具有壓力受控的液化腔室的液化器的制造方法
【專利摘要】一種液化器包括一個杜瓦瓶，該杜瓦瓶具有一個儲存部分以及從該儲存部分延伸的一個頸部分。一個氣密地隔離的液化壓力室被布置在該杜瓦瓶的頸部內。包括一個溫度與壓力傳感器在內的一個或多個控制部件被聯接至一個CPU上并且被布置在該液化腔室內以便動態地控制多個液化條件。一個氣體流量控制件被聯接至該CPU上以便調節進入該液化腔室中的輸入氣體流量。環繞該液化腔室的體積可以被適配成用于提供一種逆流式熱交換。除了其他益處之外，這些和其他的特征提供了改進的液化效率。
【專利說明】具有壓力受控的液化腔室的液化器
相關申請的交叉引用
[0001]本申請要求于2011年7月14日提交的美國臨時序列號61/507，595的優先權，將其通過引用結合在此。
發明背景
發明領域
[0002]本發明涉及氣體液化系統或“液化器”，并且更具體地涉及一種具有隔離的液化腔室的液化器，該隔離的液化腔室被適配成用于動態的壓力控制以便實現提高的液化效率。
相關技木
[0003]氣體液化系統，也稱為“液化器”，在本領域中被廣泛記載并且總體上包括被稱為杜瓦瓶的一個真空隔離容器，該杜瓦瓶被適配成用于接收一個低溫冷卻器的至少一部分以便將氣體液化并且進一步包括用于將一定量的液化氣儲存在其中的一個儲存部分。
[0004]圖1展示了一個液化器，該液化器包括一個杜瓦瓶200和在該杜瓦瓶的頸部分206內延伸的一個低溫冷卻器100。在這些系統中，這樣的杜瓦瓶總體上包括一個外部殼體202，一個內部殼體201、以及其間的體積203，該體積基本上被抽出了空氣而形成一個絕熱容器。任選地，可以進一步將一個熱屏障204 (以虛線示出)，例如箔片或類似材料，布置在該杜瓦瓶的內部殼體與外部殼體之間。該杜瓦瓶進一步包括一個儲存本體部分205以及從該儲存本體部分延伸的頸部分206。該杜瓦瓶被適配成用于將一定體積的液化冷凍劑儲存在該儲存本體部分內。一般氦氣源310向一個輸入氣體管線211供料以供應有待液化的氣體。一個壓縮機110操作一個第一級再生器IOla以便冷卻該低溫冷卻器的第一級101b，并且取決于該低溫冷卻器的設計來操作高達若干個另外的再生器和冷卻級。該低溫冷卻器100被展示為具有三個冷卻級，除了該第一級再生器和第一級之外還包括用于冷卻一個第二級102b的一個第二級再生器102a以及用于冷卻一個第三極103b的一個第三級再生器103a。將該氣體進行預冷卻，并且一個隨后級被適配成用于進一步將該氣體冷卻至足以進行液化的溫度。另外，每個相繼冷卻級典型地包括比前一級更小的表面積，從而沿著這若干個低溫冷卻器級產生一個冷卻梯度。
[0006]用于此類液化器和再液化器(reliquefier)中的低溫冷卻器總體上包括一個吉福德-麥克馬洪(GM)型制冷機或脈沖管制冷機；然而，出于將氣體冷卻并且將氣體冷凝至液相的目的，這些液化器可以進一步包括任何類型的制冷裝置。這些液化氣典型地稱為低溫液體或冷凍劑。
[0007]同樣在本領域中還記載了“再液化器”，它們總體上包括一個液化器，該液化器被適配成用于在封閉的或半封閉的系統內使氣體進行循環且將其再液化。
[0008]圖2展示了其設計基本上類似于圖1的液化器的一個再液化器。圖2的再液化器進一步包括設備320，該設備以流體連通的方式與該杜瓦瓶相聯接以便接收一定量的液體冷凍劑。在使用該液體冷凍劑之后，從該設備中收集蒸發的氣體并且通過使用一個再循環器315 (例如泵或類似裝置)使其再循環返回至該液化器中。應注意的是，“設備320”可以包括一個或多個器械，例如醫療或或科學分析器械(除了其他之外)并且該設備不局限于具有任何設計的單一器械。另外，應注意的是，存在大量的設計變體，這些設計變體實質上將所收集的氣體再循環返回穿過一個液化器從而形成封閉的或半封閉的系統。
[0009]然而，這些液化器和再液化器關于液化效率、或液化冷凍劑的量是受限的，該液化冷凍劑可以通過使用一個給定的低溫冷卻器經過一段時間來產生。持續需要具有提高的液化效率的液化器。
[0010]本發明的重點在于與冷凍劑氣體相關聯的熱力學特性。這些特性總體上通過一個相圖展示，如圖3所示。具體而言，氦氣的熱力學特性引起了極大的興趣，因為液化的氦氣目前在許多行業內的需求都很高。
[0011]現在轉向圖3，一個相圖描述了不同壓力(巴)和溫度(開爾文)下的氦氣的液化曲線。出于完整性起見，示出了該固體的六方密堆積相(hep)和體心立方相(bcc)。該液化曲線包括多個點，在這些點處氦氣轉化為液相，這些點共同限定了該液化曲線。一個第一液化點(b)示出了在大約I巴(接近大氣壓)的壓力下氣相氦氣到液相的轉化，這需要大約4.22K的溫度，這被稱為氦-4的“沸點”并且因此稱為點(b)。一個第二液化點(c)示出了在略微增大的大約2.27巴的壓力下氦氣的液化,這需要大約5.20K的溫度,這被稱為氦-4的“臨界點”。關于該液化曲線，變得可辨別的是:如果可以在該液化器的液化腔室內提供略微更高的壓力，則可以在略微更高的溫度下實現氦氣的液化。此外，處于這些更高的溫度下，大多少低溫冷卻器將能夠增大冷卻功率。因此，為了利用低溫冷卻器的更高冷卻功率，可以開發一種能夠在I巴以上、并且更優選地在I巴與2.27巴之間的壓力下進行液化的液化器。
[0012]在1.0巴以上壓力下將氣體液化的優點已經進一步在2011年5月02日由Rillo等人提交的題為“氣體液化系統和方法[GAS LIQUEFACTION SYSTEM AND METHOD] ”的WIPO/PCT
【發明者】羅納德·薩格爾, 約斯特·代德里克斯 申請人:量子設計有限公司