CN1269147C - 用低温发生器再冷凝从液化气容器中蒸发出的气体中的易沸腾气体的装置 - Google Patents

用低温发生器再冷凝从液化气容器中蒸发出的气体中的易沸腾气体的装置 Download PDF

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Abstract

用低温发生器再冷凝从液化气容器里蒸发出的气体中的易沸腾气体的装置包括一个或至少两个相连的冷却级即冷头。每级是脉冲管冷却器，其位于蓄热器和所属脉冲管之间的传热器埋在暴露的冷面里。整个冷头只是用凸缘连接在装置的外容器上并在装置的颈管中伸入里面。冷头的最后冷面位于颈管端部并暴露在液化气冷却池上的蒸气室里。其它冷面各自在装于颈管上的传热环的对面。两个各自相对的端面在形成窄间隙的情况下相互嵌接，但不在任何位置上接触，因而存在从液化气池上面的蒸气室直到颈管里的冷头凸缘的自由通道。每个脉冲管冷却器级的部件即蓄热器、脉冲管分别被绝热屏蔽罩包住，罩一方面可以是平放的绝热衬层，或者另一方面可以是环形围绕的真空腔室，腔室外壁只呈点状或至多在短暂距离上呈线状地接触所包覆的部件。

Description

用低温发生器再冷凝从液化气容器中蒸发出的气体中 的易沸腾气体的装置
技术领域
本发明涉及用低温发生器再冷凝从液化气容器中蒸发出的气体中的易沸腾气体的装置。利用该装置，例如可以借助一个接在该系统上的小型制冷装置即所谓的低温冷却器使一个通过浸在作为液化气的液氦里被冷却的超导磁体连续工作。相应地在一个由高温超导材料构成的超导磁体中，该磁体相应地通过浸在液氦中被冷却。
背景技术
目前的现有技术状况简述如下：(也见图4)
整个低温容器1由一个内容器2构成，该内容器用易沸腾液化气如液氦一直充到水平7。超导机构且通常是一个带馈电线6a、6b的励磁线圈5被浸入液化气里。因供给容器2的热量而被气化的氦通过一个缩窄的颈管8被排出到周围环境中或排至一个收集容器中。为减少热渗透，用一个外壳3包围住氦容器2。为进一步减少热渗透，在这两个容器之间的真空腔里装入一个辐射屏蔽罩4，该辐射屏蔽罩通过一个装在颈管8上的接通环10被排出氦气冷却。颈管8一方面要尽可能窄，以便减少热渗透，但另一方面它必须具有足够大的横断面，以便在并不要排除的、磁体突然变成常导时使额外气化的气体逸出，而不会在容器2里中出现不允许的剧烈增压。
若氦水平降到某个高度以下，就必须要由一个输送容器补充氦。这是比较费事的。
其间出现了小型制冷设备，用这种设备又可以直接在冷容器里使从氦池中蒸发出的氦气变成液体，而且它们在二级或多级实施方式中附带提供了用于冷却辐射屏蔽罩的制冷功率。目前，这种低温发生器的最重要的实施型式是脉冲管冷却器和Gifford-McMahon冷却器。
就这样的低温设备被用在这些低温冷却设备里来说，该低温设备操作起来简单并且运行和维护都不复杂。这些设备的冷却机组是脉冲管冷却装置且尤其是Gifford-McMahon冷却装置，在这样的设备中，易沸腾气体的蒸汽被重新液化。在这里，易沸腾气体被认为是：氦气He；氢气H2；氖气N；氮气N2，它们在超导技术里都被用作制冷介质。
发明内容
本发明提供一种用低温发生器来再冷凝从液化气容器中蒸发出的气体中的易沸腾气体的装置，该装置包括：或是一个一级的冷却装置即冷头，它在一个管子即颈管内，该冷却装置从该装置的容器的开口/连接凸缘起伸向该装置的液化气容器，这冷却装置有一个以其暴露的面伸入液化气容器的冷的气化腔里的冷面，其中该冷却装置即该冷头包括一个蓄热器和一个脉冲管以及在该蓄热器和该脉冲管之间的传热器，该传热器嵌在该冷面里，该冷却装置的所述部件即蓄热器和脉冲管各自被一个绝热的外套/热屏蔽罩包围住；或是一个至少两级的冷却装置，它在从一个容器的开口/连接凸缘到液化气容器的颈管里，该装置分别有一个冷面，所述冷面可以被装入和拆除，而不用加热要供给的液化气池，该冷却装置的每一级包括一个蓄热器和一个脉冲管以及在它们之间的传热器，每个传热器都嵌在各自一个冷面里，其中，最后一级的冷面以其暴露的面伸入液化氦气容器的冷的气化腔里，该冷却装置各级的部件即蓄热器和脉冲管分别被一个绝热的外套/热屏蔽罩包住，除了最后的冷面之外的所有冷面都在朝向下级的方向上同轴地位于各自一个传热环的对面，这些传热环被装在颈管中的相应位置上，各个冷面可以轴向移动地并在围绕圆周面形成等间距的情况下嵌在对应的传热环里，但不与其接触，因而存在一个从气化腔经过液化气池而到达第一冷却级起点的气体通道，所述至少两级的且伸入颈管里的冷头锚固在一个凸缘盖上，该凸缘盖又与容器壁的连接凸缘用螺栓连接，所述冷头可以完成轴向热膨胀。
在这里，冷头在外侧用凸缘连接在该装置上并且在管子即颈管里一直伸向液化气容器。在那里，冷面在液化气液面上露了出来。这个整个的单级冷却装置在结构上是这样设计和安装的，即它不加热要供应的液化气池就可以装入和拆下。冷头由蓄热器和脉冲管组成，在它们之间有传热器。传热器被埋入朝向液化气池敞露的冷面中。组成部件即蓄热器、脉冲管各自被一个绝热的外套/热屏蔽罩包住，以便抑制同外面的热耦合，或者在许可范围内为工作过程箱保持同外界的热耦合。
这个扩展的且有复式结构的冷却装置即冷头是一个至少两级的冷却装置，它同样也伸入颈管里并且其最后的冷面终结于液化气池的上方。多级冷头在不加热要供应的液化气池的情况下也能够装入和拆除。冷头的每一级包括一个蓄热器和一个脉冲管，在它们之间有传热器，而且每个传热器分别嵌入一个冷面里。从外面看是最后一级的冷面以其暴露的面独自伸入液化气容器的冷的蒸发室里。各级的部件即蓄热器和脉冲管如同在第一级实施型式中那样各自被一个绝热的外套/热屏蔽罩包住。除最后一个之外的所有冷面在以下级的方向上同轴线地位于各自一个传热环的对面，该传热环导热良好地安装在颈管里的相应位置上。各冷面可以轴向运动并且围绕圆周形成窄间隙地且理想的是按照相等间距嵌在对应的传热环里，而在任何一个位置上都与之不接触。因此，总是存在一个从蒸发室经液化气池到达冷头凸缘的气体通道。伸入颈管里的多级冷却装置被安装在一个与容器壁的连接凸缘螺栓连接的凸缘盖上，该冷却装置可以根据许可的热作用而轴向延伸。
本发明还规定了，各绝热的外套/热屏蔽罩只是由一个在对应部件上的且绝热的层构成，该层对于这种应用场合不允许轴向和径向的导热，但必要时可以容忍。本发明还描述了借助一个在外套两端之间贯通的真空腔室进行绝热的原理。为此，各个部件外套上一个绝热的圆筒形管子，这个管子通过在其表面上的造形或支承机构而保持刚性，结果，外压力且通常是环境压力在出故障时如浸入的线圈突然从超导状态转变到常导状态时变为过压，该压力不将或至少不大面积地将该管子压贴在外套壁上。此外，这也是绝热的支承机构，它或它们刚性地保持所形成的真空腔室外壁不变。或者，它是一根从上到下或从下到上成螺旋线状卷绕部件的绳。也可以使用围绕圆周布置的但相互不接触的绳段来代替这样一根连续的绳。也可以使用其它的、从制冷绝热技术中知道的措施，只要也可行的话。还描述了形成真空腔室的另一有效方式，由于真空腔室外壁是波纹管，其内径大于要包围的部件，因而出现了呈点状或至多局部呈线状的同部件外壁的接触。这种腔室的形成也可以通过带卷边或线状加强结构的管子来建立，该管子可以成点状或必要时呈线状地贴靠住。
此外，真空腔室的外壁同样由波纹管构成，其内径同样大于所围住的部件。但是，这个波纹管通过绝热的、呈螺旋状或沿轴向装在部件的外周壁上的杆状件与该部件保持距离。对于无阻碍的气流来说且尤其在发生故障时，在每个冷面里设有至少一个孔，如果有至少两个孔的话，则它们是均匀围绕圆周分布的孔。
附图说明
以下，按照附图并结合说明书来进一步强调作为所采取措施结果的本发明优点。附图包括图1-图4，它们详细示出了：
图1：表示有两个脉冲管冷却器的结构；
图2a：用于保持间距的螺旋状软卷绳；
图2b：作为真空外壁的波纹管；
图3：有两个McMahon冷却器的装置；
图4：低温恒温器的原理性结构。
具体实施方式
图2示出了两级脉冲管冷却器的冷头的示意构造及其安装到低温恒温器里的装配。脉冲管冷却器及其部件只是用此处标准的部件来表示。两级冷却器包括蓄热器21，它有一通向一个来表示出的且提供脉冲气流的压缩机的连接管35。压力通常在约10巴-25巴之间变化。气流在蓄热器21的另一端被分支，从而使第一分支气流通过一个第一传热器25被输送给第一脉冲管23。在其相对的一端上，通过管接头34输入一第二气流。当该气流的大小被调定得适合且适当错开时间时，在传热器25区域里就产生冷却作用。通过这种冷却功率，辐射屏蔽罩4冷却到第一温度水平，该温度水平已明显低于环境温度。为使辐射屏蔽罩4热耦合于制冷位置上，传热器25被装入一个导热良好的结构中，即所谓的第一冷面26的结构里。在面对装在颈管8上的传热环10的那一面上，第一冷面26具有一种周边有齿的结构，而传热环10具有互补结构。这种齿形结构的设计应保证在冷面26和传热环10之间的如图所示的垂直布置的极限面上形成一个很窄的间隙，这个间隙中充有在容器2里汽化的气体。但另一方面，所述啮合齿的设计应保证在垂直方向上可以进行滑移。通过这种措施，一方面实现了良好的热耦合，另一方面可以实现滑移，例如由于热收缩不同而出现的移动，而且可以在需要时不必对低温恒温器进行预热就拆除和装入该冷头。
从有一中间温度的第一蓄热器21流出的气体的第二分支气流流至第二蓄热器22中并从那里经过第二传热器27流入第二脉冲管24，同样有一个脉冲气流在上端经过管接头36被输送给第二脉冲管24。因而，在第二传热器27区域里就造成进一步降温。目前的现有技术是这样设计该冷却器的，即在第一级中可支配一个在温度范围30K-100K之间的第一冷却功率，在第二级上可支配一个较小的冷却功率，它用于氦冷凝并在小于5K的温度范围内。若第二传热器27埋在第二个冷面28即一个在蒸发氦气侧有大表面的也良好导热的结构里，则在容器2里蒸发的氦就在那里冷凝并回流到位于其下的液池里。
根据具有一个脉动气流的冷却器的运行方式，在一个单独的工作循环中，在承受内压的管子的表面上也出现了小的温度波动。在脉冲管23、24里，这种效应特别突出。在面向蒸发氦气的那面上的温度变化导致气体局部有限地膨胀。但是，这就造成气体在整个由管子8a、8b构成的容器颈部里运动。由此最终出现一个不希望有的、从热的上固定凸缘33到冷气室7的热流。还出现另一种效果，该效果与出现在蓄热器和脉冲管里的不同温度有关。由此可能出现：在相同的高度上，在该部件上存在不同的温度。因而，被迫激起自然对流，这种对流同样造成有害的热传输。
如果两个蓄热器21、22和两个脉冲管23、24由绝热的壁板29-32构成，则避免了这两种效果。这或者可以通过具有一个平放的绝热的塑料层或通过设置该真空腔室的一个被抽真空的中间腔来实现。数字30表示包围第一蓄热器的装料管，29表示第一脉冲管的装料管，31表示第二蓄热器的装料管，32表示第二脉冲管的装料管。不利的是：这样的装料管壁造成流向各自冷端的附加热流。为减弱这种效应，必须使装料管尽可能设计成薄壁的。但是，壁厚太小时就有以下危险：从外面作用的压力负荷将管子压瘪。这通过图2a、2b简明表示的措施来克服。图2示出了具有最大直径的部件即第一的蓄热器21的例子，如装料管30通过装在内管21a上的支承机构被稳定。图2b表示第二种解决方案。在此，装料管被设计成薄壁波纹管，若其内径略大于内管外径，就只会造成同可忽略的热桥的点接触。这些装料管可以长期被密封起来，或者具有用于连接一个真空泵的连接管路。
在正常运行时，在颈管8a、8b内的氦气处于无内部对流的稳定的温度分布形态，并且排气管37被封住了。只有当气室里的压力因干扰而超过预定值时，才使排气管37例如通过一个过压阀被打开。如果必须要有大量气体流出，那么第一冷面可以开设有孔，所述孔可以使气体从具有周围壁板8b的下颈部轻易地流出到具有周围壁板8a的部分里。
图3示意表示Gifford-McMahon冷却器，它用于在其重要部件里的氦气的二次液化，也就是说，示出了用于采用一个二级Gifford-McMahon冷却器的类似的解决方案。第一级通过圆柱形结构41构成，其下端面形成第一冷面26。装在上面的第二圆筒43具有较小的直径，第二圆筒构成了第二级。在圆筒41、43内部的压力脉动以及在那里进行的蓄热器运动也造成外壁上的温度波动。为了避免由此引起的不希望有的热流动，就要使两个圆筒的外表面绝热。在图中示出了采用一个波纹管外套42、44的解决方案。其它的上面讨论过的方案同样也可以用在Gifford-McMahon冷却器中。
                        附图标记一览表
1       低温容器，氦低温恒温器  33          凸缘盖
2       内容器                  34，35，36  气体管路
3       容器壁                  37          气体管路
4       辐射屏蔽罩              37a         气体管路
5       励磁线圈                37b         排气管路
6a      馈电线                  40          Gifford-McMahon冷却
                                            器
6b      馈电线                  41          结构
7       水平                    42          波纹管外套
8       颈管                    43          圆筒
9       连接凸缘                44          波纹管外套
10      接通环，传热环
20      脉冲管冷却器
21，22  蓄热器
23，24  脉冲管
25      传热器
26      冷面
27      传热器
28      冷面
29-32   装料管

Claims (10)

1.用低温发生器来再冷凝从液化气容器中蒸发出的气体中的易沸腾气体的装置，该装置包括：
-或是一个一级的冷却装置即冷头，它在一个管子(8)即颈管(8)里，该冷却装置从该装置的容器(3)的开口/连接凸缘(9)起伸向该装置的液化气容器(2)，这冷却装置有一个以其暴露的面伸入液化气容器(2)的冷的气化腔里的冷面(28)，其中该冷却装置即该冷头包括一个蓄热器(21)和一个脉冲管(23)以及在该蓄热器和该脉冲管之间的传热器(25)，该传热器(25)嵌在该冷面(26)里，该冷却装置的所述部件即蓄热器(21)和脉冲管(23)各自被一个绝热的外套/热屏蔽罩(20，30，31，32)包围住；
-或是一个至少两级的冷却装置，它在从一个容器(3)的开口/连接凸缘(9)到液化气容器(2)的颈管(8)里，该装置分别有一个冷面(26；28)，所述冷面可以被装入和拆除，而不用加热要供给的液化气池，该冷却装置的每一级包括一个蓄热器(21；22)和一个脉冲管(23；24)以及在它们之间的传热器(25；27)，每个传热器都嵌在各自一个冷面(26；28)里，
最后一级的冷面以其暴露的面伸入液化氦气容器(2)的冷的气化腔里，
该冷却装置各级的部件即蓄热器(21；22)和脉冲管(23；24)分别被一个绝热的外套/热屏蔽罩(20，30，31，32)包住，
除了最后的冷面(28)之外的所有冷面(26)都在朝向下级的方向上同轴地位于各自一个传热环(10)的对面，这些传热环被装在颈管(8)中的相应位置上，
各个冷面(28)可以轴向移动地并在围绕圆周面形成等间距的情况下嵌在对应的传热环(10)里，但不与其接触，因而存在一个从气化腔经过液化气池而到达第一冷却级起点的气体通道，
所述至少两级的且伸入颈管(8)里的冷头锚固在一个凸缘盖(33)上，该凸缘盖又与容器壁(3)的连接凸缘(9)用螺栓连接，所述冷头可以完成轴向热膨胀。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，各个绝热的外套/热屏蔽罩(20，30，31，32)由一个绝热的层构成。
3.按权利要求1所述的装置，其特征在于，各个绝热的外套/热屏蔽罩(20，30，31，32)由一个从端面到端面贯通的真空腔室构成，该腔室的外壁由圆筒形管子构成，该管子通过造形或支承机构保持刚性，因而外压力没有将该管子压贴在内壁上。
4.按权利要求3所述的装置，其特征在于，该管子(20，30，31，32)通过一个绝热的支承机构或多个各自围绕该管子的支承机构来保持。
5.按权利要求4所述的装置，其特征在于，该支承机构是呈螺旋状从上到下或从下到上地围绕这些部件的绳。
6.按权利要求4所述的装置，其特征在于，该支承机构是呈螺旋状从上至下或从下到上地但不连续且不相互接触地卷绕这些部件的绳。
7.按权利要求3所述的装置，其特征在于，各个绝热的外套/热屏蔽罩(20，30，31，32)是波纹管，该波纹管的内径大于要包围的部件，因而出现了点状的或局部至多呈线状的接触。
8.按权利要求3所述的装置，其特征在于，各个绝热外套/热屏蔽罩(20，30，31，32)是带有卷边或线状加强结构的管子，它可以呈点状或至多局部呈线状贴着。
9.按权利要求7所述的装置，其特征在于，各个绝热外套/热屏蔽罩(20，30，31，32)是波纹管，该波纹管的内径大于所包围的部件，该管子通过绝热的、呈螺旋状或沿轴向装在部件上的杆状件与具有通孔的部件在长度范围内保持距离。
10.按以上权利要求之一所述的装置，其特征在于，在每个冷面(26)上有至少一个孔(37a)，如果至少有两个孔，则是均匀围绕圆周分布的孔(37a)，这些孔简化了气体流动。
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