[发明专利]一种多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置

说明书

技术领域

本发明涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置。

背景技术

目前作为可达到4.2K的唯一方便冷源—液氦已经广泛应用于大中小型低温系统及低温实验室。对于大型低温系统，液氦消耗量巨大，可采用市场上已经产品化的标准氦液化器提供液氦，如两家氦液化器厂商林德和法液空公司，根据液氦消耗和氦液化器的液化量选取型号。但对于中小型低温系统及低温实验室，如核磁共振仪、超导磁强计、高速超导磁悬浮列车等，日消耗液氦量小则仅几L/d，大的也只有150L/d。若采用标准氦液化器，则存在以下几个问题：首先，配备标准氦液化器，以氦液化器厂商法液空公司最小氦液化量30L/h的氦液化器来估算，若消耗150L/d，则日富裕液氦量为330L，因此必须配备液氦储存容器、液氦输液管、输液管插接头等，从而导致液氦在储存和加注过程中的消耗量将远大于低温系统本身的消耗量，造成能源浪费，特别是对于我国这种氦资源匮乏、提取氦气的成本高、一直依赖进口的国家来说，液氦的价格很昂贵，2007年美国将氦气核定为战略物资而限制粗氦产量，导致我国液氦价格由原来60～80元/每升，上涨翻倍到目前200元/每升以上，因此采用标准氦液化器，运行成本将大幅增长。其次，标准氦液化器为一系统复杂，需要土建工程配套，如压缩机地基及房屋、气柜等设施，且压缩机、冷箱及其控制需分房而置，占地面积大，维护复杂，操作需要专门培训的技术人员。因此采用标准氦液化器为中小型低温系统提供液氦无论人力还是财力上都造成很大浪费。

中小型低温系统若不配备氦液化器，而直接从其它氦液化器分装液氦，一方面输送和充注过程中液氦浪费严重，另一方面当因客观原因运输受限时，系统运行也受到影响，特别是某些特殊装置用低温系统，如ECR离子源的低温系统，加注液氦需要中止离子源运行，造成实验时间及能源的浪费，甚至影响研究工作的开展。未来预计氦气进口更加受制于人，届时可能会因为无液氦供应而使我国现有的许多涉及氦气和液氦的科研项目无法实施。

因此针对中小型低温系统液氦消耗量，需要建造合适的微小型氦液化装置。目前市场上存在成熟的小型低温制冷机产品，使建造微小型氦液化装置成为可能。针对不同的液氦消耗量开发不同数量制冷机为冷源的，以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，以解决现在中小型低温系统用液氦问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的以多台制冷机预冷的带内纯化冗余的氦液化装置，其包括：

一置于真空罩内的用于原料氦气进气的氦进气管,所述原料氦气为液氦池内蒸发至室温的氦气或其它途径回收的纯度不小于99%的氦气；

N台制冷机，所述N为2～48的正整数；

N-1台置于所述真空罩内的相互串并联的一级冷头换热器，所述一级冷头换热器为兼具内纯化器纯化功能的间壁式换热器；进入的原料氦气通过所述氦进气管进入所述相互串并联的N-1台一级冷头换热器进行预冷；

所述真空罩内设置一屏蔽罩；

M台置于所述屏蔽罩内的并联的冷凝器，所述M至少为1，且M小于N；

N-M台置于所述屏蔽罩内的相互串联的二级冷头换热器；经过所述一级冷头换热器预冷后的原料氦气进入所述相互串联的二级冷头换热器进行再预冷；

经过所述二级冷头换热器再预冷的原料氦气进入所述并联的冷凝器进行液化，液化得到的液体汇流流入集液罐6,并通过与所述集液罐相连通的输液杜瓦管7流入置于所述真空罩之外的液氦杜瓦瓶或液氦存储装置；

所述N台制冷机中的一台制冷机的一级冷头通过热桥与屏蔽罩连接，并为所述屏蔽罩提供冷量；该台制冷剂的二级冷头与所述一台二级冷头换热器通过热桥连接；

所述N台制冷机中的其它制冷机的一级冷头通过热桥分别与所述一级冷头换热器连接，并为各自相连的一级冷头换热器提供冷量，所述N台制冷机中的其它制冷机的一部分二级冷头通过热桥分别与所述二级冷头换热器连接，并为所述二级冷头换热器提供冷量；所述N台制冷机中的其它制冷机的另一部分二级冷头通过热桥分别与所述冷凝器连接，并为所述冷凝器提供冷量。

所述的制冷机为G-M制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机或小型低温制冷机。所述小型低温制冷机是指二级冷头温度为4.2K时的制冷量小于1.5W的低温制冷机。

所述一级冷头换热器和二级冷头换热器均为无氧铜制作的换热器；所述冷凝器为无氧铜制作的冷凝器。