[发明专利]一种具有叶轮机械入口兑温管路的超流氦制冷机

说明书

本发明涉及一种具有叶轮机械入口兑温管路的超流氦制冷机，包括压缩机组、冷箱、均设置于所述冷箱内的氦气预冷模块、低温吸附器组、多级透平膨胀机组、换热器组、过冷器、气液分离器、50～75K温区负载兑温管路、冷压缩机组和冷压缩机组入口兑温管路、以及设置于所述冷箱外的50～75K温区负载、4.5～75K温区负载和2K负载；所述超流氦制冷机通过在所述第一透平膨胀机组处设置50～75K温区负载兑温管路，和在所述冷压缩机组的进口侧设置冷压缩机组入口兑温管路的方式，使得进入所述第一透平膨胀机组和所述冷压缩机组的流体参数能够达到叶轮机械入口设计参数，从而使得透平膨胀机组和冷压缩机组等叶轮机械能运行在最佳工况，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。

技术领域

本发明涉及超低温制冷技术领域，特别是涉及一种具有叶轮机械入口兑温管路的超流氦制冷机。

背景技术

超流氦具有非常高的热导率，远高于金属的导热性能，是铜的几千倍。由于超流氦具有优良的流动和传热性能，因此在很多应用场合，常用其冷却超导磁体。超流氦几乎无黏性，很容易渗透到磁体内部，迅速消除热扰动。使用超流氦冷却加速器和超导磁体能够提高稳定性，且能减少能量消耗和运行成本。

由于超流氦更低的温度、极小的粘度和高导热率等优点，目前利用超流氦建立了多种低温制冷系统和制冷机。超流氦制冷机一般包括一套4.5K氦低温系统和一套1.8/2K超流氦低温子系统，在制取液氦的同时制取超流氦。4.5K氦低温系统制取液氦，需要使用多组透平膨胀机串联或者并联降温。1.8/2K超流氦低温子系统制取超流氦，需要用到多组冷压缩机。透平膨胀机和冷压缩机都是叶轮机械，叶轮机械入口设计参数，即设计温度，设计压力和设计流量，在设计参数下工作叶轮机械才能达到最佳工况。比如，透平膨胀机的特性曲线，透平膨胀机的实际特性曲线与设计特性曲线符合的越好，其效率越高，透平膨胀机越能运行在最佳工况。冷压缩机运行更加复杂，冷压缩机的工作区域处于喘振线和堵塞线之间。多个冷压缩机串联，多个冷压缩机之间的耦合匹配是个复杂的问题。因此，透平膨胀机和冷压缩机等叶轮机械的控制对于超流氦制冷机的整机性能至关重要。

超流氦制冷机必须保证在低温系统2K工作模式、2K待机模式、4.5K待机模式，升降温模式等不同运行模式下都能够长期、稳定、可靠运行，且能够满足各种不同运行模式下的制冷量要求。然而，实际运行时，2K回流从用户负载到冷压缩机入口管道较长，需要考虑管道漏热，冷压缩机入口温度较高。超流氦制冷机具有多种工作模式，比如4.5K工作模式，2K待机模式，2K工作模式等，每种工作模式的2K负载回流的温度都不相同。50～75K温区负载回流也有相同的问题。因此现有的超流氦制冷机存在负载回流无法达到进入对应的叶轮机械比如透平膨胀机组或冷压缩机组的入口设计参数的情况，如此将会影响超流氦制冷机的整机性能。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种具有叶轮机械入口兑温管路的超流氦制冷机，所述超流氦制冷机设计了50～75K温区负载兑温管路和冷压缩机组入口兑温管路，使得进入透平膨胀机组和冷压缩机组的流体参数达到叶轮机械入口设计参数，使得透平膨胀机组和冷压缩机组等叶轮机械能运行在最佳工况，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。

本发明提供了一种具有叶轮机械入口兑温管路的超流氦制冷机，包括压缩机组、冷箱、均设置于所述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、气液分离器、50～75K温区负载兑温管路、冷压缩机组和冷压缩机组入口兑温管路、以及设置于所述冷箱外的50～75K温区负载、4.5～75K温区负载和2K负载；

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冷箱的进口进入所述冷箱内；

所述氦气预冷模块设置在所述冷箱的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机组之前，用于对进入所述冷箱的一部分常温高压氦气进行预冷；