CN103797314B - 具有压力受控的液化腔室的液化器 - Google Patents

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Abstract

一种液化器包括一个杜瓦瓶，该杜瓦瓶具有一个储存部分以及从该储存部分延伸的一个颈部分。一个气密地隔离的液化压力室被布置在该杜瓦瓶的颈部内。包括一个温度与压力传感器在内的一个或多个控制部件被联接至一个CPU上并且被布置在该液化腔室内以便动态地控制多个液化条件。一个气体流量控制件被联接至该CPU上以便调节进入该液化腔室中的输入气体流量。环绕该液化腔室的体积可以被适配成用于提供一种逆流式热交换。除了其他益处之外，这些和其他的特征提供了改进的液化效率。

Description

具有压力受控的液化腔室的液化器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年7月14日提交的美国临时序列号61/507,595的优先权，将其通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及气体液化***或“液化器”，并且更具体地涉及一种具有隔离的液化腔室的液化器，该隔离的液化腔室被适配成用于动态的压力控制以便实现提高的液化效率。
背景技术
气体液化***，也称为“液化器”，在本领域中被广泛记载并且总体上包括被称为杜瓦瓶的一个真空隔离容器，该杜瓦瓶被适配成用于接收一个低温冷却器的至少一部分以便将气体液化并且进一步包括用于将一定量的液化气储存在其中的一个储存部分。
图1展示了一个液化器，该液化器包括一个杜瓦瓶200和在该杜瓦瓶的颈部分206内延伸的一个低温冷却器100。在这些***中，这样的杜瓦瓶总体上包括一个外部壳体202，一个内部壳体201、以及其间的体积203，该体积基本上被抽出了空气而形成一个绝热容器。任选地，可以进一步将一个热屏障204(以虚线示出)，例如箔片或类似材料，布置在该杜瓦瓶的内部壳体与外部壳体之间。该杜瓦瓶进一步包括一个储存本体部分205以及从该储存本体部分延伸的颈部分206。该杜瓦瓶被适配成用于将一定体积的液化冷冻剂储存在该储存本体部分内。一般氦气源310向一个输入气体管线211供料以供应有待液化的气体。一个压缩机110操作一个第一级再生器101a以便冷却该低温冷却器的第一级101b，并且取决于该低温冷却器的设计来操作高达若干个另外的再生器和冷却级。该低温冷却器100被展示为具有三个冷却级，除了该第一级再生器和第一级之外还包括用于冷却一个第二级102b的一个第二级再生器102a以及用于冷却一个第三极103b的一个第三级再生器103a。
将该气体进行预冷却，并且一个随后级被适配成用于进一步将该气体冷却至足以进行液化的温度。另外，每个相继冷却级典型地包括比前一级更小的表面积，从而沿着这若干个低温冷却器级产生一个冷却梯度。
用于此类液化器和再液化器(reliquefier)中的低温冷却器总体上包括一个吉福德-麦克马洪(GM)型制冷机或脉冲管制冷机；然而，出于将气体冷却并且将气体冷凝至液相的目的，这些液化器可以进一步包括任何类型的制冷装置。这些液化气典型地称为低温液体或冷冻剂。
同样在本领域中还记载了“再液化器”，它们总体上包括一个液化器，该液化器被适配成用于在封闭的或半封闭的***内使气体进行循环且将其再液化。
图2展示了其设计基本上类似于图1的液化器的一个再液化器。图2的再液化器进一步包括设备320，该设备以流体连通的方式与该杜瓦瓶相联接以便接收一定量的液体冷冻剂。在使用该液体冷冻剂之后，从该设备中收集蒸发的气体并且通过使用一个再循环器315(例如泵或类似装置)使其再循环返回至该液化器中。应注意的是，“设备320”可以包括一个或多个器械，例如医疗或或科学分析器械(除了其他之外)并且该设备不局限于具有任何设计的单一器械。另外，应注意的是，存在大量的设计变体，这些设计变体实质上将所收集的气体再循环返回穿过一个液化器从而形成封闭的或半封闭的***。
然而，这些液化器和再液化器关于液化效率、或液化冷冻剂的量是受限的，该液化冷冻剂可以通过使用一个给定的低温冷却器经过一段时间来产生。持续需要具有提高的液化效率的液化器。
与冷冻剂气体相关联的热力学特性总体上通过一个相图展示，如图3所示。具体而言，氦气的热力学特性引起了极大的兴趣，因为液化的氦气目前在许多行业内的需求都很高。
现在转向图3，一个相图描述了不同压力(巴)和温度(开尔文)下的氦气的液化曲线。出于完整性起见，示出了该固体的六方密堆积相(hcp)和体心立方相(bcc)。该液化曲线包括多个点，在这些点处氦气转化为液相，这些点共同限定了该液化曲线。一个第一液化点(b)示出了在大约1巴(接近大气压)的压力下气相氦气到液相的转化，这需要大约4.22K的温度，这被称为氦-4的“沸点”并且因此称为点(b)。一个第二液化点(c)示出了在略微增大的大约2.27巴的压力下氦气的液化，这需要大约5.20K的温度，这被称为氦-4的“临界点”。关于该液化曲线，变得可辨别的是：如果可以在该液化器的液化腔室内提供略微更高的压力，则可以在略微更高的温度下实现氦气的液化。此外，处于这些更高的温度下，大多少低温冷却器将能够增大冷却功率。因此，为了利用低温冷却器的更高冷却功率，可以开发一种能够在1巴以上、并且更优选地在1巴与2.27巴之间的压力下进行液化的液化器。
在1.0巴以上压力下将气体液化的优点已经进一步在2011年5月02日由Rillo等人提交的题为“气体液化***和方法[GASLIQUEFACTION SYSTEM AND METHOD]”的WIPO/PCT公开号PCT/US2011/034842中进行描述，其内容通过引用结合在此。然而，Rillo***仅描述了以下实施例，其中该低温冷却器被定位在一个大型杜瓦瓶的颈部内而使得该杜瓦瓶的整个储存部分必须保持在升高的液化压力下。这产生了若干严重的问题：(i)将大的低温容器保持在高压下是危险的并且进一步要求该杜瓦瓶符合刚度的安全要求，因此增大了与该杜瓦瓶相关联的成本；(ii)在提取液体冷冻剂之前，杜瓦瓶压力必须被降低至大约1.0巴，这导致制大量的冷冻剂损失；并且(iii)当降低杜瓦瓶内的压力并且从该杜瓦瓶中去除该液体冷冻剂时，该***不能在最佳液化压力下同时继续该液化过程。迄今为止，还没有开发出以下的用于气体液化的器械，该器械允许气体在升高的压力下被液化、在环境压力下或接近环境压力下被储存并且进一步允许使用者从该杜瓦瓶中提取该液体冷冻剂并且同时在该佳压力下继续液化气体。这样的***还解决了以下问题：将处于高压下的加压液体和气体储存在大体积容器中，同时实现加压液化、即提高效率的优点。通过增大的效率，较小的液化器将能够替代较大的液化器而同时提供相似的液化速率。另外，对于这种更有效的方式，动力将被保存。
发明内容
本发明的重点在于与冷冻剂气体相关联的热力学特性。在此披露的改进的气体液化***提供了一种用于在1.0巴以上的压力下将气体液化的器具和方法，这样使得该***被适配成：(i)利用处于更高温度下的低温冷却器的更高冷却功率来更有效地将气体液化；(ii)消除了在高压下储存低温液体的问题；(iii)消除了在去除该液体冷冻剂之前将该杜瓦瓶的储存部分内的压力降低至环境压力的需要；(iv)消除了与将该杜瓦瓶的储存部分内的压力降低至环境压力相关联的冷冻剂损失；并且(v)允许该液化过程在使用者将液体冷冻剂从该杜瓦瓶的储存部分中去除的同时继续进行。具体而言，该***被适配成用于在接近液氦的临界点的升高的压力(和温度)下将氦气液化以便实现氦气的液化效率的提高。对氦气而言，临界点处的压力是大约2.2巴。
在此所述的液化***或液化器包括一个压力受控的液化腔室。该腔室内的液化区域是与该杜瓦瓶的储存部分气密地密封且隔离的。该液化区域被适配成用于在接近针对于具体气体的临界点的条件下来液化一种冷冻剂气体。该压力受控的液化腔室进一步包括一个流体收集储器，该流体收集储器与该杜瓦瓶的储存部分通过一个在其间延伸的导管进行流体连通。
在不同的实施例中，该液化器被适配成用于主动监测并且动态地调节该液化腔室内的压力以便提供气体的有效液化。例如，可以将一个压力传感器和/或温度计联接至一个CPU上以便测量该液化器的液化区域内的压力和温度中的至少一者。在这个方面，该***被适配成用于监测多个液化条件(例如，该液化腔室内的压力和温度)并且通过增大该液化腔室内的压力(加入高压气体)、降低压力(排放出气体)、开启/关断该低温冷却器、或其他功能可以进一步调节其中的气体的液化。因此，可以动态地控制该液化器以便优化液化条件并且由此控制该液化器的效率。
在某些实施例中，在该杜瓦瓶的颈部内表面与该液化腔室的外壁表面之间形成了一个热交换区域。当从该杜瓦瓶的储存部分中逸出的冷气体围绕该热交换区域循环并且冷却该外腔室表面时，该热交换区域提供逆流式热交换。
在某些实施例中，该液化***采用一系列控制部件(例如，温度计、压力传感器、以及其他装置)来将该压力受控的液化腔室内的液化条件维持在所选气体的临界点之处或附近(例如对于氦气是在2.2巴和5.2K或其附近)。将这些控制部件连接至CPU上以实现动态的计算机控制。
在查看对以下列出的这些优选实施例的详细说明后将进一步认识到其他的特征和优点。
附图说明
图1是展示了根据现有技术的液化器的通用部件的一个示意图。
图2是展示了根据现有技术的再液化器的通用部件的一个示意图。
图3描绘了针对氦-4的一个相图并且更具体地描绘了在氦气的沸点与临界点之间延伸的一条液化曲线以及沿着该液化曲线延伸的相关联的压力和温度。
图4展示了一个液化器具有：与一个环绕式杜瓦瓶容器的储存部分气密地隔离的一个压力受控的液化腔室、被连接至气体流量控制件上的一个CPU以及用于动态地控制该液化腔室内的压力的一个或多个控制部件。
图5展示了其设计类似于图4的液化器的一个再液化器。
图6展示了一个CPU被联接至一个低温冷却器、一个气体流量控制件、以及多个控制部件(例如，压力传感器、温度传感器以及一个排气阀)上，该CPU被适配成用于动态地控制该液化腔室内的压力。
图7A展示了一个CPU被联接至一个气体流量控制件上以便动态地控制进入该液化腔室的高压气体，该气体流量控制件包括一个压力调节器以及一个质量流量控制器。
图7B展示了一个CPU被联接至一个气体流量控制件上以便动态地控制进入该液化腔室的高压气体，该气体流量控制件包括多个压力调节器，这些压力调节器以串联的方式与多个对应的质量流量控制器相连接。
图8展示了一个CPU被联接至一个气体流量控制件、一个低温冷却器以及多个控制部件上，这些控制部件包括加热元件、温度传感器、压力传感器、排气阀以及热交换阀。
图9展示了根据一个实施例的一个压力受控的液化腔室，该液化腔室进一步包括一个热交换区域，用于对该腔室表面提供逆流式热交换。
图10展示了一个隔离板，该隔离板具有布置在其上的多个热交换阀以用于图9所示的实施例中。
图11进一步展示了图9-10的实施例，其中为了简化展示，将多个控制部件集中成一个一般性箱子。
具体实施方式
在以下说明中，出于解释而非限制的目的，阐明了多个细节和说明，以便提供对本披露的透彻理解。然而，本领域技术人员将清楚的是：在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在不背离这些细节和说明的其他实施例中实施本发明。以下将参考附图对某些实施例进行描述，其中说明性的特征用参考符号表示出。
在一个一般性实施例中，液化器包括一个储存部分和一个液化腔室，该液化腔室是与该储存部分密封隔离的，这样使得在与该储存部分隔离的条件下(即，在升高的压力下)在该液化腔室内进行气体的液化。在这个方面，该腔室的液化区域在气体液化过程中总体上被加压至大气压之上，而该储存部分将液化气维持在大气压下，这样使得在没有中断气体液化过程的情况下可以容易地使用该液化气。该液化区域是与该液化器的储存部分通过从一个流体收集储器延伸至该储存部分的至少一个导管而处于流体连通的。因此，当液体收集在该液化腔室的流体储器内时，它可以通过该导管被传送至该储存部分。
图4展示了根据不同实施例的一种液化器。该液化器包括一个杜瓦瓶200，该杜瓦瓶具有一个储存部分205以及从该储存部分延伸的一个颈部分206。该杜瓦瓶总体上包括一个外部壳体202和一个内部壳体201，该内部壳体嵌在该外部壳体内以便在其间形成一个体积203。该外部壳体与内部壳体之间的体积203被抽出空气以便提供热绝缘。该杜瓦瓶的真空区域203可以任选地包含一个辐射屏障或一个额外的壳体204(以虚线示出)。该液化器可以被适配成具有两个或更多的颈部和套筒、或其他任选的变体，然而为了简化对该***的功能的说明，在图中将示出一个单一的杜瓦瓶颈部。
该液化器进一步的特征在于，该颈部分206被进一步适配成至少部分地包括与该储存部分205气密地隔离的一个液化腔室。该液化腔室400包括位于该杜瓦瓶的颈部分内的一个管状壁。该腔室可以利用该杜瓦瓶颈部的管状部分来形成该液化腔室，或一个同心布置的管状套筒可以被集成在该杜瓦瓶颈部内以便形成该管状壁。该腔室的内部体积在此也被称为该液化器的“液化区域”，因为气体在其中被液化。在该液化腔室的底端处布置了一个流体收集储器420，液化气在从该液化腔室传递至该液化器的储存部分之前被聚集并且至少临时被储存在该储器中。一个导管430将该流体收集储器连接至该杜瓦瓶的储存部分205上，其中处于或接近环境压力的一定量的液化气10被储存在该储存部分内以便使用。
一个低温冷却器100可以包括在该液化器的液化区域内延伸的一个或多个冷却级。该液化腔室可以是与该低温冷却器或附接至该低温冷却器的头部上的任何支架或板410密封的，这样使得该腔室内的区域可以是气密地隔离的以便提供处于升高压力下的压力受控的腔室。该低温冷却器可以是任何类型的、但是总体上可以包括多级GM或脉冲管型低温冷却器。根据已知的实施例一般一个压缩机110被联接至该低温冷却器上。
可以将一个或多个限制元件435(例如阀或加热器)进一步连接至该导管430上而使得可以调节从该流体储器420到该储存部分205的液体冷冻剂的流动。任选地，可以使用计算机或“CPU”600来动态地调整该或这些限制元件以便调节从该流体储器到该储存部分的液化冷冻剂的流量。
CPU 600一般通过多根对应的控制电缆610连接至气体流量控制件700和一个或多个控制部件500上。这些控制部件500可以包括以下各项中的一项或多项：温度传感器、压力传感器、流体液位传感器、不同的阀、或可用于调节一个封闭***内的温度和压力的其他部件。CPU被适配成具有软件以便利用这些控制部件来监测该液化腔室内的液化条件并且进一步被适配成用于调整与该气体流量控制件相关联的这些阀、用于从该腔室排气的排气阀、或其他部件。
该液化腔室内的气体在液化过程中被加压至1.0巴以上并且在氦气压力的情况下理想地在液化过程中被维持在2.2巴左右。在这个升高的压力下，氦气被液化，其中从该低温冷却器实现了最大的冷却功率，并且显著提高了效率。该液化区域内的压力是由CPU 600进行调节的，该CPU通过如上所述的控制电缆610而联接至气体流量控制件700上。因此，可以将处于一个大气压之上的压力下的一定体积的输入气体递送至该密封的液化腔室400内，由此增大其中的压力。当该气体冷凝成液体时，来自外部气体源310的额外气体通过气体流量控制件700被供应给该***并且输入气体管线311从该气体流量控制件延伸至该杜瓦瓶的液化腔室。通过使用该气体流量控制件700和多个控制部件500(除其他之外包括一个或多个温度传感器、压力传感器和排气阀)，该CPU可以精确地控制该密封的液化腔室内的压力以便一直维持这些最佳的液化参数，由此实现最大可能的液化效率。
图5是根据一个实施例的再液化器的示意图，其中图4的液化器被联接至共同标记为“设备320”的一个或多个器械上。设备320被联接至一个He气体再循环器315上，例如泵或多个部件的网络上，该再循环器被设计成用于收集来自该设备的蒸发气体、压缩该气体并且将该气体通过该气体流量控制件700递送至该液化腔室400中。
图6进一步展示了图4-5的压力受控的液化腔室。该腔室400包括一个腔室本体，该腔室本体具有用于将气体液化的一个体积406。一个低温冷却器100被密封在该腔室的顶端处并且其一个或多个冷却级延伸进入该体积406中。一个流体储器420联接至一个底板421上并且被密封在该腔室400的底端处。在这个方面，在该腔室的顶端与底端之间延伸的体积406是气密地密封的并且被适配成用于提供一种封闭***液化环境，该液化环境能够被加压至1.0巴以上以用于在升高的压力下将气体液化。
用于在该腔室内液化的气体是由任何气体源310提供的并且用气体流量控制件700调节。该腔室400内的气体被液化而形成一种液体冷冻剂10，该液体冷冻剂在该腔室的底部分中收集在该流体收集储器420处。导管430从该流体储器420延伸、穿过该底板421、进入该杜瓦瓶的储存部分中。该导管可以进一步包括一个或多个限制元件435(例如阀或加热器)，用于调节从该流体储器420到该储存部分的液体冷冻剂的流量。
一个CPU 600连接至被布置在该液化腔室400内的多个温度探头510a、510b和510c上。温度探头510a、510b被定位在该低温冷却器的这些冷却级上以便监测这些不同的级的温度。温度探头510c定位成离开这些冷却级并且位于该腔室的液化区域内。在这个方面，可以将温度探头定位成用于监测该腔室内的不同区域和部件处的温度。除了这些温度探头之外，CPU 600进一步连接至被布置在该液化腔室内的压力传感器520上。虽然展示了一个压力传感器，但是应理解的是可以采用若干个压力传感器。通过这些温度和压力传感器，CPU可以实时监测液化条件，例如腔室压力和腔室温度。
CPU 600进一步连接至气体流量控制件700上。在这个方面，在递送一定量的高压气体后可以增大该腔室400内的压力。给定了该液化腔室的已知体积406以及该压力传感器520所确定的腔室压力时，CPU 600可以被编程以便确定用于递送至该腔室所需要的一定体积的高压气体以便实现为获得气体有效液化的一个最佳腔室压力。当气体被液化并且传递至该储存部分时，该腔室内的压力下降，从而需要对液化条件的动态监测，这样使得可以调节穿过该气体流量控制件的气体输入流量以便维持最佳条件。
如果该腔室内的压力太高，CPU 600可以通过排气阀530排出该腔室内的一定量的气体。排出的气体将降低腔室400中的压力并且可以被收集以便再使用，而使得可以不损失宝贵的氦气。
在该腔室的底端处可以使用一个流体液位传感器(未示出)以用于确定在该流体收集储器420内的液化冷冻剂的体积。流体液位传感器是在本领域中众所周知的并且普遍说明过的并且因此在此不进行详细说明。可以将任何流体液位传感器定位成与该流体储器相邻并且联接至该CPU上以便动态地监测该储器内的流体液位。
CPU 600进一步连接至该低温冷却器100上而使得该低温冷却器可以按要求进行被开启/关断。
图7A-7B进一步展示了气体流量控制件700的多个实施例。
在图7A所示的一个实施例中，气体流量控制件700包括用于调节从其中流出的气体的压力的一个压力调节器710以及一个质量流量控制器720。入口701被用于供应来自气体源的气体并且出口702被用于将气体递送至液化器的液化腔室。
压力调节器710被展示成一个动态压力调节器，该动态压力调节器能够实现计算机控制并且被联接至CPU上，这样使得通过调节器710可以主动控制压力；然而，也可以类似地结合一个静态机械调节器，例如利用了阀和底座的类型。
该质量流量控制器(MFC)720被设计并校准以便将具体类型的流体或气体控制在特定的流速范围内，并且在这些实例中该MFC被设计成用于氦气。可以对该MFC给出其满刻度范围内从0％至100％的一个设定点，但典型地它是在满刻度的10％至90％的范围进行操作，在这个范围内实现了最好的准确度。于是该装置将流速控制为该给定的设定点。MFC可以是模拟的或数字的。该MFC包括一个入口端口、一个出口端口、一个质量流量传感器以及一个比例控制阀。该MFC装配有一个闭环控制***，CPU给了该***一个输入信号并将该信号与来自该质量流量传感器的值进行比较并且相应地调节该比例阀从而实现所希望的流量。该流速被指定为其经校准的满刻度流速的一个百分比并且作为一个电压信号被提供给MFC。该质量流量控制器可能要求所供应的气体处于特定的压力范围内，并且因此以串联的方式联接至一个压力调节器上。例如，低压将使MFC的气体不足并且可能无法实现其设定点，而高压可能导致不稳定的流速。
在另一个实施例中，图7B展示了一个气体流量控制件700，该气体流量控制件包括一个入口701以及多个出口702a、702b和702c；该入口用于递送来自气体供应的气体，而这些出口各自被配置成用于将气体以不同的压力递送至该液化器。在这个方面，气体可以从该气体流量控制件以不同的压力被供应以便精确控制该液化器的液化腔室内的腔室压力。
为了实现由出口A-C所提供的这多个压力，将数个调节器适配成用于将来自该供应气体的压力逐级降低。例如，可以将调节器710a设定在第一高压，可以将调节器710b设定在小于该高压的第二中压，并且可以将调节器710c设定在小于该中压的低压，这些低压到高压各自将在1.0巴以上。每个调节器710(a-c)独立地联接至一个质量流量控制器720a、720b、720c上并且联接至对应的出口(A-C)上。CPU连接至相应的每个MFC上。在这个方面，高压气体可以以多个不同压力被递送至该液化器的液化腔室。
图8是一个CPU的示意图，该CUP被连接至该气体流量控制件、一个低温冷却器、一个或多个加热元件、一个或多个温度传感器、一个或多个压力传感器、一个或多个排气阀、以及一个或多个热交换阀(以下所讨论的)上。此外，可以将任意数目“N”的单独部件连接至该CPU上并且在该液化器内进行定向以便提供与液化条件相关的数据或主动控制该腔室内的液化条件。在这个方面，该CPU是该***的核心并且可以被编程以用于控制该液化器内的不同部件，从而监测并且动态地调节该液化器内的液化条件。
虽然图4-7所述的以上实施例可能是本发明的最简单的实施例，但应注意的是可以添加不同的增强方式以便进一步提高该***的热效率。
例如在图9所示的实施例1000中，该液化腔室400被布置在该杜瓦瓶的颈部分800内。此外，可以将一个或多个排气阀530沿着该液化腔室的壁进行布置并且出于降低该液化区域内的压力的目的而将其适配成用于排出或释放过量的冷冻剂气体。所排出的气体可以被引导进入在该杜瓦瓶颈部800与腔室400的外表面之间形成的一个热交换区域810中。在这个方面，该一个或多个阀530可以连接至CPU上以便动态地调节该液化器的液化区域内的压力。通过调节该液化区域内的压力，可以控制液化速率和液化效率。
图9进一步展示了该热交换区域用于提供二次冷却作用的第二用途。例如，可以使来自该液化器的储存部分的冷气体围绕该热交换区域810进行循环。通过使用一个或多个热交换阀850a、850b以及用于将气体从该热交换区域810中排出的一个排气阀830，实现了对流动进出该热交换区域的气体的调节。热交换阀850a、850b和排气阀830进一步联接至该CPU上以实现动态控制。在这个方面，来自该储存部分的冷气体可以用于冷却该腔室壁，这样使得流进该液化腔室中的输入气体可以接触该腔室壁从而在该气体向该低温冷却器流动时对该气体提供二次冷却源。
与图6中的压力受控的液化腔室类似，图9所示的腔室进一步包括联接至CPU上的温度传感器510a、510b和压力传感器520。导管430延伸穿过该底板421而进入该储存部分中、并且用于将来自该流体收集储器420的液化冷冻剂传输至该杜瓦瓶的储存部分。可以将一个或多个限制元件435(例如阀或加热器)连接至该导管430上并且进一步连接至该CPU上，使得可以动态地调节从该流体储器420到该储存部分的液体冷冻剂的流量。
该CPU联接至该低温冷却器上以便在开/关之间对供给该低温冷却器的电力进行切换。此外，该CPU进一步联接至该气体流量控制件700上以便动态地调节进入该液化腔室中的输入气体流量，如以上所述。
图10展示了根据本发明的一个实施例为了密封该储存部分与该热交换区域之间的一个区域所提供的底板421的顶视图。该板可以被适配成具有一个或多个热交换阀850a、850b，用于调节该储存部分与该热交换区域之间的气体流量。如以上所述，通过使用该一个或多个热交换阀，允许来自该储存部分上端的冷气体(其中对于利用氦气的实施例，温度总体上约为4.3K)流进该热交换区域中。在这个方面，围绕该热交换区域流动的气体可以接触该液化腔室的外表面以便围绕该套筒表面提供逆流式热交换。此外，一个任选的计算机控制的界面能够实现对该热交换区域周围的热交换的动态控制，这样使得在该液化区域周围维持理想的液化条件、在该储存部分周围维持理想的储存条件并且可以动态地调制这些条件的组合。
出于本发明的目的，分别用于从该液化腔室和热交换区域中排出气体的阀530、830在此称为“排气阀”，并且用于调节该储存部分与该热交换区域之间的流动的阀850a、850b在此称为“热交换阀”。此外，被适配成用于调节穿过该收集储器与该储存部分之间的导管的流动的该一个或多个阀在此称为“限流阀”，并且被适配成用于调节来自该气体流量控制件的输入气体流动的该一个或多个阀在此称为“输入阀”。在这个方面，这些不同的阀各自都可以关于其不同的功能独立地进行区分。
在不希望逆流式热交换的某些实施例中，该液化套筒可以通过一个真空绝缘壳体和/或辐射屏障而进行热隔离。在这个实施例中，该液化腔室可以包括一个外部壳体部分和一个内部壳体部分(未示出)，其中被布置在该内部壳体与外部壳体之间的体积基本上被抽空了空气以便形成在其中形成一个真空区域从而实现热隔离。另外，可以将一个热屏障布置在该内部与外部壳体部分之间、或与其中的一者或两者相邻。
在这些不同的实施例中，该液化腔室内的气体被加压至接近该气体的临界点，例如在液化过程中氦气被维持在2.2巴左右。在这个升高的压力下，氦气或其他气体被液化，其中从该低温冷却器实现了最大冷却功率，并且显著提高了效率。可以用该一个或多个部件来调节该液化腔室内的压力，如上所述。例如，可以将处于一大气压之上的压力下的一定体积的输入气体递送至该密封的液化区域内，由此增大其中的压力。当该气体冷凝成液体时，来自气体源的另外的气体被供应至该***。通过使用一个气体流量控制件可以调节该输入气体的压力。
在高压的情况下，例如在目标气体的临界压力之上，可以将该一个或多个排气阀适配成用于将气体释放至该热交换区域或其他隔室中，如上所述。
为了防止该液体收集储器内的液体累积过多，可以采用一种或多种方法。例如，一个尾杆(stinger)(未示出)可以从该低温冷却器的底级延伸，这样使得与该液化冷冻剂的接触可以快速降低该尾杆的温度。可以将一个或多个温度计进一步附接至该低温冷却器或该尾杆上使得可以监测到温度。可以将这些温度计连接至该CPU上以便动态地调节该液化器内的条件。在这个方面，在感测到温度急剧下降(这表示该收集储器内的液体过多)时可以关闭该***。替代地，从该流体储器延伸至该储存部分的该导管可以适配成当指示在该收集储器内存在过多液体时将流速提高。通过转动一个限流阀或通过使用附接至该导管上的加热元件来调节热量，可以调节穿过该导管的流量。此外，可以用该气体流量控制件调节该输入气体流量以便调节该液化腔室内的压力。这些阀、温度传感器(温度计)、压力传感器、或加热元件各自可以连接至CPU上，该CPU被编程以用于监测、动态地调节液化条件从而实现对液化过程的动态控制。
在某些实施例中，可以将该流体收集储器适配成用于包含大约1.0升的液态气体。在其他实施例中，可以将该流体收集储器适配成用于包含大约0.1与5升之间的液态气体。取决于使用者的要求，可以将该流体收集储器适配成用于包含任意量的液态气体。此外，该杜瓦瓶的储存部分可以被配置成用于包含任意量的液化气。在某些实施例中，该储存部分被适配成用于包含高达1000升的液态气体。
图11进一步展示了根据如图9-10所示的实施例的一种液化器。为简明起见，在没有提及各个内部部件的情况下展示了图9的液化腔室实施例1000，然而可以如图9所示更详细地参考这些部件。CPU 600被联接至部件500、低温冷却器100以及气体流量控制件700上。气体源310向该气体流量控制件700供应气体。气体流量控制件700进一步包括一个压力调节器710和一个质量流量控制器720。可以提供一个液体传输端口900以用于触及被包含在该储存部分内并且被储存在大气压下的液化气。该液体传输端口总体上包括一个孔口，该孔口被布置在该杜瓦瓶的顶表面附近并且被适配成用于暴露出该储存部分以便触及其中一定量的液化气。在这个方面，该隔离的液化腔室可以在升高的压力下进行连续的气体液化，同时提供对在大气压下被储存在该杜瓦瓶的储存部分内的液体冷冻剂的触及。因此，不需要将该***关机即可触及液体冷冻剂。
另外，被适配成用于改善液化效率的液化器包括一个密封的液化腔室和一个储存部分。该密封的液化腔室被适配成用于在升高的压力下进行液化并且特别地被适配成用于在选定的冷冻剂气体的临界压力附近进行液化。该液化区域内的压力通过以下一项或多项来调节：(1)使用该气体流量控制件、通过被引导至该液化区域中的输入气体的压力和/或量；(2)通过排气阀从该液化区域中排出的气体的量；或(3)从该流体收集储器传输至该杜瓦瓶的储存部分的液体的量。
此外，该密封的液化腔室可以被一个热交换器区域环绕以便提供逆流式热交换来对该液化套筒以及被包含在该液化区域内的气体进行二次冷却。
在本发明的另一方面，披露了用于改善液化效率的某些方法。在一个实施例中，一种用于对液化器内的气体提供有效液化的方法包括：提供一个液化器，该液化器具有一个密封的液化腔室和一个储存部分；将该液化腔室内的压力调节至选定气体的临界液化压力附近；将一定量的液化气收集在该腔室内的流体收集储器中；并且将所述液化气通过其间延伸的一个导管传输至所述液化气的所述储存部分中。
该方法可以进一步包括：提供环绕该密封的液化腔室的一个热交换区域，该热交换区域进一步与该储存部分密封隔离，除了连接在其间的一个或多个热交换阀之外，并且通过使用该一个或多个热交换阀来调节该热交换阀区域周围的气体流动以便对所述液化区域进行二次冷却。
本领域技术人员将认识到其他的变体，以提供一种具有加压的井孔用于获取最大液化效率以及一个热交换区域用于增强液化性能的液化***。

Claims (13)

1.一种液化器，包括：
一个杜瓦瓶，该杜瓦瓶具有一个储存部分以及从该储存部分延伸的一个颈部；
一个低温冷却器；以及
一个液化腔室，该液化腔室至少部分地被布置在该杜瓦瓶的颈部之内，该液化腔室包括：
一个管状部分，该管状部分具有第一端和第二端并且在该管状部分内在所述第一端与第二端之间具有一个体积，该体积限定了一个液化区域，其中所述液化区域是与所述杜瓦瓶的所述储存部分气密地密封且隔离的；
所述低温冷却器包括在该液化区域内延伸的至少一个冷却级；以及
一个流体收集储器，该流体收集储器被布置在该管状部分的第二端处并且被适配成用于收集一定量的液化冷冻剂，其中该流体收集储器被配置成与该杜瓦瓶的储存部分通过一个在其间延伸的导管进行流体连通；
其中所述液化腔室是压力控制的，并且其中所述液化区域被适配成在大于1.0巴的压力下液化冷冻剂以便提供提高的液化效率同时将所述储存部分维持在环境压力下。
2.如权利要求1所述的液化器，还包括可操作地联接至所述导管上的一个限制元件，其中该限制元件被适配成用于调节在所述液化腔室的该流体收集储器与该杜瓦瓶的储存部分之间的液化冷冻剂的流动。
3.如权利要求1所述的液化器，还包括被布置在所述杜瓦瓶的颈部的一个内表面与所述液化腔室的一个外表面之间的体积，该体积限定了一个热交换区域，所述热交换区域被适配成用于通过传导性热交换来冷却该液化区域内所含的液化冷冻剂。
4.如权利要求1所述的液化器，还包括被布置在所述液化区域内的一个或多个压力传感器。
5.如权利要求1所述的液化器，还包括被布置在所述液化区域内的一个或多个温度计。
6.如权利要求4或5所述的液化器，还包括被适配成用于控制该液化腔室的液化区域内的多个液化条件的一个CPU，其中所述多个液化条件包括液化压力和温度。
7.如权利要求6所述的液化器，还包括一个或多个阀：排气阀、热交换阀、限流阀、或输入阀。
8.如权利要求6所述的液化器，其中所述液化腔室还包括用于调节该液化区域内的压力的一个或多个排气阀，其中所述一个或多个排气阀被联接至该CPU上以便动态调节该液化腔室的液化区域内的压力。
9.如权利要求3所述的液化器，还包括用于密封该杜瓦瓶的该储存部分与该热交换区域之间的体积的一个板，其中该板包括一个或多个热交换阀以用于调节围绕该液化腔室的逆流式热交换。
10.如权利要求7所述的液化器，其中所述一个或多个阀被联接至所述CPU上以便对其进行动态控制。
11.如权利要求1所述的液化器，其中该杜瓦瓶的所述储存部分被适配成用于在大气压下储存液化冷冻剂。
12.如权利要求6所述的液化器，其中所述液化腔室被配置成使用所述CPU来维持所述液化区域内的液化压力处于1.0巴与2.2巴之间。
13.如权利要求1所述的液化器，还包括从该杜瓦瓶的所述储存部分延伸至一个孔口的一个流体传输端口以用于从该储存部分传输液化冷冻剂，该孔口被布置在该杜瓦瓶的一个表面上。
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