一种用于超导波荡器冷屏的制冷系统及方法

1.本发明涉及超导波荡器冷屏的冷却技术领域，更具体地涉及一种用于超导波荡器冷屏的制冷系统及方法。


背景技术：

2.超导波荡器冷屏主要用于减少从室温直接传至低温冷质量(超导磁体和束流管)的热辐射，提供并维持超导波荡器磁体正常运行必需的低温环境；同时还用于为电流引线高温超导段提供冷量，传导冷却维持高温超导段上端温度。
3.现有技术中，通过制冷机直接与冷屏相连传导制冷，但是，其制冷量小、冷却时间长、具有震动干扰，只适用小型超导波荡器冷屏冷却，对于大型超导波荡器冷屏，该冷却方式则会导致冷屏的温度不均匀性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于超导波荡器冷屏的制冷系统及方法，以实现冷却温度、冷却速度和氦气循环流量可控，适用于大型超导波荡器冷屏。
5.本发明一方面提供一种用于超导波荡器冷屏的制冷系统，包括斯特林制冷机和阀箱，所述斯特林制冷机的出口和入口分别通过第一出气管和第一回气管与所述阀箱连接，所述超导波荡器内设置有第一循环管路和第二循环管路，所述第一循环管路的入口和出口分别通过第二出气管和第二回气管与所述阀箱连接，所述第二循环管路的入口和出口分别通过第三出气管和第三回气管与所述阀箱连接。
6.进一步地，所述阀箱包括上端开口的腔体和遮盖所述开口的顶盖。
7.进一步地，所述腔体内设置有主管路、旁通管路、循环风扇管路、第一出气管路、第二出气管路、第一回气管路和第二回气管路，所述主管路上设置有第一低温截止阀，所述旁通管路上设置有第二低温截止阀，所述第一回气管路上设置有第三低温截止阀，所述第二回气管路上设置有第四低温截止阀；所述第一出气管路和所述第二出气管路分别与所述第一低温截止阀的出口连通，所述第二低温截止阀的入口与所述旁通管路连通，所述第二低温截止阀的出口、所述第三低温截止阀的出口和所述第四低温截止阀的出口分别与所述循环风扇管路连通，所述顶盖上设置有循环风扇和第一出口，循环风扇管路与循环风扇的入口连通，循环风扇的出口则与第一出口连通。
8.进一步地，所述顶盖上还设置有第一进口、第二出口、第三出口、第二进口和第三进口，其中，所述第一进口与所述第一低温截止阀的入口连通，所述第二出口与所述第一出气管路连通，所述第三出口与所述第二出气管路连通，所述第二进口与所述第一回气管路连通，所述第三进口与所述第二回气管路连通。
9.进一步地，所述第一出气管分别与所述斯特林制冷机的出口和所述第一进口连接，所述第一回气管分别与所述斯特林制冷机的入口和所述第一出口连接。
10.进一步地，所述第一出气管和所述第一回气管均采用vcr接头分别与所述斯特林
制冷机的出口和入口连接。
11.进一步地，所述第二出气管分别与所述第二出口和所述第一循环管路的入口连接，所述第二回气管分别与所述第二进口和所述第一循环管路的出口连接，所述第三出气管分别与所述第三出口和所述第二循环管路的入口连接，所述第三回气管分别与所述第三进口和所述第二循环管路的出口连接。
12.进一步地，所述第一出口处设置有第一温度传感器，所述第一进口处设置有第二温度传感器，所述循环风扇的入口处设置有第三温度传感器，所述第四低温截止阀的出口处设置有第四温度传感器，所述第三低温截止阀的出口处设置有第五温度传感器，所述循环风扇的出口和入口处分别设置有第一压力传感器和第三压力传感器，所述第一压力传感器和所述第三压力传感器之间设置有压力变送器；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和压力变送器分别与第二控制器通讯连接，所述第二控制器与第二控制面板通讯连接。
13.进一步地，所述斯特林制冷机的入口和出口处分别设置有第六温度传感器和第七温度传感器；所述第六温度传感器和第七温度传感器分别与第一控制器通讯连接；所述第一控制器与第一控制面板通讯连接。
14.进一步地，所述第一循环管路的入口和出口处分别设置有第八温度传感器和第九温度传感器，所述第二循环管路的入口和出口处分别设置有第十温度传感器和第十一温度传感器，所述第八温度传感器、第九温度传感器、第十温度传感器和第十一温度传感器分别与第三控制器通讯连接，所述第三控制器还与第三控制面板通讯连接。
15.进一步地，所述第一控制器、第二控制器和第三控制器分别与一电源电连接。
16.进一步地，所述顶盖上还设置有针阀和减压阀。
17.进一步地，所述循环风扇的最大扬程为300m，频率在100hz～300hz之间。
18.本发明的用于超导波荡器冷屏的制冷系统，采用斯特林制冷机提供冷氦气，并通过阀箱将冷氦气传输至超导波荡器，与冷屏和电流引线进行换热后再将热氦气回收至斯特林制冷机，从而形成循环回路；阀箱包括腔体和顶盖，内部管线、温度传感器和压力传感器等均集成在腔体内，内部管线的出入口则集成在顶盖上，结构紧凑且方便拆卸；循环风扇设置于顶盖上，减小了其所占空间；超导波荡器内设置有两条循环管路，冷却范围广，冷却效率高；由于斯特林制冷机内已经充有氦气，因此在制冷过程中无需补加额外氦气，节约运行成本；通过控制第二低温截止阀、第三低温截止阀和第四低温截止阀的阀门开度及第二变频器的频率，可控制冷屏的降温速率，适用于大型超导波荡器冷屏。
19.本发明另一方面提供一种用于超导波荡器冷屏的制冷方法，包括以下步骤：
20.s1：对斯特林制冷机的曲轴腔室充放氦气3～6次，最后充压至20～24barg，采用罗茨泵对循环回路抽空置换3～5次，最后充压至7～9barg，采用分子泵对斯特林制冷机的冷头外腔室及阀箱的腔体抽空；
21.s2：开启循环风扇并使其以100hz的低频率运转，同时打开第一低温截止阀门、第二低温截止阀门、第三低温截止阀门和第四低温截止阀门；
22.s3：开启斯特林制冷机并增大循环风扇的频率至300hz，同时调节各低温截止阀门的阀门开度至预设值，开始循环制冷；
23.s4：第一控制器、第二控制器和第三控制器分别采集斯特林制冷机、阀箱和超导波荡器内的温度和压力数据，并分别由第一控制面板、第二控制面板和第三控制面板实时显示。
24.进一步地，步骤s3中，所述第二低温截止阀门的阀门开度预设为20％～40％，所述第三低温截止阀和第四低温截止阀的阀门开度预设为60％～90％。
25.本发明的用于超导波荡器冷屏的制冷方法，采用斯特林制冷机提供冷氦气，并通过阀箱将冷氦气传输至超导波荡器，与冷屏和电流引线进行换热后再将热氦气回收至斯特林制冷机，从而形成循环回路；通过控制第二低温截止阀、第三低温截止阀和第四低温截止阀的阀门开度及第二变频器的频率，可控制冷屏的降温速率，适用于大型超导波荡器冷屏。
附图说明
26.图1为根据本发明实施例的用于超导波荡器冷屏的制冷系统的结构示意图；
27.图2为根据本发明实施例的超导波荡器的俯视图；
28.图3为根据本发明实施例的阀箱的结构示意图；
29.图4为根据本发明实施例的用于超导波荡器冷屏的制冷系统的管路流程示意图；
30.图5为根据本发明另一实施例的超导波荡器冷屏的制冷方法的流程图。
具体实施方式
31.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
32.如图1所示，本发明实施例提供一种用于超导波荡器冷屏的制冷系统，包括斯特林制冷机100、阀箱200和超导波荡器300，斯特林制冷机100的出口通过第一出气管400与阀箱200连通，斯特林制冷机100的入口则通过第一回气管500与阀箱200连通，如图2所示，超导波荡器300内设置有第一循环管路301和第二循环管路302，第一循环管路301的入口303和出口304分别通过第二出气管600和第二回气管700与阀箱200连接，第二循环管路302的入口305和出口306分别通过第三出气管800和第三回气管900与阀箱200连接。斯特林制冷机100中的冷氦气经过第一出气管400进入阀箱200，然后分别从第二出气管600和第三出气管800进入第一循环管路301和第二循环管路302，与超导波荡器300的冷屏307和电流引线308进行换热，从而对其进行冷却，换热后的热氦气经过第二回气管700和第三回气管900进入阀箱200，然后再通过第一回气管500进入斯特林制冷机100进行冷却，从而形成一个循环回路。斯特林制冷机制冷效率高，制冷量大，可满足超导波荡器的制冷需求，斯特林制冷机作为冷源，是本系统的核心设备。
33.如图3所示，阀箱200包括上端开口的腔体201和遮盖该开口的顶盖202，腔体201内设置有主管路203、旁通管路204、循环风扇管路205、第一出气管路206、第二出气管路207、第一回气管路208和第二回气管路209，主管路203上设置有第一低温截止阀210，旁通管路204上设置有第二低温截止阀211，第一回气管路208上设置有第三低温截止阀212，第二回气管路209上设置有第四低温截止阀213；第一出气管路206和第二出气管路207分别与第一低温截止阀210的出口连通，第二低温截止阀211的入口与旁通路204(参照图4)连通，第二低温截止阀211的出口、第三低温截止阀212的出口和第四低温截止阀213的出口分别与循环风扇管路205连通，顶盖202上设置有循环风扇214和第一出口215，循环风扇管路205与循
环风扇214的入口连通，循环风扇214的出口则与第一出口215连通。
34.顶盖202上还设置有第一进口216、第二出口217、第三出口218、第二进口219和第三进口220，其中，第一进口216与第一低温截止阀210的入口连通，第二出口217与第一出气管路206连通，第三出口218与第二出气管路207连通，第二进口219与第一回气管路208连通，第三进口220与第二回气管路209连通。
35.第一出气管400分别与斯特林制冷机100的出口和第一进口216连接，第一回气管500分别与斯特林制冷机100的入口和第一出口215连接。第二出气管600分别与第二出口217和第一循环管路301的入口303连接，第二回气管700分别与第二进口219和第一循环管路301的出口304连接，第三出气管800分别与第三出口218和第二循环管路302的入口305连接，第三回气管900分别与第三进口220和第二循环管路302的出口306连接。
36.第一出气管400和第一回气管500均采用vcr接头与斯特林制冷机100连接，并采用bayonet接头与阀箱200连接；第二出气管600、第二回气管700、第三出气管800和第三回气管900均采用bayonet接头与阀箱200或超导波荡器300连接，vcr接头拆装方便且密封性好，bayonet接头拆装方便且可减少漏热。
37.第一出气管400、第一回气管500、第二出气管600、第二回气管700、第三出气管800和第三回气管900均采用软管，从而降低斯特林制冷机100的振动对阀箱200和超导波荡器300的干扰。
38.阀箱200底部设置有万向轮225，方便移动。
39.本发明的氦气循环过程如下：
40.斯特林制冷机100的冷氦气通过第一出气管400和第一进口216进入主管路203，经过第一低温截止阀210后分别进入第一出气管路206和第二出气管路207，然后通过第二出口217、第二出气管600和第一循环管路301的入口303进入第一循环管路301，并通过第三出口218、第三出气管800和第二循环管路302的入口305进入第二循环管路302，两个循环管路分别与冷屏307和电流引线308进行换热，从而对其进行冷却；换热后得到的热氦气分别从第一循环管路301的出口304和第二循环管路302的出口306进入第二回气管700和第三回气管900，第二回气管700中的热氦气依次通过第二进口219、第一回气管路208和第三低温截止阀212进入循环风扇管路205，然后依次经过循环风扇214、第一出口215和第一回气管500进入斯特林制冷机中重新制冷；第三回气管900中的热氦气依次通过第三进口220、第二回气管路209、第四低温截止阀213进入循环风扇管路205，然后依次经过循环风扇214、第一出口215和第一回气管500进入斯特林制冷机中，循环冷却水对制冷机进行冷却，这样即实现了氦气的一个循环。旁通管路204可控制冷屏降温速率，其上的第二低温截止阀211开度越大，进入超导波荡器300的冷氦气会相对减少，增加冷屏冷却时长；反之，会增加冷屏冷却速率。通常在斯特林制冷机100开始运行时的一段时间，就调节好各低温截止阀门的开度，根据冷屏降温温度和回温温度，再次调节各低温截止阀门，以确保温度可控和系统回温速率大小。
41.如图4所示，第一出口215处设置有第一温度传感器t01，第一进口216处设置有第二温度传感器t02，循环风扇214的入口处设置有第三温度传感器t03，第四低温截止阀213的出口处设置有第四温度传感器t04，第三低温截止阀212的出口处设置有第五温度传感器t05，用于采集阀箱200内部管路各出口和入口的氦气温度，循环风扇214的出口和入口处分
别设置有第一压力传感器p01和第三压力传感器p03，分别用于测量循环风扇214上下游的氦气压力，第一压力传感器p01和第三压力传感器p03之间设置有压力变送器dp02，用于读取两者之间的氦气压差，由此可计算不同频率下循环风扇214的循环流量；第一进口216处设置有第二压力传感器p02，用于测量第一进口216处的压力；第二变频器fre2与第二控制器plc2通讯连接，以调节循环风扇214的转速，提供系统足够的换热流量和平衡流阻；第一温度传感器t01、第二温度传感器t02、第三温度传感器t03、第四温度传感器t04、第五温度传感器t05、第一压力传感器p01、第二压力传感器p02、第三压力传感器p03和压力变送器dp02分别与第二控制器plc2通讯连接，以采集阀箱200内部管路各入口和出口处的温度和压力，第二控制器plc2与第二控制面板ctr2通讯连接，以对第二控制器plc2进行操作并将温度和压力等数据实时显示；第二控制器plc2还分别与第一低温截止阀210、第二低温截止阀211、第三低温截止阀212、第四低温截止阀213和循环风扇214通讯连接，这样，通过第二控制面板ctr2可控制低温截止阀的通断和循环风扇214的开闭和频率等。
42.斯特林制冷机100的入口和出口处分别设置有第六温度传感器t06和第七温度传感器t07，用于测量这两处的氦气温度；第一变频器fre01与第一控制器plc1通讯连接，用于调节斯特林制冷机的功率；第六温度传感器t06、第七温度传感器t07和第一变频器fre01分别与第一控制器plc1通讯连接，以采集其温度；第一控制器plc1与第一控制面板ctr1通讯连接，以对第一控制器plc1进行操作并将采集的温度数据实时显示。
43.第一循环管路301的入口和出口处分别设置有第八温度传感器t08和第九温度传感器t09，分别用于测量第一循环管路301的入口和出口处的氦气温度；第二循环管路302的入口和出口处分别设置有第十温度传感器t10和第十一温度传感器t11，分别用于测量第二循环管路302的入口和出口处的氦气温度；第八温度传感器t08、第九温度传感器t09、第十温度传感器t10和第十一温度传感器t11分别与第三控制器plc3通讯连接，以采集第八至第十一温度传感器的温度数据；第三控制器plc3还与第三控制面板ctr3通讯连接，以对第三控制器plc3进行操作并将采集的温度数据实时显示。
44.电源power分别与第一控制器plc1、第二控制器plc2和第三控制器plc3电连接，以对它们进行供电。
45.第一控制器plc1、第二控制器plc2上均设置有压力和温度报警模块，当其采集的温度和压力超过预设阈值时，发出声光报警；第三控制器plc3上设置有温度报警模块，当其采集的温度超过预设阈值时，发出声光报警，从而保证系统的安全平稳运行。
46.通过调节第二低温截止阀211、第三截止阀212和第四截止阀213的阀门开度以及第二变频器fre2的频率，可控制冷屏307的降温速率和平衡系统流阻、增加换热流量。在本实施例中，第二低温截止阀211的阀门开度为20％～40％，优选为30％；第三低温截止阀212和第四低温截止阀213的阀门开度为60％～90％，优选为75％；第一低温截止阀210全部打开，即其阀门开度为100％，保证充足流量进入超导波荡器300进行冷却。
47.循环风扇214的扬程最大可达300m，以满足换热流量和平衡流阻，其频率在100hz～300hz之间。
48.顶盖202上还设置有针阀221和减压阀222，当冷屏307升温时，为避免氦气压过高，由针阀221和减压阀222排气，从而降低管路压力；一氦气存储罐223通过针阀221和减压阀222与阀箱200的循环风扇管路205连接，当冷屏307降温时，由氦气存储罐223通过针阀221
和减压阀222对管路补充微量氦气，以维持内部管路内的氦气压。
49.该制冷系统还包括分子泵101和罗茨泵224，分子泵101用于对斯特林制冷机100的冷头外腔和阀箱200的腔体201抽空(10-3
pa量级)；罗茨泵224则用于对阀箱200的内部管路抽空(10-4
pa量级)。
50.本发明实施例的用于超导波荡器冷屏的制冷系统，采用斯特林制冷机100提供冷氦气，并通过阀箱200将冷氦气传输至超导波荡器300，与冷屏307和电流引线308进行换热后再将热氦气回收至斯特林制冷机100，从而形成循环回路；阀箱200包括腔体201和顶盖202，内部管线、温度传感器和压力传感器等均集成在腔体201内，内部管线的出入口则集成在顶盖202上，结构紧凑且方便拆卸；循环风扇214设置于顶盖202上，减小了其所占空间；超导波荡器300内设置有两条循环管路，冷却范围广，冷却效率高；由于斯特林制冷机100内已经充有氦气，因此在制冷过程中无需补加额外氦气，节约运行成本；通过控制第二低温截止阀211、第三低温截止阀212和第四低温截止阀213的阀门开度及第二变频器fre2的频率，可控制冷屏307的降温速率，适用于大型超导波荡器冷屏。
51.如图5所示，本发明另一实施例提供一种超导波荡器冷屏的制冷方法，其采用上一实施例的用于超导波荡器冷屏的制冷系统，包括以下步骤：
52.s1：对斯特林制冷机100的曲轴腔室充放氦气3～6次，优选为5次；最后充压至20～24barg，优选为22barg，采用罗茨泵224对循环回路抽空置换(10-2～-4
pa量级)3～5次，最后充压至7～9barg，优选为8barg；采用分子泵101对斯特林制冷机100的冷头外腔室及阀箱200的腔体201抽空(10-3
pa量级)；
53.s2：开启循环风扇214并使其低频率(100hz)运转，同时打开各低温截止阀门；
54.s3：开启斯特林制冷机100并增大循环风扇214的频率至300hz，同时调节各低温截止阀门的阀门开度至预设值，开始循环制冷；
55.其中，第二低温截止阀211的阀门开度预设为20％～40％，第三低温截止阀212和第四低温截止阀213的阀门开度预设为60％～90％。
56.s4：第一控制器plc1、第二控制器plc2和第三控制器plc3分别采集斯特林制冷机100、阀箱200和超导波荡器300内的温度和压力数据，并分别由第一控制面板ctr1、第二控制面板ctr2和第三控制面板ctr3实时显示。
57.本发明实施例提供的超导波荡器冷屏的制冷方法，采用斯特林制冷机100提供冷氦气，并通过阀箱200将冷氦气传输至超导波荡器300，与冷屏307和电流引线308进行换热后再将热氦气回收至斯特林制冷机100，从而形成循环回路；通过控制第二低温截止阀211、第三低温截止阀212和第四低温截止阀213的阀门开度及第二变频器fre2的频率，可控制冷屏307的降温速率。
58.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。