CN116520958A - 稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，包括氦液化单元、低温液体输送单元和多个的稀释制冷单元，所述氦液化单元通过低温液体输送单元与稀释制冷单元连接；所述低温液体输送单元用于隔绝氦液化单元产生的振动对稀释制冷单元的影响，同时低温液体输送单元用于实现单个氦液化单元对多个的稀释制冷单元提供液化的目标。本发明可实现氦液化单元和稀释制冷单元的物理隔离，从而达到消除机械制冷机振动影响和实现单台氦液化器为多套稀释制冷单元提供液氦的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷装置，属于干式稀释制冷技术领域。
背景技术
随着多比特超导量子计算的发展，对mK温区的空间和制冷量提出来更大的需求。然而现在的商用干式稀释制冷机设计是氦液化和稀释单元整合在一个真空腔内的设计，难以实现后续大规模超导量子计算的拓展。此外，现阶段的干式稀释制冷机的设计，不可避免的会将脉冲管制冷机的振动传递到稀释单元，给量子测量信号和稀释单元的制冷功率带来影响。为了降低振动的影响，研究人员提出了一种氦液化单元和稀释单元物理上隔开的一种设计方案：单独的氦液化系统与稀释单元通过一根真空波纹液氦管连接，循环的3He气体在氦液化系统中液化后，通过J-T阀减压降温进入稀释单元，进行稀释制冷过程。氦液化系统额外设计了一条4He循环路径，用于冷却稀释单元的冷屏。这种设计可以将产生振动的氦液化环节独立于稀释制冷之外，从而有效的消除了机械制冷机带来的振动，同时缩小了用于做实验的稀释制冷部分的体积。
现有的分离式稀释制冷方案有以下两个问题：1、单独的4He冷却环路，增加了系统的复杂程度，也增加了系统的制冷负载。2、该方案仅涉及到了单台氦液化器与单台稀释制冷单元的组合，未提出分布式稀释制冷的设计方案。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷装置，本发明利用分离式结构，可实现氦液化单元和稀释制冷单元的物理隔离，从而达到消除机械制冷机振动和实现单台氦液化器为多套稀释制冷单元提供液氦的目的。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷装置，包括氦液化单元、低温液体输送单元和多个的稀释制冷单元，所述氦液化单元通过低温液体输送单元与稀释制冷单元连接。所述低温液体输送单元用于隔绝氦液化单元产生的振动对稀释制冷单元的影响，同时低温液体输送单元用于实现单个氦液化单元对多个的稀释制冷单元提供液化的目标。
优选的：所述低温液体输送单元包括对接插头、低温液体运输管路，所述对接插头为一条主路n条支路的低温真空绝热对接插头，低温真空绝热对接插头的主路与氦液化单元连接，支路通过低温液体运输管路与稀释制冷单元一一连接。所述低温液体运输管路(22)为柔性管。
优选的：所述氦液化单元包括机械制冷机、氦液化真空腔、一级冷屏、二级冷屏、氦气管路、液氦池、气体处理单元，所述机械制冷机安装在氦液化真空腔上，所述一级冷屏、二级冷屏设置于氦液化真空腔内，所述氦气管路包括依次连接的液氮冷阱、一级换热器、二级换热器、J-T阀门二，所述液氦池进口与J-T阀门二连接，所述液氦池出口与低温真空绝热对接插头的主路连接。所述一级换热器安装在机械制冷机的一级气缸和一级冷头上，且一级换热器位于氦液化真空腔内，所述二级换热器安装在机械制冷机的二级气缸和二级冷头上，且位于一级冷屏、二级冷屏之间。
优选的：所述稀释制冷单元包括稀释制冷真空腔、辐射冷屏、still组件、混合室组件和回气换热管路，所述回气换热管路镶嵌于辐射冷屏的上方的法兰内，所述辐射冷屏设置于稀释制冷真空腔内，所述still组件设置于辐射冷屏内，所述混合室组件设置于辐射冷屏内，所述低温液体运输管路依次通过稀释制冷真空腔、辐射冷屏、回气换热管路、still组件与混合室组件连接。
优选的：所述气体处理单元包括依次连接的氦气罐、泵组和阀门组，所述阀门组与液氮冷阱连接。
优选的：所述液氦池包括存储液氦的液氦腔，所述存储液氦的液氦腔上设置有安全阀和压力计。
优选的：所述低温液体运输管路上设置有J-T阀门一。
优选的：所述低温液体运输管路为低温真空波纹管。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.氦液化模块和稀释制冷模块分离式设计，可有效隔绝氦液化模块产生的振动对稀释制冷模块的影响。
2.相同制冷功率和使用空间的稀释制冷模块，本发明相对常用的干式稀释制冷机体积更小，结构更加简单，拆装更加简单。
3.利用回气冷却辐射屏，充分利用冷量，可提高稀释制冷机组的制冷效率。
4.分离式的稀释制冷设计，可实现单台氦液化器为多台稀释制冷单元提供液化的目标，从而大大降低了稀释制冷机冷连的难度，为分布式量子计算等实验提供了支撑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的氦液化单元结构示意图。
图3为本发明的低温液体输送单元结构示意图。
图4为本发明的稀释制冷单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷装置，如图1-4所示为，包括氦液化单元1、低温液体输送单元2和多个的稀释制冷单元3，所述氦液化单元1通过低温液体输送单元2与稀释制冷单元3连接。所述低温液体输送单元2用于隔绝氦液化单元1产生的振动对稀释制冷单元3的影响，同时低温液体输送单元2用于实现单个氦液化单元1对多个的稀释制冷单元3提供液化的目标。
如图2所示，所述氦液化单元1包括机械制冷机11、氦液化真空腔12、一级冷屏13、二级冷屏14、氦气管路15、液氦池16、气体处理单元17，所述机械制冷机11安装在氦液化真空腔12上，所述一级冷屏13、二级冷屏14设置于氦液化真空腔12内，所述氦气管路15包括依次连接的液氮冷阱151、一级换热器152、二级换热器153、J-T阀门二154，所述液氦池16进口与J-T阀门二154连接，所述液氦池16出口与低温真空绝热对接插头的主路连接。所述一级换热器152安装在机械制冷机11的一级气缸和一级冷头上，且一级换热器152位于氦液化真空腔12内，所述二级换热器153安装在机械制冷机11的二级气缸和二级冷头上，且二级换热器153位于一级冷屏13、二级冷屏14之间。
所述液氦池16包括存储液氦的液氦腔161，所述存储液氦的液氦腔161上设置有安全阀162和压力计163。
所述气体处理单元17包括依次连接的氦气罐171、泵组172和阀门组173，所述阀门组173与液氮冷阱151通过管路连接。
氦液化单元1的作用为：利用机械制冷机11冷量，通过一级换热器152、二级换热器153、J-T阀二154减压降温将常温氦气液化成过冷液氦，并存储于液氦池16中。
如图3所示，所述低温液体输送单元2包括对接插头21、低温液体运输管路22，所述低温液体运输管路22为低温真空波纹管。所述对接插头21为一条主路n条支路的低温真空绝热对接插头，低温真空绝热对接插头的主路与氦液化单元1连接，支路通过低温液体运输管路22与稀释制冷单元3一一连接。所述低温液体运输管路22上设置有J-T阀门一23。
低温液体输送单元2的作用为：将氦液化单元1产生的液氦运输到稀释制冷单元，为稀释制冷过程提供制冷剂。此外，该低温液体输送单元2通过1转n的绝热转接头21，可实现一台氦液化单元1为多台稀释制冷单元3提供过冷液氦的目的。
如图4所示，所述稀释制冷单元3包括稀释制冷真空腔31、辐射冷屏32、still组件33、混合室组件34和回气换热管路35，所述回气换热管路35设置于辐射冷屏32的上方，所述辐射冷屏32设置于稀释制冷真空腔31内，所述still组件33设置于辐射冷屏32内，所述混合室组件34设置于辐射冷屏32内，所述低温液体运输管路22依次通过稀释制冷真空腔31、辐射冷屏32、回气换热管路35、still组件33与混合室组件34连接。
稀释制冷模块利用3He和4He相分离进行稀释制冷过程，实现毫开尔文级的温度。在still组件33被抽出的气体为低温气体，通过设置在辐射冷屏32上的盘管换热器351换热后，冷却辐射冷屏，从而使辐射冷屏32可对稀释单元进行有效隔热。
工作流程
1、氦气罐171中的氦气，通过液氮冷阱151纯化和预冷后，进入真空腔内部，通过与一级换热器152和二级换热器153换热，一级JT阀减压降温，被液化成液氦，存储于液氦池16中。
2、液氦池16中的液氦通过自增压的方式，产生高压。通过安全阀162和压力计163监控和调节压力，从而使液氦在可控的压力范围内，被压出液氦池，通过低温液体输送单元2中的真空绝热一分为n对接插头21和对应的低温液体运输管路22,进入到稀释制冷单元3中；
3、进入稀释制冷单元3的液氦经过多级换热后被用于稀释制冷过程，稀释制冷后从still组件33抽出的低温回气，通过盘管换热器351将辐射屏冷屏，随后进入氦气罐，进入下一个循环；
4、当需要对稀释单元进行扩展时，调节阀门增大从氦气罐171进入的氦气量，增加氦液化模块1上开启的机械制冷机11的数量，从而实现更大的氦液化率。从一分n对接插头21插上低温真空波纹管22，管的另一端接上扩展的稀释制冷单元3。稀释制冷单元3的氦气回气管接到循环泵组352及氦气罐171上。
本发明将传统的干式稀释制冷机分成氦液化器、稀释制冷模块和二者之间运输液氦的绝热管道三个模块，氦液化器将常温的氦气液化成过冷液氦，存储在其内部的液氦池中。液氦池下方可连接多根绝热输液管，将氦液化器产生的过冷液氦分配到各个稀释制冷单元。稀释制冷单元用于保温的冷屏设置有换热器，使用氦气回气进行冷却。各个稀释制冷单元之间设置有可拆卸的低温通道，可实现稀释制冷单元的扩展。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，其特征在于：包括氦液化单元(1)、低温液体输送单元(2)和多个的稀释制冷单元(3)，所述氦液化单元(1)通过低温液体输送单元(2)与稀释制冷单元(3)连接；所述低温液体输送单元(2)用于隔绝氦液化单元(1)产生的振动对稀释制冷单元(3)的影响，同时低温液体输送单元(2)用于实现单个氦液化单元(1)对多个的稀释制冷单元(3)提供液氦的目标。
2.根据权利要求1所述稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，其特征在于：所述低温液体输送单元(2)包括对接插头(21)、低温液体运输管路(22)，所述对接插头(21)为一条主路n条支路的低温真空绝热对接插头，低温真空绝热对接插头的主路与氦液化单元(1)连接，支路通过低温液体运输管路(22)与稀释制冷单元(3)一一连接；所述低温液体运输管路(22)为柔性管。
3.根据权利要求2所述稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，其特征在于：所述氦液化单元(1)包括机械制冷机(11)、氦液化真空腔(12)、一级冷屏(13)、二级冷屏(14)、氦气管路(15)、液氦池(16)、气体处理单元(17)，所述机械制冷机(11)安装在氦液化真空腔(12)上，所述一级冷屏(13)、二级冷屏(14)设置于氦液化真空腔(12)内，所述氦气管路(15)包括依次连接的液氮冷阱(151)、一级换热器(152)、二级换热器(153)、J-T阀门二(154)，所述液氦池(16)进口与J-T阀门二(154)连接，所述液氦池(16)出口与低温真空绝热对接插头的主路连接；所述一级换热器(152)安装在机械制冷机(11)的一级气缸和一级冷头上，且一级换热器(152)位于氦液化真空腔(12)内，所述二级换热器(153)安装在机械制冷机(11)的二级气缸和二级冷头上，且二级换热器(153)位于一级冷屏(13)、二级冷屏(14)之间。
4.根据权利要求3所述稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，其特征在于：所述稀释制冷单元(3)包括稀释制冷真空腔(31)、辐射冷屏(32)、still组件(33)、混合室组件(34)和回气换热管路(35)，所述回气换热管路(35)设置于辐射冷屏(32)的上方的法兰盘内，所述辐射冷屏(32)设置于稀释制冷真空腔(31)内，所述still组件(33)设置于辐射冷屏(32)内，所述混合室组件(34)设置于辐射冷屏(32)内，所述低温液体运输管路(22)依次通过稀释制冷真空腔(31)、辐射冷屏(32)、回气换热管路(35)、still组件(33)与混合室组件(34)连接。
5.根据权利要求4所述稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，其特征在于：所述气体处理单元(17)包括依次连接的氦气罐(171)、泵组(172)和阀门组(173)，所述阀门组(173)通过管路与液氮冷阱(151)连接。
6.根据权利要求5所述稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，其特征在于：所述液氦池(16)包括存储液氦的液氦腔(161)，所述存储液氦的液氦腔(161)上设置有安全阀(162)和压力计(163)。
7.根据权利要求6所述稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，其特征在于：所述低温液体运输管路(22)上设置有J-T阀门一(23)。
8.根据权利要求7所述稀释制冷单元分布式扩展的分离式干式制冷系统，其特征在于：所述低温液体运输管路(22)为低温真空波纹管。
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