具有多组分制冷剂流体预冷的磁制冷系统技术方案

本发明专利技术涉及一种在很冷的温度下产生致冷和向热负荷提供致冷的系统，该系统包括利用多组分致冷剂流体的预冷回路和磁致冷回路，后一回路向热负荷提供致冷，并将热排入预冷回路。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术，一般说来，涉及致冷，更具体而言，涉及在液化气体如氢的非常冷的温度下产生和提供的致冷。某些气体如氖、氢和氦的液化要求产生很低温的致冷。例如，在大气压下，氖在27.1K液化，氢在20.39K液化，氦在4.21K液化。这种产生很低温致冷的费用甚高。由于诸如氖、氢和氦等流体的应用日显重要，例如在能量产生、能量传输、和电子学等等领域，因此液化这类流体的系统的任何改进都会受到很大的欢迎。产生很低温度的致冷冻系统是已知的，但这些系统只在较小的规模内才是有效的。因此，本专利技术的目的是提供一种在很低温度下能有效产生和提供致冷的系统。本专利技术的另一目的是提供一种改进性系统，该系统产生足以使难于液化的流体如氖、氢和氦液化和致冷。本专利技术的再一目的是提供一种用于使难于液化的流体如氖、氢或氦液化的系统，该系统能在较高的生产水平下运行。在阅读本专利技术说明书时，对本领域专业人员是显而易见的。上述目的和另一些目的可通过本专利技术能达到，本专利技术的一个方面为一种在很冷温度下提供致冷的方法，它包括(A)压缩多组分致冷剂流体，冷却压缩的多组分致冷剂流体以产生冷却的多组分致冷剂流体，和膨胀冷却的多组分致冷剂流体；(B)磁化磁致冷机系统的回热器床，使回热器床升温，使工作流体通过磁致冷机系统而升温，然后使从磁致冷机系统流出的工作流体与冷却的膨胀的多组分致冷剂流体进行间接热交换，以产生冷却的工作流体；(C)去磁回热器床，以冷却回热器床，并使冷却的工作流体通过磁致冷机系统，以在很低的温度下进一步冷却工作流体；和(D)将很冷温度的工作流体的致冷送往热负荷。本专利技术的另一方面是一种在很冷温度下提供致冷的设备，它包括(A)压缩机，多组分致冷剂流体热交换器，使流体从压缩机通到多组分致冷剂流体热交换器的装置，膨胀部件，和使流体从多组分致冷剂流体热交换器通到膨胀部件的装置；(B)中温换热器和将流体从多组分致冷剂流体换热器通到中温换热器的装置；(C)磁致冷机系统，包括可磁化床物料的床，磁化可磁化床物料的装置，将流体从磁致冷机系统通到中温换热器的装置，和将流体从中温换热器通到磁致冷机系统的装置；和(D)热负荷和使来自磁致冷机系统的流体与热负荷进行热交换的装置。本文所用的术语“多组分致冷剂流体”系指包括两种或多种物质并能产生致冷的流体。本文所用的术语“可变负荷致冷剂”系指两组分或多组分的混合物，其比例要使这些组分的液相在混合物的始沸点和露点之间经受连续的温升变化。混合物的始沸点是这样的温度，即在给定压力下整个混合物处于液相，但添加热即会引发与液相平衡的汽相形成的温度。混合物的露点是这样的温度，即在给定压力下整个混合物处于汽相，但引出热即会引发与汽相平衡的液相形成的温度。因此，混合物始沸点和露点之间的温度区间是液相和汽相两者平衡共存的区间。在本专利技术的实践中，可变负荷致冷剂的始沸点和露点之间的温差一般至少为10℃，优选至少20℃，最优选至少50℃。本文所用之术语“很冷温度”系指90K或更低的温度。本文所用之术语“间接热交换”系指流体发生热交换关系，但流体相互之间不发生实体接触或相互混合。本文所用的术语“直接热交换”系指通过冷体和热体接触进行的致冷冻传递。本文所用的术语“膨胀”系指实施减压。本文所用的术语“大气气体”系指下列之一种氮(N2)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氧(O2)，氘(D2)，氢(H2)和氦(He)。本文所用的术语“磁化”系指利用外部施加电场使物质感应磁性质。本文所用的术语“热负荷”系指将一定量的热施加到具体的物体或物质上。附图说明图1是本专利技术一个优选实施方案的简化图示。图2是能用于本专利技术实践的活性磁回热器致冷系统图的一个实施方案的剖面图。图3是本专利技术的对液化工艺气体特别有效的另一优选实施方案的简图。一般说来，本专利技术利用多组分致冷剂流体致冷系统和活性磁回热器致冷系统产生很冷温度的致冷。多组分致冷剂流体系统与磁回热器系统按一种确定的方式整体化，从而将磁回热器系统的热排入多组分致冷剂流体系统，能对热负荷产生很冷温度的致冷，例如能将较大量的产品流体带入很冷的状态。将参照附图对本专利技术作较详细的叙述。参看图1，物流310中的多组分致冷剂流体在压缩机311中一般压缩至50-1000磅/平方英寸(绝对)(Psia)的压力。对本专利技术的实践有效的分组分致冷剂流体一般包含至少一种大气气体，优选氮、氩和/或氖，并宜包括至少一种其碳原子数可达6的含氟的化合物。如碳氟化合物，氢碳氟化合物，氢氯碳氟化合物，氟代醚和氢氟代醚，和/或至少一种碳原子数达5的烃。能有效地实施本专利技术的多组分致冷剂流体的一个优选实施方案包含选自碳氟化物、氢碳氟化物，氟代醚和氢氟代醚的至少两种组分。能有效地实施本专利技术的多组分致冷剂流体的另一优选实施方案包含选自碳氟化物、氢碳氟化物、氟代醚和氢氟代醚的至少一种组分和至少一种大气气体。能有效地实施本专利技术的多组分致冷剂流体的另一优选实施方案包含选自碳氟化物、氢碳氟化物、氟代醚和氢氟代醚的至少两种组分和至少两种大气气体。能有效地实施本专利技术的多组分致冷剂流体的另一优选实施方案包含至少一种氟代醚和选自碳氟化物、氢碳氟化物，氟代醚和大气气体的至少一种组分。在一个优选的实施方案中，多组分致冷剂流体只由碳氟化物组成。在另一优选实施方案中，多组分致冷剂流体仅由碳氟化物和氢碳氟化物组成。在另一优选实施方案中，多组分致冷剂流体仅由碳氟化物和大气气体组成。在另一优选实施方案中，多组分致冷剂流体仅由碳氟化物、氢碳氟化物、氟代醚和氢氟代醚组成。在另一优选实施方案中，多组分致冷剂流体仅由碳氟化物、氟代醚、氢氟代醚和大气气体组成。能有效地实施本专利技术的多组分致冷剂流体可含其它组分如氢氯碳氟化物和/或烃。多组分致冷剂流体宜不含氢氯碳氟化物。在本专利技术的另一优选实施方案中，多组分致冷剂流体不含烃。最优选的多组分致冷剂流体既不含氢氯碳氟化物又不含烃。最优选的多组分致冷剂流体是无毒的、不可燃的和不引起臭氧贫化的，多组分致冷剂流体最优选的每一组分或者是碳氟化物、氢碳氟化物、氟代醚或大气气体。压缩的多组分致冷剂流体312在冷却器313中经过与合适的冷却流体如冷却水进行热交换而冷却去除压缩热，所得多组分致冷剂流体314流经多组分致冷剂流体换热器301，其中314与将在下面叙述的加温的多组分致冷剂流体进行间接热交换而冷却。冷却的多组分致冷剂流体315从换热器301通入膨胀部件316，后者宜为一膨胀阀，它在其中减压到较低的压力，从而使其温度降低。多组分致冷剂因在膨胀部件316中膨胀而产生温度的降低有助于冷却，一般有助于部分冷凝，优选有助于全部冷凝多组分致冷剂流体。所得该多组分致冷剂流体然后经管线317进入中温换热器303。一般物流317中冷却的膨胀流体的温度在50-250K范围内。磁致冷机系统302包括包容可磁化床物料的壳体。一个或多个可磁化床物料的床可用作本专利技术磁致冷机系统。在可用于本专利技术实践的适宜的可磁化床物料中可举出GdNi2、GdZn2、GdTiO3、Gd2Ni17、GdAl2、GdMg、GdCd、Gd4Co3、GdGa、Gd5Si4和GdZn。可磁化物料的床被磁化，有助于床的温度升高。工作流体如氦、氖、氮、氩、甲烷、四氟化碳、碳氟化物、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在很冷温度下提供致冷的方法，它包括：（Ａ）压缩多组分致冷剂流体，冷却压缩的多组分致冷剂流体以产生冷却的多组分致冷剂流体，和膨胀冷却的多组分致冷剂流体；（Ｂ）磁化磁致冷机系统的回热器床，使回热器床升温，使工作流体通过磁致冷机系统而 升温，然后使从磁致冷机系统流出的工作流体与冷却的膨胀的多组分致冷剂流体进行间接热交换，以产生冷却的工作流体；（Ｃ）去磁回热器床，以冷却回热器床，并使冷却的工作流体通过磁致冷机系统，以在很低的温度下进一步冷却工作流体；和（Ｄ）将很冷温 度的工作流体的致冷送往热负荷。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A阿查亚，B阿曼，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]