[發明專利]一種氦低溫制冷系統及制冷方法

有效

• 申請號: 202110591036.1
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN115406132B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發明（設計）人: 謝秀娟;楊少柒;王云龍;潘薇;徐向東;龔領會
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: F25B9/14
• 分類號: F25B9/14;F25B49/02
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 魏毅宏

本申請提供的氦低溫制冷系統，包括：室溫氦壓縮機/組及高精濾油器、氣體管理面板、氦氣緩沖罐、高壓氣體管路、中壓氣體管路、低壓氣體管路、高壓氣體管路閥門、中壓氣體管路閥門、低壓氣體管路閥門、液氮預冷閥門、氮氣管路、氦制冷機、節流閥、液氦低溫傳輸管線、低溫容器、低溫飽和氦氣回氣管路、低溫飽和氦氣回氣閥、液氦低溫傳輸管線、液氦導液閥、超流氦制冷機、低壓氣體管路閥門和低壓氣體管路。本申請提供的氦低溫制冷系統可以實現液氫、液氦到超流氦溫區的氦低溫制冷系統的多種工作模式的智能調控，并可實現氦低溫制冷系統產生20K冷氦氣、液氦或者2.17K以下超流氦，進而輸送給用戶或被冷卻負載進行降溫。另外，還提供了一種制冷方法。

技術領域

本申請屬于制冷與低溫技術領域，具體涉及一種氦低溫制冷系統及制冷方法。

背景技術

液氫、液氦到超流氦溫區的氦低溫制冷系統是指制冷溫度在1.8K～20K(-271.2℃～-253℃)范圍，制冷量幾百乃至萬瓦以上的低溫制冷系統，通常包括室溫氦氣壓縮機(組)及其高精濾油器、液氫/液氦溫區氦制冷機(包括多級透平膨脹機、多級低溫換熱器和J-T節流閥)、超流氦制冷機以及用戶負載(如用于冷卻各種大型超導磁體和超導射頻腔等)。

特別是當液氦的溫度降低到2.17K以下時，液氦從正常流體突然轉變為具有系列不尋常性質的“超流體”，被稱為超流氦。超流氦具有極小的粘度，表現為超流特性；同時它還具有高導熱率的優點，熱導率是室溫下銅的800倍。因此，超流氦作為一種良好的低溫冷卻介質，各種大型超導磁體和超導射頻腔，以確保超導加速器和超導對撞機的長期穩定運行。目前，法國國家科研中心與原子能總署下屬研究所、美國杰斐遜實驗室、德國電子同步加速器DESY、日本高能加速器研究機構KEK、歐洲核子中心CERN等國際機構，以及北京大學、中國科學院高能物理研究所、中國科學院理化技術研究所等國內機構先后建立了超流氦溫區大型低溫制冷系統。

超流氦溫區大型低溫制冷系統通常包括室溫壓縮機組、液氦溫區制冷機(包括透平膨脹機、多級低溫換熱器和J-T節流閥)、超流氦溫區制冷機。獲得超流氦一般有三種方式，1)單獨采用冷壓縮機，直接利用冷壓縮機對氦池中的負壓低溫氦氣進行增壓；2)單獨采用室溫循環泵(泵組)，利用室溫循環泵(泵組)對液氦池的回氣減壓降溫；3)采用冷壓縮機和室溫循環泵(泵組)組合方式，利用冷壓縮機和室溫循環泵(泵組)對氦池中的負壓低溫氦氣實現逐級增壓。

目前，針對液氫、液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統，具備研發制造能力的跨國公司包括瑞士的林德公司、法國法液空公司等，制冷量從數百瓦級直至數萬瓦級。而如何實現20K以下溫區氦低溫制冷系統的智能調控，并達到預定的制冷能力少有提及。

發明內容

鑒于此，有必要針對現有技術存在的缺陷提供一種可以實現液氫、液氦到超流氦溫區氦低溫制冷系統的多種工作模式的氦低溫制冷系統及制冷方法。

為解決上述問題，本申請采用下述技術方案：

一種氦低溫制冷系統，包括：室溫氦壓縮機/組及高精濾油器(1)、氣體管理面板(2)、氦氣緩沖罐(3)、高壓氣體管路(4)、中壓氣體管路(5)、低壓氣體管路(6)、高壓氣體管路閥門(7)、中壓氣體管路閥門(8)、低壓氣體管路閥門(9)、液氮預冷閥門(10)、氮氣管路(11)、氦制冷機(12)、節流閥(13)、液氦低溫傳輸管線(14)、低溫容器(15)、低溫飽和氦氣回氣管路(16)、低溫飽和氦氣回氣閥(17)、液氦低溫傳輸管線(18)、液氦導液閥(19)、超流氦制冷機(20)、低壓氣體管路閥門(21)和低壓氣體管路(22)，其中：

所述室溫氦壓縮機/組及高精濾油器(1)上排列連接所述高壓氣體管路(4)、所述中壓氣體管路(5)及所述低壓氣體管路(6)，所述氣體管理面板(2)上設置有若干個調節閥門，所述氦氣緩沖罐(3)通過其中一調節閥門連接所述低壓氣體管路(6)，所述氣體管理面板(2)通過控制所述調節閥門分別實現所述高壓氣體管路(4)、所述中壓氣體管路(5)和所述低壓氣體管路(6)的高壓、中壓和低壓的穩定調控；