CN115096013B - 一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法。本发明方法，包括透平膨胀机、节流阀、过冷器、液氦杜瓦，所述透平膨胀机、节流阀、过冷器均设置在冷箱内，所述透平膨胀机的输入端连接有高压氦气，所述透平膨胀机的输出端输出的超临界氦通过过冷器过冷后输出给下游用户，所述液氦杜瓦通过相分离器与过冷器相连，用于在快速冷却过程中向过冷器内输送液氦。本发明将液氦杜瓦中的液氦引入相分离器用来过冷JT透平出口的超临界氦气，从而可以短时间内供应更大流量的超临界氦气，满足目前射频超导腔快速冷却需求，从而提高射频超导腔性能。

Description

一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法

技术领域

本发明涉及大型氦低温制冷机领域，尤其涉及一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法。

背景技术

大型低温制冷机通常利用氦气为工质，其伴随着超导技术的发展而发展。超导腔作为直线加速器的关键部件，在氦低温环境中可以获得很高的加速梯度，在超导加速器上应用广泛。目前世界各国针对超导腔都有相应的测试平台，欧洲核子中心CERN，美国的杰弗逊实验室JLab，康纳尔大学等都相应的建立了关于超导腔的低温测试系统。2014年美国费米和杰弗逊实验室为其自由电子激光项目LCLS-II各建立了一套超导腔垂直测试平台，并能对超导腔提供快速降温的功能。费米发现快速冷却过程的温度梯度可以帮助超导腔退磁，从而获得更高的超导腔品质因子，当用32g/s的3.5bar，5K的超临界氦对超导腔在54-55K时快速冷却到9.2K以下时，相比于4g/s的流量，品质因子由2.62×10¹⁰提高到3.45×10¹⁰。

由于超导腔快速冷却的需求是近些年被发现的，所以一般的制冷机设计不会考虑短期输出超出正常运行模式超临界氦的模式，但是以上的发现就要求用于超导腔冷却的制冷机除了满足其正常运行时的热负荷要求，也要具备短时间内输出更高质量流量以对超导腔快速冷却的能力，因此，亟需提供一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法。本发明采用的技术手段如下：

一种实现氦低温制冷机快速降温的装置，包括透平膨胀机、节流阀、过冷器、液氦杜瓦，所述透平膨胀机、节流阀、过冷器均设置在冷箱内，所述透平膨胀机的输入端连接有高压氦气，所述透平膨胀机的输出端输出的超临界氦通过过冷器过冷后输出给下游用户，所述液氦杜瓦通过相分离器与过冷器相连，用于在快速冷却过程中向过冷器内输送液氦。

进一步地，所述过冷器包括相分离器与相分离器内部浸泡在液氦中的盘管换热器。

进一步地，所述过冷器包括相分离器与外部的热交换器。

进一步地，所述液氦杜瓦内设有电加热器，其用于维持液氦杜瓦内的压力。

进一步地，所述透平膨胀机的输出端通过节流阀与相分离器相连，所述相分离器中为饱和液氦，饱和液氦在冷箱正常运行模式中由高压氦气通过节流阀产生。

进一步地，所述透平膨胀机包括第一透平、第二透平和第三透平，高压氦气通过多个换热器以及第三透平后输出为超临界压力的高压氦气，通过第一透平和第二透平降温后回到换热器的低压线，冷却高压线的来流氦气。

进一步地，第一换热器的入口与高压氦气源输出端相连，所述第一换热器与液氮线进行预冷换热，所述第一换热器与第二换热器相连，所述第二换热器一输出端与第一透平相连，另一输出端与第三换热器、第四换热器、第五换热器相连，所述第一透平通过第三换热器与第二透平相连，所述第五换热器与第六换热器、第七换热器相连，所述第三透平分别与第六换热器的出口和第七换热器的入口相连，所述第七换热器的出口与过冷器相连。

进一步地，所述第七换热器的出口分别与液氦杜瓦、相分离器以及第八换热器相连。

一种实现氦低温制冷机快速降温的方法，包括如下步骤：

关闭节流阀或保留预设的开度，将透平输出的流量全部引入相分离器；

相分离器中的液氦由液氦杜瓦内的液氦通过二者之间的控制阀直接提供；

经过过冷器中的换热器冷却后的超临界氦气经过过冷器后过冷至预设温度后直接输送给下游。

本发明具有以下优点：

冷箱在正常工作模式下输出超临界氦的方式为：JT透平出口或被最后一级透平预冷的氦气会分为两路，一路通过节流阀节流成饱和液氦进入相分离器，另一路则进入过冷器进行过冷，输出超临界氦。

而当冷箱工作在快速冷却模式，过冷器入口的节流阀关闭或仅留极小开度维持该管路低温状态。此时过冷器内的液氦直接由液氦杜瓦提供，以实现冷箱进行大流量超临界氦输出。

上述快速冷却的流程，利用液氦杜瓦直接向过冷器内提供饱和液氦，利用液氦的潜热提供大量的冷量，冷却来流。使得冷箱可以短时间内提供大于正常运行模式的超临界氦，满足了目前超导腔需要快速冷却的需求，有利于大型氦低温系统更好的服务大科学工程。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例中过冷器第二方案示意图。

图中：1、第一换热器；2、第二换热器；3、第三换热器；4、第四换热器；5、第五换热器；6、第六换热器；7、第七换热器；8、第八换热器；9、第一透平；10、第二透平；11、第三透平；12、相分离器；13、过冷器；14、液氦杜瓦；15、第一节流阀；16、输出线；17、液氮线；18、高压线；19、低压线；20、杜瓦回气线；21、杜瓦进线；22、杜瓦供相分离器线；23、相分离器回线；24、控制阀；25、第二节流阀；26、盘管换热器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种实现氦低温制冷机快速降温的装置，具体涉及一种实现氦低温制冷机短时间内输出更高质量流量的超临界氦以实现对被冷却对象，通常为射频超导腔快速冷却的流程方法，本装置包括透平膨胀机、节流阀、过冷器、液氦杜瓦，所述透平膨胀机、节流阀、过冷器均设置在冷箱内，冷箱对用户端输出超临界氦，以及用户所需求的低温冷屏与高温冷屏的氦气，所述透平膨胀机的输入端连接有高压氦气，所述透平膨胀机的输出端输出的超临界氦通过过冷器过冷后输出给下游用户，所述液氦杜瓦通过相分离器与过冷器相连，用于在快速冷却过程中向过冷器内输送液氦。

作为可选的实施方式，如图1所示，所述过冷器包括相分离器与外部的热交换器，利用热虹吸效应组成过冷器。

作为可选的实施方式，如图2所示，所述过冷器包括相分离器与相分离器内部浸泡在液氦中的盘管换热器26，过冷器13可由图2替换，功能相同。

所述液氦杜瓦内设有电加热器，其用于维持液氦杜瓦内的压力。

所述透平膨胀机的输出端通过节流阀与相分离器相连，所述相分离器中为饱和液氦，饱和液氦在冷箱正常运行模式中由高压氦气通过节流阀产生。

所述透平膨胀机包括第一透平、第二透平和第三透平，高压氦气通过多个换热器以及第三透平后输出为超临界压力的高压氦气，通过第一透平和第二透平降温后回到换热器的低压线，冷却高压线的来流氦气。

第一换热器的入口与高压氦气源输出端相连，所述第一换热器与液氮线进行预冷换热，所述第一换热器与第二换热器相连，所述第二换热器一输出端与第一透平相连，另一输出端与第三换热器、第四换热器、第五换热器相连，所述第一透平通过第三换热器与第二透平相连，所述第五换热器与第六换热器、第七换热器相连，所述第三透平分别与第六换热器的出口和第七换热器的入口相连，所述第七换热器的出口与过冷器相连。

所述第七换热器的出口分别与液氦杜瓦、相分离器以及第八换热器相连。

本发明利用液氦杜瓦中的液氦输入到制冷机冷箱中的相分离器，使得来流经过相分离器后被充分过冷，实现冷箱短期稳定的大流量超临界氦输出，从而对被降温对象进行快速冷却。本发明实施例具体工作流程如下：

如图1所示，本实施例中，过冷器13由第八换热器8，与相分离器12利用热虹吸效应组成，相分离器中的液相在换热器8与相分离器中循环。

冷箱正常模式的流程为：高压氦气进入第一换热器1，被液氮线17预冷至77K左右，后进入第二换热器2，在这里分为两路，一路进入串联的第一透平9与第二透平10，降温后回到低压线19，冷却高压线18的来流氦气。另一路经过第三换热器3，第四换热器4，第五换热器5被低压线的来流冷却后经过第六换热器6后进入第三透平11，膨胀至3.5bar左右的超临界压力，然后进入第七换热器7再次冷却。此时一部分的氦气经过第一J-T节流阀15节流至4.5K的饱和液氦进入相分离器12，另一部分经过第八换热器8过冷至4.5K向下游用户的输出线16输出3.5bar，4.5K的超临界氦气。相分离器12中蒸发的饱和氦气，会通过管路回到低压线19，冷却来流。如此时依然有富余的流量或下游需求流量较小，则会有一部分流量经过第二节流阀25节流为饱和液氦储存在液氦杜瓦14中。本实施例中，液氦杜瓦连接有杜瓦进线21和杜瓦回气线20，所述杜瓦进线连接在第七换热器后的高压线上，所述杜瓦回气线连接在低压线上，

当需要冷箱短时间内输出更大的流量，来满足下游例如超导腔的快速冷却的需求时，需要切换至快速冷却模式。快速冷却的流程为：关闭第一节流阀15，或仅保留微小开度来保证该段依然为低温。将第三透平11输出的流量全部引入相分离器，相分离器12的一输入端与杜瓦供相分离器线22相连，此时相分离器12中的液氦将由液氦杜瓦14内的液氦通过杜瓦供相分离器线上的控制阀24直接提供，此时经过第七换热器7冷却后的超临界氦气将经过过冷器13后过冷至4.5K直接输送给下游。此时，液氦杜瓦14内的液位将下降，可以通过开启液氦杜瓦内的电加热器维持液氦杜瓦内的压力。通过此种方法短时间内可以输送大量的超临界氦至下游，实现下游被冷对象的快速冷却。所述相分离器12的一输出端还与通过相分离器回线23连接在低压线上。经计算，采用该流程可以使得冷箱在短时间内输出正常模式下两倍左右的流量。该流程持续时间短，且能使冷箱在该段时间内输出比正常运行模式下更高质量流量的超临界氦。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种实现氦低温制冷机快速降温的装置，其特征在于，包括透平膨胀机、节流阀、过冷器、液氦杜瓦，所述透平膨胀机、节流阀、过冷器均设置在冷箱内，所述透平膨胀机的输入端连接有高压氦气，所述透平膨胀机的输出端输出的超临界氦通过过冷器过冷后输出给下游用户；所述液氦杜瓦通过相分离器与过冷器相连，用于在快速冷却过程中向过冷器内输送液氦。

2.根据权利要求1所述的实现氦低温制冷机快速降温的装置，其特征在于，所述过冷器包括相分离器与相分离器内部浸泡在液氦中的盘管换热器。

3.根据权利要求1所述的实现氦低温制冷机快速降温的装置，其特征在于，所述过冷器包括相分离器与外部的热交换器。

4.根据权利要求1所述的实现氦低温制冷机快速降温的装置，其特征在于，所述液氦杜瓦内设有电加热器，其用于维持液氦杜瓦内的压力。

5.根据权利要求1所述的实现氦低温制冷机快速降温的装置，其特征在于，所述透平膨胀机的输出端通过节流阀与相分离器相连，所述相分离器中为饱和液氦，饱和液氦在冷箱正常运行模式中由高压氦气通过节流阀产生。

6.根据权利要求1所述的实现氦低温制冷机快速降温的装置，其特征在于，所述透平膨胀机包括第一透平、第二透平和第三透平，高压氦气通过多个换热器以及第三透平后输出为超临界压力的高压氦气，通过第一透平和第二透平降温后回到换热器的低压线，冷却高压线的来流氦气。

7.根据权利要求6所述的实现氦低温制冷机快速降温的装置，其特征在于，第一换热器的入口与高压氦气源输出端相连，所述第一换热器与液氮线进行预冷换热，所述第一换热器与第二换热器相连，所述第二换热器一输出端与第一透平相连，另一输出端与第三换热器、第四换热器、第五换热器相连，所述第一透平通过第三换热器与第二透平相连，所述第五换热器与第六换热器、第七换热器相连，所述第三透平分别与第六换热器的出口和第七换热器的入口相连，所述第七换热器的出口与过冷器相连。

8.根据权利要求7所述的实现氦低温制冷机快速降温的装置，其特征在于，所述第七换热器的出口分别与液氦杜瓦、相分离器以及第八换热器相连。

9.一种权利要求6～8任一项所述一种实现氦低温制冷机快速降温的装置的快速降温方法，其特征在于，包括如下步骤：

关闭节流阀或保留预设的开度，将第三透平输出的流量全部引入相分离器；

相分离器中的液氦由液氦杜瓦内的液氦通过二者之间的控制阀直接提供；

经过过冷器中的换热器冷却后的超临界氦气经过过冷器后过冷至预设温度后直接输送给下游。

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