一种具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机制造技术

本发明专利技术涉及一种具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，包括压缩机组、制冷机冷箱、负载测试冷箱、均设置于所述制冷机冷箱内的氦气预冷模块、多级透平膨胀机组、换热器组、过冷器和冷压缩机组、以及均设置于所述负载测试冷箱内的气液分离器、50～75K温区负载、4.5～75K温区负载和2K负载，所述超流氦制冷机采用制冷机冷箱和负载测试冷箱将制冷部分和负载测试部分分开，负载测试冷箱仅用于负载冷量测试阶段使用，并可在所述超流氦制冷机交付用户后去除，此种设计使得制冷机冷箱结构紧凑，避免各温区测试负载在负载测试阶段后成为闲置热容，占用制冷机冷箱空间。制冷机冷箱空间。制冷机冷箱空间。

【技术实现步骤摘要】
一种具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机


[0001]本专利技术涉及超低温制冷
，特别是涉及一种具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机。

技术介绍

[0002]超流氦具有非常高的热导率，远高于金属的导热性能，是铜的几千倍。由于超流氦具有优良的流动和传热性能，因此在很多应用场合，常用其冷却超导磁体。超流氦几乎无黏性，很容易渗透到磁体内部，迅速消除热扰动。使用超流氦冷却加速器和超导磁体能够提高稳定性，且能减少能量消耗和运行成本。由于超流氦更低的温度、极小的粘度和高导热率等优点，目前利用超流氦建立了多种低温制冷系统和制冷机。超流氦制冷机一般包括一套4.5K氦低温系统和一套1.8/2K超流氦低温子系统，在制取液氦的同时制取超流氦。
[0003]超流氦制冷机对外部负载提供多温区冷量，比如50～75K温区冷量，4.5～75K温区冷量，2K冷量等。为了测试各温区冷量，超流氦制冷机需要挂接各温区测试负载进行制冷量测试。负载测试一般有两种方法，即测试负载放置在制冷机外部，通过bayonet(真空接口)与制冷机连接；或者测试负载放置在制冷机冷箱内部。两种方法各有优缺点。超流氦制冷机涉及多温区外部冷量测试负载时，需要在制冷机外部搭建负载测试平台，占地面积较大，而且连接线路比较复杂。内置冷量测试负载放置在制冷机冷箱内部，布置简便，无需外接功率模块，但是冷量测试完成后，测试负载不再使用，放置在冷箱内部成为闲置热容，占用制冷机冷箱内宝贵空间。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一目的是，提供一种具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，所述超流氦制冷机采用制冷机冷箱和负载测试冷箱将制冷部分和负载测试部分分开，负载测试冷箱仅用于负载冷量测试阶段使用，并可在所述超流氦制冷机交付用户后去除，此种设计使得制冷机冷箱结构紧凑，避免各温区测试负载在负载测试阶段后成为闲置热容，占用制冷机冷箱空间。
[0005]本专利技术提供了一种具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，包括压缩机组、制冷机冷箱、负载测试冷箱、均设置于所述制冷机冷箱内的氦气预冷模块、多级透平膨胀机组、换热器组、过冷器和冷压缩机组、以及均设置于所述负载测试冷箱内的气液分离器、50～75K温区负载、4.5～75K温区负载和2K负载，所述负载测试冷箱用于在负载冷量测试阶段使用；
[0006]所述压缩机组包括正压压缩机和负压压缩机，所述正压压缩机包括中压压缩机和高压压缩机，所述负压压缩机的出口和所述中压压缩机的出口均连接于所述高压压缩机的吸气口，所述高压压缩机的出口连接于所述制冷机冷箱的进口，所述高压压缩机排出的常温高压氦气经由所述制冷机冷箱的进口进入所述制冷机冷箱内；
[0007]所述氦气预冷模块设置在所述制冷机冷箱的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机
组之前，用于对进入所述制冷机冷箱的一部分常温高压氦气进行预冷；
[0008]所述多级透平膨胀机组包括依次设置的第一透平膨胀机组、第二透平膨胀机组、第三透平膨胀机组以及第四透平膨胀机组，用于对进入所述制冷机冷箱的常温高压氦气进行多级冷却过程；
[0009]所述换热器组用于对进入所述制冷机冷箱的常温高压氦气进行多级换热过程；
[0010]所述超流氦制冷机包括高压主气路、中压回气路、低压回气路、负压回气路，所述高压主气路的进口连接于所述制冷机冷箱的进口，出口连接于所述过冷器的进口；所述中压回气路的进口连接于所述第二透平膨胀机组的出口，出口连接于所述高压压缩机的吸气口；所述低压回气路的进口连接于所述过冷器的气相出口，出口连接于所述中压压缩机的吸气口；所述负压回气路的进口连接于所述冷压缩机组的出口，出口连接于所述负压压缩机的吸气口；
[0011]所述过冷器的液相出口连接于所述4.5～75K温区负载的进口和所述气液分离器的进口，所述4.5～75K温区负载的出口连接于所述低压回气路，所述气液分离器的液相出口连接于所述2K负载，所述2K负载的出口和所述气液分离器的气相出口均连接于所述冷压缩机组的进口；
[0012]其中所述高压压缩机经由所述制冷机冷箱的进口向所述制冷机冷箱排入常温高压氦气，所述常温高压氦气的一部分进入所述氦气预冷模块中预冷，预冷后的氦气与所述高压主气路的常温高压氦气汇合后，经由所述多级透平膨胀机组进行多级冷却过程和经由所述换热器组进行多级换热过程后，形成超临界氦；
[0013]所述超临界氦经由所述高压主气路进入所述过冷器中，气相进入所述低压回气路，一部分液相进入所述4.5～75K温区负载后回气到所述低压回气路，另一部分液相节流为气液两相，液相进入所述气液分离器中积液，当所述气液分离器中液氦液位达到预设值时，所述冷压缩机组启动，将所述气液分离器中的氦气进行减压，从而形成2K饱和超流氦，2K饱和超流氦自所述气液分离器的液相出口流出至所述2K负载处；气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2K负载的回气汇合后进入所述冷压缩机组，经由所述冷压缩机组提压后进入所述负压回气路，经多级压降后形成负压氦气，负压氦气进入所述负压压缩机中压缩到中压，与来自所述中压压缩机排出的中压气体以及所述中压回气路的回气混合后，进入所述高压压缩机，至此完成一个氦气循环。
[0014]在本专利技术的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括用于连接所述制冷机冷箱和所述负载测试冷箱的多通道传输管线，所述负载测试冷箱通过所述多通道传输管线与所述制冷机冷箱形成可拆除式连接。
[0015]在本专利技术的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括均设置于所述制冷机冷箱内的50～75K温区负载兑温管路和冷压缩机组入口兑温管路，其中所述50～75K温区负载兑温管路连接于所述第一透平膨胀机组，用于对进入所述第一透平膨胀机组前的氦气进行兑温；其中所述冷压缩机组入口兑温管路设置在所述冷压缩机组的进口侧，用于调节进入所述冷压缩机组的氦气的温度。
[0016]在本专利技术的一实施例中，所述50～75K温区负载兑温管路包括连接于所述高压主气路的50K氦气管路、连接于所述50K氦气管路和所述50～75K温区负载的进口的负载去流管路、连接于所述50K氦气管路的兑温管路、连接于50～75K温区负载的出口的回流管路、以
及连接于所述回流管路、所述兑温管路以及所述第一透平膨胀机组的氦气通过管路，所述50K氦气管路设置有50K氦气管路调节阀，所述兑温管路设置有兑温管路调节阀和兑温管路加热器，所述回流管路设置有回流管路调节阀，其中所述兑温管路用于经由所述兑温管路调节阀和所述兑温管路加热器来调节所述回流管路中氦气的温度，使得经由所述氦气通过管路进入所述第一透平膨胀机组的氦气能够满足所述第一透平膨胀机组的进口温度和压力的要求。
[0017]在本专利技术的一实施例中，所述换热器组包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路以及所述负压回气路的并依次设置的第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器以及第五级换热器，还包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路的第六级换热器，连接于所述高压主气路和所述低压回气路的第七级换热器和第八级换热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，其特征在于，包括压缩机组、制冷机冷箱、负载测试冷箱、均设置于所述制冷机冷箱内的氦气预冷模块、多级透平膨胀机组、换热器组、过冷器和冷压缩机组、以及均设置于所述负载测试冷箱内的气液分离器、50～75K温区负载、4.5～75K温区负载和2K负载，所述负载测试冷箱用于在负载冷量测试阶段使用；所述压缩机组包括正压压缩机和负压压缩机，所述正压压缩机包括中压压缩机和高压压缩机，所述负压压缩机的出口和所述中压压缩机的出口均连接于所述高压压缩机的吸气口，所述高压压缩机的出口连接于所述制冷机冷箱的进口，所述高压压缩机排出的常温高压氦气经由所述制冷机冷箱的进口进入所述制冷机冷箱内；所述氦气预冷模块设置在所述制冷机冷箱的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机组之前，用于对进入所述制冷机冷箱的一部分常温高压氦气进行预冷；所述多级透平膨胀机组包括依次设置的第一透平膨胀机组、第二透平膨胀机组、第三透平膨胀机组以及第四透平膨胀机组，用于对进入所述制冷机冷箱的常温高压氦气进行多级冷却过程；所述换热器组用于对进入所述制冷机冷箱的常温高压氦气进行多级换热过程；所述超流氦制冷机包括高压主气路、中压回气路、低压回气路、负压回气路，所述高压主气路的进口连接于所述制冷机冷箱的进口，出口连接于所述过冷器的进口；所述中压回气路的进口连接于所述第二透平膨胀机组的出口，出口连接于所述高压压缩机的吸气口；所述低压回气路的进口连接于所述过冷器的气相出口，出口连接于所述中压压缩机的吸气口；所述负压回气路的进口连接于所述冷压缩机组的出口，出口连接于所述负压压缩机的吸气口；所述过冷器的液相出口连接于所述4.5～75K温区负载的进口和所述气液分离器的进口，所述4.5～75K温区负载的出口连接于所述低压回气路，所述气液分离器的液相出口连接于所述2K负载，所述2K负载的出口和所述气液分离器的气相出口均连接于所述冷压缩机组的进口；其中所述高压压缩机经由所述制冷机冷箱的进口向所述制冷机冷箱排入常温高压氦气，所述常温高压氦气的一部分进入所述氦气预冷模块中预冷，预冷后的氦气与所述高压主气路的常温高压氦气汇合后，经由所述多级透平膨胀机组进行多级冷却过程和经由所述换热器组进行多级换热过程后，形成超临界氦；所述超临界氦经由所述高压主气路进入所述过冷器中，气相进入所述低压回气路，一部分液相进入所述4.5～75K温区负载后回气到所述低压回气路，另一部分液相节流为气液两相，液相进入所述气液分离器中积液，当所述气液分离器中液氦液位达到预设值时，所述冷压缩机组启动，将所述气液分离器中的氦气进行减压，从而形成2K饱和超流氦，2K饱和超流氦自所述气液分离器的液相出口流出至所述2K负载处；气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2K负载的回气汇合后进入所述冷压缩机组，经由所述冷压缩机组提压后进入所述负压回气路，经多级压降后形成负压氦气，负压氦气进入所述负压压缩机中压缩到中压，与来自所述中压压缩机排出的中压气体以及所述中压回气路的回气混合后，进入所述高压压缩机，至此完成一个氦气循环。2.根据权利要求1所述的具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括用于连接所述制冷机冷箱和所述负载测试冷箱的多通道传输管线，所述
负载测试冷箱通过所述多通道传输管线与所述制冷机冷箱形成可拆除式连接。3.根据权利要求2所述的具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括均设置于所述制冷机冷箱内的50～75K温区负载兑温管路和冷压缩机组入口兑温管路，其中所述50～75K温区负载兑温管路连接于所述第一透平膨胀机组，用于对进入所述第一透平膨胀机组前的氦气进行兑温；其中所述冷压缩机组入口兑温管路设置在所述冷压缩机组的进口侧，用于调节进入所述冷压缩机组的氦气的温度。4.根据权利要求3所述的具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，其特征在于，所述50～75K温区负载兑温管路包括连接于所述高压主气路的50K氦气管路、连接于所述50K氦气管路和所述50～75K温区负载的进口的负载去流管路、连接于所述50K氦气管路的兑温管路、连接于50～75K温区负载的出口的回流管路、以及连接于所述回流管路、所述兑温管路以及所述第一透平膨胀机组的氦气通过管路，所述50K氦气管路设置有50K氦气管路调节阀，所述兑温管路设置有兑温管路调节阀和兑温管路加热器，所述回流管路设置有回流管路调节阀，其中所述兑温管路用于经由所述兑温管路调节阀和所述兑温管路加热器来调节所述回流管路中氦气的温度，使得经由所述氦气通过管路进入所述第一透平膨胀机组的氦气能够满足所述第一透平膨胀机组的进口温度和压力的要求。5.根据权利要求4所述的具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，其特征在于，所述换热器组包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路以及所述负压回气路的并依次设置的第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器以及第五级换热器，还包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路的第六级换热器，连接于所述高压主气路和所述低压回气路的第七级换热器和第八级换热器，以及连接于所述过冷器的液相出口、所述气液分离器的进口与气相出口和所述2K负载的出口的第九级换热器，其中所述气液分离器排出的氦气和所述2K负载的回气汇合后进入所述第九级换热器中进行换热，换热后的氦气经由所述冷压缩机组入口兑温管路兑温后进入所述冷压缩机组。6.根据权利要求5所述的具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，其特征在于，所述多通道传输管线包括第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路以及第六管路，所述50～75K温区负载通过所述第一管路连接所述负载去流管路，和通过所述第二管路连接所述回流管路；所述4.5～75K温区负载通过所述第三管路连接所述过冷器的液相出口，和通过所述第四管路连接所述低压回气路；所述第九级换热器通过所述第五管路连接于所述过冷器的液相出口，并通过所述第六管路连接于所述冷压缩机组入口兑温管路的进口。7.根据权利要求5所述的具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机，其特征在于，所述冷压缩机组入口兑温管...

【专利技术属性】
技术研发人员：李静，李正宇，龚领会，周刚，伍继浩，刘立强，
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：