用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统技术方案

本发明专利技术公开了用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，属于真空科学领域；具体为：高纯氦储存系统存储的氦气通过氦气制冷与液化系统进行液化和制冷，输送到液化机中，利用氦气纯度分析系统对液化机产出的氦气纯度进行检测，当为纯氦气后，储存于液氦储存系统中，供液氦热沉系统降温使用。否则，启动氦气回收系统，利用氦气纯化系统将其进行纯化，再次返回到氦气制冷与液化系统；液氦热沉系统依据羽流实验需求，利用液氦或低温氦气实现液氦热沉本身的温度控制，吸附碳、氢、氧、氮等多组分羽流气体，完成超高真空羽流实验；同时，液氦热沉系统与氦气制冷与液化系统相连，实现氦气的闭式循环以及实时液化和制冷。以及实时液化和制冷。以及实时液化和制冷。

【技术实现步骤摘要】
用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统


[0001]本专利技术属于真空科学
，涉及一种用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统。

技术介绍

[0002]真空羽流效应实验主要用于航天器姿轨控发动机的羽流试验研究，可对电推进发动机或化学推进发动机的真空羽流效应进行模拟，为了有效模拟发动机在真空深冷环境中的工作状态，发动机羽流试验时对舱内环境的真空要求非常苛刻，如极低的背景环境温度(零下260度以下)、超高的环境真空度(1.0E
‑
6Pa)。
[0003]为满足上述真空深冷的试验需求，需要在舱内布置大面积液氦热沉，同时往液氦热沉通入超低温液氦制冷，这就需要配置符合羽流试验需求的液氦输送系统。
[0004]液氦输送系统的主要作用是为舱内液氦热沉提供液氦制冷，使液氦热沉温度低于10K并保持液氦热沉温度均匀，用于吸附舱内液氮热沉无法吸附的气体，保持舱内极高的真空度和极低的低温环境，用于模拟发动机工作时羽流真实的太空环境。
[0005]目前，市面上的真空羽流效应实验系统，如申请号为201310242837.2的一种大尺寸多节液氦热沉的液氦输送系统及转级方法，虽然实现了对液氦热沉的液氦供应，但该专利技术采用开式液氦输送系统，将液氦通过液氦热沉后的冷氦气直接排放至大气，无法实现氦气的回收与再利用，单次羽流实验液氦用量大(单次实验液氦消耗量＞5立方)、液氦准备时间长，无法满足羽流实验的常态化、多频次实验需求，浪费稀缺氦气资源，导致实验成本高昂。同时液氦供货量有限制，且供货周期长，不可能满足单次连续300h实验的用量，必须将氦气循环利用。
[0006]除此之外，国内还没有专门用于研究发动机羽流试验的大型真空环境模拟试验设备，且传统的低温模拟都靠液氮制冷来实现，最低温度只能达到液氮温区(77K)，无法吸附发动机羽流气体(氮气、氧气、氢气等)，也就无法保证高的环境真空度。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本专利技术提出一种了用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，对氦进行闭式循环和回收，实现了发动机羽流实验时对氦气的实时制冷、实时液化与实时回收，大幅降低了羽流超低温实验成本和实验时液氦的需求量，实验前仅需要准备少量氦气即可满足系统运行，实验准备时间大幅缩短。
[0008]所述的氦气回收液化系统包括：高纯氦储存系统1、氦气制冷与液化系统2、氦气回收系统3、氦气纯化系统4、氦气纯度分析系统5、液氦储存系统6和液氦热沉系统7。
[0009]高纯氦储存系统1提前存储高纯氦气，通过氦气制冷与液化系统2将氦气液化和制冷；并输送到液化机中，利用氦气纯度分析系统5对液化机产出的氦气纯度进行检测，当氦气中的氮气、水气及碳氢化合物，三者之和＜50ppm时，则氦气纯度大于99.995％，则储存于液氦储存系统6中，供液氦热沉系统7降温使用。
[0010]否则，启动氦气回收系统3，完成不纯氦气的回收与存储，利用氦气纯化系统4将氦气纯度＜99.995％的不纯氦气纯化成氦气纯度≥99.999％的高纯氦气，并存储于高纯氦储存系统1中，再次返回到氦气制冷与液化系统2。
[0011]液氦热沉系统7依据羽流实验需求，利用液氦或低温氦气实现液氦热沉本身的温度控制，吸附碳、氢、氧、氮等多组分羽流气体，完成超高真空羽流实验；
[0012]同时，通过将液氦热沉系统7的出入口管道与氦气制冷与液化系统2相连，将未用完的氦气送回，实现氦气的闭式循环以及氦气的实时液化、实时制冷。
[0013]所述液氦热沉系统7选用100液氦热沉，位于真空舱体内部，通过液氦或冷氦降温、制冷，用于羽流实验超低温真空抽气；
[0014]所述高纯氦储存系统1选用前后安装阀门的101稳压罐，用于存储高压纯氮气；
[0015]所述氦气制冷与液化系统2包括102循环压缩机、103除油系统和105氦液化机；
[0016]其中，102循环压缩机为101稳压罐输出的氦气加压循环，并输出给103除油系统，进行油水过滤和分离，使氦气无油、保持干燥；当满足105氦液化机的要求后，105氦液化机将常温氦气制冷到指定温度或液化成液氦储存，最后输送到100液氦热沉根据需要选择工作模式：
[0017]当100液氦热沉的冷量需求小于480W/h，采用制冷模式，通过输送低温冷氦气实现液氦热沉的降温；当100液氦热沉的冷量需求大于等于480W/h，采用液化模式，先将常温氦气液化成液氦储存于106液氦杜瓦中，通过输送大流量液氦实现液氦热沉的深冷抽气。
[0018]所述氦气纯度分析系统5选用104氦气纯度分析仪；通过分析仪入口阀与103除油系统的出口管道相连，当检测除油系统出口的氦气纯度，满足使用要求后进入105氦气液化机；不满足要求后，通过分析仪入口阀与107第一汽化器出口管道相连，进行不纯氦气的回收；
[0019]所述氦气回收系统3包括107第一汽化器、108第二汽化器、109电加热器、110氦气气囊、111高压压缩机、112油水分离器和113氦气高压储罐；
[0020]107第一汽化器与100液氦热沉相连，108第二汽化器位于107第一汽化器后部，两个汽化器用于将低温氦气回温至室温；109电加热器串联于108第二汽化器后部，将氦气加温至20℃，保证110氦气气囊正常工作；110氦气气囊用于临时存储不纯氦气；111高压压缩机位于110氦气气囊后部，用于将临时存储的不纯氦气压缩；112油水分离器位于111高压压缩机后部，用于去除经压缩后氦气中的油、水；113氦气高压储罐位于112油水分离器后部，用于储存高压不纯氦气；
[0021]所述氦气纯化系统4包括114减压器、115干燥器和116氦气纯化器；
[0022]114减压器位于113氦气高压储罐后部，115干燥器位于114减压器后部，用于将高压的不纯氦气减压至2MPa以下，并干燥后输入后部连接的116氦气纯化器中纯化成高纯氦气；116氦气纯化器连接101稳压罐，将纯化后的高纯氦气进行存储；
[0023]所述液氦储存系统6选用106液氦杜瓦，位于105氦液化机末端，用于储存液化机产生的液氦，供液氦热沉使用；并同时连接100液氦热沉的入口管道，向100液氦热沉输送液氦；
[0024]本专利技术的优点和积极效果在于：
[0025]1、用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，为闭式循环的回收系统，实现了氦
气的实时液化、实时制冷和实时回收，极大地节约了氦气资源，实验前不用准备大量氦气；
[0026]2、用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，能够为液氦热沉提供4.2K
‑
80K任意温度下的超低温制冷；
[0027]3、用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，设有高纯氦储存系统，用于存储纯度5N(99.999％)的高纯氦气，稳压罐储存压力最大为12.7bar；
[0028]4、用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，设有氦气制冷与液化系统，通过将液氦热沉出入口管道与氦气制冷与液化系统的送回气管道相连，实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，其特征在于，具体包括：高纯氦储存系统(1)、氦气制冷与液化系统(2)、氦气回收系统(3)、氦气纯化系统(4)、氦气纯度分析系统(5)、液氦储存系统(6)和液氦热沉系统(7)；高纯氦储存系统(1)提前存储高纯氦气，通过氦气制冷与液化系统(2)将氦气液化和制冷；并输送到液化机中，利用氦气纯度分析系统(5)对液化机产出的氦气纯度进行检测，当氦气中的氮气、水气及碳氢化合物，三者之和＜50ppm时，则氦气纯度大于99.995％，则储存于液氦储存系统(6)中，供液氦热沉系统(7)降温使用；否则，启动氦气回收系统(3)，完成不纯氦气的回收与存储，利用氦气纯化系统4将氦气纯度＜99.995％的不纯氦气纯化成氦气纯度≥99.999％的高纯氦气，并存储于高纯氦储存系统(1)中，再次返回到氦气制冷与液化系统(2)；液氦热沉系统(7)依据羽流实验需求，利用液氦或低温氦气实现液氦热沉本身的温度控制，吸附碳、氢、氧和氮多组分羽流气体，完成超高真空羽流实验。2.如权利要求1所述的用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，其特征在于，所述液氦热沉系统(7)的出入口管道与氦气制冷与液化系统(2)相连，将未用完的氦气送回，实现氦气的闭式循环以及氦气的实时液化、实时制冷。3.如权利要求1所述的用于羽流超低温实验的氦气回收液化系统，其特征在于，所述液氦热沉系统(7)选用液氦热沉(100)，位于真空舱体内部，通过液氦或冷氦降温、制冷，用于羽流实验超低温真空抽气；所述高纯氦储存系统(1)选用前后安装阀门的稳压罐(101)，用于存储高压纯氮气；所述氦气制冷与液化系统(2)包括循环压缩机(102)、除油系统(103)和氦液化机(105)；其中，循环压缩机(102)为稳压罐(101)输出的氦气加压循环，并输出给除油系统(103)，进行油水过滤和分离，使氦气无油、保持干燥；当满足氦液化机(105)的要求后，氦液化机(105)将常温氦气制冷到指定温度或液化成液氦储存，最后输送到液氦热沉(100)根据需要选择工作模式：所述氦气纯度分析系统(5)选用氦气纯度分析仪(104)；通过分析仪入口阀与除油系统(103)的出口管道相连，当检测除油系统出口的氦气纯度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌桂龙，蔡国飙，贺碧蛟，翁惠焱，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：