CN114812095A - 一种超流氦制冷机 - Google Patents

一种超流氦制冷机 Download PDF

Info

Publication number
CN114812095A
CN114812095A CN202210490172.6A CN202210490172A CN114812095A CN 114812095 A CN114812095 A CN 114812095A CN 202210490172 A CN202210490172 A CN 202210490172A CN 114812095 A CN114812095 A CN 114812095A
Authority
CN
China
Prior art keywords
helium
gas
pressure
pipeline
return
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210490172.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114812095B (zh
Inventor
李静
周刚
李正宇
龚领会
刘立强
伍继浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Original Assignee
Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS filed Critical Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority to CN202210490172.6A priority Critical patent/CN114812095B/zh
Publication of CN114812095A publication Critical patent/CN114812095A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114812095B publication Critical patent/CN114812095B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0275—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines adapted for special use of the liquefaction unit, e.g. portable or transportable devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0005—Light or noble gases
    • F25J1/0007—Helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/0035—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work
    • F25J1/0037—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work of a return stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/004—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by flash gas recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
    • F25J1/0045—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by vaporising a liquid return stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/005—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by expansion of a gaseous refrigerant stream with extraction of work
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
    • F25J1/0065—Helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0221—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using the cold stored in an external cryogenic component in an open refrigeration loop
    • F25J1/0224—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using the cold stored in an external cryogenic component in an open refrigeration loop in combination with an internal quasi-closed refrigeration loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
    • F25J1/0235—Heat exchange integration
    • F25J1/0236—Heat exchange integration providing refrigeration for different processes treating not the same feed stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F25J1/0245—Different modes, i.e. 'runs', of operation; Process control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F25J1/0245—Different modes, i.e. 'runs', of operation; Process control
    • F25J1/0249—Controlling refrigerant inventory, i.e. composition or quantity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F25J1/0245—Different modes, i.e. 'runs', of operation; Process control
    • F25J1/0249—Controlling refrigerant inventory, i.e. composition or quantity
    • F25J1/025—Details related to the refrigerant production or treatment, e.g. make-up supply from feed gas itself
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0292—Refrigerant compression by cold or cryogenic suction of the refrigerant gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/06—Several compression cycles arranged in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/42—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/912—Liquefaction cycle of a low-boiling (feed) gas in a cryocooler, i.e. in a closed-loop refrigerator

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

本发明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。

Description

一种超流氦制冷机
技术领域
本发明涉及超低温制冷技术领域，特别是涉及一种超流氦制冷机。
背景技术
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。
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。
发明内容
本发明的一目的是，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。
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；
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。
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；
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。
在其中一个实施例中，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。
在其中一个实施例中，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设值时，将所述液氦杜瓦中的液氦产品运走。
在其中一个实施例中，所述超流氦制冷机还包括设置在所述第一透平膨胀机组处的50～75K温区负载兑温管路，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。
在其中一个实施例中，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，所述换热器组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；所述超流氦制冷机还包括第九级换热器，所述第九级换热器设置于所述第二冷箱内，且所述第九级换热器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，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的入口侧进入所述冷压缩机组。
在其中一个实施例中，所述超流氦制冷机还包括快速复温管路，所述快速复温管路并联在所述高压主气路上，且所述快速复温管路的进口位于所述第一冷箱外，所述快速复温管路的出口位于所述第七级换热器和所述第八级换热器之间。
在其中一个实施例中，所述超流氦制冷机还包括低温吸附器组，所述低温吸附器组包括用于吸附氦气中的杂质气体的80K低温吸附器和20K低温吸附器，所述80K低温吸附器和所述20K低温吸附器均设置在所述高压主气路上，且所述80K低温吸附器位于所述第二级换热器和所述第三级换热器之间，所述20K低温吸附器位于所述第六级换热器和所述第七级换热器之间。
在其中一个实施例中，所述氦气预冷模块包括连接于所述高压主气路的氦气通路调节阀、连接于所述氦气通路调节阀的液氮预冷换热器、连接于所述液氮预冷换热器的液氮进口管路、以及设置于所述液氮进口管路的液氮进口调节阀，所述液氮预冷换热器的出口连接于所述高压主气路，并位于所述第二级换热器的出口和所述80K低温吸附器的入口之间，所述氦气预冷模块通过所述液氮进口管路通入的液氮对所述常温高压氦气进行预冷，并通过所述氦气通路调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的氦气量，和通过所述液氮进口调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的液氮量。
在其中一个实施例中，所述氦气预冷模块包括由第一透平、第二透平、第三透平串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器的出口和所述第一透平的进口之间的第一入口调节阀，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路。
在其中一个实施例中，所述第一透平膨胀机组包括串联设置的第四透平和第五透平，以及设置在所述第三级换热器的出口和所述第四透平的进口之间的第二入口调节阀，所述第四透平的进口连接于所述50～75K温区负载兑温管路的所述氦气通过管路，所述第五透平的出口连接于所述中压回气路。
在其中一个实施例中，所述第二透平膨胀机组包括串联设置的第六透平和第七透平，以及设置在所述第五级换热器的出口和所述第六透平的进口之间的第三入口调节阀，所述第七透平的出口连接所述中压回气路。
在其中一个实施例中，所述第三透平膨胀机组包括串联设置的第八透平和第九透平，以及设置在所述20K低温吸附器的出口和所述第八透平的进口之间的第四入口调节阀，所述第九透平的出口连接于所述低压回气路。
在其中一个实施例中，所述第四透平膨胀机组包括第十透平、设置在所述第七级换热器的出口和所述第十透平的进口之间的第五入口调节阀以及设置在所述高压主气路上，并位于所述第七级换热器和所述第八级换热器之间的末级透平旁通阀，所述第十透平的出口连接于所述高压主气路。
在其中一个实施例中，所述高压主气路和所述过冷器之间还设置有节流阀组，所述节流阀组包括并联设置的第二节流阀和第三节流阀，所述过冷器的气相出口和所述低压回气路之间还设置有第二回气阀，所述第九级换热器和所述气液分离器的进口之间还设置有第四节流阀；
其中所述高压主气路输出的一部分超临界氦经过所述第二节流阀节流为气液两相，液相在所述过冷器中积液，气相通过所述第二回气阀进入所述低压回气路；另一部分超临界氦经所述第三节流阀节流后进入所述过冷器中，被所述过冷器中积液的液氦过冷形成过冷超临界氦，过冷超临界氦自所述过冷器底部流出，一部分供给所述4.5～75K温区负载，另一部分进入所述第九级换热器，经过所述第四节流阀节流为气液两相，液相在所述气液分离器中积液，气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2K负载的回气汇合进入所述第九级换热器中换热，换热后的氦气经所述冷压缩机组的进口侧进入所述冷压缩机组。
在其中一个实施例中，所述冷压缩机组包括串联设置的第六入口调节阀、第一冷压缩机、第二冷压缩机、第三冷压缩机、第四冷压缩机以及第一出口调节阀，所述超流氦制冷机还包括并联于所述冷压缩机组的冷压缩机组旁通管路和设置于所述冷压缩机组旁通管路上的旁路调节阀。
在其中一个实施例中，所述超流氦制冷机还包括连接于所述第四透平膨胀机组的出口和所述低压回气路的冷箱旁通管路和设置在所述冷箱旁通管路上的冷箱旁通阀。
在其中一个实施例中，所述超流氦制冷机还包括气体管理面板，所述气体管理面板包括连接于所述高压主气路和所述中压回气路的中压旁通阀、连接所述高压主气路和所述低压回气路的低压旁通阀、连接于所述低压回气路和所述高压主气路的加载阀与缓冲罐卸载阀、以及连接于所述加载阀和所述缓冲罐卸载阀之间的缓冲罐。
在其中一个实施例中，所述超流氦制冷机还包括设置在所述第一冷箱和所述第二冷箱之间的多通道传输管线，所述多通道传输管线用于实现所述第一冷箱内的结构件和所述第二冷箱内的结构件之间的连接。
附图说明
图1为本发明的一优选实施例的所述超流氦制冷机的结构示意图，其中箭头方向代表流体流动方向。
附图标号说明：中压压缩机1；高压压缩机2；负压压缩机3；单向阀4；中压旁通阀5；低压旁通阀6；缓冲罐卸载阀7；缓冲罐8；加载阀9；第一冷箱10；第二冷箱20、第一管路201、第二管路202、第一节流阀203、第一回气阀204、冷箱旁通管路11；冷箱旁通阀12；第二节流阀13；第三节流阀14；第二回气阀15；第四节流阀16；
高压主气路21；中压回气路22；低压回气路23；负压回气路24；
氦气通路调节阀30；液氮预冷换热器31；液氮进口管路32；液氮进口调节阀33；第一透平34；第二透平35；第三透平36；第一入口调节阀37；
80K低温吸附器38；20K低温吸附器39；
第四透平40；第五透平41；第二入口调节阀42；第六透平43；第七透平44；第三入口调节阀45；第八透平46；第九透平47；第四入口调节阀48；第十透平49；第五入口调节阀50；末级透平旁通阀51；
50K氦气管路60；50K氦气管路调节阀61；负载去流管路62；兑温管路63；兑温管路调节阀64；兑温管路加热器65；回流管路66；氦气通过管路67；第一透平膨胀机组的进口管路68；回流管路调节阀69；
第六入口调节阀70；第一冷压缩机71；第二冷压缩机72；第三冷压缩机73；第四冷压缩机74；第一出口调节阀75；冷压缩机组旁通管路76；旁路调节阀77；
第一级换热器91、第二级换热器92、第三级换热器93、第四级换热器94；第五级换热器95；第六级换热器96；第七级换热器97；第八级换热器98；第九级换热器99；
50～75K温区负载101；4.5～75K温区负载102；2K负载103；过冷器104；气液分离器105；液氦杜瓦106；液氦杜瓦加热器107；
多通道传输管线200；第一传输管线210；第二传输管线220；第三传输管线230；
回收主管路01；第一回收支管路02；第二回收支管路03；第三回收支管路04；第四回收支管路05；环境加热器06；快速复温管路07。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，根据本发明的一优选实施例的一种超流氦制冷机的具体结构及其工作流程被具体阐明。
如图1所示，所述超流氦制冷机包括压缩机组、第一冷箱10、设置于所述第一冷箱10内的氦气预冷模块、多级透平膨胀机组、换热器组、过冷器104和冷压缩机组、第二冷箱20、设置于第二冷箱20内的50～75K温区负载101、4.5～75K温区负载102、2K负载103和气液分离器105以及用户负载多温区回流管路。
具体地，所述压缩机组包括正压压缩机和负压压缩机3，所述正压压缩机包括中压压缩机1和高压压缩机2，所述负压压缩机3的出口和所述中压压缩机1的出口均连接于所述高压压缩机2的吸气口，所述高压压缩机2的出口连接于所述第一冷箱10的进口，所述高压压缩机2排出的常温高压氦气经由所述第一冷箱10的进口进入所述第一冷箱10内，所述冷压缩机组的出口连接于所述负压压缩机3的吸气口，所述负压压缩机3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。
具体地，所述氦气预冷模块设置在所述第一冷箱10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10的一部分常温高压氦气进行预冷。
具体地，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10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10的常温高压氦气进行多级换热过程。
具体地，所述超流氦制冷机还包括高压主气路21、中压回气路22、低压回气路23、负压回气路24，所述高压主气路21的进口连接于所述第一冷箱10的进口，出口连接于所述过冷器104的进口；所述中压回气路22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2的吸气口；所述低压回气路23的进口连接于所述过冷器104的气相出口，出口连接于所述中压压缩机1的吸气口；所述负压回气路24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3的吸气口。
具体地，所述过冷器104的液相出口连接于所述4.5～75K温区负载102的进口和所述气液分离器105的进口，所述4.5～75K温区负载102的出口连接于所述低压回气路23，所述气液分离器105的液相出口连接于所述2K负载103，所述2K负载103的出口和所述气液分离器105的气相出口均连接于所述冷压缩机组的进口侧。
用户负载多温区回流管路包括回收主管路01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01上，每个回收支管路的出口连接于低压回气路23上，且分布在超流氦制冷机的不同温区回气侧。
其中所述高压压缩机2经由所述第一冷箱10的进口向所述第一冷箱10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21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21进入所述过冷器104中，气相进入所述低压回气路23，一部分液相进入所述4.5～75K温区负载102后回气到所述低压回气路23，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105中积液，当所述气液分离器105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105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105的液相出口流出至所述2K负载103处；气相自所述气液分离器105的气相出口排出，与所述2K负载103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24，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3中压缩到中压，与来自所述中压压缩机1排出的中压气体以及所述中压回气路22的回气混合后，进入所述高压压缩机2，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01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。
具体地，所述用户负载多温区回流管路包括第一回收支管路02、第二回收支管路03、第三回收支管路04以及第四回收支管路05，所述第一回收支管路02、第二回收支管路03和第三回收支管路04均设置在所述第一冷箱10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05设置在所述第一冷箱10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06，所述环境加热器06设置在所述第一冷箱10外并连接在所述回收主管路01上，且所述环境加热器06位于所述第四回收支管路05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01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02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03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04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(例如80～160K温区的氦气、温度大于160K的氦气)，在所述第一冷箱10外部通过环境加热器06加热到常温然后通过第四回收支管路05回气到低压回气路23，进入中压压缩机1的低压吸气口形成闭路循环。
在本发明的这一具体实施例中，所述环境加热器06为两个，两个所述环境加热器06并联，并同时使用，也就是说，其中一个所述环境加热器06工作时，另一个所述环境加热器06可同时工作，从而可提升氦气的加热效率。
进一步地，每个回收支管路上还设置有回收支管路调节阀。
超流氦制冷机还包括设置于第一冷箱10和第二冷箱20外的液氦杜瓦106，所述液氦杜瓦106的进口连接于所述高压主气路21上，并位于所述换热器组之后，所述液氦杜瓦106的气相出口连接于所述低压回气路23上，并位于所述换热器组之后，所述液氦杜瓦106中设置有液氦杜瓦加热器107。
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106中积液，气相自所述液氦杜瓦106的气相出口排出，与所述过冷器104的回气汇合，并经所述低压回气路23回到所述换热器组的低压侧，当所述液氦杜瓦106中的液氦液位达到预设值时，将所述液氦杜瓦106中的液氦产品运走；
所述液氦杜瓦106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106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106中的加热器107，以将所述液氦杜瓦106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。
本发明提供的超流氦制冷机，通过在第一冷箱10和第二冷箱20外设置液氦杜瓦106，使得所述超流氦制冷机适用于多种提氦应用场合，例如应用于3000L/h的提氦场景，有利于扩大所述超流氦制冷机的适用范围，一机多用，节省造价，同时该液氦杜瓦106还可以储存低温系统在动、静态负载间变化的冗余制冷量，避免对超流氦制冷机造成热冲击。
具体地，所述超流氦制冷机还包括第一管路201和第二管路202，所述第一管路201的进口连接于所述高压主气路21，并位于所述换热器组之后，出口连接于所述液氦杜瓦106的进口，所述第二管路202的进口连接于所述液氦杜瓦106的气相出口，出口连接于所述低压回气路23上，所述第一管路201上设置有第一节流阀203，所述第二管路202上设置有第一回气阀204。
当所述超流氦制冷机用于提氦时，所述高压主气路21输出的一部分超临界氦进入所述第一管路201并通过所述第一节流阀203节流为气液两相，液相进入所述液氦杜瓦106中积液，气相自所述液氦杜瓦106的气相出口排出并经所述第二管路202、所述第一回气阀204，与所述过冷器的回气汇合，并经所述低压回气路23回到所述换热器组的低压侧，当所述液氦杜瓦106中的液氦液位达到预设值时，将所述液氦杜瓦106中的液氦产品运走。
具体地，在本发明的一实施例中，所述液氦杜瓦106的容量为10000L。
具体地，所述换热器组包括依次设置的第一级换热器91、第二级换热器92、第三级换热器93、第四级换热器94以及第五级换热器95、第六级换热器96、第七级换热器97以及第八级换热器98。
更具体地，所述第一级换热器91、所述第二级换热器92、所述第三级换热器93、所述第四级换热器94以及所述第五级换热器95连接于所述高压主气路21、所述中压回气路22、所述低压回气路23以及所述负压回气路24；所述第六级换热器96连接于所述高压主气路21、所述中压回气路22、所述低压回气路23；所述第七级换热器97和所述第八级换热器98连接于所述高压主气路21和所述低压回气路23；所述超流氦制冷机还包括第九级换热器99，所述第九级换热器99设置于所述第二冷箱20内，且所述第九级换热器99连接于所述过冷器104的液相出口、所述气液分离器105的进口与气相出口和所述2K负载103的出口，其中所述气液分离器105排出的氦气和所述2K负载103的回气汇合后进入所述第九级换热器99中进行换热，换热后的氦气经由所述冷压缩机组的入口侧进入所述冷压缩机组。
值得一提的是，传统的超流氦制冷机部件繁多，整机体积庞大，停机复温时等待自然复温时间比较长，复温速度较慢。
因此，为解决上述问题，本发明提供的所述超流氦制冷机还包括快速复温管路07，所述快速复温管路07并联在所述高压主气路21上，且所述快速复温管路07的进口位于所述第一冷箱10外，所述快速复温管路07的出口位于所述第七级换热器97和所述第八级换热器98之间。通过快速复温回路07的设置，使得超流氦制冷机停机复温时能够实现快速复温，节省时间，提升效率。
可以理解的是，超流氦制冷机对外部负载提供多温区冷量，比如50～75K温区负载，4.5～75K温区负载，2K负载等。50～75K温区负载回流管路流体与制冷机75K的氦气混合，进入第一透平膨胀机组，进行再次膨胀。50～75K负载回流的流体是否能达到第一透平膨胀机组的入口设计参数影响到第一透平膨胀机组能否运行在设计工况，达到最佳工况。
因此，特别地，本发明在所述第一透平膨胀机组处设置有所述50～75K温区负载兑温管路，通过所述50～75K温区负载兑温管路对进入所述第一透平膨胀机组前的氦气进行兑温，确保进入所述第一透平膨胀机组的流体参数能够达到叶轮机械入口设计参数，从而使得所述多级透平膨胀机组能够运行在最佳工况，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。
具体地，所述50～75K温区负载兑温管路包括连接于所述高压主气路21的50K氦气管路60、连接于所述50K氦气管路60和所述50～75K温区负载101的进口的负载去流管路62、连接于所述50K氦气管路60的兑温管路63、连接于50～75K温区负载101的出口的回流管路66、以及连接于所述回流管路66、所述兑温管路63以及所述第一透平膨胀机组的氦气通过管路67，所述50K氦气管路60设置有50K氦气管路调节阀61，所述兑温管路63设置有兑温管路调节阀64和兑温管路加热器65，所述回流管路66设置有回流管路调节阀69，其中所述兑温管路63用于经由所述兑温管路调节阀64和所述兑温管路加热器65来调节所述回流管路66中氦气的温度，使得经由所述氦气通过管路67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。
值得一提的是，所述50K氦气管路60与所述高压主气路21的连接处位于所述第四级换热器94和所述第五级换热器95之间。
所述50～75K温区负载兑温管路的工作原理为：当所述回流管路66中的氦气温度过高时，所述兑温管路63中的50K冷流体直接与所述回流管路66中的热流体兑温，目标参数是所述第一透平膨胀机组的第四透平40的入口设计温度和设计压力。兑温完成后的氦气通过所述氦气通过管路67和连接于所述高压主气路21的所述第一透平膨胀机组的进口管路68的75K氦气混合，进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。当所述回流管路66中的氦气温度过低时，所述兑温管路63中的所述兑温管路加热器65启动，加热所述兑温管路63中的氦气，被加热后的热氦气和所述回流管路66中的回流冷氦气兑温，兑温完成后的氦气通过所述氦气通过管路67和来自所述第一透平膨胀机组的进口管路68的75K氦气混合，进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。
可以理解的是，50～75K温区负载兑温管路设计使得50～75K温区负载101回流管路66中的氦气参数能够达到所述第四透平40入口设计参数(设计温度，设计压力)的要求，从而使得所述第一透平膨胀机组能够运行在设计工况，达到最佳工况点，有助于提高所述超流氦制冷机的整机性能。
进一步地，所述超流氦制冷机还包括低温吸附器组，所述低温吸附器组包括用于吸附氦气中的氧气，氮气，烃类等杂质气体的80K低温吸附器38和吸附氦气中的氢气、氖气等杂质气体的20K低温吸附器39，所述80K低温吸附器38和所述20K低温吸附器39均设置在所述高压主气路21上，且所述80K低温吸附器38位于所述第二级换热器92和所述第三级换热器93之间，所述20K低温吸附器39位于所述第六级换热器96和所述第七级换热器97之间。
在本发明的这一具体实施例中，所述80K低温吸附器38为两个，两个所述80K低温吸附器38并联，并切换使用，也就是说，其中一个所述80K低温吸附器38工作时，另一个所述80K低温吸附器38可同时再生。所述80K低温吸附器38用于吸附氦气中的杂质气体，如氧气，氮气，烃类等。
所述20K低温吸附器39用于吸附氦气中的杂质气体，比如氢气、氖气等杂质气体。
可以理解的是，本发明的所述超流氦制冷机也可以在所述高压主气路21上的其他位置设置对应温度的低温吸附器，并不局限于80K低温吸附器38和20K低温吸附器39，而且所述20K低温吸附器39也可以采用两个并联的结构，本发明对此不作限制。
进一步地，本发明的所述超流氦制冷机可以采用液氮预冷或透平膨胀冷却的方式对所述高压压缩机2排入所述冷箱10中的常温高压氦气进行预冷。
具体地，在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块为液氮预冷装置，所述液氮预冷装置包括连接于所述高压主气路21的氦气通路调节阀30、连接于所述氦气通路调节阀30的液氮预冷换热器31、连接于所述液氮预冷换热器31的液氮进口管路32、以及设置于所述液氮进口管路32的液氮进口调节阀33，所述液氮预冷换热器31的出口连接于所述高压主气路21，并位于所述第二级换热器92的出口和所述80K低温吸附器38的入口之间，所述氦气预冷模块通过所述液氮进口管路32通入的液氮对所述常温高压氦气进行预冷，并通过所述氦气通路调节阀30调节进入所述液氮预冷换热器31的氦气量，和通过所述液氮进口调节阀33调节进入所述液氮预冷换热器31的液氮量。
在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块为透平膨胀预冷装置，所述透平膨胀预冷装置包括由第一透平34、第二透平35、第三透平36串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器91的出口和所述第一透平34的进口之间的第一入口调节阀37，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路22。
可以理解的是，所述超流氦制冷机采用由三个透平膨胀机串联组成的所述预冷透平膨胀机组将常温高压氦气预冷到80K。采用所述预冷透平膨胀机组进行预冷，可以使得所述超流氦制冷机能够适用于没有液氮或者是不适合采用液氮预冷的场合，例如在所述超流氦制冷机用于冷却隧道中的超导磁体和加速器时，因为隧道是封闭空间，采用液氮预冷时，如果氮气泄漏，因为氮气密度和空气密度相差不大，容易使得隧道中的工作人员窒息。
应该理解的是，本发明的所述超流氦制冷机优选设置有所述液氮预冷装置和所述预冷透平膨胀机组，在使用时可以选择使用任一种预冷模块，即在采用所述预冷透平膨胀机组进行预冷时，所述超流氦制冷机还可以给液氮预冷预留接口，本发明对此不作限制。通过设置两种预冷模块的方式，能够使得所述超流氦制冷机适用于多种应用场合，有利于扩大所述超流氦制冷机的适用范围。
值得一提的是，在本发明的这一具体实施例中，所述预冷透平膨胀机组将氦气自300K预冷到80K。
进一步地，所述多级透平膨胀机组的具体结构如下：
所述第一透平膨胀机组包括串联设置的第四透平40和第五透平41，以及设置在所述第三级换热器93的出口和所述第四透平40的进口之间的第二入口调节阀42，所述第四透平40的进口连接于所述50～75K温区负载兑温管路的所述氦气通过管路67，所述第五透平41的出口连接于所述中压回气路22，所述第一透平膨胀机组将氦气自75K冷却到50K。所述50～75K负载的回流气体和所述第一透平膨胀机组的进口管路68的75K氦气混合后进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。
所述第二透平膨胀机组包括串联设置的第六透平43和第七透平44，以及设置在所述第五级换热器95的出口和所述第六透平43的进口之间的第三入口调节阀45，所述第七透平44的出口连接所述中压回气路22，所述第二透平膨胀机组将氦气自23K冷却到15K。
所述第三透平膨胀机组包括串联设置的第八透平46和第九透平47，以及设置在所述20K低温吸附器39的出口和所述第八透平46的进口之间的第四入口调节阀48，所述第九透平47的出口连接于所述低压回气路23，所述第三透平膨胀机组将氦气自14K冷却到6K。
所述第四透平膨胀机组包括第十透平49、设置在所述第七级换热器97的出口和所述第十透平49的进口之间的第五入口调节阀50以及设置在所述高压主气路21上，并位于所述第七级换热器97和所述第八级换热器98之间的末级透平旁通阀51，所述第十透平49的出口连接于所述高压主气路21。在这一具体实施例中，所述第四透平膨胀机组为末级透平膨胀机组，经第四透平膨胀机组冷却后的氦气进入所述第八级换热器98中换热后，形成5.3K的超临界氦。
具体在本实施例中，所述快速复温管路07的出口位于所述第七级换热器97和末级透平旁通阀51之间。
值得一提的是，所述超流氦制冷机还包括连接于所述第四透平膨胀机组的出口和所述低压回气路23的冷箱旁通管路11和设置在所述冷箱旁通管路11上的冷箱旁通阀12，所述冷箱旁通阀12用于实现所述超流氦制冷机4K部分降温时的调控作用。
此外，还值得一提的是，所述高压主气路21和所述过冷器104之间还设置有节流阀组，所述节流阀组包括并联设置的第二节流阀13和第三节流阀14，所述过冷器104的气相出口和所述低压回气路23之间还设置有第二回气阀15，所述第九级换热器99和所述气液分离器105的进口之间还设置有第四节流阀16；
其中所述高压主气路21输出的一部分超临界氦经过所述第二节流阀13节流为气液两相，液相在所述过冷器104中积液，气相通过所述第二回气阀15进入所述低压回气路23；另一部分超临界氦经所述第三节流阀14节流后进入所述过冷器104中，被所述过冷器104中积液的液氦过冷形成过冷超临界氦，过冷超临界氦自所述过冷器104底部流出，一部分供给所述4.5～75K温区负载102，另一部分进入所述第九级换热器99，经过所述第四节流阀16节流为气液两相，液相在所述气液分离器105中积液，气相自所述气液分离器105的气相出口排出，与所述2K负载103的回气汇合进入所述第九级换热器99中换热，换热后的氦气经所述冷压缩机组的进口侧进入所述冷压缩机组。
可以理解的是，在这一具体实施例中，所述过冷器104为4.5K氦过冷器，所述气液分离器105为2K气液分离器。
具体地，所述冷压缩机组包括串联设置的第六入口调节阀70、第一冷压缩机71、第二冷压缩机72、第三冷压缩机73、第四冷压缩机74以及第一出口调节阀75，所述超流氦制冷机还包括并联于所述冷压缩机组的冷压缩机组旁通管路76和设置于所述冷压缩机组旁通管路76上的旁路调节阀77。
进一步地，所述超流氦制冷机还包括气体管理面板，所述气体管理面板用于调节控制所述中压压缩机1和所述高压压缩机2的进出口压力，所述气体管理面板包括连接于所述高压主气路21和所述中压回气路22的中压旁通阀5、连接所述高压主气路21和所述低压回气路23的低压旁通阀6、连接于所述低压回气路23和所述高压主气路21的加载阀9与缓冲罐卸载阀7、以及连接于所述加载阀9和所述缓冲罐卸载阀7之间的缓冲罐8。
值得一提的是，所述超流氦制冷机还包括设置在所述负压压缩机3和所述高压压缩机2之间的单向阀4，所述单向阀4用于防止所述负压压缩机3的出口氦气逆流。
值得一提的是，所述超流氦制冷机还包括设置在所述第一冷箱10和所述第二冷箱20之间的多通道传输管线200，所述多通道传输管线200用于实现所述第一冷箱10内的结构件和所述第二冷箱20内的结构件之间的连接。
所述超流氦制冷机的工作流程如下：
(1)所述高压压缩机2排出的常温高压氦气进入所述第一冷箱10；
(2)进入所述第一冷箱10的所述常温高压氦气分出一小部分进入所述液氮预冷换热器31被液氮预冷到80K(液氮预冷)。或者进入所述第一冷箱10的所述常温高压氦气经过所述第一级换热器91被返流冷氦气冷却到一定温度后，分出一股流体进入所述预冷透平膨胀机组，被所述预冷透平膨胀机组预冷到80K(透平膨胀机组预冷)。所述预冷透平膨胀机组出口回气到中压，逆流经过所述第二级换热器92和所述第一级换热器91，进入所述高压压缩机2的吸气口。值得一提的是，液氮预冷和预冷透平膨胀机组预冷二选一，不能同时进行；
(3)其余高压主气路21的氦气被预冷后进入所述80K低温吸附器38去除氦气中的杂质气体如氧气，氮气和烃类等杂质气体后，经过所述第三级换热器93被返流冷氦气冷却，一部分氦气经过所述第一透平膨胀机组的进口管路68进入所述第一透平膨胀机组，自75K冷却到50K。所述第一透平膨胀机组的出口气体回气到中压，逆流经过所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述高压压缩机2的吸气口；另一部分氦气经过所述第四级换热器94换热后，形成50K氦气，一部分50K氦气经过所述50K氦气管路60后分为两股，一股进入所述负载去流管路62被送往所述50～75K温区负载101处，一股进入所述兑温管路63与所述回流管路66中的氦气进行兑温。兑温完成后的氦气进入所述氦气通过管路67，与所述第一透平膨胀机组的进口管路68处来的75K氦气混合后重新进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀；
(4)高压主气路21的气体经过所述第五级换热器95后，一部分进入所述第二透平膨胀机组，自23K被冷却到15K，所述第二透平膨胀机组的出口氦气回气到中压，逆流经过所述第六级换热器96、所述第五级换热器95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述高压压缩机2的吸气口；
(5)剩余高压主气路21的气体经过所述第六级换热器96后，进入20K低温吸附器39去除氦气中的杂质气体比如氢气，氖气等，除杂后的一部分氦气进入所述第三透平膨胀机组，自14K冷却到6K，所述第三透平膨胀机组的出口气体回气到低压，逆流经过所述第七级换热器97、所述第六级换热器96、所述第五级换热器95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述中压压缩机1的进气口；
(6)除杂后的另一部分氦气经过所述第七级换热器97后，经过所述第四透平膨胀机组后进入所述第八级换热器98与回流冷氦气换热，之后的高压主气路21氦气到达超临界状态。5.3K的超临界氦气分成两部分，一部分超临界氦气经过所述第二节流阀13节流为气液两相，液相在所述过冷器104中积液，气相通过所述第二回气阀15回气到所述低压回气路23。另一部分5.3K的超临界氦气经过所述第三节流阀14节流后进入所述过冷器104，被所述过冷器104中积液的液氦过冷成为4.5K@3bara过冷超临界氦。过冷超临界氦自所述过冷器104的液相出口流出，分出一小部分通过多通道传输管线200的第一传输管线210进入第二冷箱20并供给所述4.5～75K温区负载102。其余大部分过冷超临界氦通过多通道传输管线200的第二传输管线220进入所述第九级换热器99，经过所述第四节流阀16节流为气液两相，液相在所述气液分离器105中积液，气相自所述气液分离器105的气相出口回气，逆流经过所述第九级换热器99后通过多通道传输管线200的第三传输管线230并经所述冷压缩机组的进口侧进入所述冷压缩机组。所述气液分离器105内液氦液位未到一定值时，回气氦气自所述冷压缩机组旁路管路76和所述旁路调节阀77回到所述第五级换热器95的负压回气端；
(7)当所述气液分离器105内液氦液位达到一定值时，所述冷压缩机组启动，将所述气液分离器105中的氦气减压至超流氦饱和压力0.03bar，从而在所述气液分离器105中形成2K饱和超流氦。2K饱和超流氦自所述气液分离器105的液相出口流出，送往所述2K负载103处。所述2K负载103的回气和所述气液分离器105的气相出口的回气混合，返流经过所述第九级换热器99后，通过多通道传输管线200的第三传输管线230并经所述冷压缩机组的进口侧进入所述冷压缩机组；
(8)所述冷压缩机组将下游管道氦气压力自0.03bar提高到0.5bar。0.5bar的负压氦气依次进入所述第五级换热器95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91的负压通道，层层压降后成为0.4bar的负压氦气，进入所述负压压缩机3的吸气口。所述负压压缩机3将0.4bar负压氦气压缩到中压4.05bar，与来自所述中压压缩机1出口的中压气体以及所述中压回气路22来的回气混合，一起送入所述高压压缩机2的吸气口处，完成一个氦气循环。
(9)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01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02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03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04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(例如80～160K温区的氦气、温度大于160K的氦气)，在所述第一冷箱10外部通过环境加热器06加热到常温然后通过第四回收支管路05回气到所述低压回气路23，进入中压压缩机1的低压吸气口形成闭路循环。
(10)所述快速复温管路07并联在所述高压主气路21上，且所述快速复温管路07的进口位于所述第一冷箱10外，所述快速复温管路07的出口位于所述第七级换热器97和所述第八级换热器98之间。通过快速复温回路07的设置，使得超流氦制冷机停机复温时能够实现快速复温，节省时间，提升效率。
本发明提供的超流氦制冷机，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。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (19)

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设值时，将所述液氦杜瓦中的液氦产品运走。
5.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在所述第一透平膨胀机组处的50～75K温区负载兑温管路，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。
6.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，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，所述换热器组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；所述超流氦制冷机还包括第九级换热器，所述第九级换热器设置于所述第二冷箱内，且所述第九级换热器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，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的入口侧进入所述冷压缩机组。
7.根据权利要求6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快速复温管路，所述快速复温管路并联在所述高压主气路上，且所述快速复温管路的进口位于所述第一冷箱外，所述快速复温管路的出口位于所述第七级换热器和所述第八级换热器之间。
8.根据权利要求6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低温吸附器组，所述低温吸附器组包括用于吸附氦气中的杂质气体的80K低温吸附器和20K低温吸附器，所述80K低温吸附器和所述20K低温吸附器均设置在所述高压主气路上，且所述80K低温吸附器位于所述第二级换热器和所述第三级换热器之间，所述20K低温吸附器位于所述第六级换热器和所述第七级换热器之间。
9.根据权利要求8所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述氦气预冷模块包括连接于所述高压主气路的氦气通路调节阀、连接于所述氦气通路调节阀的液氮预冷换热器、连接于所述液氮预冷换热器的液氮进口管路、以及设置于所述液氮进口管路的液氮进口调节阀，所述液氮预冷换热器的出口连接于所述高压主气路，并位于所述第二级换热器的出口和所述80K低温吸附器的入口之间，所述氦气预冷模块通过所述液氮进口管路通入的液氮对所述常温高压氦气进行预冷，并通过所述氦气通路调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的氦气量，和通过所述液氮进口调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的液氮量。
10.根据权利要求8所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述氦气预冷模块包括由第一透平、第二透平、第三透平串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器的出口和所述第一透平的进口之间的第一入口调节阀，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路。
11.根据权利要求8所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述第一透平膨胀机组包括串联设置的第四透平和第五透平，以及设置在所述第三级换热器的出口和所述第四透平的进口之间的第二入口调节阀，所述第四透平的进口连接于所述50～75K温区负载兑温管路的所述氦气通过管路，所述第五透平的出口连接于所述中压回气路。
12.根据权利要求11所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述第二透平膨胀机组包括串联设置的第六透平和第七透平，以及设置在所述第五级换热器的出口和所述第六透平的进口之间的第三入口调节阀，所述第七透平的出口连接所述中压回气路。
13.根据权利要求12所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述第三透平膨胀机组包括串联设置的第八透平和第九透平，以及设置在所述20K低温吸附器的出口和所述第八透平的进口之间的第四入口调节阀，所述第九透平的出口连接于所述低压回气路。
14.根据权利要求13所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述第四透平膨胀机组包括第十透平、设置在所述第七级换热器的出口和所述第十透平的进口之间的第五入口调节阀以及设置在所述高压主气路上，并位于所述第七级换热器和所述第八级换热器之间的末级透平旁通阀，所述第十透平的出口连接于所述高压主气路。
15.根据权利要求6所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述高压主气路和所述过冷器之间还设置有节流阀组，所述节流阀组包括并联设置的第二节流阀和第三节流阀，所述过冷器的气相出口和所述低压回气路之间还设置有第二回气阀，所述第九级换热器和所述气液分离器的进口之间还设置有第四节流阀；
其中所述高压主气路输出的一部分超临界氦经过所述第二节流阀节流为气液两相，液相在所述过冷器中积液，气相通过所述第二回气阀进入所述低压回气路；另一部分超临界氦经所述第三节流阀节流后进入所述过冷器中，被所述过冷器中积液的液氦过冷形成过冷超临界氦，过冷超临界氦自所述过冷器底部流出，一部分供给所述4.5～75K温区负载，另一部分进入所述第九级换热器，经过所述第四节流阀节流为气液两相，液相在所述气液分离器中积液，气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2K负载的回气汇合进入所述第九级换热器中换热，换热后的氦气经所述冷压缩机组的进口侧进入所述冷压缩机组。
16.根据权利要求7所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述冷压缩机组包括串联设置的第六入口调节阀、第一冷压缩机、第二冷压缩机、第三冷压缩机、第四冷压缩机以及第一出口调节阀，所述超流氦制冷机还包括并联于所述冷压缩机组的冷压缩机组旁通管路和设置于所述冷压缩机组旁通管路上的旁路调节阀。
17.根据权利要求7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连接于所述第四透平膨胀机组的出口和所述低压回气路的冷箱旁通管路和设置在所述冷箱旁通管路上的冷箱旁通阀。
18.根据权利要求7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气体管理面板，所述气体管理面板包括连接于所述高压主气路和所述中压回气路的中压旁通阀、连接所述高压主气路和所述低压回气路的低压旁通阀、连接于所述低压回气路和所述高压主气路的加载阀与缓冲罐卸载阀、以及连接于所述加载阀和所述缓冲罐卸载阀之间的缓冲罐。
19.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在所述第一冷箱和所述第二冷箱之间的多通道传输管线，所述多通道传输管线用于实现所述第一冷箱内的结构件和所述第二冷箱内的结构件之间的连接。
CN202210490172.6A 2022-05-07 2022-05-07 一种超流氦制冷机 Active CN114812095B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210490172.6A CN114812095B (zh) 2022-05-07 2022-05-07 一种超流氦制冷机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210490172.6A CN114812095B (zh) 2022-05-07 2022-05-07 一种超流氦制冷机

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114812095A true CN114812095A (zh) 2022-07-29
CN114812095B CN114812095B (zh) 2022-11-18

Family

ID=82511040

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210490172.6A Active CN114812095B (zh) 2022-05-07 2022-05-07 一种超流氦制冷机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114812095B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116592579A (zh) * 2023-03-23 2023-08-15 中国科学院理化技术研究所 一种粗氦气精制提纯系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05330810A (ja) * 1992-05-26 1993-12-14 Kobe Steel Ltd 加圧超流動ヘリウムの生成方法
JP2002089984A (ja) * 2000-09-14 2002-03-27 National Institute For Materials Science 超流動ヘリウム発生装置の制御方法
JP2010185641A (ja) * 2009-02-13 2010-08-26 Kobe Steel Ltd 加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法
JP2016118372A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法
CN107965940A (zh) * 2017-10-20 2018-04-27 中国科学院理化技术研究所 超流氦低温系统
CN108036538A (zh) * 2017-11-27 2018-05-15 中国科学院理化技术研究所 一种超流氦低温循环系统
CN109764637A (zh) * 2018-12-28 2019-05-17 中国科学院理化技术研究所 一种新型氦液化器流程装置
CN111257411A (zh) * 2020-04-02 2020-06-09 中国科学院理化技术研究所 液氦及超流氦温区绝缘材料高压电器性能测试平台

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05330810A (ja) * 1992-05-26 1993-12-14 Kobe Steel Ltd 加圧超流動ヘリウムの生成方法
JP2002089984A (ja) * 2000-09-14 2002-03-27 National Institute For Materials Science 超流動ヘリウム発生装置の制御方法
JP2010185641A (ja) * 2009-02-13 2010-08-26 Kobe Steel Ltd 加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法
JP2016118372A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法
CN107965940A (zh) * 2017-10-20 2018-04-27 中国科学院理化技术研究所 超流氦低温系统
CN108036538A (zh) * 2017-11-27 2018-05-15 中国科学院理化技术研究所 一种超流氦低温循环系统
CN109764637A (zh) * 2018-12-28 2019-05-17 中国科学院理化技术研究所 一种新型氦液化器流程装置
CN111257411A (zh) * 2020-04-02 2020-06-09 中国科学院理化技术研究所 液氦及超流氦温区绝缘材料高压电器性能测试平台

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116592579A (zh) * 2023-03-23 2023-08-15 中国科学院理化技术研究所 一种粗氦气精制提纯系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN114812095B (zh) 2022-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100510574C (zh) 深冷液化/制冷方法和系统
US10663220B2 (en) Multiple pressure mixed refrigerant cooling process and system
US10520225B2 (en) Refrigeration and/or liquefaction device using selective pre-cooling, and corresponding method
US10753676B2 (en) Multiple pressure mixed refrigerant cooling process
CN114812095B (zh) 一种超流氦制冷机
CN114739032B (zh) 一种超流氦制冷机
KR100991859B1 (ko) 유체 냉각 시스템 및 이를 이용한 유체 냉각 방법
CN114877555B (zh) 一种具有叶轮机械入口兑温管路的超流氦制冷机
CN114704973B (zh) 一种超流氦制冷机
CN114811991B (zh) 一种具有独立负载测试冷箱的超流氦制冷机
CN112524885A (zh) 氦制冷与液化系统与方法
CN106595220B (zh) 一种用于液化天然气的液化系统及其液化方法
Dhillon et al. Exergetic analysis of reverse Brayton cryocooler with different turbine arrangements for HTS power cables
CN114791202B (zh) 一种具有吸附器再生管路的超流氦制冷机
CN114923291B (zh) 一种具有负压保护模块的超流氦制冷机
CN114963688B (zh) 采用低温透平压缩循环的氢液化系统
RU2656068C1 (ru) Способ сжижения природного газа на газораспределительной станции и установка для его осуществления
US20230251030A1 (en) Facility and method for hydrogen refrigeration
CN113959175A (zh) 一种用于大规模制备液氢的方法与系统
CN114923295B (zh) 一种两级串联中间换热的透平膨胀机变工况调节方法
EP3830498A1 (en) High temperature superconductor refrigeration system
CN115235135B (zh) 一种基于涡流管和喷射器的气体分级冷却液化系统
CN114857797B (zh) 一种用于超流氦制冷机的负压保护模块
CN213841515U (zh) 氦制冷与液化的系统
CN115789511B (zh) 一种液氢冷能梯级利用系统和方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant