一种超流氦制冷机制造技术

本发明专利技术涉及一种超流氦制冷机，包括压缩机组、第一冷箱、设置于所述第一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、第二冷箱、设置于所述第二冷箱内的50～75K温区负载、4.5～75K温区负载、2K负载和气液分离器以及用户负载多温区回流管路。用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，不同温度的氦气经由分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧的各个所述回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的对应的不同温区回气侧形成闭路循环，从而可使得不同温度的氦气能够按照温区回收到超流氦制冷机对应的温区回气侧，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。利于提高超流氦制冷机的整机性能。利于提高超流氦制冷机的整机性能。

【技术实现步骤摘要】
一种超流氦制冷机


[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。
[0003]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大型低温制冷系统，用以支持由各种大型超导磁体和超导射频腔构成的超导加速器和超导对撞机的长期稳定运行。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。超流氦制冷机可在多种模式下运行，温度也可在1.8～4.5K间自由调节，对外输出多个温区冷量。因此，超流氦制冷机可以用于提氦工程，比如LNG
‑
BOG液化天然气闪蒸气提氦。
[0004]超流氦制冷机具有多种工作模式，比如2K工作模式、2K待机模式、4.5K待机模式、升降温模式等，以满足超导设备在各种不同工况下的运行需求。不同的外部负载，自负载端返回的氦气温区不同，参数不同，因此现有的超流氦制冷机存在不同温度的氦气无法按照温区回收到超流氦制冷机对应的温区回气侧的问题，如此将会影响超流氦制冷机的整机性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一目的是，提供一种超流氦制冷机，通过设置用户负载多温区回流管路，用户负载多温区回流管路包括回收主管路和多个回收支管路，每个回收支管路的进口连接于回收主管路上，每个回收支管路的出口连接于低压回气路上，且分布在超流氦制冷机的不同温区回气侧，用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，不同温度的氦气经由分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧的各个所述回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的对应的不同温区回气侧形成闭路循环，从而可使得不同温度的氦气能够按照温区回收到超流氦制冷机对应的温区回气侧，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。
[0006]一种超流氦制冷机，包括压缩机组、第一冷箱、设置于所述第一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、第二冷箱、设置于所述第二冷箱内的50～75K温区负载、4.5～75K温区负载、2K负载和气液分离器以及用户负载多温区回流管路；
[0007]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第一冷箱的进口，所述高压压缩机排出的常温
高压氦气经由所述第一冷箱的进口进入所述第一冷箱内；所述冷压缩机组的出口连接于所述负压压缩机的吸气口，所述负压压缩机用于将所述冷压缩机组送来的超流氦负压回气压缩到中压；
[0008]所述氦气预冷模块设置在所述第一冷箱的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机组之前，用于对进入所述第一冷箱的一部分常温高压氦气进行预冷；
[0009]所述多级透平膨胀机组包括第一透平膨胀机组、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，用于对进入所述第一冷箱的常温高压氦气进行多级冷却过程；
[0010]所述换热器组用于对进入所述第一冷箱的常温高压氦气进行多级换热过程；
[0011]所述超流氦制冷机还包括高压主气路、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第一冷箱的进口，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；
[0012]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侧；
[0013]所述用户负载多温区回流管路包括回收主管路和多个回收支管路，每个所述回收支管路的进口连接于所述回收主管路上，每个所述回收支管路的出口连接于所述低压回气路上，且分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧；
[0014]其中所述高压压缩机经由所述第一冷箱的进口向所述第一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；
[0015]一部分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，另一部分液相经节流后分为气液两相，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，并经由所述冷压缩机组的进口侧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；
[0016]用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，不同温度的氦气经由分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧的各个所述回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的对应的不同温区回气侧形成闭路循环。
[0017]在其中一个实施例中，所述用户负载多温区回流管路包括第一回收支管路、第二回收支管路、第三回收支管路以及第四回收支管路，所述第一回收支管路、第二回收支管路和第三回收支管路均设置在所述第一冷箱内，且分别连接在所述超流氦制冷机的4.5K温区回气侧、20K温区回气侧和80K温区回气侧，所述第四回收支管路设置在所述第一冷箱外，且连接在所述超流氦制冷机的常温回气侧，所述用户负载多温区回流管路还包括环境加热器，所述环境加热器设置在所述第一冷箱外并连接在所述回收主管路上，且所述环境加热器位于所述第四回收支管路的进口之前；
[0018]用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，温度小于等于4.5K的冷氦气通过所述第一回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的4.5K温区回气侧，4.5～20K温区的冷氦气通过所述第二回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的20K温区回气侧，20～80K温区的冷氦气通过所述第三回收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超流氦制冷机，其特征在于，包括压缩机组、第一冷箱、设置于所述第一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、第二冷箱、设置于所述第二冷箱内的50～75K温区负载、4.5～75K温区负载、2K负载和气液分离器以及用户负载多温区回流管路；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第一冷箱的进口，所述高压压缩机排出的常温高压氦气经由所述第一冷箱的进口进入所述第一冷箱内；所述冷压缩机组的出口连接于所述负压压缩机的吸气口，所述负压压缩机用于将所述冷压缩机组送来的超流氦负压回气压缩到中压；所述氦气预冷模块设置在所述第一冷箱的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机组之前，用于对进入所述第一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，用于对进入所述第一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第一冷箱的常温高压氦气进行多级换热过程；所述超流氦制冷机还包括高压主气路、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第一冷箱的进口，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侧；所述用户负载多温区回流管路包括回收主管路和多个回收支管路，每个所述回收支管路的进口连接于所述回收主管路上，每个所述回收支管路的出口连接于所述低压回气路上，且分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧；其中所述高压压缩机经由所述第一冷箱的进口向所述第一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；一部分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，另一部分液相经节流后分为气液两相，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，并经由所述冷压缩机组的进口侧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；用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，不同温度的氦气经由分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧的各个所述回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的对应的不同温区回气侧形成闭路循环。2.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述用户负载多温区回流管路包括第一回收支管路、第二回收支管路、第三回收支管路以及第四回收支管路，所述第一回收支管路、第二回收支管路和第三回收支管路均设置在所述第一冷箱内，且分别连接在所述超流氦制冷机的4.5K温区回气侧、20K温区回气侧和80K温区回气侧，所述第四回收支管路设置在所述第一冷箱外，且连接在所述超流氦制冷机的常温回气侧，所述用户负载多温区回流管路还包括环境加热器，所述环境加热器设置在所述第一冷箱外并连接在所述回收主管路上，且所述环境加热器位于所述第四回收支管路的进口之前；用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，温度小于等于4.5K的冷氦气通过所述第一回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的4.5K温区回气侧，4.5～20K温区的冷氦气通过所述第二回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的20K温区回气侧，20～80K温区的冷氦气通过所述第三回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的80K温区回气侧，温度超过80K的氦气在所述第一冷箱外部通过环境加热器加热到常温然后通过第四回收支管路回气到所述低压回气路，进入中压压缩机的低压吸气口形成闭路循环。3.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括设置于所述第一冷箱和所述第二冷箱外的液氦杜瓦，所述液氦杜瓦的进口连接于所述高压主气路上，并位于所述换热器组之后，所述液氦杜瓦的气相出口连接于所述低压回气路上，并位于所述换热器组之后，所述液氦杜瓦中设置有液氦杜瓦加热器；当所述超流氦制冷机用于提氦时，一部分所述超临界氦经节流后分为气液两相，液相进入所述液氦杜瓦中积液，气相自所述液氦杜瓦的气相出口排出，与所述过冷器的回气汇合，并经所述低压回气路回到所述换热器组的低压侧，当所述液氦杜瓦中的液氦液位达到预设值时，将所述液氦杜瓦中的液氦产品运走；所述液氦杜瓦也可作为一个冷量储存结构，调节储存低温系统在动、静态负载间变化的冗余制冷量，当所述超流氦制冷机冷量过剩，即各负载所需的冷量小于所述超流氦制冷机产生的冷量时，将所述超流氦制冷机产生的多余冷量转化为液氦储存在所述液氦杜瓦中；当所述超流氦制冷机产生的冷量小于各负载所需的冷量时，启动设置在所述液氦杜瓦中的加热器，以将所述液氦杜瓦中的液氦转化为饱和氦蒸汽并使所述饱和氦蒸汽进入制冷机循环系统，从而使得所述超流氦制冷机产生的冷量增加。4.根据权利要求3所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括第一管路和第二管路，所述第一管路的进口连接于所述高压主气路，并位于所述换热器组之后，出口连接于所述液氦杜瓦的进口，所述第二管路的进口连接于所述液氦杜瓦的气相出口，出口连接于所述低压回气路上，所述第一管路上设置有第一节流阀，所述第二管路上设置有第一回气阀；当所述超流氦制冷机用于提氦时，所述高压主气路输出的一部分超临界氦进入所述第
一管路并通过所述第一节流阀节流为气液两相，液相进入所述液氦杜瓦中积液，气相自所述液氦杜瓦的气相出口排出并经所述第二管路、所述第一回气阀，与所述过冷器的回气汇合，并经所述低压回气路回到所述换热器组的低压侧，当所述液氦杜瓦中的液氦液位达到预...

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