工作气体被选择性地容许进入第三热交换器，该工作回路包括回收管道，该回收管道装配有至少一个阀且其将第三热交换器的出口与第二热交换器连接以便选择性地允许冷能从离开第三热交换器的工作气体向第二热交换器的转移。
[0022]此外，本发明的一些实施例可包括一个或多个以下特征:
[0023]-在第一热交换器、第二热交换器和第三热交换器之中的至少一者是铝制板翅式交换器，
[0024]-第三热交换器是至少部分地浸在辅助流体的容积中的热交换器，
[0025]-第三热交换器是远离所述容积并经由包括至少一个给送管道的线路而被选择性地给送辅助流体的交换器，
[0026]-该装置包括一管道，该管道用于排出气化的辅助气体、将所述容积的上端经由第二热交换器中的通路与远程回收系统连接以便选择性地将冷能从气化的气态辅助流体转移到工作气体，
[0027]-在第三热交换器的出口处，该工作回路包括被分为两个并置管路的限制部分，所述两个管路的其中一个构成回收管道，所述部分包括阀组以确保这两个并置管路之间的选择性分配，
[0028]-在经过第三热交换器之后，回收管道向下游与冷箱的工作回路连接以继续冷却工作气体，
[0029]-第一和第二热交换器经由管道和阀的网络在压缩站的出口处与工作回路既串联连接又并联连接，所述管道和阀形成两个热交换器之间的并联连接和串联连接和绕开第一热交换器的旁通管路，
[0030]-所述容积经由与辅助流体源连接并配备有阀的传送管道被选择性地给送辅助流体，
[0031]-所述第一热交换器属于在处于不同相应温度下的不同工作气体流之间进行热交换的类型，并且包括被给送离开压缩站的所谓的热高压工作气体的第一通路、与第一通路对流并由返回管道给送所谓的冷低压工作气体的第二通路和与第一通路对流并经由使尚未从热交换系统通过的来自冷箱的工作气体返回的工作回路返回管道被给送所谓的中压工作气体的第三通路，
[0032]-所述第二热交换器属于在工作气体与辅助气体之间进行热交换的类型并且包括被给送来自第一热交换器和/或直接来自冷箱的工作气体的第一通路、与第一通路对流并经由排出管道被给送气化的辅助气体的第二通路、经由回收管道被给送工作气体的第三通路，
[0033]-第一和第二热交换器的工作流体出口和绕开第一热交换器的旁通管路经由管道和阀的网络与第三交换器的工作流体入口并联连接，以使得第三热交换器接收选择性地仅来自第一热交换器的工作流体和/或仅来自第二热交换器的工作流体和/或已从第一热交换器通过继而从第二热交换器通过的工作流体。
[0034]本发明还涉及一种使用根据上述或下述特征中的任何一个特征的用于工作气体的制冷和/或液化的装置来冷却使用物的方法，其中经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在120K到400K之间的初始温度的使用物的步骤，在该步骤中离开压缩站的工作气体通过在第一热交换器中、继而在第二热交换器中、继而在第三热交换器中的热交换来冷却，离开第三交换器的经冷却的工作气体被允许至少部分地向上游重新进入第二热交换器中，并在第二热交换器中移交冷能。
[0035]此外，本发明的一些实施例可包括一个或多个以下特征:
[0036]-经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在50K到200K之间的初始温度的使用物的步骤，在该步骤中离开压缩站的工作气体通过在第一热交换器中、继而在第二热交换器中、继而在第三热交换器中的热交换来冷却，离开第三交换器的经冷却的工作气体向工作回路的下游被引至冷箱中而不向上游经由第二热交换器返回，
[0037]-经由热交换系统来冷却使用物，该方法包括预冷却具有在90K到400K之间的初始温度的使用物的步骤，在该预冷却步骤之后，当使用物达到在50K到90K之间的温度时，该方法继而包括连续冷却使用物的步骤，在该步骤中将离开压缩站的工作气体分成分别通过第一热交换器中和第二热交换器中的热交换而被冷却的两个部分，这两个气体部分然后在第三热交换器中重新组合并冷却，离开第三热交换器的经冷却的工作气体向工作回路的下游被引至冷箱中而不向上游经由第二热交换器返回，
[0038]-该方法包括回收气化的辅助流体的至少一部分的步骤和在第二热交换器中将冷能从该气化的辅助流体转移到工作气体的步骤。
[0039]本发明还可涉及包括上述或下述特征的任何组合的任何替代装置或方法。
【附图说明】
[0040]通过阅读下文参考附图给出的描述，其它特征和优点将变得显而易见，在附图中:
[0041]-图1示出了简化的示意局部视图，其示出了用于冷却使用部件的液化/制冷装置的结构，