1.本发明涉及超低温制冷技术领域，特别是涉及一种超流氦制冷机。
背景技术：2.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。
3.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。比较典型的超流氦的获取方式有三种：1)室温泵；2)冷压缩机；3)室温泵和冷压缩机联合工作。采用室温泵或者室温泵和冷压缩机联合方案时，需要2～3组室温泵甚至更多，室温泵组占地面积较大，且室温泵组只能将负压超流氦回气压缩到大气压力。公开日为2018年5月15日，公布号为cn108036538a的中国专利申请公开了一种超流氦低温循环系统，该超流氦低温循环系统包含4k冷箱和2k冷箱，整体体积较大，而且采用了基于喷射器的超流氦循环单元，将2k储罐来的超流氦负压回气连接到压缩机低压或中压管路上，该超流氦循环单元没有机械运动部件，相应的效率较低。公开日为2018年4月27日，公布号为cn107965940a的中国专利申请公开了一种超流氦低温系统，该超流氦低温系统同样包含4k冷箱和2k冷箱两个冷箱，并采用了无油负压室温泵单元，负压室温泵单元将冷压缩机组来的超流氦负压回气压缩到大气压力，该设计涉及到的换热器和泵组较多，占地面积大。因此，总的来讲，现有的超流氦低温系统的集成化程度低、整体结构复杂、可靠性和效率低、体积大、占地面积大。
技术实现要素：4.本发明的一目的是，提供一种超流氦制冷机，所述超流氦制冷机取消了室温泵组，并将其核心制冷部件均集成在一个冷箱中，整体结构紧凑、可靠性高、效率高、体积小、占地面积小。
5.本发明提供了一种超流氦制冷机，包括正压压缩机组、冷箱、均设置于所述冷箱内的氦气预冷模块、4k冷量获取模块和2k冷量获取模块，所述4k冷量获取模块连接于4.5～75k温区负载，用于为所述4.5～75k温区负载提供4.5k冷量，所述2k冷量获取模块连接于2k负载，用于为所述2k负载提供1.8k/2k冷量；
6.所述正压压缩机组包括中压压缩机和高压压缩机，所述中压压缩机的吸气口连接于所述冷箱的低压出口，出口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；
7.所述氦气预冷模块设置在所述冷箱的进口侧，并位于所述4k冷量获取模块之前，
用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行预冷；
8.所述4k冷量获取模块包括连接于所述超流氦制冷机的高压主气路的多级透平膨胀机组、换热器组、节流阀组以及连接于所述节流阀组的过冷器；其中进入所述冷箱的常温高压氦气经由所述高压主气路进入所述氦气预冷模块中预冷后，进入所述多级透平膨胀机组中进行多级冷却过程和进入所述换热器组中进行多级换热过程，形成超临界氦，所述超临界氦经由所述节流阀组节流和所述过冷器过冷后，形成过冷超临界氦，一部分所述过冷超临界氦进入所述4.5～75k温区负载中，提供4.5k冷量；另一部分所述过冷超临界氦进入所述2k冷量获取模块中；
9.所述2k冷量获取模块包括气液分离器、冷压缩机组以及负压压缩机，所述气液分离器的进口连接于所述过冷器的液相出口，气相出口连接于所述冷压缩机组的进口，所述冷压缩机组的进口还连接于所述2k负载的出口，所述冷压缩机组的出口连接于所述负压压缩机的吸气口，所述负压压缩机的出口连接于所述高压压缩机的吸气口；其中进入所述2k冷量获取模块的所述过冷超临界氦经换热和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，提供1.8k/2k冷量；气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2k负载的回气汇合进入所述冷压缩机组，经由所述冷压缩机组提压后，返流进入所述换热器组的负压通道，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冷箱排出的中压回气混合后，进入所述高压压缩机，至此完成一个氦气循环。
10.在本发明的一实施例中，所述多级透平膨胀机组包括串联设置的第一透平膨胀机组、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；所述超流氦制冷机包括所述高压主气路、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冷箱的进口，出口连接于所述节流阀组的进口，所述节流阀组的出口连接于所述过冷器；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。
11.在本发明的一实施例中，所述换热器组包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路以及所述负压回气路的并依次设置的第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器以及第五级换热器，还包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路的第六级换热器，连接于所述高压主气路和所述低压回气路的第七级换热器和第八级换热器，以及连接于所述过冷器的液相出口、所述气液分离器的进口与气相出口、所述2k负载的出口以及所述冷压缩机组的进口的第九级换热器。
12.在本发明的一实施例中，所述节流阀组包括并联设置的第一节流阀和第二节流阀，所述过冷器的气相出口和所述低压回气路之间还设置有回气阀，所述第九级换热器和所述气液分离器的进口之间还设置有第三节流阀；
13.其中所述高压主气路输出的一部分超临界氦经过所述第一节流阀节流为气液两相，液相在所述过冷器中积液，气相通过所述回气阀进入所述低压回气路；另一部分超临界
氦经所述第二节流阀节流后进入所述过冷器中，被所述过冷器积液的液氦过冷形成所述过冷超临界氦，所述过冷超临界氦自所述过冷器流出，一部分供给所述4.5～75k温区负载，另一部分进入所述第九级换热器换热后，进入所述第三节流阀节流为气液两相，液相在所述气液分离器中积液，气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2k负载的回气汇合进入所述第九级换热器中换热后，进入所述冷压缩机组。
14.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括低温吸附器组，所述低温吸附器组包括用于吸附氦气中的杂质气体的80k低温吸附器和20k低温吸附器，所述80k低温吸附器和所述20k低温吸附器均设置在所述高压主气路上，且所述80k低温吸附器位于所述第二级换热器和所述第三级换热器之间，所述20k低温吸附器位于所述第六级换热器和所述第七级换热器之间。
15.在本发明的一实施例中，所述80k低温吸附器为两个，两个所述80k低温吸附器并联，并切换使用。
16.在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块包括连接于所述高压主气路的氦气通路调节阀、连接于所述氦气通路调节阀的液氮预冷换热器、连接于所述液氮预冷换热器的液氮进口管路、以及设置于所述液氮进口管路的液氮进口调节阀，所述液氮预冷换热器的出口连接于所述高压主气路，并位于所述第二级换热器的出口和所述80k低温吸附器的入口之间，所述氦气预冷模块通过所述液氮进口管路通入的液氮对所述常温高压氦气进行预冷，并通过所述氦气通路调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的氦气量，和通过所述液氮进口调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的液氮量。
17.在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块包括由第一透平、第二透平、第三透平串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器的出口和所述第一透平的进口之间的第一入口调节阀，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路。
18.在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块包括由第一透平、第二透平、第三透平串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器的出口和所述第一透平的进口之间的第一入口调节阀，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路。
19.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还连接于设置在所述冷箱外的50～75k温区负载，所述50～75k温区负载的进口连接于所述高压主气路，出口连接于所述第一透平膨胀机组，所述第一透平膨胀机组包括串联设置的第四透平和第五透平，以及设置在所述第三级换热器的出口和所述第四透平的进口之间的第二入口调节阀，所述第五透平的出口连接于所述中压回气路。
20.在本发明的一实施例中，所述第二透平膨胀机组包括串联设置的第六透平和第七透平，以及设置在所述第五级换热器的出口和所述第六透平的进口之间的第三入口调节阀，所述第七透平的出口连接于所述中压回气路。
21.在本发明的一实施例中，所述第三透平膨胀机组包括串联设置的第八透平和第九透平，以及设置在所述20k低温吸附器的出口和所述第八透平的进口之间的第四入口调节阀，所述第九透平的出口连接于所述低压回气路。
22.在本发明的一实施例中，所述第四透平膨胀机组包括第十透平、设置在所述第七级换热器的出口和所述第十透平的进口之间的第五入口调节阀以及设置在所述高压主气路上，并位于所述第七级换热器和所述第八级换热器之间的末级透平旁通阀，所述第十透
平的出口连接于所述高压主气路。
23.在本发明的一实施例中，所述冷压缩机组包括串联设置的第六入口调节阀、第一冷压缩机、第二冷压缩机、第三冷压缩机、第四冷压缩机以及第一出口调节阀，所述超流氦制冷机还包括并联于所述冷压缩机组的冷压缩机组旁通管路和设置于所述冷压缩机组旁通管路上的旁路调节阀。
24.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括设置在所述负压压缩机和所述高压压缩机之间的单向阀，所述单向阀用于防止所述负压压缩机的出口氦气逆流。
25.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括连接于所述第四透平膨胀机组的出口和所述低压回气路的冷箱旁通管路和设置在所述冷箱旁通管路上的冷箱旁通阀。
26.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机还包括气体管理面板，所述气体管理面板包括连接于所述高压主气路和所述中压回气路的中压旁通阀、连接所述高压主气路和所述低压回气路的低压旁通阀、连接于所述低压回气路和所述高压主气路的加载阀与缓冲罐卸载阀、以及连接于所述加载阀和所述缓冲罐卸载阀之间的缓冲罐。
27.本发明的所述超流氦制冷机为一种具有整体式冷箱的超流氦制冷机，至少包括正压压缩机组、冷箱、均设置于所述冷箱内的氦气预冷模块、4k冷量获取模块和2k冷量获取模块；所述超流氦制冷机将制冷的核心部件如氦气预冷模块、4k冷量获取模块和2k冷量获取模块放置在一个冷箱中，取消了现有的室温泵组结构，整体结构紧凑，可靠性和效率高，体积小、占地面积小，适用范围广泛。
28.通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
29.图1为本发明的一优选实施例的所述超流氦制冷机的结构示意图，其中箭头方向代表流体流动方向。
30.附图标号说明：中压压缩机1；高压压缩机2；负压压缩机3；单向阀4；中压旁通阀5；低压旁通阀6；缓冲罐卸载阀7；缓冲罐8；加载阀9；冷箱10；冷箱旁通管路11；冷箱旁通阀12；第一节流阀13；第二节流阀14；回气阀15；第三节流阀16；
31.高压主气路21；中压回气路22；低压回气路23；负压回气路24；
32.氦气通路调节阀30；液氮预冷换热器31；液氮进口管路32；液氮进口调节阀33；第一透平34；第二透平35；第三透平36；第一入口调节阀37；
33.80k低温吸附器38；20k低温吸附器39；
34.第四透平40；第五透平41；第二入口调节阀42；第六透平43；第七透平44；第三入口调节阀45；第八透平46；第九透平47；第四入口调节阀48；第十透平49；第五入口调节阀50；末级透平旁通阀51；
35.第一透平膨胀机组的进口管路60；
36.第六入口调节阀70；第一冷压缩机71；第二冷压缩机72；第三冷压缩机73；第四冷压缩机74；第一出口调节阀75；冷压缩机组旁通管路76；旁路调节阀77；
37.第一级换热器81、第二级换热器82、第三级换热器83、第四级换热器84；第五级换热器85；第六级换热器86；第七级换热器87；第八级换热器88；第九级换热器89；
38.50～75k温区负载101；4.5～75k温区负载102；2k负载103；过冷器104；气液分离器
105。
具体实施方式
39.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
40.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
41.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.如图1所示，根据本发明的一优选实施例的所述超流氦制冷机的具体结构及其工作流程被具体阐明。
44.如图1所示，所述超流氦制冷机包括正压压缩机组、冷箱10、均设置于所述冷箱10内的氦气预冷模块、4k冷量获取模块和2k冷量获取模块，所述4k冷量获取模块连接于4.5～75k温区负载102，用于为所述4.5～75k温区负载102提供4.5k冷量，所述2k冷量获取模块连接于2k负载103，用于为所述2k负载103提供1.8k/2k冷量。
45.具体地，所述冷箱10包括进口、中压出口、低压出口以及负压出口，所述正压压缩机组包括中压压缩机1和高压压缩机2，所述中压压缩机1的吸气口连接于所述冷箱10的低压出口，出口连接于所述高压压缩机2的吸气口；所述高压压缩机2的吸气口还连接于所述冷箱10的中压出口，所述高压压缩机2的出口连接于所述冷箱10的进口，所述高压压缩机2排出的常温高压氦气经由所述冷箱10的进口进入所述冷箱10内。
46.可以理解的是，经由所述冷箱10的进口进入所述冷箱10的是常温高压氦气，经由所述冷箱10的所述中压出口排出的是中压回气，经由所述冷箱10的所述低压出口排出的是低压回气，经由所述冷箱10的所述负压出口排出的是负压回气。
47.所述氦气预冷模块设置在所述冷箱10的进口侧，并位于所述4k冷量获取模块之前，用于对进入所述冷箱10的常温高压氦气进行预冷。
48.所述4k冷量获取模块包括连接于所述超流氦制冷机的高压主气路21的多级透平膨胀机组、换热器组、节流阀组以及连接于所述节流阀组的过冷器104；其中进入所述冷箱10的常温高压氦气经由所述高压主气路21进入所述氦气预冷模块中预冷后，进入所述多级
透平膨胀机组中进行多级冷却过程和进入所述换热器组中进行多级换热过程，形成超临界氦，所述超临界氦经由所述节流阀组节流和所述过冷器104过冷后，形成过冷超临界氦，一部分所述过冷超临界氦进入所述4.5～75k温区负载102中，提供4.5k冷量；另一部分所述过冷超临界氦进入所述2k冷量获取模块中。
49.所述2k冷量获取模块包括气液分离器105、冷压缩机组以及负压压缩机3，所述气液分离器105的进口连接于所述过冷器104的液相出口，气相出口连接于所述冷压缩机组的进口，所述冷压缩机组的进口还连接于所述2k负载103的出口，所述冷压缩机组的出口连接于所述负压压缩机3的吸气口，所述负压压缩机3的吸气口还连接于所述冷箱10的负压出口，所述负压压缩机3的出口连接于所述高压压缩机2的吸气口；
50.其中进入所述2k冷量获取模块的所述过冷超临界氦经换热和节流后分为气液两相，液相进入所述气液分离器105中积液，当所述气液分离器105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105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105的液相出口流出至所述2k负载103处，提供1.8k/2k冷量；气相自所述气液分离器105的气相出口排出，与所述2k负载103的回气汇合进入所述冷压缩机组，经由所述冷压缩机组提压后，返流进入所述换热器组的负压通道，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3中压缩到中压，与来自所述中压压缩机1排出的中压气体以及所述冷箱10排出的中压回气混合后，进入所述高压压缩机2，至此完成一个氦气循环。
51.可以理解的是，本发明的所述超流氦制冷机采用串联设置的所述多级透平膨胀机组对所述常温高压氦气进行多级冷却过程，采用所述换热器组对所述常温高压氦气进行多级换热过程以及采用所述节流阀组进行高压节流制冷和采用所述过冷器104过冷，从而获得4.5k冷量；所述超流氦制冷机采用冷压缩机组和所述负压压缩机3减压降温，从而获得1.8k/2k冷量。
52.也就是说，所述超流氦制冷机的制冷部分主要包括4k部分和2k部分，通过将4k部分和2k部分均放置在所述冷箱10内的方式，使得所述超流氦制冷机的整体结构紧凑，体积小，占地面积小。
53.另外，所述超流氦制冷机采用所述负压压缩机3直接将超流氦负压回气压缩到中压，并连接到所述高压压缩机2的吸气口处，结构紧凑，效率高。此种设计取消了室温泵组，提高了可靠性，缩小了所述超流氦制冷机的体积，使得所述超流氦制冷机占地面积小。
54.具体地，所述多级透平膨胀机组包括串联设置的第一透平膨胀机组、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，用于对进入所述冷箱10的常温高压氦气进行多级冷却过程。
55.具体地，所述超流氦制冷机包括所述高压主气路21、中压回气路22、低压回气路23、负压回气路24，所述高压主气路21的进口连接于所述冷箱10的进口，出口连接于所述节流阀组的进口，所述节流阀组的出口连接于所述过冷器104；所述中压回气路22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2的吸气口；所述低压回气路23的进口连接于所述过冷器104的气相出口，出口连接于所述中压压缩机1的吸气口；所述负压回气路24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3的吸气口。
56.具体地，所述换热器组包括连接于所述高压主气路21、所述中压回气路22、所述低压回气路23以及所述负压回气路24的并依次设置的第一级换热器81、第二级换热器82、第三级换热器83、第四级换热器84以及第五级换热器85，还包括连接于所述高压主气路21、所述中压回气路22、所述低压回气路23的第六级换热器86，连接于所述高压主气路21和所述低压回气路23的第七级换热器87和第八级换热器88，以及连接于所述过冷器104的液相出口、所述气液分离器105的进口与气相出口、所述2k负载103的出口以及所述冷压缩机组的进口的第九级换热器89。
57.更具体地，所述节流阀组包括并联设置的第一节流阀13和第二节流阀14，所述过冷器104的气相出口和所述低压回气路23之间还设置有回气阀15，所述第九级换热器89和所述气液分离器105的进口之间还设置有第三节流阀16；
58.其中所述高压主气路21输出的一部分超临界氦经过所述第一节流阀13节流为气液两相，液相在所述过冷器104中积液，气相通过所述回气阀15进入所述低压回气路23；另一部分超临界氦经所述第二节流阀14节流后进入所述过冷器104中，被所述过冷器104积液的液氦过冷形成所述过冷超临界氦，所述过冷超临界氦自所述过冷器104流出，一部分供给所述4.5～75k温区负载102，另一部分进入所述第九级换热器89换热后，进入所述第三节流阀16节流为气液两相，液相在所述气液分离器105中积液，气相自所述气液分离器105的气相出口排出，与所述2k负载103的回气汇合进入所述第九级换热器89中换热后，进入所述冷压缩机组提压，提压后的氦气依次返流进入所述第五级换热器85、所述第四级换热器84、所述第三级换热器83、所述第二级换热器82以及所述第一级换热器81中，层层降压后形成所述负压氦气。
59.可以理解的是，在这一具体实施例中，所述过冷器104为氦过冷器，所述气液分离器105为2k气液分离器。
60.具体地，所述冷压缩机组包括串联设置的第六入口调节阀70、第一冷压缩机71、第二冷压缩机72、第三冷压缩机73、第四冷压缩机74以及第一出口调节阀75，所述超流氦制冷机还包括并联于所述冷压缩机组的冷压缩机组旁通管路76和设置于所述冷压缩机组旁通管路76上的旁路调节阀77。
61.值得一提的是，所述冷压缩机组旁通管路76和所述旁路调节阀77用于在所述气液分离器105内液氦液位未到一定值时，供回气氦气回到所述第五级换热器85的负压回气端。
62.特别地，所述超流氦制冷机还包括低温吸附器组，所述低温吸附器组包括用于吸附氦气中的氧气，氮气，烃类等杂质气体的80k低温吸附器38和用于吸附氦气中的氢气、氖气等杂质气体的20k低温吸附器39，所述80k低温吸附器38和所述20k低温吸附器39均设置在所述高压主气路21上，且所述80k低温吸附器38位于所述第二级换热器82和所述第三级换热器83之间，所述20k低温吸附器39位于所述第六级换热器86和所述第七级换热器87之间。
63.在本发明的这一具体实施例中，所述80k低温吸附器38为两个，两个所述80k低温吸附器38并联，并切换使用，也就是说，其中一个所述80k低温吸附器38工作时，另一个所述80k低温吸附器38可同时再生。所述80k低温吸附器38用于吸附氦气中的杂质气体，如氧气，氮气，烃类等。
64.所述20k低温吸附器39用于吸附氦气中的杂质气体，比如氢气、氖气等杂质气体。
65.可以理解的是，本发明的所述超流氦制冷机也可以在所述高压主气路21上的其他位置设置对应温度的低温吸附器，并不局限于80k低温吸附器38和20k低温吸附器39，而且所述20k低温吸附器39也可以采用两个并联的结构，本发明对此不作限制。
66.进一步地，本发明的所述超流氦制冷机可以采用液氮预冷或透平膨胀冷却的方式对所述高压压缩机2排入所述冷箱10中的常温高压氦气进行预冷。
67.具体地，在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块为液氮预冷装置，所述液氮预冷装置包括连接于所述高压主气路21的氦气通路调节阀30、连接于所述氦气通路调节阀30的液氮预冷换热器31、连接于所述液氮预冷换热器31的液氮进口管路32、以及设置于所述液氮进口管路32的液氮进口调节阀33，所述液氮预冷换热器31的出口连接于所述高压主气路21，并位于所述第二级换热器82的出口和所述80k低温吸附器38的入口之间，所述氦气预冷模块通过所述液氮进口管路32通入的液氮对所述常温高压氦气进行预冷，并通过所述氦气通路调节阀30调节进入所述液氮预冷换热器31的氦气量，和通过所述液氮进口调节阀33调节进入所述液氮预冷换热器31的液氮量。
68.在本发明的一实施例中，所述氦气预冷模块为透平膨胀预冷装置，所述透平膨胀预冷装置包括由第一透平34、第二透平35、第三透平36串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器81的出口和所述第一透平34的进口之间的第一入口调节阀37，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路22。
69.可以理解的是，所述超流氦制冷机采用由三个透平膨胀机串联组成的所述预冷透平膨胀机组将常温高压氦气预冷到80k。采用所述预冷透平膨胀机组进行预冷，可以使得所述超流氦制冷机能够适用于没有液氮或者是不适合采用液氮预冷的场合，例如在所述超流氦制冷机用于冷却隧道中的超导磁体和加速器时，因为隧道是封闭空间，采用液氮预冷时，如果氮气泄漏，因为氮气密度和空气密度相差不大，容易使得隧道中的工作人员窒息。
70.应该理解的是，本发明的所述超流氦制冷机可以仅采用液氮预冷装置或预冷透平膨胀机组来对氦气进行预冷，也可以同时设置有液氮预冷装置和所述预冷透平膨胀机组，本发明对此不作限制。
71.优选地，在这一具体实施例中，所述超流氦制冷机同时设置有所述液氮预冷装置和所述预冷透平膨胀机组，在使用时可以选择使用任一种预冷模块，即在采用所述预冷透平膨胀机组进行预冷时，所述超流氦制冷机还给液氮预冷预留了接口。如此通过设置两种预冷模块的方式，能够使得所述超流氦制冷机适用于多种应用场合，有利于扩大所述超流氦制冷机的适用范围。
72.值得一提的是，在本发明的这一具体实施例中，所述预冷透平膨胀机组将氦气自300k预冷到80k。
73.进一步地，所述多级透平膨胀机组的具体结构如下：
74.所述第一透平膨胀机组包括串联设置的第四透平40和第五透平41，以及设置在所述第三级换热器83的出口和所述第四透平40的进口之间的第二入口调节阀42，所述第二入口调节阀42连接于所述高压主气路21，所述第五透平41的出口连接于所述中压回气路22。所述第一透平膨胀机组将氦气自75k冷却到50k。
75.值得一提的是，所述超流氦制冷机还连接于设置在所述冷箱10外的50～75k温区负载101，所述50～75k温区负载101的进口连接于所述高压主气路21，出口连接于所述第一
透平膨胀机组，所述第一透平膨胀机组为所述50～75k温区负载101提供50k冷量。所述50～75k温区负载101的回流气体和所述第一透平膨胀机组的进口管路60的75k氦气混合后进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。
76.所述第二透平膨胀机组包括串联设置的第六透平43和第七透平44，以及设置在所述第五级换热器85的出口和所述第六透平43的进口之间的第三入口调节阀45，所述第七透平44的出口连接于所述中压回气路22。所述第二透平膨胀机组将氦气自23k冷却到15k。
77.所述第三透平膨胀机组包括串联设置的第八透平46和第九透平47，以及设置在所述20k低温吸附器39的出口和所述第八透平46的进口之间的第四入口调节阀48，所述第九透平47的出口连接于所述低压回气路23。所述第三透平膨胀机组将氦气自14k冷却到6k。
78.所述第四透平膨胀机组包括第十透平49、设置在所述第七级换热器87的出口和所述第十透平49的进口之间的第五入口调节阀50以及设置在所述高压主气路21上，并位于所述第七级换热器87和所述第八级换热器88之间的末级透平旁通阀51，所述第十透平49的出口连接于所述高压主气路21。在这一具体实施例中，所述第四透平膨胀机组为末级透平膨胀机组，经第四透平膨胀机组冷却后的氦气进入所述第八级换热器88中换热后，形成5.3k的超临界氦。
79.值得一提的是，所述超流氦制冷机还包括连接于所述第四透平膨胀机组的出口和所述低压回气路23的冷箱旁通管路11和设置在所述冷箱旁通管路11上的冷箱旁通阀12，所述冷箱旁通阀12用于实现所述超流氦制冷机4k部分降温时的调控作用。
80.进一步地，所述超流氦制冷机还包括用来调节控制所述中压压缩机1和所述高压压缩机2的进出口压力的气体管理面板，所述气体管理面板包括连接于所述高压主气路21和所述中压回气路22的中压旁通阀5、连接所述高压主气路21和所述低压回气路23的低压旁通阀6、连接于所述低压回气路23和所述高压主气路21的加载阀9与缓冲罐卸载阀7、以及连接于所述加载阀9和所述缓冲罐卸载阀7之间的缓冲罐8。
81.值得一提的是，所述超流氦制冷机还包括设置在所述负压压缩机3和所述高压压缩机2之间的单向阀4，所述单向阀4用于防止所述负压压缩机3的出口氦气逆流。
82.所述超流氦制冷机的工作流程如下：
83.(1)所述高压压缩机2排出的常温高压氦气进入所述冷箱10；
84.(2)进入所述冷箱10的所述常温高压氦气分出一小部分进入所述液氮预冷换热器31被液氮预冷到80k(液氮预冷)。或者进入所述冷箱10的所述常温高压氦气经过所述第一级换热器81被返流冷氦气冷却到一定温度后，分出一股流体进入所述预冷透平膨胀机组，被所述预冷透平膨胀机组预冷到80k(透平膨胀机组预冷)。所述预冷透平膨胀机组出口回气到中压，逆流经过所述第二级换热器82和所述第一级换热器81，进入所述高压压缩机2的吸气口。值得一提的是，液氮预冷和预冷透平膨胀机组预冷二选一，不能同时进行；
85.(3)其余高压主路的氦气被预冷后进入所述80k低温吸附器38去除氦气中的杂质气体如氧气，氮气和烃类等杂质气体后，经过所述第三级换热器83被返流冷氦气冷却，一部分氦气经过所述第一透平膨胀机组的进口管路60进入所述第一透平膨胀机组，自75k冷却到50k。所述第一透平膨胀机组的出口气体回气到中压，逆流经过所述第四级换热器84、所述第三级换热器83、所述第二级换热器82以及所述第一级换热器81后，进入所述高压压缩机2的吸气口。其余气体经过所述第四级换热器84后，一部分50k气体被送往所述50～75k温
区负载101处，另一部分经由所述高压主气路21进入所述第五级换热器85。所述50～75k温区负载101的回气经与所述第一透平膨胀机组的进口管路60来的75k氦气混合后重新进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀；
86.(4)高压主路气体经过所述第五级换热器85后，一部分进入所述第二透平膨胀机组，自23k被冷却到15k，另一部分剩余高压主路气体进入所述第六级换热器86；所述第二透平膨胀机组的出口氦气回气到中压，逆流经过所述第六级换热器86、所述第五级换热器85、所述第四级换热器84、所述第三级换热器83、所述第二级换热器82以及所述第一级换热器81后，进入所述高压压缩机2的吸气口；
87.(5)另一部分剩余高压主路气体经过所述第六级换热器86后，进入20k低温吸附器39去除氦气中的杂质气体比如氢气，氖气等，除杂后的一部分氦气进入所述第三透平膨胀机组，自14k冷却到6k，所述第三透平膨胀机组的出口气体回气到低压，逆流经过所述第七级换热器87、所述第六级换热器86、所述第五级换热器85、所述第四级换热器84、所述第三级换热器83、所述第二级换热器82以及所述第一级换热器81后，进入所述中压压缩机1的吸气口；
88.(6)除杂后的另一部分氦气经过所述第七级换热器87后，经过所述第四透平膨胀机组后进入所述第八级换热器88与回流冷氦气换热，之后的高压主气路21氦气到达超临界状态，即形成5.3k的超临界氦气。5.3k的超临界氦气分成两部分，一部分超临界氦气经过所述第一节流阀13节流为气液两相，液相在所述过冷器104中积液，气相通过所述回气阀15回气到所述低压回气路23。另一部分5.3k的超临界氦气经过所述第二节流阀14节流后进入所述过冷器104，被所述过冷器104中积液的液氦过冷成为4.5k@3bara过冷超临界氦。过冷超临界氦自所述过冷器104的液相出口流出，分出一小部分供给所述4.5～75k温区负载102，所述4.5～75k温区负载102的回气进入所述低压回气路23。其余大部分过冷超临界氦进入所述第九级换热器89，经过所述第三节流阀16节流为气液两相，液相在所述气液分离器105中积液，气相自所述气液分离器105的气相出口回气，逆流经过所述第九级换热器89后进入所述冷压缩机组。所述气液分离器105内液氦液位未达到一定值时，回气氦气自所述冷压缩机组旁通管路76和所述旁路调节阀77回到所述第五级换热器85的负压回气端；
89.(7)当所述气液分离器105内液氦液位达到一定值时，所述冷压缩机组启动，将所述气液分离器105中的氦气减压至超流氦饱和压力0.03bar，从而在所述气液分离器105中形成2k饱和超流氦。2k饱和超流氦自所述气液分离器105的液相出口流出，送往所述2k负载103处。所述2k负载103的回气和所述气液分离器105的气相出口的回气混合，返流经过所述第九级换热器89后，进入所述冷压缩机组；
90.(8)所述冷压缩机组将下游管道氦气压力自0.03bar提高到0.5bar。0.5bar的负压氦气依次进入所述第五级换热器85、所述第四级换热器84、所述第三级换热器83、所述第二级换热器82以及所述第一级换热器81的负压通道，层层压降后成为0.4bar的负压氦气，进入所述负压压缩机3的吸气口。所述负压压缩机3将0.4bar负压氦气压缩到中压4.05bar，与来自所述中压压缩机1出口的中压气体以及所述中压回气路22来的回气混合，一起送入所述高压压缩机2的吸气口处，至此完成一个氦气循环。
91.总的来讲，本发明提供了一种整体结构紧凑、可靠性高、效率高、体积小、占地面积小的超流氦制冷机，所述超流氦制冷机将氦气预冷模块、4k冷量获取模块和2k冷量获取模
块等核心制冷部件放置在一个冷箱中，采用多级透平膨胀机组串联和高压节流制冷获得4.5k冷量；采用冷压缩机组和负压压缩机减压降温，获得1.8k/2k冷量；以及采用负压压缩机直接将超流氦负压回气压缩到中压，并连接到高压压缩机入口处，整体结构紧凑，可靠性和效率高。本发明的所述超流氦制冷机取消了室温泵组，提高了可靠性，有效缩小了整体体积和占地面积。另外，本超流氦制冷机采用透平膨胀机组进行预冷，同时预留了液氮预冷接口，可以满足多种应用场景的预冷需求，适用性广泛。
92.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
93.以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
技术特征：1.一种超流氦制冷机，其特征在于，包括正压压缩机组、冷箱、均设置于所述冷箱内的氦气预冷模块、4k冷量获取模块和2k冷量获取模块，所述4k冷量获取模块连接于4.5～75k温区负载，用于为所述4.5～75k温区负载提供4.5k冷量，所述2k冷量获取模块连接于2k负载，用于为所述2k负载提供1.8k/2k冷量；所述正压压缩机组包括中压压缩机和高压压缩机，所述中压压缩机的吸气口连接于所述冷箱的低压出口，出口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4k冷量获取模块之前，用于对进入所述冷箱的常温高压氦气进行预冷；所述4k冷量获取模块包括连接于所述超流氦制冷机的高压主气路的多级透平膨胀机组、换热器组、节流阀组以及连接于所述节流阀组的过冷器；其中进入所述冷箱的常温高压氦气经由所述高压主气路进入所述氦气预冷模块中预冷后，进入所述多级透平膨胀机组中进行多级冷却过程和进入所述换热器组中进行多级换热过程，形成超临界氦，所述超临界氦经由所述节流阀组节流和所述过冷器过冷后，形成过冷超临界氦，一部分所述过冷超临界氦进入所述4.5～75k温区负载中，提供4.5k冷量；另一部分所述过冷超临界氦进入所述2k冷量获取模块中；所述2k冷量获取模块包括气液分离器、冷压缩机组以及负压压缩机，所述气液分离器的进口连接于所述过冷器的液相出口，气相出口连接于所述冷压缩机组的进口，所述冷压缩机组的进口还连接于所述2k负载的出口，所述冷压缩机组的出口连接于所述负压压缩机的吸气口，所述负压压缩机的出口连接于所述高压压缩机的吸气口；其中进入所述2k冷量获取模块的所述过冷超临界氦经换热和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，提供1.8k/2k冷量；气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2k负载的回气汇合进入所述冷压缩机组，经由所述冷压缩机组提压后，返流进入所述换热器组的负压通道，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冷箱排出的中压回气混合后，进入所述高压压缩机，至此完成一个氦气循环。2.根据权利要求1所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述多级透平膨胀机组包括串联设置的第一透平膨胀机组、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；所述超流氦制冷机包括所述高压主气路、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冷箱的进口，出口连接于所述节流阀组的进口，所述节流阀组的出口连接于所述过冷器；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。3.根据权利要求2所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述换热器组包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路以及所述负压回气路的并依次设置的第一级
换热器、第二级换热器、第三级换热器、第四级换热器以及第五级换热器，还包括连接于所述高压主气路、所述中压回气路、所述低压回气路的第六级换热器，连接于所述高压主气路和所述低压回气路的第七级换热器和第八级换热器，以及连接于所述过冷器的液相出口、所述气液分离器的进口与气相出口、所述2k负载的出口以及所述冷压缩机组的进口的第九级换热器。4.根据权利要求3所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述节流阀组包括并联设置的第一节流阀和第二节流阀，所述过冷器的气相出口和所述低压回气路之间还设置有回气阀，所述第九级换热器和所述气液分离器的进口之间还设置有第三节流阀；其中所述高压主气路输出的一部分超临界氦经过所述第一节流阀节流为气液两相，液相在所述过冷器中积液，气相通过所述回气阀进入所述低压回气路；另一部分超临界氦经所述第二节流阀节流后进入所述过冷器中，被所述过冷器积液的液氦过冷形成所述过冷超临界氦，所述过冷超临界氦自所述过冷器流出，一部分供给所述4.5～75k温区负载，另一部分进入所述第九级换热器换热后，进入所述第三节流阀节流为气液两相，液相在所述气液分离器中积液，气相自所述气液分离器的气相出口排出，与所述2k负载的回气汇合进入所述第九级换热器中换热后，进入所述冷压缩机组。5.根据权利要求4所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括低温吸附器组，所述低温吸附器组包括用于吸附氦气中的杂质气体的80k低温吸附器和20k低温吸附器，所述80k低温吸附器和所述20k低温吸附器均设置在所述高压主气路上，且所述80k低温吸附器位于所述第二级换热器和所述第三级换热器之间，所述20k低温吸附器位于所述第六级换热器和所述第七级换热器之间。6.根据权利要求5所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述80k低温吸附器为两个，两个所述80k低温吸附器并联，并切换使用。7.根据权利要求5所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述氦气预冷模块包括连接于所述高压主气路的氦气通路调节阀、连接于所述氦气通路调节阀的液氮预冷换热器、连接于所述液氮预冷换热器的液氮进口管路、以及设置于所述液氮进口管路的液氮进口调节阀，所述液氮预冷换热器的出口连接于所述高压主气路，并位于所述第二级换热器的出口和所述80k低温吸附器的入口之间，所述氦气预冷模块通过所述液氮进口管路通入的液氮对所述常温高压氦气进行预冷，并通过所述氦气通路调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的氦气量，和通过所述液氮进口调节阀调节进入所述液氮预冷换热器的液氮量。8.根据权利要求5所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述氦气预冷模块包括由第一透平、第二透平、第三透平串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器的出口和所述第一透平的进口之间的第一入口调节阀，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路。9.根据权利要求7所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述氦气预冷模块包括由第一透平、第二透平、第三透平串联组成的预冷透平膨胀机组和设置在所述第一级换热器的出口和所述第一透平的进口之间的第一入口调节阀，所述预冷透平膨胀机组的出口连接于所述中压回气路。10.根据权利要求5至9中任一项所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还连接于设置在所述冷箱外的50～75k温区负载，所述50～75k温区负载的进口连接于所述
高压主气路，出口连接于所述第一透平膨胀机组，所述第一透平膨胀机组包括串联设置的第四透平和第五透平，以及设置在所述第三级换热器的出口和所述第四透平的进口之间的第二入口调节阀，所述第五透平的出口连接于所述中压回气路。11.根据权利要求10所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述第二透平膨胀机组包括串联设置的第六透平和第七透平，以及设置在所述第五级换热器的出口和所述第六透平的进口之间的第三入口调节阀，所述第七透平的出口连接于所述中压回气路。12.根据权利要求11所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述第三透平膨胀机组包括串联设置的第八透平和第九透平，以及设置在所述20k低温吸附器的出口和所述第八透平的进口之间的第四入口调节阀，所述第九透平的出口连接于所述低压回气路。13.根据权利要求12所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述第四透平膨胀机组包括第十透平、设置在所述第七级换热器的出口和所述第十透平的进口之间的第五入口调节阀以及设置在所述高压主气路上，并位于所述第七级换热器和所述第八级换热器之间的末级透平旁通阀，所述第十透平的出口连接于所述高压主气路。14.根据权利要求1至9中任一项所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述冷压缩机组包括串联设置的第六入口调节阀、第一冷压缩机、第二冷压缩机、第三冷压缩机、第四冷压缩机以及第一出口调节阀，所述超流氦制冷机还包括并联于所述冷压缩机组的冷压缩机组旁通管路和设置于所述冷压缩机组旁通管路上的旁路调节阀。15.根据权利要求1至9中任一项所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括设置在所述负压压缩机和所述高压压缩机之间的单向阀，所述单向阀用于防止所述负压压缩机的出口氦气逆流。16.根据权利要求2至9中任一项所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括连接于所述第四透平膨胀机组的出口和所述低压回气路的冷箱旁通管路和设置在所述冷箱旁通管路上的冷箱旁通阀。17.根据权利要求2至9中任一项所述的超流氦制冷机，其特征在于，所述超流氦制冷机还包括气体管理面板，所述气体管理面板包括连接于所述高压主气路和所述中压回气路的中压旁通阀、连接所述高压主气路和所述低压回气路的低压旁通阀、连接于所述低压回气路和所述高压主气路的加载阀与缓冲罐卸载阀、以及连接于所述加载阀和所述缓冲罐卸载阀之间的缓冲罐。
技术总结本发明涉及一种超流氦制冷机，包括正压压缩机组、冷箱、以及均设置于所述冷箱内的氦气预冷模块、4K冷量获取模块和2K冷量获取模块，所述超流氦制冷机将氦气预冷模块、4K冷量获取模块和2K冷量获取模块等核心制冷部件放置在一个冷箱中，采用多级透平膨胀机组串联和高压节流制冷获得4.5K冷量；采用冷压缩机组和负压压缩机减压降温，获得1.8K/2K冷量；以及采用负压压缩机直接将超流氦负压回气压缩到中压，并连接到高压压缩机入口处，整体结构紧凑，可靠性和效率高，体积小、占地面积小，另外，所述超流氦制冷机采用预冷透平膨胀机组进行预冷，同时预留了液氮预冷接口，可以满足多种应用场景的预冷需求，适用性广泛。适用性广泛。适用性广泛。
技术研发人员：李静 周刚 龚领会 刘立强 伍继浩 李正宇
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：2022.05.07
技术公布日：2022/7/5
