CN103518109A - 低温冷却装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种低温冷却方法和装置，所述装置包括具有设置在选择性地处于真空下的第一腔室（16）中的冷头（19）的主低温冷却器（18）、设置在选择性地处于真空下的第二腔室（10）中的工作流体的贮存器（9）、设置在所述贮存器（9）中、与所述工作流体处于热交换的关系的待冷却的部件（8），所述主低温冷却器（18）的冷头（19）热连接至热交换器（17），该热交换器自身藉由形成用于所述工作流体的第一循环回路的管道（30，31）流体地连接至所述贮存器（9），所述管道（30，31）自所述第一腔室（16）通至所述第二腔室（10），其特征在于，所述第一腔室（16）和第二腔室（10）的选择性地处于真空下的容积是独立的；所述装置包括具有设置在选择性地处于真空下的第三腔室（4）中的冷头（7）的辅助低温冷却器（1），该辅助低温冷却器（1）的冷头（7）热连接至一热交换器（2），该热交换器自身藉由形成用于所述工作流体的第二循环回路的管道（130，131）流体地连接至所述贮存器（9）；以及，所述第三腔室（4）的选择性地处于真空下的容积独立于所述第一腔室（16）和第二腔室（10）的选择性地处于真空下的容积。
Description
本发明涉及一种低温冷却装置和方法。
应注意的是获得本发明的工作享有欧盟第七框架计划FP/2007-2013的在拨款协议No.241285下的基金。
本发明更具体地涉及一种低温冷却装置，包括具有设置在选择性地处于真空下的第一腔室中的冷头的主低温冷却器、设置在选择性地处于真空下的第二腔室中的工作流体的贮存器、设置在所述贮存器中、与所述工作流体处于热交换的关系的待冷却的部件，所述主低温冷却器的冷头热连接至热交换器，该热交换器自身藉由形成用于所述工作流体的第一循环回路的管道流体连接至所述贮存器，所述管道自所述第一腔室通至所述第二腔室。
专利文献US20090049862A1描述了一种利用低温冷却器以使工作流体（例如，氮）液化的制冷装置。以常规方式利用已液化工作流体将一应用/设备/装置（通常是超导电缆）冷却至很低的温度。
在敏感的电气应用中，这种类型的冷却器必须能够不被中断地操作。然而，已知的解决方案不允许以对于操作者而言简单和容易的方式维护或修复制冷装置和使对冷量的产生的影响最小化。
本发明的一个目的是消除全部或一些现有技术的上述缺陷。
为此，根据本发明的装置（所述装置在其它方面符合其在上述序言中给出的通用定义）本质上特征在于：第一腔室和第二腔室的选择性地处于真空下的容积是独立的；所述装置包括具有设置在选择性地处于真空下的第三腔室中的冷头的辅助低温冷却器，该辅助低温冷却器的冷头热连接至一热交换器，该热交换器自身藉由形成用于所述工作流体的第二循环回路的管道流体连接至所述贮存器；以及，所述第三腔室的选择性地处于真空下的容积独立于所述第一腔室和第二腔室的选择性地处于真空下的容积。
此外，本发明的一些实施例可以包括一个或多个下述特征：
-通过至少一个能选择性地移除的盖子密封所述第一腔室和第三腔室中的至少一个；
-至少一个能选择性地移除的盖子设置在所述腔室的下部使得所述盖子邻近所述冷头；
-至少一个盖子藉由固定螺钉以密封方式安装在所述腔室的主体上；
-所述装置包括环绕自所述第一腔室通至所述第二腔室的管道的真空屏障，该真空屏障将所述第一腔室的和所述第二腔室的选择性地处于真空下的容积分隔开，该真空屏障设置在连接所述第一腔室和所述第二腔室的至少一个管状部分中；
-所述装置包括环绕自所述第三腔室通至所述第二腔室的管道的真空屏障，该真空屏障将所述第三腔室的和所述第二腔室的选择性地处于真空下的容积分隔开，该真空屏障设置在连接所述第三腔室和所述第二腔室的至少一个管状部分中；
-所述低温冷却器的冷头与用作用于所述工作流体的冷凝器的热交换器关联；
-所述主低温冷却器的冷头藉由两条管道连接至所述贮存器，所述两条管道的上游端部连接至设置在所述主低温冷却器的冷头下方的密封容积，所述两条管道的下游端部藉由竖直的或基本上竖直的部分连接至所述贮存器的上端；
-所述辅助低温冷却器的冷头藉由两条管道连接至所述贮存器，所述两条管道的上游端部连接至设置在所述辅助低温冷却器的冷头下方的密封容积，所述两条管道的下游端部藉由竖直的或基本上竖直的部分连接至所述贮存器的上端；
-在操作构型中，所述主低温冷却器和所述辅助低温冷却器中的至少一个以竖直构型设置；
-所述真空屏障包括例如下述部件中的至少一个：被称为“简单锥体”系统的系统，被称为“双锥体”系统的系统；
-加热器（例如电加热器）安装在低温冷却器冷头的至少一个热交换器上；
-所述腔室处于压力在10-3和10-6mbar（毫巴）之间的真空下；
-待被冷却的所述部件包括是超导体的线圈或电缆；
-所述装置包括若干辅助低温冷却器；
-所述辅助低温冷却器或辅助低温冷却器中的一者与主低温冷却器同时处于操作中和有助于所述部件的冷却；
-所述工作流体包括以下物质中的至少一者或者由以下物质中的至少一者组成：氦、氢、氖、氮、氩、氧、甲烷、氪、氙、CnHm（碳氢化合物/烃）、铵、CFC、HCFC、HFC或任何其它流体制冷剂；
-所述流体回路可以利用缓冲容积以在所述系统处于环境温度下时限制该回路中的压力上升。
本发明还涉及一种利用具有上述或下述任一特征的低温冷却装置将一部件冷却至低温的方法，其中主低温冷却器用于冷却所述部件，第一腔室和第二腔室处于真空下，在所述主低温冷却器处于操作中时选择性地切断或接通辅助低温冷却器。
另外，本发明的一些实施例可以包括一个或多个下述特征：
-切断所述主低温冷却器，以及，在切断所述主低温冷却器的同时或者在预期切断所述主低温冷却器时，启动所述辅助低温冷却器以冷却所述部件，其中使所述第三腔室处于真空下或保持处于真空下;
-当切断一低温冷却器时，利用至少一个下述步骤将所述被切断的低温冷却器的冷头加热至环境温度：通过自发的自然加热，通过受控的主动加热，通过迫使处于环境温度下的气体循环进入所述低温冷却器的腔室或者藉由盘管或任何其它装置环绕所述交换器，通过使所述低温冷却器的容积达到大气压力；
-所述方法包括修复或维护两个低温冷却器之一、同时另一低温冷却器处于操作中并且正在冷却所述部件的步骤，所述方法包括：
-关闭希望进行修复或维护的低温冷却器或者保持其处于切断状态，
-保持希望进行修复或维护的低温冷却器处于环境温度下或者使其达到环境温度，
-打开容纳希望进行修复或维护的低温冷却器的腔室，
-拆卸希望进行修复或维护的低温冷却器，使得其能在不使所述密封容积与大气连通的情况下被更换或修复，
-维持在处于操作中的另一低温冷却器的腔室内的和在所述第二腔室内的真空。
本发明还可以涉及包括上述或下述特征的任意组合的替代装置或方法。
结合唯一附图阅读以下描述将使其它细节或优点变得显而易见，所述附图是示意性部分截面图，其示出根据本发明一个可能实施例的冷却装置的结构和操作。
参见附图，所述低温冷却装置包括主低温冷却器18，该主低温冷却器以常规方式包括冷头19。主低温冷却器18（和尤其冷头19）设置在选择性地处于真空下的第一腔室16内。冷头19例如装配有热交换器17以使工作流体液化。例如利用螺钉20将交换器17旋拧到冷头19的基底上。
在冷头19和交换器17下面，主低温冷却器18限定出用于已液化工作流体的容积21，这个容积藉由两条管道（分别是上部管道31和下部管道30）连接至用于已液化工作流体的储存器9。
已液化工作流体储存器9容纳有一待通过与所述已液化工作流体（直接或间接）交换热量被冷却的部件8。
储存器9安装在独立于第一腔室16选择性地处于真空下的第二腔室10内。这表示管道30、31通过连接第一腔室16和第二腔室10的管状部分23而自第一腔室16通至第二腔室10。
第二腔室10例如藉由基底放置在地面上，和例如借助能移除（例如利用螺钉14而能移除）的覆盖件11在顶部处密封。
第一腔室16和第二腔室10的容积中的真空例如藉由一个或多个真空屏障40来保持独立，所述真空屏障在管状连接部分23内部各自环绕管道30、31设置。
真空屏障40可以包括任何已知的系统，诸如双锥体。
根据一个有利的特征，所述装置包括例如与主低温冷却器18类型相同的辅助低温冷却器1。辅助低温冷却器1具有与上面描述的结构等同的结构。这表示辅助低温冷却器1的冷头7设置在选择性地处于真空下的第三腔室4内。如同前述，冷头7装配有用于使工作流体液化的热交换器2。利用螺钉5将交换器2旋拧到冷头7的基底上。
在冷头7和交换器下面，辅助低温冷却器1限定出用于已液化工作流体的容积121，这个容积121借助两条管道（分别是上部管道131和下部管道130）连接至同一液化工作流体储存器9。
如同前述，第二腔室10独立于第三腔室4选择性地处于真空下。管道130、131通过连接第三腔室4和第二腔室10的管状部分23自第三腔室4通至第二腔室10。
第三腔室4和第二腔室10的容积中的真空藉由一个或多个真空屏障40来保持独立，所述真空屏障在管状连接部分23内部各自环绕管道130、131设置。
这样，借助真空屏障40将腔室16、10和4彼此隔离，使得各个腔室能彼此独立地处于真空下。
当工作流体是氮，能利用所述装置保持部件8处于低温（例如100K）。
将被保持在低温下的部件8可以例如是超导体线圈、与其它导热流体处于热交换关系的热交换器，或者任何其它适合的部件。
在一种可能的操作中，待被冷却的部件8被浸入处于例如100K的温度下的液态氮的浴中。
由部件8产生的热量使所述浴9中的一些液态氮蒸发。该气态氮藉由主低温冷却器18的上部管道31向上行进。在到达主低温冷却器18的交换器17时，所述气态氮再一次液化。
为此，通过操作中的低温冷却器18将交换器17保持在略低于100K的温度下。主低温冷却器18的冷头19将热量从邻近的交换器17中提取出来。液态氮在重力作用下落入位于交换器17下面的容积21中，然后藉由下部管道30向下行进直到进入贮存器9中的浴。这个过程在用于工作流体（在这个例子中是氮）的工作回路中连续地发生。
加热器，例如电加热器（未描绘）可以安装在主低温冷却器18的冷头19的热交换器17上以调节其温度。
辅助低温冷却器1优选具有与主低温冷却器18的结构和操作相同的结构和操作。
辅助低温冷却器1优选作为备用。当主低温冷却器18处于操作中时，切断辅助低温冷却器1，该辅助低温冷却器的冷头7的温度接近周围温度。包含在交换器2、管道130、131内的工作流体处于气体状态。
作为热分层的结果，处于管道130、131内的气体形成气态热力偶塞，该热力偶塞限制了被切断的辅助低温冷却器1和贮存器9之间的热量传递。
相对地，如果主低温冷却器18故障或被切断（例如出于对主低温冷却器18进行维护的目的），那么可以例如自动地接通辅助低温冷却器1。
在已经关掉主低温冷却器18以后，它的冷头19和它的交换器17升温至周围（环境）温度。可以通过等待它们自然地升温或通过使用电加热器或通过处于环境温度下的气体的循环或通过使得第一腔室16中的压力上升至大气压力来完成这种升温。
例如利用允许腔室16内部容积和外部环境之间的选择性连通的阀（未示出）能够使第一腔室16中的压力自真空上升至大气压力。
通过至少一个隔离的和能选择性地移除的盖子15来密封第一腔室16和第三腔室4，所述盖子允许直接接近所述低温冷却器、尤其是其冷头。
例如，第一腔室16和第三腔室4机械地连接至第二腔室10，并且位于地面上方。
能移除的盖子15例如设置在第一腔室16和第三腔室4的底部上，使得该盖子邻近冷头19、7。
例如藉由固定螺钉22或任何其它适合的系统将各盖子15安装在其腔室16、4的主体上。
因此，为了接近主低温冷却器18，将盖子15移除。然后，操作者可以例如通过移除在冷头19上的固定螺钉20来拆卸交换器17。然后可将低温冷却器18的法兰12从腔室16拆卸下来（例如通过移除固定螺钉13）。然后可以取出所述低温冷却器用于更换或者维护。
然后，可以重新安装新的低温冷却器或已修复的低温冷却器。再次将法兰12安装至腔室16。重新安装将交换器17附接至冷头19的固定螺钉20。也将盖子15放回就位。
例如借助真空泵和藉由阀（它们都未被描绘）再次在第一腔室16内形成真空。
如果现在已经接替生产冷量的辅助低温冷却器1发生故障或需要维护，则可以接通已修复的或已更换的主低温冷却器18。
用于更换或实施维护其它低温冷却器的过程可以与前述过程相同。
所述低温冷却器可以例如以吉福德-麦克马洪（Gifford MacMahon）循环来操作。可以利用多层或单层型超绝缘体将低温冷却器1、18隔离。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种低温冷却装置，包括具有设置在处于真空下的第一腔室（16）中的冷头（19）的主低温冷却器（18）、设置在处于真空下的第二腔室（10）中的工作流体的贮存器（9）、设置在所述贮存器（9）中、与所述工作流体处于热交换关系的待冷却的部件（8），所述主低温冷却器（18）的冷头（19）热连接至热交换器（17），该热交换器自身藉由形成用于所述工作流体的第一循环回路的管道（30，31）流体地连接至所述贮存器（9），所述管道（30，31）自所述第一腔室（16）通至所述第二腔室（10），所述低温冷却装置的特征在于，所述第一腔室（16）和第二腔室（10）的处于真空下的容积是独立的，这表示第一和第二腔室内的真空是独立的；所述装置包括具有设置在处于真空下的第三腔室（4）中的冷头（7）的辅助低温冷却器（1），该辅助低温冷却器（1）的冷头（7）热连接至一热交换器，该热交换器自身藉由形成用于所述工作流体的第二循环回路的管道（130，131）流体地连接至所述贮存器（9）；以及，所述第三腔室（4）的处于真空下的容积独立于所述第一腔室（16）和第二腔室（10）的处于真空下的容积，这表示所述第一腔室、第二腔室和第三腔室的真空是独立的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过至少一个能选择性地移除的盖子（15）密封所述第一腔室（16）和第三腔室（4）中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，至少一个能选择性地移除的盖子（15）设置在所述腔室（16，4）的下部使得所述盖子邻近所述冷头（19，7）。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，至少一个盖子（15）藉由固定螺钉（22）以密封方式安装在所述腔室（16，4）的主体上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括环绕自所述第一腔室（16）通至所述第二腔室（10）的管道（30，31）的真空屏障（40），该真空屏障将所述第一腔室（16）的和所述第二腔室（10）的处于真空下的容积分隔开，该真空屏障（40）设置在连接所述第一腔室（16）和所述第二腔室（10）的至少一个管状部分（23）中。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括环绕自所述第三腔室（4）通至所述第二腔室（10）的管道（130，131）的真空屏障（40），该真空屏障将所述第三腔室（4）的和所述第二腔室（10）的处于真空下的容积分隔开，该真空屏障（40）设置在连接所述第三腔室（4）和所述第二腔室（10）的至少一个管状部分（23）中。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述低温冷却器（1，18）的冷头（19，7）与用作用于所述工作流体的冷凝器的热交换器（17）关联。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述主低温冷却器（18）的冷头（19）藉由两条管道（30，31）连接至所述贮存器（9），所述两条管道的上游端部连接至设置在所述主低温冷却器（18）的冷头下方的密封容积（21），所述两条管道（30，31）的下游端部藉由竖直的或基本上竖直的部分连接至所述贮存器（9）的上端。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其特征在于，所述辅助低温冷却器（1）的冷头（7）藉由两条管道（130，131）连接至所述贮存器（9），所述两条管道的上游端部连接至设置在所述辅助低温冷却器（1）的冷头（7）下方的密封容积（121），所述两条管道的下游端部藉由竖直的或基本上竖直的部分连接至所述贮存器（9）的上端。
10.一种利用根据权利要求1-9中任一项所述的低温冷却装置来将一部件（8）冷却至低温的方法，其特征在于，所述主低温冷却器（18）用于冷却所述部件（8），所述第一腔室（16）和所述第二腔室（10）处于真空下，以及在所述主低温冷却器（18）处于操作中时选择性地切断或接通所述辅助低温冷却器（1）。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，切断所述主低温冷却器（18），以及，在切断所述主低温冷却器（18）的同时或者在预期切断所述主低温冷却器（18）时，启动所述辅助低温冷却器（1）以冷却所述部件（8），其中使所述第三腔室（4）处于真空下或保持处于真空下。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，当切断一低温冷却器（18，1）时，利用至少一个下述步骤将所述被切断的低温冷却器（18，1）的冷头（19，7）加热至环境温度：
-通过自发的自然加热，
-通过受控的主动加热，
-通过迫使处于环境温度下的气体循环进入所述低温冷却器（18，1）的腔室或者藉由盘管或任何其它装置环绕所述交换器（17），
-通过使所述低温冷却器（18，1）的容积达到大气压力。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在两个低温冷却器（18，1）之一处于操作中并且正在冷却所述部件（8）的同时修复或维护另一低温冷却器（18，1）的步骤，所述方法包括：
-关闭希望进行修复或维护的低温冷却器（18，1）或者保持其处于切断状态，
-保持希望进行修复或维护的低温冷却器（18，1）处于环境温度下或者使其达到环境温度，
-打开容纳希望进行修复或维护的低温冷却器（18，1）的腔室（16，4），
-拆卸希望进行修复或维护的低温冷却器（18，1），使得其能在不使所述密封容积（21，121）与大气连通的情况下被更换或修复，
-维持在处于操作中的另一低温冷却器（1，18）的腔室内的和在所述第二腔室（10）内的真空。
Claims (13)
1.一种低温冷却装置，包括具有设置在选择性地处于真空下的第一腔室（16）中的冷头（19）的主低温冷却器（18）、设置在选择性地处于真空下的第二腔室（10）中的工作流体的贮存器（9）、设置在所述贮存器（9）中、与所述工作流体处于热交换关系的待冷却的部件（8），所述主低温冷却器（18）的冷头（19）热连接至热交换器（17），该热交换器自身藉由形成用于所述工作流体的第一循环回路的管道（30，31）流体地连接至所述贮存器（9），所述管道（30，31）自所述第一腔室（16）通至所述第二腔室（10），所述低温冷却装置的特征在于，所述第一腔室（16）和第二腔室（10）的选择性地处于真空下的容积是独立的，这表示第一和第二腔室内的真空是独立的；所述装置包括具有设置在选择性地处于真空下的第三腔室（4）中的冷头（7）的辅助低温冷却器（1），该辅助低温冷却器（1）的冷头（7）热连接至一热交换器，该热交换器自身藉由形成用于所述工作流体的第二循环回路的管道（130，131）流体地连接至所述贮存器（9）；以及，所述第三腔室（4）的选择性地处于真空下的容积独立于所述第一腔室（16）和第二腔室（10）的选择性地处于真空下的容积，这表示所述第一腔室、第二腔室和第三腔室的真空是独立的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过至少一个能选择性地移除的盖子（15）密封所述第一腔室（16）和第三腔室（4）中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，至少一个能选择性地移除的盖子（15）设置在所述腔室（16，4）的下部使得所述盖子邻近所述冷头（19，7）。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，至少一个盖子（15）藉由固定螺钉（22）以密封方式安装在所述腔室（16，4）的主体上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括环绕自所述第一腔室（16）通至所述第二腔室（10）的管道（30，31）的真空屏障（40），该真空屏障将所述第一腔室（16）的和所述第二腔室（10）的选择性地处于真空下的容积分隔开，该真空屏障（40）设置在连接所述第一腔室（16）和所述第二腔室（10）的至少一个管状部分（23）中。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括环绕自所述第三腔室（4）通至所述第二腔室（10）的管道（130，131）的真空屏障（40），该真空屏障将所述第三腔室（4）的和所述第二腔室（10）的选择性地处于真空下的容积分隔开，该真空屏障（40）设置在连接所述第三腔室（4）和所述第二腔室（10）的至少一个管状部分（23）中。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述低温冷却器（1，18）的冷头（19，7）与用作用于所述工作流体的冷凝器的热交换器（17）关联。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述主低温冷却器（18）的冷头（19）藉由两条管道（30，31）连接至所述贮存器（9），所述两条管道的上游端部连接至设置在所述主低温冷却器（18）的冷头下方的密封容积（21），所述两条管道（30，31）的下游端部藉由竖直的或基本上竖直的部分连接至所述贮存器（9）的上端。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，其特征在于，所述辅助低温冷却器（1）的冷头（7）藉由两条管道（130，131）连接至所述贮存器（9），所述两条管道的上游端部连接至设置在所述辅助低温冷却器（1）的冷头（7）下方的密封容积（121），所述两条管道的下游端部藉由竖直的或基本上竖直的部分连接至所述贮存器（9）的上端。
10.一种利用根据权利要求1-9中任一项所述的低温冷却装置来将一部件（8）冷却至低温的方法，其特征在于，所述主低温冷却器（18）用于冷却所述部件（8），所述第一腔室（16）和所述第二腔室（10）处于真空下，以及在所述主低温冷却器（18）处于操作中时选择性地切断或接通所述辅助低温冷却器（1）。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，切断所述主低温冷却器（18），以及，在切断所述主低温冷却器（18）的同时或者在预期切断所述主低温冷却器（18）时，启动所述辅助低温冷却器（1）以冷却所述部件（8），其中使所述第三腔室（4）处于真空下或保持处于真空下。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，当切断一低温冷却器（18，1）时，利用至少一个下述步骤将所述被切断的低温冷却器（18，1）的冷头（19，7）加热至环境温度：
-通过自发的自然加热，
-通过受控的主动加热，
-通过迫使处于环境温度下的气体循环进入所述低温冷却器（18，1）的腔室或者藉由盘管或任何其它装置环绕所述交换器（17），
-通过使所述低温冷却器（18，1）的容积达到大气压力。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在两个低温冷却器（18，1）之一处于操作中并且正在冷却所述部件（8）的同时修复或维护另一低温冷却器（18，1）的步骤，所述方法包括：
-关闭希望进行修复或维护的低温冷却器（18，1）或者保持其处于切断状态，
-保持希望进行修复或维护的低温冷却器（18，1）处于环境温度下或者使其达到环境温度，
-打开容纳希望进行修复或维护的低温冷却器（18，1）的腔室（16，4），
-拆卸希望进行修复或维护的低温冷却器（18，1），使得其能在不使所述密封容积（21，121）与大气连通的情况下被更换或修复，
-维持在处于操作中的另一低温冷却器（1，18）的腔室内的和在所述第二腔室（10）内的真空。
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