專利名稱：一種特別是用于光纖的低壓低溫冷卻裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及傳熱領域。更具體地說，本發(fā)明涉及在可能產(chǎn)生空氣污染問題的情況下，例如光纖拉伸工藝中，從利用氫氣或氦氣以及第二種氣體作為傳熱流體的系統(tǒng)中回收氫氣或氦氣。
背景技術：
純凈的或較純凈的氫氣和氦氣具有很好的傳熱性能。例如，因為化學穩(wěn)定性和傳熱性能，在光纖拉絲工藝中氦氣通常被用來加強纖維的冷卻。在通常的純凈氣體中，只有氫氣比純凈的氦氣具有更高的導熱性。
例如，在光纖制造中，盡管已經(jīng)采用過其它氣體，例如氫氣、氬氣、氮氣、甚至氧氣，但是，氦氣是目前首選的傳熱流體。
氦氣以單獨的或混合物的形式被用于光纖拉絲爐中進行的拉制(laydown)、固化，以及樹脂涂覆之前的對拉伸過的纖維的冷卻。實例見以下文件US-A-4,126,436講述了氧氣加氮氣的應用；US-A-4,154,592講述了在氧氣和氮氣的混合物中增加氦氣使纖維直徑的變化較??；US-A-4,400,190講述了利用氬氣作為“氣幕”；US-A-4,437,870講述了從環(huán)繞纖維的一個多孔管或一個環(huán)形縫隙中排出的冷卻的干燥氦氣；US-A-4,664,689、US-A-5,059,229、US-A-5,284,499、US-A-5,377,491、US-A-4,913,715、US-A-4,673,427、和US-A-4,761,168講述了空氣、氦氣、氮氣、氬氣和/或氫氣的應用；US-A-4,838,918講述了氣態(tài)氮在室溫下的應用，其中以流過中空的平行板之間的液態(tài)氮來冷卻氣態(tài)氮；US-A-4,988,374講述了利用可除去的插入物來防止SiO2在熱纖維上的沉積；US-A-5,160,359講述了轉動同流的氦氣的應用；US-A-5,897,682公開了氦氣或氦氣加上含量不致燃燒的氫氣、氮氣或氬氣的應用；US-A-6,092,391公開了取決于單元操作(unit operation)的各種純度的氦氣的應用；JP-A-62-246837講述了利用流過導管的惰性氣體使惰性氣體和空氣間的溫度差變小，以希望減少周圍空氣的進入；和EP-A-321,182公開了利用管狀回收室以及拉絲爐和回收室之間的密封件來防止空氣進入到該室中。
這些文件中所討論的許多系統(tǒng)都是工程上的奇跡，但不幸的是，就設備而言貴得出奇，和/或在努力減少或消除系統(tǒng)中的空氣方面過于徹底。這也除去了氮氣，而氮氣可具有有益的傳熱特性。

發(fā)明內(nèi)容
所要解決的問題是發(fā)展在減少污染物進入到許多制造過程特別是光纖制造過程的同時，能夠利用氦氣和氫氣的傳熱特性的裝置和方法，這使得可以在不使用高壓設備和該高壓設備的附帶的成本以及所需的空間的情況下有效地循環(huán)至少一部分氦氣或氫氣。
根據(jù)本發(fā)明，提出了能夠降低和克服特別是在污染成為問題的情況下，例如光纖加工過程中現(xiàn)有方法和裝置的缺點的方法和裝置，。
本發(fā)明的第一方面是一種冷卻物體的方法，所述方法包括a)使所述物體與包括有一種從氫氣和氦氣中選出的主要成分的傳熱流體相接觸，所述物體穿過一個具有一個物體入口端和一個物體出口端熱交換單元；b)利用包括有一種從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的主要成分的密封氣體來防止污染物進入到熱交換單元的入口端和出口端，密封氣體隨同傳熱流體排出而形成一種排出氣體(出氣，混合的或非混合的)；c)壓縮該排出氣體以形成一種壓縮循環(huán)氣體；d)將該壓縮循環(huán)氣體輸送到一個冷凝器，在此冷凝器中壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，并且將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器中，從而形成一種作為傳熱流體起作用的濃縮氣體和一種優(yōu)選地蒸發(fā)后起密封氣體作用的濃縮液體；和e)優(yōu)選地對該濃縮液體進行加熱以形成密封氣體。
優(yōu)選地，將密封氣體循環(huán)，但可不必這樣做。換句話說，可以采用新鮮的密封氣體。在任何情況下，循環(huán)至少一部分傳熱流體。
本發(fā)明的第二方面是一種冷卻物體的方法，所述方法包括a)使所述物體與包括有一種從氫氣和氦氣中選出的主要成分的傳熱流體相接觸，所述物體穿過一個具有一個物體入口端和一個物體出口端的熱交換單元；b)利用包括有一種從氬氣、二氧化碳氮氣中選出的主要成分的密封氣體來防止污染物進入到熱交換單元的入口端和出口端中，密封氣體隨同傳熱流體排出而形成排出氣體；c)壓縮該排出氣體以形成一種壓縮循環(huán)氣體；d)將該壓縮循環(huán)氣體輸送到一個循環(huán)氣體熱交換器，在此熱交換器中壓縮循環(huán)氣體與一種濃縮液體進行熱交換，以形成一種包括有密封氣體的混合物和一種冷的壓縮循環(huán)氣體；e)將冷的壓縮循環(huán)氣體輸送到一個冷凝器，在此冷凝器中冷的壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，并將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器，從而形成一種作為傳熱流體起作用的濃縮氣體和一種濃縮液體；和f)優(yōu)選地將濃縮液體輸送到循環(huán)氣體熱交換器，從而形成密封氣體。
本發(fā)明的第三方面是一種冷卻物體的方法，所述方法包括a)使所述物體與包括有一種從氫氣和氦氣中選出的主要成分的傳熱流體相接觸，所述物體穿過一個具有一個物體入口端和一個物體出口端的熱交換單元；b)利用包括有一種從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的主要成分的密封氣體來防止污染物進入到熱交換單元的入口端和出口端，密封氣體隨同傳熱流體排出而形成排出氣體；c)壓縮該排出氣體以形成一種壓縮循環(huán)氣體；d)將該壓縮循環(huán)氣體輸送到一個同流換熱器，在此換熱器中壓縮循環(huán)氣體與一種濃縮液體進行熱交換，以形成一種包括有密封氣體的混合物和一種冷的壓縮循環(huán)氣體，其中壓縮循環(huán)氣體也與濃縮氣體進行熱交換；
e)將冷的壓縮循環(huán)氣體輸送到一個冷凝器，在此冷凝器中冷的壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，并將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器，從而形成濃縮氣體和濃縮液體；和f)將濃縮氣體，且優(yōu)選地是濃縮液體輸送到所述同流換熱器。
在本發(fā)明的架構中，氫氣和氦氣被用作熱交換單元中的傳熱流體，且從氬氣、二氧化碳氣和氮氣中選出的一種氣體被用作密封氣體。密封氣體和傳熱流體以一種混合的或非混合的狀態(tài)從熱交換單元中一起排出。
這里所用到的“污染物”包括，但并不限于氧氣、水分、例如鏈烷烴、鏈烯烴、炔烴、醇類、鹵代烴-包括含氟化合物如四氟甲烷和六氟乙烷-等烴類化合物，但不包括氮氣、二氧化碳和氬氣。當按照這種方式定義污染物時，在操作用于混合熱交換單元中排出的氣體的循環(huán)設備時會帶來某些優(yōu)點。
這里采用的術語“物體”包括，但不限于光纖預型件，例如電路板、子組件和集成電路等電氣部件，金屬部件，陶瓷部件等。
另外，這里所用到的術語“熱交換單元”是指任何允許物體連續(xù)地、半連續(xù)地或分批(間歇)地進入和離開一個空間的裝置，其包括，但不局限于光纖冷卻熱交換器、波焊機、回熔焊機、冷處理單元、環(huán)境測試室等。應該明白，在某些優(yōu)選的實施例中，物體入口端和物體出口端可以是同一個，例如在具有一個用于裝入和取出物體的門或“裝-存”(load-lock)裝置的熱交換單元中。
優(yōu)選的是與本發(fā)明的每個方法方面相符合的方法，其中，控制從冷凝器排出的冷卻的壓縮循環(huán)氣體的溫度或壓力，或者控制溫度和壓力兩者，以保證在最低的可能壓力下滿足熱交換單元的傳熱要求，并降低壓縮設備和設施的成本。
本發(fā)明的第四方面是一種裝置，它包括a)一個用于冷卻物體的熱交換單元，該熱交換單元具有一個物體入口端和一個物體出口端，以及用于讓從氫氣和氦氣中選出的傳熱流體與該物體相接觸的裝置，所述熱交換單元適用于讓物體以連續(xù)模式、半連續(xù)模式或分批模式中的一種模式從中穿過；b)用于防止污染物進入熱交換單元的物體入口端和物體出口端的裝置，所述用于防止污染物進入的裝置適于采用一種從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的密封氣體，所述用于防止污染物進入的裝置允許所述密封氣體隨同傳熱流體從熱交換單元中排出以形成排出氣體；c)用于壓縮該排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體的裝置；d)用于將該壓縮循環(huán)氣體輸送到一個冷凝器中的裝置，在冷凝器中壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，和用于將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器從而形成一種作為傳熱流體起作用的濃縮氣體和一種濃縮液體的裝置；和e)優(yōu)選地，用于加熱濃該縮液體以形成密封氣體的裝置。
本發(fā)明的第五個實施例是一種裝置，它包括a)一個用于冷卻物體的熱交換單元，該熱交換單元具有一個物體入口端和一個物體出口端，以及用于讓從氫氣和氦氣中選出的傳熱流體與該物體相接觸的裝置，所述熱交換單元適用于讓物體以連續(xù)模式、半連續(xù)模式或分批模式中的一種模式從中穿過；b)用于防止污染物進入熱交換單元的物體入口端和物體出口端的裝置，所述用于防止污染物進入的裝置適于采用從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的一種主要成分的密封氣體，所述用于防止污染物進入的裝置允許密封氣體隨同傳熱流體排出而形成排出氣體；c)用于壓縮該排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體的裝置；d)用于將壓縮循環(huán)氣體輸送到一個循環(huán)氣體熱交換器的裝置，所述循環(huán)氣體熱交換器允許壓縮循環(huán)氣體和一種濃縮液體之間熱交換，從而適用于形成一種冷的壓縮循環(huán)氣體和一種包括所述密封氣體的混合物；e)用于將冷的壓縮循環(huán)氣體輸送到一個冷凝器的裝置，在冷凝器中冷的壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，以及用于將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器，從而形成一種作為傳熱流體起作用的濃縮氣體并形成所述濃縮液體的裝置；和
f)優(yōu)選地，用于將濃縮液體輸送到循環(huán)氣體熱交換器并進而形成密封氣體的裝置。
本發(fā)明的第六方面是一種裝置，它包括a)一個用于冷卻物體的熱交換單元，該熱交換單元具有一個物體入口端和一個物體出口端，以及用于讓一種從氫氣和氦氣中選出的傳熱流體接觸所述物體的裝置，所述熱交換單元適用于讓物體以連續(xù)模式、半連續(xù)模式或分批模式中的一種模式從中穿過；b)用于防止污染物進入熱交換單元物體入口端和物體出口端的裝置，所述用于防止污染物的進入的裝置適于采用從氬氣、二氧化碳氣和氮氣中選出的作為主要成分的密封氣體，所述用于防止污染物進入的裝置允許密封氣體隨同傳熱流體一起排出而形成排出氣體；c)用于壓縮該排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體的裝置；d)用于將壓縮循環(huán)氣體輸送到一個同流換熱器的裝置，在同流換熱器中壓縮循環(huán)氣體與一種濃縮液體進行熱交換以形成一種包括有密封氣體的混合物和一種冷的壓縮循環(huán)混合物，其中壓縮循環(huán)氣體也與一種濃縮氣體進行熱交換；e)用于將冷的壓縮循環(huán)混合物輸送到一個冷凝器中-在冷凝器中冷的壓縮循環(huán)混合物被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，并將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器，從而形成所述濃縮氣體和所述濃縮液體的裝置；和f)優(yōu)選地，用于將所述濃縮液體和所述濃縮氣體輸送到同流換熱器中的裝置。


通過參照下面的優(yōu)選實施例的說明，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將會變得明顯。
圖1、2和3是本發(fā)明的三個實施例的示意性的操作流程圖；圖4是用于液-氣分離器的氣體流的氦/氮氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示說明；圖5是用于液-氣分離器的氣體流的氦/氬氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示說明；圖6是用于液-氣分離器的氣體流的氦/二氧化碳氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示說明；圖7是用于液-氣分離器的氣體流的氫/氮氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示說明；圖8是用于液-氣分離器的氣體流的氫/氬氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示說明；圖9是用于液-氣分離器的氣體流的氫/二氧化碳氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示說明；和圖10是基于試驗數(shù)據(jù)利用經(jīng)驗導出等式得出的純氫氣、氦氣和氬氣的傳熱系數(shù)的圖解。
具體實施例方式
在此，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，當傳熱系統(tǒng)采用從氫氣和氦氣中選出的氣態(tài)傳熱流體與從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的密封氣體相混合時，只需通過控制傳熱流體回路中冷凝器的溫度和/或壓力，就可以非常顯著的省去采用氣態(tài)傳熱流體的傳熱系統(tǒng)的壓縮設備的花費和設施。
更具體地說，本發(fā)明者已經(jīng)判定這些氣體混合物對冷凝器的工作溫度和壓力極為敏感，并且用于在這些氣體的循環(huán)期間從液體中分離排出氣體體。通過參照優(yōu)選實施例的以下說明，這一非常有用的發(fā)現(xiàn)將會變得明顯。
現(xiàn)在參照附圖，圖1示出了一個物體，例如光纖預型件2，該物體進入一個熱交換單元6并在4處離開。一種包括有主要成分為氫氣或氦氣的冷卻氣體在8處進入熱交換單元，以進行直接接觸熱交換并從導管10排出。
受熱的氫氣或氦氣穿過導管10并最終被輸送到壓縮機12。壓縮機具有一個旁路導管14，該旁路導管14允許導管16中的一些壓縮氣體被循環(huán)返回到輸送導管10。流過導管16的壓縮氣體到達冷凝器18。
在導管20中流動的液體氮流與冷凝器18中的壓縮氣體進行熱交換，從而形成受熱的氮氣22和在導管24中流動的排出流，所述排出流是一種液體和氣體的混合流。
在導管24中流動的液體和氣體的混合流進入氣-液分離器26，分成流入導管28的包括濃縮(富集)氫或濃縮氦的氣體流以及流入導管30的包括有在密封氣體中濃縮液體的流體，所述密封氣體例如為氬氣、氮氣或二氧化碳。
流過導管30的濃縮液體混合物流過由受到傳統(tǒng)的手段加熱的蒸發(fā)器32，從而形成包括有密封氣體為主要部分的蒸汽流，然后所述蒸汽流優(yōu)選地流入導管38，并分別流入導管40和42，隨后到達密封件41和43。流過導管28的流體流經(jīng)一個背壓調節(jié)器50，并在到達熱交換單元6之前流過另一個控制閥56和導管8。
如所屬技術領域內(nèi)的技術人員所意識到的那樣，導管40和42中的密封氣體流的壓力要使密封件41和43處于正壓之下，即，由于氣體密封件41和43的正壓作用，將污染物基本上阻擋在熱交換單元6之外。這樣圍繞在熱交換單元周圍的氣態(tài)氣氛，包括其中的任何污染物，被基本上防止進入到熱交換單元中。
然而，少量的周圍空氣仍將隨著物體2一起被帶入到熱交換單元6中。
所述帶入物的量將隨著物體2的傳輸速度而增加，就象在高生產(chǎn)率時所發(fā)生的那樣。在任何情況下，穿過導管40和42并進入到密封件41和43的密封氣體最終將與已經(jīng)直接接觸過物體2的傳熱流體(氫氣或氦氣)混合，并且傳熱流體和密封氣體的混合物從導管10排出。
密封氣體補充導管45和傳熱流體補充導管36進一步完善了圖1中所示實施例。密封氣體的補充通過一個調節(jié)器62來控制，而氦氣的補充通過一個調節(jié)器58來控制的。
另外的調節(jié)器52、54和56分別控制穿過導管40和42的密封氣體和穿過導管8的傳熱流體的流量。為簡明起見，沒有對流量測量和控制器進行詳細說明。優(yōu)選的是大流量控制器。
在一個優(yōu)選實施例中，使穿過導管38的蒸發(fā)的密封氣體轉向通過一個替換導管34和調節(jié)器63，從而與穿過導管28的傳熱流體混合。
圖1的實施例示出了一個控制器46和一個溫度監(jiān)測元件44。溫度監(jiān)測元件44感知(檢測)導管24中流動的冷的流體的溫度。將會知道導管24中運送的是傳熱流體(例如氦氣)和密封氣體(例如氬氣)的混合物。
如果流經(jīng)導管24的流體的溫度升高，這將被溫度監(jiān)測元件44感知，控制器46將通過控制閥48增加導管20中的冷卻低溫流體的流量。
作為選擇，或者背壓調節(jié)器50與溫度控制回路相結合而運轉，以進一步控制導管24中流體的冷卻程度。
如果導管28中的壓力升高(由包括熱交換單元6、所要冷卻的物體、冷凝器18的尺寸再內(nèi)的特定系統(tǒng)所決定)，背壓調節(jié)器50將打開以釋放壓力。
作為選擇，如果導管28中的壓力過低，背壓導管50將傾向于關閉。
現(xiàn)在參照圖2，圖2示出了本發(fā)明的方法和裝置的一種稍有不同的實施例。就熱量回收和能量效率而言，圖2的實施例比圖1的實施例效率稍高。
可以看到主要的變化在于增加了一個熱交換器33，該熱交換器實質上取代了圖1中實施例的蒸發(fā)器32。(應該理解，在另外的實施例中，蒸發(fā)器32和熱交換器33可以同時被采用。)如圖2所示，導管29將密封氣體的濃縮液體輸送到熱交換器33。導管16中流動的流體進入到熱交換器33中，從而產(chǎn)生包括傳熱流體和密封氣體的冷卻的中間流體17。
導管39如先前所述將加熱過的和/或蒸發(fā)過的密封氣體輸送到導管40和42，以及密封件41和43。
通過一個尺寸減小的蒸發(fā)器32-更優(yōu)選地取消蒸發(fā)器32，和增加的熱交換器33，圖2的實施例在能量利用方面比起圖1的實施例更有效率。
參照圖3，圖3示出了一種比圖1和圖2示出的實施例能量效率更高的實施例。圖3中的實施例以一個同流換熱器64代替了圖2中的熱交換器33和圖1中的蒸發(fā)器32。(應該明白，在另外的實施例中，蒸發(fā)器32、熱交換器33和同流換熱器64可以全部被采用。)密封氣體的濃縮液體流過導管29，并在同流換熱器64中與密封氣體和流過導管16的傳熱流體的壓縮混合物進行熱交換，所述壓縮混合物在壓縮機12中被壓縮之后具有適度的熱含量。
此熱量中的一部分也與導管28中流動的傳熱流體的濃縮氣體，以及從冷凝器18流向同流換熱器64的中間流21進行熱交換。
對圖2和3的實施例的控制都優(yōu)選地以與參照圖1的實施例所描述的方式相同的方式進行。即，以溫度控制回路44和46與背壓控制器50相結合或由背壓控制器50替換的方式。
無論是通過溫度控制回路、背壓控制，還是通過這兩者的結合，壓力控制的重要性在用于氦氣混合物的圖4、5和6中和在用于氫氣混合物的圖7、8和9中得到了強調。
在這些附圖中，冷凝器的工作壓力是沿著X軸繪制的，并在圖1、2和3中的每個實施例中均被限定為導管24中的壓力。沿著Y軸方向繪制的是氦(或氫)的回收百分率，以及導管24中流動的流體中的氦氣的摩爾份數(shù)。圖4是用于液-氣分離器氣體流28的氦/氮氣體混合物相對于冷凝器18的工作壓力和溫度的敏感度的圖示。例如，對于氦氣傳熱流體和氮氣密封氣體，如果設計者想在80K(開)的冷凝器工作溫度下采用80摩爾百分數(shù)(％M)純度的氦氣，冷凝器的壓力只需是大約110psia(絕對壓力)，且設計者將會獲得大約99.6％的氦氣回收百分率。然而，通過將冷凝器的工作溫度只提高5度達到85K，在相同的氦氣純度和氦氣回收百分率下，冷凝器18的工作壓力將升高到大約200psia。這是假設通過利用氮氣密封氣體，將基本所有的污染物都清除或阻擋在系統(tǒng)之外。冷凝器的工作溫度提高到90K將導致冷凝器的工作壓力增加到300psia以上。
類似的分析適用于氦/氬系統(tǒng)，例如當氦氣被用作傳熱流體和氬氣被用作密封氣體時。圖5是用于液-氣分離器氣體流的氦/氬氣體混合物相對于冷凝器工作壓力和溫度的敏感度的圖示。
例如，如果設計者想在80K的冷凝器工作溫度下采用80摩爾百分數(shù)的氦氣純度，冷凝器的工作壓力將只需為大約65psia，且設計者將獲得大約99.85％的氦氣回收百分率。
然而，通過將冷凝器的工作溫度只提高5度達到85K，在相同的氦氣純度和氦氣回收百分率之下，冷凝器18的工作壓力會上升到大約125psia。這是假設通過利用氬氣密封氣體，將基本所有的污染物都清除或阻擋在系統(tǒng)之外。冷凝器工作溫度升高到大約90K會導致冷凝器的工作壓力增加到225psia以上。
圖6是用于液-氣分離器氣體流的氦/二氧化碳氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示。例如，如果設計者想在200K的冷凝器工作溫度下，采用70摩爾百分數(shù)純度的氦氣作為傳熱流體，同時以二氧化碳作為密封氣體，冷凝器的工作壓力將只需為大約120psia，且設計者將獲得大約99.5％的氦氣回收百分率。
然而，通過將冷凝器的工作溫度只增加20度達到220K，在相同的氦氣純度和氦氣回收百分率之下，冷凝器18的工作壓力將升高到300psia以上。這是假設通過利用二氧化碳氣密封氣體，將基本所有的污染物都清除或阻擋在系統(tǒng)之外。
圖7是用于液-氣分離器氣體流28的氫/氮氣體混合物相對于冷凝器18的工作壓力和溫度的敏感度的圖示。
例如，對于氫氣傳熱流體和氮氣密封氣體而言，如果設計者想在80K的冷凝器工作溫度下，采用80摩爾百分數(shù)純度的氫氣，則冷凝器的壓力將只需為大約110psia，且設計者將獲得大約99.6％的氫氣回收百分率。
然而，通過將冷凝器的工作溫度只提高5都達到85K，在相同的氫氣純度和氫氣回收百分率下，冷凝器18的工作壓力會升高到大約225psia。
這是假設通過采用氮氣密封氣體，將基本所有的污染物都清除或阻擋在系統(tǒng)之外。在保持氫氣的純度和氫氣回收百分率不變的同時將冷凝器的工作溫度提高到90K，將導致冷凝器的工作壓力升高到300psia以上。
類似的分析也適用于氫/氬系統(tǒng)，例如，當氫氣被用作傳熱流體和氬氣被用作密封氣體時。
圖8是用于液-氣分離器氣體流的氫/氬氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示。例如，如果設計者想在80K的冷凝器工作溫度下，采用90摩爾百分數(shù)純度的氫氣，則冷凝器的工作壓力將只需為大約60pisa，且設計者將會獲得大約99.7％的氦氣回收百分率。然而，通過將冷凝器的工作溫度只提高5度達到85K，在相同的氫氣純度和氫氣回收百分率下，冷凝器18的工作壓力將升高到大約135psia。這是假設通過利用氬氣密封氣體，將基本所有的污染物都清除或阻擋在了系統(tǒng)之外。冷凝器的工作溫度增加到90K，會導致冷凝器的工作壓力增加到大約250psia。
圖9是用于液-氣分離器氣體流的氫/二氧化碳氣體混合物相對于冷凝器的工作壓力和溫度的敏感度的圖示。例如，如果設計者想在200K的冷凝器工作溫度下，采用70摩爾百分數(shù)純度的氫氣作為傳熱流體，同時以二氧化碳作為密封氣體，則冷凝器的工作壓力將只需為大約120psia，且設計者將獲得大約99.5％的氦氣回收百分率。然而，通過將冷凝器的工作溫度只提高20度達到220K，在相同的氫氣純度和氫氣回收百分率下，冷凝器18的工作壓力會升高到300psia以上。這是假設通過利用二氧化碳氣密封氣體，將基本所有的污染物都清除或阻擋在了系統(tǒng)之外。
圖4-9顯示出冷凝器的工作壓力和溫度對于操作的經(jīng)濟性具有巨大的影響。對于工作溫度的很小的變化，就必須大大增加壓縮設備和冷凝設備所需的尺寸和功率。優(yōu)選采用氦氣/氬氣和氫氣/氬氣混合物，因為這些混合物具有最小的敏感度。圖4-9所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是利用商品名稱為“ASPEN”的10.2版的模擬軟件產(chǎn)生的。在這些模擬中，“溫度”是混合物離開冷凝器時的溫度，在所述冷凝器中，氣體和液體處于平衡狀態(tài)。
圖10示出了用于在平板上流動的純氫氣、純氦氣和純氬氣的強迫對流傳熱系數(shù)的基于試驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗導出等式。圖10示出了三條曲線，在每條曲線從層流轉換到湍流(紊流)的地方，都有一個拐點。注意，在從大約75到大約150米/秒的速度范圍內(nèi)，氬氣比此轉換范圍中的氫氣或氦氣都具有更高的傳熱系數(shù)，這是意料之外的。當熱交換單元允許傳熱流體的對流流過較平坦的物體時，例如印刷電路板，可以采用這一點來獲益。這樣，可以設想比如，利用氬氣作為傳熱流體，且利用氮氣作為密封氣體。
權利要求
1.一種冷卻物體的方法，包括以下步驟a)使物體與包括有一種從氫氣和氦氣中選出的主要成分的傳熱流體相接觸，所述物體穿過一個具有一個物體入口端和一個物體出口端的熱交換單元；b)利用包括有一種從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的主要成分的密封氣體來防止污染物進入到熱交換單元的入口端和出口端，所述密封氣體隨同傳熱流體排出從而形成一種排出氣體；c)壓縮該排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體；和d)將該壓縮循環(huán)氣體輸送到一個冷凝器，在冷凝器中此壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成冷卻的循環(huán)混合物，并且將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器，從而形成一種起傳熱流體作用的濃縮氣體和一種濃縮液體。
2.一種冷卻物體的方法，包括以下步驟a)使物體與包括有一種從氫氣和氦氣中選出的主要成分的傳熱流體相接觸，所述物體穿過一個具有一個物體入口端和一個物體出口端的熱交換單元；b)利用包括有一種從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的主要成分的密封氣體來防止污染物進入到熱交換單元的入口端和出口端，所述密封氣體隨同傳熱流體排出從而形成一種排出氣體；c)壓縮該排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體；d)將該壓縮循環(huán)氣體輸送到一個循環(huán)氣體熱交換器，在此熱交換器中壓縮循環(huán)氣體與一種濃縮液體進行熱交換，以形成一種包括有密封氣體的混合物和一種冷的壓縮循環(huán)氣體；和e)將冷的壓縮循環(huán)氣體輸送到一個冷凝器，在此冷凝器中冷的壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，并將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器，從而形成一種起傳熱流體作用的濃縮氣體以及一種濃縮液體，并將所述濃縮液體輸送到循環(huán)氣體熱交換器從而形成密封氣體。
3.一種冷卻物體的方法，包括以下步驟a)使物體與包括有一種從氫氣和氦氣中選出的主要成分的傳熱流體相接觸，所述物體穿過一個具有一個物體入口端和一個物體出口端的熱交換單元；b)利用包括有一種從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的主要成分的密封氣體來防止污染物進入到熱交換單元的入口端和出口端，所述密封氣體隨同傳熱流體排出從而形成一種排出氣體；c)壓縮該排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體；d)將該壓縮循環(huán)氣體輸送到一個同流換熱器，在此換熱器中壓縮循環(huán)氣體與一種濃縮液體進行熱交換，以形成一種包括有密封氣體的混合物和一種冷的壓縮循環(huán)氣體，其中壓縮循環(huán)氣體也與一種濃縮氣體進行熱交換；e)將冷的壓縮循環(huán)氣體輸送到一個冷凝器，在此冷凝器中冷的壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，并將冷卻的循環(huán)混合物輸送到一個氣-液分離器以形成濃縮氣體和濃縮液體；和f)將濃縮氣體輸送到同流換熱器。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，至少一部分濃縮液體被蒸發(fā)并形成一部分密封氣體。
5.根據(jù)權利要求1至4所述的方法，其特征在于，所述控制包括調節(jié)流向冷凝器的液體制冷劑的流量。
6.根據(jù)權利要求1至5所述的方法，其特征在于，所述制冷劑是從氮、氬、氫及它們的混合物中選出的，所述制冷劑優(yōu)選是的氮。
7.根據(jù)權利要求1或4至6所述的方法，其特征在于，包括氬氣的一部分密封氣體在氦濃縮氣體進入到熱交換單元中之前與所述氦濃縮氣體混合。
8.根據(jù)權利要求1至7所述的方法，其特征在于，穿過熱交換單元的物體是一種光纖預型件。
9.根據(jù)權利要求1至8所述的方法，其特征在于，包括氬氣的所述密封氣體在熱交換光纖入口端和熱交換單元光纖出口端之間是同等分配的。
10.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，至少一部分濃縮液體被輸送到循環(huán)氣體熱交換器從而形成一部分密封氣體。
11.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述濃縮液體被輸送到所述同流換熱器。
12.根據(jù)權利要求1至11所述的方法，其特征在于，密封氣體和傳熱流體以混合的或非混合的狀態(tài)一起從熱交換單元中排出。
13.一種裝置，包括a)一個用于冷卻物體(2)的熱交換單元(6)，該熱交換單元具有一個物體入口端和一個物體出口端，以及允許從氫氣和氦氣中選出的傳熱流體與物體(2)相接觸的裝置，所述熱交換單元(6)適用于使物體(2)以連續(xù)模式、半連續(xù)模式或分批模式中的一種模式從中穿過；b)用于防止污染物進入到熱交換單元(6)的物體入口端和物體出口端的裝置，所述用于防止污染物進入的裝置適于采用一種從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的密封氣體，所述用于防止污染物進入的裝置允許所述密封氣體隨同傳熱流體從熱交換單元(6)中排出而形成排出氣體；c)用于壓縮所述排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體的裝置(12)；和d)用于將壓縮循環(huán)氣體輸送到冷凝器(18)的裝置，在冷凝器(18)中壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成冷卻的循環(huán)混合物，和用于將冷卻的循環(huán)混合物輸送到氣-液分離器(26)從而形成一種起傳熱流體作用的濃縮氣體和一種濃縮液體的裝置。
14.根據(jù)權利要求13所述的裝置，其特征在于，包括用于加熱濃縮液體以形成至少一部分密封氣體的裝置(32)。
15.一種裝置，它包括a)一個用于冷卻物體(2)的熱交換單元(6)，該熱交換單元具有一個物體入口端和一個物體出口端，以及允許一種從氫氣和氦氣中選出的傳熱流體與物體(2)相接觸的裝置，所述的熱交換單元(6)適用于使物體(2)以連續(xù)模式、半連續(xù)模式或分批模式中的一種模式從中穿過；b)用于防止污染物進入到熱交換單元(6)的物體入口端和物體出口端的裝置，所述用于防止污染物進入的裝置適于采用從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的一種主要成分的密封氣體，所述用于防止污染物進入的裝置允許密封氣體隨同傳熱流體排出而形成排出氣體；c)用于壓縮所述排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體的裝置(12)；和d)用于將壓縮循環(huán)氣體輸送到循環(huán)氣體熱交換器(33)的裝置，所述循環(huán)氣體熱交換器(33)允許在壓縮循環(huán)氣體和一種濃縮液體之間進行熱交換，從而適用于形成一種冷的壓縮循環(huán)氣體和一種包括所述密封氣體的混合物；用于將冷的壓縮循環(huán)氣體輸送到冷凝器(18)的裝置，在冷凝器中冷的壓縮循環(huán)氣體被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物；以及用于將冷卻的循環(huán)混合物輸送到氣-液分離器(26)從而形成一種起傳熱流體作用的濃縮氣體并形成所述濃縮液體的裝置。
16.根據(jù)權利要求15所述的裝置，其特征在于，包括用于將所述濃縮液體輸送到循環(huán)氣體熱交換器(33)從而形成密封氣體的裝置。
17.一種裝置，它包括a)一個用于冷卻物體(2)的熱交換單元(6)，該熱交換單元具有一個物體入口端和一個物體出口端，以及允許從氫氣和氦氣中選出的傳熱流體與物體(2)進行接觸裝置，所述熱交換單元(6)適用于使物體(2)以連續(xù)模式、半連續(xù)模式或分批模式中的一種模式從中穿過；b)用于防止污染物進入到熱交換單元(6)的物體入口端和物體出口端的裝置，所述用于防止污染物進入的裝置適于采用從氬氣、二氧化碳和氮氣中選出的一種作為主要成分的密封氣體，所述用于防止污染物進入的裝置允許密封氣體隨同傳熱流體排出而形成排出氣體；c)用于壓縮所述排出氣體以形成壓縮循環(huán)氣體的裝置(12)；d)用于將壓縮循環(huán)氣體輸送到同流換熱器(64)的裝置，在同流換熱器(64)中壓縮循環(huán)氣體與一種濃縮液體進行熱交換以形成一種包括有密封氣體的混合物和一種冷的壓縮循環(huán)混合物，其中壓縮循環(huán)氣體也與一種濃縮氣體進行熱交換；e)用于將冷的壓縮循環(huán)混合物輸送到冷凝器(26)-在冷凝器中冷的壓縮循環(huán)混合物被冷卻以形成一種冷卻的循環(huán)混合物，并將冷卻的循環(huán)混合物輸送到氣-液分離器從而形成所述濃縮氣體和所述濃縮液體的裝置；和f)用于將濃縮氣體輸送到同流換熱器(64)的裝置。
18.根據(jù)權利要求17所述的裝置，其特征在于，包括用于將濃縮液體輸送到同流換熱器(64)的裝置。
19.一種包括一個根據(jù)權利要求13至18所述的裝置的光纖制造設備。
20.一種光纖制造方法，其中根據(jù)權利要求1至12所述的冷卻方法冷卻光纖預型件。
全文摘要
提出了利用傳熱流體來冷卻物體的方法和裝置。方法之一包括以下步驟使物體與包括有作為主要成分的氨氣的傳熱流體接觸，所述物體穿過一個具有一個物體入口端和一個物體出口端的熱交換單元；利用密封氣體防止污染物進入到熱交換單元的入口端和出口端，所述密封氣體隨同傳熱流體一起排出而形成一種排出氣體；壓縮該排出氣體以形成一種壓縮循環(huán)氣體；將壓縮循環(huán)氣體輸送到一個氣－液分離器，從而形成一種起傳熱流體作用的氦濃縮氣體和一種濃縮液體；加熱該濃縮液體從而形成密封氣體。術語物體包括光纖預型件，例如電路板、子組件和集成電路等電氣部件，金屬部件，陶瓷部件等。
文檔編號F25D3/10GK1503891SQ02808517
公開日2004年6月9日 申請日期2002年3月27日 優(yōu)先權日2001年4月20日
發(fā)明者J·E·帕加內(nèi)斯, J E 帕加內(nèi)斯 申請人:液化空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司, 液化空氣喬治洛德方法利用和研究的具