[发明专利]一种超流氦制冷机

权利要求书

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设置于所述第一冷箱和所述第二冷箱外的液氦杜瓦；

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加热器；

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；

当所述超流氦制冷机用于提氦时，另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。