[發(fā)明專利]一種用于月球氦3的開采設(shè)備及開采方法

有效

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• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN114684799B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈俊;王昌;戴巍;李珂;禹芳秋
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院理化技術(shù)研究所
• 主分類號: C01B23/00
• 分類號: C01B23/00;F25J3/06;F25J5/00
• 代理公司: 深圳市科進知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 曹衛(wèi)良

1.一種用于月球氦3的開采設(shè)備，其特征在于，包括脫氣單元、低溫冷凝分離單元、超流氦分離單元及儲運單元；所述低溫冷凝分離單元包括冷凝室、設(shè)置于所述冷凝室兩端的進氣口和出氣口、設(shè)置于所述冷凝室側(cè)邊的冷頭、穿過所述冷頭并于所述冷凝室連通的第一毛細管、設(shè)置于所述第一毛細管上的第一排液泵；所述超流氦分離單元包括分離室、設(shè)置于所述分離室兩端的進液口及出液口、設(shè)置于所述分離室側(cè)邊的絕熱去磁制冷機冷頭、與所述絕熱去磁制冷機冷頭連接的極細毛細孔、與所述極細毛細孔連接的第二毛細管、設(shè)置于所述第二毛細管上的第二排液泵；其中：

所述脫氣單元對月球中開采出的富含氦3的礦石進行加熱脫氣處理，脫離后的氣體進入所述低溫冷凝分離單元；

脫離后的氣體經(jīng)所述進入口進入所述冷凝室，使以氫氣為主的雜質(zhì)氣體冷凝，并經(jīng)所述第一毛細管由所述第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合氣體，所述混合氣體由所述出氣口進入所述進液口；

所述混合氣體由所述進液口進入所述分離室，所述混合氣體在分離室預(yù)冷至液態(tài)形成液態(tài)混合物，所述絕熱去磁制冷機將所述液態(tài)混合物降溫至低于2.1K，再經(jīng)所述極細毛細孔及所述第二毛細管由所述排液泵將超流態(tài)的氦4排出，得到純度較高的液態(tài)氦3，所述液態(tài)氦3由所述出液口進入所述儲運單元保存。

2.如權(quán)利要求1所述的用于月球氦3的開采設(shè)備，其特征在于，加熱脫氣的熱源來自太陽能。

3.如權(quán)利要求1所述的用于月球氦3的開采設(shè)備，其特征在于，所述低溫冷凝分離單元還包括輻射換熱器，脫離后的氣體經(jīng)所述輻射換熱器降溫后再經(jīng)所述進入口進入所述冷凝室。

4.如權(quán)利要求3所述的用于月球氦3的開采設(shè)備，其特征在于，所述低溫冷凝分離單元還包括機械制冷機，所述機械制冷機設(shè)置于所述冷凝室內(nèi)，所述機械制冷機可對內(nèi)部的氣體降溫，使以氫氣為主的雜質(zhì)氣體冷凝。

5.如權(quán)利要求4所述的用于月球氦3的開采設(shè)備，其特征在于，所述機械制冷機為斯特林制冷機或脈管制冷機或節(jié)流制冷機。

6.如權(quán)利要求1所述的用于月球氦3的開采設(shè)備，其特征在于，所述超流氦分離單元還包括機械制冷機，所述機械制冷機將由所述進液口進入的所述混合氣體預(yù)冷至液態(tài)，所述機械制冷機還連接所述絕熱去磁制冷機并為所述絕熱去磁制冷機提供預(yù)冷。

7.如權(quán)利要求6所述的用于月球氦3的開采設(shè)備，其特征在于，所述絕熱去磁制冷機包括超導(dǎo)磁體、磁制冷工質(zhì)、熱沉、熱開關(guān)及冷頭，所述熱開關(guān)包括位于所述磁制冷工質(zhì)與所述熱沉間的第一熱開關(guān)及位于所述磁制冷工質(zhì)與所述冷頭間的第二熱開關(guān)；其中：

所述超導(dǎo)磁體用于提供可調(diào)控的磁場；所述磁制冷工質(zhì)是系統(tǒng)的冷量來源，當對其施加磁場時，向外界放熱；撤去磁場時，從外界吸熱，進而降溫制冷；所述熱沉用于吸收磁化時釋放的高溫熱量；所述第一熱開關(guān)在磁化時處于導(dǎo)通狀態(tài)及去磁時處于切斷狀態(tài)；所述第二熱開關(guān)在去磁時處于導(dǎo)通狀態(tài)及磁化時處于切斷狀態(tài)；所述冷頭用于傳遞冷量。

8.如權(quán)利要求7所述的用于月球氦3的開采設(shè)備，其特征在于，所述儲運單元可將所述液態(tài)氦3保持在3.32K以下，以使其始終處于液態(tài)。

9.一種如權(quán)利要求1至8任一項所述的用于月球氦3的開采設(shè)備的開采方法，其特征在于，包括下述步驟：

所述脫氣單元對月球中開采出的富含氦3的礦石進行加熱脫氣處理，脫離后的氣體進入所述低溫冷凝分離單元；

脫離后的氣體經(jīng)所述進入口進入所述冷凝室，使以氫氣為主的雜質(zhì)氣體冷凝，并經(jīng)所述第一毛細管由所述第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合氣體，所述混合氣體由所述出氣口進入所述進液口；

所述混合氣體由所述進液口進入所述分離室，所述混合氣體在分離室預(yù)冷至液態(tài)形成液態(tài)混合物，所述絕熱去磁制冷機將所述液態(tài)混合物降溫至低于2.1K，再經(jīng)所述極細毛細孔及所述第二毛細管由所述排液泵將超流態(tài)的氦4排出，得到純度較高的液態(tài)氦3，所述液態(tài)氦3由所述出液口進入所述儲運單元保存。