CN103827600B - 制冷方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种借助于并行设置的数个制冷器/液化器（L/R）对同一对象（1）进行制冷的方法和装置，所述并行设置的制冷器/液化器（L/R）使用性质相同的具有低摩尔质量、即平均总摩尔质量小于10g/mol的工作气体，诸如纯氦气，各个制冷器/液化器（L/R）包括用于压缩工作气体的压缩站（2）,冷箱（3）意在冷却从所述压缩站（2）排出的工作气体，由所述制冷器/液化器（L/R）的各个冷箱（3）中的每一者冷却的工作气体与对象（1）进行热交换以向对象（1）供给冷量，其中，单一压缩站（2）压缩用于并行设置的制冷器/液化器（L，R）的各个单独的冷箱（3）中的每一者的工作气体，所述单一压缩站（2）仅包括润滑螺杆式压缩机（EC1，EC2，EC3）和用于从自所述压缩机（EC1，EC2，EC3）排出的工作流体中除油的脱油***（4，14），从而所述压缩机（EC1，EC2，EC3）和脱油***（4，14）被并行设置的制冷器/液化器（L/R）共用。

Description

制冷方法和装置
技术领域
本发明涉及一种制冷装置和方法。
本发明尤其涉及一种低温制冷装置和方法，在该装置和方法中，具有低摩尔质量的气体（例如氢气或氦气）被用作制冷流体，以便获得非常低的制冷温度（例如，对于氦气而言是4.5K）。在30K及以下的温度下制冷一般需要使用诸如氦气等的制冷剂。氦气在环路或回路的热端被压缩，然后在环路的冷部（冷箱）被冷却和膨胀。制冷剂的主要部分通过交换被加热且在压缩级中再循环。在一些应用中，工作气体的一部分可能被液化。
背景技术
氦气液化/制冷循环的压缩一般使用一个或多个压缩机器的级（压缩机），其中该压缩机带有润滑螺杆，其后是油分离***。
如果有必要包含几个制冷器，则各个制冷器都被连接到其自身的压缩站。根据所需的速率，各压缩级可被分为几个并行的压缩机。主要的油管理和冷却***可由几个压缩机共用，或者各个压缩机分别具有一油管理和冷却***。
低摩尔质量气体在被压缩和与油分离之后在冷箱的低温膨胀涡轮中被冷却和膨胀，从而获得所需的温度。未被制冷器/液化器用户使用的冷量然后被传递到处于高压的工作流体，以便在热交换机中冷却这些工作流体。回路中的低压和中压下的工作气体返回到压缩机的入口。
对于大型的制冷***（例如大于20kW，等价于4.5k）而言，需要使用连接到同一待冷却对象的并行的数个单独的制冷器。待冷却对象的波动的热负载导致压缩站的压缩机上的输出的波动。压缩站（设备、集成和安装）的成本与装置的总成本相比较高。
制冷循环（其产生冷量）传统上在各个制冷器中是封闭的。也就是说，进入到冷箱中的工作流体的循环输出主要来源于同一冷箱。另一方面，这些循环输出在待冷却对象处是“开式的”或者组合的（由各制冷器施加的工作流体输出由待冷却对象共享，然后经由各自的输送***返回到各个制冷器）。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种借助于数个并行设置的制冷器/液化器对一对象进行制冷的制冷方法和装置，其解决上述问题中的全部或一部分。尤其是，本发明的一个目的可以是提出一种冷却方法和装置，该冷却方法和装置比已知***更便宜和/或更紧凑和/或更有效和/或使用更灵活。
为此，同一对象的制冷装置包括数个并行设置的制冷器/液化器，并行的制冷器/液化器使用性质相同、具有低摩尔质量、也就是说平均总摩尔质量小于10g/mol的工作气体，诸如纯氦气，各个制冷器/液化器包括用于压缩工作气体的压缩站，意在冷却从压缩站排出的工作气体的冷箱，由所述制冷器/液化器的各个冷箱中的每一者冷却的工作气体与对象进行热交换以向对象供应冷量，其中，单一压缩站压缩用于并行设置的制冷器/液化器的各个单独的冷箱中的每一者的工作气体，所述单一压缩站仅包括润滑螺杆式压缩机和用于从压缩机出口处的工作流体中除油的脱油/除油***，从而压缩机和脱油***被并行设置的制冷器/液化器共用。
本发明尤其涉及其中工作气体在从冷箱排出时被冷却到接近其液化温度的低温温度的制冷/液化。
此外，本发明的实施例可包括一个或多个下述特征：
-单一压缩站包括多个压缩机，所述多个压缩机限定用于工作流体的数个压力水平，
-通过串联的一个或多个压缩机或者通过并行设置的数个压缩机实现从一个压力水平到下一个较高的压力水平的转变，
-通过并行设置的两个压缩机实现从至少一个压力水平到下一个较高的压力水平的转变，脱油***设置在所述两个压缩机的出口处，所述脱油***包括由所述并行设置的两个压缩机共用的单个脱油部件，或者分别分配给所述并行设置的两个压缩机的两个脱油部件，
-所述装置包括至少一个最终脱油***，所述最终脱油***设置在最后的压缩级的出口处，也就是说，在向冷箱供应流体的流体连接部件之前，
-所述装置包括至少一个交换器，所述交换器用于冷却压缩机下游的工作流体，
-所述装置包括三个压缩机，所述三个压缩机限定压缩站的入口处的流体的压力水平之上的三个递增的压力水平，第一压缩机和第二压缩机串联设置且在其各自的流体出口处限定分别称为“低压”和“高压”的压力水平，第三压缩机在其入口处被供给来自于冷箱的处于所谓的“中压”压力水平的流体，所述中压压力水平介于低压水平和高压水平之间，第三压缩机也在其流体出口处限定“高压”压力水平，
-所述装置包括与第二压缩机并行设置的第四压缩机，所述第四压缩机的出口连接到第三压缩机的入口，
-第三压缩机和第二压缩机的出口连接到限定同一高压水平的公共位置，
-第三压缩机的出口和第二压缩机的出口在限定流体的各个单独的高压水平的分开的位置处连接到至少一个冷箱。
本发明的另一目的是提出一种借助于单个制冷器/液化器或数个并行设置的制冷器/液化器对同一对象进行制冷的制冷装置，该制冷器/液化器使用性质相同、具有低摩尔质量、也就是说平均总摩尔质量小于10g/mol的工作气体，诸如纯氦气，各个制冷器/液化器包括用于压缩工作气体的压缩站，意在冷却从压缩站排出的工作气体的冷箱，由制冷器/液化器的各个冷箱中的每一者冷却的工作气体与对象进行热交换以向对象供应冷量，其中，单一压缩站压缩用于制冷器/液化器的冷箱中的每一个的工作气体，压缩站仅包括润滑螺杆式压缩机和用于从自压缩机排出的工作流体中除油的脱油***，并且其中，压缩站包括多个压缩机，所述多个压缩机限定用于工作流体的数个压力水平，通过串联的一个或多个压缩机或者通过并行设置的数个压缩机实现从一个压力水平到下一个较高的压力水平的转变，所述压缩站包括至少两个压缩机，所述压缩机限定压缩站的入口处的流体的压力水平之上的至少两个递增的压力水平，两个主压缩机串联设置且在其各自的流体出口处限定分别称为“低压”和“高压”的压力水平，另一次级压缩机在其入口处被供给来自于冷箱的处于所谓的“中压”压力水平的流体，所述中压压力水平介于低压水平和高压水平之间，该次级压缩机也在其流体出口处限定“高压”压力水平。
根据其它可能的特性：
-次级压缩机和主压缩机的出口连接到限定同一高压水平的同一导管，
-次级压缩机和主压缩机的出口在限定流体的各个单独的高压水平的分开的位置处连接到至少一个冷箱。
本发明也涉及一种用于借助于制冷和/或液化装置对同一对象进行制冷的方法，所述装置包括并行设置的数个制冷器/液化器，所述并行设置的制冷器/液化器使用性质相同的具有低摩尔质量、也就是说平均总摩尔质量小于10g/mol的工作气体，诸如纯氦气，各个制冷器/液化器包括用于压缩工作气体的压缩站，意在冷却从压缩站排出的工作气体的各自的冷箱，由制冷器/液化器的各自的冷箱冷却的工作气体与对象进行热交换以向对象供应冷量，其中，单一压缩站压缩用于并行设置的制冷器/液化器的单独的冷箱中的每一者的工作气体，所述单一压缩站仅包括润滑螺杆式压缩机和用于从自压缩机排出的工作流体中除油的脱油***，从而压缩机和脱油***被并行设置的制冷器/液化器共用。
根据其它可能的特性：
-当待被冷却的对象的热负荷变化时，通过改变公共压缩站的压缩机中的仅一部分压缩机的工况实现所述装置的功率变化，
-由并行的制冷器/液化器冷却的对象被设置在相同的腔体中，且包括待冷却的超导元件。
本发明还可涉及包括上述或下列特征的任意组合的任意替代装置或方法。
附图说明
通过阅读以下参考附图给出的说明，其它的细节和优点将显现，其中：
-图1示出了根据本发明的装置的结构和功能的简化示意图，
-图2示出了根据本发明的第一示例性实施例的结构和功能的局部示意图，
-图3示出了根据本发明的第二示例性实施例的结构和功能的局部示意图，
-图4示出了根据本发明的第三示例性实施例的结构和功能的局部示意图。
具体实施方式
如图1中示意性示出的制冷装置包括多个并行设置的制冷器/液化器（L/R），所述制冷器/液化器冷却相同的物理实体（也就是说相同的对象/应用1）。
并行设置的制冷器/液化器（L/R）使用性质相同的具有低摩尔质量的工作气体，也就是说具有小于10g/mol的平均总摩尔质量，所述工作气体诸如是纯的气态氦。
每个制冷器/液化器（L/R）使用用于压缩工作气体的压缩站2和用于冷却从压缩站2中输出的工作气体的冷箱3。由制冷器/液化器（L/R）的相应冷箱（3）中的每一个所冷却的工作气体藉由分配回路11与对象1进行热交换，以向所述对象供应冷量。
根据有利特征，单个压缩站2压缩用于并行设置的制冷器/液化器L/R的各个单独的冷箱3中的每一个的工作气体。
在适用情况下，压缩站2可连接到用于存储工作流体的所谓的“热”缓冲器12上。根据另一有利特征，单个压缩站2包括润滑螺杆式压缩机和用于从压缩机排出的工作流体去除油的脱油***。这样，并行设置的制冷器/液化器共用压缩机（润滑螺杆式压缩机）和脱油***。
所述构型使得可以限制压缩工作流体所必需的机器和设备的数量。
这还使得可以借助于适当的调节部件（例如，变频器、调节阀等）集中于有限数量压缩机的负荷变化。
另外，在适用情况下，这还使得可以通过压缩机类型或通过功能（制冷循环和/或客户供给）而不是通过制冷循环来对压缩站进行分类。
在适用情况下，所述构造还使得可以为每种功能或每个压缩站提供数个流体循环压力。
图2示出了根据本发明的第一可能的示例性实施例。如图2所示，单个共用的压缩站2包括多个压缩机EC1、EC2、EC3，这些压缩机限定出数个用于工作流体的压力水平VLP、LP、MP、HP、HP1、HP2。
在压缩站2的进口处，从一个或多个冷箱3中流出的流体在所谓的“极低”压力（VLP）下到达。该极低压力取决于对象1，该极低压力在一些对象中可能不存在（也就是说，压缩站中的第一压力水平被认为是“低”，即包括在以下提及的范围内）。第一压缩机EC1使工作流体的压力上升到所谓的“低”压LP，该低压LP比极低压VLP高。流体在从第一压缩机EC1中排出之后，可以在脱油部件4中去油，然后在热交换器5中冷却。第一压缩机EC1的排出口然后连接到第二压缩机EC2的进口，该第二压缩机将流体从基础压力LP压缩到高压HP。第二压缩机EC2的进口也接收从冷箱3中流出的处于该低压水平LP下的流体。如前所述，流体在从第二压缩机EC2排出之后，可以在脱油部件4中去油，然后在热交换器5中冷却。在返回到冷箱3之前，流体可在最后的脱油***14中经历最后的更有选择性的去油。第三压缩机EC3设置在压缩站2中。第三压缩机EC3在其进口处被供给有来自冷箱3的处于所谓的“中”压（MP）下的流体，该中压介于低压水平LP和高压水平HP之间。第三压缩机EC3也在其流体出口处限定出用于工作流体的“高”压水平HP。流体在从第二压缩机EC2排出之后，可以在脱油部件4中去油，然后在热交换器5中冷却。高压工作流体喷射到最后的脱油***14上游（一管连接到第二压缩机EC2的出口）。
所述解决方案因此将数个润滑螺杆式压缩机结合在低压LP和高压HP之间，另外在中压MP和该同一高压HP之间具有一压缩级。
所述构造具有的优点是，减小了特别是在低压LP和高压HP之间的循环的部分上的主油管理***4（最终的脱油***14之前的脱油***4）的尺寸。所述结构也使得可以同时保持（尤其在中压MP和高压HP之间的）回路的这个部分中可能存在的流速和压力的变化的灵活性。
另一方面，所述解决方案在改变低压LP工作流体的流速的可能性方面灵活性较差，这是因为所结合的压缩机相互依赖且较难控制波动性。
由压缩机执行的每个压缩级当然可以由并行设置的两个（或两个以上）压缩机所替代。这是因为根据所需的工作流体流速，每个压缩级可被分为并行设置的多个压缩机。在此情况下，主要油管理（脱油）和冷却***可由数个压缩机所共用，或者每个压缩机均配备一主要油管理和冷却***。
根据极低压力水平VLP和第一压缩机EC1的压缩比，第一压缩机EC1的出口也可连接到处于所谓的“中”压水平MP的第三压缩机EC3的进口。所述构造的余下部分保持类似。
图3中的变型与图1中的实施例的不同之处仅在于制冷装置包括与第二压缩机EC2并行设置的第四压缩机EC12。以与第二压缩机EC2相同的方式，第四压缩机EC12的流体进口连接到第一压缩机EC1的出口和来自于冷箱3的处于低压下的流体进口两者。第四压缩机EC12的出口就其本身而言连接到第三压缩机EC3的进口（第三压缩机EC3的进口也接收来自于冷箱的处于中压MP下的流体）。
如前所述，并行设置的第二压缩机EC2和第四压缩机EC12可以分别在其出口处具有专用的脱油***4和专用的热交换器5。在一变型中，脱油***4和热交换器5可以是公共的并因此被共用。
如前所述，根据所需的工作流体流速，各个压缩级可被分为多个并行设置的机器（压缩机）。
如前所述，所述解决方案将数个压缩机结合在低压LP和高压HP之间，另外在中压MP和相同的高压HP之间提供一压缩级。
然而，在图3的情况中，低压LP下的工作流体的流量的一部分通过只将流体压缩至中压MP的压缩机EC12。
压缩机EC12可装配有变速器，以便对低压流体流速的变化做出反应。流体在低压LP和中压MP之间的再循环也是可能的，从而对负荷的变化做出反应。
结合在低压LP和高压HP之间的压缩机或多个压缩机EC2可在恒定流速下并且独立于负荷（对象1）的波动及工作循环起作用。流速和压力的波动由在极低压VLP直到较高水平压力（LP->MP->HP）之间的压缩机EC1、EC2、EC12的组吸收。
图4中的变型与图3中的变型不同之处仅在于第三压缩机EC3的出口和第二压缩机EC2的出口在限定出用于流体的各个单独的高压水平HP1、HP2的不同位置处连接到至少一个冷箱3。另外，在图4中，包括第四压缩机EC12和其下游部件（脱油单元4和热交换器5）的管道已经以虚线表示出来（为了更好地示出其可选特征）。
在图4的构型中，第三压缩机EC3和第二压缩机EC2的各高压出口HP1、HP2在各自的热交换器5下游包括各自的最终脱油部件14。两个最终脱油***14实际上是必要的，这是因为在两条管线之间存在压差。
如前所述，处于低压LP下的流体的流量的一部分被直接压缩至高压HP2。在图4的这一构型中，该高压HP2与在中压MP和高压HP1之间压缩的压缩机的出口处获得的高压HP1无关。
所述构造还使得可以优化具有多个压缩级的多种类型压缩机的尺寸和效率。
因此也能够更加独立地管理在分别引起两个高压水平HP1和HP2的回路上的流体的流速和压力的变化。
包括介于中压MP和高压HP1之间的压缩级的回路通常供应作为***的制冷源的、冷箱3的循环的减压涡轮的主要部分。该循环的改变因此直接引起了制冷器/液化器L/R的制冷能力的改变。
另一方面，从第二压缩机EC2中排出的高压流体回路HP2可优选地用于供给对象1和/或在循环的冷端处的Joule-Thompson类型的冷却膨胀回路。
本发明可特别适用于使用氦气或稀有气体的且具有高的液化或制冷能力的任何制冷/液化单元。
通过非限制性示例（具有三个压缩级、但是限定四个压力水平的回路），各压缩级的各个压力水平极低压VLP、低压LP、中压MP和高压HP以及工作气体的相应的压缩比和流速可包括在以下的范围内：
压缩级 相应压缩机的吸入压力 压缩机中的流速 压缩级的压缩比
（bar） （g/s） （无单位）
VLP 0.05->1.0 10->500 2->15
LP 1.0->2.5 500->2000 2->5
HP 3->6 800->4500 2->5
示出的示例中的压缩站的结构有利地也可用于使用单个液化器/制冷器（而不是并行设置的数个）的装置。

Claims (14)

1.一种借助于数个并行设置的制冷器/液化器(L/R)对同一对象(1)进行低温制冷的装置，所述并行设置的制冷器/液化器(L/R)使用性质相同的具有低摩尔质量、也就是说平均总摩尔质量小于10g/mol的工作气体，各个制冷器/液化器(L/R)包括用于压缩工作气体的压缩站(2)，意在将从所述压缩站(2)中排出的工作气体冷却到至少接近其液化温度的低温温度的冷箱(3)，由所述制冷器/液化器(L，R)的各个冷箱(3)中的每一者冷却的工作气体与对象(1)进行热交换以向对象(1)供应冷量，其中，所述制冷器/液化器的所有压缩站形成单一压缩站(2)，所述单一压缩站(2)压缩用于并行设置的所述制冷器/液化器(L，R)的各个单独的冷箱(3)中的每一者的工作气体，所述单一压缩站(2)仅包括润滑螺杆式压缩机(EC1，EC2，EC3)和用于从所述压缩机(EC1，EC2，EC3)的出口处的工作流体中除油的脱油***(4，14)，从而所述压缩机(EC1，EC2，EC3)和脱油***(4，14)被并行设置的制冷器/液化器(L/R)共用。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单一压缩站(2)包括限定用于工作流体的数个压力水平(VLP，LP，MP，HP，HP1，HP2)的多个压缩机(EC1，EC2，EC3)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，通过串联的一个或多个压缩机(EC1，EC2，EC3)或者通过并行设置的数个压缩机(EC1，EC2，EC3)实现从一个压力水平(VLP，LP，MP，HP，HP1，HP2)到下一个较高的压力水平的转变。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，通过并行设置的两个压缩机(EC1，EC12)实现从至少一个压力水平(VLP，LP，MP，HP，HP1，HP2)到下一个较高的压力水平的转变，脱油***(4，14)设置在所述两个压缩机(EC1，EC12)的出口处，所述脱油***(4，14)包括由所述并行设置的两个压缩机(EC1，EC12)共用的单个脱油部件，或者分别分配给所述并行设置的两个压缩机(EC1，EC12)的两个脱油部件。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个最终脱油***(14)，所述最终脱油***设置在最后的压缩级的出口处，也就是说，在向所述冷箱(3)供应流体的流体连接部件之前。
6.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个交换器(5)，所述交换器用于在压缩机(EC1，EC2，EC3)下游冷却工作流体。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括三个压缩机(EC1，EC2，EC3)，所述三个压缩机限定所述压缩站(2)的入口处的流体的压力水平(VPL)之上的三个递增的压力水平(LP，MP，HP)，第一压缩机(EC1)和第二压缩机(EC2)串联设置且在其各自的流体出口处限定分别称为“低压”(LP)和“高压”(HP)的压力水平，第三压缩机(EC3)在其入口处被供给来自于冷箱(3)的处于所谓的“中压”(MP)压力水平下的流体，所述中压压力水平介于低压(LP)水平和高压(HP)水平之间，所述第三压缩机(EC3)也在其流体出口处限定“高压”(HP)压力水平。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置包括与所述第二压缩机(EC2)并行设置的第四压缩机(EC12)，所述第四压缩机(EC12)的出口连接到所述第三压缩机(EC3)的入口。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三压缩机(EC3)和所述第二压缩机(EC2)的出口连接到限定相同的高压水平(HP)的同一导管。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三压缩机(EC3)的流体出口和所述第二压缩机(EC2)的流体出口连接到至少一个冷箱(3)。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作气体是纯氦气。
12.一种借助于制冷和/或液化装置对同一对象(1)进行制冷的方法，所述装置包括并行设置的数个制冷器/液化器(L，R)，所述并行设置的制冷器/液化器(L，R)使用性质相同的具有低摩尔质量、也就是说平均总摩尔质量小于10g/mol的工作气体，各个制冷器/液化器(L/R)包括用于压缩工作气体的压缩站(2)，意在冷却从所述压缩站(2)排出的工作气体的相应的冷箱(3)，所述工作气体在从所述冷箱排出时被冷却到接近其液化温度的低温温度，由所述制冷器/液化器(L，R)的各个冷箱(3)冷却的工作气体与对象(1)进行热交换以向对象(1)供应冷量，其中，所述制冷器/液化器的所有压缩站形成单一压缩站(2)，所述单一压缩站(2)压缩用于并行设置的所述制冷器/液化器(L，R)的单独的冷箱(3)中的每一者的工作气体，所述单一压缩站(2)仅包括润滑螺杆式压缩机(EC1，EC2，EC3)和用于从自所述压缩机(EC1，EC2，EC3)排出的工作流体中除油的脱油***(4，14)，从而所述压缩机(EC1，EC2，EC3)和脱油***(4，14)被并行设置的制冷器/液化器(L/R)共用。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当待被冷却的对象(1)的热负荷变化时，通过改变所述单一压缩站(2)的压缩机中的仅一部分压缩机的工况实现所述装置的功率改变。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述工作气体是纯氦气。
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