一种超流氦制冷机

技术特征：
1.一种超流氦制冷机，其特征在于，包括压缩机组、第一冷箱、设置于所述第一冷箱内的氦气预冷模块、多级透平膨胀机组、换热器组、过冷器和冷压缩机组、第二冷箱、设置于所述第二冷箱内的50～75k温区负载、4.5～75k温区负载、2k负载和气液分离器以及用户负载多温区回流管路；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第一冷箱的进口，所述高压压缩机排出的常温高压氦气经由所述第一冷箱的进口进入所述第一冷箱内；所述冷压缩机组的出口连接于所述负压压缩机的吸气口，所述负压压缩机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；所述氦气预冷模块设置在所述第一冷箱的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机组之前，用于对进入所述第一冷箱的一部分常温高压氦气进行预冷；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，用于对进入所述第一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第一冷箱的常温高压氦气进行多级换热过程；所述超流氦制冷机还包括高压主气路、中压回气路、低压回气路、负压回气路，所述高压主气路的进口连接于所述第一冷箱的进口，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侧；所述用户负载多温区回流管路包括回收主管路和多个回收支管路，每个所述回收支管路的进口连接于所述回收主管路上，每个所述回收支管路的出口连接于所述低压回气路上，且分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧；其中所述高压压缩机经由所述第一冷箱的进口向所述第一冷箱排入常温高压氦气，所述常温高压氦气的一部分进入所述氦气预冷模块中预冷，预冷后的氦气与所述高压主气路的常温高压氦气汇合后，经由所述多级透平膨胀机组进行多级冷却过程和经由所述换热器组进行多级换热过程后，形成超临界氦；一部分所述超临界氦经由所述高压主气路进入所述过冷器中，气相进入所述低压回气路，一部分液相进入所述4.5～75k温区负载后回气到所述低压回气路，另一部分液相经节流后分为气液两相，液相进入所述气液分离器中积液，当所述气液分离器中液氦液位达到预设值时，所述冷压缩机组启动，将所述气液分离器中的氦气进行减压，从而形成2k饱和超流氦，2k饱和超流氦自所述气液分离器的液相出口流出至所述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，并经由所述冷压缩机组的进口侧进入所述冷压缩机组，经由所述冷压缩机组提压后进入所述负压回气路，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回气混合后，进入所述高压压缩机，至此完成一个氦气循环；用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，不同温度的氦气经由分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧的各个所述回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的对应的不同温区回气侧形成闭路循环。2.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述用户负载多温区回流管路包括第一回收支管路、第二回收支管路、第三回收支管路以及第四回收支管路，所述第一回收支管路、第二回收支管路和第三回收支管路均设置在所述第一冷箱内，且分别连接在所述超流氦制冷机的4.5k温区回气侧、20k温区回气侧和80k温区回气侧，所述第四回收支管路设置在所述第一冷箱外，且连接在所述超流氦制冷机的常温回气侧，所述用户负载多温区回流管路还包括环境加热器，所述环境加热器设置在所述第一冷箱外并连接在所述回收主管路上，且所述环境加热器位于所述第四回收支管路的进口之前；用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，温度小于等于4.5k的冷氦气通过所述第一回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的4.5k温区回气侧，4.5～20k温区的冷氦气通过所述第二回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的20k温区回气侧，20～80k温区的冷氦气通过所述第三回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的80k温区回气侧，温度超过80k的氦气在所述第一冷箱外部通过环境加热器加热到常温然后通过第四回收支管路回气到所述低压回气路，进入中压压缩机的低压吸气口形成闭路循环。3.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括设置于所述第一冷箱和所述第二冷箱外的液氦杜瓦，所述液氦杜瓦的进口连接于所述高压主气路上，并位于所述换热器组之后，所述液氦杜瓦的气相出口连接于所述低压回气路上，并位于所述换热器组之后，所述液氦杜瓦中设置有液氦杜瓦加热器；当所述超流氦制冷机用于提氦时，一部分所述超临界氦经节流后分为气液两相，液相进入所述液氦杜瓦中积液，气相自所述液氦杜瓦的气相出口排出，与所述过冷器的回气汇合，并经所述低压回气路回到所述换热器组的低压侧，当所述液氦杜瓦中的液氦液位达到预设值时，将所述液氦杜瓦中的液氦产品运走；所述液氦杜瓦也可作为一个冷量储存结构，调节储存低温系统在动、静态负载间变化的冗余制冷量，当所述超流氦制冷机冷量过剩，即各负载所需的冷量小于所述超流氦制冷机产生的冷量时，将所述超流氦制冷机产生的多余冷量转化为液氦储存在所述液氦杜瓦中；当所述超流氦制冷机产生的冷量小于各负载所需的冷量时，启动设置在所述液氦杜瓦中的加热器，以将所述液氦杜瓦中的液氦转化为饱和氦蒸汽并使所述饱和氦蒸汽进入制冷机循环系统，从而使得所述超流氦制冷机产生的冷量增加。4.根据权利要求3所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括第一管路和第二管路，所述第一管路的进口连接于所述高压主气路，并位于所述换热器组之后，出口连接于所述液氦杜瓦的进口，所述第二管路的进口连接于所述液氦杜瓦的气相出口，出口连接于所述低压回气路上，所述第一管路上设置有第一节流阀，所述第二管路上设置有第一回气阀；当所述超流氦制冷机用于提氦时，所述高压主气路输出的一部分超临界氦进入所述第
一管路并通过所述第一节流阀节流为气液两相，液相进入所述液氦杜瓦中积液，气相自所述液氦杜瓦的气相出口排出并经所述第二管路、所述第一回气阀，与所述过冷器的回气汇合，并经所述低压回气路回到所述换热器组的低压侧，当所述液氦杜瓦中的液氦液位达到预设值时，将所述液氦杜瓦中的液氦产品运走。5.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括设置在所述第一透平膨胀机组处的50～75k温区负载兑温管路，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。6.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，其特征在于，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，所述换热器组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；所述超流氦制冷机还包括第九级换热器，所述第九级换热器设置于所述第二冷箱内，且所述第九级换热器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，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，换热后的氦气经由所述冷压缩机组的入口侧进入所述冷压缩机组。7.根据权利要求6所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括快速复温管路，所述快速复温管路并联在所述高压主气路上，且所述快速复温管路的进口位于所述第一冷箱外，所述快速复温管路的出口位于所述第七级换热器和所述第八级换热器之间。8.根据权利要求6所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括低温吸附器组，所述低温吸附器组包括用于吸附氦气中的杂质气体的80k低温吸附器和20k低温吸附器，所述80k低温吸附器和所述20k低温吸附器均设置在所述高压主气路上，且所述80k低温吸附器位于所述第二级换热器和所述第三级换热器之间，所述20k低温吸附器位于所述第六级换热器和所述第七级换热器之间。9.根据权利要求8所述的超流氦制冷机，其特征在于，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80k低温吸附器的入口之间，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。
10.根据权利要求8所述的超流氦制冷机，其特征在于，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。11.根据权利要求8所述的超流氦制冷机，其特征在于，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。12.根据权利要求11所述的超流氦制冷机，其特征在于，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。13.根据权利要求12所述的超流氦制冷机，其特征在于，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，以及设置在所述20k低温吸附器的出口和所述第八透平的进口之间的第四入口调节阀，所述第九透平的出口连接于所述低压回气路。14.根据权利要求13所述的超流氦制冷机，其特征在于，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。15.根据权利要求6所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述高压主气路和所述过冷器之间还设置有节流阀组，所述节流阀组包括并联设置的第二节流阀和第三节流阀，所述过冷器的气相出口和所述低压回气路之间还设置有第二回气阀，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四节流阀；其中所述高压主气路输出的一部分超临界氦经过所述第二节流阀节流为气液两相，液相在所述过冷器中积液，气相通过所述第二回气阀进入所述低压回气路；另一部分超临界氦经所述第三节流阀节流后进入所述过冷器中，被所述过冷器中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底部流出，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，经过所述第四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，换热后的氦气经所述冷压缩机组的进口侧进入所述冷压缩机组。16.根据权利要求7所述的超流氦制冷机，其特征在于，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路调节阀。17.根据权利要求7所述的超流氦制冷机，其特征在于，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。18.根据权利要求7所述的超流氦制冷机，其特征在于，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。19.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括设置在所述第一冷箱和所述第二冷箱之间的多通道传输管线，所述多通道传输管线用于实现所述第一冷箱内的结构件和所述第二冷箱内的结构件之间的连接。

技术总结
本发明涉及一种超流氦制冷机，包括压缩机组、第一冷箱、设置于所述第一冷箱内的氦气预冷模块、多级透平膨胀机组、换热器组、过冷器和冷压缩机组、第二冷箱、设置于所述第二冷箱内的50～75K温区负载、4.5～75K温区负载、2K负载和气液分离器以及用户负载多温区回流管路。用户负载端返回的常温氦气和冷氦气进入所述回收主管路流动并形成不同温度的氦气，不同温度的氦气经由分布在所述超流氦制冷机的不同温区回气侧的各个所述回收支管路回收冷量至所述超流氦制冷机的对应的不同温区回气侧形成闭路循环，从而可使得不同温度的氦气能够按照温区回收到超流氦制冷机对应的温区回气侧，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。利于提高超流氦制冷机的整机性能。利于提高超流氦制冷机的整机性能。


技术研发人员：李静 周刚 李正宇 龚领会 刘立强 伍继浩
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：2022.05.07
技术公布日：2022/7/29