[发明专利]一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法

说明书

本发明提供一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法。本发明方法，包括透平膨胀机、节流阀、过冷器、液氦杜瓦，所述透平膨胀机、节流阀、过冷器均设置在冷箱内，所述透平膨胀机的输入端连接有高压氦气，所述透平膨胀机的输出端输出的超临界氦通过过冷器过冷后输出给下游用户，所述液氦杜瓦通过相分离器与过冷器相连，用于在快速冷却过程中向过冷器内输送液氦。本发明将液氦杜瓦中的液氦引入相分离器用来过冷JT透平出口的超临界氦气，从而可以短时间内供应更大流量的超临界氦气，满足目前射频超导腔快速冷却需求，从而提高射频超导腔性能。

技术领域

本发明涉及大型氦低温制冷机领域，尤其涉及一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法。

背景技术

大型低温制冷机通常利用氦气为工质，其伴随着超导技术的发展而发展。超导腔作为直线加速器的关键部件，在氦低温环境中可以获得很高的加速梯度，在超导加速器上应用广泛。目前世界各国针对超导腔都有相应的测试平台，欧洲核子中心CERN，美国的杰弗逊实验室JLab，康纳尔大学等都相应的建立了关于超导腔的低温测试系统。2014年美国费米和杰弗逊实验室为其自由电子激光项目LCLS-II各建立了一套超导腔垂直测试平台，并能对超导腔提供快速降温的功能。费米发现快速冷却过程的温度梯度可以帮助超导腔退磁，从而获得更高的超导腔品质因子，当用32g/s的3.5bar，5K的超临界氦对超导腔在54-55K时快速冷却到9.2K以下时，相比于4g/s的流量，品质因子由2.62×10¹⁰提高到3.45×10¹⁰。

由于超导腔快速冷却的需求是近些年被发现的，所以一般的制冷机设计不会考虑短期输出超出正常运行模式超临界氦的模式，但是以上的发现就要求用于超导腔冷却的制冷机除了满足其正常运行时的热负荷要求，也要具备短时间内输出更高质量流量以对超导腔快速冷却的能力，因此，亟需提供一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种实现氦低温制冷机快速降温的装置及方法。本发明采用的技术手段如下：

一种实现氦低温制冷机快速降温的装置，包括透平膨胀机、节流阀、过冷器、液氦杜瓦，所述透平膨胀机、节流阀、过冷器均设置在冷箱内，所述透平膨胀机的输入端连接有高压氦气，所述透平膨胀机的输出端输出的超临界氦通过过冷器过冷后输出给下游用户，所述液氦杜瓦通过相分离器与过冷器相连，用于在快速冷却过程中向过冷器内输送液氦。

进一步地，所述过冷器包括相分离器与相分离器内部浸泡在液氦中的盘管换热器。

进一步地，所述过冷器包括相分离器与外部的热交换器。

进一步地，所述液氦杜瓦内设有电加热器，其用于维持液氦杜瓦内的压力。

进一步地，所述透平膨胀机的输出端通过节流阀与相分离器相连，所述相分离器中为饱和液氦，饱和液氦在冷箱正常运行模式中由高压氦气通过节流阀产生。

进一步地，所述透平膨胀机包括第一透平、第二透平和第三透平，高压氦气通过多个换热器以及第三透平后输出为超临界压力的高压氦气，通过第一透平和第二透平降温后回到换热器的低压线，冷却高压线的来流氦气。

进一步地，第一换热器的入口与高压氦气源输出端相连，所述第一换热器与液氮线进行预冷换热，所述第一换热器与第二换热器相连，所述第二换热器一输出端与第一透平相连，另一输出端与第三换热器、第四换热器、第五换热器相连，所述第一透平通过第三换热器与第二透平相连，所述第五换热器与第六换热器、第七换热器相连，所述第三透平分别与第六换热器的出口和第七换热器的入口相连，所述第七换热器的出口与过冷器相连。

进一步地，所述第七换热器的出口分别与液氦杜瓦、相分离器以及第八换热器相连。

一种实现氦低温制冷机快速降温的方法，包括如下步骤：

关闭节流阀或保留预设的开度，将透平输出的流量全部引入相分离器；