低温制冷机及其控制方法技术

一种低温制冷机，用于冷却热负载单元，包括依次连通并形成回路的压缩机单元、多级预冷单元和冷端单元；压缩机单元用于压缩工作流体，提高工作流体的压力；多级预冷单元用于将工作流体的温度冷却至设计温度；冷端单元包括第一换热器、第二换热器、控制器、制冷装置、流量控制阀、第一三通管件、第二三通管件和储罐；储罐与热负载单元连接，储罐流出的工作流体和热负载单元进行热交换后流入储罐。上述低温制冷机，冷端单元根据不同的负载值，调节流量控制阀的开度，从而调节冷端单元的两个换热器的低压端的工作流体的流量，实现制冷量的调节，维持制冷机返流质量流量的稳定，提高了系统安全性。此外，还提供一种上述低温制冷机的控制方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于制冷与低温工程学科领域，尤其涉及一种。
技术介绍
大科学装置中托卡马克间歇的产生等离子体，在等离子体生成时，产生的热功率 升高到相对高的水平，在托卡马克装置不再生成等离子体时，产生的热功率降低到相对较 低的水平。因此，需要设计的制冷机能够适应托卡马克装置的热负载的变化。 在制冷机设计过程中，通常是按照时均平均热负载进行设计的。传统的制冷系统 的流程图如图1所示。传统的制冷机1用于冷却热负载单元12。制冷机1包括压缩机单元 3、多级预冷单元5和冷端单元6。冷端单元6包括热交换器7、JT阀9和储罐11。因此，在 低负载的情况下，通过负载产生的蒸汽量比较低，制冷机的返流的质量流量减小；在高负载 的情况下，负载产生的蒸汽量比较大，因此，制冷机的返流的质量流量增大。由于透平、压缩 机等的设计流量波动范围有限，当返流的质量流量波动过大时，将会影响透平/压缩机的 性能，极端情况下会造成制冷机的停机。 传统技术中，通常是采用电加热器将低负载时多余的冷量消耗掉。此种方式虽然 构成简单，但是需要将高负载作为制冷机的设计负载，设备尺寸大，系统效率低。在Kuendig.A等的文章"HeliumRefrigeratorDesignforPulsedHeatLoadin Tokamaks.AIPConferenceProceedings1995, 823"提出利用热气喷射和浮动中压的方式 来应对制冷机负载的波动。SAT0H等在"Conceptualdesignofcryogenicrefrigeration fortheLargeHelicalDevice.FusionEngineeringandDesignl993(20) :129-136'， 中介绍了在不同的负载情况下所需的换热器的面积和透平数量。然而，以上两种形式都需 要对整个制冷机进行调试，容易引起制冷机的不稳定。近年来，Rohandutta等的文章"Applicationofparallelheatexchangers inheliumrefrigeratorsformitigatingeffectsofpulsedloadfromfusion devices.FusionEngineeringandDesign, 2011. 86 (4-5): 296-306"中提出了将负载波 动的影响消除在冷端的思路，将平行板翅式换热器，超临界储罐，冷压缩机等组合起来，形 成一种能完全消除负载波动的冷端构成形式（回流流量的最大波动控制在4% )。但是，冷 压缩机控制复杂，效率需要达到75%，目前国际上没有与之相匹配的。此外超临界储罐的体 积达到24m3,这对于储罐的结构和保温等提出了高的要求，且需要占用额外的空间。此种形 式在实际中应用挑战较大。
技术实现思路
鉴于此，有必要提供一种返流的质量流量波动较小，且易于实现易于操作的低温 制冷机及其控制方法。 -种低温制冷机，用于冷却热负载单元，包括依次连通并形成回路的压缩机单元、 多级预冷单元和冷端单元； 所述压缩机单元用于压缩工作流体，提高工作流体的压力； 所述多级预冷单元用于将工作流体的温度冷却至设计温度； 所述冷端单元包括第一换热器、第二换热器、控制器、制冷装置、流量控制阀、第 一三通管件、第二三通管件和储罐，所述多级预冷单元的高压出口与第一换热器的高压入 口连通，所述第一换热器的高压出口与所述第二换热器的高压入口连通，所述第二换热器 的高压出口与所述制冷装置的入口连通，所述储罐设有第一入口、第二入口、第一出口和第 二出口，所述制冷装置的出口和所述储罐的第一入口连通，所述储罐的第一出口与所述第 一三通管件的入口连通，所述第一三通管件的一个出口与所述流量控制阀的入口连通，所 述第一三通管件的另一个出口与所述第二换热器的低压入口连通，所述流量控制阀的出口 与第二三通管件的一个入口连通，所述第二换热器的低压出口与所述第二三通管件的另一 个入口连通，所述第二三通管件的出口与所述第一换热器的低压入口连通，所述第一换热 器的低压出口和所述多级预冷单元连通，所述控制器分别与所述制冷装置入口、所述流量 控制阀、所述储罐以及所述热负载单元连接； 所述储罐的第二出口与所述热负载单元连接，所述储罐流出的工作流体和所述热 负载单元进行热交换后流入所述储罐的第二入口。 在其中一个实施例中，所述制冷装置为JT阀或湿式膨胀机。 在其中一个实施例中，所述热负载单元为周期性和对称性的周期热负载。 在其中一个实施例中，所述储罐的底部设有加热装置。 一种低温制冷机的控制方法，包括以下步骤： 使用所述压缩机单元压缩所述工作流体； 使用所述多级预冷单元将所述工作流体的温度冷却至设计温度； 根据所述热负载单元的热负载的变化，在所述冷端单元通过所述控制器控制所述 流量控制阀的开度，调节进入所述第二换热器的低压入口的所述工作流体的流量，从而调 节所述制冷装置入口的所述工作流体的温度，在高负载的情况下，使所述低温制冷机提供 匹配高负载的冷却功率，在低负载的情况下，使所述低温制冷机提供匹配低负载的冷却功 率，减缓返流工作流体质量流量的波动。 在其中一个实施例中，所述控制器根据热负载的数值、所述制冷装置的入口的所 述工作流体的温度和所述储罐的液位，控制所述流量控制阀的开度。 在其中一个实施例中，所述控制器控制所述流量控制阀的开度包括如下步骤： 判断所述储罐的液位是否在正常值范围之内； 当所述储罐的液位在正常值范围内时，在高负载的情况下，所述控制器控制关闭 所述流量控制阀，使低压工作流体依次通过所述第二换热器和所述第一换热器； 当所述储罐的液位在正常值范围内时，在低负载的情况下，所述控制器控制打开 所述流量控制阀，并通过计算发出执行指令对所述流量控制阀进行开度控制； 当所述储罐的液位高于正常值范围时，所述控制器控制打开所述流量控制阀； 当所述储罐的液位低于正常范围时，所述控制器控制关闭所述流量控制阀。 在其中一个实施例中，所述控制器对于所述流量控制阀的控制采用PID控制、预 测控制或线性最优控制。 在其中一个实施例中，还包括如下步骤： 当返流的工作流体的质量流量小于设计质量流量时，使用所述加热装置对所述储 罐中的工作流体加热，增大返流的工作流体的质量流量，使得返流的质量流量接近设计质 量流量； 当返流的工作流体的质量流量大于等于设计质量流量时，所述加热装置不加热。当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温制冷机，用于冷却热负载单元，其特征在于，包括依次连通并形成回路的压缩机单元、多级预冷单元和冷端单元；所述压缩机单元用于压缩工作流体，提高工作流体的压力；所述多级预冷单元用于将工作流体的温度冷却至设计温度；所述冷端单元包括第一换热器、第二换热器、控制器、制冷装置、流量控制阀、第一三通管件、第二三通管件和储罐，所述多级预冷单元的高压出口与第一换热器的高压入口连通，所述第一换热器的高压出口与所述第二换热器的高压入口连通，所述第二换热器的高压出口与所述制冷装置的入口连通，所述储罐设有第一入口、第二入口、第一出口和第二出口，所述制冷装置的出口和所述储罐的第一入口连通，所述储罐的第一出口与所述第一三通管件的入口连通，所述第一三通管件的一个出口与所述流量控制阀的入口连通，所述第一三通管件的另一个出口与所述第二换热器的低压入口连通，所述流量控制阀的出口与第二三通管件的一个入口连通，所述第二换热器的低压出口与所述第二三通管件的另一个入口连通，所述第二三通管件的出口与所述第一换热器的低压入口连通，所述第一换热器的低压出口和所述多级预冷单元连通，所述控制器分别与所述制冷装置入口、所述流量控制阀、所述储罐以及所述热负载单元连接；所述储罐的第二出口与所述热负载单元连接，所述储罐流出的工作流体和所述热负载单元进行热交换后流入所述储罐的第二入口。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：伍继浩，吕翠，谢秀娟，李青，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11