一种可替代低温循环泵的常温压缩机系统及方法与流程

1.本发明属于小型低温系统技术领域，尤其涉及一种可替代低温循环泵的常温压缩机系统及方法。


背景技术：

2.传统低温超导磁体的冷却方式通常有三种：液氦浸泡冷却、制冷机传导冷却和氦气迫流冷却。对于大型超导磁体，一般采用氦气迫流冷却，因为氦气迫流冷却能够解决大型超导磁体系统采用制冷机传导冷带传导不均匀的问题、也能够解决采用液氦浸泡冷却方法造价昂贵的问题。大型超导磁体通常需要高压冷氦气，由于小型制冷机的氦气无法直接用于超导线圈的冷却，通常需要增加一路单独的氦气循环回路，采用低温循环泵进行循环。
3.小型制冷机采用低温循环泵的难点在于：当对低温循环泵进行维修或更换时，从复温到降温的停机等待很长：拿去检修以前，要从低温30k升温到常温300k才可以检修，这个复温过程虽然很快，大约1-2天时间，但是，当检修完成进行更换、重新投入使用时，低温循环泵要从常温300k降低到低温30k时才能够投入工作，同时低温系统的拆装需要专业维修人员进行操作，会产生昂贵的维修费用。由于大型的超导线圈负载很大，低温循环泵从常温降低到低温30k的降温过程必将很漫长，严重影响设备的使用率。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种可替代低温循环泵的常温压缩机及方法，目的在于解决更换低温循环泵时降温过程太长、影响设备使用效率的问题。
5.本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种可替代低温循环泵的常温压缩机系统及方法。
6.一种可替代低温循环泵的常温压缩机系统，其特点是：该系统从外到内分为三层：常温层、300k真空容器13层、60k防辐射冷屏14层；一个或多个gm制冷机从上至下贯穿常温层、300k真空容器层13、60k防辐射冷屏14层、对布设在60k防辐射冷屏14层的多级冷头换热器进行降温；所述常温层设有常温循环压缩机1、储气罐2、以及多个流量调节阀；所述300k真空容器13层设有一个300k回热器8；所述60k防辐射冷屏14层设有多级冷头换热器、一个以上60k回热器10、以及30k超导线圈12，该多级冷头换热器分别与一个或多个gm制冷机相连接、实现gm制冷机对多级冷头换热器的一级降温或多级降温；所述30k超导线圈12的入口连接末级冷头换热器、出口连接末级60k回热器10；所述一个300k回热器8和一个以上60k回热器10分别设有进气入口、进气出口、回气入口、回气出口，它们通过300k回热器8的进气入口、进气出口、以及一个以上60k回热器10的进气入口、进气出口实现逐步降温，再通过300k回热器8的回气入口、回气出口、以及一个以上60k回热器10的回气入口、回气出口实现逐步升温，当从常温降温到低温30k时，该系统实现了常温压缩机替代低温循环泵的功能，当从低温30k升温到常温状态时，该系统将低温循环泵的功能恢复为常温压缩机的功能。
7.所述多级冷头换热器包括一级冷头换热器9、二级冷头换热器11，所述多个gm制冷
机包括gm制冷机7-1、gm制冷机7-2，所述一个以上60k回热器包括一个60k回热器10。
8.所述300k回热器8其进气入口与常温循环压缩机1相连接，其进气出口与所述一级冷头换热器9相连接；所述30k超导线圈12的入口连接末级冷头换热器、该末级冷头换热器为所述二级冷头换热器11；所述30k超导线圈12的出口连接末级60k回热器10，该末级60k回热器为60k回热器10。
9.所述300k回热器8和一个以上的60k回热器10的进气入口到进气出口、回气入口到回气出口的距离足够长，使得进气入口的温度不会影响进气出口的温度；回气入口的温度不会影响回气出口的温度。
10.一种常温压缩机替代低温循环泵的方法，其特征在于，包括以下步骤：
11.步骤一、开启gm制冷机一7-1、gm制冷机二7-2，此系统开始降温；
12.步骤二、开启常温循环压缩机1，系统内部的氦气对30k超导线圈进行循环降温，氦气循环流程如下：
13.1)高纯氦气经过常温循环压缩机1压缩后，经过流量调节阀5进入300k真空容器13；
14.2)在300k回热器8中高压氦气被低压预冷，然后进入一级冷头换热器9冷却到一级冷头换热器9温度；
15.3)再经过60k回热器10预冷，进入到二级冷头换热器11继续降温到二级冷头换热器11的温度；
16.4)氦气经过30k超导线圈12冷却高温超导线圈；
17.5)氦气经过超导超导线圈12后进入回热器10和回热器8后温度回到常温；
18.6)再次进入常温循环压缩机1完成下一轮的循环；
19.7)随着系统温度的降低，缓冲罐2的氦气通过补气阀4进入系统；
20.8)若系统复温或者磁体失超，系统内多余的氦气通过阀3回到缓冲罐。
21.本发明的优点效果
22.1、本发明通过设计基于常温循环压缩机的一条降温管路、一条升温管路，代替了现有技术的30k低温循环泵，解决了常温循环压缩机不能在低温下工作、低温循环泵虽然能够在低温下工作、但检修过程等待时间过长、影响使用的疑难问题。
23.2、本发明克服了传统的偏见，即常温压缩机只能循环常温管路、低温循环泵只能循环低温管路的偏见，采用多个回热器组成的两种不同温度的管路按照时间段分段使用的方法，实现了常温压缩机代替低温循环泵的功能，取得了预料不到的效果。
24.3、本发明采用常温压缩机替代低温循环泵后，所有的运动部件全部在常温，使得低温系统的主体部分使用寿命延长、检修间隔时间延长。
附图说明
25.图1为本发明一种可替代低温循环泵的常温压缩机框图；
26.图中，1：常温循环压缩机；2:缓冲罐；3:流量调节阀；4:流量调节阀；5:流量调节阀；6:流量调节阀；7-1：gm制冷机一；7-2：gm制冷机二；8：300k回热器；9：一级冷头换热器；10：60k回热器；11:二级冷头换热器；12：30k超导线圈；13：300k真空容器；14：60k防辐射冷屏；
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做出进一步解释：
28.本发明设计原理
29.1、常温循环压缩机代替低温循环泵的设计原理。传统的常温压缩机或低温循环泵，它们驱动的管路温度均相同，常温压缩机循环的管路一定是常温管路、低温循环泵循环的管路一定是低温管路，本发明改变了传统的偏见，第一、将常温压缩机循环的管路按照进气管路和出气管路分为降温管路、以及升温管路两种温度的管路，集两种温度的管路于一体解决常温压缩机代替低温循环泵的问题。所述降温管路由多级回热器的进气管路组成、所述多级升温温管路由多级回热器的出气管路组成；第二，将降温管路的温度最低点作为超导线圈的降温入口，将升温管路的温度最低点作为超导线圈的降温出口，并且实现30k超导线圈氦气降温管路的入口和出口的温度相同，这样，虽然常温压缩机设有两路不同温度的管路，但是这两条管路在到达30k超导线圈的降温入口和降温出口时，其温度一定是相同的，丝毫不会影响对于30k超导线圈的降温效果。第三，对于大型低温系统，根据高温、低温需求的不同，可以采用多级gm制冷机、多级冷头换热器、多级回热器的方法，最终实现常温到低温的降温，或低温到常温的升温。
30.2、本发明的设计难点：难点在于回热器管路长度的计算。以进气管路为例，如果进气入口和进气出口的距离不能达到要求的长度，就会使得回热器的进气入口的温度影响进气出口的温度，或者进气出口的温度影响进气入口的温度；如果回气入口和回气出口的距离不能达到要求的长度，就会使得回热器的回气入口的温度影响回气出口的温度，或者回气出口的温度影响回气入口的温度。以降温计算为例：有公式q＝ahδt，假设气体流量0.5g/s，300k换热器8，进气入口温度300k，进气出口温度60k，可计算出氦气降温需要的冷量q＝600w，h为对流换热系数＝200w/(m2.k)，假设传热温差5k,δt＝5k(传热温差),可计算出换热面积a＝0.6平方米，对于12mm直径的管子需要16米长，而16米长的换热管导热不到0.3w可以忽略,q因为它与冷头的一级冷量80w相比可以忽略不计。60k换热器10是进气入口温度60k,进气出口温度30k，需要冷量大约q＝75w，传热温差δt＝2k，h为对流换热系数＝200w/(m2.k),可计算出换热面积a＝0.19平方米的换热面积，4.3米的管子可满足要求，导热不到0.2w可以忽略。
31.根据以上发明原理，本发明设计了一种可替代低温循环泵的常温压缩机系统。
32.一种可替代低温循环泵的常温压缩机系统，如图1所示，其特点是：该系统从外到内分为三层：常温层、300k真空容器13层、60k防辐射冷屏14层；一个或多个gm制冷机从上至下贯穿常温层、300k真空容器层13、60k防辐射冷屏14层、对布设在60k防辐射冷屏14层的多级冷头换热器进行降温；所述常温层设有常温循环压缩机1、储气罐2、以及多个流量调节阀；所述300k真空容器13层设有一个300k回热器8；所述60k防辐射冷屏14层设有多级冷头换热器、一个以上60k回热器10、以及30k超导线圈12，该多级冷头换热器分别与一个或多个gm制冷机相连接、实现gm制冷机对多级冷头换热器的一级降温或多级降温；所述30k超导线圈12的入口连接末级冷头换热器、出口连接末级60k回热器10；所述一个300k回热器8和一个以上60k回热器10分别设有进气入口、进气出口、回气入口、回气出口，它们通过300k回热器8的进气入口、进气出口、以及一个以上60k回热器10的进气入口、进气出口实现逐步降温，再通过300k回热器8的回气入口、回气出口、以及一个以上60k回热器10的回气入口、回
气出口实现逐步升温，当从常温降温到低温30k时，该系统实现了常温压缩机替代低温循环泵的功能，当从低温30k升温到常温状态时，该系统将低温循环泵的功能恢复为常温压缩机的功能。
33.补充说明：
34.在图1中，对于氦气1-5-8-9-10-11-12是降温，10-8-1是升温。
35.所述多级冷头换热器包括一级冷头换热器9、二级冷头换热器11，所述多个gm制冷机包括gm制冷机7-1、gm制冷机7-2，所述一个以上60k回热器包括一个60k回热器10。
36.所述300k回热器8其进气入口与常温循环压缩机1相连接，其进气出口与所述一级冷头换热器9相连接；所述30k超导线圈12的入口连接末级冷头换热器、该末级冷头换热器为所述二级冷头换热器11；所述30k超导线圈12的出口连接末级60k回热器10，该末级60k回热器为60k回热器10。
37.所述300k回热器8和一个以上的60k回热器10的进气入口到进气出口、回气入口到回气出口的距离足够长，使得进气入口的温度不会影响进气出口的温度；回气入口的温度不会影响回气出口的温度。
38.一种大型低温系统采用常温压缩机替代低温循环泵的方法，其特征在于，包括以下步骤：
39.步骤一、开启gm制冷机一7-1、gm制冷机二7-2，此系统开始降温；
40.步骤二、开启常温循环压缩机1，系统内部的氦气对30k超导线圈进行循环降温，氦气循环流程如下如下：
41.1)高纯氦气经过常温循环压缩机1压缩后，经过流量调节阀5进入300k真空容器13；
42.2)在300k回热器8中高压氦气被低压预冷，然后进入一级冷头换热器9冷却到一级冷头换热器9温度；
43.3)再经过60k回热器10预冷，进入到二级冷头换热器11继续降温到二级冷头换热器11的温度；
44.4)氦气经过30k超导线圈12冷却高温超导线圈；
45.补充说明：
46.此时的氦气是从二级冷头换热器11出来的氦气，用这个氦气冷却30k超导线圈；
47.5)氦气经过超导超导线圈12后进入回热器10和回热器8后温度回到常温；
48.补充说明：
49.氦气从30k超导线圈12出口出来，进入60k回热器10的出气入口，从60k回热器10出气入口到60k回热器10出气出口，由于这个过程脱离了二级冷头换热器11，所以温度变化为升温过程，同样，从60k回热器10出气出口再到300k回热器出气入口、再到300k回热器出气出口同样为升温过程，此时温度复温到常温。
50.补充说明：
51.升温的计算。这个计算是和降温过程一样的，只是方向反的，相当于回气的冷量平移到了进气。
52.6)再次启动常温循环压缩机1完成下一轮的循环；
53.7)随着系统温度的降低，缓冲罐2的氦气通过补气阀4进入系统；
54.8)若系统复温或者磁体失超，系统内多余的氦气通过阀3回到缓冲罐。
55.需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。