高温超导体制冷系统技术方案

本发明专利技术涉及低温制冷系统和对应的方法，该方法用于提高系统的冷却效率，优选地用于热耦接负载的冷却。因此，系统(1)包括用于提供低温制冷剂的供应流的供应装置(2)、流体地耦接到所述供应装置(2)并被构造成压缩所供应的低温制冷剂的压缩机(3)、以及流体地耦接到压缩机(3)的冷箱(10)，所述冷箱(10)包括第一膨胀设备(4)和第一热交换器(5)，其中第一膨胀设备(4)被构造成从压缩机(3)接收所压缩的低温制冷剂(20)并使其膨胀并将所膨胀的制冷剂提供给第一热交换器(5)，并且其中第一热交换器(5)被构造成热耦接到负载(7)。该系统还包括布置在冷箱(10)中的第二热交换器(6)，该第二热交换器包括至少第一热交换部分(6A)和第二热交换部分(6B)。第一热交换部分(6A)被构造成从膨胀设备(4)接收所膨胀的制冷剂(22)并随后将所接收的膨胀的制冷剂(22)提供给第一热交换器(5)，并且第二热交换部分(6B)被构造成从第一热交换器(5)接收所膨胀的制冷剂(24)并随后将所接收的膨胀的制冷剂(24)提供给第一热交换器(5)，其中第一热交换器部分(6A)和第二热交换器部分(6B)热耦接，并且其中第一热交换器(5)被构造成将所接收的膨胀的制冷剂(24)提供给供应装置(2)和/或压缩机(3)。给供应装置(2)和/或压缩机(3)。给供应装置(2)和/或压缩机(3)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高温超导体制冷系统


[0001]本专利技术涉及用于低温制冷的系统和方法。具体地讲，本专利技术涉及热交换器构造，该热交换器构造例如对于热耦接负载诸如用于高温超导体的制冷回路，使低温制冷剂再循环以改善制冷效率。

技术介绍

[0002]超导电缆通常使用热耦接液氮回路来进行冷却，其中液氮吸收在正常操作期间在所述电缆中产生的过量热并因此被蒸发。所蒸发的氮通常离开系统并且不再循环，因此例如在开放式构造中损失。此类解决方案一般来讲仅在低至中冷却能力要求下在经济方面可行。在较高冷却能力下，例如高于10kW至20kW，运行成本在此类开放式系统中成为主要考虑因素。此处，闭环制冷系统变得有利，尽管它们的资本支出较高。
[0003]此外，为了为超导电缆和类似负载提供足够的制冷，需要通过过冷液氮在超临界压力下的再循环来提供冷却。然而，温度范围通常是有限的，因为高温超导体例如电缆的能力随温度下降而降低，而同时氮的三相点为63K。因此，温度范围一般由所用负载的超导特性需要的温度和所用制冷剂的温度下限预定义，以避免所述制冷剂达到固相。
[0004]冷却液氮回路的已知系统通常包括氖作为制冷剂。为了进一步提高液氮的冷却效率，已知具有实施了耦接的压缩机引擎和涡轮膨胀器的制冷系统。然而，就过程控制而言，这难以实施并且需要复杂的控制系统。
[0005]由于由氮的三相点限定的有限温度范围以及高温超导体对最低可能冷却温度的要求，较大的冷却能力仅可通过增大制冷剂质量流量来实现。然而，增大膨胀阶段期间的压力比将产生与由氮再循环提供的高温超导体冷却不相容的过大温差。因此，在此类高温超导体应用中，此类耦接的Turbo-Brayton系统中40％的潜在等熵效率保持被限制为低于约28％。
[0006]进一步提高冷却效率的其它尝试包括基于氦的制冷管线的具体实施。然而，氦是非常轻的气体，即，具有低分子量，因此在环境温度下非常难以压缩。因此，氦通常在喷油螺杆压缩机中压缩，这通常导致低于20％的总系统等熵效率。
[0007]因此，需要在不显著增加低温制冷系统的复杂性和/或控制的情况下进一步增大此类系统的等熵效率。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种减少上述问题的改进的低温制冷系统以及用于提供低温制冷的对应方法。
[0009]该目的通过包括权利要求1的特征的低温制冷系统以及包括权利要求12的特征的低温制冷方法来实现。优选的实施方案在从属权利要求中提供并且通过说明书和附图提供。
[0010]因此，在第一方面，提出了一种低温制冷系统，该低温制冷系统包括用于提供低温
制冷剂的供应流的供应装置、流体地耦接到所述供应装置并被构造成压缩所供应的低温制冷剂的压缩机、以及流体地耦接到压缩机的冷箱。冷箱包括第一膨胀设备和第一热交换器，其中第一膨胀设备被构造成从压缩机接收所压缩的低温制冷剂并使其膨胀并将所膨胀的制冷剂提供给第一热交换器，并且其中第一热交换器被构造成热耦接到负载。根据本专利技术，该系统包括布置在冷箱中的第二热交换器，该第二热交换器包括至少第一热交换部分和第二热交换部分。第一热交换部分被构造成从膨胀设备接收所膨胀的制冷剂并随后将所接收的膨胀的制冷剂提供给第一热交换器，并且第二热交换部分被构造成从第一热交换器接收所膨胀的制冷剂并随后将所膨胀的经加热的制冷剂提供给第一热交换器，其中第一热交换器部分和第二热交换器部分热耦接。第一热交换器被构造成将所接收的膨胀的制冷剂提供给供应装置和/或压缩机。
[0011]此类构造具有以下优点：不是在膨胀阶段之后直接向第一热交换器提供冷却介质，而是所膨胀的或所冷却的制冷剂首先被来自第一热交换器的所接收的膨胀的制冷剂加热，即，所膨胀的制冷剂在第一热交换器中提供的第一轮冷却之后再循环。这允许根据第一热交换器需要和允许的低温冷却能力将低温制冷剂膨胀至冷得多的温度。同时，通过将来自第一热交换部分的所接收的膨胀的制冷剂(其可因此为经加热的冷却的制冷剂)和该所接收的膨胀的制冷剂(即，来自第二热交换部分)两者提供给第一热交换器，这允许在不增大质量流量的情况下传递两倍的冷却能力。
[0012]此外，通过使制冷剂再循环，从而使冷却能力加倍，提高了第一热交换器的等熵效率，并且不需要耦接的压缩机和膨胀设备以及对应的控制系统。此外，普通压缩机中制冷剂损失的不利影响没有增强，因为不需要增大质量流量。
[0013]系统的各种特征可直接或通过至少一个导管或管段彼此连接。此外，冷箱可通过布置在冷箱外部或连接处的阀例如止回阀与压缩机和/或供应装置流体地耦接。因此，压缩机和/或供应装置可经由所述阀直接或通过导管连接到冷箱，其中压缩机的出口连接到冷箱的阀的入口，即，将供应流提供给冷箱，并且压缩机和/或供应装置的入口连接到冷箱的阀的出口，即，从第一热交换器提供返回供应流。
[0014]同样，第一热交换器和第二热交换器可包括入口和出口，以在适用的情况下提供彼此与膨胀设备、供应装置和/或压缩机之间的流体耦接。例如，第一膨胀设备可被构造成向第一热交换器的第一入口提供所膨胀的制冷剂，以将所膨胀的和/或所冷却的制冷剂提供给第一热交换器，其中第二热交换器的第一热交换部分经由第二热交换器的第一入口与第一膨胀设备流体地耦接以接收所膨胀的制冷剂，并且经由第二热交换器的第一出口与第一热交换器的第一入口流体地耦接以将所膨胀的制冷剂提供给第一热交换器。此外，第二热交换部分可经由第二热交换器的第二入口流体地耦接到第一热交换器的第一出口以接收所膨胀的制冷剂，并且被构造成经由第二热交换器的第二出口和第一热交换器的第二入口将所接收的膨胀的制冷剂提供给第一热交换器。第一热交换器可随后被构造成经由第一热交换器的第二出口将所接收的膨胀的制冷剂提供给供应装置和/或压缩机。
[0015]如上所概述，该系统包括供应装置和压缩机，以将所压缩的低温制冷剂提供给冷箱。供应装置可包括例如大容器或提供低温制冷剂的足够供应流的任何其它装置，例如与制冷设施或制冷剂生产装置的过程介质流的耦接。供应装置和压缩机可流体地耦接并彼此分开布置，但也可在系统的入口处组合以提供更紧凑的布置。
[0016]膨胀设备可被构造为膨胀阀、膨胀容器或膨胀涡轮，带有或不带有另外的压力调节器和/或压力控制阀。膨胀设备包括低于膨胀设备上游的压力的恒定压力。因此，膨胀设备被构造成将所压缩的低温制冷剂的压力降至一定程度，使得由于膨胀设备中的突然体积增加(例如，通过对应的尺寸调节和大小调节)，所压缩的制冷剂松弛，致使制冷剂的压力快速降低，以便优选地产生气相。虽然经松弛的制冷剂的温度可保持恒定或降低，但制冷剂的潜热降低，使得热量可被吸收。为了增加可被吸收的热量，系统的所有特征优选地为热隔离的，使得进入和离开系统的热量被认为是零或可忽略不计。
[0017]为了进一步增大系统的等熵效率，冷箱还可包括第二膨胀设备，其中第二热交换器还可包括第三热交换部分和第四热交换部分。在此类构造中，第二膨胀设备可流体地耦接到第一热交换器和第二热交换器，并且被构造成接收由第一热交换器从第二热交换部分接收的所膨胀的制冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种低温制冷系统(1)，所述低温制冷系统包括：-供应装置(2)，所述供应装置用于提供低温制冷剂的供应流；-压缩机(3)，所述压缩机流体地耦接到所述供应装置(2)并被构造成压缩所供应的低温制冷剂；和-冷箱(10)，所述冷箱流体地耦接到所述压缩机(3)，所述冷箱(10)包括第一膨胀设备(4)和第一热交换器(5)，其中所述第一膨胀设备(4)被构造成从所述压缩机(3)接收所压缩的低温制冷剂(20)并使其膨胀并将所膨胀的制冷剂提供给所述第一热交换器(5)，并且其中所述第一热交换器(5)被构造成热耦接到负载(7)，其特征在于所述系统(1)包括布置在所述冷箱(10)中的第二热交换器(6)，所述第二热交换器包括至少第一热交换部分(6A)和第二热交换部分(6B)，其中所述第一热交换部分(6A)被构造成从所述膨胀设备(4)接收所膨胀的制冷剂(22)并随后将所膨胀的制冷剂(22)提供给所述第一热交换器(5)；其中所述第二热交换部分(6B)被构造成从所述第一热交换器(5)接收所膨胀的制冷剂(24)并随后将所接收的膨胀的制冷剂(24)提供给所述第一热交换器(5)，其中所述第一热交换器部分(6A)和所述第二热交换器部分(6B)热耦接，并且其中所述第一热交换器(5)被构造成将所接收的膨胀的制冷剂(24)提供给所述供应装置(2)和/或所述压缩机(3)。2.根据权利要求1所述的低温制冷系统(1)，其中所述冷箱(10)还包括第二膨胀设备(40)，并且所述第二热交换器(6)包括第三热交换部分(6C)和第四热交换部分(6D)，其中-所述第二膨胀设备(40)流体地耦接到所述第一热交换器(5)和所述第二热交换器(6)，并且被构造成接收由所述第一热交换器(5)从所述第二热交换部分(6B)接收的所膨胀的制冷剂(24)，提供所述制冷剂(24)的二次膨胀，并且随后经由所述第三热交换部分(6C)将所述经二次膨胀的制冷剂(26)提供给所述第一热交换器(5)，并且-所述第四热交换部分(6D)被构造成从所述第一热交换器(5)接收所述经二次膨胀的制冷剂(28)并随后将所接收的经二次膨胀的制冷剂(28)提供给所述第一热交换器(5)，-其中至少所述第三热交换器部分(6C)和所述第四热交换器部分(6D)热耦接。3.根据权利要求1或2所述的低温制冷系统(1)，其中所述压缩机(3)是螺杆压缩机或涡轮压缩机，所述涡轮压缩机优选地包括磁性耦接件和/或包括串联压缩机，并且/或者其中所述压缩机被构造成在环境温度下压缩所述制冷剂。4.根据前述权利要求中任一项所述的低温制冷系统(1)，其中所述第一热交换器(5)热耦接到负载(7)，所述负载(7)优选地包括用于高温超导体的制冷回路(70)。5.根据权利要求4所述的低温制冷系统(1)，所述负载(7)包括第二低温制冷剂，其中所述第二低温制冷剂优选地包括液氮。6.根据前述权利要求中任一项所述的低温制冷系统(1)，其中至少所述第一热交换部分(6A)和所述第二热交换部分(6B)和/或所述第三热交换部分(6C)和所述第四热交换部分(6D)相对于彼此布置，使得它们提供逆流、错流或等流热交换部分。7.根据前述权利要求中任一项所述的低温制冷系统(1)，其中所述压缩机(3)和/或所
述供应装置(2)被构造成将所述制冷剂作为液态制冷剂提供...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢茨，
申请(专利权)人：林德有限责任公司，
类型：发明
国别省市：