[发明专利]具有压力受控的液化腔室的液化器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年7月14日提交的美国临时序列号61/507,595的优先权，将其通过引用结合在此。

发明背景

发明领域

本发明涉及气体液化系统或“液化器”，并且更具体地涉及一种具有隔离的液化腔室的液化器，该隔离的液化腔室被适配成用于动态的压力控制以便实现提高的液化效率。

相关技术

气体液化系统，也称为“液化器”，在本领域中被广泛记载并且总体上包括被称为杜瓦瓶的一个真空隔离容器，该杜瓦瓶被适配成用于接收一个低温冷却器的至少一部分以便将气体液化并且进一步包括用于将一定量的液化气储存在其中的一个储存部分。

图1展示了一个液化器，该液化器包括一个杜瓦瓶200和在该杜瓦瓶的颈部分206内延伸的一个低温冷却器100。在这些系统中，这样的杜瓦瓶总体上包括一个外部壳体202，一个内部壳体201、以及其间的体积203，该体积基本上被抽出了空气而形成一个绝热容器。任选地，可以进一步将一个热屏障204（以虚线示出），例如箔片或类似材料，布置在该杜瓦瓶的内部壳体与外部壳体之间。该杜瓦瓶进一步包括一个储存本体部分205以及从该储存本体部分延伸的颈部分206。该杜瓦瓶被适配成用于将一定体积的液化冷冻剂储存在该储存本体部分内。一般氦气源310向一个输入气体管线211供料以供应有待液化的气体。一个压缩机110操作一个第一级再生器101a以便冷却该低温冷却器的第一级101b，并且取决于该低温冷却器的设计来操作高达若干个另外的再生器和冷却级。该低温冷却器100被展示为具有三个冷却级，除了该第一级再生器和第一级之外还包括用于冷却一个第二级102b的一个第二级再生器102a以及用于冷却一个第三极103b的一个第三级再生器103a。将该气体进行预冷却，并且一个随后级被适配成用于进一步将该气体冷却至足以进行液化的温度。另外，每个相继冷却级典型地包括比前一级更小的表面积，从而沿着这若干个低温冷却器级产生一个冷却梯度。

用于此类液化器和再液化器（reliquefier）中的低温冷却器总体上包括一个吉福德-麦克马洪（GM）型制冷机或脉冲管制冷机；然而，出于将气体冷却并且将气体冷凝至液相的目的，这些液化器可以进一步包括任何类型的制冷装置。这些液化气典型地称为低温液体或冷冻剂。

同样在本领域中还记载了“再液化器”，它们总体上包括一个液化器，该液化器被适配成用于在封闭的或半封闭的系统内使气体进行循环且将其再液化。

图2展示了其设计基本上类似于图1的液化器的一个再液化器。图2的再液化器进一步包括设备320，该设备以流体连通的方式与该杜瓦瓶相联接以便接收一定量的液体冷冻剂。在使用该液体冷冻剂之后，从该设备中收集蒸发的气体并且通过使用一个再循环器315（例如泵或类似装置）使其再循环返回至该液化器中。应注意的是，“设备320”可以包括一个或多个器械，例如医疗或或科学分析器械（除了其他之外）并且该设备不局限于具有任何设计的单一器械。另外，应注意的是，存在大量的设计变体，这些设计变体实质上将所收集的气体再循环返回穿过一个液化器从而形成封闭的或半封闭的系统。

然而，这些液化器和再液化器关于液化效率、或液化冷冻剂的量是受限的，该液化冷冻剂可以通过使用一个给定的低温冷却器经过一段时间来产生。持续需要具有提高的液化效率的液化器。

本发明的重点在于与冷冻剂气体相关联的热力学特性。这些特性总体上通过一个相图展示，如图3所示。具体而言，氦气的热力学特性引起了极大的兴趣，因为液化的氦气目前在许多行业内的需求都很高。

现在转向图3，一个相图描述了不同压力（巴）和温度（开尔文）下的氦气的液化曲线。出于完整性起见，示出了该固体的六方密堆积相（hcp）和体心立方相（bcc）。该液化曲线包括多个点，在这些点处氦气转化为液相，这些点共同限定了该液化曲线。一个第一液化点(b)示出了在大约1巴（接近大气压）的压力下气相氦气到液相的转化，这需要大约4.22K的温度，这被称为氦-4的“沸点”并且因此称为点(b)。一个第二液化点(c)示出了在略微增大的大约2.27巴的压力下氦气的液化，这需要大约5.20K的温度，这被称为氦-4的“临界点”。关于该液化曲线，变得可辨别的是：如果可以在该液化器的液化腔室内提供略微更高的压力，则可以在略微更高的温度下实现氦气的液化。此外，处于这些更高的温度下，大多少低温冷却器将能够增大冷却功率。因此，为了利用低温冷却器的更高冷却功率，可以开发一种能够在1巴以上、并且更优选地在1巴与2.27巴之间的压力下进行液化的液化器。