本發明涉及一種致冷方法和裝置，特別是關于諸如氮和甲烷這一類永久氣體的液化。

氮和甲烷是永久氣體，只用降低氣體溫度的方法是不能使這類氣體液化的，必需使它冷卻（在壓力下）至少達到一個“臨界溫度”，在這溫度下，氣體與它的液態相平衡。

使氮液化或把氮冷卻到臨界點以下的慣用方法一般要求將氣體進行壓縮（除非可能適當提高壓力，通常在30大氣壓以上），并且在一個或多個熱交換器中對至少一個相對低壓的工作流體的液流進行熱量交換，至少一部分工作流體的溫度要求維持在氮的臨界溫度以下。至少有部分工作流體的液流或各個工作流體的液流是通過壓縮工作流體，并且在前面所說的一個或多個熱交換器中冷卻，然后膨脹，對外作功（作功膨脹）予以形成。這種工作流體最好取自高壓的氮的液流，或者這種液流保持與工作流體分開，而工作流體仍然由氮組成。

實際上，液態氮基本上是在一個比較低的壓力下被貯存或使用的，這個壓力比把氮等壓地冷卻到它的臨界溫度以下時氣態氮所處的壓力還要低。因此，在完成這種等壓冷卻后，處在臨界溫度以下的氮通過膨脹或減壓閥，從而使它所受的壓力大大地減小了。因此，液態氮和大量的被稱之為“閃蒸氣體”的氣體一起產生，這種膨脹基本上是等焓的，其結果導致氮的溫度的降低。

通常，工業上慣用的使氮液化的方法的熱力學效率是比較低的，要提高這一效率有足夠大的余地。在現有技術中都比較強調通過增進熱交換的效率來提高方法的總效率。為此，對熱交換氣中許多點上的各個氣流之間的溫度差異已做了許多分析，以確定熱交換器的總的熱力學效率。

我們的方法不僅僅包括增進熱交換的效率，而且進一步地使熱交換器的總的熱負荷顯著地減小，同時還進一步改善工作流體循環的性能。眾所周知，在氮液化器中采用二個或多個這種工作流體循環，對互相相鄰但又不重疊的溫度范圍進行致冷，稱之謂“序列結構”，例如，見英國專利申請2162298A和2162299。因此在一種序列結構中，一個“熱渦輪工作流體循環”可包括對從200K到160K范圍所生成的液流進行致冷，一個“中間渦輪工作流體循環”可以對從160K到130K范圍所生成的液流進行致冷，還有一個“冷渦輪工作流體循環”可以再對從130K到100K的流液冷卻。在一種序列中，只使用二個渦輪也是可能的，一個渦輪是“熱渦輪工作流體循環”的一部分，另一個渦輪是“冷渦輪工作流體循環”的一部分。這里對渦輪所說的“冷”、“中間”和“熱”的區別是指相應渦輪的入口的溫度。

按照本發明，提供了一種液化由氮和甲烷組成的永久氣體流的方法，包括在提高壓力時把永久氣體流的溫度降到它的臨界溫度以下，并且至少執行兩個氮工作流體循環，以提供至少將永久氣體的溫度降到它的臨界溫度以下所需要的部分致冷的步驟，每一個這樣的氮工作流體循環包括壓縮氮工作流體，使作功膨脹的氮工作流體通過與所說的氮的氣流進行逆向的熱交換而加熱，從而導致對永久氣體流致冷。其中，在至少一個氮工作流體循環中，作功膨脹要在一個比較高的溫度時開始，該溫度比在至少一個其它的氮工作流體循環中開始作功膨脹時的溫度要高。而且，在每一個工作流體循環中，在作功膨脹結束時氮工作流體的溫度與在其它工作流體循環中作功膨脹結束時氮工作流體的溫度相同或基本相同。