[发明专利]一种氦低温制冷系统及制冷方法

说明书

本申请提供的氦低温制冷系统，包括：室温氦压缩机/组及高精滤油器、气体管理面板、氦气缓冲罐、高压气体管路、中压气体管路、低压气体管路、高压气体管路阀门、中压气体管路阀门、低压气体管路阀门、液氮预冷阀门、氮气管路、氦制冷机、节流阀、液氦低温传输管线、低温容器、低温饱和氦气回气管路、低温饱和氦气回气阀、液氦低温传输管线、液氦导液阀、超流氦制冷机、低压气体管路阀门和低压气体管路。本申请提供的氦低温制冷系统可以实现液氢、液氦到超流氦温区的氦低温制冷系统的多种工作模式的智能调控，并可实现氦低温制冷系统产生20K冷氦气、液氦或者2.17K以下超流氦，进而输送给用户或被冷却负载进行降温。另外，还提供了一种制冷方法。

技术领域

本申请属于制冷与低温技术领域，具体涉及一种氦低温制冷系统及制冷方法。

背景技术

液氢、液氦到超流氦温区的氦低温制冷系统是指制冷温度在1.8K～20K(-271.2℃～-253℃)范围，制冷量几百乃至万瓦以上的低温制冷系统，通常包括室温氦气压缩机(组)及其高精滤油器、液氢/液氦温区氦制冷机(包括多级透平膨胀机、多级低温换热器和J-T节流阀)、超流氦制冷机以及用户负载(如用于冷却各种大型超导磁体和超导射频腔等)。

特别是当液氦的温度降低到2.17K以下时，液氦从正常流体突然转变为具有系列不寻常性质的“超流体”，被称为超流氦。超流氦具有极小的粘度，表现为超流特性；同时它还具有高导热率的优点，热导率是室温下铜的800倍。因此，超流氦作为一种良好的低温冷却介质，各种大型超导磁体和超导射频腔，以确保超导加速器和超导对撞机的长期稳定运行。目前，法国国家科研中心与原子能总署下属研究所、美国杰斐逊实验室、德国电子同步加速器DESY、日本高能加速器研究机构KEK、欧洲核子中心CERN等国际机构，以及北京大学、中国科学院高能物理研究所、中国科学院理化技术研究所等国内机构先后建立了超流氦温区大型低温制冷系统。

超流氦温区大型低温制冷系统通常包括室温压缩机组、液氦温区制冷机(包括透平膨胀机、多级低温换热器和J-T节流阀)、超流氦温区制冷机。获得超流氦一般有三种方式，1)单独采用冷压缩机，直接利用冷压缩机对氦池中的负压低温氦气进行增压；2)单独采用室温循环泵(泵组)，利用室温循环泵(泵组)对液氦池的回气减压降温；3)采用冷压缩机和室温循环泵(泵组)组合方式，利用冷压缩机和室温循环泵(泵组)对氦池中的负压低温氦气实现逐级增压。

目前，针对液氢、液氦到超流氦温区大型低温制冷系统，具备研发制造能力的跨国公司包括瑞士的林德公司、法国法液空公司等，制冷量从数百瓦级直至数万瓦级。而如何实现20K以下温区氦低温制冷系统的智能调控，并达到预定的制冷能力少有提及。

发明内容

鉴于此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供一种可以实现液氢、液氦到超流氦温区氦低温制冷系统的多种工作模式的氦低温制冷系统及制冷方法。

为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

一种氦低温制冷系统，包括：室温氦压缩机/组及高精滤油器(1)、气体管理面板(2)、氦气缓冲罐(3)、高压气体管路(4)、中压气体管路(5)、低压气体管路(6)、高压气体管路阀门(7)、中压气体管路阀门(8)、低压气体管路阀门(9)、液氮预冷阀门(10)、氮气管路(11)、氦制冷机(12)、节流阀(13)、液氦低温传输管线(14)、低温容器(15)、低温饱和氦气回气管路(16)、低温饱和氦气回气阀(17)、液氦低温传输管线(18)、液氦导液阀(19)、超流氦制冷机(20)、低压气体管路阀门(21)和低压气体管路(22)，其中：

所述室温氦压缩机/组及高精滤油器(1)上排列连接所述高压气体管路(4)、所述中压气体管路(5)及所述低压气体管路(6)，所述气体管理面板(2)上设置有若干个调节阀门，所述氦气缓冲罐(3)通过其中一调节阀门连接所述低压气体管路(6)，所述气体管理面板(2)通过控制所述调节阀门分别实现所述高压气体管路(4)、所述中压气体管路(5)和所述低压气体管路(6)的高压、中压和低压的稳定调控；