CN103776237A - 一种多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置 - Google Patents
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Abstract
一种以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置包括：N台制冷机，N-1台串并联的兼具内纯化功能的一级冷头换热器；设于屏蔽罩内M台并联冷凝器和N-M台串联二级冷头换热器；氦气依次经一级和二级冷头换热器预冷；之后进冷凝器液化，液化后液体汇流流入液氦存储装置；一台制冷机的一级冷头与屏蔽罩连接为其提供冷量；该台制冷剂二级冷头与一台二级冷头换热器连接；其余制冷机一级冷头分别与一级冷头换热器连接，并为各自相连的一级冷头换热器提供冷量，其余制冷机的部分二级冷头分别与二级冷头换热器连接为二级冷头换热器提供冷量；其余制冷机另一部分二级冷头分别与冷凝器连接为其提供冷量；具有结构简单，易操作，占地小，操作运行稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置。
背景技术
目前作为可达到4.2K的唯一方便冷源—液氦已经广泛应用于大中小型低温***及低温实验室。对于大型低温***，液氦消耗量巨大，可采用市场上已经产品化的标准氦液化器提供液氦，如两家氦液化器厂商林德和法液空公司，根据液氦消耗和氦液化器的液化量选取型号。但对于中小型低温***及低温实验室，如核磁共振仪、超导磁强计、高速超导磁悬浮列车等，日消耗液氦量小则仅几L/d，大的也只有150L/d。若采用标准氦液化器，则存在以下几个问题：首先，配备标准氦液化器，以氦液化器厂商法液空公司最小氦液化量30L/h的氦液化器来估算，若消耗150L/d，则日富裕液氦量为330L，因此必须配备液氦储存容器、液氦输液管、输液管插接头等，从而导致液氦在储存和加注过程中的消耗量将远大于低温***本身的消耗量，造成能源浪费，特别是对于我国这种氦资源匮乏、提取氦气的成本高、一直依赖进口的国家来说，液氦的价格很昂贵，2007年美国将氦气核定为战略物资而限制粗氦产量，导致我国液氦价格由原来60～80元/每升，上涨翻倍到目前200元/每升以上，因此采用标准氦液化器，运行成本将大幅增长。其次，标准氦液化器为一***复杂，需要土建工程配套，如压缩机地基及房屋、气柜等设施，且压缩机、冷箱及其控制需分房而置，占地面积大，维护复杂，操作需要专门培训的技术人员。因此采用标准氦液化器为中小型低温***提供液氦无论人力还是财力上都造成很大浪费。
中小型低温***若不配备氦液化器，而直接从其它氦液化器分装液氦，一方面输送和充注过程中液氦浪费严重，另一方面当因客观原因运输受限时，***运行也受到影响，特别是某些特殊装置用低温***，如ECR离子源的低温***，加注液氦需要中止离子源运行，造成实验时间及能源的浪费，甚至影响研究工作的开展。未来预计氦气进口更加受制于人，届时可能会因为无液氦供应而使我国现有的许多涉及氦气和液氦的科研项目无法实施。
因此针对中小型低温***液氦消耗量，需要建造合适的微小型氦液化装置。目前市场上存在成熟的小型低温制冷机产品，使建造微小型氦液化装置成为可能。针对不同的液氦消耗量开发不同数量制冷机为冷源的，以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，以解决现在中小型低温***用液氦问题。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，其包括：
一置于真空罩内的用于原料氦气进气的氦进气管,所述原料氦气为液氦池内蒸发至室温的氦气或其它途径回收的纯度不小于99%的氦气；
N台制冷机，所述N为2～48的正整数；
N-1台置于所述真空罩内的相互串并联的一级冷头换热器，所述一级冷头换热器为兼具内纯化器纯化功能的间壁式换热器；进入的原料氦气通过所述氦进气管进入所述相互串并联的N-1台一级冷头换热器进行预冷；
所述真空罩内设置一屏蔽罩；
M台置于所述屏蔽罩内的并联的冷凝器，所述M至少为1，且M小于N；
N-M台置于所述屏蔽罩内的相互串联的二级冷头换热器；经过所述一级冷头换热器预冷后的原料氦气进入所述相互串联的二级冷头换热器进行再预冷；
经过所述二级冷头换热器再预冷的原料氦气进入所述并联的冷凝器进行液化，液化得到的液体汇流流入集液罐6,并通过与所述集液罐相连通的输液杜瓦管7流入置于所述真空罩之外的液氦杜瓦瓶或液氦存储装置；
所述N台制冷机中的一台制冷机的一级冷头通过热桥与屏蔽罩连接，并为所述屏蔽罩提供冷量；该台制冷剂的二级冷头与所述一台二级冷头换热器通过热桥连接；
所述N台制冷机中的其它制冷机的一级冷头通过热桥分别与所述一级冷头换热器连接，并为各自相连的一级冷头换热器提供冷量，所述N台制冷机中的其它制冷机的一部分二级冷头通过热桥分别与所述二级冷头换热器连接，并为所述二级冷头换热器提供冷量；所述N台制冷机中的其它制冷机的另一部分二级冷头通过热桥分别与所述冷凝器连接，并为所述冷凝器提供冷量。
所述的制冷机为G-M制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机或小型低温制冷机。所述小型低温制冷机是指二级冷头温度为4.2K时的制冷量小于1.5W的低温制冷机。
所述一级冷头换热器和二级冷头换热器均为无氧铜制作的换热器；所述冷凝器为无氧铜制作的冷凝器。
本发明的多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置与低温***液氦池的连接方式可设计为开式和闭式两种，所述开式是钢瓶等途径提供的原料氦气进入本发明的多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，液化后的液氦通过输液杜瓦管7流入液氦池，如图1；所述闭式是低温***液氦池蒸发的氦气管连接本发明装置的氦进气管1，输液杜瓦管7***低温***的液氦池，利用虹吸作用自循环运行，无需泵等循环动力及其外设设备。
本发明的多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置可应用于液氦消耗量低于商用标准氦液化器产量的中小型低温***（10L/d～720L/d）。
与现有技术相比，本发明的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，其优点在于：采用多台小型低温制冷机作为冷源，满足中小型低温***用液氦；间壁式的冷头换热器兼具内纯化器纯化功能，通过多级预冷，原料氦气在降温的同时纯化，不仅提高了氦液化装置的液化率，而且不需要另外设置内纯化器，可直接将99%纯度原料氦气液化；若将上述所述的闭式，则可实现自循环，无需泵等循环动力及其外设设备，低温***液氦池内液位保持不变，不需要停机加液，减少了加液成本，提高了实验效率；此外，本发明装置还具有结构简单，易操作，占地面积小，操作运行稳定等优点。
附图说明
图1是本发明（实施例1）的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置流程示意图；
图2-1和图2-2是本发明（实施例1）的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置结构示意图。
图3是本发明（实施例2）的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详细描述本发明。
实施例1：
图1是本发明（实施例1）的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置流程示意图；图2是实施例1的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置结构示意图；由图可知，本发明提供的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，其包括：
一置于真空罩9内的用于原料氦气进气的氦进气管1,所述原料氦气为液氦池内蒸发至室温的氦气或其它途径回收的纯度不小于99%的氦气；
N台制冷机2，所述N为2～48的正整数；
N-1台置于所述真空罩9内的相互串并联的一级冷头换热器3，所述一级冷头换热器3为兼具内纯化器纯化功能的间壁式换热器；进入的原料氦气通过所述氦进气管1进入所述相互串并联的N-1台一级冷头换热器3进行预冷；
所述真空罩9内设置一屏蔽罩8；
M台置于所述屏蔽罩8内的并联的冷凝器5，所述M至少为1，且M小于N；
N-M台置于所述屏蔽罩8内的相互串联的二级冷头换热器4；经过所述一级冷头换热器3预冷后的原料氦气进入所述相互串联的二级冷头换热器4进行再预冷；
经过所述二级冷头换热器4再预冷的原料氦气进入所述并联的冷凝器5进行液化，液化得到的液体汇流流入集液罐6,并通过与所述集液罐6相连通的输液杜瓦管7流入置于所述真空罩9之外的液氦杜瓦瓶或液氦存储装置；
所述N台制冷机2中的一台制冷机的一级冷头通过热桥与屏蔽罩8连接，并为所述屏蔽罩8提供冷量；该台制冷剂的二级冷头与所述一台二级冷头换热器4通过热桥连接；
所述N台制冷机2中的其它制冷机的一级冷头通过热桥分别与所述一级冷头换热器3连接，并为各自相连的一级冷头换热器提供冷量，所述N台制冷机2中的其它制冷机的一部分二级冷头通过热桥分别与所述二级冷头换热器4连接，并为所述二级冷头换热器提供冷量；所述N台制冷机2中的其它制冷机的另一部分二级冷头通过热桥分别与所述冷凝器5连接，并为所述冷凝器5提供冷量。
所述的制冷机2为G-M制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机或小型低温制冷机。所述小型低温制冷机是指二级冷头温度为4.2K时的制冷量小于1.5W的低温制冷机。
所述一级冷头换热器3和二级冷头换热器4均为无氧铜制作的换热器；所述冷凝器5为无氧铜制作的冷凝器。
本发明的多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置与低温***液氦池的连接方式可设计为开式和闭式两种，所述开式是钢瓶等途径提供的原料氦气进入本发明的多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，液化后的液氦通过输液杜瓦管7流入液氦池，如图1；所述闭式是低温***液氦池蒸发的氦气管连接本发明装置的氦进气管1，输液杜瓦管7***低温***的液氦池，利用虹吸作用自循环运行，无需泵等循环动力及其外设设备。
以下是本发明（实施例1）图1的氦流程：纯度为99%以上的原料氦气由氦进气管1流入真空罩9后，分为两股；两股原料氦气分别进入与制冷机D 一级冷头相连的一级冷头换热器和与制冷机E一级冷头相连的一级冷头换热器进行预冷后混合后，依次进入与制冷机C的一级冷头换热器和制冷机B的一级冷头换热器，然后再顺次进入制冷机A的二级冷头换热器、制冷机B的二级冷头换热器和制冷机C的二级冷头换热器，最后分为两股氦气，分别进入制冷机D和制冷机E的冷凝器，氦气被冷凝液化；液化后的液氦汇流到集液罐6，通过输液杜瓦管7流入低温***液氦池；制冷机A的一级冷头换热器用于提供屏蔽罩8所用冷量；为了减小漏热，制冷剂的一级制冷头都放置在真空罩9内，制冷剂的二级冷头都放置在屏蔽罩8内。
图2-1和土-2为采用图1流程的本发明的结构示意图，如图所示，一级冷头换热器3和二级冷头换热器4和冷凝器5都为无氧铜制换热器，与制冷机采用螺栓热连接，并在连接处放置铟片减小其接触热阻。一级冷头换热器3采用间壁式换热器，兼具内纯化器功能，预冷氦气的同时纯化氦气，气体杂质被冻结在间壁式换热器间壁中，以免在氦气管道中冻堵。
实施例2：
图3是本发明（实施例2）的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置流程示意图；由图可知，本发明提供的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，其包括：
一置于真空罩9内的用于原料氦气进气的氦进气管1,所述原料氦气为液氦池内蒸发至室温的氦气或其它途径回收的纯度为99%以上的氦气；
2台制冷机2；
1台置于所述真空罩9内的一级冷头换热器3，所述一级冷头换热器3为兼具内纯化器纯化功能的间壁式换热器；进入的原料氦气通过所述氦进气管1进入所述1台一级冷头换热器3进行预冷；
所述真空罩9内设置一屏蔽罩8；
1台置于所述屏蔽罩8内的并联的冷凝器5，所述2台制冷机2中的1台制冷机的二级冷头通过热桥分别与所述冷凝器5连接，并为所述冷凝器5提供冷量。
1台置于所述屏蔽罩8内的二级冷头换热器4；经过所述一级冷头换热器3预冷后的原料氦气进入所述二级冷头换热器4进行再预冷；
经过所述二级冷头换热器4再预冷的原料氦气进入所述并联的冷凝器5进行液化，液化得到的液体汇流流入集液罐6,并通过与所述集液罐6相连通的输液杜瓦管7流入置于所述真空罩9之外的液氦杜瓦瓶或液氦存储装置；
所述2台制冷机2中的一台制冷机的一级冷头通过热桥与屏蔽罩8连接，并为所述屏蔽罩8提供冷量；该台制冷剂的二级冷头与所述一台二级冷头换热器4通过热桥连接；
所述一级冷头换热器3为间壁式换热器，兼具内纯化器功能，无需另外设计内纯化器，原料氦气通过所述氦进气管1以串并联组合形式进入所述一级冷头换热器3，多级预冷的同时冻结原料氦气中的杂质，纯化氦气。
本发明的多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置与低温***液氦池的连接方式可设计为开式和闭式两种，所述开式是钢瓶等途径提供的原料氦气进入本发明的多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，液化后的液氦通过输液杜瓦管7流入液氦池，如图1；所述闭式是低温***液氦池蒸发的氦气管连接本发明装置的氦进气管1，输液杜瓦管7***低温***的液氦池，利用虹吸作用自循环运行，无需泵等循环动力及其外设设备。
图3是（实施例2）的氦流程：纯度为99%以上的原料氦气由氦进气管1流入真空罩9后，进入与制冷机B 一级冷头相连的一级冷头换热器进行预冷后，再进入制冷机A的二级冷头换热器再预冷，最后进入制冷机B的冷凝器，氦气被冷凝液化；液化后的液氦汇流到集液罐6，通过输液杜瓦管7流入低温***液氦池；制冷机A的一级冷头换热器用于提供屏蔽罩8所用冷量；为了减小漏热，制冷剂的一级制冷头都放置在真空罩9内，制冷剂的二级冷头都放置在屏蔽罩8内。
实施例3：
本发明的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，N为20的实施例3包括：
一置于真空罩9内的用于原料氦气进气的氦进气管1,所述原料氦气为液氦池内蒸发至室温的氦气或其它途径回收的纯度为99%以上的氦气；
20台制冷机2；
19台置于所述真空罩9内的相互串并联的一级冷头换热器3，所述一级冷头换热器3为兼具内纯化器纯化功能的间壁式换热器；进入的原料氦气通过所述氦进气管1进入所述相互串并联的19台一级冷头换热器3进行预冷；
所述真空罩9内设置一屏蔽罩8；
M台置于所述屏蔽罩8内的并联的冷凝器5；
20-M台置于所述屏蔽罩8内的相互串联的二级冷头换热器4；经过所述一级冷头换热器3预冷后的原料氦气进入所述相互串联的二级冷头换热器4进行再预冷；
经过所述二级冷头换热器4再预冷的原料氦气进入所述并联的冷凝器5进行液化，液化得到的液体汇流流入集液罐6,并通过与所述集液罐6相连通的输液杜瓦管7流入置于所述真空罩9之外的液氦杜瓦瓶或液氦存储装置；
所述20台制冷机2中的一台制冷机的一级冷头通过热桥与屏蔽罩8连接，并为所述屏蔽罩8提供冷量；该台制冷剂的二级冷头与所述一台二级冷头换热器4通过热桥连接；
所述20台制冷机2中的其它19台制冷机的一级冷头通过热桥分别与所述一级冷头换热器3连接，并为各自相连的一级冷头换热器提供冷量，所述20台制冷机2中的20-M台制冷机的二级冷头通过热桥分别与所述二级冷头换热器4连接，并为所述二级冷头换热器提供冷量；所述20台制冷机2中的M台制冷机的二级冷头通过热桥分别与所述冷凝器5连接，并为所述冷凝器5提供冷量。
所述一级冷头换热器3为间壁式换热器，兼具内纯化器功能，无需另外设计内纯化器，原料氦气通过所述氦进气管1以串并联组合形式进入所述一级冷头换热器3，多级预冷的同时冻结原料氦气中的杂质，纯化氦气。
实施例4：
本发明的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，N为48的实施例4包括：
一置于真空罩9内的用于原料氦气进气的氦进气管1,所述原料氦气为液氦池内蒸发至室温的氦气或其它途径回收的纯度为99%以上的氦气；
48台制冷机2；
47台置于所述真空罩9内的相互串并联的一级冷头换热器3，所述一级冷头换热器3为兼具内纯化器纯化功能的间壁式换热器；进入的原料氦气通过所述氦进气管1进入所述相互串并联的47台一级冷头换热器3进行预冷；
所述真空罩9内设置一屏蔽罩8；
M台置于所述屏蔽罩8内的并联的冷凝器5；
48-M台置于所述屏蔽罩8内的相互串联的二级冷头换热器4；经过所述一级冷头换热器3预冷后的原料氦气进入所述相互串联的二级冷头换热器4进行再预冷；
经过所述二级冷头换热器4再预冷的原料氦气进入所述并联的冷凝器5进行液化，液化得到的液体汇流流入集液罐6,并通过与所述集液罐6相连通的输液杜瓦管7流入置于所述真空罩9之外的液氦杜瓦瓶或液氦存储装置；
所述48台制冷机2中的一台制冷机的一级冷头通过热桥与屏蔽罩8连接，并为所述屏蔽罩8提供冷量；该台制冷剂的二级冷头与所述一台二级冷头换热器4通过热桥连接；
所述48台制冷机2中的其它47台制冷机的一级冷头通过热桥分别与所述一级冷头换热器3连接，并为各自相连的一级冷头换热器提供冷量，所述48台制冷机2中的48-M台制冷机的二级冷头通过热桥分别与所述二级冷头换热器4连接，并为所述二级冷头换热器提供冷量；所述48台制冷机2中的M台制冷机的二级冷头通过热桥分别与所述冷凝器5连接，并为所述冷凝器5提供冷量。
所述一级冷头换热器3为间壁式换热器，兼具内纯化器功能，无需另外设计内纯化器，原料氦气通过所述氦进气管1以串并联组合形式进入所述一级冷头换热器3，多级预冷的同时冻结原料氦气中的杂质，纯化氦气。
尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解，可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
Claims (3)
1.一种以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，其包括：
一置于真空罩内的用于原料氦气进气的氦进气管,所述原料氦气为液氦池内蒸发至室温的氦气或其它途径回收的纯度不小于99%的氦气；
N台制冷机，所述N为2～48的正整数；
N-1台置于所述真空罩内的相互串并联的一级冷头换热器，所述一级冷头换热器为兼具内纯化器纯化功能的间壁式换热器；进入的原料氦气通过所述氦进气管进入所述相互串并联的N-1台一级冷头换热器进行预冷；
所述真空罩内设置一屏蔽罩；
M台置于所述屏蔽罩内的并联的冷凝器，所述M至少为，且M小于N；
N-M台置于所述屏蔽罩内的相互串联的二级冷头换热器；经过所述一级冷头换热器预冷后的原料氦气进入所述相互串联的二级冷头换热器进行再预冷；
经过所述二级冷头换热器再预冷的原料氦气进入所述并联的冷凝器进行液化，液化得到的液体汇流流入集液罐,并通过与所述集液罐相连通的输液杜瓦管流入置于所述真空罩之外的液氦杜瓦瓶或液氦存储装置；
所述N台制冷机中的一台制冷机的一级冷头通过热桥与屏蔽罩连接，并为所述屏蔽罩提供冷量；该台制冷剂的二级冷头与所述一台二级冷头换热器通过热桥连接；
所述N台制冷机中的其它制冷机的一级冷头通过热桥分别与所述一级冷头换热器连接，并为各自相连的一级冷头换热器提供冷量，所述N台制冷机中的其它制冷机的一部分二级冷头通过热桥分别与所述二级冷头换热器连接，并为所述二级冷头换热器提供冷量；所述N台制冷机中的其它制冷机的另一部分二级冷头通过热桥分别与所述冷凝器连接，并为所述冷凝器5提供冷量。
2.按权利要求1所述的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，其特征在于，所述的制冷机为G-M制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机或小型低温制冷机。所述小型低温制冷机是指二级冷头温度为4.2K时的制冷量小于1.5W的低温制冷机。
3.按权利要求1所述的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，其特征在于，所述一级冷头换热器和二级冷头换热器均为无氧铜制作的换热器；所述冷凝器为无氧铜制作的冷凝器。
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