CN101868677A - 低温制冷方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温制冷装置，该装置用于经由穿过闭合的工作回路(200)流动的工作流体将热量从冷源(15)传递到热源(1)，所述工作回路(200)按顺序排列包括下列部分，亦即：用于基本上等温压缩流体的部分；用于基本上等压冷却流体的部分；用于使流体基本上等温膨胀的部分；和用于基本上等压加热流体的部分。工作回路(200)的压缩部分包括至少两个串联设置的压缩机(7、5、3)，工作回路(200)的膨胀部分包括至少一个透平膨胀机(9、11、13)，所述压缩机(7、5、3)和透平膨胀机(9、11、13)由至少一个高速电机(70)驱动，所述高速电机包括输出轴。输出轴的一端通过直接耦合支承和旋转第一压缩机(7、5、3)，而输出轴的另一端通过直接耦合支承和旋转第二压缩机(7、5、3)或透平膨胀机(9、11、13)。

Description

低温制冷方法和装置
本发明涉及低温制冷装置和方法。
更具体地说，本发明涉及用于通过在闭合的工作回路中流动的工作流体将热量从冷源传递到热源的低温制冷装置，上述工作回路按顺序排列包括：压缩部分、冷却部分、膨胀部分和加热部分。
冷源可以是例如用于冷却的液氮，而热源可以是水或空气。
已知的用于冷却超导体元件的制冷机一般采用逆布雷顿循环。这些已知的制冷机使用有润滑的回转式螺杆压缩机、逆流板式热交换器和透平膨胀机。
这些已知的制冷机有许多缺点，包括：
-循环的能效低，并因此制冷机的能效低，
-用油来冷却和润滑压缩机，这样产生在压缩之后给工作气体脱油的问题，
-在电机和压缩机之间使用旋转式密封，
-压缩机的等温压缩效率低，
-维修作业频繁。
专利文献US-3494145介绍了一种制冷系统，该制冷系统通过齿轮传动装置而使用联轴器，所述齿轮传动装置需要油润滑式轴承。这类装置使用旋转式密封，如工作气体和齿轮箱与油轴承之间的机械密封。这种构造增加了工作气体泄漏和油潜在污染工作气体的危险。该系统也与低速电机有关。
专利文献US-4984432介绍了一种制冷系统，该制冷系统使用一些压缩机或液体密封式透平机，所述压缩机或透平机由使用传统轴承例如球轴承的一低速电机操纵。该技术与容积式压缩机和透平机有关。
本发明的目的是克服上述现有技术的所有或一部分缺点。
为此，本发明提出一种低温制冷装置，该低温制冷装置用于通过流过闭合的工作回路的工作流体将热量从冷源传递到热源，工作回路按顺序依次包括：用于基本上等温压缩流体的部分，用于基本上等压冷却流体的部分，用于使流体基本上等温膨胀的部分，和用于基本上等压加热流体的部分，工作回路的压缩部分包括至少两个串联设置的压缩机和至少一个热交换器，所述热交换器设置在每个压缩机的出口处，用于冷却经过压缩的流体，工作回路的膨胀部分包括至少一个透平膨胀机和至少一个热交换器，所述热交换器用于加热经过膨胀的流体，所述压缩机和透平膨胀机由至少一个高速电机驱动，所述高速电机包括输出轴，所述输出轴一端通过直接耦合(coupling)支承和旋转第一压缩机，而其另一端通过直接耦合支承和旋转第二压缩机或透平膨胀机。
一些实施例用来得到没有油污染和没有接触的系统。这是由于本发明的各离心式压缩机、向心式透平机和轴承的组合减少或消除了与固定部件和旋转部件的任何接触。这用来避免任何泄漏的危险。整个系统实际上是密封的，且不包括任何相对于大气的旋转式密封(如机械密封或干面密封(dry face seal))。
另外，本发明的实施例可以包括下列特征中的一个或多个：
-压缩机属于离心式压缩类型，
-透平膨胀机属于向心式膨胀类型，
-电机的输出轴安装在磁性轴承或动态气体轴承上，所述轴承用来支承压缩机和透平机，
-冷却部分和加热部分包括共用热交换器，工作流体根据它是被冷却还是被加热逆流流过所述共用热交换器，
-工作回路包括形成用于工作流体的缓存室的体积，
-工作流体处于气相，且包括选自下列气体的一种纯气体或若干纯气体的混合物：氦、氖、氮、氧、氩、一氧化碳、甲烷、或任何其它在冷源的温度下具有气相的流体。
本发明还提出一种低温制冷方法，该方法用于经由穿过闭合的工作回路流动的工作流体将热量从冷源传递到热源，工作回路按顺序依次包括：压缩部分，该压缩部分包括至少两个串联设置的压缩机；流体冷却部分；膨胀部分，该膨胀部分包括至少一个透平膨胀机；和加热部分，该方法包括工作循环，该工作循环包括以下阶段：第一阶段，该第一阶段通过在压缩机的出口处将经过压缩的流体冷却而在压缩部分中基本上等温压缩流体；第二阶段，该第二阶段在冷却部分中基本上等压冷却流体；第三阶段，该第三阶段通过在透平机出口处将经过膨胀的流体加热而在膨胀部分中使流体基本上等温膨胀；和第四阶段，该第四阶段基本上等压加热已与冷源换热的流体，流体工作循环(温度T，熵S)属于逆Ericsson类型。
此外，本发明的实施例可以包括下列特征中的一个或多个：
-在基本上等温压缩的第一阶段期间，经过压缩的流体在每个压缩机的出口处被冷却，以使每个压缩机的入口和出口处的流体温度保持基本上相等，优选地在约10K范围内，
-在基本上等温膨胀的第三阶段期间，经过膨胀的流体在每个透平机的出口处被冷却，以使在每个透平机的入口和出口处的流体温度保持基本上相等，优选地在5K范围内，
-压缩机和透平膨胀机由至少一个高速电机驱动，所述高速电机包括输出轴，所述输出轴一端通过直接耦合支承和旋转第一压缩机，而其另一端通过直接耦合支承和旋转第二压缩机或透平膨胀机，所述方法包括通过输出轴将透平机的机械功的一部分传递到压缩机的步骤，
-在第二冷却步骤完成时，工作流体被冷却到约60K的低温，工作回路包括的压缩机数量大约是透平膨胀机数量的三倍，
-工作流体用来冷却超导体元件或将冷的超导体元件保持在约65K的温度下，
-构成冷源的流体的温降基本上与热交换器中工作气体的温升相同。
本发明可以具有下列优点中的一个或多个：
-工作流体循环(逆Ericsson类型)用来得到比已知系统更高的效率，但不一定产生或增加其它缺点，
-透平机中的膨胀功能有利地被利用，
-能消除用油润滑或冷却，因此消除了压缩机下游的脱油设备，且还消除了废油处理和再循环作业，
-系统只需少量移动部件，因此使系统更简单并增加了系统的可靠性。由于本发明，压缩机能无需具有增速齿轮或万向接头等类型的机械动力传动而运转，
-维修作业减少或甚至实际上不存在，
-系统用来避免旋转式密封和使用与外部完全密封的系统。这防止了工作循环气体的任何损失或污染，
-与已知系统相比，制冷机的尺寸可以减小。
另一些特点和优点从阅读下面结合附图所提供的说明将变得显而易见，其中：
-图1是本发明的制冷装置的第一示例性实施例的结构和运行的示意图，
-图2示意性地示出图1的细节，示出了压缩机-压缩机或压缩机-透平机组件的驱动电机的布局，
-图3示意性地示出图1中制冷机的工作流体的工作循环的例子，
-图4是本发明的制冷机的第二示例性实施例的结构和运行的示意图，
-图5示意性地示出图3中制冷机的工作流体的工作循环的第二个例子。
参见图1中的示例性实施例，本发明的制冷机适合于将热量从低温下的冷源15传递到例如在环境温度下的热源1。
冷源15可以例如是用于冷却的液氮，而热源1可以是水或空气。为了实施这种热传递，图1中所示的制冷机使用工作气体的工作回路200，该工作回路200包括下面所列举的部件。
回路200包括多个离心式压缩机3、5、7，该多个离心式压缩机3、5、7串联设置，并在环境温度下运行。
回路200包括多个热交换器2、4、6，该多个热交换器2、4、6在环境温度下运行，分别设置在压缩机3、5、7的出口处。在每个压缩级的入口和出口处(亦即在每个压缩机3、5、7的入口和出口处)工作气体的温度通过热交换器保持在基本上同等的水平下(参见图3中区域A，图3示出了气体工作循环：温度(以K为单位)随熵S(以J/kg为单位)而变化)。在图3中，锯齿形的区域A中每个上升部分对应于一个压缩级，而该区域A的每个下降部分对应于通过热交换器冷却。
这种布局用来实现等温压缩。每个压缩级的入口温度和出口温度基本上相同。
热交换器2、4、6可以是不同的或者可以由与热源1热交换的同一热交换器的不同部分组成。
制冷机包括多个高速电机(参见图2的标号70)。在本发明的范围内，高速电机通常意指其旋转速度可供直接与离心式压缩级或向心式膨胀级耦合的电机。高速电机70优选地使用磁性轴承或动态气体轴承171(图2)。高速电机通常以10000rpm(转/分)或数万rpm的速度旋转。低速电机以几千rpm的速度旋转。
在包括若干串联的压缩机的压缩部分的下游，制冷机包括热交换器8，该热交换器8优选地是逆流板式热交换器，它将在环境温度下的元件(在图1所示的工作回路200的上部)与低温下的元件(在工作回路200的下部)分开。流体被冷却(对应于图3中区域D)。气体从环境温度冷却到低温是通过与低温下的同样的工作气体逆流交换实现的，该低温下的同样的工作气体在与冷源15热交换之后从膨胀部分中产生。
在包括板式热交换器8的这个冷却部分的下游，回路包括一个或多个串联设置的透平膨胀机9、11、13，所述透平膨胀机9、11、13优选为向心式的。透平机9、11、13在低温下运行，通过设置在透平机出口处的一个或多个低温热交换器10、12、14，每个膨胀级(透平机入口和出口)的入口温度和出口温度保持基本上相同。这对应于图3中的区域C，区域C的每个下降部分对应于一个膨胀级，而该区域的上升部分对应于在热交换器10、12、14中加热。这种布局用来实现等温膨胀。每个膨胀级的入口温度和出口温度基本上相同。另外，为了增加制冷机的效率，在热交换器(10、12、14)中工作气体温度的增加可以与待冷却的流体(15)(冷源)的温度下降基本上相同(按绝对值计)。
这些加热式热交换器10、12、14可以是不同的热交换器，或者可以由与冷源15交换热量的同一热交换器的不同部分组成。
在膨胀和与冷源15热交换部分的下游，工作流体再次与板式热交换器8交换热量(图3中区域B)。流体在热交换器8中与其在压缩部分之后的通过(该热交换器)相反地/逆流地交换热量。在加热之后，流体返回压缩部分并能重复其循环。
回路还可以包括一环境温度下的工作气体室(为简化起见未示出)，以便例如在制冷机停机期间限制回路中的压力。
制冷机优选地使用在闭合回路中流动的气相流体作为工作流体。这包括例如一种纯气体或多种纯气体的混合物。用于该技术的最合适气体尤其是：氦、氖、氮、氧和氩。一氧化碳和甲烷也可以使用。
制冷机如此设计和运行，以便得到一种接近/近似逆向Ericsson循环的流体工作循环。这意味着：等温压缩、等压冷却、等温膨胀和等压加热。
按照有利的特点，为了至少驱动压缩机3、5、7(也就是说驱动压缩机叶轮)，制冷机使用多个高速电机70。
如图2中示意性示出的，每个高速电机70都在其输出轴的一端上容纳一压缩机叶轮31、而在其输出轴的另一端上容纳另一个压缩机叶轮或透平机叶轮9。这种布局提供许多优点。这种配置可使电机70和压缩机3、5、7的叶轮之间或电机70和透平机9、11、13的叶轮之间在制冷机中直接耦合。这使得无需用增速齿轮传动装置或减速器(因而限制了所需的移动部件数量)。这种配置还可利用透平机9、11、13的机械功，并因此能增加制冷机的总能效。按照这种配置，制冷机在无油情况下运行，因而保证了工作气体的纯度和省去脱油作业。
高速电机的数量主要取决于制冷机所需的能效。该效率越高，则高速电机的数量越多。
压缩级(压缩机)数与膨胀级(透平机)数之间的比例取决于目标冷却温度。例如，对冷源是在273K温度下的制冷机来说，压缩级数基本上等于膨胀级数。而对冷源是在65K温度下的制冷机来说，压缩级数约是膨胀级数的3倍。
图4示出另一个实施例，该实施例能例如用来将超导电缆冷却或使其温度保持在约65K的低温下。对于该温度水平，压缩级(压缩机)数必须是膨胀级(透平机)数的约三倍。这能用几种可能的配置得到。例如，三个压缩机和一个透平机或六个压缩机和两个透平机。
单元数的选择取决于所需的能效。因此，利用三个压缩机和一个透平机的解决方案与利用六个压缩机和两个透平机的解决方案相比，具有较低的能效。
在图4的实施例中，制冷机包括六个压缩机101、102、103、104、105、106和两个透平机116、111以及四个高速电机107、112、114、109。前两个压缩机101、102(亦即压缩机叶轮)分别安装在第一高速电机107的两端处。随后的两个压缩机103、104分别安装在第二高速电机112的两端上。随后的压缩机105和透平机116(亦即透平机叶轮)分别安装在第三高速电机114的两端上。最后，最后一个透平机111和第六压缩机106分别安装在第四电机109的两端上。
工作气体在闭合环路中循环期间的路线说明如下：
在第一阶段，气体通过依次穿过六个串联的压缩机101、102、103、104、105、106而逐渐地被压缩。
在每个压缩级完成时(在每个压缩机的出口处)，工作气体在相应的热交换器108中被冷却(例如通过与空气或水热交换)以实现等温压缩。在该压缩部分之后，气体通过逆流板式热交换器103等压冷却。在该冷却部分之后，冷却气体在两个串联的向心式透平机116、111中逐渐地膨胀。在每个膨胀级之后，工作气体在热交换器110中通过热交换(例如通过与冷源热交换)被加热，以便得到基本上等温的膨胀。在该等温膨胀完成后，工作气体在热交换器113中被加热，然后能通过压缩作用开始新的循环。
图5示出了图5中的制冷机的工作流体的循环(温度T和熵S)。如上述图3一样，在压缩区域A中能区分六个锯齿，该六个锯齿对应于六个连续的压缩和冷却。在膨胀区域C中可识别两个锯齿，它们对应于两个连续的膨胀和加热。
本发明在能效、可靠性和尺寸方面改善了低温制冷机。本发明减少了维修作业量和消除了油的使用。
很显然，电机的输出轴的一端或两端能直接驱动一个以上的叶轮(亦即多个压缩机或多个透平机)。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种低温制冷装置，用于经由穿过闭合的工作回路(200)流动的工作流体将热量从冷源(15)传递到热源(1)，所述工作回路(200)按顺序排列包括：用于基本上等温压缩流体的部分；用于基本上等压冷却流体的部分；用于使流体基本上等温膨胀的部分；和用于基本上等压加热流体的部分，工作回路(200)的压缩部分包括至少两个串联设置的压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)和至少一个热交换器(6、4、2、108)，所述热交换器(6、4、2、108)设置在每个压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)的出口处，用于冷却经过压缩的流体，工作回路(200)的膨胀部分包括至少一个透平膨胀机(9、11、13、116、111)和至少一个热交换器(10、12、14、110)，所述热交换器(10、12、14、110)用于加热经过膨胀的流体，其特征在于：所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)和所述透平膨胀机(9、11、13)由至少一个高速电机(70、107、112、114、109)驱动，所述高速电机(70、107、112、114、109)包括输出轴，所述输出轴一端通过直接耦合支承和旋转第一压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)，而其另一端通过直接耦合支承和旋转第二压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)或透平膨胀机(9、11、13、116、111)；所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)属于离心式压缩类型；所述透平膨胀机(9、11、13、116、111)属于向心式膨胀类型；所述电机(70、107、112、114、109)的输出轴(71)安装在磁性轴承或动态气体轴承(171)上，所述轴承(171)用来支承所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)和所述透平机(9、11、13、116、111)；所述冷却部分和加热部分包括共用热交换器(8、113)，所述工作流体根据它是被冷却还是被加热逆流流过所述共用热交换器(8、113)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作回路包括形成用于所述工作流体的缓存室的体积。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述工作流体处于气相，并包括选自下列气体的一种纯气体或多种纯气体的混合物：氦、氖、氮、氧、氩、一氧化碳、甲烷、或任何其它在冷源的温度下具有气相的流体。
4.如权利要求1-3其中之一所述的装置，其特征在于，压缩级数高于膨胀级数。
5.如权利要求1-4其中之一所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个电机(70、107、112、114、109)，该电机输出轴的至少一端通过直接耦合使至少两个叶轮(压缩机叶轮和/或透平机叶轮)旋转。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个电机，该电机输出轴的一端通过直接耦合使两个压缩机叶轮旋转，而输出轴的另一端通过直接耦合使透平机叶轮旋转。
7.一种低温制冷方法，该方法用于经由穿过闭合的工作回路(200)流动的工作流体将热量从冷源(15)传递到热源(1)，所述工作回路(200)按顺序排列包括：压缩部分，该压缩部分包括至少两个串联设置的压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)；流体冷却部分；膨胀部分，该膨胀部分包括至少一个透平膨胀机(9、11、13、116、111)；和加热部分，所述方法包括一工作循环，所述工作循环包括第一阶段，第二阶段，第三阶段，和第四阶段，所述第一阶段通过在所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)的出口处冷却经过压缩的流体从而在压缩部分中基本上等温压缩流体，所述第二阶段在冷却部分中基本上等压冷却流体，所述第三阶段通过在透平机出口处加热经过膨胀的流体从而在膨胀部分中使流体基本上等温膨胀，而所述第四阶段基本上等压加热已与冷源(15)换热的流体，流体工作循环(温度T，熵S)属于逆Ericsson类型，在基本上等温压缩的第一阶段期间，经过压缩的流体在每个压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)的出口处被冷却，以便使在每个压缩机的入口和出口处的流体温度保持基本上相等，优选地在约10K范围内，在基本上等温膨胀的第三阶段期间，经过膨胀的流体在每个透平机(9、11、13、116、111)的出口处被冷却，以便使在每个透平机(9、11、13、116、111)的入口和出口处的流体温度保持基本上相等，优选地在约5K范围内，其特征在于：所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)和所述透平膨胀机(9、11、13、116、111)由至少一个高速电机(70、107、112、114、109)驱动，所述高速电机(70、107、112、114、109)包括输出轴，所述输出轴一端通过直接耦合支承和旋转第一压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)，而其另一端通过直接耦合支承和旋转第二压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)或透平膨胀机(9、11、13、116、111)；所述方法包括通过输出轴(71)将透平机(9、11、13、116、111)的一部分机械功传递到压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)上的步骤；所述电机(70、107、112、114、109)的输出轴(71)安装在磁性轴承或动态气体轴承(171)上，所述轴承(171)用来支承所述压缩机和透平机；所述冷却部分和加热部分包括共用热交换器(8、113)，所述工作流体根据它是被冷却还是被加热逆流流过所述共用热交换器(8、113)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在完成第二冷却步骤时，将所述工作流体冷却到约60K的低温，所述工作回路(200)包括的压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)的数量是透平膨胀机(9、11、13、116、111)的数量的三倍。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述工作流体用来冷却超导体元件或将冷超导体元件保持在约65K的温度下。
10.如权利要求7-9其中之一所述的方法，其特征在于，构成冷源(15)的流体的温降基本上与所述工作气体在所述工作回路(200)的热交换器(110、10、12、14)中的温升相同。

Claims (11)

1.一种低温制冷装置，用于经由穿过闭合的工作回路(200)流动的工作流体将热量从冷源(15)传递到热源(1)，所述工作回路(200)按顺序排列包括：用于基本上等温压缩流体的部分；用于基本上等压冷却流体的部分；用于使流体基本上等温膨胀的部分；和用于基本上等压加热流体的部分，工作回路(200)的压缩部分包括至少两个串联设置的压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)和至少一个热交换器(6、4、2、108)，所述热交换器(6、4、2、108)设置在每个压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)的出口处，用于冷却经过压缩的流体，工作回路(200)的膨胀部分包括至少一个透平膨胀机(9、11、13、116、111)和至少一个热交换器(10、12、14、110)，所述热交换器(10、12、14、110)用于加热经过膨胀的流体，其特征在于：所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)和所述透平膨胀机(9、11、13)由至少一个高速电机(70、107、112、114、109)驱动，所述高速电机(70、107、112、114、109)包括输出轴，所述输出轴一端通过直接耦合支承和旋转第一压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)，而其另一端通过直接耦合支承和旋转第二压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)或透平膨胀机(9、11、13、116、111)；所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)属于离心式压缩类型；所述透平膨胀机(9、11、13、116、111)属于向心式膨胀类型；并且所述电机(70、107、112、114、109)的输出轴(71)安装在磁性轴承或动态气体轴承(171)上，所述轴承(171)用来支承所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)和所述透平机(9、11、13、116、111)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却部分和加热部分包括共用热交换器(8、113)，所述工作流体根据它是被冷却还是被加热逆流流过所述共用热交换器(8、113)。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述工作回路包括形成用于所述工作流体的缓存室的体积。
4.如权利要求1-3其中之一所述的装置，其特征在于，所述工作流体处于气相，并包括选自下列气体的一种纯气体或多种纯气体的混合物：氦、氖、氮、氧、氩、一氧化碳、甲烷、或任何其它在冷源的温度下具有气相的流体。
5.如权利要求1-4其中之一所述的装置，其特征在于，压缩级数高于膨胀级数。
6.如权利要求1-5其中之一所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个电机(70、107、112、114、109)，该电机输出轴的至少一端通过直接耦合使至少两个叶轮(压缩机叶轮和/或透平机叶轮)旋转。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个电机，该电机输出轴的一端通过直接耦合使两个压缩机叶轮旋转，而输出轴的另一端通过直接耦合使透平机叶轮旋转。
8.一种低温制冷方法，该方法用于经由穿过闭合的工作回路(200)流动的工作流体将热量从冷源(15)传递到热源(1)，所述工作回路(200)按顺序排列包括：压缩部分，该压缩部分包括至少两个串联设置的压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)；流体冷却部分；膨胀部分，该膨胀部分包括至少一个透平膨胀机(9、11、13、116、111)；和加热部分，所述方法包括一工作循环，所述工作循环包括第一阶段，第二阶段，第三阶段，和第四阶段，所述第一阶段通过在所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)的出口处冷却经过压缩的流体从而在压缩部分中基本上等温压缩流体，所述第二阶段在冷却部分中基本上等压冷却流体，所述第三阶段通过在透平机出口处加热经过膨胀的流体从而在膨胀部分中使流体基本上等温膨胀，而所述第四阶段基本上等压加热已与冷源(15)换热的流体，流体工作循环(温度T，熵S)属于逆Ericsson类型，在基本上等温压缩的第一阶段期间，经过压缩的流体在每个压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)的出口处被冷却，以便使在每个压缩机的入口和出口处的流体温度保持基本上相等，优选地在约10K范围内，在基本上等温膨胀的第三阶段期间，经过膨胀的流体在每个透平机(9、11、13、116、111)的出口处被冷却，以便使在每个透平机(9、11、13、116、111)的入口和出口处的流体温度保持基本上相等，优选地在约5K范围内，其特征在于：所述压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)和所述透平膨胀机(9、11、13、116、111)由至少一个高速电机(70、107、112、114、109)驱动，所述高速电机(70、107、112、114、109)包括输出轴，所述输出轴一端通过直接耦合支承和旋转第一压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)，而其另一端通过直接耦合支承和旋转第二压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)或透平膨胀机(9、11、13、116、111)；所述方法包括通过输出轴(71)将透平机(9、11、13、116、111)的一部分机械功传递到压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)上的步骤；以及所述电机(70、107、112、114、109)的输出轴(71)安装在磁性轴承或动态气体轴承(171)上，所述轴承(171)用来支承所述压缩机和透平机。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在完成第二冷却步骤时，将所述工作流体冷却到约60K的低温，所述工作回路(200)包括的压缩机(7、5、3、101、102、103、104、105、106)的数量是透平膨胀机(9、11、13、116、111)的数量的三倍。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述工作流体用来冷却超导体元件或将冷超导体元件保持在约65K的温度下。
11.如权利要求8-10其中之一所述的方法，其特征在于，构成冷源(15)的流体的温降基本上与所述工作气体在所述工作回路(200)的热交换器(110、10、12、14)中的温升相同。
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