CN108036538B - 一种超流氦低温循环*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低温制冷技术领域,尤其涉及一种超流氦低温循环***,包括压缩机单元、氦液化单元、第一储罐、第二储罐、超流氦循环单元;本发明设计了一种基于喷射器的超流氦循环单元,使得现有的超流氦循环省却了机械运动部件,避开了这些机械运动部件的设计难点,满足低温循环***长期免维护运行的需求,同时提高了循环运行的可靠性,降低了技术风险,保持整个低温循环***的体积更加紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及低温制冷技术领域,尤其涉及一种超流氦低温循环***。
背景技术
超流氦(He II)具有独特的超流性,是一种冷却性能非常好的冷却介质,欧洲核子中心的大型强子对撞机的超导磁体及美国国家航空航天局的空间探测器中都使用了超流氦进行冷却。超流氦的研究及应用正是伴随着低温超导、空间探测以及高能物理等先进技术的发展而发展起来的。获取超流氦的常规方法是降低液氦空间中的压力到绝对压力1.6kPa,使得超流氦的温度达到1.8K。因此获取超流氦的循环是一个负压循环,需要相关的真空设备使得超流氦的压力保持不变。目前国际上主流的方法在制取液氦的同时制取超流氦。比较典型的超流氦循环主要有三种方式:1)采用室温泵在室温下抽取;2)在3.5K左右的低温下采用负压的离心式压缩机(冷压缩机)进行压缩;3)采用室温泵和冷压缩机联合工作以获取超流氦。在这些循环方式中,室温泵和冷压机都是机械运动部件,在一定程度上降低了***运行的可靠性。并且冷压机因为在负压、低温下工作,需要综合考虑漏热、密封以及工作特性等相关技术问题,目前这些技术在国内几乎没人掌握,国际上也仅仅掌握在极少数国家手中,对我国一直存在防范。此外,采用室温泵和冷压机的超流氦循环,需要在流程中使用多级换热器,对低温下的氦进行冷却以使其满足流程的温度要求。这带来了***成本的增加,另外对于负压的低温换热器技术我们目前尚不掌握,需要单独研发,存在一定的技术风险。因此,超流氦循环方式需要重新设计。
发明内容
鉴于此,有必要提供一种可以满足低温循环***长期免维护运行的需求,同时提高了循环运行的可靠性,降低了技术风险,保持整个低温循环***的体积更加紧凑的超流氦低温循环***。
一种超流氦低温循环***,包括压缩机单元、氦液化单元、第一储罐、第二储罐、超流氦循环单元;
所述压缩机单元包括高压压缩机和低压压缩机,所述低压压缩机的出口与所述高压压缩机的入口相连接;所述高压压缩机的出口与所述氦液化单元的第一进气口通过高压气体管路连通;所述氦液化单元的第一出口和所述第一储罐的入口连通,所述第一储罐的第一出口和所述氦液化单元的第二入口连通,所述氦液化单元的第二出口通过中压气体管路连接在高压压缩机和低压压缩机之间;所述氦液化单元的第三出口通过低压气体管路与低压压缩机入口连接;
所述第一储罐的第二出口和所述超流氦循环单元第一入口连通;所述超流氦循环单元的第一出口和所述第二储罐的入口连通,所述第二储罐的出口和所述超流氦循环单元的第二入口连通,所述超流氦循环单元的第二出口连接在所述低压气体管路上。
进一步的,所述超流氦循环单元包括喷射器,所述喷射器的工作流体入口与高压气体管路连通,所述引射流体入口连接超流氦单元的第二入口,所述压缩流体出口与超流氦循环单元的第二出口连通。
更进一步的,所述超流氦循环单元还包括第一阀门,所述第一阀门设置在喷射器工作流体入口与高压气体管路之间;第二阀门,所述第二阀门设置在引射流体入口和超流氦单元第二入口之间;第三阀门,所述第三阀门设置在压缩流体出口和低压气体管路之间。
特别的,所述喷射器为多级喷射器。
作为一种改进,还包括气体管理单元,所述气体管理单元包括与所述压缩机单元并联的气动调节阀门组;所述气体管理单元设置在压缩机单元与氦液化单元之间。
作为进一步改进,所述喷射器工作流体入口连接在气体管理单元与氦液化单元之间。
进一步的,所述超流氦单元还包括换热器,所述换热器的第一入口与超流氦循环单元的第一入口连通,所述换热器的第一出口与所述超流氦循环单元的第一出口连通,所述换热器的第二入口与所述超流氦循环单元的第二入口连通,所述换热器的第二出口与所述喷射器的引射流体入口连通;所述第二阀门设置在引射流体入口和换热器的第二出口之间。
具体的,所述第一储罐为4K液氦杜瓦、冷量测试子***、低温分配阀箱或用户特定负载。
具体的,所述第二储罐为2K超流氦杜瓦。
特别的,本发明技术方案还可以将所述超流氦循环单元的第二出口不连接在所述低压气体管路上,而将所述超流氦循环单元的第二出口连接在所述中压气体管路上。
本发明一种超流氦低温循环***,与现有超流氦低温循环***相比,上述超流氦低温循环***,设计了一种基于喷射器的超流氦循环,使得现有的超流氦循环省却了机械运动部件,避开了这些机械运动部件的设计难点,满足低温循环***长期免维护运行的需求,同时提高了循环运行的可靠性,降低了技术风险,保持整个低温循环***的体积更加紧凑。
附图说明
图1为本发明一种超流氦低温循环***一种实施方式的结构示意框图;
图2为本发明一种超流氦低温循环***另一种实施方式的结构示意框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1-2所示,一种超流氦低温循环***100,包括压缩机单元110、氦液化单元130、第一储罐140、第二储罐150、超流氦循环单元160;
所述压缩机单元110包括高压压缩机112和低压压缩机111,所述低压压缩机111的出口与所述高压压缩机112的入口相连接;所述高压压缩机112的出口与所述氦液化单元130的第一进气口通过高压气体管路170连通;所述氦液化单元130的第一出口和所述第一储罐140的入口连通,所述第一储罐140的第一出口和所述氦液化单元130的第二入口连通,所述氦液化单元130的第二出口通过中压气体管路180连接在高压压缩机112和低压压缩机111之间;所述氦液化单元130的第三出口通过低压气体管路190与低压压缩机111入口连接;
所述第一储罐140的第二出口和所述超流氦循环单元160第一入口连通;所述超流氦循环单元160的第一出口和所述第二储罐150的入口连通,所述第二储罐150的出口和所述超流氦循环单元160的第二入口连通,所述超流氦循环单元160的第二出口连接在所述低压气体管路190上。来自高压气体管路170的高压氦气作为喷射器161的工作流体,通过工作流体入口阀门控163制进入喷射器的工作流体的压力和流量,工作流体在喷射器161中进行升速降压,对引射流体进行引射,这两种流体在喷射器161中混合后进入到液氦循环的低压气体管路190。来自第二储罐的引射流体,通过引射流体入口阀门164进入到喷射器161中,引射流体入口阀门164可以实现对进入喷射器161的引射流体的流量进行调节。
可以理解作为一种优选的实施方式,所述超流氦循环单元160包括喷射器161,所述喷射器161的工作流体入口与高压气体管路170连通,所述引射流体入口连接超流氦单元的第二入口,所述压缩流体出口与超流氦循环单元160的第二出口连通。
可以理解,所述超流氦循环单元160还包括第一阀门163,所述第一阀门163设置在喷射器161工作流体入口与高压气体管路170之间;第二阀门164,所述第二阀门164设置在引射流体入口和超流氦单元第二入口之间;第三阀门165,所述第三阀门165设置在压缩流体出口和低压气体管路190之间。
特别的,所述喷射器161多级喷射器161。喷射器的级数根据参数的工艺计算获得,不受图中所示一级的限制。
作为一种改进,还包括气体管理单元,所述气体管理单元包括与所述压缩机单元110并联的气动调节阀门组;所述气体管理单元设置在压缩机单元110与氦液化单元130之间。
工作流体引出点不受图中所示位置限制,为了满足喷射器的工作需要,可以在液氦制取循环的任何位置引出。作为一种较优的实施方式,所述喷射器161工作流体入口连接在气体管理单元与氦液化单元130之间。同样的,压缩流体进入到液氦制取循环的低压气体管路,这一接入点不受图中位置的限制,在满足工艺要求的情况下,可以在任何位置进入到液氦制取循环管路中,本方案仅仅是提供一种较优的实施方式。
进一步的,所述超流氦单元还包括换热器162,所述换热器162的第一入口与超流氦循环单元160的第一入口连通,所述换热器162的第一出口与所述超流氦循环单元160的第一出口连通,所述换热器162的第二入口与所述超流氦循环单元160的第二入口连通,所述换热器162的第二出口与所述喷射器161的引射流体入口连通;所述第二阀门设置在引射流体入口和换热器的第二出口之间。
具体的,所述第一储罐140为4K液氦杜瓦、冷量测试子***、低温分配阀箱或用户特定负载。
具体的,所述第二储罐150为2K超流氦杜瓦。
作为一种特别实施例,本发明技术方案还可以有如下变化,如图2所示,所述超流氦循环单元160的第二出口不连接在所述低压气体管路190上,所述超流氦循环单元160的第二出口连接在所述中压气体管路180上。
如图1或2所示的上述超流氦低温循环***100的工作过程如下:压缩机单元110为超流氦低温循环***提供动力源,实现氦气从低压到高压的增压过程。气体管理子***通过PID参数控制阀门开度,从而稳定超流氦低温循环***的高压气体管路170、中压气体管路180和低压气体管路190的氦气压力。氦液化单元130将压缩机单元110输出的高压氦气降温液化变成液氦。从氦液化单元130输出的液氦经过液氦低温管线进入到第一储罐140内。4K饱和氦气通过第一低温回气管路从第一储罐140的第一出口流入至氦液化单元130的第二入口,然后从氦液化单元130的第三出口通过低压气体管路190进入压缩机单元110。而4K饱和液氦经过液氦传输管路进入超流氦循环单元160,在超流氦循环单元160,4K饱和液氦通过节流降温产生超流氦,从超流氦循环单元160的第一出口流出的超流氦,通过超流氦低温管线,进入第二储罐150内。从第二储罐150流出的2K低温氦气通过第二低温回气管路进入超流氦循环单元160经换热器162提供冷量后再从超流氦循环单元160的第二出口流出,经过喷射器161变为常温低压氦气,再回到压缩机单元110的低压压缩机入口,完成整个一个循环。
本发明一种超流氦低温循环***,与现有超流氦低温循环***相比,上述超流氦低温循环***,设计了一种基于喷射器的超流氦循环,使得现有的超流氦循环省却了机械运动部件,避开了这些机械运动部件的设计难点,满足低温循环***长期免维护运行的需求,同时提高了循环运行的可靠性,降低了技术风险,保持整个低温循环***的体积更加紧凑。
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,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 (9)
1.一种超流氦低温循环***,其特征在于,包括压缩机单元、氦液化单元、第一储罐、第二储罐、超流氦循环单元;
所述压缩机单元包括高压压缩机和低压压缩机,所述低压压缩机的出口与所述高压压缩机的入口相连接;所述高压压缩机的出口与所述氦液化单元的第一进气口通过高压气体管路连通;所述氦液化单元的第一出口和所述第一储罐的入口连通,所述第一储罐的第一出口和所述氦液化单元的第二入口连通,所述氦液化单元的第二出口通过中压气体管路连接在高压压缩机和低压压缩机之间;所述氦液化单元的第三出口通过低压气体管路与低压压缩机入口连接;
所述第一储罐的第二出口和所述超流氦循环单元第一入口连通;所述超流氦循环单元的第一出口和所述第二储罐的入口连通,所述第二储罐的出口和所述超流氦循环单元的第二入口连通,所述超流氦循环单元的第二出口连接在所述低压气体管路上;
所述超流氦循环单元包括喷射器,所述喷射器的工作流体入口与高压气体管路连通,引射流体入口连接超流氦循环单元的第二入口,压缩流体出口与超流氦循环单元的第二出口连通。
2.如权利要求1所述的超流氦低温循环***,其特征在于,所述超流氦循环单元还包括第一阀门,所述第一阀门设置在喷射器工作流体入口与高压气体管路之间;第二阀门,所述第二阀门设置在引射流体入口和超流氦循环单元第二入口之间;第三阀门,所述第三阀门设置在压缩流体出口和低压气体管路之间。
3.如权利要求2所述的超流氦低温循环***,其特征在于,所述喷射器为多级喷射器。
4.如权利要求1-3任意一项所述的超流氦低温循环***,其特征在于,还包括气体管理单元,所述气体管理单元包括与所述压缩机单元并联的气动调节阀门组;所述气体管理单元设置在压缩机单元与氦液化单元之间。
5.如权利要求4所述的超流氦低温循环***,其特征在于,所述喷射器工作流体入口连接在气体管理单元与氦液化单元之间。
6.如权利要求2-3任意一项所述的超流氦低温循环***,其特征在于,还包括换热器,所述换热器的第一入口与超流氦循环单元的第一入口连通,所述换热器的第一出口与所述超流氦循环单元的第一出口连通,所述换热器的第二入口与所述超流氦循环单元的第二入口连通,所述换热器的第二出口与所述喷射器的引射流体入口连通;所述第二阀门设置在引射流体入口和换热器的第二出口之间。
7.如权利要求1所述的超流氦低温循环***,其特征在于,所述第一储罐为4K液氦杜瓦、冷量测试子***、低温分配阀箱或用户特定负载。
8.如权利要求1所述的超流氦低温循环***,其特征在于,所述第二储罐为2K超流氦杜瓦。
9.如权利要求1或2所述的超流氦低温循环***,其特征在于,所述超流氦循环单元的第二出口不连接在所述低压气体管路上,所述超流氦循环单元的第二出口连接在所述中压气体管路上。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
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 |
Inventor after: Gong Linghui Inventor after: Wang Bingming Inventor after: Hu Zhongjun Inventor after: Li Zhengyu Inventor after: Zhang Meimei Inventor before: Gong Linghui Inventor before: Wang Bingming Inventor before: Hu Zhongjun Inventor before: Li Zhengyu |
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CB03 | Change of inventor or designer information | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |