CN111788438A - 工艺介质的低温制冷 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工艺介质的低温制冷的低温制冷系统和方法。具体地，本发明涉及一种用于减少该系统中的

损的逆流热交换器配置和压力调节器布置。因此，提出了一种低温制冷系统，该低温制冷系统包括：导管(2)，该导管被配置为提供工艺介质的供应流(10)；逆流热交换器(3)，该逆流热交换器热耦接到导管(2)的热交换器区段(2A)并且包括在热交换器(3)的冷端(30)处的入口(34)以及在热交换器(3)的热端(32)处的出口(36)；第一压力调节器(4)，该第一压力调节器与导管(2)流体连通并且布置在热交换器区段(2A)的下游；和容器(5)，该容器与导管(2)流体连通并且布置在第一压力调节器(4)的下游，其中容器(5)与热交换器(3)的入口(34)流体连通并且被配置为将来自工艺介质的蒸发气体流提供给热交换器(3)的入口(34)。此外，导管(2)在导管(2)的热交换器区段(2A)的上游没有任何蒸发热交换器。

Description

工艺介质的低温制冷

技术领域

本发明涉及一种用于工艺介质的低温制冷的系统和方法。具体地，本发明涉及一种用于减少所述系统中的

损的逆流热交换器配置和压力调节器布置。

技术背景

在大气压下提供低于工艺介质的饱和温度的等温负载的制冷设备通常是通过被配置为蒸发器的逆流热交换器使供应流过冷来实现的。例如，对于氦，可提供低于4.4K的负载，而通常提供高于大气压的供应流。在蒸发器热交换器中，来自供应流的高于大气压(例如，介于1.05巴和1.50巴之间)的一部分液相被供应给涡轮、控制阀或类似的膨胀装置，并且进入热交换器并部分蒸发，其中蒸发气体以较热的温度水平被释放到热交换器中，并且液体被再循环，即离开蒸发器热交换器的液相在其入口处重新进入蒸发的热交换器。因此，当使用氦作为工艺介质时，可提供例如介于4.26K和4.67K之间的液相温度，而供应流的温度介于4.3K和4.7K之间。供应流然后可在另一下游逆流热交换器中被进一步冷却。

尽管蒸发器热交换器的实施方式可提供对供应流的预冷却，但这种实施方式有几个缺点。例如，由于涡轮和热交换器效率低下，会产生

损。这种

损可能会导致在典型的氦制冷冷箱中引起超过95％的不可逆性。此外，制冷循环包括大的温度因子，例如对于氦为300K和1.0K至4.4K，使得存在对

优化的需求以提高系统的效率，例如卡诺效率(Carnotefficiency)，从而减少对工艺的功率输入。

此外，蒸发器热交换器需要在大气压水平下再循环闪蒸气体和蒸发气体，并且还需要相分离器，在氦的情况下两者都处于4.5K的水平。因此，当使用蒸发器热交换器时，需要缩减当前所需的设备数量和尺寸。

另外，工艺介质在低于转换温度的各种压力下的不同热容量会在系统的热端处(即，离开系统的工艺介质与进入系统的工艺介质的供应流之间)产生相对较高的温度差。这种温度差通常会导致系统中的不可逆性。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少上述问题的改进的低温制冷系统以及相应的低温制冷方法。

该目的通过包括权利要求1的特征的低温制冷系统以及包括权利要求12的特征的低温制冷方法来实现。优选的实施方案在从属权利要求中提供并且通过说明书和附图提供。

因此，在第一方面，提出了一种低温制冷系统，该低温制冷系统包括：导管，该导管被配置为提供工艺介质的供应流；以及逆流热交换器，该逆流热交换器热耦接到导管的热交换器区段。热交换器包括在热交换器的冷端处的入口以及在热交换器的热端处的出口。系统还包括：第一压力调节器，该第一压力调节器与导管流体连通并且布置在热交换器区段的下游；和容器，该容器与导管流体连通并且布置在第一压力调节器的下游。容器与热交换器的入口流体连通并且被配置为将来自工艺介质的蒸发气体流提供给热交换器的入口。导管在导管的热交换器区段的上游没有任何蒸发热交换器。

因此，通过提供包括具有低比焓的蒸发气体流的冷逆流热交换器，系统不需要蒸发器来预冷却供应流。这在使用氦时是特别有利的，使得系统不需要4.5K水平的蒸发热交换器和相分离器，此外，不会发生闪蒸气体或蒸发氦气在大气压下的再循环。另外，可提供较小的设备，诸如压缩机和热交换器，使得可减少系统的尺寸。

因此，热交换器的冷端与经由入口进入热交换器之前具有较低温度和潜热的蒸发气体以及热交换器区段的直接下游的导管中的工艺介质的温度两者相关。在本文的上下文中，术语“下游”是指在导管中提供的供应流，并且与供应流初始进入系统有关。因此，供应流进入系统发生在热交换器区段的上游。热交换器区段可仅包括导管的一部分，其中布置在热交换器区段上游的导管部分以及布置在热交换器区段下游和第一压力调节器上游的导管部分平行布置并且分别邻近热交换器的出口和内，以进一步提高传热效率。然而，热交换器区段和热交换器也可被配置为使得热交换器区段基本上形成导管，例如，各种特征之间的流体耦接件的大小和尺寸被最小化。

同样，热交换器的热端与离开热交换器并已从工艺介质吸收热量的蒸发气体有关，因此可被认为相对于热交换器的冷端处的蒸发气体包括更热的温度和/或增加的潜热。变热的蒸发气体然后可作为废气经由热交换器的热端处的出口离开系统。例如，废气可被直接释放到大气中，也可被保留在系统中以用于其他目的和应用。

优选地，热交换器被配置为在低温制冷系统的正常操作期间提供热交换器的夹点处的蒸发气体相对于热交换器的夹点处的供应流的工艺介质的温度因子，所述温度因子大于0.9。优选地，所述温度因子大于0.98，使得热交换器的夹点处的蒸发气体相对于热交换器的夹点处的供应流的工艺介质之间的温度差最小和/或可忽略不计，从而不影响系统。

这种温度因子是可能的，因为系统不需要上游蒸发热交换器，该上游蒸发热交换器通常在工艺介质通过固定在例如对于氦为约4.6K的蒸发热交换器之后提供工艺介质的温度，其中冷端和热端处的稳态工艺中的质量流通常相等且恒定。相比之下，冷逆流热交换器可在具有增大的热容量的热交换器的热端处以较高的温度水平提供供应流和蒸发气体，使得可使温度差最小化。

逆流热交换器的上述温度因子FT可以用热交换器的夹点处(因此为冷流和热流的温度差最小的地方)冷流的温度T_c(x)(其中0≤x≤L)和热流的温度T_w(x)来表示。

另选地或另外，热交换器包括NTU(传热单元数)，该NTU被配置为在低温制冷系统的正常操作期间使蒸发气体的温度与热交换器的热端处的工艺介质的温度匹配。

包括所需NTU的热交换器的实施方式至少具有以下优点：可在热力学上优化系统，同时不需要或不需要知道某些变量，例如热交换器参数和边界条件。因此，NTU配置提供了LMTD配置的替代方案，以提供热有效的低温制冷系统。

术语“匹配”在这里应理解为与所述温度基本上匹配，因此还包括最小差异，例如最多0.05K。例如，热交换器的面积(例如，传热面积)或热交换器的长度的大小和尺寸可被设定成提供相应的温度范围，其中工艺介质的各种温度下的至少质量流和热容量值被认为是已知的。

NTU可由热交换器的传热面积、优选地由热交换器的长度提供。为了提供较大的传热面积，热交换器优选地具有管形状、盘绕形状和/或板翅形状，并且至少部分地围绕导管的圆周。这具有以下优点：提供了较大的接触表面，并且可通过增加热交换器的长度来容易地增加面积。例如，热交换器可完全包围导管的圆周，其中在热交换器的热端与冷端之间延伸的热交换器的纵向轴线可与导管的纵向轴线重合，例如与工艺介质的流动方向重合。然而，相反，也可提供非对称的布置，其中导管的纵向轴线例如以相对于所述轴线的横向布置与热交换器的纵向轴线间隔开。优选地，热交换器可被配置为板翅式热交换器，例如用于较大的系统或设备，或被配置为盘翅管式热交换器，例如用于较小的系统或设备。

在系统的初始启动期间，通常需要使温度和压力正常化以提供稳定状态，即正常操作。通过匹配或最小化热交换器的热端处工艺介质与蒸发气体或废气的温度差，可在正常操作期间减少

损。这样，同样减少了系统中不可逆性的发生和输入工艺的功率。此外，通过提供具有所需NTU配置的冷逆流热交换器，系统不需要蒸发器来预冷却供应流。这在使用液氦时是特别有利的，使得系统不需要4.5K水平的蒸发热交换器和相分离器，此外，不会发生闪蒸气体或蒸发氦气在大气压下的再循环。另外，可提供较小的设备，诸如压缩机和热交换器，使得可减少系统的尺寸。

热交换器的传热率增加(因此冷却效率增加)还使得热交换器的热端处的供应流的温度可远远高于饱和点，即对于氦而言并且取决于工艺介质的压力高于4.5K，并且优选地尽可能高。然而，所述温度范围可能受到实际气体特性的限制，使得对于例如氦，温度优选地介于4.5K和20K之间，更优选地介于8K和15K之间或介于10K和13K之间。相应的更高温度可针对其他工艺介质(例如，氮)实现。因此，可提供高于大气压的不同供应压力。这不仅降低了系统的操作成本，而且在

上也具有优势，因为泄漏到主制冷循环与例如负载之间的工艺中的热量在升高的温度水平上发生，因此在工艺介质的更高容量上发生。

由于压力影响或甚至决定耦接到容器的任何装置或子系统的温度和物理行为，例如负载，诸如低温用户或超导体，因此当这样实现时，容器中的压力优选地维持在恒定水平。因此，用于工艺介质的链接的饱和温度通常也是已知的。

因此，为了提高低温制冷系统的效率，热交换器的出口可耦接到被配置为提供容器中的恒定压力的恢复系统、压缩机系统、真空泵和/或液化系统。热交换器的热端的废气和供应流的匹配温度(具体是介于4.5K和20K之间的温度范围内的温度)匹配的温度有利于系统中蒸发气体的转化和再循环。例如，可恢复低于大气压的蒸发气体并且/或者可提供低于大气压的气流的热混合压缩、冷混合压缩或混合压缩。因此，热交换器的出口可间歇地耦接到系统的供应流入口，从而提供封闭的低温制冷系统。

优选地，在第一压力调节器上游提供的工艺介质是加压流体，例如氦或氮。然而，可使用不同的工艺介质。提供液体工艺介质至少具有以下优点：可控制和优化热交换器区段内的流动参数，并且可提供工艺介质与热交换器之间的改进传热。例如，供应流可被配置为提供所需的流动特性，诸如湍流和边界层，以增加传热。因此，导管中的工艺介质的供应压力优选地保持在恒定值，以减轻由于不期望的热声振荡而引起的压力波动，所述热声振荡例如可能是由安全机构(诸如300K级的安全阀)引起的。此外，通过以加压流体形式提供工艺介质，可通过在第一压力调节器中释放加压液体和/或调节供应流来改变工艺介质的热容量。另外，第一压力调节器可被配置为降低工艺介质的压力，以在第一压力调节器的下游提供两相工艺介质流。例如，压力降低导致工艺介质的饱和温度降低，使得工艺介质的至少一部分从液相转变为气相。为了调节工艺介质的压力，压力调节器优选地包括阀、膨胀阀和/或涡轮。通过提供压力调节器，工艺介质的比焓和压力调节器下游的液相的质量流都可被调适为适应例如由于每个压力水平下和每种物理状态下的不同热容量引起的变化条件。

优选地，容器收集液相，其中容器热耦接到负载，或者其中负载设置在容器的收集液相中以提供等温负载。例如，容器的尺寸可被设定成使得液相浸没设置在容器底部的负载，例如以最大化液相与负载之间的传热面积。另选地，负载可例如通过流体耦接件和/或导热表面热耦接到容器。同样，容器的尺寸可被设定成至少部分地包封负载，其中可在负载的至少一部分周围收集或循序容器中的液相。此外，尽管对于某些应用而言，液相可能是优选的，但另选地，容器的尺寸可被设定成产生并部分地保留低于大气压的蒸发气体，该蒸发气体可用于等温冷却负载。优选地，在大气压下提供低于工艺介质的饱和温度的等温负载。容器可例如被配置为低温恒温器或低温用户(诸如超导体)。

来自工艺介质的蒸发气体优选地由压力调节器控制的两相工艺介质的状态、容器的压力以及负载来提供，其中产生的蒸发气体是低于大气压的蒸发气体。因此，压力调节器可绝热地释放工艺介质，以提供具有气相的一部分工艺介质，其中压力调节器下游的工艺介质的状态或比焓取决于压力调节器的预定膨胀或压力释放以及压力调节器上游的供应流的大致预定状态，该大致预定状态通常由经调节的恒定供应压力和稍微高于λ温度的温度限定，因为由于λ线周围的热容量峰值和热导率增加，在热交换器中通常达不到较低温度。此外，容器中的压力优选地保持在恒定水平，使得容器配置和压力引起工艺介质的进一步压降，从而在低于大气压的压力下产生蒸发气体。容器中工艺介质的突然膨胀可进一步提供来自因焦耳-汤姆森(Joule-Thomson)膨胀而产生的液相的蒸发气体和闪蒸气体。另外，低于大气压的蒸发气体的产生取决于负载，负载使优选地低于饱和温度提供的液相至少部分地达到高于饱和温度的温度。低于大气压的蒸发气体随后可进入热交换器的入口，以冷却导管的热交换器区段中的供应流。这至少具有以下优点：蒸发气体的潜热在系统中处于最低水平，使得在热交换器内发生改善的吸热。此外，使用低于大气压的蒸发气体作为供应流的冷却剂或制冷剂，可以最大程度地减少蒸发热交换器内发生的

损。

低温制冷系统还可包括控制器和与控制器连通的至少一个传感器。因此，系统可包括布置在压力调节器上游和热交换器区段下游的至少一个温度传感器，其中控制器被配置为基于至少一个温度传感器的测量值来控制第一压力调节器，从而控制两相工艺介质的状态。另选地或另外，系统可包括：布置在容器中的至少一个填充传感器和/或布置在压力调节器下游的用于测量工艺介质的液相到负载的质量流的至少一个流量传感器，其中控制器被配置为基于至少一个填充传感器和/或至少一个流量传感器的测量值来控制压力调节器，从而控制质量流；以及/或者布置成与容器连通的至少一个压力传感器和耦接到热交换器的出口的压缩机系统，其中控制器被配置为基于至少一个压力传感器的测量值通过控制压缩机系统来控制容器中的压力。例如，由于供应流的温度和压力通常被调节在恒定水平，因此可被认为是固定的边界条件，所以可通过相应地调节压力调节器以控制压力调节器下游的工艺介质的状态(例如，比焓)来校正布置在热交换器区段下游和压力调节器上游的温度传感器所测量的与预定温度的温度偏差。由于容器中的压力和负载被认为是恒定的，因此两相工艺介质的状态的变化可以改变在冷端处进入热交换器的低于大气的蒸发气体的体积流量。因此，可以校正所测量的热交换器区段下游的工艺介质的温度偏差。

同样，填充传感器可指示低温负载的活动增加，从而要求工艺介质到负载的质量流增加。另选地或另外，这种指示可由布置在压力调节器下游的用于测量工艺介质的液相到负载的质量流的流量传感器提供。因此，控制器可根据与填充传感器和/或流量传感器的测量值相对应的所需等温负载来调节压力调节器，以例如增加质量流。因此，控制器可经由压力调节器补偿在液体容器中保持预定水平所需的质量流之间的差异，例如由于由负载提供的蒸发气相增加以及容器中的相应液相不足造成的差异。

另外，由压力传感器提供给控制器的反馈可指示容器中不期望的压降或过压，压降或过压优选保持在恒定压力下，以提供连续的条件以及对耦接到容器或在容器中提供的负载的可预测的物理影响。因此，可调节在热交换器的出口处耦接在容器下游的压缩机系统，以使容器的压力(因此使工艺介质和蒸发气体的压力)正常化至可容许的预定范围。

因此，控制器和传感器布置提供了一种反馈机制，该反馈机制提供了将系统的边界条件和参数控制在预定范围内的手段。

低温制冷系统还可包括用于控制供应流的质量流的控制阀，该控制阀与控制器连通并且布置成平行于第一压力调节器并在第一压力调节器上游，其中控制器被配置为基于至少一个温度传感器、填充传感器和/或流量传感器的测量值经由控制阀控制供应流的质量流。

因此，可响应于系统波动来调节控制阀，例如以调节容器中的液相和/或提供给热交换器的蒸发气体的体积。控制阀可例如被配置为提供供应流的部分旁通以校正导管中的过量体积流量，其中旁通可将过量体积流量转发到相邻系统或者可重新收集所述体积。同样，平行的供应流可补偿容器中的液相不足，因此可经由平行控制阀部分地供给到供应流。另选地，供应流提供的体积流量可稍微超过所需的体积流量，以补偿不足的出现，其中平行控制阀连续地使过量的供应流旁通到相邻系统，并且在容器中检测到不足的情况下不使所述过量的供应流旁通。

例如，在保持供应流的恒定压力的同时，例如当填充传感器指示容器中的工艺介质的液相的填充状态减少时，控制器可通过相应地调节控制阀来增加供应流的体积和/或流速。此外，即使当液相的填充状态在正常操作期间指示正常范围，但是需要增加蒸发气体的质量流时，控制器也可调节供应流的流速。控制器然后可控制第一压力调节器和控制阀，使得例如通过调节第一压力调节器(因此调节工艺介质的特定状态)的当前设定值来增加低于大气的蒸发气体的体积，同时使工艺介质的液相水平保持恒定，从而通过相应地调节控制阀来降低冷却的工艺介质的压力(因此降低焓)，同时增加供应流的体积流量或流速。假定容器中的压力和负载保持恒定，则结果是两相工艺介质中的气相增加并且低于大气的蒸发气体的体积增大，同时收集在容器中的工艺介质的液相的体积基本上保持不变。

低温制冷系统中的控制器还可被配置为调节第一压力调节器以在低温制冷系统的正常操作期间在λ点与饱和温度之间的温度下在导管的热交换器区段的下游提供工艺介质。优选地，所述温度范围在第一压力调节器的上游获得，使得在第一压力调节器下游的工艺介质的气相在进入容器之前包括处于所述范围内的温度。容器中的压力和负载优选地保持恒定，而容器中提供的压力比压力调节器上游的压力低。因此，由于体积突然膨胀而使容器中的工艺介质进一步释放可产生进一步的压降，从而使得蒸发气体的潜热和/或温度由于例如焦耳-汤姆森膨胀而进一步降低，因此可改善热交换器对供应流的冷却。此外，在热交换器区段下游和第一压力调节器上游的λ点与饱和温度之间的温度下作为供应流的固定边界条件的工艺介质的固定压力确保了提供工艺介质的稳定物理状态，从而使传热波动最小化。

此外，系统可包括在热交换器的热端处与导管和热交换器的出口连通的至少一个热端温度传感器，其中控制器被配置为通过控制压力调节器基于由至少一个热端温度传感器测得的温度差来调节蒸发气体流。

虽然热交换器的热端处的供应流的温度通常被认为是固定的边界条件，但传感器在热交换器的热端处所测量的温度可取决于热交换器效率或所提供的供给流的冷却，因此取决于压力调节器上游的工艺介质的状态以及低温负载或质量流。因此，为了最小化在热交换器的热端处检测到的温度差，控制器可增加朝向负载的低于大气的蒸发气体流和/或质量流，如上文所述，例如优选地基于由设置在压力调节器上游和热交换器区段下游的温度传感器测得的工艺介质的温度，通过调节压力调节器和/或控制阀。

另外，所达到的液相温度范围不仅可用于提供等温负载，而且还可提供在被配置用于研究例如分子相互作用和流体特性(例如，以研究在λ点处从氦-1到氦2的转变以及在超临界温度下氦的超流动性或粘度行为)的系统中实现的液相。

低温制冷系统的热交换器可被配置为多个热交换模块，这些热交换模块与导管并联和/或串联布置。优选地，与导管流体连通的第二压力调节器布置在每个串联布置的热交换模块之间。

例如，热交换器可包括与导管串联布置的两个热交换模块，其中在所述热交换器模块之间，第二压力调节器(例如，阀或膨胀涡轮)布置成与导管流体连通。这至少具有以下优点：供给流在由第一热交换器模块冷却之后可在由第二热交换器模块冷却之前由附加的压力调节器节流到中间压力水平，由此增加热容量并且提供工艺介质的逐渐释放。同时，相对于单个热交换器配置，可增加第一热交换器模块的热端上的温度水平。因此，提供多个热交换器模块可进一步提高工艺效率。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于在低温制冷系统中提供低温制冷的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-在导管中提供工艺介质的供应流；

-在逆流热交换器中冷却所述供应流；

-通过压力调节器降低所述供应流的压力；以及

-将所述供应流接收在容器中，其中来自所述工艺介质的蒸发气体流被所述热交换器用来冷却所述供应流，

其中所述供应流的冷却没有任何蒸发液相。

因此，供应流或工艺介质的冷却由在进入热交换器之前已经蒸发的具有低焓的气体流进行。因此，没有液相进入热交换器，使得与蒸发热交换器相反，没有液相在热交换器内蒸发。这在使用液氦时是特别有利的，使得系统不需要4.5K水平的蒸发热交换器和相分离器，此外，不会发生闪蒸气体或蒸发氦气在大气压下的再循环。另外，可提供较小的设备，诸如压缩机和热交换器，使得可减少系统的尺寸。

此外，该方法可包括：由热交换器在低温制冷系统的正常操作期间提供热交换器的热端处的蒸发气体相对于在热交换器的热端处的供应流的工艺介质的温度因子，该温度因子大于0.9。优选地，所述温度因子大于0.98，使得热交换器的热端处的蒸发气体相对于热交换器的热端处的供应流的工艺介质之间的温度差最小和/或可忽略不计，从而不影响系统。

这种温度因子是可能的，因为系统不需要上游蒸发热交换器，该上游蒸发热交换器通常在工艺介质通过固定在例如对于氦为约4.6K的蒸发热交换器之后提供工艺介质的温度，其中冷端和热端处的稳态工艺中的质量流通常相等且恒定。相比之下，冷逆流热交换器可在具有增大的热容量的热交换器的热端处以较高的温度水平提供供应流和蒸发气体，使得可使温度差最小化。

另选地或另外，由热交换器的NTU配置提供的在低温制冷系统的正常操作期间使蒸发气体的温度与热交换器的热端处的工艺介质的温度匹配。

包括所需NTU的热交换器的实施方式至少具有以下优点：可在热力学上优化系统，同时不需要或不需要知道某些变量，例如热交换器参数和边界条件。因此，NTU配置提供了LMTD配置的替代方案，以提供热有效的低温制冷系统。

如上所述，通过实施包括所需NTU的热交换器来匹配温度或最小温度差至少具有以下优点：在正常操作期间减少了

损。这样，同样减少了系统中不可逆性的发生和输入工艺的功率。

该方法还优选地使得供应流包括加压液体、优选地液氦，其中通过压力调节器降低供应流的压力在压力调节器的下游提供了两相工艺介质流，并且其中在低于大气压的压力下提供容器中的蒸发气体。以加压液体形式提供工艺介质可有利于导管的热交换器区段中的传热以及工艺介质的处理，从而提供供应流。

优选地，供应流的冷却在导管的热交换器区段的下游提供了介于λ点与饱和温度之间的工艺介质。如上所述，这种温度范围以及具有固定的压力作为边界条件确保了工艺介质的稳定物理状态得以保持，因此可减少系统中波动的发生。同时，在热交换器区段的下游释放工艺介质的压力然后可形成工艺介质的不同物理状态，使得例如同时获得液相和气相。

该方法还可提供负载的低温制冷。因此，容器可收集工艺介质的液相以制冷热耦接负载或设置在容器中的工艺介质的液相中的负载，从而提供等温负载。

为了进一步优化低温制冷方法的效率，可通过串联或并联布置的多个热交换器模块来串联或并联地进行供应流的冷却。在这种配置中，优选地通过第二压力调节器降低每个串联布置的热交换器模块之间的供应流的压力。热交换器模块之间的工艺介质的节流具有以下优点：获得了中等压力水平并且增加了热容量，同时还提供了工艺介质的逐渐释放。另外，工艺介质的串联冷却使得可增加热交换器布置的热端上的温度水平，从而提高了工艺的效率。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下具体实施方式，将更容易理解本公开，在附图中：

图1是低温制冷系统中的热交换器、容器和压力调节器的示意图；

图2是被配置为以预定的物理状态提供工艺介质的根据图1的实施方案的示意图；

图3A是管状热交换器的示意性剖视图；

图3B是从热交换器的冷端观察的根据图3A的管状热交换器的示意性顶视图；

图4是具有控制器和负载的低温制冷系统的示意图；

图5是具有另一种控制器配置的根据图4的低温制冷系统的示意图；

图6A是具有串联热交换器和压力调节器布置的低温制冷系统的示意图；

图6B是包括另一种并联热交换器布置的根据图6A的低温制冷系统的示意图。

优选实施方案的具体实施方式

在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。在附图中，类似的元件由相同的附图标号表示，并且为了避免冗余，可省略对其进行重复描述。

在图1中，示意性地示出了使用工艺介质操作的低温制冷系统1。为了提供制冷，在导管2中提供工艺介质的供应流10。尽管工艺介质可包括各种化合物并且还可以不同的物理状态提供，但是在根据图1的示例性实施方案中的工艺介质包括加压液氦。因此，液氦处于高于大气压的压力下，优选地介于1.5巴和10巴之间，更优选地介于1.5巴和8.0巴之间。

系统1(具体是导管2)的所有特征都是热隔离的，使得进入和离开系统1的热量被认为是零或可忽略不计。低温制冷系统1包括逆流热交换器3，该逆流热交换器热耦接到导管2的热交换器区段2A，使得通过逆流热交换器3冷却供应流10。在通过热交换器3冷却之后，供应流10到达第一压力调节器4，该第一压力调节器与导管2流体连通并且布置在导管2的热交换器区段2A的下游。在本文的上下文中，术语“下游”是指在导管2中提供的供应流10，并且与供应流10初始进入系统1有关。因此，供应流10进入系统1中发生在热交换器区段2A的上游。

第一压力调节器4以膨胀阀或阀布置的形式提供。通过第一压力调节器4，使供应流10中的工艺介质的压力降低到稍微高于大气压的压力，例如1.05巴至1.2巴。供应流10然后流入容器5中，该容器与导管2流体连通，因此布置在第一压力调节器4的下游。尽管在图12中将第一压力调节器4与容器5之间的流体连通描绘为包括导管，例如第一压力调节器4的出口和/或容器5的相应入口，但也可通过将第一压力调节器4的下游端直接耦接到容器5的相应开口或耦接元件来提供流体连通。

容器5包括低于容器5上游的压力的恒定压力，并且被配置为收集液相并提供来自工艺介质的蒸发气体。根据第一压力调节器4下游的工艺介质的状态(例如，比焓)、容器5的任何边界活动或实施方式(例如，负载(未示出))和容器中保持恒定的压力，产生蒸发气体。由于与第一压力调节器4下游的工艺介质的体积相比，容器5中的体积突然增加，工艺介质在第一压力调节器4的下游被进一步释放。例如，容器5的大小和尺寸被设定成使工艺介质迅速膨胀。容器5中的工艺介质的体积突然增加导致工艺介质的压力快速降低，使得产生气相或闪蒸气体，该气相或闪蒸气体包括低于大气压的压力，即低于1.0巴。在该焦耳-汤姆森膨胀中，低于大气压的蒸发气体的温度可保持恒定或稍微降低，同时蒸发气体的潜热减少。另外，如上所述，容器5的实施方式可使容器中的液相也提供蒸发气体。因此，低于大气压的蒸发气体12然后被提供给热交换器3的入口34，以用作用于工艺介质的供应流10的冷却剂或制冷剂。热交换器3的入口34可直接耦接到容器5，或者可通过导管或管区段流体地连接到容器5的出口。

由于低于大气压的蒸发气体12的潜热和温度被认为在热交换器3的入口34处是系统1中最低的，因此该区域被认为是热交换器3的冷端30。在热交换器3中通过低于大气压的蒸发气体12冷却热交换器区段2A中的工艺介质的供应流10期间，低于大气压的蒸发气体12从工艺介质的供应流10吸收热量，使得热交换器3的出口36被认为是热交换器3的热端32。因此，低于大气压的蒸发气体12从热交换器3的冷端30处的入口34流到热交换器3的热端32处的出口36，从而从工艺介质的供应流10吸收热量并从冷的低于大气压的蒸发气体12转变为热的低于大气压的蒸发气体12，并且在出口36处作为废气14离开系统1。

尽管低温制冷系统1需要在操作的启动或初始阶段使系统1中的温度正常化和稳定化，但在正常操作期间，系统1中各个点或位置处的工艺介质的温度被认为是恒定且可预测的。因此，容器5中的工艺介质可用于提供等温条件，例如等温负载(未示出)。

导管2在导管2的热交换器区段2A的上游没有任何蒸发热交换器。因此，通过提供包括具有低比焓的蒸发气体流的冷逆流热交换器3，系统不需要蒸发器来预冷却供应流10。此外，冷逆流热交换器3可在具有增大的热容量的热交换器3的热端32处以较高的温度水平提供供应流10和蒸发气体12，使得可使温度差异最小。

具体地，系统1的热交换器3被配置为使得在正常操作期间废气14的温度与热交换器3的热端32处的工艺介质的供应流10的温度匹配。术语“匹配”在这里应理解为还包括最小差异，例如最多0.5K，优选地介于0.05K和0.2K之间。所述温度的这种匹配的最小差异通过热交换器3的配置来实现，其中相应的NTU或传热率相应地被调适。例如，热交换器3的面积(例如，传热面积)或热交换器3的长度的大小和尺寸可被设定成提供相应的温度范围，其中工艺介质的各种温度下的至少质量流和热容量值被认为是已知的。例如，热交换器3的传热面积的尺寸可被设定成提供所需的NTU，以提供对工艺介质的充分冷却，使得在2.14K至2.40K的温度下在λ点以上提供导管2的热交换器区段2A下游和第一压力调节器4上游的工艺介质，同时提供在热交换器3的热端32处与热交换器区段2A上游的工艺介质的温度匹配的介于4.5K和20K之间或甚至更高、优选地约12K的废气14的温度。因此，热交换器3的相应NTU对于所述液氦温度范围而言可能是最佳的。然而，NTU可被调适用于其他温度范围和/或化合物，并且还可提供过量以适应系统波动或例如要通过系统1冷却的负载的变化需求。

根据图2的低温制冷系统1很大程度上对应于图1中描绘的实施方案。同样，如上所述，工艺介质由导管2中的供应流10提供并且由热交换器3冷却。另外，热交换器3的传热面积被调适以提供传热率，该传热率提供对工艺介质的冷却，从而形成冷却的工艺介质11，该冷却的工艺介质例如包括恰好高于λ点并且低于供应流10的相应压力的饱和温度的温度，例如介于2.14K和2.40K之间。然后，通过第一压力调节器4或膨胀阀降低冷却的工艺介质11的压力，以获得两相工艺介质13。换句话讲，供应流10中的加压液氦首先被热交换器3冷却至预定温度，随后被减压以提供包括液相和气相的工艺介质。

容器5的配置使得两相工艺介质13的液相15在进入容器5时被收集，同时根据两相工艺介质13的相应状，该配置(例如，容器5中的尺寸和恒定压力)态使得产生低于大气压的蒸发气体12。低于大气压的蒸发气体12然后经由热交换器3的冷端处的入口34流入热交换器3中，以冷却供应流10。低于大气压的蒸发气体12在热交换器3的热端32处离开热交换器3，并且作为废气14经由出口36离开系统1。

因此，根据图2的低温制冷系统1被优化以在所需温度下通过低于大气压的蒸发气体12对供应流10进行充分冷却并且提供足够量的工艺介质的液相15，例如为了进一步的制冷需求，通过相应地降低供应流10的压力以提供两相工艺介质13、容器5的配置和恒定压力以及热交换器3的配置，例如通过相应的NTU或传热率。

在图3A和图3B中，更详细地示意性地示出了逆流热交换器3。工艺介质通过导管2中的供应流10提供。热交换器3包括管形状，该管形状围绕导管2的形成热交换器区段2A的圆周区域。尽管热交换器3被描绘为包括圆柱形形式并且完全围绕导管2，但其他形状和配置也是可能的。然而，在任何情况下，热交换器3的NTU都被预定成相应地冷却供应流10并使热交换器3的热端32处的废气14和供应流10的温度差最小化。

如图3A所示，导管2的热交换器区段2A从热交换器3的热端32到冷端30直线横穿热交换器3，并且包括基本笔直的配置。然而，增加传热率或在热力学上有效的其他配置也是可能的，例如导管2的曲折、正弦或盘绕形状。在横穿热交换器3时，供应流10由热交换器3通过经由入口34在冷端30处进入热交换器3的低于大气压的蒸发气体12来冷却。

供应流10的冷却由低于大气压的蒸发气体12提供，该蒸发气体通过螺旋形成的热交换器元件38分布在热交换器3中。因此，螺旋形成的热交换器元件38在导管2的逆流方向上横穿热交换器3，其中低于大气压的蒸发气体12通过直接接触或通过导热材料的热耦接从在导管2的热耦接热交换器区段2A中提供的供应流10吸收热量。然后，在热交换器3的热端32处，低于大气压的蒸发气体12作为废气14经由出口36离开热交换器3。

热交换器3的入口34和出口36平行布置并且分别在热交换器3的冷端30和热端32处邻近导管2。该配置也在图3B中示出，其在热交换器3的冷端30处从低于大气压的蒸发气体12的流动方向以及冷却的工艺介质11的逆流方向的角度示出了热交换器3。尽管导管2和热交换器3的入口34在竖直方向上相邻布置，但可提供垂直于热交换器3或螺旋形成的热交换器元件38的延伸方向的任何取向或者基本上横向的布置。同样，螺旋形成的热交换器元件38可在热交换器3内邻近导管2布置，以在螺旋形成的热交换器元件38与导管2之间提供直接的传热。因此，热交换器3的尺寸可另选地被设定成在径向方向上包括较小的尺寸。

然而，可提供热交换器3的其他配置。例如，热交换器3可被配置为板翅式热交换器，例如用于较大的系统或设备，或被配置为盘翅管式热交换器，例如用于较小的系统或设备。在板翅式热交换器中，热交换器包括多个隔室，这些隔室彼此相邻并以逆流取向布置，并且其中所述隔室包括低于大气压的蒸发气体或供应流。另一方面，当将热交换器3实施为盘翅管式热交换器时，可沿着包括供应流10的导管2以盘绕的方式引导低于大气压的蒸发气体，其中盘绕布置还包括径向向外延伸的多个环形区段，从而限定多个翅片。

低温制冷系统1的另一个实施方案在图4中示出。图4基本上对应于根据图2的系统1，因此不再详细讨论类似的特征和功能。系统1包括控制器7，该控制器与第一压力调节器4连通并且被配置为控制第一压力调节器4以便释放或膨胀冷却的工艺介质11，从而在第一压力调节器4的下游提供两相工艺介质13。为了适当地调节冷却的工艺介质11的压力，控制器7与温度传感器70连通，该温度传感器在热交换器3的热端32处与导管2和热交换器3的出口36连通。因此，所述传感器70提供进入系统1的供应流10以及经由出口36离开系统1的废气14的实际温度。传感器70的测量值被提供给控制器7，其中控制器7至少基于传感器70的测量值、两相工艺介质13的状态以及容器5中的压力来控制第一压力调节器4。

尽管系统1通常被设计用于特定的边界条件并且系统1的状态保持恒定，但提供控制器7和温度传感器70允许系统1例如通过调节低于大气压的蒸发气体12的体积流量来对系统1中的微小波动作出反应或防止出现微小波动。低于大气压的蒸发气体12的体积流量取决于两相工艺介质13的状态以及容器5中的压力，该压力通过在下游端(例如，出口36的下游)与容器5连通的压缩机(未示出)保持在恒定水平。由于供应流10的温度和压力都是固定的边界条件，并且热交换器3的冷却效率(以及因此冷却的工艺介质11的状态)通常是已知的，因此可通过调节压力调节器4来控制两相工艺介质的状态或比焓。例如，当测量到废气14与供应流10之间的不期望的温度差时，例如当废气14的测量温度高于供应流10的温度时，控制器7可调节第一压力调节器4以进一步降低冷却的工艺介质11的压力，使得释放两相工艺介质13和/或增加气相，因此，在恒定的容器压力下，更大体积流量的低于大气压的蒸发气体12被提供给热交换器3。因此，可提供对供应流10的改进冷却，同时在低于大气压的蒸发气体12中吸收的热量使热交换器3的热端32处的废气14与供应流10之间的温度差变平。

在容器5中收集的工艺介质的液相15中提供有负载6。该负载也影响低于大气压的蒸发气体12的体积流量，因为根据负载6的活动，液相15可部分地达到高于饱和温度的温度并因此进入气相。因此，为了维持等温负载6，控制器7可相应地调节第一压力调节器4以例如补偿液相15的损失。例如，控制器7可通过控制第一压力调节器4以增加要收集在容器5中的两相工艺介质13的液相15并补偿低于大气压的蒸发气体12的增加量和容器5中液相15的损失来调节两相工艺介质13的压力并因此调节其比焓。同样，可通过温度的变化来检测负载6的质量流的变化，该温度的变化由温度传感器70测量并且可作为反馈提供给控制器7。

除了温度传感器70之外，根据图5的实施方案还包括设置在容器5中的与控制器7连通的填充传感器72和压力传感器74。因此，控制器7基于容器5中的填充传感器72所测量的填充状态通过调节冷却的工艺介质11的压力来控制第一压力调节器4。例如，负载6的活动增加可减少工艺介质的液相15的液位，该液位由填充传感器72检测并且向控制器指示系统1中存在液相15不足。然后，控制器7可控制第一压力调节器4以相应地调节两相工艺介质13的状态，并因此调节提供给容器5的液相15。

另外，控制器7与控制阀20连通，该控制阀平行于压力调节器4并且在该压力调节器的上游布置。控制阀20被配置为三通阀并且将导管2连接到平行系统。如果填充传感器72指示容器5中的工艺介质的液相15不足或过量，则控制器7可控制控制阀20以相应地调节质量流，同时保持恒定的压力和供应流的温度。另选地或另外，这种指示可由流量传感器76提供，该流量传感器与控制器7连通并设置在压力调节器4的下游，并且指示到负载6的质量流。

容器5中的压力还通过压缩机(未示出)保持在恒定水平，该压缩机在下游端(例如，出口36的下游)与容器5连通。容器5中的压力由压力传感器74测量。如果发生压力偏离预定范围或阈值，则所述压力传感器74向控制器7提供反馈，该控制器相应地经由下游压缩机调节压力。

此外，提供了温度传感器70，该温度传感器布置在热交换器区段2A的下游和压力调节器4的上游并且与控制器7连通。由于供应流10的温度和压力通常被调节在恒定水平，因此可被认为是固定的边界条件，所以可通过相应地调节压力调节器4以控制压力调节器4下游的工艺介质的状态(例如，比焓)来校正所测量的与预定温度的温度偏差。由于容器5中的压力和负载6被认为是恒定的，因此两相工艺介质13的状态的变化可以改变在冷端30处进入热交换器3的低于大气的蒸发气体12的体积流量。因此，可以减少所测量的热交换器区段2A下游的工艺介质的温度偏差。

尽管负载6可设置在容器5中的工艺介质的液相15中，但负载6也可设置在容器5的外部，如图5所示。因此，进入和离开容器5的体积流量不受负载6的尺寸的影响，而容器5与负载6之间的热耦接提供了负载6的类似制冷，例如以提供等温负载6。热耦接可通过容器5的外表面与负载6之间的直接接触或通过例如流体耦接件(诸如止回阀)来提供。

热交换器3可包括各种配置，以例如通过相应的NTU或传热率在热交换器的热端提供所需的温度因子。例如，热交换器3可包括多个逆流热交换器模块3A、3B、3C，这些逆流热交换器模块串联和/或并联布置，如图6A和图6B的实施方案所示。在图6A中，热交换器包括串联布置的两个热交换模块3A和3C。串联热交换器模块3A、3C流体地耦接到彼此并且与包括工艺介质的导管2热耦接。

在操作中，低于大气压的蒸发气体12在冷端30处进入第二串联热交换器模块3C，并且横穿所述热交换器模块3C，从而从导管2中的工艺介质吸收热量。因此，离开第二串联热交换器模块3C的低于大气压的蒸发气体与在入口34中提供的低于大气压的蒸发气体12相比包括不同的潜热和/或温度，因此被认为是变热的低于大气压的蒸发气体17。变热的低于大气压的蒸发气体17然后进入第一串联热交换器模块3A，并且经由出口36在热端32处作为废气14离开系统1。当变热的低于大气压的蒸发气体17在第一串联热交换器模块3A中吸收热量时，供应流10中的工艺介质相应地被冷却，使得导管2中到达第二串联热交换器模块3C的工艺介质被认为是过冷的工艺介质16。随后通过第二串联热交换器模块3C对过冷的工艺介质16进行冷却，从而在第二串联热交换器3C的下游产生冷却的工艺介质11。

系统1还包括压力调节布置，该压力调节布置包括与导管2流体连通的第一压力调节器4A和第二压力调节器4B。第一压力调节器4A布置在第二串联热交换器模块3C的下游和第一压力调节器4A的上游，以调节工艺介质11的压力，从而在第一压力调节器4A的下游提供两相工艺介质13。第二压力调节器4B布置在第一热交换器模块3A与第二热交换器模块3C之间。这种布置使得可在对工艺介质进行过冷之后并且在通过第二热交换器模块3C对其进行冷却以提供冷却的工艺介质11之前调节或降低工艺介质或加压液体的压力，其中过冷的工艺介质16可作为液体或作为两相工艺介质提供。因此，系统1被配置为针对不同的温度和压力最佳地使用工艺介质的不同热容量值，从而提供热交换器的NTU以与热端32处的废气14和供应流10的温度匹配。

逆流热交换器模块的并联和串联布置的组合在图6B中示出。除了第一热交换器模块3A和第二热交换器模块3C之外，系统1还包括并联热交换器模块3B，使得第一串联热交换器模块3A和并联热交换器模块3B并联布置。为了提供低温制冷系统1的这种布置，容器5经由入口34流体耦接到第二热交换器模块3C的冷端30，以提供离开容器5的低于大气压的蒸发气体12。在穿过第二热交换器模块3C之后，变热的低于大气压的蒸发气体然后被分成第一并联变热的低于大气压的蒸发气体17A和第二并联变热的低于大气压的蒸发气体17B，并且使用并联流体耦接件分别被引入第一串联交换器模块3A和并联热交换器模块3B中。变热的低于大气压的蒸发气体17A、17B随后分别作为第一废气14A和第二废气14B离开相应的第一串联交换器模块3A和并联热交换器模块3B，其中第一废气14A和第二废气14B在热端32处耦接到出口36，并且被组合以提供经由出口36离开系统1的废气14。

为了提供并联冷却，导管2被分成两个并联区段，这两个并联区段在紧接在第一串联交换器模块3A和并联热交换器模块3B之前的点处热耦接到并联交换器模块3A、3B。因此，并联热交换器模块3A、3B提供了对工艺介质的过冷，如针对根据图6A的实施方案更详细描述的。然后，导管2的并联区段在并联热交换器模块3A、3B的下游并且在进入第二压力调节器4B之前再次合并。在第二压力调节器4B的下游，工艺介质被第二串联热交换器模块3C进一步冷却，并在进入容器5之前通过第一压力调节器4A，如关于图6A所述。

根据图6B的实施方案，第二串联热交换器模块3C包括围绕导管2的圆周的管形状，而并联热交换器模块3A、3B被描绘为以相邻的方式热耦接到导管2的并联部分。然而，所描绘的配置之外的配置也是可能的，可提供多个管状热交换器模块和/或仅部分地围绕导管2的圆周的热交换器模块。此外，导管区段和流体耦接件彼此相邻布置，以提高热效率并减少系统1的尺寸和大小。然而，应当理解，也可提供其中例如导管区段和流体耦接件至少部分地间隔开的其他配置。具体地，也可实现如图3A和图3B所示的热交换器的其他可能的配置，即板翅式热交换器模块或盘翅管式热交换器模块。

对于本领域技术人员而言显而易见的是，这些实施方案和项目仅描绘了多种可能性的示例。因此，这里所示的实施方案不应被理解为形成这些特征和配置的限制。可以根据本发明的范围选择所描述的特征的任何可能的组合和配置。

附图标号列表

1 低温制冷系统

10 工艺介质的供应流

11 冷却的工艺介质

12 低于大气压的蒸发气体

13 两相工艺介质

14 废气

14A 第一并联废气

14B 第二并联废气

15 工艺介质的液相

16 过冷的工艺介质

17 变热的低于大气压的蒸发气体

17A 第一并联变热的低于大气压的蒸发气体

17B 第二并联变热的低于大气压的蒸发气体

2 导管

2A 热交换器区段

20 控制阀

3 逆流热交换器

3A 第一串联逆流热交换器模块

3B 并联逆流热交换器模块

3C 第二串联逆流热交换器模块

30 热交换器的冷端

32 热交换器的热端

34 入口

36 出口

38 螺旋形成的热交换器元件

4 第一压力调节器

4A 第一压力调节器

4B 第二压力调节器

5 容器

6 负载

7 控制器

70 温度传感器

72 填充传感器

74 压力传感器

76 流量传感器

Claims (15)

1.一种低温制冷系统(1)，所述低温制冷系统包括：

-导管(2)，所述导管被配置为提供工艺介质的供应流(10)；

-逆流热交换器(3)，所述逆流热交换器热耦接到所述导管(2)的热交换器区段(2A)并且包括在所述热交换器(3)的冷端(30)处的入口(34)以及在所述热交换器(3)的热端(32)处的出口(36)；

-第一压力调节器(4)，所述第一压力调节器与所述导管(2)流体连通并且布置在所述热交换器区段(2A)的下游；和

-容器(5)，所述容器与所述导管(2)流体连通并且布置在所述第一压力调节器(4)的下游，其中所述容器(5)与所述热交换器(3)的所述入口(34)流体连通并且被配置为将来自所述工艺介质的蒸发气体流提供给所述热交换器(3)的所述入口(34)，

其中

所述导管(2)在所述导管(2)的所述热交换器区段(2A)的上游没有任何蒸发热交换器。

2.根据权利要求1所述的低温制冷系统(1)，其中

-所述热交换器(3)被配置为在所述低温制冷系统(1)的正常操作期间提供所述热交换器(3)的所述热端(32)处的所述蒸发气体相对于所述热交换器(3)的所述热端(32)处的所述供应流(10)的所述工艺介质的温度因子，所述温度因子大于0.9，优选地大于0.98；并且/或者

-所述热交换器(3)包括NTU，所述NTU被配置为在所述低温制冷系统(1)的正常操作期间使所述热交换器(3)的所述热端(32)处的所述蒸发气体的温度与所述工艺介质的温度匹配。

3.根据权利要求2所述的低温制冷系统(1)，其中所述温度因子和/或所述NTU由所述热交换器(3)的传热面积、优选地由所述热交换器的长度提供，其中所述热交换器(3)优选地具有翅片管形状、盘绕形状和/或翅片形状，并且至少部分地围绕所述导管(2)的圆周。

4.根据前述权利要求中任一项所述的低温制冷系统(1)，其中所述热交换器(3)的所述出口(36)耦接到被配置为提供所述容器(5)中的恒定压力的恢复系统、压缩机系统、真空泵和/或液化系统。

5.根据前述权利要求中任一项所述的低温制冷系统(1)，其中在所述第一压力调节器(4)的上游提供的所述工艺介质是加压液体、优选地液氦或液氮，其中所述第一压力调节器(4)被配置为降低所述工艺介质的压力以在所述第一压力调节器(4)的下游提供两相工艺介质(13)流，其中所述第一压力调节器(4)优选地包括阀、膨胀阀和/或涡轮。

6.根据权利要求5所述的低温制冷系统(1)，其中所述容器(5)收集液相(15)，其中所述容器(5)热耦接到负载(6)，或者其中负载(6)设置在所述容器(5)的所收集的液相(15)中以提供等温负载(6)。

7.根据权利要求6所述的低温制冷系统(1)，其中来自所述工艺介质的所述蒸发气体由受所述压力调节器(4)控制的所述两相工艺介质(13)的状态、所述容器(5)的压力以及所述负载(6)提供，其中所述蒸发气体是低于大气压的蒸发气体(12)。

8.根据权利要求6或7中任一项所述的低温制冷系统(1)，其中所述系统(1)还包括控制器(7)和与所述控制器连通的至少一个传感器(70、72、74、76)，其中

-所述系统(1)包括布置在所述压力调节器(4)上游和所述热交换器区段(2A)下游的至少一个温度传感器(70)，其中所述控制器(7)被配置为基于所述至少一个温度传感器(70)的测量值来控制所述第一压力调节器(4)，从而控制所述两相工艺介质的所述状态；

-所述系统(1)包括布置在所述容器(5)中的至少一个填充传感器(72)和/或布置在所述压力调节器(4)下游的用于测量所述工艺介质的液相到所述负载的质量流的至少一个流量传感器(76)，其中所述控制器(7)被配置为基于所述至少一个填充传感器(72)和/或所述至少一个流量传感器(76)的测量值来控制所述压力调节器(4)，从而控制所述质量流；并且/或者

-所述系统(1)包括被布置成与所述容器(5)连通的至少一个压力传感器(74)和耦接到所述热交换器(3)的所述出口(36)的压缩机系统，其中所述控制器(7)被配置为基于所述至少一个压力传感器(74)的测量值通过控制所述压缩机系统来控制所述容器(5)中的压力。

9.根据权利要求8所述的低温制冷系统(1)，其中所述系统(1)还包括用于控制所述供应流(10)的所述质量流的控制阀(20)，所述控制阀与所述控制器(7)连通并且布置成平行于所述第一压力调节器(4)并在所述第一压力调节器上游，其中所述控制器(7)被配置为基于所述至少一个温度传感器(70)、所述填充传感器(72)和/或所述流量传感器(76)的测量值经由所述控制阀(20)控制所述供应流(10)的所述质量流。

10.根据权利要求8或9所述的低温制冷系统(1)，其中所述系统(1)包括在所述热交换器(3)的所述热端(32)处与所述导管(2)和所述热交换器(3)的所述出口(36)连通的至少一个热端温度传感器(70)，其中所述控制器(7)被配置为通过控制所述压力调节器(4)基于由所述至少一个热端温度传感器(70)测得的温度差来调节所述蒸发气体流。

11.根据前述权利要求中任一项所述的低温制冷系统(1)，其中所述热交换器(3)被配置为多个热交换模块(3A、3B、3C)，所述热交换模块与所述导管(2)并联和/或串联布置，其中优选地，与所述导管(2)流体连通的第二压力调节器(4B)布置在每个串联布置的热交换模块(3A、3C)之间。

12.一种用于在低温制冷系统(1)中提供低温制冷的方法，所述方法包括：

-在导管中提供工艺介质的供应流(10)；

-在逆流热交换器(3)中冷却所述供应流；

-通过压力调节器(4)降低所述供应流(10)的压力；以及

-将所述供应流(10)接收在容器(5)中，其中来自所述工艺介质的蒸发气体流被所述热交换器(3)用来冷却所述供应流(10)，

-其中所述供应流的冷却没有任何蒸发液相。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于

-由所述热交换器在所述低温制冷系统(1)的正常操作期间提供所述热交换器(3)的热端(32)处的所述蒸发气体相对于所述热交换器(3)的所述热端(32)处的所述供应流(10)的所述工艺介质的温度因子，所述温度因子大于0.9，优选地大于0.98；并且/或者

-由所述热交换器(3)的NTU配置提供在所述低温制冷系统(1)的正常操作期间使所述热交换器(3)的热端(32)处的所述蒸发气体的温度与所述工艺介质的温度匹配。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述供应流(10)包括加压液体、优选地液氦，其中通过所述压力调节器(4)降低所述供应流(10)的压力在所述压力调节器(4)的下游提供两相工艺介质(13)流，并且其中在低于大气压的压力下提供所述容器中的所述蒸发气体，其中所述供应流(10)的冷却优选地在所述导管(2)的所述热交换器区段(2A)的下游提供介于λ点与饱和温度之间的所述工艺介质，并且其中所述容器(5)优选地收集所述工艺介质的所述液相(15)，以制冷热耦接负载(6)或设置在所述容器(5)中的所述工艺介质的所述液相(15)中的负载(6)，从而提供等温负载(6)。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中通过串联或并联布置的多个热交换器模块(3A、3B、3C)串联或并联地进行所述供应流(10)的冷却，其中优选地，通过第二压力调节器(4B)在每个串联布置的热交换器模块(3A、3C)之间降低所述供应流(10)的压力。

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