一种具有吸附器再生管路的超流氦制冷机

1.本发明涉及超低温制冷技术领域，特别是涉及一种具有吸附器再生管路的超流氦制冷机。


背景技术：

2.超流氦具有非常高的热导率，远高于金属的导热性能，是铜的几千倍。由于超流氦具有优良的流动和传热性能，因此在很多应用场合，常用其冷却超导磁体。超流氦几乎无黏性，很容易渗透到磁体内部，迅速消除热扰动。使用超流氦冷却加速器和超导磁体能够提高稳定性，且能减少能量消耗和运行成本。
3.由于超流氦更低的温度、极小的粘度和高导热率等优点，目前利用超流氦建立了多种低温制冷系统和制冷机。超流氦制冷机一般包括一套4.5k氦低温系统和一套1.8/2k超流氦低温子系统，在制取液氦的同时制取超流氦。超流氦制冷机的原料气氦气为高纯氦，但是仍然不可避免的含有多种杂质气体，比如氧气，氮气，烃类，氢气及氖气。为了去除氦气原料气中的杂质气体，目前的超流氦制冷机一般采用低温吸附器进行杂质气体的去除，而且为了超流氦制冷机能够连续运行，低温吸附器一般设计有在线再生管路。然而现有的低温吸附器再生管路存在一些缺陷，会影响超流氦制冷机的正常工作。例如公开日为2022年01月04日，公布号为cn113883827 a的中国专利申请公开了一种氦气纯化及液化系统，其采用设置在低温吸附器外部的电加热器进行低温吸附器的再生。由于超流氦制冷机冷箱是高真空环境，如果将电加热器放置在低温吸附器外部，会造成加热器干烧，损坏加热器。另外也有可能会造成真空放电，在真空状态下，有击穿的可能性。又例如公开日为2021年12月03日，公布号为cn113731107a的中国专利申请公开了一种在线再生系统，其吸附器再生采用常温高压氦气直接吹扫吸附器内部的活性炭进行解吸附，这种方法会消耗大量氦气，会影响制冷机主流氦气的流量，从而影响超流氦制冷机的正常工作。


技术实现要素：

4.本发明的一目的是，提供一种具有吸附器再生管路的超流氦制冷机，所述超流氦制冷机的低温吸附器利用常温高压氦气和内部的盘管式换热器之间的间壁式换热过程加热活性炭，实现再生过程，再生时不影响超流氦制冷机连续运行。
5.本发明提供了一种具有吸附器再生管路的超流氦制冷机，包括压缩机组、制冷机冷箱、均设置于所述制冷机冷箱内的氦气预冷模块、低温吸附器模块、多级透平膨胀机组、换热器组、节流阀组、过冷器和冷压缩机组；以及均设置于所述制冷机冷箱之外的气液分离器、4.5～75k温区负载和2k负载；
6.所述压缩机组包括正压压缩机和负压压缩机，所述正压压缩机包括中压压缩机和高压压缩机，所述负压压缩机的出口和所述中压压缩机的出口均连接于所述高压压缩机的吸气口，所述高压压缩机的出口连接于所述冷箱的进口，所述高压压缩机排出的常温高压氦气经由所述冷箱的进口进入所述冷箱；
7.所述氦气预冷模块设置在所述冷箱的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机组之前，用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行预冷；
8.所述低温吸附器模块用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行吸附除杂过程；
9.所述多级透平膨胀机组包括第一透平膨胀机组、第二透平膨胀机组、第三透平膨胀机组以及第四透平膨胀机组，用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行多级冷却过程；
10.所述换热器组用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行多级换热过程；
11.所述超流氦制冷机包括高压主气路、中压回气路、低压回气路、负压回气路和吸附器再生管路；所述高压主气路的进口连接于所述冷箱的进口，出口连接于所述过冷器的进口；所述中压回气路的进口连接于所述第二透平膨胀机组的出口，出口连接于所述高压压缩机的吸气口；所述低压回气路的进口连接于所述过冷器的气相出口，出口连接于所述中压压缩机的吸气口；所述负压回气路的进口连接于所述冷压缩机组的出口，出口连接于所述负压压缩机的吸气口；所述吸附器再生管路的进口连接于所述高压压缩机的出口，出口连接于所述低温吸附器模块；
12.所述过冷器的液相出口连接于所述4.5～75k温区负载的进口和所述气液分离器的进口，所述4.5～75k温区负载的出口连接于所述低压回气路，所述气液分离器的液相出口连接于所述2k负载，所述2k负载的出口和所述气液分离器的气相出口均连接于所述冷压缩机组的进口；
13.其中所述高压压缩机排出的一部分常温高压氦气经由所述冷箱的进口进入所述高压主气路，经由所述氦气预冷模块预冷后，分别经由所述多级透平膨胀机组进行多级冷却过程，经由所述换热器组进行多级换热过程，和经由所述低温吸附器模块进行吸附除杂过程后，形成超临界氦，所述超临界氦经所述节流阀组节流和所述过冷器过冷后，形成过冷超临界氦，一部分所述过冷超临界氦进入所述4.5～75k温区负载中；另一部分所述过冷超临界氦节流后分为气液两相，液相进入所述气液分离器中积液，当积液的液氦达到预设液位时，所述冷压缩机组启动，将所述气液分离器中的液氦减压形成2k饱和超流氦，2k饱和超流氦进入所述2k负载处；气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2k负载的回气汇合进入所述冷压缩机组，经由所述冷压缩机组提压后，返流进入所述换热器组的负压通道，经多级压降后形成负压氦气，负压氦气进入所述负压压缩机中压缩到中压，与来自所述中压压缩机排出的中压气体以及所述中压回气路的气体混合后，进入所述高压压缩机，至此完成一个氦气循环；
14.其中所述高压压缩机排出的另一部分常温高压氦气经由所述吸附器再生管路进入所述低温吸附器模块中，经由所述低温吸附器模块的盘管式换热器对活性炭进行盘管间壁换热过程，实现对所述活性炭的解吸附处理，以此完成所述低温吸附器模块的再生过程，其中经过盘管间壁换热过程的再生氦气经过再生氦气回气管路进入所述低压回气路，与所述低压回气路的气体汇合进入所述中压压缩机中。
15.在本发明的一实施例中，所述低温吸附器模块包括连接于所述高压主气路的多个低温吸附器组，所述低温吸附器组用于吸附去除所述高压主气路的氦气中的杂质气体，所述超流氦制冷机还包括设置在所述吸附器再生管路上的再生调节阀、连接于所述再生调节阀的吸附器再生支路、以及设置在所述吸附器再生支路上的开关阀；其中所述吸附器再生管路中的常温高压氦气经由所述吸附器再生支路分别进入对应的所述低温吸附器组，所述
超流氦制冷机通过所述再生调节阀和对应的所述开关阀控制进入对应的所述低温吸附器组的常温高压氦气量。
16.在本发明的一实施例中，所述低温吸附器组包括内部设置有所述盘管式换热器的低温吸附器、设置在所述低温吸附器前后两端的前端调节阀和后端开关阀，以及连接于所述高压主气路和所述低温吸附器的旁路调节阀，所述低温吸附器组通过控制所述前端调节阀和所述后端开关阀的开闭来切换对应的所述低温吸附器的吸附除杂过程和再生过程，并在所述低温吸附器均处于再生过程时，通过打开对应的所述旁路调节阀的方式，来确保所述超流氦制冷机的连续运行。
17.在本发明的一实施例中，所述低温吸附器组还包括分别设置在对应的所述低温吸附器的再生气入口和中段位置的温度传感器和设置在对应的所述低温吸附器与其对应的后端开关阀之间的压力传感器，所述温度传感器用于监测对应的所述低温吸附器的温度，所述压力传感器用于监测对应的所述低温吸附器的管路压力。
18.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括连接于对应的所述低温吸附器的解吸附气体排出管路、设置于所述解吸附气体排出管路上的电加热器和位于所述电加热器前后端的加热调节阀与排放调节阀、连接于所述解吸附气体排出管路的真空泵和气囊，其中所述真空泵用于在所述低温吸附器内气体达到微正压时抽出所述低温吸附器内的解吸附气体，所述电加热器用于加热所述解吸附气体排出管路中的解吸附气体，所述加热调节阀用于控制调节进入所述电加热器的解吸附气体量，所述排放调节阀用于控制调节进入所述气囊的解吸附气体量。
19.在本发明的一实施例中，所述低温吸附器组包括80k低温吸附器组和20k低温吸附器组，所述80k低温吸附器组包括两个并联设置的80k低温吸附器，80k低温吸附器包括第一80k低温吸附器和第二80k低温吸附器，所述20k低温吸附器组包括设置在所述高压主气路的20k低温吸附器；所述吸附器再生支路包括连接于所述再生调节阀和所述第一80k低温吸附器的第一吸附器再生支路、连接于所述再生调节阀和所述第二80k低温吸附器的第二吸附器再生支路以及连接所述再生调节阀和所述20k低温吸附器的第三吸附器再生支路，所述开关阀包括设置在所述第一吸附器再生支路上的第一开关阀、设置在第二吸附器再生支路上的第二开关阀以及设置在所述第三吸附器再生支路上的第三开关阀。
20.在本发明的一实施例中，所述80k低温吸附器组还包括分别设置在所述第一80k低温吸附器前后端的第一前端调节阀和第一后端开关阀、分别设置在所述第二80k低温吸附器前后端的第二前端调节阀和第二后端开关阀、以及设置在高压主气路上的第一旁路调节阀，所述80k低温吸附器组通过控制所述第一前端调节阀与所述第一后端开关阀的开闭来切换所述第一80k低温吸附器的吸附除杂过程和再生过程；和通过控制所述第二前端调节阀与所述第二后端开关阀的开闭来切换所述第二80k低温吸附器的吸附除杂过程和再生过程；其中在所述第一80k低温吸附器和所述第二80k低温吸附器均进行再生过程时，所述第一旁路调节阀处于打开状态，以确保所述超流氦制冷机的连续运行；
21.所述20k低温吸附器组还包括分别设置在所述20k低温吸附器前后端的第三前端调节阀和第三后端开关阀、以及并联设置于所述20k低温吸附器的第二旁路调节阀，所述20k低温吸附器组通过控制所述第三前端调节阀与所述第三后端开关阀的开闭来切换所述20k低温吸附器的吸附除杂过程和再生过程；其中在所述20k低温吸附器进行再生过程时，
所述第二旁路调节阀处于打开状态，以确保所述超流氦制冷机的连续运行。
22.在本发明的一实施例中，所述80k低温吸附器组包括分别设置在所述第一80k低温吸附器的再生气入口和中段位置的第一温度传感器和第二温度传感器、设置在所述第一80k低温吸附器和所述第一后端开关阀之间的第一压力传感器、分别设置在所述第二80k低温吸附器的再生气入口和中段位置的第三温度传感器和第四温度传感器、以及设置在所述第二80k低温吸附器和所述第二后端开关阀之间的第二压力传感器，其中所述第一温度传感器和所述第二温度传感器用于监测所述第一80k低温吸附器的温度，所述第一压力传感器用于监测所述第一80k低温吸附器的管路压力；所述第三温度传感器和所述第四温度传感器用于监测所述第二80k低温吸附器的温度，所述第二压力传感器用于监测所述第二80k低温吸附器的管路压力；
23.所述20k低温吸附器组包括分别设置在所述20k低温吸附器的再生气入口和中段位置的第五温度传感器和第六温度传感器、以及设置在所述20k低温吸附器和所述第三后端开关阀之间的第三压力传感器，所述第五温度传感器和所述第六温度传感器用于监测所述20k低温吸附器的温度，所述第三压力传感器用于监测所述20k低温吸附器的管路压力。
24.在本发明的一实施例中，所述解吸附气体排出管路包括连接于所述第一80k低温吸附器和所述气囊的第一解吸附气体排出管路、连接于所述第二80k低温吸附器和所述气囊的第二解吸附气体排出管路以及连接于所述20k低温吸附器和所述气囊的第三解吸附气体排出管路；所述电加热器包括设置于所述第一解吸附气体排出管路上的第一电加热器、设置于所述第二解吸附气体排出管路上的第二电加热器以及设置于所述第三解吸附气体排出管路上的第三电加热器；所述加热调节阀包括设置于所述第一解吸附气体排出管路上的第一加热调节阀、设置于所述第二解吸附气体排出管路上的第二加热调节阀以及设置于所述第三解吸附气体排出管路上的第三加热调节阀，所述排放调节阀包括设置于所述第一解吸附气体排出管路上的第一排放调节阀、设置于所述第二解吸附气体排出管路上的第二排放调节阀以及设置于所述第三解吸附气体排出管路上的第三排放调节阀，所述气囊前还设置有进气调节阀。
25.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括设置于所述制冷机冷箱内并连接于所述第一透平膨胀机组的50～75k温区负载兑温管路和连接于所述50～75k温区负载兑温管路的50～75k温区负载，所述50～75k温区负载兑温管路包括连接于所述高压主气路的50k氦气管路、连接于所述50k氦气管路和所述50～75k温区负载的进口的负载去流管路、连接于所述50k氦气管路的兑温管路、连接于50～75k温区负载的出口的回流管路、以及连接于所述回流管路、所述兑温管路以及所述第一透平膨胀机组的氦气通过管路，所述50k氦气管路设置有50k氦气管路调节阀，所述兑温管路设置有兑温管路调节阀和兑温管路加热器，所述回流管路设置有回流管路调节阀，其中所述兑温管路用于经由所述兑温管路调节阀和所述兑温管路加热器来调节所述回流管路中氦气的温度，使得经由所述氦气通过管路进入所述第一透平膨胀机组的氦气能够满足所述第一透平膨胀机组的进口温度和压力的要求。
26.在本发明的一实施例中，所述换热器组包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路以及所述负压回气路的并依次设置的第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器以及第五级换热器，还包括连接于所述高压主气路、所述中压
回气路、所述低压回气路的第六级换热器，连接于所述高压主气路和所述低压回气路的第七级换热器和第八级换热器，以及连接于所述过冷器的液相出口、所述气液分离器的进口与气相出口和所述2k负载的出口的第九级换热器，其中所述气液分离器排出的氦气和所述2k负载的回气汇合后进入所述第九级换热器中进行换热，换热后的气体进入所述冷压缩机组。
27.在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块包括连接于所述高压主气路的氦气通路调节阀、连接于所述氦气通路调节阀的液氮预冷换热器、连接于所述液氮预冷换热器的液氮进口管路、以及设置于所述液氮进口管路的液氮进口调节阀，所述液氮预冷换热器的出口连接于所述高压主气路，并位于所述第二级换热器的出口和所述低温吸附器组的进口之间，所述氦气预冷模块通过所述液氮进口管路通入的液氮对所述常温高压氦气进行预冷，并通过所述氦气通路调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的氦气量，和通过所述液氮进口调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的液氮量。
28.在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块包括由第一透平、第二透平、第三透平串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器的出口和所述第一透平的进口之间的第一入口调节阀，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路。
29.在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块包括由第一透平、第二透平、第三透平串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器的出口和所述第一透平的进口之间的第一入口调节阀，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路。
30.在本发明的一实施例中，所述第一透平膨胀机组包括串联设置的第四透平和第五透平，以及设置在所述第三级换热器的出口和所述第四透平的进口之间的第二入口调节阀，所述第四透平的进口连接于所述50～75k温区负载兑温管路的所述氦气通过管路，所述第五透平的出口连接于所述中压回气路。
31.在本发明的一实施例中，所述第二透平膨胀机组包括串联设置的第六透平和第七透平，以及设置在所述第五级换热器的出口和所述第六透平的进口之间的第三入口调节阀，所述第七透平的出口连接所述中压回气路。
32.在本发明的一实施例中，所述第三透平膨胀机组包括串联设置的第八透平和第九透平，以及连接于所述高压主气路和所述第八透平的进口的第四入口调节阀，所述第九透平的出口连接于所述低压回气路。
33.在本发明的一实施例中，所述第四透平膨胀机组包括第十透平、设置在所述第七级换热器的出口和所述第十透平的进口之间的第五入口调节阀以及设置在所述高压主气路上，并位于所述第七级换热器和所述第八级换热器之间的末级透平旁通阀，所述第十透平的出口连接于所述高压主气路。
34.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括连接于所述第四透平膨胀机组的出口和所述低压回气路的冷箱旁通管路和设置在所述冷箱旁通管路上的冷箱旁通阀。
35.在本发明的一实施例中，所述节流阀组包括并联设置的第一节流阀和第二节流阀，所述过冷器的气相出口和所述低压回气路之间还设置有回气阀，所述第九级换热器和所述气液分离器的进口之间还设置有第三节流阀；
36.其中所述高压主气路输出的一部分超临界氦经过所述第一节流阀节流为气液两相，液相在所述过冷器中积液，气相通过所述回气阀进入所述低压回气路；另一部分超临界
氦经所述第二节流阀节流后进入所述过冷器中，被所述过冷器积液的液氦过冷形成过冷超临界氦，过冷超临界氦自所述过冷器流出，一部分供给所述4.5～75k温区负载，另一部分进入所述第九级换热器，经过所述第三节流阀节流为气液两相，液相在所述气液分离器中积液，气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2k负载的回气汇合进入所述第九级换热器中换热，换热后的氦气进入所述冷压缩机组。
37.在本发明的一实施例中，所述冷压缩机组包括串联设置的第六入口调节阀、第一冷压缩机、第二冷压缩机、第三冷压缩机、第四冷压缩机以及第一出口调节阀，所述超流氦制冷机还包括并联于所述冷压缩机组的冷压缩机组旁通管路和设置于所述冷压缩机组旁通管路上的旁通管路调节阀。
38.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括气体管理面板，所述气体管理面板包括连接于所述高压主气路和所述中压回气路的中压旁通阀、连接所述高压主气路和所述低压回气路的低压旁通阀、连接于所述低压回气路和所述高压主气路的加载阀与缓冲罐卸载阀、以及连接于所述加载阀和所述缓冲罐卸载阀之间的缓冲罐。
39.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括设置在所述负压压缩机和所述高压压缩机之间的单向阀，所述单向阀用于防止所述负压压缩机的出口氦气逆流。
40.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括负载冷箱，所述气液分离器、所述4.5～75k温区负载、所述2k负载、所述50～75k温区负载、所述第九级换热器以及所述第三节流阀均设置于所述负载冷箱内，所述制冷机冷箱和所述负载冷箱之间通过多通道传输管线相连接。
41.本发明的所述超流氦制冷机通过在所述高压主气路上引出所述吸附器再生管路，并在低温吸附器内设置有盘管式换热器的方式，使得所述低温吸附器模块的低温吸附器能够利用系统的一部分常温高压氦气与低温吸附器内部的盘管式换热器之间的盘管间壁换热过程加热活性炭，实现低温吸附器的解吸附过程，即实现低温吸附器的再生过程，其中经过盘管间壁换热过程的再生用氦气经过所述再生氦气回气管路回气到所述低压回气路，所述低温吸附器模块能够实现自动在线再生，再生时不影响所述超流氦制冷机的连续运行。
42.本发明的所述超流氦制冷机进一步设置有连接于所述高压主气路和所述低温吸附器的旁路调节阀，在低温吸附器均处于再生过程时，可通过打开对应的旁路调节阀的方式，使得所述高压主气路中的主路气体能够自所述旁路调节阀通过，从而能够避免低温吸附器的再生过程影响超流氦制冷机连续运行。
43.本发明的所述超流氦制冷机还设计了解吸附气体的排放路线，解吸附后含杂质的氦气气体通过对应的解吸附气体排出管路进入气囊，后续送入纯化系统中进行污氦气的纯化。本发明具体通过将低温吸附器内部留存低温气体排放到气囊中直到低温吸附器内部压力为常压然后再给低温吸附器内盘管换热器通入再生氦气的方式，能够防止低温吸附器直接再生，内部低温气体膨胀超压，排放到常压可以防止低温吸附器内部压力过低，从而确保在吸附器再生工况下，再生氦气通入的盘管换热器与低温吸附器内活性炭之间能够具有良好的换热效果。
44.本发明的所述超流氦制冷机通过在所述第一透平膨胀机组处设置50～75k温区负载兑温管路的方式，使得进入所述第一透平膨胀机组的流体参数能够达到叶轮机械入口设计参数，从而使得透平膨胀机组能运行在最佳工况，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。
45.通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
46.图1为本发明的一优选实施例的所述具有吸附器再生管路的超流氦制冷机的结构示意图，其中箭头方向代表流体流动方向。
47.图2为图1所示的a部分的放大示意图。
48.图3为图1所示的b部分的放大示意图。
49.图4为图1所示的所述具有吸附器再生管路的超流氦制冷机的负载冷箱的放大示意图。
50.附图标号说明：中压压缩机1；高压压缩机2；负压压缩机3；单向阀4；中压旁通阀5；低压旁通阀6；缓冲罐卸载阀7；缓冲罐8；加载阀9；制冷机冷箱10；冷箱旁通管路11；冷箱旁通阀12；第一节流阀13；第二节流阀14；回气阀15；第三节流阀16；负载冷箱17；
51.高压主气路18；氦气高压主路调节阀181；中压回气路19；低压回气路20；负压回气路21；吸附器再生管路22；再生调节阀23；第一吸附器再生支路24；第二吸附器再生支路25；第三吸附器再生支路26；第一开关阀27；第二开关阀28；第三开关阀29；
52.氦气通路调节阀30；液氮预冷换热器31；液氮进口管路32；液氮进口调节阀33；第一透平34；第二透平35；第三透平36；第一入口调节阀37；
53.第四透平38；第五透平39；第二入口调节阀40；第六透平41；第七透平42；第三入口调节阀43；第八透平44；第九透平45；第四入口调节阀46；第十透平47；第五入口调节阀48；末级透平旁通阀49；
54.50k氦气管路50；50k氦气管路调节阀51；负载去流管路52；兑温管路53；兑温管路调节阀54；兑温管路加热器55；回流管路56；氦气通过管路57；第一透平膨胀机组的进口管路58；回流管路调节阀59；
55.第一80k低温吸附器60；第一前端调节阀601；第一后端开关阀602；第一温度传感器603；第二温度传感器604；第一压力传感器605；第一旁路调节阀606；第二80k低温吸附器61；第二前端调节阀611；第二后端开关阀612；第三温度传感器613；第四温度传感器614；第二压力传感器615；20k低温吸附器62；第三前端调节阀621；第三后端开关阀622；第五温度传感器623；第六温度传感器624；第三压力传感器625；第二旁路调节阀626；
56.第一解吸附气体排出管路63；第二解吸附气体排出管路64；第三解吸附气体排出管路65；第一加热调节阀631；第二加热调节阀641；第三加热调节阀651；第一电加热器632；第二电加热器642；第三电加热器652；第一排放调节阀633；第二排放调节阀643；第三排放调节阀653；再生氦气回气管路66；进气调节阀67；
57.第六入口调节阀70；第一冷压缩机71；第二冷压缩机72；第三冷压缩机73；第四冷压缩机74；第一出口调节阀75；冷压缩机组旁通管路76；旁通管路调节阀77；
58.第一管路81；第二管路82；第三管路83；第四管路84；第五管路85；第六管路86；
59.第一级换热器91、第二级换热器92、第三级换热器93、第四级换热器94；第五级换热器95；第六级换热器96；第七级换热器97；第八级换热器98；第九级换热器99；
60.50～75k温区负载101；4.5～75k温区负载102；2k负载103；过冷器104；气液分离器105。
具体实施方式
61.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
62.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
63.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.如图1至图4所示，根据本发明的一优选实施例的一种具有吸附器再生管路22的超流氦制冷机的具体结构及其工作流程被具体阐明。
66.如图1至图4所示，所述超流氦制冷机包括压缩机组、制冷机冷箱10、均设置于所述制冷机冷箱10内的氦气预冷模块、低温吸附器模块、多级透平膨胀机组、换热器组、节流阀组、过冷器104和冷压缩机组；以及均设置于所述制冷机冷箱10之外的气液分离器105、4.5～75k温区负载102和2k负载103。
67.具体地，所述压缩机组包括正压压缩机和负压压缩机3，所述正压压缩机包括中压压缩机1和高压压缩机2，所述负压压缩机3的出口和所述中压压缩机1的出口均连接于所述高压压缩机2的吸气口，所述高压压缩机2的出口连接于所述冷箱的进口，所述高压压缩机2排出的常温高压氦气经由所述冷箱的进口进入所述冷箱，所述冷压缩机组的出口连接于所述负压压缩机3的吸气口，所述负压压缩机3用于将所述冷压缩机组送来的超流氦负压回气压缩到中压。
68.具体地，所述氦气预冷模块设置在所述冷箱的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机组之前，用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行预冷；所述低温吸附器模块用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行吸附除杂过程；所述多级透平膨胀机组用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行多级冷却过程；所述换热器组用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行多级换热过程。
69.更具体地，所述多级透平膨胀机组包括第一透平膨胀机组、第二透平膨胀机组、第三透平膨胀机组以及第四透平膨胀机组。
70.具体地，所述换热器组包括依次设置的第一级换热器91、第二级换热器92、第三级换热器93、第四级换热器94以及第五级换热器95、第六级换热器96、第七级换热器97、第八
级换热器98以及第九级换热器99，用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行多级换热过程。
71.更具体地，所述换热器组包括连接于所述高压主气路18、所述中压回气路19、所述低压回气路20以及所述负压回气路21的并依次设置的第一级换热器91、第二级换热器92、第三级换热器93、第四级换热器94以及第五级换热器95，还包括连接于所述高压主气路18、所述中压回气路19、所述低压回气路20的第六级换热器96，连接于所述高压主气路18和所述低压回气路20的第七级换热器97和第八级换热器98，以及连接于所述过冷器104的液相出口、所述气液分离器105的进口与气相出口和所述2k负载103的出口的第九级换热器99。
72.具体地，所述超流氦制冷机包括高压主气路18、中压回气路19、低压回气路20、负压回气路21和吸附器再生管路22；所述高压主气路18的进口连接于所述冷箱的进口，出口连接于所述过冷器104的进口；所述中压回气路19的进口连接于所述第二透平膨胀机组的出口，出口连接于所述高压压缩机2的吸气口；所述低压回气路20的进口连接于所述过冷器104的气相出口，出口连接于所述中压压缩机1的吸气口；所述负压回气路21的进口连接于所述冷压缩机组的出口，出口连接于所述负压压缩机3的吸气口；所述吸附器再生管路22的进口连接于所述高压压缩机2的出口，出口连接于所述低温吸附器模块。
73.具体地，所述过冷器104的液相出口连接于所述4.5～75k温区负载102的进口和所述气液分离器105的进口，所述4.5～75k温区负载102的出口连接于所述低压回气路20，所述气液分离器105的液相出口连接于所述2k负载103，所述2k负载103的出口和所述气液分离器105的气相出口均连接于所述冷压缩机组的进口。
74.可以理解的是，本发明的所述超流氦制冷机在所述高压主气路18上引出所述吸附器再生管路22，并在所述低温吸附器模块的低温吸附器内设置有盘管式换热器，以此使得所述超流氦制冷机的主气路氦气分为两部分输出，一部分进入所述高压主气路18中进行主流氦气制冷过程，一部分经由所述吸附器再生管路22进入所述低温吸附器模块中，实现所述低温吸附器模块的低温吸附器的再生过程。
75.也就是说，本发明利用系统中的一部分常温高压氦气与低温吸附器内部的盘管式换热器之间的盘管间壁换热过程加热活性炭，实现低温吸附器的解吸附过程，即实现低温吸附器的再生过程，其中经过盘管间壁换热过程的再生用氦气回气到所述低压回气路20，所述低温吸附器模块能够实现自动在线再生，再生时不影响所述超流氦制冷机的连续运行。
76.具体地，其中所述高压压缩机2排出的一部分常温高压氦气经由所述冷箱的进口进入所述高压主气路18，经由所述氦气预冷模块预冷后，分别经由所述多级透平膨胀机组进行多级冷却过程，经由所述换热器组进行多级换热过程，和经由所述低温吸附器模块进行吸附除杂过程后，形成超临界氦，所述超临界氦经所述节流阀组节流和所述过冷器104过冷后，形成过冷超临界氦，一部分所述过冷超临界氦进入所述4.5～75k温区负载102中；另一部分所述过冷超临界氦节流后分为气液两相，液相进入所述气液分离器105中积液，当积液的液氦达到预设液位时，所述冷压缩机组启动，将所述气液分离器105中的液氦减压形成2k饱和超流氦，2k饱和超流氦进入所述2k负载103处；气相自所述气液分离器105的气相出口排出，与所述2k负载103的回气汇合进入所述冷压缩机组，经由所述冷压缩机组提压后，返流进入所述换热器组的负压通道，经多级压降后形成负压氦气，负压氦气进入所述负压
压缩机3中压缩到中压，与来自所述中压压缩机1排出的中压气体以及所述中压回气路19的气体混合后，进入所述高压压缩机2，至此完成一个氦气循环；
77.其中所述高压压缩机2排出的另一部分常温高压氦气经由所述吸附器再生管路22进入所述低温吸附器模块中，经由所述低温吸附器模块的盘管式换热器对活性炭进行盘管间壁换热过程，实现对所述活性炭的解吸附处理，以此完成所述低温吸附器模块的再生过程，其中经过盘管间壁换热过程的再生氦气经过再生氦气回气管路66进入所述低压回气路20，与所述低压回气路20的气体汇合进入所述中压压缩机1中，即经过盘管间壁换热过程的再生氦气回气到所述低压回气路20，所述低温吸附器模块的低温吸附器能够自动在线再生，不影响所述超流氦制冷机的连续运行。
78.具体地，所述低温吸附器模块包括连接于所述高压主气路18的多个低温吸附器组，所述低温吸附器组用于吸附去除所述高压主气路18的氦气中的杂质气体，所述超流氦制冷机还包括设置在所述吸附器再生管路22上的再生调节阀23、连接于所述再生调节阀23的吸附器再生支路、以及设置在所述吸附器再生支路上的开关阀；其中所述吸附器再生管路22中的常温高压氦气经由所述吸附器再生支路分别进入对应的所述低温吸附器组，所述超流氦制冷机通过所述再生调节阀23和对应的所述开关阀控制进入对应的所述低温吸附器组的常温高压氦气量。
79.在这一具体实施例中，如图1所示，所述低温吸附器组包括80k低温吸附器组和20k低温吸附器组，所述80k低温吸附器组包括两个并联设置的80k低温吸附器，80k低温吸附器包括第一80k低温吸附器60和第二80k低温吸附器61，所述20k低温吸附器组包括设置在所述高压主气路18的20k低温吸附器62；所述吸附器再生支路包括连接于所述再生调节阀23和所述第一80k低温吸附器60的第一吸附器再生支路24、连接于所述再生调节阀23和所述第二80k低温吸附器61的第二吸附器再生支路25以及连接所述再生调节阀23和所述20k低温吸附器62的第三吸附器再生支路26，所述开关阀包括设置在所述第一吸附器再生支路24上的第一开关阀27、设置在第二吸附器再生支路25上的第二开关阀28以及设置在所述第三吸附器再生支路26上的第三开关阀29。
80.值得一提的是，所述80k低温吸附器位于所述第二级换热器92和所述第三级换热器93之间，用于吸附氦气中的氧气、氮气、烃类等杂质气体；所述20k低温吸附器62位于所述第六级换热器96和所述第七级换热器97之间，用于吸附氦气中的氢气、氖气等杂质气体。
81.在这一具体实施例中，所述80k低温吸附器包括并联设置的所述第一80k低温吸附器60和所述第二80k低温吸附器61，所述第一80k低温吸附器60和所述第二80k低温吸附器61可切换使用，也就是说，其中所述第一80k低温吸附器60工作时，所述第二80k低温吸附器61可同时再生。
82.可以理解的是，本发明的所述超流氦制冷机也可以在所述高压主气路18上的其他位置设置对应温度的低温吸附器，并不局限于80k低温吸附器和20k低温吸附器，而且所述20k低温吸附器62也可以采用两个并联的结构，一用一备，本发明对此不作限制。
83.进一步地，所述低温吸附器组包括内部设置有所述盘管式换热器的低温吸附器、设置在所述低温吸附器前后两端的前端调节阀和后端开关阀，以及连接于所述高压主气路18和所述低温吸附器的旁路调节阀，所述低温吸附器组通过控制所述前端调节阀和所述后端开关阀的开闭来切换对应的所述低温吸附器的吸附除杂过程和再生过程，并在所述低温
吸附器均处于再生过程时，通过打开对应的所述旁路调节阀的方式，来确保所述超流氦制冷机的连续运行。
84.在这一具体实施例中，所述80k低温吸附器组包括分别设置在所述第一80k低温吸附器60前后端的第一前端调节阀601和第一后端开关阀602、分别设置在所述第二80k低温吸附器61前后端的第二前端调节阀611和第二后端开关阀612、以及设置在高压主气路18上的第一旁路调节阀606，所述80k低温吸附器组通过控制所述第一前端调节阀601与所述第一后端开关阀602的开闭来切换所述第一80k低温吸附器60的吸附除杂过程和再生过程；和通过控制所述第二前端调节阀611与所述第二后端开关阀612的开闭来切换所述第二80k低温吸附器61的吸附除杂过程和再生过程；其中在所述第一80k低温吸附器60和所述第二80k低温吸附器61均进行再生过程时，所述第一旁路调节阀606处于打开状态，以确保所述超流氦制冷机的连续运行。
85.在这一具体实施例中，所述20k低温吸附器组还包括分别设置在所述20k低温吸附器62前后端的第三前端调节阀621和第三后端开关阀622、以及并联设置于所述20k低温吸附器62的第二旁路调节阀626，所述20k低温吸附器组通过控制所述第三前端调节阀621与所述第三后端开关阀622的开闭来切换所述20k低温吸附器62的吸附除杂过程和再生过程；其中在所述20k低温吸附器62进行再生过程时，所述第二旁路调节阀626处于打开状态，以确保所述超流氦制冷机的连续运行。
86.也就是说，本发明的所述超流氦制冷机设置有连接于所述高压主气路18和所述低温吸附器的旁路调节阀，在低温吸附器均处于再生过程时，可通过打开对应的旁路调节阀的方式，使得所述高压主气路18中的主路气体能够自所述旁路调节阀通过，从而能够避免低温吸附器的再生过程影响超流氦制冷机连续运行。
87.进一步地，所述低温吸附器组还包括分别设置在对应的所述低温吸附器的再生气入口和中段位置的温度传感器和设置在对应的所述低温吸附器与其对应的后端开关阀之间的压力传感器，所述温度传感器用于监测对应的所述低温吸附器的温度，所述压力传感器用于监测对应的所述低温吸附器的管路压力。
88.在这一具体实施例中，所述80k低温吸附器组包括分别设置在所述第一80k低温吸附器60的再生气入口和中段位置的第一温度传感器603和第二温度传感器604、设置在所述第一80k低温吸附器60和所述第一后端开关阀602之间的第一压力传感器605、分别设置在所述第二80k低温吸附器61的再生气入口和中段位置的第三温度传感器613和第四温度传感器614、以及设置在所述第二80k低温吸附器61和所述第二后端开关阀612之间的第二压力传感器615，其中所述第一温度传感器603和所述第二温度传感器604用于监测所述第一80k低温吸附器60的温度，所述第一压力传感器605用于监测所述第一80k低温吸附器60的管路压力；所述第三温度传感器613和所述第四温度传感器614用于监测所述第二80k低温吸附器61的温度，所述第二压力传感器615用于监测所述第二80k低温吸附器61的管路压力。
89.在这一具体实施例中，所述20k低温吸附器组包括分别设置在所述20k低温吸附器62的再生气入口和中段位置的第五温度传感器623和第六温度传感器624、以及设置在所述20k低温吸附器62和所述第三后端开关阀622之间的第三压力传感器625，所述第五温度传感器623和所述第六温度传感器624用于监测所述20k低温吸附器62的温度，所述第三压力
传感器625用于监测所述20k低温吸附器62的管路压力。
90.特别地，所述超流氦制冷机还包括连接于对应的所述低温吸附器的解吸附气体排出管路、设置于所述解吸附气体排出管路上的电加热器和位于所述电加热器前后端的加热调节阀与排放调节阀、连接于所述解吸附气体排出管路的真空泵和气囊，其中所述真空泵用于在所述低温吸附器内气体达到微正压时抽出所述低温吸附器内的解吸附气体，所述电加热器用于加热所述解吸附气体排出管路中的解吸附气体，所述加热调节阀用于控制调节进入所述电加热器的解吸附气体量，所述排放调节阀用于控制调节进入所述气囊的解吸附气体量。
91.在这一具体实施例中，所述解吸附气体排出管路包括连接于所述第一80k低温吸附器60和所述气囊的第一解吸附气体排出管路63、连接于所述第二80k低温吸附器61和所述气囊的第二解吸附气体排出管路64以及连接于所述20k低温吸附器62和所述气囊的第三解吸附气体排出管路65；所述电加热器包括设置于所述第一解吸附气体排出管路63上的第一电加热器632、设置于所述第二解吸附气体排出管路64上的第二电加热器642以及设置于所述第三解吸附气体排出管路65上的第三电加热器652；所述加热调节阀包括设置于所述第一解吸附气体排出管路63上的第一加热调节阀631、设置于所述第二解吸附气体排出管路64上的第二加热调节阀641以及设置于所述第三解吸附气体排出管路65上的第三加热调节阀651，所述排放调节阀包括设置于所述第一解吸附气体排出管路63上的第一排放调节阀633、设置于所述第二解吸附气体排出管路64上的第二排放调节阀643以及设置于所述第三解吸附气体排出管路65上的第三排放调节阀653。
92.值得一提的是，所述气囊前还设置有进气调节阀67。
93.可以理解的是，本发明的所述超流氦制冷机具有低温吸附器再生系统，包括所述吸附器再生管路22、所述低温吸附器模块以及解吸附气体排放管路，其中所述吸附器再生管路22自氦气常温高压主路上引出，所述再生调节阀23将所述吸附器再生管路22中的再生氦气分为三股流，分别经过所述第一开关阀27、所述第二开关阀28以及所述第三开关阀29送往所述第一80k低温吸附器60、所述第二80k低温吸附器61以及所述20k低温吸附器62。所述第一80k低温吸附器60、所述第二80k低温吸附器61以及所述20k低温吸附器62内部设计了盘管式换热器，常温高压的氦气经过吸附器内部的盘管式换热器加热活性炭，对需要再生的低温吸附器进行脱吸附处理，之后经过盘管间壁换热的再生用氦气经过所述再生氦气回气管路66回气到超流氦制冷机低压。
94.下面以所述80k低温吸附器和所述20k低温吸附器62为例，说明本发明的所述低温吸附器模块的低温吸附器的再生过程。
95.在本发明的这一具体实施例中，所述第一80k低温吸附器60和所述第二80k低温吸附器61一用一备，一个再生，另一个正常工作。如果所述第一80k低温吸附器60和所述第二80k低温吸附器61都需要再生，则打开所述第一旁路调节阀606，使得主路气体自所述第一旁路调节阀606通过，从而避免影响所述超流氦制冷机连续运行。
96.所述第一80k低温吸附器60再生时，所述第一80k低温吸附器60前后阀门关闭，即所述第一前端调节阀601和所述第一后端开关阀602关闭，所述第一80k低温吸附器60内部空间会留存一定压力的低温氦气。为了防止直接再生造成所述第一80k低温吸附器60中留存的低温气体膨胀超压，因此需要先将所述第一80k低温吸附器60内留存的低温氦气排放
到所述气囊中。由于这股气体是低温气体，低温气体出冷箱后会在管路上结霜，因此在进入所述气囊前需要通过所述第一电加热器632对这股低温气体进行加热，将低温气体加热到常温后再进入所述气囊。所述第一80k低温吸附器60内留存的气体通过所述第一解吸附气体排出管路63进入所述气囊，后续送入纯化系统中进行污氦气的纯化，直到所述第一80k低温吸附器60内部压力为常压时停止。此种措施是防止低温吸附器内部压力过低时，真空环境下再生氦气通入的盘管换热器与低温吸附器内活性炭换热效果不好。
97.换句话说，通过将低温吸附器内部留存低温气体排放到气囊中直到低温吸附器内部压力为常压然后再给低温吸附器内盘管换热器通入再生氦气的方式，能够防止低温吸附器直接再生，内部低温气体膨胀超压，排放到常压可以防止低温吸附器内部压力过低，从而确保在吸附器再生工况下，再生氦气通入的盘管换热器与低温吸附器内活性炭之间能够具有良好的换热效果。
98.当所述第一80k低温吸附器60空间内留存的低温气体大部分进入所述气囊，所述第一80k低温吸附器60内部压力为常压时，打开所述第一开关阀27，常温高压的氦气进入所述第一80k低温吸附器60内部，通过盘管式换热器加热所述第一80k低温吸附器60内部的活性炭，对吸附饱和的活性炭进行解吸附。经过盘管间壁换热过程的再生氦气经过所述再生氦气回气管路66回气到超流氦制冷机低压，即进入所述低压回气路20中。
99.值得一提的是，所述第一80k低温吸附器60上设置有两个温度传感器，包括所述第一温度传感器603和所述第二温度传感器604，分别位于再生气入口和所述第一80k低温吸附器60的中段位置。通过所述第一温度传感器603和所述第二温度传感器604监测所述第一80k低温吸附器60的温度，进行所述第一80k低温吸附器60解吸附过程监测。所述第一80k低温吸附器60和所述第一后端开关阀602之间设置有所述第一压力传感器605，所述第一压力传感器605用于监测所述第一80k低温吸附器60的管路压力。
100.再生氦气加热活性炭，所述第一80k低温吸附器60内解吸附的气体排入所述气囊。当所述第一80k低温吸附器60内气体达到微正压时，打开所述真空泵，将所述第一80k低温吸附器60内留存的气体抽出，此时所述第一电加热器632根据排放气温度选择是否加热排放气体，防止管道结霜，并在所述真空泵启用时可以对所述真空泵起保护作用。当所述第一80k低温吸附器60压力达到负压时，关闭所述真空泵。
101.实际生产时，根据时间判断所述第一80k低温吸附器60解吸附是否完成。所述第一80k低温吸附器60解吸附完成后，关闭所述第一开关阀27，打开所述第一后端开关阀602，慢慢打开所述第一前端调节阀601，给所述第一前端调节阀601一个小开度，使得所述第一80k低温吸附器60慢慢降温，直到降温到80k工作温区，此时所述第一80k低温吸附器60再生过程完成。
102.可以理解的是，所述第二80k低温吸附器61的再生过程与所述第一80k低温吸附器60的再生过程完全相同。实际生产时，设计安排所述第一80k低温吸附器60和所述第二80k低温吸附器61的工作再生时间，比如所述第一80k低温吸附器60工作24小时，同时所述第二80k低温吸附器61再生24小时，两个80k低温吸附器一用一备，互相轮换，80k低温吸附器再生不影响超流氦制冷机连续运行。再生工作轮换时间仅仅作为举例说明，实际安排以实际超流氦制冷机参数设计为准。
103.所述20k低温吸附器62的再生过程略有不同。所述20k低温吸附器62再生时，所述
第二旁路调节阀626打开，主路气体自所述第二旁路调节阀626中通过，不影响超流氦制冷机连续运行。
104.所述20k低温吸附器62再生时，前后阀门关闭，即所述第三前端调节阀621和所述第三后端开关阀622关闭。所述20k低温吸附器62内部空间会留存一定压力的低温氦气，为了防止直接再生造成所述20k低温吸附器62中留存的低温气体膨胀超压，因此需要先将所述20k低温吸附器62内留存的低温氦气排放到所述气囊中。由于这股气体是低温气体，低温气体出冷箱后会在管路上结霜，因此在进入所述气囊前需要通过第三电加热器652对这股低温气体进行加热，将低温气体加热到常温后再进入所述气囊。所述20k低温吸附器62内留存的气体通过所述第三解吸附气体排出管路65进入所述气囊，后续送入纯化系统中进行污氦气的纯化，直到所述20k低温吸附器62内部压力为常压时停止。此种措施是防止所述20k低温吸附器62内部压力过低时，真空环境下再生氦气通入的盘管换热器与低温吸附器内活性炭换热效果不好。
105.当所述20k低温吸附器62空间内留存的低温气体大部分进入气囊，所述20k低温吸附器62内部压力为常压时，打开所述第三开关阀29，常温高压的氦气进入所述20k低温吸附器62内部，通过盘管式换热器加热所述20k低温吸附器62内部的活性炭，对吸附饱和的活性炭进行解吸附。经过盘管间壁换热的再生氦气经过所述再生氦气回气管路66回气到超流氦制冷机低压，即进入所述低压回气路20中。
106.值得一提的是，所述20k低温吸附器62上设置有两个温度传感器，即所述第五温度传感器623和所述第六温度传感器624，分别位于所述20k低温吸附器62的再生气入口和中段位置。通过所述第五温度传感器623和所述第六温度传感器624监测所述20k低温吸附器62的温度，进行所述20k低温吸附器62解吸附过程监测。所述20k低温吸附器62和所述第三后端开关阀622之间设置有所述第三压力传感器625，所述第三压力传感器625用于监测所述20k低温吸附器62的管路压力。
107.再生氦气加热活性炭，所述20k低温吸附器62内解吸附的气体排入所述气囊。当所述20k低温吸附器62内气体达到微正压时，打开所述真空泵，将所述20k低温吸附器62内留存的气体抽出，此时所述第三电加热器652根据排放气温度选择是否加热排放气体，防止管道结霜，并在所述真空泵启用时可以对所述真空泵起保护作用。当所述20k低温吸附器62压力达到负压时，关闭所述真空泵。
108.实际生产时，根据时间判断所述20k低温吸附器62解吸附是否完成。所述20k低温吸附器62解吸附完成后，关闭所述第三开关阀29，打开所述第三后端开关阀622，慢慢打开所述第三前端调节阀621，给所述第三前端调节阀621一个小开度，使得所述20k低温吸附器62慢慢降温，直到降温到20k工作温区，完全打开所述第三前端调节阀621，完全关闭所述第二旁路调节阀626，所述20k低温吸附器62接入超流氦制冷机主路正常工作，此时所述20k低温吸附器62再生过程完成。
109.所述第一80k低温吸附器60、所述第二80k低温吸附器61以及所述20k低温吸附器62的再生过程均是自动在线再生，再生时不影响超流氦制冷机连续运行。
110.应该理解的是，与现有的采用常温高压氦气直接吹扫吸附器内部的活性炭进行解吸附的方式相比，本发明的所述低温吸附器模块利用氦气主气路的一部分常温高压氦气进入低温吸附器的盘管式换热器中进行盘管间壁换热过程来加热活性炭，进行脱吸附处理，
经过盘管间壁换热过程的再生氦气经过回气管路回气到超流氦制冷机低压。并没有在低温吸附器外部设置电加热器加热进行解吸附，避免了高真空环境中电加热器干烧，真空放电的危险；同时也可以减少氦气消耗，不影响所述超流氦制冷机主流氦气的流量。所述低温吸附器模块的整个再生过程能够自动在线进行，不会影响所述超流氦制冷机的连续正常运行。
111.还应该理解的是，本发明通过采用对应的压力传感器监测相应的低温吸附器内部压力，并根据所监测到的内部压力值控制所述真空泵的工作方式，通过所述真空泵将低温吸附器中的解吸附气体抽出排放到所述气囊。通过将低温吸附器内部留存低温气体排放到气囊中直到低温吸附器内部压力为常压然后再给低温吸附器内盘管换热器通入再生氦气的方式，能够防止低温吸附器直接再生，内部低温气体膨胀超压，排放到常压可以防止低温吸附器内部压力过低，从而确保在吸附器再生工况下，再生氦气通入的盘管换热器与低温吸附器内活性炭之间能够具有良好的换热效果。
112.可以理解的是，超流氦制冷机对外部负载提供多温区冷量，比如50～75k温区负载，4.5～75k温区负载，2k负载等。50～75k温区负载回流管路流体与制冷机75k的氦气混合，进入第一透平膨胀机组，进行再次膨胀。50～75k温区负载回流的流体是否能达到第一透平膨胀机组的入口设计参数影响到第一透平膨胀机组能否运行在设计工况，达到最佳工况。
113.因此，特别地，本发明所述超流氦制冷机还包括设置于所述制冷机冷箱10内并连接于所述第一透平膨胀机组的50～75k温区负载兑温管路和连接于所述50～75k温区负载兑温管路的50～75k温区负载101，通过所述50～75k温区负载兑温管路对进入所述第一透平膨胀机组前的氦气进行兑温，确保进入所述第一透平膨胀机组的流体参数能够达到叶轮机械入口设计参数，从而使得所述多级透平膨胀机组能够运行在最佳工况，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。
114.具体地，所述50～75k温区负载兑温管路包括连接于所述高压主气路18的50k氦气管路50、连接于所述50k氦气管路50和所述50～75k温区负载101的进口的负载去流管路52、连接于所述50k氦气管路50的兑温管路53、连接于50～75k温区负载101的出口的回流管路56、以及连接于所述回流管路56、所述兑温管路53以及所述第一透平膨胀机组的氦气通过管路57，所述50k氦气管路50设置有50k氦气管路调节阀51，所述兑温管路53设置有兑温管路调节阀54和兑温管路加热器55，所述回流管路56设置有回流管路调节阀59，其中所述兑温管路53用于经由所述兑温管路调节阀54和所述兑温管路加热器55来调节所述回流管路56中氦气的温度，使得经由所述氦气通过管路57进入所述第一透平膨胀机组的氦气能够满足所述第一透平膨胀机组的进口温度和压力的要求。
115.值得一提的是，所述50k氦气管路50与所述高压主气路18的连接处位于所述第四级换热器94和所述第五级换热器95之间。
116.所述50～75k温区负载兑温管路的工作原理为：当所述回流管路56中的氦气温度过高时，所述兑温管路53中的50k冷流体直接与所述回流管路56中的热流体兑温，目标参数是所述第一透平膨胀机组的第四透平38的入口设计温度和设计压力。兑温完成后的氦气通过所述氦气通过管路57和连接于所述高压主气路18的所述第一透平膨胀机组的进口管路58的75k氦气混合，进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。当所述回流管路56中的氦气
温度过低时，所述兑温管路53中的所述兑温管路加热器55启动，加热所述兑温管路53中的氦气，被加热后的热氦气和所述回流管路56中的回流冷氦气兑温，兑温完成后的氦气通过所述氦气通过管路57和来自所述第一透平膨胀机组的进口管路58的75k氦气混合，进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。
117.可以理解的是，50～75k温区负载兑温管路设计使得50～75k温区负载101回流管路56中的氦气参数能够达到所述第四透平38入口设计参数(设计温度，设计压力)的要求，从而使得所述第一透平膨胀机组能够运行在设计工况，达到最佳工况点，有助于提高所述超流氦制冷机的整机性能。
118.进一步地，本发明的所述超流氦制冷机可以采用液氮预冷或透平膨胀冷却的方式对所述高压压缩机2排入所述冷箱中的常温高压氦气进行预冷。
119.具体地，在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块为液氮预冷装置，所述液氮预冷装置包括连接于所述高压主气路18的氦气通路调节阀30、连接于所述氦气通路调节阀30的液氮预冷换热器31、连接于所述液氮预冷换热器31的液氮进口管路32、以及设置于所述液氮进口管路32的液氮进口调节阀33，所述液氮预冷换热器31的出口连接于所述高压主气路18，并位于所述第二级换热器92的出口和所述低温吸附器组的进口之间，所述高压主气路18上还设置有氦气高压主路调节阀181，所述氦气预冷模块通过所述液氮进口管路32通入的液氮对所述常温高压氦气进行预冷，并通过所述氦气高压主路调节阀181和所述氦气通路调节阀30调节进入所述液氮预冷换热器31的氦气量，和通过所述液氮进口调节阀33调节进入所述液氮预冷换热器31的液氮量。
120.在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块为透平膨胀预冷装置，所述透平膨胀预冷装置包括由第一透平34、第二透平35、第三透平36串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器91的出口和所述第一透平34的进口之间的第一入口调节阀37，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路19。
121.可以理解的是，所述超流氦制冷机采用由三个透平膨胀机串联组成的所述预冷透平膨胀机组将常温高压氦气预冷到80k。采用所述预冷透平膨胀机组进行预冷，可以使得所述超流氦制冷机能够适用于没有液氮或者是不适合采用液氮预冷的场合，例如在所述超流氦制冷机用于冷却隧道中的超导磁体和加速器时，因为隧道是封闭空间，采用液氮预冷时，如果氮气泄漏，因为氮气密度和空气密度相差不大，容易使得隧道中的工作人员窒息。
122.应该理解的是，本发明的所述超流氦制冷机可以仅采用液氮预冷装置或预冷透平膨胀机组来对氦气进行预冷，也可以同时设置有液氮预冷装置和所述预冷透平膨胀机组，本发明对此不作限制。
123.优选地，在这一具体实施例中，所述超流氦制冷机同时设置有所述液氮预冷装置和所述预冷透平膨胀机组，在使用时可以选择使用任一种预冷模块，即在采用所述预冷透平膨胀机组进行预冷时，所述超流氦制冷机还给液氮预冷预留了接口。如此通过设置两种预冷模块的方式，能够使得所述超流氦制冷机适用于多种应用场合，有利于扩大所述超流氦制冷机的适用范围。
124.值得一提的是，在本发明的这一具体实施例中，所述预冷透平膨胀机组将氦气自300k预冷到80k。
125.进一步地，所述多级透平膨胀机组的具体结构如下：
126.所述第一透平膨胀机组包括串联设置的第四透平38和第五透平39，以及设置在所述第三级换热器93的出口和所述第四透平38的进口之间的第二入口调节阀40，所述第四透平38的进口连接于所述50～75k温区负载兑温管路的所述氦气通过管路57，所述第五透平39的出口连接于所述中压回气路19，所述第一透平膨胀机组将氦气自75k冷却到50k。所述50～75k温区负载101的回流气体和所述第一透平膨胀机组的进口管路58的75k氦气混合后进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。
127.所述第二透平膨胀机组包括串联设置的第六透平41和第七透平42，以及设置在所述第五级换热器95的出口和所述第六透平41的进口之间的第三入口调节阀43，所述第七透平42的出口连接所述中压回气路19，所述第二透平膨胀机组将氦气自23k冷却到15k。
128.所述第三透平膨胀机组包括串联设置的第八透平44和第九透平45，以及设置在所述20k低温吸附器62的出口和所述第八透平44的进口之间的第四入口调节阀46，所述第九透平45的出口连接于所述低压回气路20，所述第三透平膨胀机组将氦气自14k冷却到6k。
129.所述第四透平膨胀机组包括第十透平47、设置在所述第七级换热器97的出口和所述第十透平47的进口之间的第五入口调节阀48以及设置在所述高压主气路18上，并位于所述第七级换热器97和所述第八级换热器98之间的末级透平旁通阀49，所述第十透平47的出口连接于所述高压主气路18。在这一具体实施例中，所述第四透平膨胀机组为末级透平膨胀机组，经第四透平膨胀机组冷却后的氦气进入所述第八级换热器98中换热后，形成5.3k的超临界氦。
130.值得一提的是，所述超流氦制冷机还包括连接于所述第四透平膨胀机组的出口和所述低压回气路20的冷箱旁通管路11和设置在所述冷箱旁通管路11上的冷箱旁通阀12，所述冷箱旁通阀12用于实现所述超流氦制冷机4k部分降温时的调控作用。
131.进一步地，所述节流阀组包括并联设置的第一节流阀13和第二节流阀14，所述过冷器104的气相出口和所述低压回气路20之间还设置有回气阀15，所述第九级换热器99和所述气液分离器105的进口之间还设置有第三节流阀16；
132.其中所述高压主气路18输出的一部分超临界氦经过所述第一节流阀13节流为气液两相，液相在所述过冷器104中积液，气相通过所述回气阀15进入所述低压回气路20；另一部分超临界氦经所述第二节流阀14节流后进入所述过冷器104中，被所述过冷器104积液的液氦过冷形成过冷超临界氦，过冷超临界氦自所述过冷器104流出，一部分供给所述4.5～75k温区负载102，另一部分进入所述第九级换热器99，经过所述第三节流阀16节流为气液两相，液相在所述气液分离器105中积液，气相自所述气液分离器105的气相出口排出，与所述2k负载103的回气汇合进入所述第九级换热器99中换热，换热后的氦气进入所述冷压缩机组。
133.可以理解的是，在这一具体实施例中，所述过冷器104为氦过冷器，所述气液分离器105为2k气液分离器。
134.具体地，所述冷压缩机组包括串联设置的第六入口调节阀70、第一冷压缩机71、第二冷压缩机72、第三冷压缩机73、第四冷压缩机74以及第一出口调节阀75，所述超流氦制冷机还包括并联于所述冷压缩机组的冷压缩机组旁通管路76和设置于所述冷压缩机组旁通管路76上的旁通管路调节阀77。
135.值得一提的是，所述冷压缩机组旁通管路76和所述旁通管路调节阀77用于在所述
气液分离器105内液氦液位未到一定值时，供回气氦气回到所述第五级换热器95的负压回气端。
136.进一步地，所述超流氦制冷机还包括气体管理面板，所述气体管理面板用于调节控制所述中压压缩机1和所述高压压缩机2的进出口压力，包括连接于所述高压主气路18和所述中压回气路19的中压旁通阀5、连接所述高压主气路18和所述低压回气路20的低压旁通阀6、连接于所述低压回气路20和所述高压主气路18的加载阀9与缓冲罐卸载阀7、以及连接于所述加载阀9和所述缓冲罐卸载阀7之间的缓冲罐8。
137.值得一提的是，所述超流氦制冷机还包括设置在所述负压压缩机3和所述高压压缩机2之间的单向阀4，所述单向阀4用于防止所述负压压缩机3的出口氦气逆流。
138.进一步地，在这一具体实施例中，所述超流氦制冷机还包括负载冷箱17，所述气液分离器105、所述4.5～75k温区负载102、所述2k负载103、所述50～75k温区负载101、所述第九级换热器99以及所述第三节流阀16均设置于所述负载冷箱17内，所述制冷机冷箱10和所述负载冷箱17之间通过多通道传输管线相连接。
139.值得一提的是，所述多通道传输管线包括第一管路81、第二管路82、第三管路83、第四管路84、第五管路85以及第六管路86，所述50～75k温区负载101通过所述第一管路81连接所述负载去流管路52，和通过所述第二管路82连接所述回流管路56；所述4.5～75k温区负载102通过所述第三管路83连接所述过冷器104的液相出口，和通过所述第四管路84连接所述低压回气路20；所述第九级换热器99通过所述第五管路85连接于所述过冷器104的液相出口，并通过所述第六管路86连接于所述冷压缩机组的进口。
140.可以理解的是，在本发明的一些实施例中，所述超流氦制冷机也可以将制冷的核心部件如氦气预冷模块、所述低温吸附器模块、所述多级透平膨胀机组、所述换热器组、所述50～75k温区负载兑温管路、所述节流阀组、所述过冷器104、所述气液分离器105、所述冷压缩机组等放置在一个冷箱中，以提高所述超流氦制冷机整体结构的紧凑性、可靠性和效率，减小整体体积和占地面积，本发明对此不作限制。
141.所述超流氦制冷机的工作流程如下：
142.(1)所述高压压缩机2排出的一部分常温高压氦气经由所述冷箱的进口进入所述冷箱；
143.(2)进入所述冷箱的所述常温高压氦气分出一小部分进入所述液氮预冷换热器31被液氮预冷到80k(液氮预冷)。或者进入所述冷箱的所述常温高压氦气经过所述第一级换热器91被返流冷氦气冷却到一定温度后，分出一股流体进入所述预冷透平膨胀机组，被所述预冷透平膨胀机组预冷到80k(透平膨胀机组预冷)。所述预冷透平膨胀机组出口回气到中压，逆流经过所述第二级换热器92和所述第一级换热器91，进入所述高压压缩机2的吸气口。值得一提的是，液氮预冷和预冷透平膨胀机组预冷二选一，不能同时进行；
144.(3)其余高压主路的氦气被预冷后进入80k低温吸附器组去除氦气中的杂质气体如氧气，氮气和烃类等杂质气体后，经过所述第三级换热器93被返流冷氦气冷却，一部分氦气经过所述第一透平膨胀机组的进口管路58进入所述第一透平膨胀机组，自75k冷却到50k。所述第一透平膨胀机组的出口气体回气到中压，逆流经过所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述高压压缩机2的吸气口；另一部分氦气经过所述第四级换热器94换热后，形成50k氦气，一部分50k氦气经
过所述50k氦气管路50后分为两股，一股进入所述负载去流管路52被送往所述50～75k温区负载101处，一股进入所述兑温管路53与所述回流管路56中的氦气进行兑温。兑温完成后的氦气进入所述氦气通过管路57，与所述第一透平膨胀机组的进口管路58处来的75k氦气混合后重新进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀；
145.(4)高压主气路18的气体经过所述第五级换热器95后，一部分进入所述第二透平膨胀机组，自23k被冷却到15k，所述第二透平膨胀机组的出口氦气回气到中压，逆流经过所述第六级换热器96、所述第五级换热器95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述高压压缩机2的吸气口；
146.(5)剩余高压主气路18的气体经过所述第六级换热器96后，进入20k低温吸附器组中去除氦气中的杂质气体比如氢气，氖气等，除杂后的一部分氦气进入所述第三透平膨胀机组，自14k冷却到6k，所述第三透平膨胀机组的出口气体回气到低压，逆流经过所述第七级换热器97、所述第六级换热器96、所述第五级换热器95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述中压压缩机1的吸气口；
147.(6)除杂后的另一部分氦气经过所述第七级换热器97后，经过所述第四透平膨胀机组后进入所述第八级换热器98与回流冷氦气换热，之后的高压主气路18氦气到达超临界状态，即形成超临界氦气。超临界氦气分成两部分，一部分超临界氦气经过所述第一节流阀13节流为气液两相，液相在所述过冷器104中积液，气相通过所述回气阀15回气到所述低压回气路20。另一部分超临界氦气经过所述第二节流阀14节流后进入所述过冷器104，被所述过冷器104中积液的液氦过冷成为4.5k@3bara过冷超临界氦。过冷超临界氦自所述过冷器104的液相出口流出，分出一小部分通过多通道传输管线中的所述第三管路83进入所述负载冷箱17，供给所述4.5～75k温区负载102。所述4.5～75k温区负载102的回气通过多通道传输管线中的所述第四管路84进入所述制冷机冷箱10并回到所述第二级换热器92的低压吸气侧。大部分过冷超临界氦通过多通道传输管线中的所述第五管路85进入所述负载冷箱17，经过所述第九级换热器99，通过所述第三节流阀16节流为气液两相，液相在所述气液分离器105中积液，气相自所述气液分离器105的气相出口回气，与所述2k负载103的回气混合后，逆流经过所述第九级换热器99，通过多通道传输管线中的所述第六管路86进入所述制冷机冷箱10后，进入冷压缩机组。所述气液分离器105内液氦液位未到一定值时，回气氦气自所述冷压缩机组旁通管路76和所述旁通管路调节阀77回到所述第五级换热器95的负压回气端；
148.(7)当所述气液分离器105内液氦液位达到一定值时，所述冷压缩机组启动，将所述气液分离器105中的氦气减压至超流氦饱和压力0.03bar，从而在所述气液分离器105中形成2k饱和超流氦。2k饱和超流氦自所述气液分离器105的液相出口流出，送往所述2k负载103处。所述2k负载103的回气和所述气液分离器105的气相出口的回气混合，返流经过所述第九级换热器99后，通过多通道传输管线中的所述第六管路86进入所述制冷机冷箱10，进入冷压缩机组。
149.(8)所述冷压缩机组将下游管道氦气压力自0.03bar提高到0.5bar。0.5bar的负压氦气依次进入所述第五级换热器95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91的负压通道，层层压降后成为0.4bar的负压氦气，进
入所述负压压缩机3的吸气口。所述负压压缩机3将0.4bar负压氦气压缩到中压4.05bar，与来自所述中压压缩机1出口的中压气体以及所述中压回气路19来的回气混合，一起送入所述高压压缩机2的吸气口处，完成一个氦气循环。
150.(9)所述高压压缩机2排出的另一部分常温高压氦气经由所述吸附器再生管路22进入所述低温吸附器模块中，经由所述低温吸附器模块的盘管式换热器对活性炭进行盘管间壁换热过程，实现对所述活性炭的解吸附处理，以此完成所述低温吸附器模块的再生过程，其中经过盘管间壁换热过程的再生氦气经过再生氦气回气管路66进入所述低压回气路20，与所述低压回气路20的气体汇合进入所述中压压缩机1中。
151.可以理解的是，本发明的所述超流氦制冷机设计了80k温区低温吸附器组和20k温区低温吸附器组的自动在线再生管路，所述80k低温吸附器组和所述20k低温吸附器组的再生过程是自动在线再生，再生时不影响超流氦制冷机连续运行。本发明的低温吸附器再生系采用常温高压氦气通过对应的低温吸附器内部的盘管式换热器进行盘管间壁换热加热活性炭，进行解吸附处理，经过盘管间壁换热的再生氦气经过回气管路回气到超流氦制冷机低压。并没有在低温吸附器外部设置电加热器加热进行解吸附，避免了高真空环境中电加热器干烧，真空放电的危险；同时也可以减少氦气消耗，不影响主流氦气的流量。
152.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
153.以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。