具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合图1、图2和图3举例说明本发明的蓄冷罐。

图1所述为一实施例提供的蓄冷罐的外部视图的示意图，图2为将图1的蓄冷罐沿中轴线Z在与纸面平行的方向上进行纵剖所得纵剖面的示意图，图3是从图2中A-A剖面向下俯视所得的俯视图。

如图1和图2所示，根据一种实例的蓄冷罐包括：罐体101；第一相变液输入总管102，可以设置于所述蓄冷罐的中轴线上，来自外界的第一相变液(通常为液态)引入所述蓄冷罐中；第一相变液输出总管106，可以设置于所述罐体内部且靠近所述罐体的内壁，用于将换热后的相变液(通常为气态)输出到外界；以及，若干第一相变液分管201，所述第一相变液分管201的入口与所述第一相变液输入总管102相连，所述第一相变液分管201的出口与所述第一相变液输出总管106相连，用于增大所述第一相变液在所述蓄冷罐中进行热交换的接触面积。

本发明的发明人发现，现有的蓄冷罐通常能够承受的低温冷源是零下几十度(一般是零下二三十度)，但是当更低温的冷源(例如达到零下150℃以下)被研发出来并需要投入使用时，却发现现有的蓄冷罐几乎都不能够承受这种瞬时的冷能而会瞬间全部变成固相而使整个设备受到不可逆的损坏。究其原因，除去设备材料和载冷液(相变液)以外，蓄冷罐内部结构的设计方式也是使其不能够耐受瞬时冷能的重要因素。

在本发明中，为了方便描述，将温度高于零下100℃的冷源称为“低温冷源”，将温度低于零下100℃的冷源称为“极低温冷源”。

为了使蓄冷罐能够耐受比零下150℃更低温的极低温冷源，本发明的发明人重新设计了蓄冷罐的结构，提出了本发明的方案。

在横剖面上，本发明定义了术语“图案面积率”，如图3所示，所述图案面积率为所述第一相变液分管201在其排布平面上的投射面积(即图3中螺旋状管道的面积)占所述排布平面以所述罐体的内壁为边的截面面积(即图3中罐体101为圆边的圆的面积)的百分比。所述图案面积率可以在5-20％的较大范围内进行选择。为了兼顾蓄冷罐中能储存体积更大的待热交换的流体和确保更高的热交换效率，所述图案面积率优选为8-16％，更优选为10-14％。本发明的发明人发现，通过控制图案面积率在合适的范围内，能够有效地实现兼顾“充分实现热交换”的目的和“控制热交换速度以不至于过快而产生骤冷冲击”的目的。

本发明的第一相变液分管201相互之间呈并联方式排列，例如图2所示。

如图2所示，在一实例中，所有第一相变液分管201的入口均与第一相变液输入总管102相连，所有第一相变液分管201的出口均与第一相变液输出总管106相连，从而每根第一相变液分管201都是相对独立的，便于分别控制。

需要说明的是，所述第一相变液分管201中的“管”仅用于说明其具备外壳和空腔，空腔中可以流通流动相，而并非用于限定横截面为圆形。所述第一相变液分管201的横截面可以是各种形状，例如圆形、长方形、不规则形等。图2和图3中以横截面为圆形仅作为示例。另外，管外还可以有不同形式的换热翅片。

在一实例中，控制所述第一相变液分管之间的间隔距离使其不小于8cm。

在本发明中，术语“间隔距离”指的是相邻的外壁之间(而非中轴线之间)的最短直线距离。具体地，第一相变液分管之间的间隔距离包括：一方面，对于不同的第一相变液分管，在排布时要满足所述间隔距离；另一方面，对于同一个相变液分管，在盘绕成图案时，也要满足所述间隔距离。

在一个更优选的实例中，所述第一相变液分管之间的间隔距离为10cm-20cm，更优选为12cm-16cm。该间隔距离能够承受第二相变液的迅速固化并能够为仍为液态的第二相变液的流动留出空间。

在一个优选的实例中，所述第一相变液分管的管径为6mm-32mm；更优选为20mm-28mm；进一步优选为21mm-25mm。

本发明的发明人意识到，为了同时兼顾“充分实现热交换”的目的和“控制热交换速度以不至于过快而产生骤冷冲击”的目的，相变液分管的尺寸是非常重要的，并且该尺寸不论在何种体积的罐体中都应当被满足，否则就很容易造成罐体的损坏或者导致换热不充分。然而该问题却从未被现有技术重视过。本发明的发明人经过深入研究，确定了能够特别适用于零下120℃至零下170℃的极低温冷源时的第一相变液分管的尺寸，即前述的间隔距离和管径。当第一相变液分管的尺寸能够满足上述基本范围时，便可以在一定程度上兼顾上述目的，在优选范围时，能够更好地实现上述兼顾。

所述蓄冷罐的使用状态下，至少存在两种相变液，即第一相变液和第二相变液。其中，所述第一相变液存在于第一相变液系列管路中(包括所有第一相变液分管201、第一相变液输入总管102和第一相变液输出总管106)，全部或部分发生液相(相对低温时)与气相(相对高温时)的相变；所述第二相变液存在于罐体101中，将第一相变液系列管路的至少部分浸没，发生液相(相对高温时)与固相(相对低温时)的相变，通常地，所述第二相变液发生液相向固相的相变时，会在管道的外壁上产生固态的凝结，但不会完全堵塞管道之间的间隔距离，从而第二相变液仍然能够在蓄冷罐中发生流动。

在本发明中，术语“相变液”仅指的是某个具体的介质，而不限制其存在形态。可以理解的是，相变液的存在形态是可变化的，可能是固态、液态或气态。在本发明中提到“相变液”时并不限制其为液态，而是可以为各种存在形态。

在一种具体实施方式中，在所述蓄冷罐的使用状态下，所述第一相变液与外界相连通，来自外界的第一相变液首先进入第一相变液输入总管102中，沿着所述第一相变液输入总管102自下而上运动，并且进入处于连通状态(第一相变液输入总管102与第一相变液分管201的连接处的第一阀门打开)的若干相互并联的所述第一相变液分管201中；第一相变液主要在该第一相变液分管201中发生热交换，然后进入第一相变液输出总管106汇集并离开蓄冷罐。所述第二相变液存在于所述罐体101中，浸没所有的或至少部分的所述第一相变液分管201；所述第二相变液在液相和固相之间发生相变。来自外界的温度较低的液态的第一相变液与罐内的第二相变液发生热交换，第一相变液温度升高，至少部分由液态变为气态，第二相变液温度降低，至少部分由液态变为固态，从而将第一相变液带来的冷能储存到第二相变液中。

为了增大所述第一相变液分管201与罐体中第二相变液的接触面积，所述第一相变液分管201可以盘绕成图案，可以为立体图案，也可以为平面图案。在如图2所示的实例中，所述第一相变液分管201盘绕成平面图案，并且多个所述第一相变液分管201所在的平面之间相互平行。

所述第一相变液分管201所排布的图案没有限定，不同第一相变液分管201的图案也不必相同。如图3所示，所述第一相变液分管排布的图案例如为螺旋图案，或蛇形盘管图案，等。

所述第一相变液分管201所排布的平面与所述第一相变液输入总管可以呈角度放置，也可以相互垂直。在如图2所示的一实例中，所有的所述第一相变液分管所排布的平面与所述第一相变液输入总管均相互垂直。

所述第一相变液分管所排布的平面与所述第一相变液输出总管106可以倾斜放置，也可以相互垂直。在如图2所示的一实例中，所有的所述第一相变液分管所排布的平面与所述第一相变液输出总管均相互垂直。

在一实例中，所述蓄冷罐还包括支撑固定件202，用于支撑和固定所述第一相变液分管201。所述支撑固定件可以设置为多个直角杆的形式，以与罐体中轴线相平行的方向设置，如图2和图3所示。这种方式能够减轻杆体自重、减少杆体体积并且能够起到稳固的支撑作用。所述支撑固定件202还可以设置为其它能够起到固定和支撑作用的替代形式。

所述蓄冷罐中第一相变液与罐中流体发生热交换的面积与所述第一相变液分管201的分布面积有较大相关。

在中轴线所在的纵剖面上，如图2所示，将蓄冷罐按照高度分为第一相变液分管所在的第H1区域，位于该第一相变液分管区域上方的第H2区域，以及位于该第一相变液分管区域下方的第H3区域。

所述蓄冷罐的体积可以根据具体的工况进行选择。一般地，可以先确定第二相变液在各种运行情况下的最大体积V1，然后确定该第二相变液的最大温差膨胀体积V2(该V2不是膨胀后的体积，而是膨胀体积与原体积的体积差)，则蓄冷罐的容纳体积(即能够容纳第二相变液的体积)可以为V1加V2的和的1.2-1.3倍。其中，H3加H1区域能够容纳的第二相变液的体积可以大致相当于V1的1-1.3倍，H2区域能够容纳的第二相变液的体积可以大致相当于V2的1.2-1.3倍。

所述第一相变液分管的数目可以根据具体的工况进行选择。一般地，可以先确定第一相变液在各种运行情况下的最大相变换热量，然后测算每根第一相变液分管能相变换热量，然后选取第一相变液分管201的数目使得所有第一相变液分管201能够满足相变冷能的释放跟回收。

由此，可以确保该蓄冷罐能够满足各种运行情况下的需要。不仅能够承载最大流量的情况，而且有适量的冗余以应对意外情况；并且，当实际流量(第一相变液和/或第二相变液)仅占最大流量的部分时，可以通过调节阀门的开关，调节第二相变液在蓄冷罐中的液面高度和/或第一相变液分管的使用率，从而一方面使设备满足流量的需要，另一方面使热交换过程具有很好的可控性，可以控制流体出口的温度。

在一实例中，所述第一相变液输出总管106，设置于所述罐体内部且靠近所述罐体的内壁，与第一相变液分管201的出口相连，用于将换热后的第一相变液输出到外界。

在一实例中，所述蓄冷罐还包括：在所述第一相变液分管201与所述第一相变液输入总管102的连接处设置有第一阀门(图中未示出)，用于控制所有第一相变液分管201中第一相变液分管的使用率。在一种应用情形下，使得所述蓄冷罐的罐体中的流体的液面以下浸没的第一相变液分管201中全部分管或部分分管被使用，即第一阀门打开，而液面以上的那些第一相变液分管201处于待用状态，即第一阀门关闭。

在一实例中，所述蓄冷罐还可以包括：在所述第一相变液分管201与所述第一相变液输出总管106的相交处设置有第二阀门(图中未示出)，用于控制所有第一相变液分管201中第一相变液分管的使用率。在一种应用情形下，使得所述蓄冷罐的罐体中的流体的液面以下浸没的第一相变液分管201中全部分管或部分分管被使用，即第二阀门打开，而液面以上的那些第一相变液分管201处于待用状态，即第二阀门关闭。

所述第一阀门与所述第二阀门可以同时设置，也可以只设置一种，也可以只有部分第一相变液分管设置有所述第一阀门和/或所述第二阀门，均能够起到调节第一相变液分管使用率的效果。

在一实例中，所述第一阀门通过控制器来控制。

在一实例中，所述第二阀门通过控制器来控制。

当用控制器来控制时所述蓄冷罐还可以包括感应器、传输器等装置。

在一实例中，所述蓄冷罐还包括第二相变液入口103和第二相变液出口104，用于输入和输出第二相变液。在一实例中，所述第二相变液出口104位于罐体101的底部，所述第二相变液入口103(参见图3，在图2中第二相变液入口103被第一相变液输出总管106挡住了)位于罐体的侧壁上。

如图3所示，在一实例中，所述第二相变液入口103切入所述罐体101的方向与切线方向平行。

所述罐体101的形状没有特别的限定，图1和图2中示出的罐体为类圆柱形(类桶形)，但所述罐体可以为各种其它的形状，例如类长方体形(类箱形)等。

在本发明中，当在形状前面加“类”时表示可以不为标准的几何形状，本领域技术人员能够认可其形状符合基本的几何形态即符合本发明的该形状的保护范围。

本发明的蓄冷罐还可以包括本领域常见的其它配件。以下仅以图1至图3中所示的配件作为举例。

在一实例中，如图2所示，所述蓄冷罐还包括上段温度检测口110，用于检测上部流体温度。

在一实例中，如图2所示，所述蓄冷罐还包括下段温度检测口111，用于检测下部流体温度。

所述蓄冷罐还可以包括更多的温度检测口(图中未示出)。这些温度检测口可以为表盘，也可以为感应器(将温度以数字的形式传送给控制中心)。

图3中罐体外部分部件未示出，如上段温度检测口110和下段温度检测口111等。

在一实例中，所述蓄冷罐还包括用于支撑第H2区域的支撑件112，例如可以为如图1所示的斜拉撑角钢。

在一实例中，所述蓄冷罐还包括防冲铁板113，设置于第二相变液入口103附近，用于缓冲第二相变液的流速。

在一实例中，所述蓄冷罐还包括相变液泄露检测口105，用于在发生泄露时及时关停设备。

在一实例中，如图2所示，所述蓄冷罐还包括液位计口107，用于检测蓄冷罐中的液位。

在一实例中，如图2所示，所述蓄冷罐还包括放空气口108，用于罐体内的压力平衡。

在一实例中，如图2所示，所述蓄冷罐还包括人孔109，用于蓄冷罐检修时进出。

本发明实施例的蓄冷罐，能够耐受不定期释放的瞬时冷能，且能够耐受更低的极低温冷源(例如能够达到低于零下30℃，甚至低于零下100℃，甚至低至零下160℃)，而仍然能够保证蓄冷罐的正常运行，管内与管外的相变液都能够保持一定程度的流动。冷能能够被充分储存，蓄冷罐不发生损坏。

本发明实施例的蓄冷罐，具有很高的热交换的效率，并且能够在一个单元中仅设置一个蓄冷罐的前提下，实现满足各种运行情况下的需要，灵活调节进入蓄冷罐的待降温的流体的量，也能够调节调节进入所述蓄冷罐的第一相变液的量，从而能够精确地控制热交换的程度、出口的流体温度，从而能够适用于各种流量各种温度要求的情况。

根据一种具体实施方式，本发明的蓄冷罐的尺寸可以包括：

(1)第一相变液分管：

第一相变液分管的管径为6mm-32mm(优选为20mm-28mm，更优选为21mm-25mm)，盘绕的间隔距离为10cm-20cm(优选为12cm-16cm)；

第一相变液分管数目为20-40；均与第一相变液输入总管和输出总管相连，并且在竖直方向以相同的间隔距离上下排布，该竖直方向的间隔距离为10cm-20cm(优选为12cm-16cm)。

(2)第一相变液总管

第一相变液输入总管102的管径为60mm-100mm(优选为70mm-90mm，更优选为75mm-85mm)；

第一相变液输出总管106的管径为120mm-180mm(优选为130mm-170mm，更优选为140mm-160mm)。

(3)罐体尺寸：

罐体直径为2m-5m，罐体高度为5m-12m(优选为7m-10m)，其中H3：H1：H2＝1:(2-3):(1.5-2)。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例使用图1至图3所示结构的蓄冷罐。

实施例1

蓄冷罐的尺寸包括：

(1)第一相变液分管201：

第一相变液分管盘绕成图3所示的螺旋图案，管径为25mm，盘绕的间隔距离为150mm；

第一相变液分管数目为26；均与第一相变液输入总管和输出总管相连，并且在竖直方向以相同的间隔距离上下排布，该竖直方向的间隔距离为150mm。

(2)第一相变液总管

第一相变液输入总管102的管径为80mm；

第一相变液输出总管106的管径为150mm。

(3)罐体尺寸：

罐体直径为3000mm，罐体高度为8850mm(其中H3＝1400mm，H1＝3750mm，H2＝2500mm)。

实施例2a

蓄冷罐的第一相变液分管的管径为21mm，其它参数(包括其它第一相变液分管的参数、第一相变液总管的参数和罐体尺寸参数)均与实施例1相同。

实施例2b

蓄冷罐的第一相变液分管的管径为10mm，其它参数均与实施例1相同。

实施例3a

蓄冷罐的第一相变液分管的盘绕的间隔距离为140mm，竖直方向的间隔距离为140mm，其它参数均与实施例1相同。

实施例3b

蓄冷罐的第一相变液分管的盘绕的间隔距离为160mm，竖直方向的间隔距离为160mm，其它参数均与实施例1相同。

实施例3c

蓄冷罐的第一相变液分管的盘绕的间隔距离为90mm，竖直方向的间隔距离为90mm，其它参数均与实施例1相同。

实施例3d

蓄冷罐的第一相变液分管的盘绕的间隔距离为220mm，竖直方向的间隔距离为220mm，其它参数均与实施例1相同。

测试例

在上述实施例的蓄冷罐中分别进行如下测试：

(1)相变液

蓄冷罐的罐体与第一相变液分管201之间储存有第二相变液，高度为刚好将所有的第一相变液分管201淹没，该第二相变液在液相和固相之间发生相变，相变点为-32℃；

向第一相变液总管和分管中通入的为第一相变液，其在液相和气相之间发生相变，相变点为-163℃；

蓄冷罐中第二相变液的初始状态为液相，初始温度为-25℃；

通入蓄冷罐的第一相变液的初始状态为液相，初始温度为-163℃。

(2)运行

将第一相变液以7.2T/天的流量分别通入上述各实施例的蓄冷罐中。

(3)观察各蓄冷罐中的现象，记于表1中。

表1

从表1可以看出，本发明的第一相变液分管的管径和间隔距离(特别是在优选范围时)能够顺利承载零下160多度的第一相变液带来的骤冷，而保证蓄冷罐运行正常，并且能够保证充分换热，离开蓄冷罐的第一相变液全部为气体，罐体中的第二相变液部分转化为固相，仍有适量液相保持流动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请的保护范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。