一种低温氦气循环冷却装置的制作方法

本发明属于冷却装置技术领域，具体涉及一种低温氦气循环冷却装置。

背景技术：

某些应用场合下，对象需要被冷却至极低的温度，如高温超导磁体需要被冷却至30k温区，高温超导电缆需要被冷却至70k温区，才能实现正常的超导工作状态。一种冷却方式为使用制冷机对被冷却对象直接传导冷却，该方式使用简单，在真空度满足要求的前提下，只需开关制冷机按钮即可。但在某些应用场合，如高温超导电机转子超导磁体的冷却、被冷却对象振动噪声要求高的场合等无法采用制冷机传导冷却形式，这些场合均可使用低温氦气对被冷却对象进行循环冷却，具有冷却装置布置灵活、隔离振动、传热效率高等优势，相较采用液态冷却介质冷却，还具有安全性高的优点。

与本发明不同的另一种低温氦气循环冷却方式为gm制冷机+冷头氦气换热器+进回氦气换热器+常温压缩机形式，该方式循环氦气动力由处于常温区的压缩机提供，循环氦气需要回到常温，为了利用返回常温的氦气冷量，需要增加一台进回氦气换热器。本发明相较于该冷却方式由低温氦气泵取代进回氦气换热器+常温压缩机，装置体积明显减小，热损耗亦相应减少。

目前市场上低温氦气循环冷却装置类似产品有荷兰斯特林公司产斯特林制冷机，该产品核心制冷机部件采用斯特林制冷机，并配备有低温氦气泵，可输出循环低温氦气。由于斯特林制冷机产品正常维修间隔为6000小时，而gm制冷机为10000小时，因此采用本发明提供的低温氦气循环冷却装置具有维修间隔长的优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种低温氦气循环冷却装置，输出压力、流量、温度可灵活控制的氦气，实现对被冷却对象的循环冷却，可克服现有氦气循环冷却装置体积大或维修间隔时间短的缺点，并实现冷却管道的对接、杜瓦瓶拆装等的方便性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低温氦气循环冷却装置，包括集成杜瓦以及设置在集成杜瓦外部的监控系统和储气罐。

所述的集成杜瓦包括真空杜瓦瓶和并联设置在杜瓦瓶上端面上的若干个gm制冷机，所述的杜瓦瓶的上端面还向外延伸有杜瓦瓶连接管，所述的杜瓦瓶连接管的开口端密封套设有真空夹层的集成杜瓦氦气进出接口，所述的集成杜瓦氦气进出接口的内管包括带内部出气管的内部出气接头和带内部进气管的内部进气接头，所述的内部出气管和内部进气管均穿过杜瓦瓶连接管的密封片，所述的内部出气接头和内部进气接头分别与外部待冷却对象连接端的进出气接口相连通，所述的集成杜瓦氦气进出接口的外管的另一端与外部待冷却对象的连接端密封相连接；

所述的gm制冷机包括gm制冷机压缩机以及向下密封延伸进杜瓦瓶内的gm制冷机冷头，所述的gm制冷机冷头的下部设置有加热器，所述的gm制冷机冷头的底部设置有分别与内部出气管和内部进气管相连通的氦气换热器，所述的内部进气管上还设置有氦气泵；

所述的监控系统与集成杜瓦上信号接口相连接，所述的储气罐通过管道与集成杜瓦内氦气管道相连通。

所述的氦气换热器上设置有分别与内部出气管和内部进气管相连通的氦气换热器出气管和氦气换热器进气管，所述的氦气换热器出气管与内部出气管之间以及氦气换热器进气管与内部进气管之间分别设置有中空的过渡接口，所述的过渡接口的底面中心处开设有与其内部容腔相连通的第一接口，所述的过渡接口的侧面开设有与gm制冷机数目相同且与其内部容腔相连通的第二接口；所述的内部出气管或内部进气管与过渡接口的第一接口相连通，所述的氦气换热器出气管或氦气换热器进气管与相对应的过渡接口的第二接口相连通。

所述的氦气换热器包括密封连接的第一高纯无氧铜板和第二高纯无氧铜板，所述的第二高纯无氧铜板上开设有螺旋形通道，所述的第一高纯无氧铜板底部中心处向下延伸有与螺旋形通道相连通的氦气出气接口，所述的第二高纯无氧铜板的侧面向外延伸有与螺旋形通道相连通的氦气进气接口，所述的氦气出气接口与氦气换热器出气管相连通，所述的氦气进气接口与氦气换热器进气管相连通。所述的氦气换热器为固定缠绕在gm制冷机冷头外圆筒上的螺旋形铜管，所述的螺旋形铜管的两端分别与氦气换热器出气管和氦气换热器进气管相连通。

所述的集成杜瓦氦气进出接口的外管为不锈钢管，其与杜瓦瓶连接管的连接端设置有第一法兰和两个半圆形环，所述的集成杜瓦氦气进出接口的外管与外部待冷却对象的连接端设置有第二法兰，所述的杜瓦瓶连接管的开口端设置有与第一法兰配合使用的第三法兰，所述的第一法兰与第三法兰之间设置有第一o型密封圈。

所述的氦气泵上设置有分别与过渡接口和内部进气管相连通的氦气泵出气连接管路和氦气泵进气连接管路，所述的氦气泵出气连接管路与过渡接口的第一接口相连通，该所述的过渡接口的第二接口与氦气换热器进气管相连通；所述的氦气泵出气连接管路和氦气泵进气连接管路上靠近氦气泵的一端设置有第一波纹管，所述的内部出气管和内部进气管靠近内部出气接头和内部进气接头的一端设置有第二波纹管，所述的不锈钢管的中部设置有第三波纹管。

所述的储气罐与氦气泵的之间的储气罐出气管上还设置有位于集成杜瓦上的差压表、压力表和安全阀，所述的集成杜瓦的上端面上还设置有与杜瓦瓶相连通的抽空阀。

所述的杜瓦瓶包括中空上端开口的腔壳体组件和密封设置在其开口端的上盖板，所述的gm制冷机冷头、氦气泵、差压表、压力表、安全阀、抽空阀和杜瓦瓶连接管均设置在上盖板上。

所述的gm制冷机冷头的低温段、氦气换热器、氦气泵的低温段以及集成杜瓦内所有管路均设置有多层绝热材料层，所述的内部出气接头和内部进气接头均采用可拆卸vcr接头。

本发明的有益效果是：

1、本发明公开的低温氦气循环冷却装置由gm制冷机提供低温冷量，氦气换热器将gm制冷机冷头产生冷量传递给循环氦气，氦气泵提供低温氦气循环动力，并可通过变频调速调节氦气流量与扬程，杜瓦瓶实现真空绝热环境，gm制冷机冷头上设置加热器结合外部监控系统控制输出低温氦气的温度到需要的温度，储气罐用于储存冷却装置与外部设备内的氦气介质，并可稳定工作状态时的氦气压力。

2、本发明公开的低温氦气循环冷却装置输出氦气压力、流量、温度可灵活控制，适用于高温超导磁体、高温超导电机、高温超导电缆以及其他需要冷却至低温的场合。

附图说明

图1是本发明的系统流程示意图；

图2是本发明集成杜瓦的结构示意图；

图3是本发明氦气换热器采用螺旋换热器时的结构示意图；

图4是本发明氦气换热器采用螺旋换热器时a方向的剖面图；

图5是本发明氦气换热器采用盘管换热器时的结构示意图

图6是本发明与外部被冷却对象进出接口的结构示意图。

各附图标记为：ⅰ—集成杜瓦，ⅱ—监控系统，ⅲ—gm制冷机压缩机，ⅳ—储气罐，1—腔壳体组件，2—过渡接口，31—氦气换热器出气管，32—氦气换热器进气管，4—氦气换热器，4a—氦气出气接口，4b—第一高纯无氧铜板，4c—第二高纯无氧铜板，4d—氦气进气接口，4e—螺旋形通道，4f—螺旋形铜管，5—加热器，6—gm制冷机冷头，71—氦气泵出气连接管路，72—氦气泵进气连接管路，8—氦气泵，9—上盖板，101—内部出气接头，102—内部进气接头，11—集成杜瓦氦气进出接口，11a—半圆形环，11b—第一法兰，11c—不锈钢管，11d—第二法兰，12—内部进气管，13—内部出气管，14—第三法兰，15—第一o型密封圈，16—差压表，17—压力表，18—安全阀，19—抽空阀，20—杜瓦瓶连接管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1至图6所示，本发明公开了一种低温氦气循环冷却装置，包括集成杜瓦ⅰ以及设置在集成杜瓦ⅰ外部的监控系统ⅱ和储气罐ⅳ。

所述的集成杜瓦ⅰ包括真空杜瓦瓶和并联设置在杜瓦瓶上端面上的若干个gm制冷机，多个所述的gm制冷机均匀分布在杜瓦瓶上端面的同心圆上。所述的杜瓦瓶的上端面还向外延伸有中部设置有密封片的杜瓦瓶连接管20，所述的杜瓦瓶连接管20的开口端密封套设有真空夹层的集成杜瓦氦气进出接口11，其与外部待冷却对象之间为可拆卸连接形式。所述的集成杜瓦氦气进出接口11的内管包括带内部出气管13的内部出气接头101和带内部进气管12的内部进气接头102，所述的内部出气管13和内部进气管12均穿过杜瓦瓶连接管20的密封片，所述的内部出气接头101和内部进气接头102分别与外部待冷却对象连接端的进出气接口相连通，所述的集成杜瓦氦气进出接口11的外管的另一端与外部待冷却对象的连接端密封相连接。

所述的集成杜瓦氦气进出接口11的外管为不锈钢管11c，其与杜瓦瓶连接管20的连接端设置有第一法兰11b和两个半圆形环11a，所述的集成杜瓦氦气进出接口11的外管与外部待冷却对象的连接端设置有第二法兰11d，所述的杜瓦瓶连接管20的开口端设置有与第一法兰11b配合使用的第三法兰14，所述的第一法兰11b与第三法兰14之间设置有第一o型密封圈15。所述的内部出气管13和内部进气管12靠近内部出气接头101和内部进气接头102的一端设置有第二波纹管，所述的不锈钢管11c的中部设置有第三波纹管。真空夹层的集成杜瓦氦气进出接口11的内外管均采用不锈钢波纹管以隔离振动、补偿冷收缩以及降低与外部待冷却对象接口安装对中要求。

所述的内部出气接头101和内部进气接头102均采用商用可拆卸vcr接头，集成杜瓦氦气进出接口11的外管为一可轴向移动、中间为波纹管、两端为法兰装置的活动部件，活动部件两端的第一法兰11b和第二法兰11d分别与集成杜瓦ⅰ侧的第三法兰14和待冷却物体侧的第四法兰通过o型密封圈密封，其中与集成杜瓦ⅰ侧法兰装置之间采用径向o型圈密封形式，并采用两块半圆形环11a固定连接。在与待冷却物体的接口对接时，先将真空夹层的集成杜瓦氦气进出接口11的外管轴向移动至集成杜瓦ⅰ一侧，露出可拆卸vcr接头，将集成杜瓦氦气进出接口11的vcr接头与待冷却物体的vcr接头连接后，再将真空夹层集成杜瓦氦气进出接口11的外管轴向移动与待冷却物体连接端的第四法兰连接，在接口内外连接对中有小误差时，可借助波纹管的弹性收缩补偿。

所述的gm制冷机包括gm制冷机压缩机ⅲ以及向下密封延伸进杜瓦瓶内的gm制冷机冷头6，所述的gm制冷机冷头6的下部设置有加热器5，所述的gm制冷机冷头6的底部设置有分别与内部出气管13和内部进气管12相连通的氦气换热器4，所述的内部进气管12上还设置有氦气泵8。

所述的监控系统ⅱ与集成杜瓦ⅰ上信号接口相连接，所述的储气罐ⅳ通过管道与集成杜瓦内氦气管道相连通。

所述的氦气换热器4上设置有分别与内部出气管13和内部进气管12相连通的氦气换热器出气管31和氦气换热器进气管32，氦气换热器出气管31与内部出气管13之间以及氦气换热器进气管32与内部进气管12之间分别设置有中空的过渡接口2。所述的过渡接口2的底面中心处开设有与其内部容腔相连通的第一接口，所述的过渡接口2的侧面开设有与gm制冷机数目相同且与其内部容腔相连通的第二接口。所述的内部出气管13与过渡接口2的第一接口相连通，所述的氦气换热器出气管31与该过渡接口2的第二接口相连通；所述的内部进气管12与另一个过渡接口2的第一接口相连通，所述的氦气换热器进气管32与该过渡接口2的第二接口相连通。所述的过渡接口2布置在杜瓦瓶中心轴线上，以形成对称分布的氦气通道，确保氦气流量在各支路的均匀分配。

作为氦气换热器4的第一实施例，所述的氦气换热器4包括第一高纯无氧铜板4b和第二高纯无氧铜板4c，较厚、高导热的第二高纯无氧铜板4c上铣加工有螺旋形通道4e，第二高纯无氧铜板4c通过真空钎焊焊接在第一高纯无氧铜板4b的螺旋形通道4e上，以形成封闭的流道。所述的第一高纯无氧铜板4b底部中心处向下延伸有与螺旋形通道4e相连通的氦气出气接口4a，所述的第二高纯无氧铜板4c的侧面向外延伸有与螺旋形通道4e相连通的氦气进气接口4d。所述的氦气出气接口4a上设置有氦气换热器出气管31，所述的氦气进气接口4d上设置有氦气换热器进气管32。作为氦气换热器4的第二实施例，所述的氦气换热器4为固定缠绕在gm制冷机冷头6外圆筒上的螺旋形铜管4f，并将螺旋形铜管4f与gm制冷机冷头6外圆筒钎焊以保证良好的热传递。所述的螺旋形铜管4f的两端分别设置有氦气换热器出气管31和氦气换热器进气管32。

作为过渡接口2的第一实施例，所述的过渡接口2为一中空两端开口的圆筒，圆筒的侧面均匀开设有与gm制冷机数目相同且与其内部容腔相连通的第二接口。圆筒的一端密封焊接有其中心处开设有第一接口的第一封板，圆筒的另一端密封焊接有第二封板。

作为过渡接口2的第二实施例，所述的过渡接口2亦可通过实心圆板加工而成。

所述的氦气泵8上设置有分别与过渡接口2和内部进气管12相连通的氦气泵出气连接管路71和氦气泵进气连接管路72，所述的氦气泵出气连接管路71与过渡接口2的第一接口相连通，该所述的过渡接口2的第二接口与氦气换热器进气管32相连通，通过氦气泵8出口输出氦气的扰动增强氦气换热器4内部换热，从而减小氦气换热器4出口氦气与gm制冷机冷头6之间温差。

所述的氦气泵出气连接管路71和氦气泵进气连接管路72上靠近氦气泵8的一端设置有第一波纹管，以补偿热收缩位移，并减小氦气泵8受力。

所述的储气罐ⅳ与氦气泵8的之间的储气罐出气管上还设置有位于集成杜瓦ⅰ上的差压表16、压力表17和安全阀18，所述的集成杜瓦ⅰ的上端面上还设置有与杜瓦瓶相连通的抽空阀19。

所述的杜瓦瓶包括中空上端开口的腔壳体组件1和密封设置在其开口端的上盖板9，所述的gm制冷机冷头6、密封延伸进杜瓦瓶内的氦气泵8、杜瓦瓶连接管20、差压表16、压力表17、安全阀18和抽空阀19均设置在上盖板9上。上盖板组件可整体吊装于真空腔壳体组件1上，与真空腔壳体组件1采用紧固件连接，通过第二o型圈与外部密封。

所述的gm制冷机冷头6的低温段、氦气换热器4、氦气泵8的低温段以及集成杜瓦ⅰ内所有管路均设置有多层绝热材料层绝热材料以减小辐射漏热。

所述gm制冷机采用商用制冷机，包含gm制冷机压缩机ⅲ与gm制冷机冷头6，提供低温冷量，可根据制冷量需求选用一至多台，所述集成杜瓦ⅰ内氦气换热器4将gm制冷机冷头6产生冷量传递给循环氦气，氦气泵8采用商用产品，通过叶轮高速旋转将入口氦气提高压力后输出以提供低温氦气循环动力，并可通过变频调速调节氦气流量与扬程，gm制冷机冷头6上设置加热器5结合外部监控系统ⅱ可控制输出低温氦气的温度到需要的温度，杜瓦瓶实现真空绝热环境，容纳gm制冷机冷头6、氦气换热器4、氦气泵8、加热器5和管道附件，储气罐ⅳ用于储存冷却装置与外部待冷却对象冷却通道内的氦气介质，并可抑制工作状态时的氦气压力波动。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。