KR20150103020A - 냉동 및/또는 액화 장치 및 대응 방법 - Google Patents

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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

작동 가스를 위한 루프의 형태의 작동 회로를 포함하고, 압축 스테이션(1), 냉각 박스(2), 냉각된 작동 가스와 유저(10) 사이의 열의 교환을 위한 시스템(14), 보조 극저온 유체 체적(3)을 포함하는 압축 스테이션(2)을 떠나는 작동 가스의 부가의 예비 냉각을 위한 시스템을 직렬로 포함하고, 냉각 박스(2)는 제1 열교환기(5) 및 제2 열교환기(15)를 포함하는 작동 가스용 제1 냉각 스테이지를 포함하고, 이들 열교환기는 압축 스테이션(1)의 출구에서 작동 회로에 직렬 및 병렬의 모두로 접속되고, 제1 냉각 스테이지는 보조 유체와 선택적으로 열교환하는 제3 열교환기(25)를 또한 포함하는 냉동 장치는, 제3 열교환기(25)는 제1 열교환기(5) 및 제2 열교환기(15)에 직렬 및 병렬의 모두로 접속되고, 작동 회로는 적어도 하나의 밸브(225)가 장착되고 제3 열교환기(25)의 출구를 제2 열교환기(15)에 접속하는 회수 파이프(125)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉동 및/또는 액화 장치 및 대응 방법 {REFRIGERATION AND/OR LIQUEFACTION DEVICE AND CORRESPONDING METHOD}
본 발명은 냉동 및/또는 액화 장치 및 대응 방법에 관한 것이다.
본 발명은 더 구체적으로 헬륨을 함유하거나 또는 순수 헬륨으로 이루어진 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 작동 가스를 위한 루프의 형태의 작동 회로를 포함하고,
- 적어도 하나의 압축기를 구비한 작동 가스 압축 스테이션,
- 직렬로 배열된 복수의 열교환기 및 작동 가스를 팽창하기 위한 적어도 하나의 부재를 포함하는, 작동 가스를 냉각하기 위한 냉각 박스,
- 냉각된 작동 가스와 유저(user) 사이의 열의 교환을 위한 시스템,
- 열교환 시스템을 통해 통과된 작동 가스를 압축 스테이션으로 복귀시키는 적어도 하나의 복귀 파이프로서, 복귀 파이프는 작동 가스를 가온(warming)하기 위한 적어도 하나의 열교환기를 포함하는, 복귀 파이프
를 직렬로 포함하고,
장치는 압축 스테이션으로부터 출구에서 작동 가스를 예비 냉각(pre-cooling)하기 위한 부가의 시스템을 더 포함하고, 예비 냉각 시스템은 액체 질소와 같은 보조의 극저온 유체의 체적을 포함하고, 체적은 보조 유체로부터 작동 가스로 프리고리(frigories)를 선택적으로 전달하기 위해 적어도 하나의 열교환기를 거쳐 작동 회로에 접속되고, 냉각 박스는 압축 스테이션의 출구에서 작동 회로에 직렬 및 병렬의 모두로 접속된 제1 및 제2 열교환기를 포함하는 제1 작동 가스 냉각 스테이지를 포함하는데, 즉 압축 스테이션을 떠나는 작동 가스가 제1 및/또는 제2 열교환기로 선택적으로 유입될 수 있고, 제1 냉각 스테이지는 보조 유체와 선택적으로 열교환 관계에 있는 제3 열교환기를 또한 포함한다.
본 발명은 특히, 플라즈마 발생 장치("TOKAMAK")의 초전도 케이블 또는 구성 요소와 같은 유저를 연속적으로 냉각하기 위한 관점에서 매우 낮은 온도(예를 들어, 헬륨의 경우에 4.5 K)를 발생하는 헬륨 냉동기/액화기에 관한 것이다. 냉동/액화 장치에 의해 의도되는 것은 특히 헬륨과 같은 저분자량을 갖는 가스를 냉각하는, 적절한 경우에 액화하는 매우 저온(극저온) 냉동 장치 및/또는 액화 장치이다.
유저가 냉각될 때, 즉 유저가 비교적 높은 시작 온도(예를 들어, 300 K 이상)로부터 결정된 낮은 공칭 작동 온도(예를 들어, 대략 80 K)로 유도될 필요가 있을 때, 냉동/액화 장치는 일반적으로 이러한 냉각에 부적합하다.
무거운 구성 요소(예를 들어, 초전도 자석과 같은)가 장기간에 걸쳐(수십일에 걸쳐) 주위 온도로부터 80 K로 냉각될 때 발생하는 것은, 헬륨의 비교적 고온 및 저온 스트림(유저를 향해 공급되고 유저로부터 복귀됨)이 공통 교환기를 통해 역류방향으로 통과하는 것이다. 장치가 그럼에도 정확하게 작동하게 하기 위해, 이들 헬륨의 스트림들 사이의 온도차를 제한할 필요가 있다(예를 들어, 40 K 내지 50 K의 최대차로).
이와 같이 하기 위해, 장치는 이 냉각 중에 프리고리를 공급하는 보조 예비 냉각 시스템을 포함한다.
논문("Solutions for liquid nitrogen pre-cooling in helium refrigeration cycles" by U. Wagner of CERN - 2000)에 특히 예시되어 있는 바와 같이, 예비 냉각 시스템은 일반적으로 적어도 하나의 열교환기를 거쳐 작동 가스에 프리고리를 공급하는 액체 질소의 체적(일정한 온도, 예를 들어 80 K에서)을 포함한다.
그러나, 이들 공지의 예비 냉각 시스템은 제약 또는 단점을 갖는다.
따라서, 80 K의 헬륨을 더 고온의 헬륨(주위 온도 또는 냉각될 유저로부터 복귀할 때의 온도)과 혼합할 필요가 있다.
액체 질소의 소비를 제한하기 위해, 더욱이 유저가 점진적으로 냉각됨에 따라 냉각될 유저로부터 복귀하는 헬륨으로부터 프리고리를 회수할 필요가 있다. 온도차 및 성능에 대한 이들 제약은 다양한 작동 구성(냉각, 정상 작동)에 따라 상이한 열교환기 기술을 필요로 한다.
따라서, 정상 작동 중에(냉각 페이즈 외의), 교환기들은 매우 높은 성능, 즉 낮은 압력 강하를 가질 필요가 있고, 상당한 온도차에 직면하지 않아야 한다. 이 정상 작동에 적합한 열교환기는 알루미늄 브레이징된(brazed) 플레이트 및 핀(fin)형의 열교환기를 포함한다. 이 유형의 교환기는 통상적으로 역류 유체들 사이에 50 K 초과의 온도차를 견딜 수 있다.
무거운 유저의 냉각 중에, 교환기에 요구된 열교환 성능은 높지 않지만, 높게 유지된다. 대조적으로, 온도차(일정한 온도에서 액체 질소에 기인하는)는 비교적 높게 된다(50 K 초과).
회로 및 교환기 내의 헬륨 온도가 여전히 높을 때, 압력 강하는 정상 작동시에 요구되는 것보다 훨씬 더 크다.
이들 문제점을 처리하기 위한 현존하는 해결책은 헬륨과 질소 사이의 열의 교환을 제공하는 냉각 박스로의 입구에 주 교환기를 수반한다. 다른 해결책은 이 주 교환기가 유체(헬륨 또는 질소)의 성질에 따라 상이한 열교환기 기술을 사용하여 제조된 다수의 독립적인 섹션으로 분할되게 하기 위한 것을 제공한다.
이들 해결책은 장치가 정상 작동에 부적합하고 또는 냉각 페이즈에 부적합하기 때문에 문제점들에 대한 만족스러운 해결책을 제공하지 않는다.
본 발명의 목적인 상기에 개시된 종래 기술의 단점의 전부 또는 일부를 완화하는 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 장치는, 다른 관점에서 상기 서두에 제공된 그 일반적인 정의에 따르면, 본질적으로 제3 열교환기는 제1 및 제2 열교환기에 직렬 및 병렬의 모두로 접속되는데, 즉 제1 및/또는 제2 열교환기를 떠나는 작동 가스는 제3 열교환기에 선택적으로 유입되고, 작동 회로는 적어도 하나의 밸브가 장착되어 있고 제3 열교환기를 떠나는 작동 가스로부터 제2 열교환기로의 프리고리의 전달을 선택적으로 허용하기 위해 제2 열교환기에 제3 열교환기의 출구를 접속하는 회수 파이프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명의 몇몇 실시예는 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
- 제1, 제2 및 제3 열교환기 중 적어도 하나는 플레이트 및 핀형의 알루미늄 열교환기이고,
- 제3 열교환기는 보조 유체의 체적 내에 적어도 부분적으로 침지된 열교환기이고,
- 제3 열교환기는 체적으로부터 이격되고 적어도 하나의 공급 파이프를 포함하는 회로를 거쳐 보조 유체를 선택적으로 공급받는 교환기이고,
- 장치는 증발된 기체 보조 유체로부터 작동 가스로 프리고리를 선택적으로 전달하기 위해, 제2 열교환기 내의 통로를 거쳐 원격 회수 시스템에 체적의 상단부를 접속하는, 증발된 보조 가스를 배출하기 위한 파이프를 포함하고,
- 제3 열교환기의 출구에서, 작동 회로는 2개의 평행한 라인으로 세분된 제한부를 포함하고, 2개의 라인들 중 하나는 회수 파이프를 구성하고, 상기 제한부는 2개의 평행한 라인 사이의 선택적 분배를 보장하기 위한 밸브(들)의 집합체를 포함하고,
- 제3 열교환기를 통해 통과한 회수 파이프는 작동 가스의 냉각을 계속하기 위해 냉각 박스의 작동 회로에 하류측에서 접속되고,
- 제1 및 제2 열교환기는 2개의 열교환기 사이의 병렬 접속부 및 직렬 접속부를 형성하는 파이프 및 밸브의 네트워크와 제1 열교환기를 바이패스하는 바이패스 라인을 거쳐 압축 스테이션의 출구에서 작동 회로에 직렬 및 병렬의 모두로 접속되고,
- 체적은 보조 유체의 소스에 접속되고 밸브가 장착된 전달 파이프를 거쳐 보조 유체를 선택적으로 공급받고,
- 제1 열교환기는 상이한 각각의 온도에서 작동 가스의 상이한 스트림들 사이에 열을 교환하는 유형이고, 압축 스테이션을 떠나는 고온 고압 작동 가스라 칭하는 가스를 공급받는 제1 통로, 제1 통로에 역류 방향에 있고 저온 저압에 있다고 일컬어지는 작동 가스용 복귀 파이프에 의해 공급받는 제2 통로 및 제1 통로와 역류 방향에 있고 열교환 시스템을 통해 통과하지 않은 냉각 박스로부터 작동 가스를 복귀시키는 작동 회로 복귀 파이프를 거쳐 중간 압력에 있다고 일컬어지는 작동 가스를 공급받는 제3 통로를 포함하고,
- 제2 열교환기는 작동 가스와 보조 가스 사이에 열을 교환하는 유형이고, 제1 열교환기로부터 오는 그리고/또는 냉각 박스로부터 직접 오는 작동 가스를 공급받는 제1 통로, 제1 통로에 역류 방향에 있고 배출 파이프를 거쳐 증발된 보조 가스를 공급받는 제2 통로, 회수 파이프를 거쳐 작동 가스를 공급받는 제3 통로를 포함하고,
- 제1 및 제2 열교환기의 작동 유체 출구 및 제1 열교환기를 바이패스하는 바이패스 라인은 파이프 및 밸브의 네트워크를 거쳐 제3 교환기의 작동 유체 입구에 병렬로 접속되어, 제3 열교환기가 단지 제1 열교환기로부터만 선택적으로 오는 작동 유체 및/또는 단지 제2 열교환기로부터만 오는 작동 유체 및/또는 제1 열교환기에 이어서 제2 열교환기를 통해 통과한 작동 유체를 수용하게 한다.
본 발명은 또한 상기 또는 하기의 특징들 중 임의의 하나에 따른 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치를 사용하여 유저를 냉각하는 방법에 관한 것으로서, 유저는 열교환 시스템을 거쳐 냉각되고, 방법은 120 K 내지 400 K의 초기 온도를 갖는 유저를 예비 냉각하는 단계를 포함하고, 이 단계에서, 압축 스테이션을 떠나는 작동 가스는 제1 열교환기에서, 이어서 제2 열교환기에서, 이어서 제3 열교환기에서 열의 교환에 의해 냉각되고, 제3 열교환기를 떠나는 냉각된 작동 가스는 제2 열교환기 내로 적어도 부분적으로 상류측으로 재유입되고, 여기서 프리고리를 인도한다.
더욱이, 본 발명의 몇몇 실시예는 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
- 유저는 열교환 시스템을 거쳐 냉각되고, 방법은 50 K 내지 200 K의 초기 온도를 갖는 유저를 예비 냉각하는 단계를 포함하고, 이 단계에서, 압축 스테이션을 떠나는 작동 가스는 제1 열교환기에서, 이어서 제2 열교환기에서, 이어서 제3 열교환기에서 열의 교환에 의해 냉각되고, 제3 열교환기를 떠나는 냉각된 작동 가스는 제2 열교환기를 거쳐 상류측으로 복귀하지 않고 냉각 박스 내로 작동 회로의 하류측으로 유도되고,
- 유저는 열교환 시스템을 거쳐 냉각되고, 방법은 90 K 내지 400 K의 초기 온도를 갖는 유저를 예비 냉각하는 단계를 포함하고, 예비 냉각 단계 후에 유저가 50 내지 90 K의 온도에 도달할 때, 방법은 이어서 유저의 연속적인 냉각 단계를 포함하고, 이 단계에서 압축 스테이션을 떠나는 작동 가스는 제1 열교환기 및 제2 열교환기 각각에서의 열의 교환에 의해 냉각되는 2개의 부분으로 분할되고, 2개의 가스 부분은 이어서 재조합되어 제3 열교환기 내에서 냉각되고, 제3 열교환기를 떠나는 냉각된 작동 가스는 제2 열교환기를 거쳐 상류측으로 복귀하지 않고 냉각 박스 내로 작동 회로의 하류측으로 유도되고,
- 방법은 증발된 보조 유체의 적어도 일부를 회수하는 단계 및 이 증발된 보조 유체로부터 제2 열교환기 내의 작동 가스에 프리고리를 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 상기 또는 하기의 특징들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수도 있다.
부가의 상세 및 장점이 도면을 참조하여 제공된 이하의 설명의 숙독으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 유저 부재를 냉각하기 위해 사용된 액화/냉동 장치의 구조를 도시하는 간단화된 개략 부분도를 도시한다.
도 2는 유저 부재를 냉각하기 위해 사용된 액화/냉동 장치의 구조 및 작동의 제1 예를 개략적으로 부분적으로 도시한다.
도 3은 제2 실시예에 따른 액화/냉동 장치의 냉각 박스의 상세를 개략적으로 부분적으로 도시한다.
도 4 내지 도 6은 다양한 별개의 작동 구성에서 각각 도 3의 상세를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 설비(100)는 냉각을 생성하기 위해 작업의 사이클에 헬륨을 인가하는 작동 회로를 포함하는 냉동/액화 장치를 통상의 방식으로 포함할 수도 있다. 냉동 장치(2)의 작동 회로는 헬륨을 압축하는 적어도 하나의 압축기(5) 및 바람직하게는 다수의 압축기를 구비한 압축 스테이션(1)을 포함한다.
압축 스테이션(1)을 떠날 때, 헬륨은 헬륨을 냉각하기 위해 냉각 박스(2)에 진입한다. 냉각 박스(2)는 헬륨을 냉각하기 위해 헬륨과 열을 교환하는 다수의 열교환기(5)를 포함한다. 게다가, 냉각 박스(2)는 압축된 헬륨을 팽창하기 위한 하나 이상의 터빈(7)을 포함한다. 바람직하게는, 냉각 박스(2)는 브레이튼형(Brayton type)의 열역학 사이클 또는 임의의 다른 적합한 사이클에서 작동한다. 헬륨의 적어도 일부는 냉각 박스(2)를 떠날 때 액화되고, 액체 헬륨과 냉각될 유저(10) 사이의 열의 선택적 교환을 제공하도록 설계된 열교환 시스템(14)에 진입한다. 유저(10)는 예를 들어, 초전도 자석을 사용하여 얻어진 자기장 발생기 및/또는 하나 이상의 극저온 응축 펌핑 유닛 또는 매우 저온 냉각을 필요로 하는 임의의 다른 부재를 포함한다.
도 1에 개략적으로 지시된 바와 같이, 장치는 자체로 공지의 방식으로, 압축 스테이션(2)으로부터의 출구에서 작동 가스를 예비 냉각하기 위한 부가의 예비 냉각 시스템을 더 포함한다. 예비 냉각 시스템은 액체 질소와 같은 보조 극저온 유체의 체적(3)을 포함한다. 체적(3)은 보조 유체로부터 냉각 가스로 프리고리를 선택적으로 전달하기 위해 적어도 하나의 열교환기를 거쳐 작동 회로에 접속된다.
예를 들어, 체적(3)은 보조 유체의 소스(도시 생략)에 접속되고 밸브(23)(도 3 참조)가 장착된 전달 파이프(13)를 거쳐 보조 유체를 공급받을 수도 있다.
도 2의 더 상세한 예에서, 압축 스테이션(1)은 예를 들어, 헬륨의 3개의 압력 레벨을 규정하는 직렬의 2개의 압축기(11, 12)를 포함한다. 개략적으로 지시된 바와 같이, 압축 스테이션(2)은 헬륨 정화 부재(8)를 또한 포함할 수도 있다.
압축 스테이션(1)으로부터의 출구에서, 헬륨은 이 헬륨이 다수의 교환기(5)와 열의 교환에 의해 냉각되고 터빈(7)을 통해 팽창되는 냉각 박스(2)에 유입된다.
냉각 박스(2) 내에서 액화된 헬륨은 냉각될 유저(10)와 열을 교환하도록 의도된 교환기(144)를 구비한 저장조(14) 내에 저장될 수 있다(예를 들어, 펌프를 구비한 회로). 헬륨과 유저(10) 사이의 열의 교환을 위한 이 시스템(14)은 임의의 다른 적절한 구조를 포함할 수도 있다.
열교환 시스템(14)을 통해 통과된 저압 헬륨은 작업의 사이클을 재개시하기 위해 복귀 파이프(9)를 거쳐 압축 스테이션(1)으로 복귀된다. 이 복귀 중에, 비교적 저온 헬륨은 열교환기(5)로 프리고리를 인도하고, 따라서 유저(10)에 도달하기 전에 반대방향으로 냉각되고 팽창된 비교적 고온 헬륨을 냉각한다.
도시된 바와 같이, 작동 회로는 열교환 시스템(14)을 통해 통과하지 않은 냉각 박스(2)로부터 헬륨을 압축 스테이션(1)으로 복귀시키는 복귀 파이프(19)를 포함할 수도 있다.
도 2에 가시적인 바와 같이, 장치는 예를 들어, 80 K의 온도에서 액체 질소와 같은 보조 극저온 유체의 체적(13)을 포함하는 예비 냉각 시스템을 포함한다.
냉각 박스(2)는 압축 스테이션(1)을 떠나자마자 헬륨을 수용하는 제1 헬륨 냉각 스테이지를 포함한다.
이 제1 냉각 스테이지는 압축 스테이션(1)의 출구에서 작동 회로에 직렬 및 병렬의 모두로 접속된 제1 열교환기(5) 및 제2 열교환기(15)를 포함한다. 즉, 압축 스테이션(2)을 떠나는 작동 가스는 제1 열교환기(5) 및/또는 제2 열교환기(15)에 선택적으로 유입될 수 있다.
제1 열교환기(5)는 예를 들어, 상이한 각각의 온도에서의 헬륨의 상이한 스트림들 사이의 열의 교환이 존재하는 유형이다. 제1 열교환기(5)는 압축 스테이션(1)을 직접 떠나는 고온 및 고압에 있다고 칭하는 작동 가스를 공급받는 제1 통로(6), 제1 통로에 역류 방향이고 저온 및 저압에 있다고 일컫는 작동 가스를 복귀 파이프(9)에 의해 공급받는 제2 통로, 및 제1 통로에 역류 방향이고 복귀 파이프(19)를 거쳐 중간 압력에 있다고 일컫는 작동 가스를 공급받는 제3 통로를 포함할 수도 있다.
제2 열교환기(15)는 작동 가스와 보조 가스 사이에 열을 교환하는 유형이고, 예를 들어 제1 열교환기(5)로부터 오는 그리고/또는 냉각 박스(2)로부터 직접 오는 작동 가스를 공급받는 제1 통로(16), 제1 통로에 역류 방향이고 증발된 보조 가스를 위해 의도된 제2 통로, 및 회수 파이프(125)를 거쳐 작동 가스를 공급받는 제3 통로를 포함한다.
도 3의 예에 도시된 바와 같이, 제1 열교환기(5) 및 제2 교환기(15)는,
- 2개의 열교환기(5, 15) 사이의 병렬 접속부,
- 2개의 열교환기(5, 15) 사이의 직렬 접속부, 및
- 제1 열교환기(5)를 바이패스하는 바이패스 라인
을 형성하는 파이프(6, 16, 26, 36) 및 밸브(116, 126, 136)의 네트워크를 거쳐 압축 스테이션(1)의 출구에서 작동 회로에 직렬 및 병렬의 모두로 접속될 수도 있다.
제1 냉각 스테이지는 제3 열교환기(25)를 또한 포함한다. 이 제3 열교환기(25)는 제1 열교환기(5) 및 제2 열교환기(15)에 직렬 및 병렬의 모두로 접속된다. 즉, 제1 열교환기(5) 및/또는 제2 열교환기(15)를 떠나는 작동 가스는 제3 열교환기(25)에 선택적으로 유입된다. 예를 들어, 도 3에 더 상세히 도시된 바와 같이, 이는 제1 열교환기(5) 및 제2 열교환기(15)에 각각 속하는 2개의 유체 출구에 제3 열교환기(25)의 유체 입구를 접속함으로써 얻어진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 작동 회로는 제3 교환기(25)를 떠나는 작동 가스로부터 제2 열교환기(15)로의 프리고리의 전달을 선택적으로 허용하기 위해 제2 열교환기(15)에 제3 열교환기(25)의 출구를 선택적으로 접속하는 회수 파이프(125)를 포함한다.
예를 들어, 제3 열교환기(25)의 헬륨 출구에서, 작동 회로는 2개의 평행한 라인으로 세분된 제한부를 포함하고, 이들 2개의 라인 중 하나는 회수 파이프(125)를 구성한다. 이 회로부는 2개의 평행 라인(도 3 참조) 사이의 헬륨의 선택적 분배를 보장하기 위한 밸브(225, 44)의 집합체를 포함할 수도 있다.
게다가, 제3 열교환기(25)를 통해 통과한 회수 파이프(125)는 작동 가스의 냉각을 계속하기 위해 냉각 박스(2)의 작동 회로로 하류측에 접속된다.
제3 열교환기(25)는 보조 유체(예를 들어, 질소)를 선택적으로 공급받는다. 예를 들어, 제3 열교환기(25)는 체적(3)으로부터 이격되어 적어도 하나의 공급 파이프(13)를 포함하는 회로를 거쳐 보조 유체를 선택적으로 공급받는 교환기이다. 이는 프리고리가 보조 유체로부터 제3 열교환기(25) 내의 헬륨으로 선택적으로 전달되게 한다.
도 2에 가시적인 바와 같이, 장치는 바람직하게는 제2 열교환기(15) 내의 통로를 거쳐 원격 회수 시스템으로 체적(3)의 상단부를 접속하는, 증발된 보조 가스용 배출 파이프(225)를 포함한다. 이는 프리고리가 증발된 기체 보조 유체로부터 제2 열교환기(15)를 통해 통과하는 작동 가스로 선택적으로 전달되게 한다.
도 3은 장치의 제1 냉각 스테이지의 실시예의 대안 형태를 도시한다. 도 3의 실시예의 형태는 단지 제3 열교환기(25)가 이 때 보조 유체의 체적 내에 침지되어 있는 점만이 도 2의 형태와 상이하다.
도 4 내지 도 6은 장치의 작동의 일 가능한 예에 연속하여 이용될 수 있는 3개의 별개의 구성이다.
도 4에 도시되어 있는 유저의 제1 냉각 페이즈에서, 압축 스테이션(1)으로부터 오는 헬륨은 연속적으로 제1 열교환기(5), 제2 열교환기(15) 및 제3 열교환기(25) 내에서 직렬로 냉각된다[밸브(116, 126) 폐쇄, 밸브(136) 개방]. 게다가, 제3 열교환기(25)로부터의 출구에서, 냉각된 헬륨은 회수 파이프(125)를 거쳐 제2 열교환기(15)를 통해 통과하도록 복귀한다[밸브(225, 44) 개방].
보조 유체(질소)는 대략 80 K의 온도에서, 제2 열교환기(25)를 통해 순환하게 된다(이 보조 유체는 예를 들어, 대략 270 K의 온도에서 그로부터 다시 나옴).
이는 초기에 300 K의 온도에서 유저를 냉각하는 작동의 시작에 대응할 수도 있다. 이 제1 페이즈 중에, 헬륨의 온도는
- 제1 열교환기(5)로부터의 출구에서 300 K에 대략 동일하고,
- 제2 열교환기(15)로부터의 출구에서 110 K에 대략 동일하고,
- 제3 열교환기(25)로부터의 출구에서 80 K에 대략 동일하고,
- 제1 냉각 스테이지의 하류측(4)에서 154 K에 대략 동일할 수도 있다.
200 K의 온도를 갖는 유저의 제2 냉각 페이즈는 도 4의 것과 동일한 구성을 수반할 수도 있다.
이 제2 페이즈 중에, 헬륨의 온도는
- 제1 열교환기(5)로부터의 출구에서 200 K에 대략 동일하고,
- 제2 열교환기(15)로부터의 출구에서 110 K에 대략 동일하고,
- 제3 열교환기(25)로부터의 출구에서 80 K에 대략 동일하고,
- 제1 냉각 스테이지의 하류측(4)에서 154 K에 대략 동일할 수도 있다.
이 제2 페이즈에서, 보조 유체(질소)는 대략 80 K의 온도에서 제2 열교환기(15)를 통해 순환하게 되고, 예를 들어 대략 190 K의 온도에서 그로부터 다시 나온다.
140 K의 온도를 갖는 유저의 제3 냉각 페이즈는 도 4의 것과 동일한 구성을 수반할 수도 있다.
이 제3 페이즈 중에, 헬륨의 온도는
- 제1 열교환기(5)로부터의 출구에서 140 K에 대략 동일하고,
- 제2 열교환기(15)로부터의 출구에서 115 K에 대략 동일하고,
- 제3 열교환기(25)로부터의 출구에서 80 K에 대략 동일하고,
- 제1 냉각 스테이지의 하류측(4)에서 96 K에 대략 동일할 수도 있다.
이 제3 페이즈에서, 보조 유체(질소)는 대략 80 K의 온도에서 제2 열교환기(15)를 통해 순환하게 되고 예를 들어 대략 140 K의 온도에서 그로부터 다시 나온다.
120 K의 온도를 갖는 유저의 제4 냉각 페이즈는, 단지 제3 열교환기(25)를 떠나는 헬륨이 제2 열교환기(15)를 통해 재순환되지 않는다는 점에서만[밸브(225) 폐쇄] 도 4의 것과 상이한 구성을 수반할 수도 있다.
이 제4 페이즈 중에, 헬륨의 온도는
- 제1 열교환기(5)로부터의 출구에서 120 K에 대략 동일하고,
- 제2 열교환기(15)로부터의 출구에서 115 K에 대략 동일하고,
- 제3 열교환기(25)로부터의 출구에서 80 K에 대략 동일하고,
- 제1 냉각 스테이지의 하류측(4)에서 80 K에 대략 동일할 수도 있다.
이 제4 페이즈에서, 보조 유체(질소)는 대략 80 K의 온도에서 제2 열교환기(15)를 통해 순환하게 되고 예를 들어 대략 120 K의 온도에서 그로부터 다시 나온다.
마지막으로, 이 예비 냉각 프로세스 후에, 유저가 그 공칭 작동 온도(예를 들어, 80 K)에 도달할 때, 장치는 도 6에 도시된 제5 작동 페이즈를 채택할 수도 있다.
"공칭" 또는 정상(즉 안정화됨)이라 칭하는 이 제5 작동 페이즈는, 단지 압축 스테이션(1)으로부터의 헬륨이 제1 열교환기(5)와 제2 열교환기(15) 사이에 분배되는 점에서만[밸브(116, 126) 폐쇄, 반면에 밸브(136) 개방], 도 5의 구성과 상이하다.
이 제5 페이즈 중에, 헬륨의 온도는
- 제3 열교환기(25)에 진입하기 전에 86 K에 대략 동일하고,
- 제3 열교환기(25)로부터의 출구에서 80 K에 대략 동일할 수도 있다.
이 제5 페이즈에서, 보조 유체(질소)는 대략 80 K의 온도에서 제2 열교환기(15)를 통해 순환하게 되고 예를 들어 대략 300 K의 온도에서 그로부터 다시 나온다.
전술된 아키텍처는 따라서 냉동기/액화기의 정상(공칭) 작동을 위해 필요한 바와 동일한 양의 장비로 비교적 고온(예를 들어, 400 K)으로부터 비교적 저온(예를 들어, 80 K)으로 대량의 구성 요소를 냉각하는 것을 가능하게 한다.
실제로, 3개의 교환기(5, 15, 25)는 유리하게는 예를 들어 알루미늄 플레이트 및 핀 교환기와 같은 동일한 유형의 열교환기일 수도 있다. 이는 소형의 교환기(5, 15, 25)를 사용하고 장치의 모든 작동 모드(냉각 또는 정상 작동)에 대해 효과적으로 이와 같이 소형의 교환기를 사용하는 것을 가능하게 한다.
이 아키텍처는 특히 공지의 시스템과의 비교에 의해 제1 열교환기(5)의 크기를 축소시키는 것을 가능하게 한다. 구체적으로, 이 제1 열교환기(5)는 단지 헬륨(질소는 아님)만을 수용한다. 게다가, 고압 헬륨[압축 스테이션(1)으로부터 오는]의 유량은 제2 열교환기(15)로 이 헬륨의 일부를 분배함으로써 부분적으로 그 내에서 감소될 수 있다.
게다가, 헬륨의 비교적 고온 및 저온 유동은 완전히 균형화되지 않는데, 즉 냉각 유동은 핀치(pinch)의 증가, 즉 교환기를 따른 저온 유체와 고온 유체 사이의 최소 온도차의 증가 및 LMTD의 증가, 즉 열교환기(5)의 로그 평균 온도차의 증가를 유도한다. 구체적으로, 비례적으로, 냉각 유동에 의해 제공된 프리고리는 고온 유동으로부터 추출될 열에너지보다 크게 된다. 따라서, 냉각 유동은 가온을 덜 경험하게 되고, 따라서 열교환기(5)의 LMTD를 증가시킨다.
정상 작동시에, 제1 열교환기(5) 및 제2 열교환기(15)는 병렬로 작동한다(도 6). 냉각 중에, 이들 2개의 열교환기(5, 15)는 대조적으로 직렬로 작동한다.
이 구성은 회수 파이프(125)에 의해 제2 열교환기(15) 내로 전달된 헬륨에 기인하여, 제2 열교환기(15)에서 온도차를 감소시키는 것을 가능하게 한다.
회수 파이프(125)로부터의 이 헬륨은 가온되어, 제2 열교환기(15)에 프리고리를 인도하고, 이어서 냉각 박스 내에서 하류측 방향으로 떠나는 헬륨의 비교적 저온 유동과 혼합된다.
이 장치는 종래 기술에 비해 수많은 장점을 제공한다.
따라서, 장치는 냉동기의 정상 작동을 위해 제1 열교환기(5), 제2 열교환기(15) 및 제3 열교환기(25)를 지정하는 것을 가능하게 하고, 이들은 따라서 알루미늄 플레이트 및 핀형 열교환기로 구성될 수 있다.
게다가, 장치는 작동 모드에 따라 헬륨의 온도를 조절하는 간단하고 효과적인 방식을 허용한다.

Claims (12)

  1. 헬륨을 함유하거나 또는 순수 헬륨으로 이루어진 작동 가스의 냉동 및/또는 액화를 위한 장치이며, 상기 장치는 작동 가스를 위한 루프의 형태의 작동 회로를 포함하고,
    - 적어도 하나의 압축기(11, 12)를 구비한 작동 가스 압축 스테이션(1),
    - 직렬로 배열된 복수의 열교환기(5) 및 작동 가스를 팽창하기 위한 적어도 하나의 부재(7)를 포함하는, 작동 가스를 냉각하기 위한 냉각 박스(2),
    - 냉각된 작동 가스와 유저(10) 사이의 열의 교환을 위한 시스템(14),
    - 상기 열교환 시스템(14)을 통해 통과된 작동 가스를 상기 압축 스테이션(1)으로 복귀시키는 적어도 하나의 복귀 파이프로서, 상기 복귀 파이프(9)는 작동 가스를 가온하기 위한 적어도 하나의 교환기(5)를 포함하는, 복귀 파이프(9)
    를 직렬로 포함하고,
    상기 장치는 상기 압축 스테이션(2)으로부터 출구에서 작동 가스를 예비 냉각하기 위한 부가의 시스템을 더 포함하고, 상기 예비 냉각 시스템은 액체 질소와 같은 보조의 극저온 유체의 체적(3)을 포함하고, 상기 체적(3)은 보조 유체로부터 작동 가스로 프리고리(frigories)를 선택적으로 전달하기 위해 적어도 하나의 열교환기를 거쳐 작동 회로에 접속되고, 상기 냉각 박스(2)는 상기 압축 스테이션(1)의 출구에서 작동 회로에 직렬 및 병렬의 모두로 접속된 제1 열교환기(5) 및 제2 열교환기(15)를 포함하는 제1 작동 가스 냉각 스테이지를 포함하는데, 즉 상기 압축 스테이션(2)을 떠나는 작동 가스가 상기 제1 열교환기(5) 및/또는 상기 제2 열교환기(15)로 선택적으로 유입될 수 있고, 상기 제1 냉각 스테이지는 보조 유체와 선택적으로 열교환 관계에 있는 제3 열교환기(25)를 또한 포함하는 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치에 있어서,
    상기 제3 열교환기(25)는 상기 제1 열교환기(5) 및 상기 제2 열교환기(15)에 직렬 및 병렬의 모두로 접속되는데, 즉 상기 제1 열교환기(5) 및/또는 상기 제2 열교환기(15)를 떠나는 가스는 상기 제3 열교환기(25)에 선택적으로 유입되고, 상기 작동 회로는 적어도 하나의 밸브(225)가 장착되어 있고 상기 제3 열교환기(25)를 떠나는 작동 가스로부터 상기 제2 열교환기(15)로의 프리고리의 전달을 선택적으로 허용하기 위해 상기 제2 열교환기(15)에 상기 제3 열교환기(25)의 출구를 접속하는 회수 파이프(125)를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 열교환기(5), 제2 열교환기(15) 및 제3 열교환기(25) 중 적어도 하나는 플레이트 및 핀형의 알루미늄 열교환기인 것을 특징으로 하는 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3 열교환기(25)는 보조 유체의 체적(3) 내에 적어도 부분적으로 침지된 열교환기인 것을 특징으로 하는 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3 열교환기(25)는 체적(3)으로부터 이격되고 적어도 하나의 공급 파이프(13)를 포함하는 회로를 거쳐 보조 유체를 선택적으로 공급받는 교환기인 것을 특징으로 하는 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 증발된 기체 보조 유체로부터 작동 가스로 프리고리를 선택적으로 전달하기 위해, 상기 제2 열교환기(15) 내의 통로를 거쳐 원격 회수 시스템에 체적(3)의 상단부를 접속하는, 증발된 보조 가스를 배출하기 위한 파이프(225)를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 열교환기(25)의 출구에서, 상기 작동 회로는 2개의 평행한 라인으로 세분된 제한부를 포함하고, 상기 2개의 라인들 중 하나는 회수 파이프(125)를 구성하고, 상기 제한부는 2개의 평행한 라인 사이의 선택적 분배를 보장하기 위한 밸브(들)(225, 44)의 집합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 열교환기(25)를 통해 통과한 회수 파이프(125)는 작동 가스의 냉각을 계속하기 위해 상기 냉각 박스(2)의 작동 회로에 하류측에서 접속되는 것을 특징으로 하는 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 작동 가스의 냉동 및/또는 액화용 장치를 사용하여 유저(10)를 냉각하는 방법이며, 상기 유저(10)는 열교환 시스템(14)을 거쳐 냉각되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 방법은 120 K 내지 400 K의 초기 온도를 갖는 유저(10)를 예비 냉각하는 단계를 포함하고, 이 단계에서, 압축 스테이션(1)을 떠나는 작동 가스는 제1 열교환기(5)에서, 이어서 제2 열교환기(15)에서, 이어서 제3 열교환기(25)에서 열의 교환에 의해 냉각되고, 상기 제3 열교환기(25)를 떠나는 냉각된 작동 가스의 적어도 일부는 상기 제2 열교환기(15) 내로 상류측으로 재유입되고, 여기서 프리고리를 인도하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 방법은 50 K 내지 200 K의 초기 온도를 갖는 유저(10)를 예비 냉각하는 단계를 포함하고, 이 단계에서, 압축 스테이션(1)을 떠나는 작동 가스는 제1 열교환기(5)에서, 이어서 제2 열교환기(15)에서, 이어서 제3 열교환기(25)에서 열의 교환에 의해 냉각되고, 상기 제3 열교환기(25)를 떠나는 냉각된 작동 가스는 상기 제2 열교환기(15)를 거쳐 상류측으로 복귀하지 않고 냉각 박스(2) 내로 작동 회로의 하류측으로 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 90 K 내지 400 K의 초기 온도를 갖는 유저(10)를 예비 냉각하는 단계를 포함하고, 예비 냉각 단계 후에 유저가 50 내지 90 K의 온도에 도달할 때, 상기 방법은 이어서 유저(10)의 연속적인 냉각 단계를 포함하고, 이 단계에서 압축 스테이션(1)을 떠나는 작동 가스는 제1 열교환기(5) 및 제2 열교환기(15) 각각에서의 열의 교환에 의해 냉각되는 2개의 부분으로 분할되고, 상기 2개의 가스 부분은 이어서 재조합되어 제3 열교환기(25) 내에서 냉각되고, 상기 제3 열교환기(25)를 떠나는 냉각된 작동 가스는 상기 제2 열교환기(15)를 거쳐 상류측으로 복귀하지 않고 냉각 박스(2) 내로 작동 회로의 하류측으로 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 증발된 보조 유체의 적어도 일부를 회수하는 단계(225) 및 상기 증발된 보조 유체로부터 제2 열교환기(15) 내의 작동 가스에 프리고리를 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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