[发明专利]采用氢气传热流体的主动式磁再生工艺和系统

说明书

一种用于液化氢气工艺气体的工艺，包括：将氢气传热流体引入到主动式磁再生制冷机设备中，所述主动式磁再生制冷机设备包括(i)高磁场区段，其中氢气传热流体通过至少一种磁性制冷剂的至少一个磁化床从冷侧流向热侧，(ii)第一无传热流体流动区段，其中所述床是被退磁的，(iii)低磁场或退磁场区段，其中氢气传热流体通过退磁床从热侧流向冷侧，以及(iv)第二无传热流体流动区段，其中所述床是被磁化的；将氢气传热流体从低磁场或退磁场区段的冷侧连续地引入到高磁场区段的冷侧中；将从低磁场或退磁场区段的冷侧流出的氢气传热流体的一部分连续地分流到膨胀机中；并且等焓地膨胀氢气传热流体的分流的部分以产生液化氢。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月28日提交的美国临时申请号62/477,928的权益，该申请通过引用以其整体并入本文。

政府支持的致谢

本发明根据由美国能源部(U.S.Department of Energy)授予的合同号DE-AC05-76RL01830在政府支持下进行。政府在本发明中具有某些权利。

背景

熟知的是，若干种类型的液化器使用与内部传热气体和工艺气体相同的气体的压缩和膨胀。例如，在简单的林德循环(Linde cycle)液化器中，待液化的气体被压缩至接近室温的高压，随后将压缩的热排放到环境散热器(heat sink)中。在压缩的气体被等焓地膨胀至低压，使得一部分气体液化之前，该压缩的气体在逆流热交换器中被冷却至接近但高于气体的液化温度的较冷温度。冷气体的蒸汽部分通过逆流热交换器返回至压缩机的吸入侧。林德循环中的液体收率相对小，并且其FOM(液化器效率的量度)可能仅为约0.10。被液化的气体的质量流量通过进料气体供应输入在压缩机的吸入侧补给(made-up)。其他更有效的液化器设计诸如克劳德循环(Claude-cycle)或柯林斯循环(Collins-cycle)比林德循环显著地更复杂，并且通过使用工作气体作为传热气体和工艺气体两者可以实现高达0.35的FOM。存在若干种被用作液化器的气体循环制冷机，其中产生冷却的传热气体或工作气体与不同于传热气体的工艺气体分离。很好的实例是脉管制冷机(pulse tuberefrigerator)，其中氦气作为其工作制冷剂气体和内部传热气体，该脉管制冷机也被用于通过外部的、单独的工艺气体热交换器来冷却和液化工艺气体诸如氮气或氢气。迄今为止，用于低温液化的主动式磁再生制冷机(active magnetic regenerative refrigerator)(AMRR)使用单独的传热气体和工艺气体。例如，在先前的磁热氢气液化器设计中，氦气被用作传热气体，并且氢气是工艺流。多种其他气体已经被建议作为用于较高的温度冷冻剂的合适的传热气体。在工作传热气体和工艺气体之间的区别在磁循环中明显得多，因为工作制冷剂是固体磁性材料而不是气体。

概述

本文公开了用于液化氢气的工艺，包括：

将氢气传热流体引入到主动式磁再生制冷机设备中，所述主动式磁再生制冷机设备包括(i)高磁场区段，其中氢气传热流体通过至少一种磁性制冷剂的至少一个磁化床从冷侧流向热侧，(ii)第一无传热流体流动区段，其中所述床是被退磁的，(iii)低磁场或退磁场区段，其中氢气传热流体通过退磁床从热侧流向冷侧，以及(iv)第二无传热流体流动区段，其中所述床是被磁化的；

将氢气传热流体从低磁场或退磁场区段的冷侧连续地引入到高磁场区段的冷侧中；

将从低磁场或退磁场区段的冷侧流出的冷氢气传热流体的一部分连续地分离到膨胀机中；以及

等焓地膨胀氢气传热流体的分离的部分以产生液化氢。

本文还公开了系统，所述系统包括：