[发明专利]氦回收设备

说明书

发明目的

本发明涉及一种用于回收氦的设备，其包括不同的模块，以便随后用于不同应用中，例如磁共振成像(MRI)中需要的医用设备的制冷。

本发明的目的在于获得一种无泄漏氦回收方法，该方法将避免对新鲜氦供应的依赖性。

背景技术

虽然氦(He)是宇宙中含量第二最丰富的元素，但在地球上它是稀有的并且提取起来很困难。氦以气态形式作为天然放射性蜕变(radioactive disintegration)的副产物在地下被发现。

地下He是通过分离方法从天然气井中获得的。当处于气态时，它在高压下在容器中被运送给供应商和/或最终用户，当处于液态时，则在大气压下在绝热容器中(杜瓦瓶(Dewars)或运输瓶)运送。液体形式的He是通过较高等级和功率的工业液化设备得到的(等级XL：＞1000l/h，＞1000kW，具有约1l/h/kW的性能)，其中之前存储在高压容器中的气体随后经历一个或多个循环的热动力学过程，然后冷却直至它达到它的液化温度。这些液化设备的技术可追溯到上个世纪，并且已经成为多个专利(Collins 1949、Toscano 1981)的主题以及目前市场上销售多种商品化产品。

He的科学应用和工业应用是巨大的。所有这些应用都使得对这种元素的需要逐渐增加，对于处于气相的情况(焊接、气囊等)以及处于液相的情况(1巴，-269℃)(医学装置和科学装置等的制冷)的需要均逐渐增加。因此，He被认为是一种有限的和高成本的战略资源，因此它的无损失再循环引起了人们的重大关注。

迄今为止开发的所有He气回收和液化设备在所有阶段都显示出损失(阶段1：回收；阶段2：在压力下存储；阶段3：纯化；阶段4：液化；以及阶段5：用户分配)，在几乎所有情况中这些损失加到一起是显著的，每次循环超过10％(Ef＜＝0.9)。另一方面，无论液体消耗速率如何，只要它的液化速率不能针对消耗进行调节和调适，这些设备都需要复杂的装置来存储体积巨大的高压气体。最后，在不能调节液化速率的情况下，以超过消耗的体积生产该液体，这需要使用杜瓦瓶或大容量存储瓶，并且由此需要较小的运输杜瓦瓶来将液体分配给该液化设备的最终端用户。

随着基于吉福德-麦克马洪(Gifford McMahon)和脉冲管技术的封闭式循环商用制冷器的发展，日益强大的并且具有较低基础温度的某些He液化器已经被开发、申请专利、以及商业化。在这样的液化器中，待液化的气体不经历任何复杂的热力学循环，而是通过与制冷器的不同阶段进行对流和直接热交换进行冷凝并且随后存储在保温容器(thermal container)(杜瓦瓶)中。然而，迄今为止还没有基于这种技术开发出有效的He回收或液化设备。这样的设备能够满足消耗量较少或中等的科学研究实验室、医院、以及工厂的需求。另一方面，迄今为止开发的这些较新类型的氦液化器的R性能(R performance)仍然非常低。如在引证的参考文件中所述，我们发现R值为0.2l/天/kW(Sumitomo)，在0.8l/天/kW至1.5l/天/kW之间(Quantum Tech Corp)，并且最近发现在1.751/天/kW至2.25l/天/kW之间(Cryomech，Wang)-距离基于古老的科林斯(Collins)技术通过等级M商用液化器实现的5l/天/kW的典型值仍然相去甚远。

而且，在试图直接解决针对每一单个设备的问题方面，已经开发出了结合了封闭式循环制冷器以用于将由该医学或科学仪器蒸发的He再冷凝的多种低温系统。这些系统是消耗量为0.24l/天的医院共振设备(US5363077)，以及消耗量为1.9l/天的具有Evercool选项的Quantum Design的综合物性测量系统(Physical Properties Measurement System，PPMS)设备。

然而，这些系统中每个设备使用一个制冷器，未充分利用它们的能力(在磁共振设备中R＜0.05l/天/kW，且在物理测量设备中R＜0.5l/天/kW)。然而，对于其中直接安装制冷器在技术上不可行的安装而言，这些制冷器系统未能解决这个问题。此外，当大量的设备需要制冷时，所有相应制冷单元的购置和维护成本也使这种解决方案成为问题。