CN112880224A - 一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统 - Google Patents

一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统，包括冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组、水冷机、流体换热工质管路、储存罐、低温泵、用户端设备、用户端低温换热器、用户端传感器、过滤器、缓冲罐、数据采集与中央控制系统。本发明通过在冷头处加设流体旁通管路有效解决了常规低温系统制冷温度难以跟随用户端设备需求进行相应快速、准确调节的难题，因而利用同一系统可以满足用户对不同制冷温度的需求，从而实现了一种面向低温用户设备设计的可以高效、便捷调节系统中换热工质温度的低温系统，对于脉冲管制冷机的实用化具有非常积极的意义。

Description

一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统
技术领域
本发明涉及制冷与低温工程领域，涉及脉冲管制冷机，特别涉及一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统。
背景技术
利用低温流体作为冷却媒介的低温系统在超导电力领域被广泛应用，此类系统中用户端低温设备可以与制冷机系统不直接接触，实现一定距离范围内的冷量传输。区别于传统的设备直接置于制冷机冷头上取冷的方式相比，用户端设备不再需要考虑制冷机的布置安放，仅需要对工作在低温环境的设备上安装换热器以实现与被旁置的制冷机冷却的流体的间接换热。
目前，在实用超导飞速发展的背景下，应用于智能电网、先进电力、高效储能、高端通讯、超导单光子探测、量子通信等领域的低温系统需要能够长时间、持续稳定地为超导设备提供液氦到液氮温度范围内的低温环境，并且能够根据不同的超导设备的要求灵活地调整制冷系统输出的温度和冷却功率。脉冲管制冷机具有长寿命、低震动、高可靠性的特征，成为了超导电力领域低温制冷机较为理想的选择。但是，现阶段国内外的常规低温系统一般难以实现较为快捷、准确和灵活地改变制冷机冷头输出换热工质的温度和冷量，而在实际应用中，常常需要一套可以适用型强、调节方便、高可靠性的低温系统，这便对具有新型管路设计和控制方式的脉冲管制冷机低温系统的研究和应用提出了迫切的需求。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提出一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统。
本发明的目的在于，提供了通过在冷头处加设流体旁通管路的方式为多冷指低温系统提供了可以灵活改变换热管路中流体温度及质量流大小的设计应用方案，使得该低温系统制冷温度可以跟随用户端设备需求进行相应快速、准确调整。
本发明中的脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统，包括冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组1、水冷机2、流体换热工质管路3、储存罐4、低温泵5、用户端设备6、用户端低温换热器7、用户端传感器8、过滤器9、缓冲罐10、数据采集与中央控制系统11，其特征在于：
所述的冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组1用于为流体换热工质制冷，以达到符合冷却用户端设备6的低温需求，根据具体应用需求，可输出不同大小的制冷量；所述的水冷机2通过冷却水循环管路为脉冲管制冷机提供冷却；所述的流体换热工质管路3内可根据用户端设备6的低温要求，注充氮气或者氦气等低温流体；所述的储存罐4，用于储存被脉冲管制冷机冷却后的低温流体，可以根据用户端低温换热器8的换热量需求，储存适量的低温流体，确保流体的冷量足够冷却用户设备；所述的低温泵5用于将储存罐4中流出的低温流动工质泵送到后续用户端设备6中进行换热，为低温换热流体在流体换热工质管路3中的循环提供动力；所述的用户端设备6是低温流体进行换热及低温冷却的目标部件，通常在液氦至液氮温区间正常工作；所述的用户端低温换热器7内部流动着低温流体换热工质，主要通过热对流及热传导的方式与用户端设备进行换热，将热量带出用户端设备6以保证其正常的低温环境；所述用户端传感器8用于监测用户端低温换热器的温度、质量流量以及管道压力，可保障用户端设备低温环境的稳定性和安全性；所述过滤器9用于过滤流体换热工质管路3中流动的换热工质中的杂质，以保证流体的纯净；所述缓冲罐10用于储存过滤器9中流出的流体，保证进入脉冲管制冷机中的流体的持续稳定；所述数据采集与中央控制系统11用于采集系统中各传感器的温度、压力、流量等数据，同时可以通过电脑实现对系统中电控阀门的中央控制。
所述的冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组1的结构如下：
压缩机13通过压力波传输管14为结构功能完全相同的脉冲管制冷机冷头一25、脉冲管制冷机冷头二26和预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位27提供PV功；冷却水循环管路12将水冷机2中的冷却水传输到压缩机13、冷头一热端换热器15及冷头二热端换热器22；流动换热工质管路3在流经脉冲管制冷机冷头一25、脉冲管制冷机冷头二26及预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位27时分流出冷头一冷端旁通管路28、冷头二冷端旁通管路29及备用冷头冷端旁通管路30，脉冲管制冷机冷头组真空杜瓦31用于为制冷机冷头的正常工作提供高标准的真空外环境。
所述的冷头一冷端旁通管路28、冷头二冷端旁通管路29及备用冷头冷端旁通管路30的组成构造完全相同，其特征在于：
所述冷头一冷端旁通管路28从流动工质入口管路三通36处引出，冷头一冷端旁通管路28上设有旁通管路电控阀门37，连通至流体工质出口三通33处汇入流体换热工质管路3；流动工质出口三通33处安装有脉冲管制冷机出口换热管路传感器32，用来监测该点流体工质的温度、质量流量、压力等参数。
所述的冷头一冷端旁通管路28、冷头二冷端旁通管路29及备用冷头冷端旁通管路30具有相同的控制调节质量流量与温度的方法，其特征在于包括以下三种调节管路中流量与控制工质温度的方法：
冷头一冷端旁通管路28的初始状态为：旁通管路电控阀门37完全关闭；冷头冷端换热器出口管路电控阀门34和冷头冷端换热器口入口管路电控阀门35完全打开，各电控阀门与数据采集与中央控制系统11连接以进行远程电脑控制。流体换热工质管路3中的流动工质经过冷头一冷端换热器22降温后，通过脉冲管制冷机出口换热管路传感器32输出的温度、流量和压力值，判断管路内流体是否满足用户端低温设备的需求，以进行各阀门开度的调整，具体方法如下。
方法一：
当流体温度高于用户端设备6需求时，应保持旁通管路电控阀门37完全关闭，调小冷头冷端换热器口入口管路电控阀门35的开度来减少其经过冷头一冷端换热器18的质量流量与热负荷，流体换热工质的温度随之降低；
方法二：
当流体温度远低于用户端设备6需求时，由于冷端换热器管路上的阀门都已经完全打开，在没有设置旁通管路的冷头系统中，只能通过调整压缩机13的输入功来调整流体换热工质的冷却温度，而这种调节方式具有诸多不确定性，且脉冲管制冷机冷头的性能会由于输入PV功的减小而恶化。在这种情况下，通过调节旁通管路电控阀门37的开度大小,进而改变流进冷头一冷端旁通管路28上流体换热工质的质量流的大小，旁通管路中的未经冷头一冷端换热器18冷却的流动工质，与经过冷头一冷端换热器18冷却的流动工质在流动工质出口三通33处混合后流出三通阀门。由脉冲管制冷机出口换热管路传感器32输出混合后流体的温度，根据温度信息进一步调整旁路阀门开度，直至流体温度满足用户端温度要求；
方法三：
旁通管路的另一个重要作用是在冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组1中某一冷头出现故障时，继续保障整体低温系统的正常工作。具体操控方法为：关闭冷头冷端换热器出口管路电控阀门34和冷头冷端换热器口入口管路电控阀门35，打开旁通管路电控阀门37，使流体换热工质管路3中的流体换热工质绕过冷头一冷端换热器18，直接通过冷头一冷端旁通管路28传输。即在脉冲管制冷机冷头一25出现故障时，依靠脉冲管制冷机冷头二26或者通过在预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位27处安装备用冷头为流体换热工质降温，使该低温系统可以持续、稳定、不间断的为用户端设备提供冷却。
本发明的优点在于：
1)本发明提供了一种集成了低温设备的脉冲管制冷机低温系统，提出了冷头处布置旁通管路新型设计方法，提供了低温循环系统中设备布置方案，可以实现便捷调节换热工质温度、质量流和冷量的大小，以满足用户端设备的需求；
2)本发明通过冷头处旁通管路上的阀门调节，改变旁通管路中换热流体与经过冷头换热器冷却的换热流体的混合比例，获得不同的制冷机输出换热工质温度，使得同一脉冲管制冷机低温系统可以满足用户不同温度条件的低温需求；
3)本发明的低温系统在制冷机冷头处加设了旁通换热管路，使得多冷头系统中各个冷头都可独立工作，在其中某一冷头发生故障或者要进行检修维护时，仍能通过其他冷头的正常运行保证低温系统可持续为用户设备提供冷却，使得该系统具有更好的稳定性和可靠性。
本发明通过在冷头处加设流体旁通管路的方式为多冷指低温系统提供了可以灵活改变换热管路中流体温度、质量流及冷量大小的设计方案，使该低温系统制冷温度可以跟随用户端设备需求进行相应快速、准确调整，可不间断运行。对于低温制冷机系统的实用化具有非常积极的意义。
附图说明
图1为脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统示意图；
图2为冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组示意图；
图3为脉冲管制冷机冷头冷端换热器处流体管路及其旁通管路构造示意图；
其中：1为冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组，2为水冷机，3为流体换热工质管路，4为储存罐，5为低温泵，6为用户端设备，7为用户端传感器，8为用户端低温换热器，9为过滤器，10为缓冲罐，11为数据采集与中央控制系统，12为冷却水循环管路，13为压缩机，14为压力波传输管，15为冷头一热端换热器，16为冷头一蓄冷器，17为冷头一脉冲管，18为冷头一冷端换热器，19为冷头一气库，20为冷头二热端换热器，21为冷头二蓄冷器，22为冷头二脉冲管，23为冷头二冷端换热器，24为冷头二气库，25为脉冲管制冷机冷头一，26为脉冲管制冷机冷头二，27为预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位，28为冷头一冷端旁通管路，29为冷头二冷端旁通管路，30为备用冷头冷端旁通管路，31为脉冲管制冷机冷头组真空杜瓦，32为脉冲管制冷机出口换热管路传感器，33为流动工质出口管路三通，34为冷头冷端换热器出口管路电控阀门，35为冷头冷端换热器口入口管路电控阀门，36为流动工质入口管路三通，37为旁通管路电控阀门。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示为脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统。包括冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组1、水冷机2、流体换热工质管路3、储存罐4、低温泵5、用户端设备6、用户端低温换热器7、用户端传感器8、过滤器9、缓冲罐10、数据采集与中央控制系统11，其特征在于：
所述的冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组1用于为流体换热工质制冷，以达到符合冷却用户端设备6的低温需求，根据具体应用需求，可输出不同大小的制冷量；所述的水冷机2通过冷却水循环管路为脉冲管制冷机提供冷却；所述的流体换热工质管路3内可根据用户端设备6的低温要求，注充氮气或者氦气等低温流体；所述的储存罐4，用于储存被脉冲管制冷机冷却后的低温流体，可以根据用户端低温换热器8的换热量需求，储存适量的低温流体，确保流体的冷量足够冷却用户设备；所述的低温泵5用于将储存罐4中流出的低温流动工质泵送到后续用户端设备6中进行换热，为低温换热流体在流体换热工质管路3中的循环提供动力；所述的用户端设备6是低温流体进行换热及低温冷却的目标部件，通常在液氦至液氮温区间正常工作；所述的用户端低温换热器7内部流动着低温流体换热工质，主要通过热对流及热传导的方式与用户端设备进行换热，将热量带出用户端设备6以保证其正常的低温环境；所述用户端传感器8用于监测用户端低温换热器的温度、质量流量以及管道压力，可保障用户端设备低温环境的稳定性和安全性；所述过滤器9用于过滤流体换热工质管路3中流动的换热工质中的杂质，以保证流体的纯净；所述缓冲罐10用于储存过滤器9中流出的流体，保证进入脉冲管制冷机中的流体的持续稳定；所述数据采集与中央控制系统11用于采集系统中各传感器的温度、压力、流量等数据，同时可以通过电脑实现对系统中电控阀门的中央控制。
如图2为冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组示意图。
压缩机13通过压力波传输管14为结构功能完全相同的脉冲管制冷机冷头一25、脉冲管制冷机冷头二26和预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位27提供PV功；冷却水循环管路12将水冷机2中的冷却水传输到压缩机13、冷头一热端换热器15及冷头二热端换热器22；流动换热工质管路3在流经脉冲管制冷机冷头一25、脉冲管制冷机冷头二26及预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位27时分流出冷头一冷端旁通管路28、冷头二冷端旁通管路29及备用冷头冷端旁通管路30，脉冲管制冷机冷头组真空杜瓦31用于为制冷机冷头的正常工作提供高标准的真空外环境。
图3是脉冲管制冷机冷头冷端换热器处流体管路及其旁通管路构造示意图，系统中脉冲管制冷机冷头一25、脉冲管制冷机冷头二26及预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位27具有相同的冷头冷端换热器流体管路及其旁通管路构造。即冷头一冷端旁通管路28、冷头二冷端旁通管路29及备用冷头冷端旁通管路30的组成构造完全相同，其具体特征在于：
所述冷头一冷端旁通管路28从流动工质入口管路三通36处引出，冷头一冷端旁通管路28上设有旁通管路电控阀门37，连通至流体工质出口三通33处汇入流体换热工质管路3；流动工质出口三通33处安装有脉冲管制冷机出口换热管路传感器32，用来监测该点流体工质的温度、质量流量、压力等参数。
所述的冷头一冷端旁通管路28、冷头二冷端旁通管路29及备用冷头冷端旁通管路30具有相同的控制调节质量流量与温度的方法，其特征在于包括以下三种调节管路中流量与控制工质温度的方法：
冷头一冷端旁通管路28的初始状态为：旁通管路电控阀门37完全关闭；冷头冷端换热器出口管路电控阀门34和冷头冷端换热器口入口管路电控阀门35完全打开，各电控阀门与数据采集与中央控制系统11连接以进行远程电脑控制。流体换热工质管路3中的流动工质经过冷头一冷端换热器22降温后，通过脉冲管制冷机出口换热管路传感器32输出的温度、流量和压力值，判断管路内流体是否满足用户端低温设备的需求，以进行各阀门开度的调整，具体方法如下。
方法一：
当流体温度高于用户端设备6需求时，应保持旁通管路电控阀门37完全关闭，调小冷头冷端换热器口入口管路电控阀门35的开度来减少其经过冷头一冷端换热器18的质量流量与热负荷，流体换热工质的温度随之降低；
方法二：
当流体温度远低于用户端设备6需求时，由于冷端换热器管路上的阀门都已经完全打开，在没有设置旁通管路的冷头系统中，只能通过调整压缩机13的输入功来调整流体换热工质的冷却温度，而这种调节方式具有诸多不确定性，且脉冲管制冷机冷头的性能会由于输入PV功的减小而恶化。在这种情况下，通过调节旁通管路电控阀门37的开度大小,进而改变流进冷头一冷端旁通管路28上流体换热工质的质量流的大小，旁通管路中的未经冷头一冷端换热器18冷却的流动工质，与经过冷头一冷端换热器18冷却的流动工质在流动工质出口三通33处混合后流出三通阀门。由脉冲管制冷机出口换热管路传感器32输出混合后流体的温度，根据温度信息进一步调整旁路阀门开度，直至流体温度满足用户端温度要求；
方法三：
旁通管路的另一个重要作用是在冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组1中某一冷头出现故障时，继续保障整体低温系统的正常工作。具体操控方法为：关闭冷头冷端换热器出口管路电控阀门34和冷头冷端换热器口入口管路电控阀门35，打开旁通管路电控阀门37，使流体换热工质管路3中的流体换热工质绕过冷头一冷端换热器18，直接通过冷头一冷端旁通管路28传输。即在脉冲管制冷机冷头一25出现故障时，依靠脉冲管制冷机冷头二26或者通过在预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位27处安装备用冷头为流体换热工质降温，使该低温系统可以持续、稳定、不间断的为用户端设备提供冷却。
最后应说明的是：本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统，包括冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组(1)、水冷机(2)、流体换热工质管路(3)、储存罐(4)、低温泵(5)、用户端设备(6)，用户端低温换热器(7)、用户端传感器(8)、过滤器(9)、缓冲罐(10)、数据采集与中央控制系统(11)，其特征在于：
所述的冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组(1)用于为流体换热工质制冷，以达到符合冷却用户端设备(6)的低温需求，根据具体应用需求，可输出不同大小的制冷量；所述的水冷机(2)通过冷却水循环管路为脉冲管制冷机提供冷却；所述的流体换热工质管路(3)内可根据用户端设备(6)的低温要求，注充氮气或者氦气等低温流体；所述的储存罐(4)，用于储存被脉冲管制冷机冷却后的低温流体，可以根据用户端低温换热器(8)的换热量需求，储存适量的低温流体，确保流体的冷量足够冷却用户设备；所述的低温泵(5)用于将储存罐(4)中流出的低温流动工质泵送到后续用户端设备(6)中进行换热，为低温换热流体在流体换热工质管路(3)中的循环提供动力；所述的用户端设备(6)是低温流体进行换热及低温冷却的目标部件，通常在液氦至液氮温区间正常工作；所述的用户端低温换热器(7)内部流动着低温流体换热工质，主要通过热对流及热传导的方式与用户端设备进行换热，将热量带出用户端设备(6)以保证其正常的低温环境；所述用户端传感器(8)用于监测用户端低温换热器的温度、质量流量以及管道压力，可保障用户端设备低温环境的稳定性和安全性；所述过滤器(9)用于过滤流体换热工质管路(3)中流动的换热工质中的杂质，以保证流体的纯净；所述缓冲罐(10)用于储存过滤器(9)中流出的流体，保证进入脉冲管制冷机中的流体的持续稳定；所述数据采集与中央控制系统(11)用于采集系统中各传感器的温度、压力、流量等数据，同时可以通过电脑实现对系统中电控阀门的中央控制。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统，其特征在于：所述的冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组(1)的结构如下：
压缩机(13)通过压力波传输管(14)为结构功能完全相同的脉冲管制冷机冷头一(25)、脉冲管制冷机冷头二(26)和预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位(27)提供PV功；冷却水循环管路(12)将水冷机(2)中的冷却水传输到压缩机(13)、冷头一热端换热器(15)及冷头二热端换热器(22)；流动换热工质管路(3)在流经脉冲管制冷机冷头一(25)、脉冲管制冷机冷头二(26)及预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位(27)时分流出冷头一冷端旁通管路(28)、冷头二冷端旁通管路(29)及备用冷头冷端旁通管路(30)，脉冲管制冷机冷头组真空杜瓦(31)用于为制冷机冷头的正常工作提供高标准的真空外环境。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统，其特征在于：所述的冷头一冷端旁通管路(28)、冷头二冷端旁通管路(29)及备用冷头冷端旁通管路(30)具有相同的组成构造；
所述冷头一冷端旁通管路(28)从流动工质入口管路三通(36)处引出，冷头一冷端旁通管路(28)上设有旁通管路电控阀门(37)，连通至流体工质出口三通(33)处汇入流体换热工质管路(3)；流动工质出口三通(33)处安装有脉冲管制冷机出口换热管路传感器(32)，用来监测该点流体工质的温度、质量流量、压力等参数。
4.根据权利要求2或3所述的一种脉冲管制冷机冷端外置流体旁通管路的低温系统，其特征在于：所述的冷头一冷端旁通管路(28)、冷头二冷端旁通管路(29)及备用冷头冷端旁通管路(30)控制调节质量流量与温度的方法相同，包括以下三种调节管路中流量与控制工质温度的方法：
冷头一冷端旁通管路(28)的初始状态为：旁通管路电控阀门(37)完全关闭；冷头冷端换热器出口管路电控阀门(34)和冷头冷端换热器口入口管路电控阀门(35)完全打开，各电控阀门与数据采集与中央控制系统(11)连接以进行远程电脑控制；流体换热工质管路(3)中的流动工质经过冷头一冷端换热器(22)降温后，通过脉冲管制冷机出口换热管路传感器(32)输出的温度、流量和压力值，判断管路内流体是否满足用户端低温设备的需求，以进行各阀门开度的调整，具体方法如下；
方法一：
当流体温度高于用户端设备(6)需求时，应保持旁通管路电控阀门(37)完全关闭，调小冷头冷端换热器口入口管路电控阀门(35)开度来减少其经过冷头一冷端换热器(18)的质量流量与热负荷，流体换热工质的温度随之降低；
方法二：
当流体温度远低于用户端设备(6)需求时，由于冷端换热器管路上的阀门都已经完全打开，在没有设置旁通管路的冷头系统中，只能通过调整压缩机(13)的输入功来调整流体换热工质的冷却温度，而这种调节方式具有诸多不确定性，且脉冲管制冷机冷头的性能会由于输入PV功的减小而恶化；在这种情况下，通过调节旁通管路电控阀门(37)的开度大小,进而改变流进冷头一冷端旁通管路(28)上流体换热工质的质量流的大小，旁通管路中的未经冷头一冷端换热器(18)冷却的流动工质，与经过冷头一冷端换热器(18)冷却的流动工质在流动工质出口三通(33)处混合后流出三通阀门；由脉冲管制冷机出口换热管路传感器(32)输出混合后流体的温度，根据温度的高低进一步调整旁路阀门开度大小，直至流体温度满足用户端温度要求；
方法三：
旁通管路的另一个重要作用是在冷端外置流体旁通管路的脉冲管制冷机组(1)中某一冷头出现故障时，继续保障整体低温系统的正常工作；具体操控方法为：关闭冷头冷端换热器出口管路电控阀门(34)和冷头冷端换热器口入口管路电控阀门(35)，打开旁通管路电控阀门(37)，使流体换热工质管路(3)中的流体换热工质绕过冷头一冷端换热器(18)，直接通过冷头一冷端旁通管路(28)传输；即在脉冲管制冷机冷头一(25)出现故障时，依靠脉冲管制冷机冷头二(26)或者通过在预留的备用脉冲管制冷机冷头安装位(27)处安装备用冷头为流体换热工质降温，使该低温系统可以持续、稳定、不间断的为用户端设备提供冷却。
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