一种提供液氦迫流冷却工质的装置

1.本发明涉及低温与超导工程技术领域，尤其涉及超导磁体低温冷却领域的一种提供液氦迫流冷却工质的装置。


背景技术：

2.氦是自然界中最难液化的气体，具有极低的临界温度，标准大气压下沸点为4.2k。氦化学性质稳定，具有高比热、高热导率、低密度等优点，是极好的低温制冷剂，被广泛应用在核聚变装置、粒子加速器装置、高端医疗装备以及基础研究等方面。
3.超导磁体采用液氦迫流冷却方式比液氦浸泡冷却方式具有多种优越性，不仅能够减少液氦使用量、降低磁体失超引起的过压危险，而且能够增加超导磁体冷却面积使系统更加紧凑、降低建造费用等。此外，采用减压技术将液氦工质降温至4.2k以下，能够进一步提高超导磁体的温度裕度、磁场强度和运行稳定性。因而，采用液氦迫流冷却大型超导磁体的方式在国家大科学工程上得到了广泛的应用。
4.为了实现超导磁体的迫流冷却，需要设计建设能够一种提供液氦迫流冷却工质的装置，其设备包括但不仅限于换热器、液氦槽、循环泵、冷压缩机、调节阀、工艺管路等。该提供液氦迫流冷却工质装置应对的热负荷不但包括超导磁体等低温用户产生的热负荷，而且包括装置本身的循环泵、冷压缩机等旋转机械产生的热负荷。现有的提供液氦冷却工质装置能够实现超导磁体的迫流冷却，但用户热负荷的消纳吸收方式及装置自身热负荷增加了氦低温系统建设成本和运行成本。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明目的是针对液氦迫流冷却热负荷问题，通过优化液氦迫流冷却循环方式，提出一种提供液氦迫流冷却工质的装置，通过能级梯度管理低温热负荷来降低液氦迫流冷却热负荷，减少低温系统投资规模和运行成本。
6.为达到上述目的，本发明的一种提供液氦迫流冷却工质的装置，包括热负载液氦槽系统、循环泵液氦槽系统、过冷氦液氦槽系统及冷箱。所述热负载液氦槽系统、循环泵液氦槽系统和过冷氦液氦槽系统均位于冷箱内。
7.进一步地，所述热负载液氦槽系统将低温用户返回的氦冷却工质降温至正压液氦温度，实现消纳吸收低温用户热负荷的功能；所述循环泵液氦槽系统将循环泵增压升温后的氦冷却工质降温至正压液氦温度，实现消纳吸收循环泵热负荷的功能；所述过冷氦液氦槽系统将正压液氦温度的氦冷却工质降温至负压液氦温度，实现消纳吸收过冷氦热负荷的功能。
8.进一步地，所述热负载液氦槽系统包括热负载液氦槽，循环泵液氦槽系统包括循环泵液氦槽，过冷氦液氦槽系统包括过冷氦液氦槽；低温氦工质供应管路分别与热负载液氦槽、循环泵液氦槽和过冷氦液氦槽的入口管路连接；过冷氦液氦槽的出口连接至冷压缩机入口；低温氦工质返回管路分别与热负载液氦槽、循环泵液氦槽和冷压缩机出口管路连
接；低温用户氦冷却工质供应管路与过冷氦液氦槽系统出口管路连接；低温用户氦冷却工质返回管路与热负载液氦槽系统入口管路连接。
9.本发明中，低温用户包括但不限定于超导磁体线圈、超导磁体线圈盒、低温泵。
10.进一步地，所述热负载液氦槽系统实现将低温用户返回的氦冷却工质降温至正压液氦温度的功能。所述热负载液氦槽系统输入管路与低温用户输出管路连接，并设有控制氦冷却工质的调节阀。所述热负载液氦槽系统设有液氦槽、调节阀、换热器、温度计、压力计和液位计。
11.进一步地，所述循环泵液氦槽系统实现将循环泵增压升温后的氦冷却工质降温至正压液氦温度的功能。所述循环泵液氦槽系统输入管路与热负载液氦槽系统输出管路连接，并设有循环泵和调节阀控制氦冷却工质的压力和流量。所述循环泵液氦槽系统设有液氦槽、循环泵、调节阀、换热器、温度计、压力计和液位计。
12.进一步地，所述过冷氦液氦槽系统实现将正压液氦温度的氦冷却工质降温至负压液氦温度的功能。所述过冷氦液氦槽系统输入管路与循环泵液氦槽系统输出管路连接。所述过冷氦液氦槽系统设有冷压缩机、液氦槽、调节阀、换热器、压力计、温度计和液位计。
13.进一步地，所述装置还包括装置工艺管路。所述装置工艺管路及冷箱实现装置低温氦工质供应和返回、低温用户氦冷却工质供应和返回、旋转机械预冷和启动、以及装置绝热的功能。所述低温氦工质供应管路与热负载液氦槽、循环泵液氦槽和过冷氦液氦槽的入口管路连接；所述低温氦工质返回管路与热负载液氦槽、循环泵液氦槽和冷压缩机出口管路连接。所述低温用户氦冷却工质供应管路与过冷氦液氦槽系统出口管路连接；所述低温用户氦冷却工质返回管路与热负载液氦槽系统入口管路连接。
14.进一步地，所述装置工艺管路及冷箱设有氦制冷机供应和返回低温氦工质的接口，设有低温用户供应和返回氦冷却工质的接口；所述装置工艺管路及冷箱设有工艺管路、调节阀、加热器和带冷屏的真空绝热冷箱。
15.进一步地，所述热负载液氦槽系统包括热负载液氦槽(lhe1)和位于热负载液氦槽(lhe1)内的第一换热器(hx1)；所述循环泵液氦槽系统包括循环泵液氦槽(lhe2)和位于循环泵液氦槽(lhe2)内的第二换热器(hx2)；所述过冷氦液氦槽系统包括过冷氦液氦槽lhe3和位于过冷氦液氦槽(lhe3)内的第三换热器(hx3)。
16.氦制冷机连接第一装置接口(j1)入口，第一装置接口(j1)出口分成四路，第一路连接至热负载液氦槽(lhe1)供应入口；第二路连接至循环泵液氦槽(lhe2)供应入口；第三路经过第四换热器(hx4)连接至过冷氦液氦槽(lhe3)供应入口；第四路分成两个支路，第一支路连接第三装置接口(j3)，第二支路经加热器(h)连接至热负载液氦槽系统；第三装置接口(j3)用于连接低温用户入口。
17.过冷氦液氦槽(lhe3)回气出口经过第四换热器(hx4)连接至冷压缩机(cc)入口；热负载液氦槽(lhe1)回气出口、循环泵液氦槽(lhe2)回气出口和冷压缩机(cc)出口均连接至第二装置接口(j2)；第二装置接口(j2)用于连接氦制冷机。
18.低温用户出口连接第四装置接口(j4)入口，第四装置接口(j4)出口分成两路，一路连接至热负载液氦槽(lhe1)供应入口，另一路连接至第一换热器(hx1)入口；第一换热器(hx1)出口依次连接循环泵(cp)、第二换热器(hx2)和第三换热器(hx3)入口；第三换热器(hx3)出口分成两路，一路经加热器(h)返回至热负载液氦槽系统，另一路连接至第三装置
接口(j3)。
19.进一步地，加热器(h)出口分成两路，第一路连接至热负载液氦槽(lhe1)供应入口，第二路连接至第一换热器(hx1)入口。
20.进一步地，所述过冷氦液氦槽(lhe3)蒸发的氦气经过第四换热器(hx4)和冷压缩机(cc)后，与热负载液氦槽(lhe1)蒸发的氦气和循环泵液氦槽(lhe2)蒸发的氦气混合，然后通过第二装置接口(j2)返回至氦制冷机；装置提供的液氦迫流冷却工质经过第三装置接口(j3)后连接至低温用户，为低温用户提供液氦迫流冷却工质；低温用户通过第四装置接口(j4)连接至所述提供液氦迫流冷却工质的装置，并将氦冷却工质返回至所述提供液氦迫流冷却工质的装置。
21.进一步地，所述提供液氦迫流冷却工质的装置的工作过程包括：
22.第一步、低温用户预冷过程
23.通过第一装置接口(j1)利用氦制冷机的低温氦工质经过第三装置接口(j3)提供给低温用户；通过第四装置接口(j4)将低温用户的低温氦工质返回至热负载液氦槽(lhe1)，并将氦工质通过第二装置接口(j2)返回至氦制冷机；通过上述操作形成低温用户预冷回路，实现低温用户预冷至液氦温区。
24.第二步、旋转机械启动过程
25.当低温用户预冷过程完成后，通过第一装置接口(j1)将氦制冷机提供的氦工质生产液氦后并储存在热负载液氦槽(lhe1)、循环泵液氦槽(lhe2)、过冷氦液氦槽(lhe3)中，并将热负载液氦槽(lhe1)、循环泵液氦槽(lhe2)和过冷氦液氦槽(lhe3)内的氦气通过第二装置接口(j2)返回至氦制冷机；通过上述操作形成循环泵(cp)预冷回路；实现冷压缩机(cc)预冷并启动冷压缩机(cc)。
26.第三步、低温用户液氦迫流冷却过程
27.形成低温用户液氦迫流冷却回路，利用液氦提供的冷却工质和循环泵(cp)提供的迫流方式满足低温用户液氦迫流冷却运行要求。
28.其工作原理是：一种提供液氦迫流冷却工质的装置将经过低温用户吸收热负荷后升温的氦冷却工质首先通过热负载液氦槽降温至正压液氦温度，然后将经过循环泵增压后升温的氦冷却工质再次降温至正压液氦温度，最后将正压液氦温度的氦冷却工质经过过冷氦液氦槽降温至负压液氦温度，实现为低温用户提供液氦迫流冷却工质的功能。
29.本发明具有如下有益效果：
30.本发明一种提供液氦迫流冷却工质装置的所用设备成熟，根据液氦迫流冷却工质装置应对的热负荷特点，优化液氦迫流冷却循环方法以实现热负荷分类别和分温区独立管理，能够有效降低装置有效能损失，从而减少氦低温系统投资成本和运行成本。
附图说明
31.图1为本发明的工艺图。
32.图中，j1-第一装置接口，j2-第二装置接口，j3-第三装置接口，j4-第四装置接口，cb-冷箱，lhe1-热负载液氦槽，lhe2-循环泵液氦槽，lhe3-过冷氦液氦槽，hx1-第一换热器，hx2-第二换热器，hx3-第三换热器，hx4-第四换热器，h-加热器，v1-第一调节阀，v2-第二调节阀，v3-第三调节阀，v4-第一旁通调节阀，v5-第五调节阀，v6-第二旁通调节阀，v7-第七
调节阀，v8-第八调节阀，v
s1-第九调节阀，v
s2-第十调节阀，v
s3-第十一调节阀，v
s4-第十二调节阀，v
g1-第十三调节阀，v
g2-第十四调节阀，v
g3-第十五调节阀、v
c1-第十六调节阀、v
c2-第十七调节阀，p11-第一压力计，p12-第二压力计，p13-第三压力计，p21-第四压力计、p22-第五压力计、p31-第六压力计、p32-第七压力计，t11-第一温度计，t12-第二温度计，t13-第三温度计、t21-第四温度计，t22-第五温度计，t23-第六温度计、t31-第七温度计、t32-第八温度计，l11-第一液位计、l21-第二液位计、l31-第三液位计，f-流量计、cp-循环泵，cc-冷压缩机。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合本发明实施例及其附图，对本发明的技术方案进行进一步详细描述，但是所描述的实施例是本发明的部分实施例，不是全部。基于本发明的实施例，本领域的技术人员非创造性劳动的其他实施例都属于本发明保护的范围。
34.如图1所示，公开一种提供液氦迫流冷却工质的装置，其具体组成包括：热负载液氦槽系统、循环泵液氦槽系统、过冷氦液氦槽系统、装置工艺管路和冷箱cb。冷箱cb是提供液氦迫流冷却工质的装置的外壳，热负载液氦槽系统、循环泵液氦槽系统和过冷氦液氦槽系统均位于冷箱cb内。
35.具体地，一种提供液氦迫流冷却工质的装置包括以下实施方案(以热负载液氦槽和循环泵液氦系统温度4.6k，过冷氦液氦槽系统温度3.8k为例)：
36.所述装置中所用设备如下，参考图1。氦制冷机通过第一装置接口j1连接至所述提供液氦迫流冷却工质的装置。氦制冷机连接第一装置接口j1入口，第一装置接口j1出口分成四路，第一路经过第九调节阀v
s1
连接至热负载液氦槽lhe1供应入口；第二路经过第十调节阀v
s2
连接至循环泵液氦槽lhe2供应入口；第三路依次经过第十一调节阀v
s3
和第四换热器hx4连接至过冷氦液氦槽lhe3供应入口；第四路经过第十二调节阀v
s4
后分成两个支路，第一支路经低温用户供应管路依次连接第七调节阀v7和第三装置接口j3，为液氦槽提供液氦以及低温用户提供预冷氦工质，第二支路依次连接第二旁通调节阀v6和加热器h。热负载液氦槽lhe1回气出口经第十三调节阀v
g1
连接至第二装置接口j2。循环泵液氦槽lhe2回气出口经第十四调节阀v
g2
连接至第二装置接口j2。过冷氦液氦槽lhe3回气出口经过第四换热器hx4后，然后依次连接第十六调节阀v
c1
、冷压缩机cc和第十七调节阀v
c2
连接至第二装置接口j2。第二装置接口j2返回连接至氦制冷机。
37.热负载液氦槽lhe1蒸发的氦气经过第十三调节阀v
g1
，并通过第二装置接口j2返回至氦制冷机。循环泵液氦槽lhe2蒸发的氦气经过第十四调节阀v
g2
，，并通过第二装置接口j2返回至氦制冷机。过冷氦液氦槽lhe3蒸发的氦气经过第四换热器hx4后分成两路，一路经过第十五调节阀v
g3
并通过第二装置接口j2返回至氦制冷机，另一路依次经过第十六调节阀v
c1
、冷压缩机cc和第十七调节阀v
c2
并通过第二装置接口j2返回至氦制冷机。装置提供的液氦迫流冷却工质经过第七调节阀v7和第三装置接口j3后连接至低温用户入口，为低温用户提供液氦迫流冷却工质；低温用户通过第四装置接口j4连接至所述提供液氦迫流冷却工质的装置，并经过第八调节阀v8将氦冷却工质返回至所述提供液氦迫流冷却工质的装置。
38.第一换热器hx1位于热负载液氦槽lhe1内。热负载液氦槽lhe1上设置有第一压力
计p11、第一温度计t11和第一液位计l11。第二换热器hx2位于循环泵液氦槽lhe2内。循环泵液氦槽lhe2上设置有第四压力计p21、第四温度计t21和第二液位计l21。第三换热器hx3位于过冷氦液氦槽lhe3内。过冷氦液氦槽lhe3上设置有第六压力计p31、第七温度计t31和第三液位计l31。
39.低温用户出口依次连接第四装置接口j4和第八调节阀v8，第八调节阀v8出口分成两路，一路经过第一调节阀v1连接至热负载液氦槽lhe1供应入口，另一路经过第二调节阀v2连接至第一换热器hx1入口。加热器h出口分成两路，第一路与第八调节阀v8出口的一路管道合并后依次连接第一调节阀v1和热负载液氦槽lhe1供应入口，第二路与第八调节阀v8出口的另一路管道合并后依次连接第二调节阀v2和第一换热器hx1入口。第二路与第八调节阀v8出口的另一路管道合并后经第一管道连接第二调节阀v2，在所述的第一管道上设置有第二温度计t12和第二压力计p12。
40.所述热负载液氦槽系统实现将低温用户返回的氦冷却工质降温至4.6k的功能；所述热负载液氦槽系统输入管路通过第二调节阀v2与第八调节阀v8出口和加热器h出口连接，并设有第二温度计t12和第二压力计p12。所述热负载液氦槽系统输出管路通过第三调节阀v3与循环泵cp入口连接，并设有第三温度计t13和第三压力计p13。所述热负载液氦槽系统设有热负载液氦槽lhe1及其第一温度计t11、第一压力计p11、第一液位计l11。所述热负载液氦槽lhe1供应入口与第九调节阀v
s1
和第一调节阀v1出口连接，热负载液氦槽lhe1回气出口与第十三调节阀v
g1
入口连接；所述热负载液氦槽系统设有第一换热器hx1，第一换热器hx1入口与第二调节阀v2出口连接，第一换热器hx1出口与第三调节阀v3入口连接。第三调节阀v3出口依次连接氦循环泵cp、第二换热器hx2和第三换热器hx3。
41.所述循环泵液氦槽系统实现将循环泵增压升温后的氦冷却工质降温至4.6k的功能；所述循环泵液氦槽系统输入管路通过氦循环泵cp与第三调节阀v3出口连接，并设有流量计f、第五温度计t22和第五压力计p22。所述循环泵液氦槽系统输出管路与第三换热器hx3入口连接，并设有第六温度计t23。所述氦循环泵cp设有第一旁通调节阀v4。所述循环泵液氦槽系统设有循环泵液氦槽lhe2及其第四温度计t21、第四压力计p21、第二液位计l21。所述循环泵液氦槽lhe2供应入口与第十调节阀v
s2
出口连接，循环泵液氦槽lhe2回气出口与第十四调节阀v
g2
入口连接。所述循环泵液氦槽系统设有第二换热器hx2，第二换热器hx2入口与循环泵cp出口连接，第二换热器hx2出口与第三换热器hx3入口连接。
42.所述过冷氦液氦槽系统实现将4.6k液氦冷质工质降温至3.8k的功能。所述过冷氦液氦槽系统设有第三换热器hx3，第三换热器hx3入口与第二换热器hx2出口连接，第三换热器hx3出口与第五调节阀v5入口连接，并设有第八温度计t32和第七压力计p32。第五调节阀v5出口分成两路，一路依次连接第七调节阀v7和第三装置接口j3，另一路依次连接第二旁通调节阀v6和加热器h。所述过冷氦液氦槽系统设有过冷氦液氦槽lhe3及其第七温度计t31、第六压力计p31、第三液位计l31。所述过冷氦液氦槽lhe3供应入口通过第四换热器hx4与第十一调节阀v
s3
出口连接，过冷氦液氦槽lhe3出口通过第四换热器hx4与第十五调节阀v
g3
入口连接。所述过冷氦液氦槽系统设有冷压缩机cc，冷压缩机cc入口通过第十六调节阀v
c1
与第十五调节阀v
g3
入口连接，冷压缩机cc出口经第十七调节阀v
c2
与第十五调节阀v
g3
出口连接。所述过冷氦液氦槽系统设有第二旁通调节阀v6和加热器h，第二旁通调节阀v6入口与第五调节阀v5出口连接，第二旁通调节阀v6出口与加热器h入口连接。
43.本系统的工作过程如下：
44.以热负载液氦槽和循环泵液氦槽系统温度4.6k，过冷氦液氦槽系统温度3.8k为例，一种提供液氦迫流冷却工质的装置的具体过程如下：
45.第一步、低温用户预冷过程
46.打开第十二调节阀v
s4
、第七调节阀v7通过第一装置接口j1利用氦制冷机的低温氦工质经过第三装置接口j3提供给低温用户；打开第八调节阀v8和第一调节阀v1通过第四装置接口j4将低温用户的低温氦工质返回至热负载液氦槽lhe1，并通过打开第十三调节阀v
g1
将氦工质通过第二装置接口j2返回至氦制冷机。通过上述操作形成低温用户预冷回路，实现低温用户预冷至液氦温区。
47.第二步、旋转机械启动过程
48.当低温用户预冷过程完成后，打开第九调节阀v
s1
、第十调节阀v
s2
、第十一调节阀v
s3
，打开第十三调节阀v
g1
、第十四调节阀v
g2
、第十五调节阀v
g3
通过第一装置接口j1将氦制冷机提供的氦工质生产液氦后并储存在热负载液氦槽lhe1、循环泵液氦槽lhe2、过冷氦液氦槽lhe3中，并将液氦槽内的氦气通过第二装置接口j2返回至氦制冷机。当液氦槽第一液位计l11、第二液位计l21、第三液位计l31达到设定值后，通过打开第二调节阀v2、第三调节阀v3、第一旁通调节阀v4、第五调节阀v5和第二旁通调节阀v6。通过上述操作形成循环泵预冷回路，实现循环泵预冷并逐步关闭第一旁通调节阀v4启动循环泵。此外，打开第十六调节阀v
c1
、第十七调节阀v
c2
，通过逐步关闭第十五调节阀v
g3
实现冷压缩机预冷并启动冷压缩机。
49.第三步、低温用户液氦迫流冷却过程
50.逐步关闭第十二调节阀v
s4
、第一调节阀v1、和第二旁通调节阀v6，通过第二调节阀v2、第三调节阀v3、循环泵cp、第五调节阀v5、第七调节阀v7和第八调节阀v8形成低温用户液氦迫流冷却回路，利用液氦提供的冷却工质和循环泵提供的迫流方式满足低温用户液氦迫流冷却运行要求。
51.以上具体实施方式中给出的热负载液氦槽和循环泵液氦槽系统温度、过冷氦液氦槽系统温度可以根据氦制冷机和低温用户需求调整。
52.综上可见，本发明实施例提出的一种提供液氦迫流冷却工质的装置，优化了液氦迫流冷却循环方式，实现了热负荷分温区管理，能够降低液氦迫流冷却装置热负荷、减少氦低温系统投资规模和运行成本。
53.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。