CN114111082A - 一种基于gm制冷机的过冷液氮循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GM制冷机的过冷液氮循环系统，包括：多台独立并联安装的GM制冷机，用作系统冷源；每一GM制冷机均包括独立的真空腔体和冷头换热器；设置在真空罩内的过冷液氮池和稳压罐，所述过冷液氮池内浸泡有主换热器和预冷换热器；液氮泵，连接在所述过冷液氮池和所述稳压罐之间；所述预冷换热器位于所述液氮泵的入口之前，用于提高液氮进入所述液氮泵时的过冷度，所述主换热器位于所述液氮泵的出口之后，用于冷却液氮；所述过冷液氮池在回液口和出液口处通过真空绝热管与热负载相连，形成闭式液氮循环回路。本发明能够保证液氮循环系统长时间稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于低温制冷机技术领域，具体涉及一种基于GM制冷机的过冷液氮循环系统。
背景技术
随着超导技术的迅速发展，为超导材料提供低温环境的制冷系统得到了越来越多的关注。特别是近几年来，超导临界温区升至液氮温区时，高温超导电缆，高温超导电机和低温波荡器等越来越多的应用需要用到过冷液氮循环系统，超导应用场景从试验研究到工程应用全面展开，运用领域逐步扩大。在可靠性要求高的应用场景下，需要更加稳定可靠的低温系统，保证超导系统稳定运行。
针对液氮温区的低温系统，通常采用逆布雷顿循环制冷机，斯特林制冷机和抽空减压制冷等作为冷源的过冷液氮循环系统。其中，逆布雷顿循环制冷机具有冷量大，造价高，结构复杂，维护周期短，维护成本高等特点；斯特林制冷机具有冷量大，可操作性弱，维护时间短等特点；抽空减压制冷具有液氮消耗型，运行不稳定，操作频繁等特点。这几种常用方法在工业化生产中造价高，运行成本高，稳定性差等问题。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于GM制冷机的过冷液氮循环系统，以实现过冷液氮循环的可靠稳定运行。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于GM制冷机的过冷液氮循环系统，包括：
多台独立并联安装的GM制冷机，用作系统冷源；每一GM制冷机均包括独立的真空腔体和冷头换热器；
设置在真空罩内的过冷液氮池和稳压罐，所述过冷液氮池内浸泡有主换热器和预冷换热器；
液氮泵，连接在所述过冷液氮池和所述稳压罐之间；所述预冷换热器位于所述液氮泵的入口之前，用于提高液氮进入所述液氮泵时的过冷度，所述主换热器位于所述液氮泵的出口之后，用于冷却液氮；
所述过冷液氮池在回液口和出液口处通过真空绝热管与热负载相连，形成闭式液氮循环回路。
进一步地，所述稳压罐上具有第一排气开关阀和加热器，当所述稳压罐中的压力偏高时，通过打开所述第一排气开关阀以排气泄压，减小循环压力；当所述稳压罐中的压力偏低时，通过开启所述加热器使得一部分液氮气化，增加循环压力。
进一步地，所述预冷换热器和主换热器为浸液式盘管换热器，盘管为铜管、不锈钢管、翅片管中的任一种。
进一步地，所述GM制冷机的数量是包括负载匹配数量和冗余数量。
进一步地，所述过冷液氮循环系统还包括第一液氮开关阀和第二液氮开关阀，所述第一液氮开关阀用于向所述过冷液氮池充注液氮，所述第二液氮开关阀用于向所述稳压罐充注液氮，
进一步地，在所述过冷液氮池与回液口之间设有回液口开关阀，在所述过冷液氮池与出液口之间设有出液口开关阀。
进一步地，在所述出液口开关阀处还设有质量流量计，用于计量循环的流量。
进一步地，所述液氮泵为低温离心泵。
进一步地，所述真空罩为高真空绝热不锈钢容器。
进一步地，过冷液氮温度为70K至75K。
实施本发明具有如下有益效果：本发明以GM低温制冷机为系统冷源，每台制冷机均具有独立的真空腔体和换热器，在运行过程中可以独立拆装；且制冷机数量组成为实际热负荷匹配和冗余，系统对制冷机的故障容错率高，保证冷源长时间稳定运行；本发明的两级换热器既能满足换热要求，同时改善了液氮泵运行工况，提高系统动力部件的运行稳定性，直接提高系统运行可靠性；本发明的稳压罐位于液氮泵入口前，具有升压和降压自动调节功能，提高系统运行中压力的自我调节能力，保证系统长时间安全稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于GM制冷机的过冷液氮循环系统的架构示意图。
附图标记说明：1-真空罩，2-GM制冷机，3-冷头换热器，4-过冷液氮池，5-回液口开关阀，6-预冷换热器，7-稳压罐，8-液氮泵，9-主换热器，10-质量流量计，11-出液口开关阀，12-加热器，13-第一排气开关阀，14-第一液氮开关阀，15-第二液氮开关阀，16-第二排气开关阀，17-热负载，18-真空绝热管。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
本发明提出了一种基于GM制冷机的过冷液氮循环系统，采用了多台GM制冷机作为低温冷源，液氮作为载冷剂，冷源处有两级换热器，并通过调节液氮泵的电机转速来调节循环的流量，通过稳压罐来调节循环系统的运行压力，保证液氮循环系统长时间稳定运行。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于GM制冷机的过冷液氮循环系统，包括：
多台独立并联安装的GM制冷机2，用作系统冷源；每一GM制冷机均包括独立的真空腔体和冷头换热器3；
设置在真空罩1内的过冷液氮池4和稳压罐7，所述过冷液氮池4内浸泡有主换热器9和预冷换热器6；
液氮泵8，连接在所述过冷液氮池4和所述稳压罐7之间；所述预冷换热器6位于所述液氮泵8的入口之前，用于提高液氮进入所述液氮泵8时的过冷度，所述主换热器9位于所述液氮泵8的出口之后，用于冷却液氮；
所述过冷液氮池4在回液口和出液口处通过真空绝热管与热负载相连，形成闭式液氮循环回路。
具体地，多台GM制冷机2具有独立的真空腔体和换热器，可以实现每台GM制冷机在运行过程中单独拆装。GM制冷机2的数量包括负载匹配数量和冗余数量，根据系统运行策略调整冗余数量。通过冷头换热器3冷却过冷液氮池4中的液氮。根据热负载17的实际值，计算开启GM制冷机2的台数，在控制程序中自动增加GM制冷机2的台数来匹配热负载的动态变化；同时，在单台GM制冷机2出现故障时，可以在不停掉整个过冷液氮循环系统状态的情况下对单台GM制冷机2进行停机更换维护。
本实施例的过冷液氮循环系统属于低温系统，整体采用真空夹层绝热，放置在真空罩1中，并在回液口和出液口处通过真空绝热管18和热负载17相连，形成一个闭式回路。液氮加注口连接外部液氮源，如可移动液氮钢瓶或液氮储槽，打开第一液氮开关阀14向过冷液氮池4中充注液氮，打开第二液氮开关阀15向稳压罐7中充注液氮，充满整个循环系统管路和腔体。
当过冷液氮循环系统管路和过冷液氮池4中液氮量足够时，开启GM制冷机2，通过冷头换热器3，将过冷液氮池4中液氮温度降至68-70K；然后再启动液氮泵8并依次打开回液口开关阀5、出液口开关阀11，过冷液氮循环系统和热负载17形成一个液氮循环回路，并可以通过安装在出液口开关阀11处的质量流量计10计量循环的流量，以便于读取。
为了给目标营造可靠稳定的低温环境，采用连续闭式过冷液氮循环带走目标带来的热量；在真空低温工作环境下，设备本体和目标都会给过冷液氮系统带入热负载，循环过冷液氮吸收产生的热负载，导致过冷液氮温度升高，液氮泵驱动过冷液氮在目标和冷源之间循环流动，液氮流动至冷源处，经换热器和GM制冷机进行换热，液氮温度降低，流动至目标处，循环往复。
具体来说，循环管路中过冷液氮作用路径为：在热负载17处，过冷液氮吸收热负载17的热量，温度升高，正常工况下，为了保证过冷液氮循环系统稳定运行，过冷液氮温度低于气化温度，处于过冷状态。过冷液氮通过真空绝热管18、回液口返回过冷液氮循环系统，在进入液氮泵8前，先通过预冷换热器6提高进入液氮泵时的过冷度，有利于液氮泵运行，同时释放一部分热量，温度降低；经过液氮泵8的升压后，再进入主换热器9，充分释放从热负载17处吸收的热量，温度降至70-72K；最后经过出液口和真空绝热管18输送至热负载17处，循环往复。
液氮泵8采用的是可变频调节电机转速实现循环流量的调节，驱动电机可以调频工作，变频器调节电机转速，调节液氮循环流量，满足不同工况需求。在液氮泵8入前的稳压罐7是稳定过冷液氮循环整体压力的一个重要部件。稳压罐7位于液氮泵8的入口前，正常运行时此处压力最低，是整个过冷液氮循环系统的压力基础。稳压罐7上具有第一排气开关阀13和加热器12，在系统自控程序控制下，当稳压罐7中压力偏高时，打开第一排气开关阀13，排气泄压，压力下降；当稳压罐7中压力偏低时，开启加热器12，使得少量液氮气化，增加稳压罐7中压力，压力上升。过冷液氮池4还连接有第二排气开关阀16，亦用于排气泄压，调节循环压力。总得来说，过冷液氮循环系统压力可以控制在安全范围内，保证系统稳定运行。
预冷换热器6和主换热器9的结构形式一般为浸液式盘管换热器，盘管可以为铜管，不锈钢管或者是翅片管。两个换热器分别位于液氮泵8入口前和出口后，预冷换热器是为了提高液氮进入液氮泵时的过冷度，有利于液氮泵运行；主换热器充分冷却载冷剂，降低载冷剂温度。预冷换热器6和主换热器9形成两级换热，浸泡在过冷液氮池4中，对循环过冷液氮降温。
可以理解的是，除了各GM制冷机2的压缩机，本实施例过冷液氮循环系统所涉及的部件均放置在真空罩1中，同时，真空罩1为高真空绝热不锈钢容器，有利于低温环境的形成及保持。
通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明以GM低温制冷机为系统冷源，每台制冷机均具有独立的真空腔体和换热器，在运行过程中可以独立拆装；且制冷机数量组成为实际热负荷匹配和冗余，系统对制冷机的故障容错率高，保证冷源长时间稳定运行；本发明的两级换热器既能满足换热要求，同时改善了液氮泵运行工况，提高系统动力部件的运行稳定性，直接提高系统运行可靠性；本发明的稳压罐位于液氮泵入口前，具有升压和降压自动调节功能，提高系统运行中压力的自我调节能力，保证系统长时间安全稳定运行。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种基于GM制冷机的过冷液氮循环系统，其特征在于，包括：
多台独立并联安装的GM制冷机，用作系统冷源；每一GM制冷机均包括独立的真空腔体和冷头换热器；
设置在真空罩内的过冷液氮池和稳压罐，所述过冷液氮池内浸泡有主换热器和预冷换热器；
液氮泵，连接在所述过冷液氮池和所述稳压罐之间；所述预冷换热器位于所述液氮泵的入口之前，用于提高液氮进入所述液氮泵时的过冷度，所述主换热器位于所述液氮泵的出口之后，用于冷却液氮；
所述过冷液氮池在回液口和出液口处通过真空绝热管与热负载相连，形成闭式液氮循环回路。
2.根据权利要求1所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，所述稳压罐上具有第一排气开关阀和加热器，当所述稳压罐中的压力偏高时，通过打开所述第一排气开关阀以排气泄压，减小循环压力；当所述稳压罐中的压力偏低时，通过开启所述加热器使得一部分液氮气化，增加循环压力。
3.根据权利要求1所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，所述预冷换热器和主换热器为浸液式盘管换热器，盘管为铜管、不锈钢管、翅片管中的任一种。
4.根据权利要求1所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，所述GM制冷机的数量是包括负载匹配数量和冗余数量。
5.根据权利要求1所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，还包括第一液氮开关阀和第二液氮开关阀，所述第一液氮开关阀用于向所述过冷液氮池充注液氮，所述第二液氮开关阀用于向所述稳压罐充注液氮。
6.根据权利要求1所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，在所述过冷液氮池与回液口之间设有回液口开关阀，在所述过冷液氮池与出液口之间设有出液口开关阀。
7.根据权利要求6所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，在所述出液口开关阀处还设有质量流量计，用于计量循环的流量。
8.根据权利要求1所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，所述液氮泵为低温离心泵。
9.根据权利要求1所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，所述真空罩为高真空绝热不锈钢容器。
10.根据权利要求1-9任一项所述的过冷液氮循环系统，其特征在于，过冷液氮温度为70K至75K。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Tang Shouquan Inventor after: Li Jianwei Inventor after: Li Minhong Inventor after: Xie Hong Inventor after: Wang Zhenzi Inventor after: Yu Peng Inventor after: Wang Zhe Inventor after: Lv Zhining Inventor after: Li Zhonghang Inventor after: Gong Junqiang Inventor before: Wang Zhenzi Inventor before: Yu Peng Inventor before: Wang Zhe Inventor before: Lv Zhining Inventor before: Li Zhonghang Inventor before: Gong Junqiang Inventor before: Li Jianwei |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220301 |