CN1491339A - 用于提供深度致冷的系统 - Google Patents

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Abstract

一种特别是在较大的温度范围内并在深冷温度下用于向热负荷提供致冷效果的系统，其中脉冲管致冷器(40)冷却传热介质(5)，以便向致冷流体(13)提供更高能级的致冷效果，通过使用非脉冲管式的系统向该致冷流体提供较低能级的致冷效果。

Description

用于提供深度致冷的系统
技术领域
本发明涉及一种低温或深度致冷，尤其涉及脉冲管致冷。
背景技术
例如氖气、氢气、或氦气的特定气体的冷却、液化和/或过冷、或蒸浓需要产生非常低温的致冷。例如在大气压下，氖气在27.1K时液化，氢气在20.39K时液化、而氦气在4.21K时液化。产生这种非常低温的致冷是非常昂贵的。因此对于例如氖气、氢气、或氦气的流体的使用在例如能量产生、能量传递、电子设备的领域中格外重要，所以在这种用于使流体液化的系统中任何改进是非常希望的。
在产生低温致冷的领域中，近来的显著改进是脉冲管，其中通过使用振荡气流将脉冲能量转化成致冷效果。这种系统可产生非常低能级的致冷效果，例如足以液化氦气。然而，如果起始点是例如环境温度的较高温度，则这种由脉冲管系统产生的致冷效果是非常昂贵的。
因此，本发明的一目的在于提供一种使用脉冲管系统来提供深度致冷的系统，与目前的可获得的使用脉冲管技术的系统相比，该脉冲管系统可更高效地提供这种致冷效果。
发明内容
通过阅读本说明书，对于本领域的普通技术人员来说明显的是，通过本发明可实现本发明的以上和其它的目的，本发明的一个方面是：
一种用于向热负荷提供致冷的方法，其包括：
(A)压缩脉冲管气体，以产生热的压缩的脉冲管气体；冷却该压缩的脉冲管气体；并且使得该被冷却的脉冲管气体膨胀以产生冷的脉冲管气体；
(B)通过与传热介质间接热交换来对该冷的脉冲管气体加温，以便产生被冷却的传热介质，并且通过与致冷流体间接热交换来对该被冷却的传热介质加温，以便产生处于10-280K范围内的第一温度的被冷却的致冷流体；
(C)向该被冷却的致冷流体中提供致冷，以便产生处于3-150K范围内的低于该第一温度的第二温度的冷的致冷流体；以及
(D)通过从该冷的致冷流体将致冷效果传递到热负荷中，从而对该冷的致冷流体加温。
本发明的另一方面是：
一种用于向热负荷提供致冷的设备，其包括：
(A)脉冲管致冷器，其包括再生器主体、具有脉冲管热交换器的脉冲管主体、用于在该再生器主体中产生振荡流动的加压气体的装置、以及用于在该脉冲管主体中使气体经该脉冲管热交换器膨胀的装置；
(B)预冷回路，其包括预冷热交换器、用于将传热介质从该脉冲管热交换器传送到该预冷热交换器的装置、以及用于将传热介质从该预冷热交换器传送到该脉冲管热交换器的装置；
(C)用于将致冷流体传送到该预冷热交换器的装置，和在该预冷热交换器的下游用于向该致冷流体中提供致冷效果的装置；以及
(D)热负荷，和用于从该致冷流体将致冷效果传送到该热负荷中的装置。
本文使用的术语“间接热交换”意味着流体形成热交换关系，并且流体彼此之间没有任何物理接触或相互混合。
本文使用的术语“直接热交换”意味着通过与冷却和加热实体的接触来进行致冷效果的传递。
本文使用的术语“磁”意味着通过外施加电场来感应出物质的磁性性质。
本文使用的术语“热负荷”意味着处于较高温度的可接收致冷效果并由此冷却到较低温度的实体。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施例的示意图，其中通过多元致冷剂的压缩/膨胀循环的运行向被冷却的致冷流体提供较低能级的致冷效果；
图2是本发明的一个优选实施例的示意图，其中通过Brayton致冷器的运行向被冷却的致冷流体提供较低能级的致冷效果；和
图3是本发明的一个优选实施例的示意图，其中通过磁致冷器的运行向被冷却的致冷流体提供较低能级的致冷效果。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明。参照图1，脉冲管致冷器40包括再生器主体41和脉冲管主体1，脉冲管主体包括脉冲管热交换器42。再生器41包含脉冲管气体，该气体可以是氢气、氖气、氮气、氦气和氖气的混合物、氖气和氮气的混合物、或氦气和氢气的混合物。氦气和氢气的混合物是优选的。
脉冲即压缩力借助于脉冲发生器43施加到再生器主体41的热端，由此启动脉冲管序列的第一部分。优选的是，该脉冲由活塞来提供，该活塞压缩与再生器主体41连通的脉冲管气体的贮气室。向该再生器施加脉冲的另一优选手段是使用热声驱动器向再生器内的气体施加声能。用于施加脉冲的又一方式是借助于线形马达/压缩机结构。另一手段是借助于扬声器施加脉动。施加脉冲的另一优选手段是借助于行进波发生器。该脉冲用来压缩脉冲管气体，以便在再生器主体41的热端处产生热的压缩的脉冲管气体。热的脉冲管气体通过与在热交换器44中的传热流体33进行间接热交换而被冷却，以产生加热的传热流体流34并产生冷却的压缩的脉冲管气体，以便流经再生器主体的其余部分。在本发明实施中用作传热流体的流体的示例包括水、空气、乙二醇等。
再生器主体包含传热介质。在本发明实施中的适当的传热介质的示例包括钢球、金属丝网、高密度蜂窝结构、网眼钢板、铅球、铜及其合金、稀土元素的复合物、和过渡金属。
传热介质处于低温，通常为在冷端处在10-280K的范围内，在暖端处在200-310K的范围内，将该低温传递给在以下将详细描述的脉冲管序列的第二部分中。当被冷却的压缩的脉冲管气体流经再生器主体时，该气体通过与冷的传热介质的间接热交换而被进一步冷却，以产生加热的传热介质和进一步冷却的脉冲管气体，通常在冷端处在9-279K的温度范围内，在热端处在199-309K的范围内。
在冷端该进一步冷却的脉冲管气体从再生器主体41流到脉冲管主体1，并且经脉冲管热交换器42膨胀。当该进一步冷却的脉冲管气体在冷端处流入脉冲管主体1，该气体产生气体压力波，该压力波流向脉冲管主体1的暖端并压缩在该脉冲管内的被称为脉冲管工作流体的气体，由此加热该脉冲管工作流体。
冷却流体35流向热交换器36，其中该冷却流体通过与脉冲管工作流体间接热交换而被加温或气化，这样作为吸热源以便冷却脉冲管工作流体。所得到的加温的或气化的冷却流体从热交换器36以流体流37的形式抽出。优选的是，冷却流体35是水、空气、乙二醇等。
具有通向贮存器39的孔口38的管路连接到脉冲管主体1的暖端。脉冲管工作流体的压缩波与脉冲管主体的暖端接触，并且返回到脉冲管序列的第二部分。孔口38和贮存器39用来保持同相的压力波和流动波，以便在脉冲管主体1的冷端处在膨胀循环和压缩循环的过程中使得脉冲管产生净致冷效果。在本发明的实施过程中，用于保持压力波和流动波同相的其它装置包括惯性管和孔口、膨胀器、线性振荡器、波纹管结构，以及带有质量流量抑制器的功回收管路。在膨胀序列中，脉冲管气体经脉冲管热交换器42膨胀，以便在脉冲管主体1的冷端处产生冷的脉冲管气体。膨胀后的气体反转其方向，从而使该气体从脉冲管主体流向再生器主体42。
流出脉冲管热交换器42的脉冲管气体流经再生器主体41，其中该气体在再生器主体中与传热介质直接接触，以便产生上述的冷的传热介质，由此完成该脉冲管致冷序列的第二部分，并使得该再生器进入对于后续的脉冲管致冷序列的第一部分的状态。
在本发明的实施过程中，脉冲管主体仅包含用于在冷端处从膨胀的脉冲管气体中传递压能并且用于在脉冲管的暖端处加热脉冲管工作流体的气体。也就是说，脉冲管致冷器40没有包含如活塞式装置使用的移动部件。脉冲管可具有锥度，以助于压力波和流动波之间的适当的相位角的调节。此外，该脉冲管可具有被动排出器，以助于脉冲管的端部的分离。另外，脉冲管具有在脉冲管暖端和压力波管路45之间的连接管路，以代替带有例如波纹管结构的质量流量抑制器的孔口和贮存器，以便回收损失功。
传热介质在管路7中传送到泵4，并且从泵4经管路5泵送到脉冲管热交换器42，其中传热介质通过与冷的脉冲管气体间接热交换而被冷却，该脉冲管气体从再生器主体41膨胀进入脉冲管主体1中。适合于实施本发明的传热介质的示例包括氦气、氖气、氢气、例如氮气、氩气、和空气等的大气源气体、例如甲烷、乙烷、乙烯、液化天然气、液化石油气等的碳氢化合物、例如四氯化碳、三氟甲烷等的碳氟化合物和碳氟氢化合物、选择的氟代醚和氟氢代醚、以及包括一种或多种以上物质的混合物。
所得到的被冷却的传热介质在管路6中从脉冲管热交换器42传送到预冷热交换器30，在其中该传热介质被加温，以便通过间接热交换从而冷却在管路13中流经热交换器30的致冷流体。该加温的传热介质在管路7中从预冷热交换器30抽出并循环返回到上述的脉冲管致冷器。
在由图1所示的本发明的实施例中，用于向致冷流体提供较低能级致冷效果的系统是多元的致冷系统，其中在回路中循环的多元致冷流体经过压缩和膨胀步骤并且向热负荷输送致冷效果。在该实施例中，该多元致冷流体优选为包括至少一种大气源气体，例如优选为氮气、氩气和/或氖气，并且优选包括至少一种包含多达六个碳原子的化合物的氟，例如碳氟化合物、碳氟氢化合物、氟代醚和氟氢代醚，和/或至少一种具有多达五个碳原子的碳氢化合物。
再参照图1，在该实施例中压缩的致冷流体13是多元致冷流体，该致冷流体通过流经预冷热交换器30与上述的加温的传热介质间接热交换从而被冷却到在10-280K范围内的第一温度。所获得的被冷却的致冷流体14通过流经热交换器31被进一步冷却，并且所获得的致冷流体流15经过例如焦耳-汤姆森(Joule-Thomson)阀16的膨胀装置从而经历了膨胀过程，以便产生致冷效果。通过经阀16膨胀而向致冷流体提供的该致冷效果导致处于第二温度的冷的致冷流体17的形成，该第二温度低于第一温度并处于3-150K的范围内。冷的致冷流体17传送到热交换器32，在其中该冷的致冷流体17被加温，由此将致冷效果从冷的致冷流体17传送给热负荷3。传送给热负荷3的致冷效果的使用的示例包括超导电缆的冷却、工业气体的液化、再液化、推进剂的蒸浓、空气分离、以及深冷气体的分离。
所获得的加温后的致冷流体18通过流经热交换器31被进一步加温，并且随后所获得的流体流19仍通过流经预冷热交换器30被进一步加温，在其中该流体流帮助致冷流体冷却到第一温度。来自热交换器30的所获得的致冷流体20在压缩机10中被压缩到范围大致在50-2000磅每平方英寸绝对压力(psia)的压力。压缩后的致冷流体11通过流经冷却器12使得压缩热被冷却，并且所获得的压缩后的致冷流体13经过预冷热交换器30并重复致冷循环。
图2和图3示出了本发明的其它优选实施例。在图2和图3中的与图1相同的附图标记表示通用部件，这些通用部件在此不再详细描述。图2示出了一实施例，其中通过使用Brayton致冷器使较低能级的致冷效果提供给致冷流体，而图3示出了一实施例，其中通过使用磁致冷器使较低能级的致冷效果提供给致冷流体。
现参照图2，Brayton系统的工作流体在Brayton系统压缩机70中被压缩，并且排出压缩热(未示出)。所获得的致冷流体13在热交换器30中由于返回流体流19和流体流6而使过热消除以达到第一温度。所获得的流体流14在热交换器31中进一步消除过热，并通过Brayton系统膨胀器71等熵地膨胀，以便产生致冷效果并将致冷流体或Brayton系统的工作流体冷却到第二温度。所获得的工作流体17在热交换器32中向热负荷3提供致冷效果并随后返回到Brayton系统压缩机70的吸入口。
现参照图3，磁致冷器100包括可磁化材料床101、可移动的强电磁体102、活塞103和104、冷的热交换器105、以及热的热交换器106。可在实施本发明过程中使用的可磁化材料的示例包括GdNi2，GdZn2，GdTiO3，Gd2Ni17，GdAl2，GdMg，GdCd，Gd4CO3，GdGa，Cd5Si4，GdZn。围绕磁性床颗粒的空隙空间和在活塞气缸107和108中的容积被工作流体填充，该工作流体包括例如氦气、氖气、氮气、氩气、甲烷、四氯化碳、碳氟化合物、碳氟氢化合物、氟代醚和氟氢代醚。
在循环开始时，冷的热交换器105初始处于低温下，而热的热交换器106处于较温热的温度下。磁体102用于使床101磁化。磁致热效应导致每一磁化颗粒在床101中稍微加温。活塞103和104移动到它们的极右位置，以便导致被封闭的工作流体即氦气从左气缸107流经冷的热交换器105、磁化致冷器床101、和热的热交换器106，以便填充气缸108中的容积。在床101中的颗粒被该流动的气体冷却，并且该气体又被加温。当该气体流经热的热交换器106时，来自该气体的热量传递给冷却水。当活塞到达它们的极右位置时，该气体流停止并且磁场消除，以便通过磁致热效应来冷却床101。活塞103和104移动回到它们的极左位置，使得氦气从气缸108流经热的热交换器106、磁化致冷器床101、和冷的热交换器105进入气缸107的容积中。当氦气流经床101时，氦气通过直接热交换而被冷却，并且当氦气向被冷却的致冷流体提供致冷效果时氦气被加温，从而产生上述处于第二温度下的冷的致冷流体。在该实施例中，通过泵72的操作使得致冷流体流经致冷流体回路。
在表1中，通过使用本发明的三个所示实施例，将氦气冷却到4.3K所需的计算能量以千焦每千克的形式进行制表，其中脉冲管致冷器产生300-50K的致冷效果，并且多元致冷剂循环(A)、Brayton致冷器(B)、和磁致冷器(C)中的每一种产生50-4.3K的致冷效果。为了比较，还示出了对照实施例D，其通过仅使用脉冲管将温度从300K降到4.3K所需的能量。可看出，本发明的混合致冷系统具有上游的脉冲管致冷器，该致冷系统在提供致冷效果方面与仅使用脉冲管的致冷效果相比显著降低了所需的能量。
表1
致冷系统       所需能量
A               58,100
B               45,200
C               40,800
D               707,100
尽管参照优选实施例详细描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解其它实施例仍落在权利要求的精神和范围内。

Claims (8)

1.一种用于向热负荷提供致冷的方法，其包括：
(A)压缩脉冲管气体(45)，以产生热的压缩的脉冲管气体；冷却(44)该压缩的脉冲管气体；并且使得该被冷却的脉冲管气体膨胀以产生冷的脉冲管气体；
(B)通过与传热介质(5)间接热交换来对该冷的脉冲管气体加温(42)，以便产生被冷却的传热介质(6)，并且通过与致冷流体(13)间接热交换来对该被冷却的传热介质加温(30)，以便产生处于20-280K范围内的第一温度的被冷却的致冷流体(14)；
(C)向该被冷却的致冷流体中提供致冷，以便产生处于3-150K范围内的低于该第一温度的第二温度的冷的致冷流体(17)；以及
(D)通过从该冷的致冷流体将致冷效果传递到热负荷中，从而对该冷的致冷流体加温(32)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该致冷流体是多元致冷流体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使该致冷流体膨胀(16、71)，从而向该致冷流体中提供致冷效果。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该致冷流体的所述膨胀是等熵膨胀(71)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使可磁化材料床(101)磁化、使该磁化的床材料(101)去磁、通过使工作流体与该去磁的床材料(101)接触而冷却该工作流体、并且通过与该被冷却的工作流体间接热交换而冷却该致冷流体(15)，从而向该致冷流体中提供致冷效果。
6.一种用于向热负荷提供致冷的设备，其包括：
(A)脉冲管致冷器(40)，其包括再生器主体(41)、具有脉冲管热交换器(42)的脉冲管主体(1)、用于在该再生器主体中产生振荡流动的加压气体的装置(43)、以及用于在该脉冲管主体中使气体经该脉冲管热交换器膨胀的装置；
(B)预冷回路，其包括预冷热交换器(30)、用于将传热介质(6)从该脉冲管热交换器(42)传送到该预冷热交换器(30)的装置、以及用于将传热介质(7)从该预冷热交换器(30)传送到该脉冲管热交换器(42)的装置；
(C)用于将致冷流体(13)传送到该预冷热交换器(30)的装置，和在该预冷热交换器(30)的下游用于向该致冷流体(15)中提供致冷效果的装置(16、71、100)；以及
(D)热负荷，和用于从该致冷流体将致冷效果传送到该热负荷中的装置(32)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，其还包括压缩机(10、70)和膨胀装置(16、71)；其中用于将致冷流体传送到预冷热交换器(30)的装置包括该压缩机(10、70)，并且在该预冷热交换器(30)的下游用于向该致冷流体中提供致冷效果的装置包括该膨胀装置(16、71)。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，其还包括具有可磁化材料床(101)的磁致冷器(100)、用于使该磁化的床材料(101)磁化和去磁的装置(102)、并包含用于与该可磁化材料床接触的工作流体；其中在该预冷热交换器(30)的下游用于向该致冷流体中提供致冷效果的装置包括用于传送致冷流体使其与该工作流体间接热交换的装置(105)。
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