一种用于超流氦制冷机的负压保护模块

1.本发明涉及负压管路保护技术领域，特别是涉及一种用于超流氦制冷机的负压保护模块。


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。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。
3.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。获取超流氦的常规方法是将液氦空间中的压力降低到绝对压力1.6kpa，使得超流氦的温度达到1.8k，因此获取超流氦的循环是一个负压循环。超流氦制冷机中包含大量的负压管道、负压换热器、含有负压通道的换热器、负压气液分离器、负压压缩机等。位于超流氦制冷机中的负压管道、负压换热器、负压压缩机管路和负压气液分离器中的传感器和阀门，比如压力传感器、差压计、流量计、安全阀等内部压力低于大气压。如果大气中的杂质气体通过传感器或者安全阀泄漏进入负压管路，将对负压管路内气体造成污染。如果空气泄漏进入超流氦制冷机的负压管路，将影响超流氦制冷机运行工况，造成超流氦制冷机性能下降，甚至造成超流氦制冷机损坏的情况。


技术实现要素：

4.本发明的一目的是，提供一种用于超流氦制冷机的负压保护模块，该系统能够对位于超流氦制冷机中的负压管道、负压换热器、负压压缩机管路和负压气液分离器中的压力传感器、差压计、流量计、安全阀等内部压力低于大气压的传感器和阀门进行保护，避免大气中的杂质气体泄漏进入负压管路，对负压管路内气体造成污染。
5.本发明提供了一种用于超流氦制冷机的负压保护模块，包括：
6.负压保护装置，所述负压保护装置为内部充有微正压氦气的密封结构，用于密封容置和保护所述超流氦制冷机的处于负压环境的与压力相关的传感器和/或执行器；和
7.微正压氦气管路，所述微正压氦气管路连接于所述负压保护装置和所述超流氦制冷机的位于负压回气路的具有双层o圈密封结构的法兰，用于分别向所述负压保护装置和所述法兰的双层o圈密封结构提供微正压氦气。
8.在本发明的一实施例中，所述微正压氦气管路连接于所述超流氦制冷机的中压回气路或氦气气瓶，以经由所述中压回气路或所述氦气气瓶提供微正压氦气。
9.在本发明的一实施例中，所述微正压氦气管路上设置有用于监测所述微正压氦气管路的压力的微正压氦气管路压力传感器和用于在达到排放压力时将所述微正压氦气管路中的氦气排放至大气的微正压氦气管路安全阀。
10.在本发明的一实施例中，所述用于超流氦制冷机的负压保护模块还包括连接于所述微正压氦气管路和所述法兰的氦气排放管路，所述氦气排放管路用于在采用具有双层o圈密封结构的法兰的负压安全阀达到排放压力后将氦气排放至排放系统。
11.在本发明的一实施例中，所述微正压氦气管路和所述氦气排放管路之间设置有第一单向阀，所述第一单向阀用于防止所述氦气排放管路中的微正压氦气逆流。
12.在本发明的一实施例中，所述氦气排放管路上设置有第一负压安全阀和排放管路置气口，所述氦气排放管路经由所述第一负压安全阀将氦气排放至排放系统。
13.在本发明的一实施例中，所述超流氦制冷机的2k负载回气管路上设置有第一前球阀和第二负压安全阀，所述超流氦制冷机的冷压缩机组管路上设置有第二前球阀和第三负压安全阀；所述微正压氦气管路分别连接于所述第一前球阀与所述第二负压安全阀之间的法兰，和所述第二前球阀与第三负压安全阀之间的法兰，所述第二负压安全阀和所述第三负压安全阀均连接于所述氦气排放管路，在所述第二负压安全阀和所述第三负压安全阀达到排放压力后，所述第二负压安全阀和所述第三负压安全阀将氦气排放至所述氦气排放管路，所述氦气排放管路经由所述第一负压安全阀将氦气统一排放至排放系统。
14.在本发明的一实施例中，所述负压保护装置采用不锈钢材质制成，所述超流氦制冷机的处于负压环境的与压力相关的传感器包括负压压力传感器，负压流量计、差压计、差压式液位计中的一种或多种，所述超流氦制冷机的处于负压环境的与压力相关的执行器包括负压控制阀。
15.在本发明的一实施例中，所述负压保护装置包括第一负压保护装置、第二负压保护装置以及第三负压保护装置；
16.所述第一负压保护装置内放置有用于测量所述超流氦制冷机的负压压缩机的吸气压力的第一负压压力传感器、用于测量所述超流氦制冷机的第二级换热器的负压侧入口压力的第二负压压力传感器、以及用于测量所述负压压缩机入口管路流量的负压流量计；
17.所述第二负压保护装置内放置有用于测量所述超流氦制冷机的第九级换热器通往冷压缩机组进口压力的第三负压压力传感器、用于测量所述超流氦制冷机的气液分离器的回气压力的第四负压压力传感器、用于测量所述超流氦制冷机的2k负载回流压力的第五负压压力传感器；
18.所述第三负压保护装置内放置有用于测量所述冷压缩机组的第四冷压缩机的出口压力的第六负压压力传感器、用于测量所述冷压缩机组的旁路调节阀后压力的第七负压压力传感器、用于测量所述旁路调节阀前压力的第八负压压力传感器、用于测量所述冷压缩机组的第一冷压缩机进口压力的第九负压压力传感器、以及分别用于测量所述冷压缩机组的第一冷压缩机、第二冷压缩机、第三冷压缩机、第四冷压缩机两侧压差的第一压差计、第二压差计、第三压差计和第四压差计。
19.在本发明的一实施例中，所述第一负压保护装置、所述第二负压保护装置以及所述第三负压保护装置分别设置有对应的第一置气口、第二置气口、第三置气口。
20.所述第一负压保护装置、所述第二负压保护装置以及所述第三负压保护装置仅作为示例说明，实际上，超流氦制冷机的负压管路上涉及多种负压传感器/执行器，实际超流氦制冷机的负压保护装置有多个，负压保护装置中保护多种负压传感器/执行器，并不仅仅是本发明中列出的部分。
21.本发明的所述用于超流氦制冷机的负压保护模块采用所述负压保护装置将所述超流氦制冷机的处于负压环境的与压力相关的传感器和/或执行器，如位于超流氦制冷机中的负压管道、负压换热器、负压压缩机管路和负压气液分离器中的压力传感器、差压计、流量计中的一种或多种密封容置在微正压气体环境中，和采用所述微正压氦气管路向所述负压保护装置和超流氦制冷机的负压管路中的负压安全阀的法兰提供微正压氦气，从而能够对位于超流氦制冷机中的负压管道、负压换热器、负压压缩机管路和负压气液分离器中的压力传感器、差压计、流量计、安全阀等内部压力低于大气压的传感器和阀门进行保护，避免大气中的杂质气体泄漏进入负压管路，对负压管路内气体造成污染，进而避免产生由于空气进入超流氦制冷机的负压管路而影响超流氦制冷机运行工况，造成超流氦制冷机性能下降，甚至造成超流氦制冷机损坏的情况。
22.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
23.图1为本发明的一优选实施例的所述用于超流氦制冷机的负压保护模块的结构示意图，其中箭头方向代表流体流动方向。
24.图2为图1所示的所述用于超流氦制冷机的负压保护模块应用于超流氦制冷机的结构示意图。
25.图3为图2所示的a部分的放大示意图。
26.图4为图2所示的b部分的放大示意图。
27.图5为图2所示的c部分的放大示意图。
28.图6为图2所示的d部分的放大示意图。
29.附图标号说明：中压压缩机1；高压压缩机2；负压压缩机3；第二单向阀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；制冷机冷箱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；
30.高压主气路17；中压回气路18；低压回气路19；负压回气路20；
31.第一管路21；第二管路22；第三管路23；第四管路24；第五管路25；第六管路26，负载测试冷箱27；
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；负压流量计52；第一差压计53；第二差压计54；第三差压计55；第四差压计56；
35.50k氦气管路60；50k氦气管路调节阀61；负载去流管路62；兑温管路63；兑温管路调节阀64；兑温管路加热器65；回流管路66；氦气通过管路67；第一透平膨胀机组的进口管路68；回流管路调节阀69；
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；第二前球阀78；第三
负压安全阀79；温度传感器80；
37.第一负压压力传感器81；第二负压压力传感器82；第三负压压力传感器83；第四负压压力传感器84；第五负压压力传感器85；第六负压压力传感器86；第七负压压力传感器87；第八负压压力传感器88；第九负压压力传感器89；第一级换热器91、第二级换热器92、第三级换热器93、第四级换热器94；第五级换热器95；第六级换热器96；第七级换热器97；第八级换热器98；第九级换热器99；
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；第一前球阀106；第二负压安全阀107；
39.第一负压保护装置201；第二负压保护装置202；第三负压保护装置203；第一置气口204；第二置气口205；第三置气口206；
40.微正压氦气管路207；微正压氦气管路压力传感器208；微正压氦气管路安全阀209；氦气排放管路210；第一负压安全阀211；排放管路置气口212；第一单向阀213；进气电动阀214；出气球阀215；自力式调节阀216。
具体实施方式
41.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。
42.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。
43.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。
44.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。
45.如图1所示，根据本发明的一优选实施例的一种用于超流氦制冷机的负压保护模块的具体结构被阐明。
46.具体地，所述负压保护模块包括负压保护装置和微正压氦气管路207，所述负压保护装置为内部充有微正压氦气的密封结构，用于密封容置和保护所述超流氦制冷机的位于负压回气路20的与压力相关的传感器和/或执行器；所述微正压氦气管路207连接于所述负压保护装置和位于所述负压回气路20的具有双层o圈密封结构的法兰，用于分别向所述负压保护装置和所述法兰的双层o圈密封结构提供微正压氦气，以此使得所述超流氦制冷机
的位于所述负压回气路20的传感器、执行器以及采用具有双层o圈密封结构的法兰连接的部件均处于微正压氦气环境中，从而能够避免位于所述负压回气路20的传感器、执行器以及具有双层o圈密封结构的法兰的部件泄漏而使得大气中的杂质气体进入所述负压回气路20，进而避免产生因杂质气体进入负压管路所导致的影响所述超流氦制冷机正常运行，造成所述超流氦制冷机性能下降，甚至是造成所述超流氦制冷机损坏的情况。
47.值得一提的是，所述超流氦制冷机的位于所述负压回气路20的与压力相关的传感器包括负压压力传感器、负压流量计、差压计、差压式液位计中的一种或多种；所述超流氦制冷机的位于所述负压回气路20的与压力相关的执行器包括负压控制阀；所述超流氦制冷机的采用具有双层o圈密封结构的法兰连接的部件包括所述负压压缩机3的吸气管道、负压管路中的负压安全阀与前球阀等部件，本发明对此不作限制。
48.也就是说，所述负压保护模块的所述负压保护装置和所述微正压氦气管路207能够对位于所述超流氦制冷机中的负压管道，负压换热器，负压压缩机管路和负压气液分离器中的压力传感器、差压计、流量计、差压式液位计、安全阀等内部压力低于大气压的传感器和阀门进行保护，避免大气中的杂质气体泄漏进入负压管路，对负压管路内气体造成污染。
49.换句话说，所述负压保护模块能够保证超流氦制冷机正常运行，避免空气泄漏进入超流氦制冷机负压管路，影响超流氦制冷机运行工况，造成超流氦制冷机性能下降，甚至造成超流氦制冷机损坏的情况。
50.可选地，所述微正压氦气管路207连接于所述超流氦制冷机的中压回气路18或氦气气瓶，以经由所述中压回气路18或所述氦气气瓶提供微正压氦气。
51.具体地，所述微正压氦气管路207从所述超流氦制冷机的所述中压回气路18中取一股中压气体(4.05bara)或者采用氦气气瓶供气提供微正压氦气来源。所述中压回气路18中的中压气体或者氦气气瓶提供的气体通过自力式调节阀216或者减压阀减压为1.06bara微正压氦气，再供给所述微正压氦气管路207，最后通过所述微正压氦气管路207送往所述负压保护装置和对应的法兰。
52.值得一提的是，所述微正压氦气管路207上设置有用于监测所述微正压氦气管路207的压力的微正压氦气管路压力传感器208和用于在达到排放压力时将所述微正压氦气管路207中的氦气排放至大气的微正压氦气管路安全阀209。
53.还值得一提的是，在这一具体实施例中，所述微正压氦气管路压力传感器208之前设置有自力式调节阀216，所述微正压氦气管路207和所述中压回气路18之间设置有进气电动阀214，所述进气电动阀214用于控制进入所述微正压氦气管路207的中压气体量，所述氦气气瓶的出口设置有出气球阀215，所述出气球阀215用于调节所述氦气气瓶的供气量，所述进气电动阀214和所述出气球阀215均设置在所述自力式调节阀216之前，以使得所述中压回气路18中的中压气体或者氦气气瓶提供的气体通过自力式调节阀216减压为1.06bara微正压氦气，再供给所述微正压氦气管路207。实际实施中，自力式调节阀216也可更换为减压阀。
54.具体地，所述微正压氦气管路安全阀209的压力设定为1barg，应该理解的是，安全阀的设定压力仅为示例，具体设定数值应根据具体的超流氦制冷机负压管路的参数确定，本发明对此不作限制。
55.进一步地，所述负压保护模块还包括连接于所述微正压氦气管路207和所述法兰的氦气排放管路210，所述氦气排放管路210用于在所述超流氦制冷机的负压安全阀达到排放压力后将氦气排放至排放系统。
56.值得一提的是，所述微正压氦气管路207和所述氦气排放管路210之间设置有第一单向阀213，所述第一单向阀213用于防止所述氦气排放管路210中的微正压氦气逆流；所述氦气排放管路210上设置有第一负压安全阀211和排放管路置气口212，所述氦气排放管路210经由所述第一负压安全阀211将氦气排放至排放系统。
57.具体地，在这一实施例中，所述负压保护装置包括第一负压保护装置201、第二负压保护装置202以及第三负压保护装置203。
58.所述第一负压保护装置201采用不锈钢材质，为内部充微正压氦气的密封结构，密封结构设置有第一置气口204。所述第一负压保护装置201内放置有用于测量所述超流氦制冷机的负压压缩机3的吸气压力的第一负压压力传感器81、用于测量所述超流氦制冷机的第二级换热器92的负压侧入口压力的第二负压压力传感器82、以及用于测量所述负压压缩机3入口管路流量的负压流量计52。
59.所述第二负压保护装置202采用不锈钢材质，为内部充微正压氦气的密封结构，密封结构设置有第二置气口205。所述第二负压保护装置202内放置有用于测量所述超流氦制冷机的第九级换热器99通往所述超流氦制冷机的冷压缩机组进口压力的第三负压压力传感器83、用于测量所述超流氦制冷机的气液分离器105的回气压力的第四负压压力传感器84、用于测量所述超流氦制冷机的2k负载103回流压力的第五负压压力传感器85。
60.所述第三负压保护装置203采用不锈钢材质，为内部充微正压氦气的密封结构，密封结构设置有第三置气口206。所述第三负压保护装置203内放置有用于测量所述冷压缩机组的第四冷压缩机74的出口压力的第六负压压力传感器86、用于测量所述冷压缩机组的旁路调节阀77后压力的第七负压压力传感器87、用于测量所述旁路调节阀77前压力的第八负压压力传感器88、用于测量所述第一冷压缩机71进口压力的第九负压压力传感器89、以及分别用于测量所述冷压缩机组的第一冷压缩机71、第二冷压缩机72、第三冷压缩机73、第四冷压缩机74两侧压差的第一差压计53、第二差压计54、第三差压计55和第四差压计56。
61.应该理解的是，所述第一负压保护装置201、所述第二负压保护装置202以及所述第三负压保护装置203的数量和在所述超流氦制冷机的具体设置位置由内部放置的与压力相关的部件决定，本发明对此不作限制。
62.还应该理解的是，在这一具体实施例中，所述负压保护装置的数量为三个，即所述负压保护装置包括所述第一负压保护装置201、所述第二负压保护装置202以及所述第三负压保护装置203仅作为示例说明，实际上，所述超流氦制冷机的负压管路上涉及多种负压传感器/执行器，相对应地，所述超流氦制冷机的所述负压保护装置的数量可以为一个或多个，内部可以容置一种或多种、一个或多个负压传感器/执行器，也就是说，本发明对所述负压保护装置的数量以及内部容置的负压传感器/执行器的种类和数量均不作限制。
63.所述超流氦制冷机的负压管路上的负压安全阀同样需要进行负压氦保护。应该理解的是，超流氦制冷机负压管路中包含多个负压安全阀，本发明的实施例中仅选取两个作为示例说明。下面以2k负载管路上的第二负压安全阀107和冷压缩机组管路上的第三负压安全阀79作为示例说明所述负压保护模块对负压安全阀的负压氦保护方式。
64.具体地，在这一实施例中，所述2k负载的回气管路上设置有第一前球阀106和第二负压安全阀107，所述冷压缩机组的管路上设置有第二前球阀78和第三负压安全阀79；所述第一前球阀106与所述第二负压安全阀107之间、所述第二前球阀78与第三负压安全阀79之间均采用具有双层o圈密封结构的法兰连接，所述微正压氦气管路207分别连接于所述第一前球阀106与所述第二负压安全阀107之间的法兰，和所述第二前球阀78与第三负压安全阀79之间的法兰，用于分别在对应的所述法兰的双层o圈密封结构之间充微正压氦气，在所述第二负压安全阀107和所述第三负压安全阀79达到排放压力后，所述第二负压安全阀107和所述第三负压安全阀79将氦气排放至所述氦气排放管路210，所述氦气排放管路210经由所述第一负压安全阀211将氦气统一排放至排放系统。
65.更具体地，所述微正压氦气管路207为所述第一前球阀106与所述第二负压安全阀107之间法兰的双层o圈密封结构提供1.06bara微正压氦气，其中所述第二负压安全阀107设置压力为0.5barg，达到排放压力后，排放到所述氦气排放管路210中。所述氦气排放管路210中充1.06bara微正压氦气，微正压氦气来自所述微正压氦气管路207。
66.同样地，所述微正压氦气管路207为所述第二前球阀78与所述第三负压安全阀79之间法兰的双层o圈密封结构提供1.06bara微正压氦气，其中所述第三负压安全阀79设置压力为0.5barg，达到排放压力后，排放到所述氦气排放管路210中。所述氦气排放管路210中充1.06bara微正压氦气，微正压氦气来自所述微正压氦气管路207。
67.可以理解的是，所述超流氦制冷机中所有的负压安全阀，比如所述第二负压安全阀107和所述第三负压安全阀79，都排放到封闭的所述氦气排放管路210中，之后再通过所述氦气排放管路210的所述第一负压安全阀211统一排放到排放系统。所述第一负压安全阀211的设定压力为1barg。应该理解的是，本发明中的负压安全阀的设定压力仅为示例，具体设定数值应根据具体的超流氦制冷机负压管路的参数确定，本发明对此不作限制。
68.值得一提的是，所述超流氦制冷机的负压压缩机3也需要采取负压氦保护措施，比如负压压缩机吸气管道采用焊接结构。如果所述负压压缩机吸气管道采用法兰连接，法兰需要设计为双层o圈密封结构，双层o圈密封结构之间充1.06bara微正压氦气，微正压氦气来自所述微正压氦气管路207。
69.也就是说，所述负压回气路20中的采用双层o圈密封结构的法兰都可以由所述微正压氦气管路207提供微正压氦气进行保护，并不局限于负压安全阀、负压压缩机吸气管道等部件，本发明对所述微正压氦气管路207保护的具体部件类型不作限制。
70.可以理解的是，所述负压保护装置即为所述超流氦制冷机的负压氦保护装置，所述微正压氦气管路207即为所述超流氦制冷机的负压氦保护管路。
71.应该理解的是，本发明的所述负压保护模块不仅适用于超流氦制冷机，也可以适用于其他低温制冷系统，所述负压保护装置和所述微正压氦气管路207可以根据低温制冷系统的主气选择所使用的微正压气体，并不局限于本发明的微正压氦气。
72.如图2至图6所示，本发明在另一方面还提供了一种具有所述负压保护模块的超流氦制冷机，包括所述负压保护模块、压缩机组、制冷机冷箱10、负载测试冷箱27、均设置于所述制冷机冷箱10内的氦气预冷模块、多级透平膨胀机组、换热器组、过冷器104和冷压缩机组、以及均设置于所述负载测试冷箱内的气液分离器105、50～75k温区负载101、4.5～75k温区负载102和2k负载103。
73.具体地，所述压缩机组包括正压压缩机和负压压缩机3，所述正压压缩机包括中压压缩机1和高压压缩机2，所述负压压缩机3的出口和所述中压压缩机1的出口均连接于所述高压压缩机2的吸气口，所述高压压缩机2的出口连接于所述制冷机冷箱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制冷机冷箱10的进口进入所述制冷机冷箱10内，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。
74.具体地，所述氦气预冷模块设置在所述制冷机冷箱10的进口侧，并位于所述多级透平膨胀机组之前，用于对进入所述制冷机冷箱10的一部分常温高压氦气进行预冷。
75.具体地，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，用于对进入所述制冷机冷箱10的常温高压氦气进行多级冷却过程。
76.具体地，所述超流氦制冷机包括高压主气路17、中压回气路18、低压回气路19、负压回气路20，所述高压主气路17的进口连接于所述制冷机冷箱10的进口，出口连接于所述过冷器104的进口；所述中压回气路18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19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20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。
77.具体地，所述换热器组包括依次设置的第一级换热器91、第二级换热器92、第三级换热器93、第四级换热器94以及第五级换热器95、第六级换热器96、第七级换热器97、第八级换热器98以及第九级换热器99，用于对进入所述制冷机冷箱10的常温高压氦气进行多级换热过程。
78.更具体地，所述第一级换热器91、所述第二级换热器92、所述第三级换热器93、所述第四级换热器94以及所述第五级换热器95连接于所述高压主气路17、所述中压回气路18、所述低压回气路19以及所述负压回气路20；所述第六级换热器96连接于所述高压主气路17、所述中压回气路18、所述低压回气路19；所述第七级换热器97和所述第八级换热器98连接于所述高压主气路17和所述低压回气路19；所述第九级换热器99连接于所述过冷器104的液相出口、所述气液分离器105的进口与气相出口和所述2k负载103的出口。
79.特别地，所述换热器组的所述第九级换热器99放置在所述负载测试冷箱27内，其余换热器均放置在所述制冷机冷箱10内部。
80.具体地，所述过冷器104的液相出口连接于所述4.5～75k温区负载102的进口和所述气液分离器105的进口，所述4.5～75k温区负载102的出口连接于所述低压回气路19，所述气液分离器105的液相出口连接于所述2k负载103，所述2k负载103的出口和所述气液分离器105的气相出口均连接于所述冷压缩机组。
81.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。
82.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95的负压回气端。
83.此外，还值得一提的是，所述超流氦制冷机还包括设置在所述第四冷压缩机74和所述第一出口调节阀75之间的温度传感器80，所述温度传感器80用于监测所述冷压缩机组的出口温度。
84.进一步地，所述超流氦制冷机还包括用于连接所述制冷机冷箱10和所述负载测试冷箱27的多通道传输管线，所述负载测试冷箱27通过所述多通道传输管线与所述制冷机冷箱10形成可拆除式连接。
85.特别地，本发明的所述超流氦制冷机采用所述制冷机冷箱10和所述负载测试冷箱27将制冷部分和负载测试部分分开，所述负载测试冷箱27仅用于负载冷量测试阶段使用，且所述负载测试冷箱27通过所述多通道传输管线与所述制冷机冷箱10之间形成可拆除式连接，因此所述负载测试冷箱27和所述多通道传输管线可在所述超流氦制冷机交付用户后去除，此种设计使得所述制冷机冷箱10结构紧凑，避免各温区测试负载在负载测试阶段后成为闲置热容，占用制冷机冷箱空间。
86.可以理解的是，超流氦制冷机对外部负载提供多温区冷量，比如50～75k温区负载，4.5～75k温区负载，2k负载等。50～75k温区负载回流管路流体与制冷机75k的氦气混合，进入第一透平膨胀机组，进行再次膨胀。50～75k温区负载回流的流体是否能达到第一透平膨胀机组的入口设计参数影响到第一透平膨胀机组能否运行在设计工况，达到最佳工况。
87.因此，特别地，为了提高所述超流氦制冷机的整机性能，所述超流氦制冷机还包括设置在所述制冷机冷箱10内的50～75k温区负载兑温管路，所述50～75k温区负载兑温管路连接于所述第一透平膨胀机组，通过所述50～75k温区负载兑温管路对进入所述第一透平膨胀机组前的氦气进行兑温，确保进入所述第一透平膨胀机组的流体参数能够达到叶轮机械入口设计参数，从而使得所述多级透平膨胀机组能够运行在最佳工况，有利于提高超流氦制冷机的整机性能。
88.具体地，所述50～75k温区负载兑温管路包括连接于所述高压主气路17的50k氦气管路60、连接于所述50k氦气管路60和所述50～75k温区负载101的进口的负载去流管路62、连接于所述50k氦气管路60的兑温管路63、连接于50～75k温区负载101的出口的回流管路66、以及连接于所述回流管路66、所述兑温管路63以及所述第一透平膨胀机组的氦气通过管路67，所述50k氦气管路60设置有50k氦气管路调节阀61，所述兑温管路63设置有兑温管路调节阀64和兑温管路加热器65，所述回流管路66设置有回流管路调节阀69，其中所述兑温管路63用于经由所述兑温管路调节阀64和所述兑温管路加热器65来调节所述回流管路66中氦气的温度，使得经由所述氦气通过管路67进入所述第一透平膨胀机组的氦气能够满足所述第一透平膨胀机组的进口温度和压力的要求。
89.值得一提的是，所述50k氦气管路60与所述高压主气路17的连接处位于所述第四级换热器94和所述第五级换热器95之间。
90.所述50～75k温区负载兑温管路的工作原理为：当所述回流管路66中的氦气温度过高时，所述兑温管路63中的50k冷流体直接与所述回流管路66中的热流体兑温，目标参数是所述第一透平膨胀机组的第四透平40的入口设计温度和设计压力。兑温完成后的氦气通过所述氦气通过管路67和连接于所述高压主气路17的所述第一透平膨胀机组的进口管路68的75k氦气混合，进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。当所述回流管路66中的氦气
温度过低时，所述兑温管路63中的所述兑温管路加热器65启动，加热所述兑温管路63中的氦气，被加热后的热氦气和所述回流管路66中的回流冷氦气兑温，兑温完成后的氦气通过所述氦气通过管路67和来自所述第一透平膨胀机组的进口管路68的75k氦气混合，进入所述第一透平膨胀机组进行再次膨胀。
91.可以理解的是，50～75k温区负载兑温管路设计使得50～75k温区负载101回流管路66中的氦气参数能够达到所述第四透平40入口设计参数(设计温度，设计压力)的要求，从而使得所述第一透平膨胀机组能够运行在设计工况，达到最佳工况点，有助于提高所述超流氦制冷机的整机性能。
92.值得一提的是，所述多通道传输管线包括第一管路21、第二管路22、第三管路23、第四管路24、第五管路25以及第六管路26，所述50～75k温区负载101通过所述第一管路21连接所述负载去流管路62，和通过所述第二管路22连接所述回流管路66；所述4.5～75k温区负载102通过所述第三管路23连接所述过冷器104的液相出口，和通过所述第四管路24连接所述低压回气路19；所述第九级换热器99通过所述第五管路25连接于所述过冷器104的液相出口，并通过所述第六管路26连接于所述冷压缩机组的进口。
93.此外，还值得一提的是，所述50～75k温区负载101、所述4.5～75k温区负载102、所述2k负载103、所述第九级换热器99的进出口均设置有对应的进出口调节阀，前述进出口调节阀均设置在所述负载测试冷箱27内，分别用于调节所述50～75k温区负载101、所述4.5～75k温区负载102、所述2k负载103以及所述第九级换热器99的进出气量。
94.进一步地，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17上，且所述80k低温吸附器38位于所述第二级换热器92和所述第三级换热器93之间，所述20k低温吸附器39位于所述第六级换热器96和所述第七级换热器97之间。
95.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。
96.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。
97.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17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。
98.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排入所述制冷机冷箱10中的常温高压氦气进行预冷。
99.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17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17，并位于所述第二级换热器92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。
100.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91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18。
101.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。
102.应该理解的是，本发明的所述超流氦制冷机优选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可以给液氮预冷预留接口，本发明对此不作限制。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。
103.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。
104.进一步地，所述多级透平膨胀机组的具体结构如下：
105.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93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，所述第四透平40的进口连接于所述50～75k温区负载兑温管路的所述氦气通过管路67，所述第五透平41的出口连接于所述中压回气路18，所述第一透平膨胀机组将氦气自75k冷却到50k。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68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。
106.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95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的出口连接所述中压回气路18，所述第二透平膨胀机组将氦气自23k冷却到15k。
107.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19，所述第三透平膨胀机组将氦气自14k冷却到6k。
108.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97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17上，并位于所述第七级换热器97和所述第八级换热器98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17。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98中换热后，形成5.3k的超临界氦。
109.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19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。
110.此外，还值得一提的是，所述高压主气路17和所述过冷器104之间还设置有节流阀组，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19之间还设置有回气阀15，所述第九级换热器99和所述气液分离器105的进口之间还设置有第三节流阀16，所述第九级换热器99和所述第三节流阀16均设置于所述负载测试冷箱27内；
111.其中所述高压主气路17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19；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过冷超临界氦，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99，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的气相出口排出，与所述2k负载103的回气汇合进入所述第九级换热器99中换热后进入所述冷压缩机组。
112.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。
113.进一步地，所述超流氦制冷机还包括气体管理面板，所述气体管理面板用于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，包括连接于所述高压主气路17和所述中压回气路18的中压旁通阀5、连接所述高压主气路17和所述低压回气路19的低压旁通阀6、连接于所述低压回气路19和所述高压主气路17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。
114.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之间的第二单向阀4，所述第二单向阀4用于防止所述负压压缩机3的出口氦气逆流。
115.所述超流氦制冷机的工作流程如下：
116.(1)所述高压压缩机2排出的常温高压氦气进入所述制冷机冷箱10；
117.(2)进入所述制冷机冷箱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)。或者进入所述制冷机冷箱10的所述常温高压氦气经过所述第一级换热器91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92和所述第一级换热器91，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；
118.(3)其余高压主气路17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93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68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94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述高压压缩机2的吸气口；另一部分氦气经过所述第四级换热器94换热后，形成50k氦气，一部分50k氦气经过所述50k氦气管路60后分为两股，一股进入所述负载去流管路62被送往所述50～75k温区负载101处，一股进入所述兑温管路63与所述回流管路66中的氦气进行兑温。兑
温完成后的氦气进入所述氦气通过管路67，与所述第一透平膨胀机组的进口管路68处来的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；
119.(4)高压主气路17的气体经过所述第五级换热器95后，一部分进入所述第二透平膨胀机组，自23k被冷却到15k，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96、所述第五级换热器95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述高压压缩机2的吸气口；
120.(5)剩余高压主气路17的气体经过所述第六级换热器96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97、所述第六级换热器96、所述第五级换热器95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91后，进入所述中压压缩机1的吸气口；
121.(6)除杂后的另一部分氦气经过所述第七级换热器97后，经过所述第四透平膨胀机组后进入所述第八级换热器98与回流冷氦气换热，之后的高压主气路17氦气到达超临界状态。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19。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，分出一小部分通过所述多通道传输管线的所述第三管路23进入所述负载测试冷箱27中，供给所述4.5～75k温区负载102，所述4.5～75k温区负载102的回气通过所述多通道传输管线的所述第四管路24进入所述制冷机冷箱10，回到所述第二级换热器92的低压吸气侧。其余大部分过冷超临界氦通过所述多通道传输管线的所述第五管路25进入所述负载测试冷箱27中，经过所述第九级换热器99换热后，通过所述第三节流阀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99后，通过所述多通道传输管线的所述第六管路26进入所述制冷机冷箱10后，进入所述冷压缩机组。所述气液分离器105内液氦液位未到一定值时，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95的负压回气端；
122.(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99后，通过所述多通道传输管线的所述第六管路26进入所述制冷机冷箱10后进入所述冷压缩机组；
123.(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95、所述第四级换热器94、所述第三级换热器93、所述第二级换热器92以及所述第一级换热器91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18来的回气混合，一起送入所
述高压压缩机2的吸气口处，完成一个氦气循环。
124.可以理解的是，本发明的所述用于超流氦制冷机的负压保护模块能够通过所述负压保护装置将处于所述负压回气路的与压力相关的传感器和/或执行器密封容置保护；并通过所述微正压氦气管路207向所述负压保护装置和处于所述负压回气路的负压安全阀提供微正压氦气，从而能够使得处于所述负压回气路的与压力相关的传感器和/或执行器、以及负压安全阀均能够处于微正压氦气环境，避免大气中的杂质气体通过传感器、执行器以及负压安全阀等部件的泄漏进入负压管路而对负压管路内气体造成污染，从而避免产生因杂质气体进入负压管路所导致的影响超流氦制冷机正常运行，造成超流氦制冷机性能下降，甚至是造成超流氦制冷机损坏的情况。
125.总的来讲，本发明提供了一种能够对超流氦制冷机的位于负压回气路的与压力相关的部件进行保护，避免大气的杂质气体进入负压管路的负压保护模块，通过采用所述负压保护模块，能够确保超流氦制冷机正常运行。
126.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。
127.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。