用于净化和液化氦的设备和相关的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于净化和液化氦的设备(100)，所述设备包括：冷头(3)，所述冷头具有：室温的后部的端部段(5)，以及至少一个最后面的在运行中最热的冷却级(8)和最前面的在运行中最冷的冷却级(10)，所述室温的端部段(5)和所述冷却级(8、10)沿所述冷头(3)的延伸方向(ER)前后相继地设置；热耦合到冷头(3)上的吸附床(4)；和用于液化氦的真空绝缘的储存容器(1)，其特征在于，通过所述设备(100)建立气体空间(12)，所述冷头(3)以其冷却级(8、10)伸入所述气体空间中并且所述气体空间包含所述吸附床(4)，所述气体空间(12)从冷头(3)室温的端部段(5)沿冷头(3)并经由吸附床(4)引至冷头(3)的最冷的冷却级(10)，在所述端部段上构成用于要净化的氦气的供应接口(6)，并且从冷头(3)上的至少两个耦合输出位置(14)到吸附床(4)上的至少两个耦合输入位置(15)建立冷头(3)到吸附床(4)的热耦合，所述耦合输出位置(14)在所述冷头(3)上分布所在的耦合输出区域(16)在冷头(3)的延伸方向(ER)上具有至少5cm的长度(L

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于净化和液化氦的设备和相关的方法


[0001]本专利技术涉及一种用于净化和液化氦的设备，所述设备包括：
[0002]‑
冷头，所述冷头具有
[0003]室温的后部的端部段，
[0004]和至少一个最后面的、在运行中最热的冷却级和最前面的、在运行中最冷的冷却级，
[0005]其中，室温的端部段和各冷却级沿冷头的延伸方向前后相继地设置，
[0006]‑
热耦合到冷头上的吸附床，
[0007]‑
和用于液化的氦的真空绝缘的储存容器。

技术介绍

[0008]这种设备是由JP H11
‑
118349A(＝参考文献[D1])已知的。
[0009]液态氦在需要温度特别低的冷却剂的领域中使用。在正常的压力条件下，氦在4.2K下以液态形式存在。例如在使用超导磁体时可以将氦用作冷却剂，以保持超导体低于其临界转变温度。在实践中，这种超导磁体例如在磁共振波谱分析(NMR)中、在粒子加速器的运行中和在医疗诊断领域的核磁共振成像(MRI)中使用。
[0010]此外，氦也是一种多用途的原材料，这种原材料也以气态形式使用。这里，氦例如在食品工业中使用，这里氦用作喷射剂或包装气体，在焊接技术中使用，此时氦用作惰性气体，在气体放电管中使用，或用作用于气球和飞艇的提升气体，这里仅列举了几个领域。但对于这些众多的应用实例，需要有足够好的氦供应。
[0011]氦以一定比例存在于一些天然气源中。开采这种气体混合物并分离出氦。在过去的20年不断开发出新的含氦的天然气源。但尽管如此，氦的消耗量很大并且不断增加。这就反映在价格上涨上。此外，氦是一种不可再生资源，由此看来，有必要通过回收已经开采的氦来减少新开采氦的消耗。
[0012]这种回收例如经常发生在NMR实验室中，在所述NMR实验室中重新收集从超导磁体上蒸发的氦并且为了进一步使用再次使其液化。许多NMR实验室的液氦的日消耗量低于50升。在这种情况下，通常借助于基于低温冷却器(如脉冲辐射冷却器或GM冷却器)的液化器对氦进行液化。这种液化器对供应给所述液化器的氦气的纯度特别敏感。
[0013]这里，对于杂质可能如何进入氦回收系统的氦回路中，存在多个原因。例如每次打开氦回收系统的管线都会有一些空气进入氦回路。所述氦回收系统通常具有贮气气球(Ballonspeicher)，所述贮气气球的囊皮至少部分地对于空气和湿气是可透过的，由此会将这些不希望的组成成分供应给氦回路。此外，通常将泵和压缩机集成到氦回收系统中，在所述泵和压缩机中，在运行期间，泵油的油雾和裂解产物进入氦回路。
[0014]这类杂质在液化器中冻结在所谓的冷头的冷表面上。结果是，逐渐形成冻结杂质的层，所述层逐渐隔绝冷头。随着时间的推移，冷头被热绝缘，以至于不再提供足够冷的表面并且不再能使氦液化，或者不再能以希望的速率使氦液化。如果液化器具有横截面较小
的管道或孔口，附加地存在这样的风险，即，所述管道或孔口被冻结的杂质堵塞。为了清除杂质，必须将液化器加热到室温，这是昂贵且耗时的过程。
[0015]为了确保氦气具有足够的纯度，通常在液化器的上游设置所谓的低温净化器。为此，多数情况下在所述净化器中将要净化的氦气冷却到40和100K之间的温度，并引导氦气通过吸附床(例如活性炭散料)。此时，在吸附床中，杂质在由活性炭所提供的大表面上发生冻结。为了实现良好的净化效果，必须定期对低温净化器进行再生。为此，将吸附床加热到室温，由此可以使所吸附的杂质解除吸附并且接下来可以将其吸出。所述低温净化器的冷却通过液氮进行，这带来的缺点是，液氮会随着时间的推移蒸发并且必须定期补充填充，或者所述低温净化器的冷却通过单独的用于净化器的低温冷却器进行。这种单独的低温净化器例如由以下互联网出版物已知：
[0016]‑“
AUTOMATIC HELIUM PURIFIER”，Cryomech Inc公司,雪城(美国纽约市)，见
[0017]https://www.cryomech.com/articles/automatic
‑
helium
‑
purifier/
[0018]公开日期14.04.2021(＝参考文献[D8])；
[0019]‑“
Helium gas purifier”，Quantum Design GmbH公司，达姆施塔特(德国黑森州)，见
[0020]https://qd
‑
europe.com/ch/en/product/helium
‑
gas
‑
purifier/
[0021]2021年4月14日(＝参考文献[D9])；
[0022]‑“
Cryogenic Purificiation”，Quantum Technology Corp公司，Sqamish(加拿大不列颠哥伦比亚省)，见
[0023]https://quantum
‑
technology.com/purify/cryogenic
‑
purification.ht ml
[0024]2021年4月14日(＝参考文献[D10])；
[0025]‑“
KDHPS
‑
CC Helium Purifier”，中船重工鹏力(南京)超低温技术有限公司(中国江苏)，见
[0026]https://www.724pridecryogenics.com/en/prodetail.asp？id＝701。
[0027]2021年4月15日(＝参考文献[D11])；
[0028]独立的净化器明显提高了氦回收系统的总能耗，并带来额外的维护成本，因为净化器是以自己的冷头和自己的压缩机运行的。单独的净化器还提高了设备的技术复杂性，这是因为，需要第二个压缩机、另一个供电接口、附加的用于安装的空间以及可能需要用于水冷却的附加的接口，上面仅举出原因中的几个例子。
[0029]此外，在将通过净化器的吸附床的氦引导到液化器之前将其加热到室温，然后在液化器中又使其重新冷却。这在热力学上是低效的。
[0030]JP 4 570 546 B2(＝参考文献[D2])记载了一种液化器，所述液化器包括两个冷头，所述冷头分别具有两个或多个冷却级，所述冷头冷却氦并且接着使其液化。这里没有说明事先对氦气的净化。
[0031]WO 2016/005463 A1(＝参考文献[D3])记载了一种装置，在所述装置中可以使用冷阱，以用于净化气流。这里使用逆流加热器，以便在热力学上更为有效。所述装置中只在能在冷头的两个级别上提供的两个温度水平上进行冷却。
[0032]在EP 2 567 159 B1(＝参考文献[D4])中记载了一种利用低温冷却器液化氦的液化器。为了提高液化的效率，提高系统中的压力，由此在较高的温度下就已经能使气态氦液
化。为了清本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于净化和液氦化的设备(100)，所述设备包括：
‑
冷头(3)，所述冷头具有：室温的后部的端部段(5)，以及至少一个最后面的在运行中最热的冷却级(8)和最前面的在运行中最冷的冷却级(10)，所述室温的端部段(5)和所述冷却级(8、10)沿所述冷头(3)的延伸方向(ER)前后相继地设置，
‑
热耦合到冷头(3)上的吸附床(4)，
‑
和用于液化氦的真空绝缘的储存容器(1)，其特征在于，通过所述设备(100)建立气体空间(12)，所述冷头(3)以其冷却级(8、10)伸入所述气体空间中并且所述气体空间包含所述吸附床(4)，所述气体空间(12)从冷头(3)的室温的端部段(5)沿冷头(3)并经由吸附床(4)引至冷头(3)的最冷的冷却级(10)，在所述端部段上构成用于要净化的氦气的供应接口(6)，并且从冷头(3)上的至少两个耦合输出位置(14)到吸附床(4)上的至少两个耦合输入位置(15)建立冷头(3)到吸附床(4)的热耦合，所述耦合输出位置(14)在所述冷头(3)上分布所在的耦合输出区域(16)在冷头(3)的延伸方向(ER)上具有至少5cm的长度(L
AK
)，并且所述耦合输入位置(15)在吸附床(4)上分布所在的耦合输入区域(17)在冷头(3)的延伸方向(ER)上具有至少5cm的长度(L
EK
)。2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，在冷头(3)上的、在最后面的最靠近冷头(3)室温的端部的耦合输出位置(14a)与最前面的最靠近最冷的冷却级(10)的耦合输出位置(14b)之间的耦合输出温差至少为50K，优选至少为100K，并且在吸附床(4)上的、在最后面的最靠近冷头(3)室温的端部的耦合输入位置(15a)与最前面的最靠近最冷的冷却级(10)的耦合输入位置(15b)之间的耦合输入温差至少为50K，优选至少为100K。3.根据权利要求1或2中任一项所述的设备(100)，其特征在于，在冷头(3)的至少一个分部段(18)和吸附床(4)的至少一个分部段(19)之间沿冷头(3)的延伸方向(ER)建立连续的热耦合，冷头(3)的相应分部段(18)在冷头(3)的延伸方向(ER)上至少在5cm的长度上延伸，并且吸附床(4)的相应分部段(19)在冷头(3)的延伸方向(ER)上至少在5cm的长度上延伸。4.根据权利要求3所述的设备(100)，其特征在于，所述冷头(3)的一个后分部段(18a)设置在室温的端部段(5)和最热的冷却级(8)之间，并且设置吸附床(4)的一个与冷头的所述后分部段连续热耦合的后分部段(19a)，其中，所述最热的冷却级(8)具有温度T
w
，冷头(3)在冷头(3)延伸方向(ER)上沿冷头(3)的所述后分部段(18a)具有连续的温度梯度，所述温度梯度覆盖温差TD
HKK
，其中TD
HKK
≥(293K
‑
T
w
)/2，并且吸附床(4)在冷头(3)延伸方向(ER)上沿吸附床(4)的所述后分部段(19a)具有连续的温度梯度，所述温度梯度覆盖温差TD
HAD
，其中TD
HAD
≥(293K
‑
T
w
)/2。5.根据权利要求3或4所述的设备(100)，其特征在于，在冷头(3)的一个较热的冷却级(8a)和一个较冷的冷却级(10a)之间设置冷头(3)的至少一个另外的分部段(18b)，并且设
置吸附床(4)的与冷头的所述另外的分部段连续热耦合的至少一个另外的分部段(19b)，相应地，所述较热的冷却级(8a)具有上温度T
ob
，并且所述较冷的冷却级(10a)具有下温度T
unt
，冷头(3)分别在冷头(3)的延伸方向(ER)上沿冷头(3)的所述另外的分部段(18b)具有连续的温度梯度，所述温度梯度覆盖温差TD
WKK
，其中TD
WKK
≥(T
ob
‑
T
unt
)/2，并且吸附床(4)分别在冷头(3)延伸方向(ER)上沿吸附床(4)的所述另外的分部段(19b)具有连续的温度梯度，所述温度梯度覆盖温差TD
WAD
，其中TD
WAD
≥(T
ob
‑
T
unt
)/2。6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述真空绝缘的储存容器(1)构造成具有颈管(2)，所述冷头(3)伸入所述颈管(2)中并且所述吸附床(4)设置在所述颈管(2)中，并且所述颈管(2)的内壁(13)沿横向限定所述气体空间(12)，并且所述气体空间(12)向下朝所述真空绝缘的储存容器(1)中敞开。7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述设备(100)包括冷头容器(20)，所述冷头(3)伸入所述冷头容器(20)中，并且吸附床(4)设置在所述冷头容器(20)中，并且所述冷头容器(20)向外限定所述气体空间(12)。8.根据权利要求7所述的设备(100)，其特征在于，所述冷头容器(20)构造成真空绝缘的。9.根据权利要求7或8所述的设备(100)，其特征在于，所述冷头容器(20)伸入所述真空绝缘的储存容器(1)中，尤其是伸入所述真空绝缘的储存容器(1)的颈管(2)中。10.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：布鲁克瑞士股份公司，
类型：发明
国别省市：