制冷方法、以及相应的蓄冷盒及低温设备的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种制冷方法，在该制冷方法过程中，用户(1)借助于例如氦的工作气体而被供以制冷量，该工作气体是通过使该工作气体流动进入蓄冷盒(4)而被冷却的，该蓄冷盒串联地包括：至少一个具有硬焊板和凸缘的第一铝热交换器(5)、一个具有焊接板的第二热交换器(15)、以及一个具有硬焊板和凸缘的第三铝热交换器(25)，其方式为至少部分地使所述工作气体连续流动穿过该第一交换器(5)、然后穿过该第二交换器(15)、并且最后穿过该第三交换器(25)，之后所述工作气体被导向该用户(1)以便对该用户供应制冷量。
【专利说明】制冷方法、以及相应的蓄冷盒及低温设备
[0001 ]本发明涉及一种制冷和/或液化装置并且涉及一种相应的方法。
[0002]其更具体地涉及一种使用诸如纯氦或含氦气态混合物的工作气体的制冷方法。
[0003]已知的实践是使用闭合回路或甚至开放回路中循环的工作气体来对工业用户供应制冷量，并且使之经受总体上依赖于循环的冷却处理，该循环包括压缩、之后是膨胀和/或穿过热交换器。
[0004]就此而言，已知的实践是致使工作气体在压缩后循环通过蓄冷盒，该蓄冷盒可以尤其包括膨胀涡轮和/或多个热交换器。
[0005]然而，与这种设计和运行这样的低温设施相关联的难题之一来自于需要满足取决于该制冷方法是处于瞬态冷却状态或维持非常低温度的稳定状态(或者“正常运行”)的相互矛盾的要求。
[0006]特别是，在稳定状态中，即，当低温设施仅使用来维持对用户供应制冷量以便将所述用户保持和稳定在预先确定的低运行温度(例如量级为80K)，就有必要使用非常高性能的交换器，典型地是硬焊(波浪形)板且有鳍片铝交换器(“硬焊铝热交换器”)，这限制了压力降和对热效率的优化。
[0007]然而，这样的铝交换器确实有着某些限制，尤其是由于以下事实:它们在机械上不能承受由穿其而过的这些流体之间的陡峭的热梯度所导致的应力，尤其是当所述流体以逆流方向循环时。
[0008]现在，显著的温度梯度精确地出现在瞬态状态过程中，并且尤其在冷却过程中，SP，当需要使得用户从相对高的起始温度(典型地高于150K并且总体上大于或等于300K)降低到相对低的运行温度(例如量级为80K)时。
[0009]当然，硬焊铝交换器需要在此瞬态状态过程中受到保护，这种瞬态状态有些时候可以持续很长的时间段，并且，在使用低温设施来冷却超导体磁体的情况下，例如，多达几十天。
[0010]在已知的低温设施内，因而已经设想的是，为了符合前述要求，使得这些设备加倍，并且尤其将使用多个液氮体积(浴)的一个或多个辅助冷却系统添加到蓄冷盒的入口上，并且提供复杂的切换回路，该切换回路允许将工作气体流通过所述辅助系统选择性地导向，以用于根据运行工况基于不同情况来修改低温设施构型的目的。
[0011]尽管有这种防范措施，但已知的低温设施可能会在瞬态状态与稳定状态之间展现出不对等的性能，针对一个运行工况而言与针对另一个相比并不是很适合的。
[0012]此外，所述低温设施是非常笨重并且在结构上是复杂的并且安装和维护是昂贵的。
[0013]指配给本发明的这些目标因而目的在于克服前述缺点并且提出新的、有效的并且多功能的制冷方法，该方法使之有可能不论运行工况如何、并且借助于简单且紧凑的低温设施来实现所述低温设施的高性能的并且顺畅的冷却。
[0014]指配给本发明的这些目标借助于一种制冷方法实现，在该方法过程中，处于称为“用户温度”的温度的用户被借助于(例如氦的)工作气体供以制冷量，该工作气体在制冷回路中被冷却，该制冷回路包括:至少一个压缩站，在该压缩站中所述工作气体被压缩;然后是至少一个蓄冷盒，在该蓄冷盒中，通过使工作气体穿过多个热交换器而将工作气体冷却；所述方法包括:冷却步骤(a)，在该步骤过程中，在冷却第一阶段(al)过程中，由经冷却的工作气体所供应的制冷量被用来在用户温度高于150K时降低所述用户的温度;和/或冷保持步骤(b)，在该步骤过程中，由该经冷却的工作气体所供应的该制冷量被用来在该用户温度低于冷度设定点、即低于95K时保持该用户温度低于所述冷度设定点；所述方法的特征在于，分别在该冷却步骤(a)的该第一阶段(al)过程中，和/或，在该冷保持步骤(b)过程中，该工作气体是通过使得所述工作气体循环通过蓄冷盒来冷却的，该蓄冷盒包括串联的至少一个第一硬焊板和鳍片铝热交换器、第二焊接板热交换器、以及第三硬焊板和鳍片铝热交换器，从而使得来自该压缩站的并且进入该蓄冷盒的所述工作气体流的至少1%、并且优选至少4%穿过该第二交换器，然后使得所述工作气体流的另外至少1%并且优选至少4%穿过该第三交换器，之后将所述工作气体流导向给该用户以便对其供应制冷量。
[0015]有利地，通过在铝第一交换器的下游且在类似的铝第三交换器的上游插入焊接板中间第二交换器(其优选由能够承受住这些穿过其容室交换热量的流体之间的陡峭的温度梯度的不锈钢(或优选非铝的一些其他适合的合金)制成)，并且通过迫使至少一部分、如果适合则大部分的、或甚至所有的工作气体流穿过此第二交换器，就使得该蓄冷盒、并且尤其是这些铝交换器在所有情况下都免除了热机械应力。
[0016]特别是，因为第二交换器能够无损坏地承受陡峭的温度梯度，其本身可以执行对工作气体的高幅度冷却(这种幅度典型地大于或等于100K、150K或甚至200K)，这代表了工作气体所希望的温度降低的显著的份额或甚至(很大地)主要份额。
[0017]通过其自身“吸收”有待接纳的大部分的温度差异来适合地冷却工作气体，第二交换器因而仅为性能更好但更脆弱的其他的交换器(第一交换器并且特别是第三交换器)留下小量的冷却剩余量(典型地少于或等于50Κ，或甚至少于或等于30Κ)去执行，明显地少于由所述第二交换器处理的的冷却量。
[0018]指配给第一和第三交换器中每一者的剩余冷却量因而从不超出认为该交换器所能够耐受的温度梯度。
[0019]因为第二交换器如此有效地保护第一和第三交换器来抵御热“过载”，由此改善了这些交换器的寿命和性能。
[0020]这就是为什么本方法特别优良地适合于冷却相对“热的”用户，该用户在实施根据本发明的冷却过程的时候初始温度超出150Κ。
[0021]此外，板和鳍片铝交换器的存在趋于保持本方法的热性能，尤其在使得工作气体在第三交换器中降到低温度时(在由第二交换器产生陡峭的温度下降之后)是如此。
[0022]这种性能证明在以下状态中尤其是有利的，S卩，在稳定状态中，在冷保持步骤(b)过程中当执行所述方法来维持“冷的”用户状态时(其用户温度典型地低于95K并且例如量级为80K)。
[0023]此外，在稳定的冷保持状态中，在通过(硬焊铝)第三交换器的最终循环以外还维持至少部分地或甚至全部工作气体流通过(焊接板)第二交换器的循环的事实意味着第二交换器能够在第三交换器的上游处理部分的冷却，这意味着有可能使用不像以前一样笨重的第三交换器。
[0024]当然，通过如此使用第二交换器而变得可能的减少第三交换器的大小有助于改善蓄冷盒的紧凑度。
[0025]最终，通过使用小心选择并且排序的多个热交换器并且通过提出对工作气体流通过所述交换器的简化的管理，所有交换器都使得工作气体相继穿其而过，根据本发明的方法证明是尤其多功能的，因为其使用尤其简单且紧凑的蓄冷盒结构而允许来对低温设施的寿命中所遭遇到的、从对用户进行冷却到使得所述用户保持在低温度(以及，如果适合的话，在冷却循环结束时对用户进行加热使其返回到环境温度)的所有这些情形加以有效的管理。
[0026]实践中，根据本发明的方法因而有利地使之有可能组合铝交换器就热性能而言尤其在非常低的温度的优点和焊接板中间交换器的热机械稳健性。
[0027]通过阅读以下说明并且研究以纯粹非限制展示方式提供的附图1，本发明进一步的目标、特征和优点将变得更加清晰而展现更多细节。
[0028]所述图1是根据本发明制冷方法的实施方式的示意图。
[0029]本发明涉及一种制冷方法，在该制冷方法过程中，处于称为“用户温度”Tl的温度的用户I借助于例如氦的工作气体供以制冷量，该工作气体是在制冷回路2中冷却的。
[0030]用户I可以是任何种类的要求制冷量供应的工业设施。
[0031]根据实施例的优选替代形式，本方法将旨在对超导缆线供冷，例如在旨在约束等离子体的电磁体内。
[0032]本方法如果适合的话可以是用于使得气体液化的方法，并且具体是用于使氮或任何其他气体例如氦液化的方法。
[0033]工作气体可以尤其是纯氦或含氦气态混合物。
[0034]优选，所述工作气体在闭合的制冷回路2中环路循环，该制冷回路允许所述工作气体被再循环，并且因而使之连续地经受循环(反复的压缩/冷却和可能的膨胀)。
[0035]本发明当然还涉及制冷回路2，并且更一般地涉及允许实施这样一种方法的低温设施。
[0036]根据本发明，以及如图1所展示的，制冷回路2包括:至少一个压缩站3，在该至少一个压缩站中所述工作气体被压缩;然后是至少一个蓄冷盒4，在该蓄冷盒中通过使工作气体穿过多个热交换器5、15、25而冷却工作气体，此例中为第一交换器5、第二交换器15和、第三交换器25。
[0037]根据一个实施例的可能的替代形式，所述蓄冷盒还可以包括至少一个膨胀涡轮机(未描绘)，该膨胀涡轮机旨在通过使工作气体经受绝热或近绝热膨胀来将其冷却。
[0038]如图1中已经展示的，制冷回路2通过连接在第三交换器25下游的适合的热交换系统6对用户I供应制冷量。
[0039]离开交换系统6的、已经对用户送出制冷量的工作气体接下来沿返回管道7返回压缩站3。
[0040]根据实施例的替代形式，蓄冷盒4可以包括两个并行运行的相同的制冷回路2，即，各自接收来自压缩站3的部分的工作气体流并且各自冷却指配给它们的这部分的工作气体，之后在蓄冷盒的出口将所述工作气体朝向用户I导向。
[0041 ]根据本发明，本方法包括:冷却(“冷却下来”)步骤(a)，在该步骤的过程中，在冷却第一阶段(al)过程中，由该经冷却的工作气体所供应的该制冷量被用来在用户温度Tl高于150K时降低所述用户温度Tl;和/或，替代地或额外于所述冷却步骤(a)地包括冷保持(“正常运行”)步骤(b)，在该步骤过程中，由该经冷却的工作气体所供应的该制冷量被用来在用户温度Tl低于冷度设定点、即少于95K时维持用户温度Tl低于所述冷度设定点。
[0042]根据本发明，分别在冷却步骤(a)的第一阶段(al)过程中，和/或，在冷保持步骤(b)过程中，通过使所述工作气体循环通过蓄冷盒4来冷却工作气体，该蓄冷盒包括串联的至少一个硬焊板和鳍片铝第一热交换器5、焊接板第二热交换器15、以及硬焊板和鳍片铝第三热交换器25，从而使得所述来自压缩站3并且进入蓄冷盒(4)的工作气体的至少1%的、并且优选至少4%的流穿过第二交换器15，然后接下来使得所述工作气体的至少I %的并且优选至少4%的流穿过第三交换器25，之后所述工作气体流并且更具体地已经穿过蓄冷盒4的所有气体流气体都被导向给用户I以便对其供应制冷量。
[0043]实践中，穿过第二交换器15和或第三交换器25的工作气体的最小量可以尤其包括在4%与5%之间并且例如量级为4.8%。
[0044]出于阐述方便的原因，所考虑的将是使工作气体流和所述气体流的比例(以百分数表示)分别对应于工作气体(制冷剂)的质量流速和对应于所述质量流速的百分数。
[0045]通过确保在每个工作循环上至少(非零)分数的、或甚至主要部分的工作气体系统性地在一方面穿过尤其对陡峭温度梯度有耐受性的焊接板第二交换器15，并且另一方面，穿过在低温上在热学上性能尤其良好的板和鳍片铝第三交换器25，就有可能在瞬态状态过程中(尤其在冷却“温热的”或“热的”用户(其温度Tl初始超出150K)的第一阶段(al)的过程中，第二交换器15于是承受热冲击的冲击)以及在稳定冷保持状态过程中(在该稳定冷保持状态过程中该第三交换器25占据主导角色)都有效地管理制冷。
[0046]此外，这种工作气体循环图优选使得在冷却步骤(a)过程中、并且更具体地在其第一阶段(al)，或在冷保持步骤(b)过程中、并且优选贯穿所有这些步骤，进入蓄冷盒4的大部分的(这就是说多于50%，优选多于75%，多于80%或甚至多于90%，或甚至，优选，所有的，即，100% )工作气体、并且更一般地说在适合的情况下以“高压力”(实践中大约18巴)离开压缩站3的工作气体被导向给第一交换器5，从而使得此主要部分，或甚至所有的所述工作气体进入蓄冷盒4的流确实有效地穿过所述第一交换器5，在那里能够将其冷却。
[0047]因而，并且根据可以自身构成单独的发明的事项，尤其在冷保持步骤(b)过程中，使得该主要部分并且优选所有进入蓄冷盒4的工作气体流优选首先穿过第一交换器5，之后使得所有的或部分的所述工作气体流穿过第二交换器15，然后所有的或部分的所述工作气体流穿过第三交换器25。
[0048]有利地，同时至少以它们部分的处理能力来使用蓄冷盒内存在的这三个交换器5、15、25，并且不论在冷却情况还是冷保持情况下都这样做，意味着能够改善蓄冷盒4的总效率而同时限制每个交换器5、15、25的个体大小并且因而限制所述蓄冷盒4的总大小。
[0049]就此方面而言，尤其注意到的是第二交换器15和第三交换器25的这种串联组合在(至少)冷保持步骤(b)过程中有利地使之有可能对冷却至非常低的温度加以优化，这是通过在所述第二和第三交换器15、25之间相继分开所述冷却来实现的，有些事项使之有可能避免必须使得所述交换器15，25过大。
[0050]根据实施例的优选替代形式，该替代形式可以涉及冷却步骤(a)(并且尤其是其第一阶段(al))和冷保持步骤(b) 二者，穿过第二交换器15的所有工作气体流接下来还穿过第三交换器25。
[0051]因而能够有利地级联组合第二和第三交换器15、25，从而由此改善蓄冷盒的性能而不减损其紧凑性，并且为此目的这样做使用简单导管来直接连接所述交换器15、25，由此减少了蓄冷盒4的成本并且限制来压力降低。
[0052]优选，是在初始用户温度Tl大于或等于200K、250K、300K或甚至350K时执行冷却步骤(a)并且更具体地冷却第一阶段(al)。
[0053]优选，将执行本方法并且更具体地冷却步骤(a)的第一阶段(al)来供应一个(或多个)用户，该用户的温度Tl应不超出450K并且优选400K。
[0054]更一般地，冷却步骤(a)的第一阶段(al)可以是在用户温度Tl包括在(严格地)150K与400K之间、并且更具体地在(严格地)150K与350K之间(例如在250K与350K之间或甚至在250K与300K之间)时执行的，或甚至只要用户温度在此之间就执行。
[0055]有利地工作气体通过第二交换器15的这种永久循环事实上保证在所有时候都保护蓄冷盒4抵御大的温度差异的影响，从而由此使得本方法是极多功能的，因为它因而能够直接容易地应对“冷的”用户(其温度低于95K并且尤其包括在70K与(严格地)95K之间)，而且它能够应对“热的”用户(典型地温度Tl (严格地)高于150K并且尤其在大约300K的大气温度Tl)或甚至应对“极热的”用户(其温度Tl可以例如达到350K或甚至400K)。
[0056]根据本方法的实施例的替代形式，并且具体是在冷保持步骤(b)过程中，进入蓄冷盒4的、并且优选穿过第一交换器5的主要部分的或甚至所有的工作气体流接下来穿过处于第一交换器5下游的第二交换器15，从而使得在那里它(第二次)送出热量并且因而继续其冷却。
[0057]类似地，根据此实施例的替代形式，大部分的(如果并非所有的话)工作气体流接下来穿过处于第二交换器15下游的第三交换器25，从而使得在那里它(第三次)送出热量并且因而继续冷却。
[0058]在绝对意义上讲，并不在讨论之外的是，在蓄冷盒4内提供一个或多个排液阀，从而使得允许将部分的工作气体在孤立的情况导向出冷却回路2，或甚至允许一个或多个“旁路”长度，这些旁路长度允许第一、第二或第三交换器5、15、25中的一个或其他的交换器被绕过(短接)从而使一定比例的、优选少数比例(这意思是说优选严格地少于50%，少于25%，少于20%或甚至少于10%)的工作气体流转向，从而使得此部分并不穿过所考虑的交换器(尽管它确实仍在闭合回路内)。
[0059]然而，优选在冷保持步骤(b)过程中，将穿过所述第一交换器5的工作气体流接下来将在其离开所述第一交换器5时被全部收集并且全部输送通过第二交换器15。
[0060]类似地，并且优选与前述第一与第二交换器之间的链接相组合，在这同一冷保持步骤(b)过程中来自第二交换器15的工作气体流应优选在其离开所述第二交换器15时被全部收集并且全部输送通过第三交换器25。
[0061]作为特别优选，根据蓄冷盒4的尤其简化的布局，并且优选在稳定冷保持状态过程中，可以将来自压缩站3的所有的工作气体流送至第一交换器5，然后到第二交换器15，然后到第三交换器25，从而使得在同一个工作循环过程中(S卩，在制冷回路2的同一个“巡回”过程中)全部的工作气体流将相继穿过第一交换器5，然后穿过第二交换器15，然后穿过第三交换器25;之后供应用户I，然后返回压缩站3。
[0062]优选，在冷却第一阶段(al)之后冷却步骤(a)继续进行冷却第二阶段(a2)，在该冷却第二阶段过程中，在冷却第一阶段(al)过程中开始的冷却延续直至用户温度(Tl)达到冷度设定点。
[0063]一旦已经达到冷度设定点，则优选进行冷保持步骤(b)，而同时保持工作气体循环通过第二交换器15。
[0064]如上所述，在进行冷却过程中为了确保这些交换器5、15的并且尤其是第三交换器25的热安全性以及在进行冷保持过程中为了针对给定的大小优化蓄冷盒4的性能，都维持至少部分地使用第二交换器15。
[0065]根据一个实施例的替代形式，可以想象的是，当从冷却步骤(a)到冷保持步骤(b)做出转换时保持工作气体流通过第一、第二和第三交换器5、15、25的基本上与冷却步骤(a)过程中所使用的分配构型相同的分配构型。
[0066]换言之，根据自身完全可以构成发明的优选特征，有可能的是在瞬态冷却状态过程中和在稳定冷保持状态过程中，即，“在热时”和“在冷时”都维持第一、第二和第三交换器的同一个串联连接构型，并且因而维持工作气体以其相继穿过所述第一、第二和第三交换器5、15、25的同一个构型。
[0067]更具体的是，根据此替代形式并且不论运行工况如何，有可能维持工作气体通过这些不同的相继的交换器5、15、25的基本上相同的分配。
[0068]有利地，蓄冷盒4内第一、第二和第三交换器5、15、25之间的这些硬件连接，以及因而工作气体所沿的制冷回路2的路径，可以于是在所有情况下不论所述蓄冷盒4运行工况如何都保持不变。
[0069]具体地，根据此替代形式，有可能的是排除对于根据蓄冷盒4的运行工况来在制冷回路2的若干支路之间进行切换的需要，这些切换的目的在于选择性地连接、或另一方面目的在于绕过这些交换器5、15、25中的一个或其他的交换器。
[0070]这种永久性使之有可能简化所述蓄冷盒4的安排和管理，并且因而不仅减少其大小还减少其成本以及运行成本而同时改善其可靠性和寿命。
[0071]然而，根据本方法实施例的另一替代形式，在冷却步骤(a)过程中并且更具体地在第一冷却阶段(al)过程中，工作气体流在第二交换器15的上游、在第一支路8与第二支路9之间进行分配，该第一支路称为“冷却支路”，图1中以实线描绘，该第一支路相继穿过第二交换器15和第三交换器25，该第二支路称为“旁路支路”，图1中以虚线描绘，该第二支路绕过第二交换器15和第三交换器25然后与来自所述第三交换器25的工作气体流汇合。
[0072]有利地，旁路支路9使之有可能绕过整个冷却支路8，这是通过使部分的工作气体直接从配备有分流件10并且处于第一交换器5的下游且在第二交换器15的上游的分接点到达汇合点11(处于第三交换器25的下游并且在用户I的上游)来实现的(尤其是并不切入第二交换器15与第三交换器25之间的冷却支路8中)。
[0073]有利地，通过在第一支路8与第二支路9之间分送来自第一交换器5的工作气体流，在冷却步骤(a)过程中对于第二交换器15并且特别是第三交换器25有着更少的需求，并且因而尤其使之有可能限制热应力和压力降低。
[0074]优选，在从冷却步骤(a)到冷保持步骤(b)的转换过程中并且根据自身可以构成单独的发明的特征，工作气体通过第二支路9(称为“旁路”支路)的这种循环被减少并且优选被阻塞，从而迫使进入蓄冷盒4的主要部分的、并且优选所有的工作气体流在冷保持步骤(b)过程中沿第一支路8(称为“冷却”支路)相继穿过第二交换器15、然后穿过第三交换器25。
[0075]因而有可能使用非常简单的回路从同时运行所有的三个交换器5、15、25中获益并且因而从增加的性能中获益。
[0076]无论所设想替代方案(不变构型，或另一方面，选择性切换旁路支路9)如何，对蓄冷盒4的简化将使之有可能减少压力降低、以及潜在的故障或泄漏源，而第二交换器15到冷却回路2的永久连接(并且在适合的情况下主导性连接)将承担抵御(有意或甚至意外)连接至“热的”用户的效果的保护。
[0077]在合适的情况下，通过简单调整工作气体的流速和/或辅助冷流体通过第一、第二和第三交换器5、15、25的流速将能够执行将制冷回路2与给定的时刻考虑的运行工况相适配。
[0078]第一交换器5和第三交换器25有利地具有硬焊板和鳍片铝交换器(“铝板-鳍片热交换器”)的类型并且在此方面可以满足ALPEMA( “铝板-鳍片热交换器制造商协会”)的推荐。
[0079]这种铝交换器确实既尤其紧凑且从热学观点上看又是性能良好的。
[0080]优选，借助于第二交换器15，使用了由不锈钢焊或在适合的情况下适合的不锈金属合金，而不是铝(铝太脆)制成的焊接板交换器。
[0081]这样一种交换器，其技术还通过术语“板与壳”而为人所知的、并且其当然具有多个板(典型地多于三个板)以及适用于应用的交换表面面积，事实上是极稳健的，并且尤其展现出对于陡峭热梯度的优异机械耐受性。
[0082]作为具体优选，借助于第二交换器15，使用印刷回路热交换器(PCHE)。
[0083]通过组装(例如通过炉内硬焊)多个层叠板而形成的这样一种交换器确实有利地是尤其紧凑的，在这些层叠板中形成流动通道的多个凹槽是先前已经通过化学(蚀刻)路径加工而挖空的。
[0084]根据实施例的优选替代形式，第二交换器15可以形成如图1所展示的逆流交换器，在该逆流交换器内，工作气体，此例中为氦(He)，在相对于冷流体的逆流方向上流动以便向冷流体送出热量，然后使用适合的装置将热量移除。
[0085]因为第二交换器15良好地能够承受陡峭热梯度，事实上有可能使用相对于工作气体在逆流方向上循环的、具体是冷的辅助流体(例如液氮，其具有的入口温度量级为80.8K)来在第二交换器15内有效地冷却相对热的工作气体(例如在交换器15的入口可以达到270K或甚至300K)。
[0086]在任何情况下，优选的是在第二交换器15内使用优选在逆流方向上循环冷的辅助流体，例如液氮(LIN)来冷却该工作气体。
[0087]此具体例子中，如图1所展示的，第二交换器15可以因而形成氦-液氮(HE-LINPCHE)型的印刷回路热交换器，在该热交换器内相对于工作气体(He)在逆流方向上循环并且典型地具有量级为80.8K的入口温度的液氮(LIN)蒸发成气态氮(N2)来从所述工作气体(He)中去除热能。
[0088]此外，根据实施例的优选替代形式，借助于第一交换器5使用了气体/气体交换器，优选逆流交换器，其中从用户I返回的工作气体在到达压缩站3的入口之前接收来自所述压缩站3的经压缩的工作气体所送出的热量。
[0089]具体是，如图1所展示的，返回管道7可以因而穿过第一交换器5，该第一交换器是硬焊铝氦-氦交换器型(BAHX He-He，指“硬焊铝热交换器He-He” )的交换器，从而使得朝向压缩站3返回的、处于“低的”压力(典型地16巴)的“冷的”氦(典型地在大约100K)能够通过相对于正离开压缩站3朝向用户I流去的、加压的(典型地在大约18巴)并且“热的”(典型地在大约300K至310K)的氦在逆流方向上进行循环而加温(典型地加温到环境温度，S卩，在290K与大约307K之间)。
[0090]优选，借助于第三交换器25，使用了液氮热虹吸管，优选并流热虹吸管。
[0091]具体是，如图1中已经展示的，因而可以有可能使得辅助流体(S卩，液氮(LIN))构成相对于朝向用户I流去的氦(工作气体)流并流地循环。
[0092]在所述第三交换器25中典型地跨过79.8K到80.8K的并且从液体状态(LIN)跨到气态状态(GAN，指气态氮)的氮从氦流中收集热量并且因而使其温度降低大约80K。
[0093]以指明的方式，在冷却第一阶段(al)开始时，在瞬态状态中，用户温度Tl可以量级为300K(环境温度)。
[0094]向回朝向压缩站3前进并且作为冷流体进入第一交换器的工作气体的温度因而量级为300K。
[0095]返回的气体在其穿过第一交换器I时收集热量并且可以在进入压缩站3时因而发现其自身在大约307K，并且在量级为16巴的低压下。
[0096]在压缩后，高压力(大致18巴)的气体在其达到第一交换器5时具有310K的温度。
[0097]在离开所述第一交换器5时其温度已经降低至大约302K。
[0098]这部分的沿着冷却支路8的302K的气体流在第二交换器15中被大幅冷却，该第二交换器使得其温度降低至大约95K，并且因而处理来所述冷却支路8的大部分的冷却。
[0099]应注意的是处理大部分的冷却的第二交换器15能够完美地承受一方面是从302K跨到95K的氦(工作气体)与另一方面是具有非常低的温度的液氮(辅助流体)的逆流循环，液氮的温度的量级为80K，并且其从液体状态变成气态或两相液体/气体状态。
[0100]在穿过第三交换器25时，这同一工作气体流使得其温度降低至大约80K。
[0101]离开第三交换器25的这种80K流然后在图1中标明为11的汇合点处与来自旁路支路9的302K的流混合，然后所有的工作气体将接下来给送到用户I的交换系统6中。
[0102]在稳定状态中，S卩，在冷保持步骤(b)过程中、并且更优选地在工作气体排他地通过冷却支路8循环时，工作气体在其进入第二交换器15时典型地具有量级为103K的温度，并且在其离开所述第二交换器15时为大致95K，这因而与其在瞬态状态中相比处于远远更少的需求下。
[0103]在离开第三交换器25时，到达用户的工作气体可以有利地具有量级为80.4K的非常低的温度。
[0104]此外应注意的是，在上文所阐述的实例中，并且如早先总体上所设想，第一(BAHXHe-He)交换器5使得进入蓄冷盒4的所有的工作气体流(此例中氦)穿其而过，而且在处于瞬态冷却状态中时和在稳定冷保持状态中时都是如此。
[0105]此例中，所有的工作气体流第一次都是作为进入有待在此被冷却的蓄冷盒4的、需要被冷却的热的流体来穿过所述第一交换器5的，并且然后第二次，作为从用户I返回的、冷的流体在离开所述蓄冷盒4之前再次穿过所述第一交换器。
[0106]当然本发明还涉及一种如此旨在实施根据一个或其他的前述特征的制冷方法的制冷装置。
[0107]其更具体地涉及一种蓄冷盒4，该蓄冷盒允许实施所述方法并且更具体地被设计成确保工作气体根据本发明的循环。
[0108]本发明因而更具体地涉及一种蓄冷盒4，该蓄冷盒旨在用于冷却一种工作气体，所述蓄冷盒包括在同一个隔热包壳中串联的至少硬焊板和鳍片铝第一热交换器5、焊接板不锈钢第二热交换器15、以及硬焊板和鳍片铝第三热交换器25。
[0109]根据实施例的优选替代形式，所述蓄冷盒至少包括用于工作气体循环的第一支路8(称为“冷却支路”8)和用于工作气体循环的第二支路9(称为“旁路支路”9)以及分流件10，该第一支路相继穿过第二交换器15和第三交换器25，该第二支路绕过第二交换器15和第三交换器25以优选地直接与第三交换器出口会合，该分流件被设计成选择性地将来自第一交换器5的工作气体流排他地导向进入称为“冷却”支路的第一支路8或替代地将所述工作气体流部分地分配到称为“冷却”支路的第一支路8中并且部分地分配到称为“旁路”支路的第二支路9中。
[0110]分流件10可以例如采取多路阀的形式或替代地采用歧管的形式，该分流件配备有与第一交换器5的出口相连的入口、并且配备有至少两个出口，一个连接第一支路8而另一个连接第二支路9，所述出口中的至少一个出口、并且优选所述出口中的每个出口都配备有至少一个阀，在适合的情况下，该阀允许调节工作气体在相应的支路8、9中的流速。
[0111]有利地，旁路支路9将不与将第二交换器15的出口连接至第三交换器25的入口的导管相联通，从而使得在第二交换器15的上游通过所述旁路支路9分流的所有的工作气体都将直接由此输送至处在第三交换器25的下游并且在用户I的上游处的汇合点11，该汇合点11是所述气体将与来自所述第三交换器25的气体流混合的地方。
[0112]这样一种替代形式的蓄冷盒4将有利地允许简单且快速地在优选瞬态状态(尤其是冷却状态)构型与优选稳定状态(冷保持)构型之间进行切换，在瞬态状态构型中旁路支路9被激活从而使得穿过蓄冷盒4的、并且来自第一交换器5的气体流在一方面是冷却支路8(其程度为至少1%并且优选至少4%)与另一方面是旁路支路9之间加以分配，在稳定状态(冷保持)构型中分流件10减少、或甚至关断到旁路支路9的通路从而使得与瞬态状态过程中的比例相比更大比例的工作气体流，并且优选如果并非所有的话大多数所述工作气体流穿过第二交换器15然后穿过第三交换器25。
[0113]根据蓄冷盒4实施例的另一可能的替代形式，该蓄冷盒尤其是简化且紧凑的，所述交换器5、15、25可以连接成以此顺序彼此串联从而使得形成旨在使工作气体通过的线性冷却回路(其路径典型地对应于上述冷却支路8)，所述回路实质上并没有连接支路或可以允许工作气体绕过所述交换器5、15、25中的一个或其他交换器的旁路支路，从而使得穿过第一交换器5的所有工作气体流接下来必须沿所述冷却回路按顺序穿过第二交换器15然后穿过第三交换器25。
[0114]因而有可能致使来自压缩站3的所有工作气体流优选永久地不论运行工况如何地按顺序循环通过第一交换器，然后接下来通过第二交换器，然后最终通过第三交换器，而带有上述所有的优点。
[0115]此外，使用借助于没有连接或过度弯曲部分的导管来将分别所考虑的交换器5、15的出口与分别紧邻其下游的交换器15、25的入口直接连接的线性冷却回路使之有可能产生一种紧凑、简单且便宜的蓄冷盒4并且除其他事项之外使得压力降低最小化。
[0116]优选，并且偶尔不论其内部安排的替代形式如何，蓄冷盒4是使用珍珠岩与其环境热隔离的。
[0117]这于是就有效地避免制冷量损失。
[0118]本发明此外涉及一种如此的低温设施，该低温设施允许实施根据本发明的制冷方法。
[0119]至此所述设施可以包括调节并且配置蓄冷盒4的模块，所述模块控制着所述蓄冷盒的交换器5、15、25的回路从而使得总是留下接近第二交换器15和接近第三交换器25的通路从而总是将进入蓄冷盒4的至少I %、优选至少4%的工作气体流导向通过第二交换器15并且通过第三交换器25。
[0120]本发明具体涉及一种低温设施，包括用于工作气体的环形制冷回路2，所述制冷回路2包括串联的至少一个旨在压缩所述工作气体的压缩站3;然后是根据上述替代形式中的一个或其他形式的至少一个蓄冷盒4，所述蓄冷盒4旨在通过使工作气体穿过多个热交换器
5、15、25来冷却工作气体;然后是热交换系统，该热交换系统被设计成允许来自蓄冷盒4的经冷却的工作气体对用户I送出制冷量。
[0121]当然，本发明并不以任何方式仅限制于所阐述实施例的这些替代形式，本领域的技术人员尤其能够将这些前述特征或其替代等效物自由地彼此分离或组合。
[0122]具体是，与瞬态冷却状态相关联的(并且与处理相应的温度梯度相关联的)考虑可以加上必要的改变而应用于使得用户温热起来，即，在冷却循环结束时使得用户从冷的状态逐渐返回到热的状态。
【主权项】
1.一种制冷方法，在该制冷方法过程中，对处于称为“用户温度”的温度(Tl)的用户(I)借助于例如氦的工作气体来供以制冷量，该工作气体在制冷回路(2)中被冷却，该制冷回路包括:至少一个压缩站(3)，在该至少一个压缩站中，所述工作气体被压缩;然后是至少一个蓄冷盒(4)，在该至少一个蓄冷盒中，通过使该工作气体穿过多个热交换器(5，15，25)而将该工作气体冷却;所述方法包括:冷却步骤(a)，在该冷却步骤过程中，在冷却第一阶段(al)过程中，由经冷却的工作气体供应的制冷量被用来在所述用户温度(Tl)高于150K时降低该用户温度(Tl);和/或冷保持步骤(b)，在该冷保持步骤过程中，由经冷却的工作气体供应的制冷量被用来在该用户温度(Tl)低于冷度设定点、即低于95K时保持该用户温度(Tl)低于所述冷度设定点；所述方法的特征在于，分别在该冷却步骤(a)的该第一阶段(al)过程中，和/或，在该冷保持步骤(b)过程中，该工作气体通过使所述工作气体循环通过蓄冷盒(4)被冷却，该蓄冷盒包括串联的至少第一硬焊板和鳍片铝热交换器(5)、第二焊接板热交换器(15)、以及第三硬焊板和鳍片铝热交换器(25)，从而使得进入该蓄冷盒(4)的该工作气体流的主要部分、并且优选所有部分首先穿过该第一交换器(5)，之后所有的或一些所述工作气体流穿过该第二交换器(15)、然后穿过该第三交换器(25)，并且使得来自该压缩站(3)的并且进入该蓄冷盒(4)的所述工作气体流的另外至少1%、并且优选至少4%穿过该第二交换器(15)，然后使得所述工作气体流的另外至少I %并且优选至少4%穿过该第三交换器(25)，之后将所述工作气体流导向该用户(I)以便对其供应制冷量;并且在于，在该冷却步骤(a)过程中并且更具体地，在该冷却第一阶段(al)过程中，该工作气体流在该第二交换器(15)的上游、在第一支路(8)与第二支路(9)之间进行分配，该第一支路称为“冷却支路”，该第一支路相继穿过该第二交换器(I5)和该第三交换器(25)，该第二支路称为“旁路支路”，该第二支路绕过该第二交换器(15)和该第三交换器(25)以便接下来与来自所述第三交换器(25)的工作气体流汇合。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，穿过该第二交换器(15)的所有工作气体流接下来还穿过该第三交换器(25)。3.如以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，冷却步骤(a)在该初始用户温度(Tl)大于或等于200K、250K、300K或甚至350K时执行。4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，冷却步骤(a)是通过冷却第二阶段(a2)来继续，在该冷却第二阶段过程中在该冷却第一阶段(al)过程中开始的冷却延续直至该用户温度(Tl)达到该冷度设定点，并且在于，然后进行该冷保持步骤(b)，同时保持该工作气体循环通过该第二交换器(15)。5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在从冷却步骤(a)转换到冷保持步骤(b)时，工作气体通过被称为“旁路”支路的该第二支路(9)的该循环被减少并且优选被阻塞，以便迫使进入该蓄冷盒(4)的主要部分的并且优选所有的工作气体流沿被称为“冷却”支路的该第一支路(8)相继穿过该第二交换器(15)、然后穿过该第三交换器(25)。6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以第二交换器(15)的方式使用不锈钢的焊接板交换器。7.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以第二交换器(15)的方式使用印刷回路交换器(PCHE)。8.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以第一交换器(5)的方式使用气体/气体交换器，优选逆流交换器，其中从该用户(I)返回的工作气体在到达该压缩站(3)的入口之前接收来自所述压缩站(3)的经压缩的工作气体送出的热量。9.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以第三交换器(25)的方式使用液氮(LIN)热虹吸管，优选并流热虹吸管。10.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在该第二交换器(15)内优选在逆流方向上循环地使用了辅助冷流体，例如液氮(LIN)，以便冷却该工作气体。11.一种蓄冷盒(4)，旨在用于冷却工作气体，所述蓄冷盒包括在同一个隔热包壳内串联的至少硬焊板和鳍片铝第一热交换器(5)、焊接板不锈钢第二热交换器(15)、以及硬焊板和鳍片铝第三热交换器(25)，所述蓄冷盒的特征在于，其至少包括用于工作气体的循环的第一支路(8)和用于工作气体的循环的第二支路(9)以及分流件(10)，该第一支路被称为“冷却支路”，该第一支路相继穿过该第二交换器(15)和该第三交换器(25)，该第二支路(9)被称为“旁路支路”，该第二支路绕过该第二交换器(15)和该第三交换器(25)以便与该第三交换器的出口会合，该分流件被设计成选择性地将来自该第一交换器(5)的工作气体流排他地导向进入被称为“冷却”支路的该第一支路，或替代地将所述工作气体流部分地分配到被称为“冷却”支路的该第一支路(8)中并且部分地分配到被称为“旁路”支路的该第二支路(9)中。12.如权利要求11所述的蓄冷盒，其特征在于，该蓄冷盒使用珍珠岩与其环境热隔离。13.—种低温设施，包括用于工作气体的环形制冷回路(2)，所述制冷回路(2)串联地包括:旨在压缩所述工作气体的至少一个压缩站(3);然后是如权利要求13和14中任一项所述的、旨在通过使该工作气体穿过多个热交换器(5，15，25)来冷却该工作气体的至少一个蓄冷盒(4);然后是热交换系统(6)，该热交换系统被设计成允许来自该蓄冷盒(4)的经冷却的工作气体对用户(I)送出制冷量。
【文档编号】F25B40/00GK105934641SQ201480066347
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2014年11月6日
【发明人】弗雷德里克·邦内, 穆斯塔法·塔贝尼, 阿兰·布里利亚, 欧里安·德拉福特里
【申请人】乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司