CN106062494B - 用于冷却和/或低温液化的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在低温下使工作流体冷却和/或液化的装置，该工作流体包含氦气或由纯氦气组成。该装置(1)包括一个工作回路，该工作回路配备有一个压缩机站(2)和一个蓄冷盒(3)。该压缩机站(2)包括一个或多个压缩级，该一个或多个压缩级各自使用一个或多个压缩机，该一个或多个压缩机包括刚性地连接至一个轴(25)的一个压缩机轮(12)，该轴被可旋转地安装在多个轴承(5)上。每个压缩机(12)的轴(25)经由一个齿轮机构(7)通过一个电机(4)的输出轴(6)来旋转，该齿轮机构被放置在包括润滑油(9)的一个机械壳体(8)中。所述装置的特征在于，该机械壳体(8)的内部空间包含由一种气态混合物组成的气态气氛，该气态混合物具有的平均摩尔质量小于空气的摩尔质量。
Description
本发明涉及用于低温液化/冷却的装置和方法。
本发明尤其可以涉及通过氦气来运行的一种液化方法和装置以及一种制冷方法和装置。
本发明更确切地涉及一种用于使工作流体低温液化和/或冷却的装置，该工作流体包括氦气或是由纯氦气组成的，该装置包括一个工作回路，该工作回路配备有一个压缩站并且配备有一个蓄冷盒，该压缩站包括各自使用一个或多个压缩机的一个或多个压缩级，该一个或多个压缩机包括被紧固至一个转轴上的一个压缩机叶轮，该转轴被安装成使得其可以在多个轴承上旋转，每个压缩机的转轴经由一个齿轮机构被一个电机的输出轴可旋转地驱动，该齿轮机构被容纳在包含润滑油的一个机械齿轮箱中。
在低温下(例如低于80K、尤其是在80K至4K之间)运行的制冷器或液化器常规地使用一种工作流体(例如氦气或包含氦气的混合物)，该工作流体经受包括压缩、有可能的膨胀、冷却、加热的工作循环。这些装置一般而言需要若干个级以用于压缩工作气体。每个压缩级使用一个或多个压缩机叶轮。例如，这些装置使用离心式的压缩机。
压缩氦气(或包含氦气的混合物)的压缩站需要大量的压缩级，以便补偿每个级的低压缩比(例如参见FR 2919716A1)。
具体地，每个压缩机轴也必须以相对高的速度来旋转，以便确保良好的压缩效率。
多级压缩机的总体效率取决于多个标准并且尤其取决于以下各项：
-压缩叶轮和蜗壳的效率(以增加压缩比)，
-级间冷却的效率(以限制系统两端的压降)，
-(尤其由在多个运动部分之间的摩擦造成的)机械损失。
在压缩站中在旋转部分与固定部分之间的界面处的工作气体的泄漏是不可避免的。特别是当工作气体是氦气时，在支撑这些压缩机叶轮的轴的轴承处产生了相对显著的气体泄漏。为了限制这种相对昂贵的工作气体损失，实践已知，使用多种部件(例如，抗气体形成迷宫式构件的填充物、油密封件、浮动环密封件、气体密封件等)来限制在各个压缩级的各个轴承处的泄漏。
除了这些装置增加了安装成本的事实之外，这些已知的系统不总是适用于冷却器/液化器技术。
此外，存在于压缩站的机构中的油绝不能(通过与氦气混合或者通过引入湿气和/或轻质烃)污染工作气体。确切地，被引入到工作回路中的这种杂质所带来的风险是致使在低温度下堵塞以及破坏设备。
因此，这种装置可以任选地包括如例如在文件FR 2953913A1中描述的用于回收潜在的氦气泄漏的收复系统。根据该文件，可以喷射缓冲气体以收集氦气泄漏。
因此，氦气离心式压缩机的流体紧密性采用的技术涉及通过使用缓冲气体(氮气)来隔离包含润滑油的部分。计划通过气态氦气来缓冲，以便避免任何氮气泄漏到工作气体(氦气)中。
这种技术提供了多种优点但是造成了显著的成本，因为需要将这种密封系统安装在压缩机的各个级上。
本发明的目的是减轻上文中追述的现有技术的缺点中的全部或一些缺点。
为此，根据本发明、在其他方面根据以上前序中其给出的同属定义的装置的基本上特征在于，该机械齿轮箱的内部体积包含由一种气态混合物组成的气态气氛，该气态混合物具有的平均摩尔质量低于空气的摩尔质量。
此外，本发明的一些实施例可以包括以下特征中的一项或多项：
-在该机械齿轮箱内部的气态气氛包括的氦气的摩尔比例大于空气中的氦气的(摩尔)比例，
-在该机械齿轮箱内部的气态气氛包括的氦气的摩尔比例被包括在5％至100％之间，
-在该机械齿轮箱内部的气态气氛包括主要摩尔比例的氦气，
-在该机械齿轮箱内部的气态气氛包括氦气和以下气体中的至少一种气体：氮气、氩气、该工作流体的一种或多种成分，
-该装置包括一个构件，该构件用于至少在该压缩机或这些压缩机的一个轴承处喷射缓冲气体以形成一个气体屏障，该气体屏障朝一个收集区引导从该工作回路泄漏的工作流体，该收集区的至少一部分包括该机械齿轮箱，即，包含回收的泄漏的氦气的缓冲气体被馈送到该机械齿轮箱的内部体积中，
-该装置包括用于净化该电机齿轮箱的内部气氛的一个构件，该构件经由一个第一管和一个第二管连接至所述电机齿轮箱，该第一管用于从该齿轮箱导出气体和油的混合物，该第二管用于使经净化的油返回，该净化构件包括一个出口，该出口用于收复在净化过程中收复的工作气体，
-该装置包括一个构件，该构件用于压缩由该导出管所导出的混合物，从而将压缩至预定压力的混合物供应给该净化构件，
-用于压缩来自该齿轮箱的内部气氛的气体和油的混合物的该构件包括一个油润滑机构，该油润滑机构的油与该机械齿轮箱的润滑油是相同的或者具有相同的种类，该净化构件共用于这两者，从而对该机械齿轮箱的润滑油和用于压缩由该导出管所导出的混合物的该构件的油进行净化，
-该压缩站中的压缩机中的至少一些压缩机是离心式的压缩机，
-该缓冲气体包括以下各项中的至少一项：氦气、氮气、该工作流体的一种或多种成分，
-该机械齿轮箱被密封，
-压缩来自该齿轮箱的内部气氛的气体和油的混合物的压缩构件包括润滑螺纹压缩机类型的压缩机，
-该工作回路使该工作气体经受包括以下顺序的一个循环：在该压缩站中对该工作流体的压缩、在该蓄冷盒中对该工作流体的冷却和可能的膨胀、和对该工作流体的加热以便使其返回至该压缩站，
本发明还涉及一种方法，该方法用于借助于一个制冷器/液化器来使工作流体低温液化和/或冷却，该工作流体尤其是包括氦气或由纯氦气组成的工作流体，该制冷器/液化器包括一个工作回路，该工作回路配备有一个压缩站并且配备有一个蓄冷盒，该制冷器/液化器使该工作回路中的该工作气体经受包括以下顺序的一个循环：在该压缩站中对该工作流体的压缩、在该蓄冷盒中的冷却、和对该工作流体的加热以便使其返回至该压缩站，该压缩站包括各自使用一个或多个压缩机的一个或多个压缩级，该一个或多个压缩机包括被紧固至一个转轴上的一个压缩机叶轮，该转轴被安装成使得其可以在多个轴承上旋转，每个压缩机的转轴经由一个齿轮机构被一个电机的输出轴可旋转地驱动，该齿轮机构被容纳在包含润滑油的一个机械齿轮箱中，将在该机械齿轮箱的内部体积之内的气态气氛控制成包含一种气态混合物，该气态混合物具有的平均摩尔质量低于空气的摩尔质量。
根据其他可能的特定特征：
-该方法包括至少在该压缩机或这些压缩机的一个轴承处喷射缓冲气体的一个步骤，从而形成一个气体屏障，该气体屏障朝一个收集区引导从该工作回路泄漏的工作流体，该齿轮箱的内部体积被供应有缓冲气体与所收集的泄漏的氦气的混合物。
-该方法包括净化该齿轮箱的内部气氛的一个步骤，以便将工作气体、油分离，并且将经净化的油重新喷射到该齿轮箱中，
-该方法在该净化步骤之前包括压缩该气氛的气体和油的混合物的一个步骤，
-压缩来自该齿轮箱的内部气氛的气体和油的混合物的步骤使用一个油润滑机构，该油润滑机构的油与该机械齿轮箱的润滑油是相同的或者有相同的性质，净化该机械齿轮箱的内部气氛的步骤与净化对该净化步骤上游的混合物进行压缩的压缩构件的油的步骤是共同的。
本发明还可以涉及包括以上或以下特征的任何组合的任何替代装置或方法。
进一步的特性和优点通过阅读下文中参照附图给出的说明书将变得清楚，在附图中：
-图1描绘了示意和局部视图，展示了根据本发明的制冷和/或液化装置的一个示例性实施例的结构和运行，
-图2描绘了纵向截面的示意和局部视图，展示了根据本发明的被安装在多个轴承上、包括驱动机构的压缩机叶轮的一个实例，
-图3描绘了图3的机构的一个末端的示意和局部前视图，展示了多个压缩机转轴是如何被电机驱动的，
-图4描绘了示意和局部视图，展示了根据本发明的制冷和/或液化装置的另一个示例性实施例的细节的结构和运行，展示了包含润滑油的装置的气体的净化。
在图1中局部和示意性描绘的冷却和/或液化装置在(例如4K至80K之间的)低温度下运行。这个装置优选地包含工作气体，该工作气体包含氦气或者由纯氦气组成。装置1常规地包括工作回路，该工作回路配备有压缩站2和蓄冷盒3。
工作回路18使该工作气体经受包括以下顺序的循环：在压缩站2中对工作流体的压缩、在蓄冷盒3中的冷却(和可能的膨胀)、并且对工作流体的加热以便使其返回至压缩站2。
压缩站2包括一个或多个压缩级，每个压缩级使用一个或多个压缩机12。
如在图2中示意性展示的，每个压缩机叶轮12被紧固到转轴25上，该转轴被安装成在多个轴承5上旋转。密封件17尤其被定位在转轴25的一个末端处。
每个压缩机12的转轴25常规地经由齿轮机构7被电机4的输出轴6旋转地驱动，该齿轮机构(尤其是倍速器系统)被容纳在机械齿轮箱8中。
如在图3中可见，电机的输出轴6可以驱动至少一个齿轮7的若干个压缩机12转轴25。
机械齿轮箱8被封闭并且包含油性气氛以及例如由机械运动部分设定成运动的润滑油浴9。
根据一个有利特征，机械齿轮箱8的内部体积包含由一种气态混合物组成的气态气氛，该气态混合物具有的平均摩尔质量低于空气的摩尔质量。即，代替在这个齿轮箱8中提供空气或氮气的气氛，提供的内部气体气氛具有的摩尔质量低于空气或氮气。例如，齿轮箱的内部包含预定比例的氦气。
出于优选，在机械齿轮箱8内部的气态环境包含氦气和可能的以下气体中的至少一种气体：氮气、氩气、该工作流体的一种或多种成分。在机械齿轮箱8内部的气态气氛例如包括的氦气的摩尔比例高于空气中的氦气的比例。出于优选，在机械齿轮箱8内部的气态气氛包括主要摩尔比例的氦气，有可能附加以下各项中的至少一项：氮气、氩气、空气、该工作流体的一种或多种成分。
这种气态气氛可以极大地减少对压缩机的机械损失的贡献并且因此改善装置的效率。确切地，在具有相对较低的摩尔质量的气体的气氛中，在运动部分(转轴、齿轮、齿轮组等)之间的摩擦减小。这些机械运动部分运动的速度越高，在摩擦中的这种减小越大。
可以提供低摩尔质量的气体源，以便在齿轮箱8内维持这种气氛。可以提供一个或多个传感器来监测这种气氛并且如果需要的话调整其构成。
出于优选，机械齿轮箱8因此被密封。
如在图1和图2中所展示的，装置1可以任选地包括构件10，该构件用于至少在该压缩机或这些压缩机12的一个轴承5处喷射缓冲气体以便形成气体屏障，该气体屏障朝一个收集区引导来自该工作回路的泄漏的工作流体。
此外，有利地并且尽管这不是必要的，可以使用回收的缓冲气体和工作气体的混合物来馈送到机械齿轮箱8的内部(以便形成低摩尔质量的气氛)。
的确，在这种情况下，如果在工作气体中已经存在氦气，则将这种相同的氦气气体用作缓冲气体和/或允许氦气或工作气体“泄漏”到齿轮箱8中(如已经在图2中使用箭头示意性地展示出的)是有利的。
相比之下，在转轴25上的另外的密封系统可以比在现有技术中提出的解决方案更简单。因此可以减少压缩机的总体制造成本。
出于优选，因此被发送到机械齿轮箱8中的氦气需要被收复，因为损失其将减少这种解决方案的经济效益。
为了将其实现，优选地收复和处理被传递到机械齿轮箱8中的这种氦气。因此，可以将第一油分离系统安装成限制将离开压缩机12的齿轮箱8的油量。如果没有完美地针对外部将机械齿轮箱8密封，则经回收的氦气可能包含空气的杂质。
因此必须尽可能地针对外部环境来密封(尤其是包含速度倍增机构的)机械齿轮箱8，以便避免使氦气过量损失到外部。
如在图1中示意性地展示的，因此还优选的是，提供用于净化经回收的氦气(线16)的净化系统11以便分离残余的油并且还将这种氦气净化掉其他污染物(例如：空气、水等)使得其可以被收复并且有可能将这种氦气重新喷射(线14)到工作循环中。
通常，这个机械齿轮箱的油9还被在其外部的系统管理，该系统具有储箱、泵以及喷射及调节阀。
与氦气接触的油回路将还需要限制氦气通向外部的损失。
净化系统11将优选地包含机械过滤、聚结器和/或吸收类型的常规元件，从而允许去除存在于氦气中的油蒸汽和液滴。
如在图3的实例中所展示的，第一导出管16将来自齿轮箱8的气体和油的混合物回收至净化构件111。在图3中的净化构件111可以包括“聚结器”或由之组成，从而可以通过经由线13直接返回来限制以液体形式离开齿轮箱的油量。净化构件111的另一个出口14可以包括仍需要处理蒸汽和/或其他杂质的流动。
如果这个构件111执行所有的净化任务，则经净化的油可以经由第二返回管13返回至机械齿轮箱8。在净化过程中回收的氦气例如被发送至工作回路。
如在图4中所展示的，可能必须在处理(净化)之前对与由导出管16回收的油混合的这种氦气进行压缩。为此目的，可以在净化构件11的上游提供收复压缩机15。
根据一个有利的特定特征，如果这个收复压缩机15是油压缩机类型的，则将相同的油(或化学上兼容的油)用于压缩站2的这些压缩机12的这些机械齿轮箱8并且用于收复压缩机15。如果这个收复压缩机15是润滑螺纹类型的压缩机，则需要预定的油以允许将油和氦气更好地最终分离。例如，可以使用具有低饱和蒸气压力的合成型油。
净化构件11因此可以共用于这两个压缩系统(站2的压缩机12和收复压缩机15)。
这允许装置的标准化并允许其总成本降低。
该装置和该方法因此可以简化这些轴承5的结构。装置1和其操作的成本较低。尤其改善了在机械齿轮箱8中的压缩机驱动机构的性能。
Claims (13)
1.一种用于使工作流体低温液化和/或冷却的装置，该工作流体包括氦气或是由纯氦气组成的，该装置(1)包括一个工作回路，该工作回路配备有一个压缩站(2)并且配备有一个蓄冷盒(3)，该压缩站(2)包括各自使用一个或多个压缩机的一个或多个压缩级，该一个或多个压缩机包括被紧固至一个转轴(25)的一个压缩机叶轮，该转轴被安装成使其能够在多个轴承(5)上旋转，每个压缩机(12)的转轴(25)经由一个齿轮机构(7)被一个电机(4)的输出轴(6)可旋转地驱动，该齿轮机构被容纳在包含润滑油(9)的一个机械齿轮箱(8)中，其特征在于，该机械齿轮箱(8)的内部体积包含由一种气态混合物组成的气态气氛，该气态混合物具有的平均摩尔质量低于空气的摩尔质量，在该机械齿轮箱(8)内部的气态气氛包括的氦气的摩尔比例大于空气中的氦气的摩尔比例，并且在于，该装置包括一个构件I(10)，该构件I用于至少在该压缩机或这些压缩机(12)的一个轴承(5)处喷射缓冲气体以形成一个气体屏障，该气体屏障朝一个收集区引导从该工作回路泄漏的工作流体，并且在于，该收集区的至少一部分包括该机械齿轮箱(8)，即，包含回收的泄漏的氦气的缓冲气体被馈送到该机械齿轮箱(8)的内部体积中。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括用于净化该机械齿轮箱(8)的内部气氛的一个净化构件(11)，该净化构件经由一个第一管(16)和一个第二管(13)连接至所述机械齿轮箱(8)，该第一管用于从该机械齿轮箱(8)导出气体和油的混合物，该第二管用于使经净化的油返回，该净化构件(11)包括一个出口(14)，该出口用于收复在净化过程中收复的工作气体。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在该机械齿轮箱(8)内部的气态气氛包括的氦气的摩尔比例被包括在5％至100％之间。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该机械齿轮箱(8)内部的气态气氛的主要摩尔比例为氦气的摩尔比例。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在该机械齿轮箱(8)内部的气态气氛包括氦气和以下气体中的至少一种气体：氮气、氩气。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置包括一个构件II(15)，该构件II用于压缩由该第一管(16)导出的混合物，从而将压缩至预定压力的混合物供应给该净化构件(11)。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，用于压缩来自该机械齿轮箱的内部气氛的气体和油的混合物的该构件II(15)包括一个油润滑机构，该油润滑机构的油与该机械齿轮箱(8)的润滑油(9)是相同的或者具有相同的种类，并且在于，该净化构件(11)共用于这两者，从而对该机械齿轮箱(8)的润滑油(9)和用于压缩由该第一管(16)导出的混合物的该构件II(15)的油进行净化。
8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该压缩站(2)中的压缩机中的至少一些压缩机是离心式的压缩机。
9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该缓冲气体包括以下各项中的至少一项：氦气、氮气。
10.一种方法，该方法用于借助于一个制冷器/液化器来使工作流体低温液化和/或冷却，该工作流体是包括氦气或由纯氦气组成的工作流体，该制冷器/液化器包括一个工作回路，该工作回路配备有一个压缩站(2)并且配备有一个蓄冷盒(3)，该制冷器/液化器使该工作回路中的该工作气体经受包括以下顺序的一个循环：在该压缩站(2)中对该工作流体的压缩、在该蓄冷盒(3)中的冷却、和对该工作流体的加热以便使其返回至该压缩站(2)，该压缩站(2)包括各自使用一个或多个压缩机的一个或多个压缩级，该一个或多个压缩机包括被紧固至一个转轴(25)的一个压缩机叶轮，该转轴被安装成使其能够在多个轴承(5)上旋转，每个压缩机(12)的转轴(25)经由一个齿轮机构(7)被一个电机(4)的输出轴(6)可旋转地驱动，该齿轮机构被容纳在包含润滑油(9)的一个机械齿轮箱(8)中，其特征在于，将在该机械齿轮箱(8)的内部体积之内的气态气氛控制成包含一种气态混合物，该气态混合物具有的平均摩尔质量低于空气的摩尔质量，在该机械齿轮箱(8)内部的气态气氛包括的氦气的摩尔比例大于空气中的氦气的摩尔比例，并且在于，该制冷器/液化器包括一个构件I(10)，该构件I用于至少在该压缩机或这些压缩机(12)的一个轴承(5)处喷射缓冲气体以形成一个气体屏障，该气体屏障朝一个收集区引导从该工作回路泄漏的工作流体，并且在于，该收集区的至少一部分包括该机械齿轮箱(8)，即，包含回收的泄漏的氦气的缓冲气体被馈送到该机械齿轮箱(8)的内部体积中。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法包括至少在该压缩机或这些压缩机(12)的一个轴承(5)处喷射缓冲气体的一个步骤，以便形成一个气态屏障，该气态屏障朝一个收集区引导从该工作回路泄漏的工作流体，并且在于，该机械齿轮箱(8)的内部体积被馈送有缓冲气体与所收集的泄漏的氦气的混合物。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，该方法包括净化该机械齿轮箱(8)的内部气氛的一个步骤，以便将该工作气体、该油分离，并且将经净化的油重新喷射到该机械齿轮箱(8)中。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法在该净化步骤之前包括压缩该气氛的气体和油的混合物的一个步骤。
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