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wo2011/139989a2中揭示的系统或专利us8,671,698b2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wo2011/139989a2或在物理评论应用(physrev.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av、bv或cv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al)是有利的。参照图1的液化曲线，cvclblaal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。
理想地，这种基于制冷机的小规模液化器可达到与大规模和中规模液化器相当的效率。然而，实际上，对于这些小规模液化器可达到的液化性能(以升/天/kw计)(<4升/天/kw)，显著低于利用较大m类和l类液化设备获得的性能(>6-12升/天/kw)。过去25年期间现有技术的性能演变已由李洛(rillo)等人，ieee/csc与esas欧洲超导新闻论坛(europeansuperconductivitynewsforum)，第33期，2015年7月进行了说明。因此，需要容许小规模液化器的进一步性能改良的新颖解决方案。本发明提出了对所述需要的解决方案。
技术实现要素：
与由较大规模液化设备获得的性能相比，目前可用的每天生产少于100升液化致冷剂的小规模液化设备或“s类”液化器大体上是无效的。此外，中等规模和大规模设备涉及显著复杂性，需要大量维护，并且>15升/小时(即>360升/天)的其液化速率远远超出了许多用户的需求。
在实现更高效率的第一次尝试中，利用用于控制系统的液化区内的压力从而使得升高的压力在提高的液化温度下提供操作的构件调节专利申请案wo2011/139989a2和物理评论应用3,051001(2015)中描述的先前技术的气体液化系统，如上述参考文献中所描述。通过精确控制流入系统中的气体，可将内部液化压力维持在升高的阈值。在近似最佳性能的临界压力的升高的压力下，利用冷头的增加的冷却功率，并获得高达4升/天/kw的前所未有的液化速率值，比先前技术高超过100％(李洛等人，ieee/csc与esas欧洲超导新闻论坛，第33期，2015年7月；和科尔多瓦(chialvo)等人，第18届国际制冷机会议的会议录(proceedingsofthe18thinternationalcryocoolerconference)，2014，第551-556页)。
因此，本发明的目的是提供基于制冷机的气体液化系统和方法，其适于利用气态元素的热力学性质从制冷机提取增加的冷却功率，以便提高已知系统的液化速率和性能。
液化区在本文中定义为杜瓦瓶内的容积，包括与制冷机的第一级相邻的第一冷却区，其中进入系统的气体最初经冷却，以及与制冷机的第二或后续级相邻的第二冷凝区，其中冷却的气体经进一步冷却并冷凝成液相。因此，出于本发明的目的，液化区包括杜瓦瓶的颈部部分并延伸到存储液化致冷剂的存储部分。在本发明的各个实施例中，系统进一步包含用于控制杜瓦瓶内部的压力的构件，其可包括适于调节用于进入液化区的输入气流的单一压力控制模块，使得在液化过程期间精确维持液化区内的压力。或者，选自电磁阀、质量流量计、压力调节器和其它压力控制装置的一系列压力控制部件可个别地安置在系统的若干位置，使得个别化组件的集合分组适于控制进入系统的液化区中的输入气体。
此外，为了进一步优化气体与液化系统的各种制冷元件之间的热交换，所提出的本发明通过从冷头的最冷部分提取小体积的所述气体而不改变其功能，利用在制冷机的冷头内部循环的已经冷却的气体。将这种已经液化的气体添加到存储容器的液化区中，从而提高系统的平均液化率，同时借助控制机构将存储容器内部的温度和压力保持恒定。
上述液化改良是通过用于液化气体的气体液化系统来实现，所述气体液化系统包含：
-存储容器，其包含液体存储部分和从其延伸的颈部部分，所述液体存储部分适于含有在存储容器的底部的液化气槽，并且包含在所述槽上方的液化区，其中待液化的气体与液化系统交换热量；
-布置在颈部部分的冷头，其包含一或多个制冷级；
-用于控制存储容器的液化区内的致冷剂气体压力的压力控制机构。
有利地，系统的制冷机的冷头进一步包含：
-用于将经压缩气相致冷剂分布在冷头内部的制冷压缩机，其中将所述致冷剂气体供应到冷头并从所述冷头返回并用作用于降低冷头的一或多个制冷级的温度的制冷构件；
-一或多个提取孔口，其连通冷头内部的气体循环回路与制冷级的外部区，用作通过端口，所述通过端口容许冷头内部的气体流出进入存储容器的液化区；和
-通过气体注入阀与所述制冷压缩机的气体循环回路连接的气体注入源，其中所述气体注入阀用于控制冷头内的压力。
根据本发明的系统适于维持对容器内部的蒸气压力的精确控制，并且因此适于维持产生冷凝的制冷机的温度和因此功率的精确控制。因此，系统容许控制制冷机的操作点(如通过其一或多个级的温度所确定)并且因此控制由所液化气体提取的热量的量，二者都用于将其从室温预冷却到操作点，并且用于其冷凝和液化。
在本发明的优选实施例中，存储容器由壳隔热，其中存储部分的壳外部内的体积大体上排空空气。
在本发明的又一优选实施例中，存储容器进一步包含从液体存储部分延伸到存储容器的外部表面转移端口。
在本发明的又一优选实施例中，系统进一步包含含有一定量的气相致冷剂用于将其引入存储容器的液化区中的气体源模块。
在本发明的又一优选实施例中，系统进一步包含水平仪用于测量存储容器内的液体体积。
在本发明的又一优选实施例中，压力控制机构包含以下组件中的一或多者：
-用于测量存储容器的液化区内的压力值的压力传感器；
-用于调节进入存储容器的液化区的气体的压力的压力调节器；
-质量流量计；
-一或多个用于调节进入液化区的输入气体流动的阀。
在本发明的又一优选实施例中，压力控制机构进一步连接到计算机用于动态地调节存储容器的液化区内的输入气流和/或压力。
在本发明的又一优选实施例中，提取孔口具有0.5-5.0mm的直径。
在本发明的又一优选实施例中，提取孔口在冷头的一或多个制冷级上执行并通过包含于通过端口中的固定构件附着到到所述制冷级。更优选地，通过端口包含隔热密封件以防止不需要的气体流过所述固定构件。
在本发明的又一优选实施例中，一或多个通过端口包含可配置的致冷流量阀。优选地，所述致冷阀的关闭/打开配置是通过牵引构件和/或压缩构件来操作，且更优选地，通过端口和致冷阀可通过毛细管任选地经连接。
在本发明的又一优选实施例中，致冷剂气体是以下中的任一者：氦、氮、氧、氢、氖。更优选地，包含于气体吸入模块中的气体和包含于气体注入源中的气体都是从氦使用设备回收和纯化的高纯度氦气。
本发明的另一方面涉及气体液化方法，其利用本申请案中揭示的气体液化系统，所述气体液化方法包含以下步骤：
(i)至少提供：
-存储容器，其具有液化区并且由存储部分和从其延伸的颈部部分界定；
-用于控制存储容器的液化区内的压力的压力控制机构；
-至少部分安置在颈部部分(4)内的制冷机的冷头，所述冷头适于使包含于液化区内的致冷剂从气相冷凝成液相；
其中制冷机的冷头包含：
-用于将冷的经压缩气相致冷剂分布在冷头内部的制冷压缩机，其中将所述致冷剂供应到冷头并从所述冷头返回并用作用于降低冷头的一或多个制冷级的温度的制冷构件；
-一或多个提取孔口，其连通冷头内部的气体循环回路与制冷级的外部区，用作通过端口，所述通过端口容许冷头内部的气体流到存储容器的液化区；
-与所述压缩机的气体循环回路连接的气体注入源，其中所述气体注入源借助气体注入阀连接到压力控制机构用于通过与其连接的plc控制冷头内的压力。
(ii)测量并用压力控制机构和plc控制存储容器的所述液化区内的蒸气压力、以及测量并用气体注入阀(20)和plc控制冷头内的内部压力。
(iii)借助压力控制器维持存储容器的所述液化区内的蒸气压力，并借助气体注入源和注入阀将冷头内的内部压力维持在操作范围内。
在本发明的优选实施例中，所提出液气体液化方法进一步包含如下步骤：利用气体源将气体注入存储容器的液化区中，所述气体源与存储容器的压力控制器合作用于维持步骤(iii)期间的蒸气压力。
总之，本发明提出的气体液化系统和方法通过在气体与液化系统的各种制冷元件之间提供改良的热交换构件、从而从冷头提取较小体积的所述气体并将其注入存储容器的液化区中获得比现有基于制冷机的液化器远更高的效率。通过精确控制进入液化区的室温气体的压力，从而精确控制系统的液化区中的冷凝气体的压力，进一步增强并稳定系统的液化效率。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细说明，本发明的特征和优点将更加明显，其中：
图1显示根据现有技术工艺的氦的相图和现有技术液化p-t轨迹。
图2显示已知现有技术氦液化系统的示意图。
图3a和3b显示根据本发明的液化系统的两个优选实施例的示意图。
图4显示用于实施从冷头提取气体的致冷元件的实例的示意图，其应用于根据图3a-3b的图解的液化系统，以打开(图4a)和关闭(图4b)位置表示。
图5显示对于160升存储容器的情形，利用根据图3-4的优选实施例的系统进行的液化测试，并与现有技术进行比较。
具体实施方式
在以下说明中，出于解释的目的且并不进行限制，阐述了详情以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明了，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可在背离这些详情和说明的其它实施例中实践本发明。以下将参照附图描述某些实施例，其中说明性特征由参照数字表示。
在根据图2的一般实施例中，已知液化系统(1)(本文中也称作低温恒温器)包括隔离存储容器(2)或杜瓦瓶，其包含液体存储部分(3)和从其延伸的颈部部分(4)，并连接到处于环境温度下的外部容器(5)。存储容器(2)由壳(6)隔热，并且存储部分(3)外部的壳(6)内的体积大体上排空空气的。此外，为了测量存储容器(2)内的液体的体积，系统可任选地包括水平仪(100)。
存储部分(3)适于在存储容器(2)的底部含有液化气槽(7)以及在所述槽(7)上方含有液化区(8)，其中待液化的气体与液化系统(1)交换热量。为了这样做，颈部部分(4)适于至少部分地接收制冷机冷头(9)。冷头(9)可包含一或多个制冷级(10、11)，其各自优选地具有不同横截面。存储容器(2)的颈部部分(4)可任选地适于以逐步的方式几何地符合制冷机冷头(9)的一或多个制冷级(10、11)。存储容器(2)进一步包含从液体存储部分(3)延伸到存储容器(2)的外部表面的转移端口(12)。进一步提供整合了质量流量计和比例阀(fpc)的正向压力控制机构(13)，用于控制气体流动，从而控制存储容器(2)的液化区(8)内的压力。正向压力控制机构(13)通常包括压力调节器或用于调节进入存储容器(2)的液化区(8)的气体的压力的其它构件。压力控制机构(13)还利用外部压力传感器(14)，或将其整合，用于检测存储容器(2)的液化区(8)内的压力。在这方面，控制机构(13)进一步连接到计算机可编程逻辑控制器(plc)(18)(或等效地，任何合适的计算或处理构件)，用于动态地调节存储容器(2)的液化区(8)内的输入气流以及因此调节压力，用于产生最佳效率。
应认识到，虽然在本文的几个描述性实施例中被描绘为不同的单元，但是压力控制机构(13)的组件可单独位于其它系统组件附近并且适于实现类似的液化过程。因此，压力控制机构(13)打算包括在系统(1)内直接附接或以其它方式共同提供的组件的集合，用于动态地控制存储容器(2)的液化区(8)内的输入气流以及因此控制压力。
如前述部分所提及，在根据图2的已知液化系统中，包含一或多个级(10、11)的冷头(9)在存储容器(2)或杜瓦瓶的颈部部分(4)中操作。与其它级(11)相比，第一级(10)最暖和并且在颈部部分(4)中离液化区(8)更远地操作。因此，气体在颈部部分(4)的温暖端进入并由冷头(9)的第一级(10)的壁、第一级(10)的最冷端预冷却，进一步由较冷级(11)的壁预冷却，并且然后在冷头(9)的最冷级(11)的最冷端冷凝。对于一级冷头(9)实施例，冷凝发生在第一级(10)的最冷端。一旦冷凝，液化气体因重力从液化区(8)向下流到存储容器(2)内部的存储部分(3)底部的槽(7)中。密闭循环制冷机的每一级(10、11)产生的冷却功率主要依据其温度来测定，但其次也取决于前一级(10、11)的温度。所述信息通常由制冷机制造商作为二维装入映射图(loadmap)供应，其绘制第一(10)和第二(11)级的功率对第一和第二级(10、11)的温度的依赖性的图。
除了在第一(10)和第二(11)级产生冷却功率之外，冷头(9)还沿其整个长度、特别是沿着第一级(10)的室温与最冷端之间的圆柱形冷指的表面、以及沿着各级(10、11)之间的圆柱形冷指的长度产生冷却功率。
根据图2的液化系统(1)还包含用于将冷压缩气体分布在冷头(9)内部的制冷压缩机(17)，其中所述气体通过压缩机软管(15、16)供应到冷头(9)并从其返回用于供应压力(15)和返回压力(16)，并且用作用于降低制冷级(10、11)的温度的制冷构件。在已知的小规模氦液化器中，供应压力通常介于1.5-2.5mpa之间，且返回压力通常介于0.3-1mpa之间。压缩机(17)内部的分布气体优选为与待液化的气体(例如氦)相同的类型。
图2的系统(1)主要供应来自气体源模块(110)的气体，优选地是从液体致冷剂使用设备回收的气体。气体源模块(110)与存储容器(2)连接并由压力控制机构(13)控制。在存储容器(2)中积聚为液体的冷蒸气的冷凝过程对应于等压过程，在此期间，任何压力扰动产生降低的液化速率。为了使气体液化系统(1)以最佳效率执行，因此需要精确地控制内部压力条件，从而在整个过程中维持所述压力条件。
旨在改良本领域已知的液化系统(1)(图2)，本发明的目的是优化气体与液化系统(1)的各种制冷元件之间的热交换，以及获得用于进一步提高通过制冷机冷头(9)获得的液化速率的其它辅助构件。为了实施所述目的，图3a和图3b图解说明了根据本发明的两个优选实施例的液化系统(1)。如先前部分中所述，本发明所提出的液化系统(1)通过从冷头(9)的最冷部分提取较小体积的所述气体而不改变其功能来利用在制冷机内部循环的已经冷却的气体。将这种已经液化的气体添加到存储容器(2)的液化区(8)中，从而提高系统(1)的平均液化速率，同时借助压力控制机构(13)、压力传感器(14)和/或plc(18)将存储容器(2)内部的压力维持为恒定值。当提及从冷头(9)提取的气体的“小体积”而不改变其功能时，应将这些在本发明的范围内解释为如下体积：不改变冷头(9)级(10、11)上压缩机(17)的制冷操作或容量、同时维持冷头(9)的最冷级(11)的温度稳定、优选地为大体上4.2k的恒定值(对于氦液化应用的情形)。
如图3a-3b中所绘示，从冷头(9)提取气体优选地通过冷头气体提取致冷流量阀(21)子系统进行，其详情在图4中示出，包含一或多个连通冷头(9)内部的气体循环回路与制冷级(10、11)的外部区的提取孔口(22)。因此，提取孔口(22)用作通过端口(23)，其容许冷头(9)内部的气体流到存储容器(2)的液化区(8)。更优选地，对于小规模制冷机冷头(9)，提取孔口(22)的典型直径为0.5-5.0mm。
通过提取孔口(22)可借助螺钉、铆钉或类似的固定构件(24)在冷头(9)的一或多个制冷级(10、11)上执行，并且其还可包含隔热密封件(25)以防止不需要的气体流过所述固定构件(24)。
为了调节流过提取孔口(22)的气体的量，每一通过端口(23)优选地包含可配置的致冷流量阀(21)。在本发明的不同实施例中，所述致冷流量阀(21)的关闭/打开配置可通过机械构件(例如牵引构件(例如，通过一或多个鲍登线(bowdencable)(26))、压缩构件(例如，通过一或多个弹簧(27))等)来操作。通过端口(23)和致冷流量阀(21)可任选地通过毛细管(28)连接。
在本发明的优选实施例中，为了将压缩机(17)内的气体压力保持为恒定值，本发明的系统(1)还包含通过气体注入阀(20)与所述压缩机(17)的气体循环回路连接的气体注入源(19)。更优选地，气体注入源(19)与压缩机回路的返回级(16)连接。使用气体注入源(19)容许压缩机(17)内的气体量恒定，从而稳定其内部压力。可由系统(1)的可编程逻辑控制器(18)执行冷头(9)内的压力条件的监测，所述控制器接收执行气体注入阀(20)的控制所需的必要数据。所有功能和程序都可使用具有特定的控制软件或连接到数字存储硬件的可编程装置(例如个人计算机或其它可编程逻辑控制器)远程或原位控制，其中存储和远程访问此类软件。
在另一一般实施例中，结合本发明所述液化系统(1)提供用于液化气体的方法。所述方法优选地包含：
(i)至少提供：
-存储容器(2)，其具有液化区(8)并且由存储部分(3)和从其延伸的颈部部分(4)界定；
-用于控制存储容器(2)的液化区(8)内的压力的压力控制机构(13)；
-至少部分安置在颈部部分(4)内的制冷机的冷头(9)，所述冷头(9)适于使包含于液化区(8)内的致冷剂从气相冷凝成液相；
-任选地，含有一定量气相致冷剂的气体源流(110)；
其中制冷机的冷头(9)包含：
-用于将冷的经压缩气相致冷剂分布在冷头(9)内部的制冷压缩机(17)，其中将所述致冷剂供应到冷头(9)并从所述冷头返回并用作用于降低冷头(9)的一或多个制冷级(10、11)的温度的制冷构件；
-一或多个提取孔口(22)，其连通冷头(9)内部的气体循环回路与制冷级(10、11)的外部区，用作通过端口(23)，所述通过端口容许冷头(9)内部的气体流到存储容器(2)的液化区(8)；
-通过气体注入阀(20)与所述压缩机(17)的气体循环回路连接的气体注入源(19)，所述气体注入阀连接到plc(18)用于控制冷头(9)内的压力。
(ii)测量并用压力控制机构(13)控制存储容器(2)的所述液化区(8)内的蒸气压力以及测量并用气体注入阀(20)控制冷头(9)内的内部压力。
(iii)利用压力控制器(13)维持存储容器(2)的所述液化区(8)内的蒸气压力、以及利用来自气体注入源(19)的气体注入阀(20)将冷头(9)内的内部压力维持在操作范围内。
(iv)任选地，利用气体源模块(110)将气体注入存储容器(2)的液化区(8)中，所述气体源模块与压力控制器(13)合作用于维持步骤(iii)期间的蒸气压力。
尽管原则上本发明容许使用任何多级制冷机冷头(9)，但是以下说明针对包含具有两个制冷级(10、11)的冷头的实施例。尽管如此，本领域技术人员应明了，其它类型的冷头(9)(装备有一个、两个或更多个制冷级(10、11))的应用可类似地实现，同时液化速率等效增加。
为了说明由本发明达成的效率提高，图5显示对于在第二制冷级(11)中执行的装备有一个3mm孔口的160升存储容器(2)的情形，根据图3b的系统(1)进行的液化测试。存储在容器(2)中的气体和在压缩机(17)回路中流动的气体是氦。所述图显示两种现有技术的操作模式，其中提取致冷流量阀(21)保持关闭，从而不容许从压缩机(17)回路向存储容器(2)注入气体。所获得的液化速率为19-20升/天。在慢速模式之间，还显示操作的“注入模式”，其中致冷流量阀(21)打开并且将来自冷头(9)内部的预冷却氦注入存储容器(2)的液化区(8)中。通过从气体源(19)进一步供应冷却介质，液化速率得到高度提高。图5中表示的数据显示液化速率显著增加，其从低于20升/天(3升/天/kw)上升到高于45升/天(7升/天/kw)，从而产生与工业液化设备等效的性能r。在整个液化过程中借助注入阀(20)以plc(18)上设定的所需值控制压缩机(17)内部压力值。以这种操作模式，如果需要，通过从气体源模块(110)向存储容器(2)进一步供应氦，维持存储容器内的恒定液化压力。在整个测试期间，存储容器内部的压力维持在107kpa，即大约大气压。