徐 冬 徐向東 龔領(lǐng)會(huì) 郭曉虹謝祖棋 趙紅衛(wèi) 李 瑋

(1中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

(3中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000)

(4京安古貝(北京)科技有限公司 北京 100071)

1 引 言

液氦被廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)技術(shù)、空間技術(shù)、低溫電子學(xué)和高能物理研究等方面。目前作為可達(dá)到4.2 K的唯一方便冷源，液氦已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大中小型低溫系統(tǒng)及低溫實(shí)驗(yàn)室。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中小型低溫科學(xué)試驗(yàn)裝置的液氦蒸發(fā)率小的僅有幾L/d，大的也只有150 L/d。如果專門配備標(biāo)準(zhǔn)氦液化器，按最小液化率20 L/h計(jì)算，每天將富余300 L－400 L液氦，因此，必須配備液氦儲(chǔ)存容器、液氦輸液管、輸液管插接頭等，從而導(dǎo)致液氦在儲(chǔ)存和加注過(guò)程中的消耗量將遠(yuǎn)大于磁體系統(tǒng)的消耗量。另一方面，氦液化器占地面積大、維護(hù)復(fù)雜、操作需要專門技術(shù)人員，采用標(biāo)準(zhǔn)氦液化器為實(shí)驗(yàn)室中小型低溫科學(xué)試驗(yàn)裝置提供液氦在人力財(cái)力上都造成很大浪費(fèi)。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室中小型低溫科學(xué)試驗(yàn)裝置液氦消耗量，需要建造合適的微小型氦液化裝置。目前市場(chǎng)上存在成熟的4 KG-M制冷機(jī)和脈沖管制冷機(jī)產(chǎn)品，使建造微小型氦液化裝置成為可能。近5年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)、日本大力開發(fā)以這種制冷機(jī)做冷源的小型氦液化裝置，美國(guó)已開發(fā)出以單臺(tái)和3臺(tái)脈沖管制冷機(jī)做冷源的小型氦液化器產(chǎn)品。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道:美國(guó)采用一臺(tái)制冷機(jī)氦液化產(chǎn)品可達(dá)到18 L/d的液氦產(chǎn)量［1－3］、3臺(tái)制冷機(jī)氦液化產(chǎn)品可達(dá)到50 L/d的液氦產(chǎn)量。因此，采用小型制冷機(jī)來(lái)建造能夠滿足液氦需求量的氦液化裝置成為近年來(lái)國(guó)際低溫界的熱點(diǎn)。

本文研制成功以5臺(tái)1.5 W/4.2 K G-M制冷機(jī)(日本住友RDK415D)做冷源的自循環(huán)小型氦液化裝置，在液氦溫度為4.17 K(飽和壓力為96 kPa)時(shí)，獲得了74 L/d的液化率;在液氦溫度為4.42 K(飽和壓力為121 kPa)時(shí)，獲得了116 L/d的液化率;經(jīng)擬合，在液氦溫度為4.2 K(飽和壓力為100 kPa)時(shí)，液化率為83 L/d。而且該小型氦液化裝置不需要循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)了自循環(huán)，運(yùn)行可靠。作為首臺(tái)具有每天百升氦液化率的小型氦液化裝置的成功研制，對(duì)涉及低溫液氦的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、氦氣資源的有效利用和多臺(tái)制冷機(jī)氦液化裝置的設(shè)計(jì)制造，都具有積極意義。

本裝置將安裝于中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所重離子加速器超導(dǎo)離子源液氦冷卻系統(tǒng)上，以延長(zhǎng)液氦的加注周期乃至實(shí)現(xiàn)“零加注”。

2 5臺(tái)1.5 W/4.2 K G-M制冷機(jī)做冷源的自循環(huán)氦液化裝置理論計(jì)算液化率

圖1為日本住友公司生產(chǎn)的RDK415D G-M制冷機(jī)的冷量曲線，二級(jí)冷頭4.2 K對(duì)應(yīng)的制冷功率為1.5 W?？筛鶕?jù)圖1擬合一級(jí)和二級(jí)冷頭不同溫度對(duì)應(yīng)的制冷功率 Q1和 Q2，進(jìn)而計(jì)算5臺(tái)1.5 W/4.2 K RDK415D制冷機(jī)理論計(jì)算液化率。5臺(tái)制冷機(jī)為并聯(lián)關(guān)系，以單臺(tái)為例計(jì)算，理論計(jì)算液化率只考慮冷頭冷量并忽略換熱器出口溫差和流動(dòng)阻力，如圖2所示。

式中:h0為流入一級(jí)冷頭換熱器氦氣的焓;h1為流出一級(jí)冷頭換熱器、或流入二級(jí)冷頭換熱器氦氣的焓;h2為流出二級(jí)冷頭換熱器并被液化為液氦的焓;m為流經(jīng)各級(jí)換熱器并被液化的氦氣質(zhì)量流率(即液化率);T1和T2分別為制冷機(jī)一級(jí)和二級(jí)冷頭溫度。

圖1 RDK-415D冷量曲線［4］Fig.1 RDK-415D capacity curve

圖2 理論計(jì)算示意圖Fig.2 Sketch of theoretical calculation

以氦氣入口溫度300 K、壓力0.1 MPa、聯(lián)立求解方程(1)和(2)，可得到5臺(tái)1.5 W/4.2 K RDK415D制冷機(jī)做冷源的氦液化系統(tǒng)的理論計(jì)算液化率為31.8 L/d。

3 5臺(tái)1.5 W/4.2 K G-M制冷機(jī)做冷源的自循環(huán)氦液化裝置性能測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖3為5臺(tái)1.5 W/4.2 K G-M制冷機(jī)做冷源的自循環(huán)氦液化裝置實(shí)驗(yàn)流程圖和結(jié)構(gòu)圖。用帶加熱器的500 L液氦杜瓦模擬“液氦消耗裝置”，如超導(dǎo)磁體裝置，蒸發(fā)的冷氦氣復(fù)溫成室溫氦氣，再進(jìn)入5臺(tái)制冷機(jī)組成的氦液化裝置進(jìn)行液化。液化裝置由4 KG-M制冷機(jī)、一級(jí)冷頭盤管換熱器、氣缸盤管換熱器、二級(jí)冷頭盤管換熱器、翅片冷凝器、匯流罐、屏蔽罩、真空罩組成。待液化氦氣先經(jīng)集氣環(huán)分為5股流體，分別被5臺(tái)制冷機(jī)一級(jí)冷頭、二級(jí)冷頭及兩級(jí)間氣缸壁冷卻，最后進(jìn)入冷凝器罐被液化為液氦。5臺(tái)制冷機(jī)液化的液氦到匯流罐內(nèi)集液后從杜瓦管流入實(shí)驗(yàn)杜瓦。真空罩和屏蔽罩用于減小漏熱影響，屏蔽罩冷量由一級(jí)冷頭提供。圖4為5臺(tái)1.5 W/4.2 K G-M制冷機(jī)做冷源的自循環(huán)氦液化裝置實(shí)物圖。

圖3 5臺(tái)1.5 W/4.2 K G-M制冷機(jī)做冷源的自循環(huán)氦液化裝置流程圖及結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Process and structural diagram of helium liquefaction self-circulation system with five 1.5 W/4.2 K G-M cryocoolers

圖4 5臺(tái)1.5 W/4.2 K G-M制冷機(jī)做冷源的自循環(huán)氦液化裝置實(shí)物圖Fig.4 Photograph of helium liquefaction self-circulation system with five 1.5 W/4.2 K G-M cryocoolers

裝置中壓力傳感器用于測(cè)量匯液罐內(nèi)液氦對(duì)應(yīng)飽和壓力，裝置中設(shè)有12個(gè)銠鐵溫度計(jì)監(jiān)測(cè)溫度，位置分別位于一級(jí)冷頭盤管換熱器后(5個(gè))、5個(gè)二級(jí)冷頭盤管換熱器后(5個(gè))、集流罐上(1個(gè))、500 L液氦儲(chǔ)罐內(nèi)(1個(gè)，位于液氦儲(chǔ)罐底部)。

溫度和壓力數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)記錄和顯示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)采集卡、配置有監(jiān)測(cè)器和Labview軟件的工控計(jì)算機(jī)，12只標(biāo)定的銠鐵溫度計(jì)，1個(gè)壓力傳感器。運(yùn)行Labview工控軟件完成數(shù)據(jù)采集和自控。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用電加熱器提供模擬熱負(fù)載的方法，測(cè)量氦液化裝置液化率。

在液氦儲(chǔ)罐中設(shè)置1個(gè)電加熱器，提供一個(gè)給定電加熱功率后，液氦儲(chǔ)罐中液氦被蒸發(fā)，液氦溫度和系統(tǒng)壓力將發(fā)生變化，待兩者趨于穩(wěn)定后，可認(rèn)為液氦儲(chǔ)罐中液氦時(shí)刻處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)。這時(shí)就可通過(guò)液氦的加熱功率和液氦儲(chǔ)罐的漏熱量(按1%估計(jì)約為5 L/d)計(jì)算出小型氦液化裝置的液化率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別給液氦儲(chǔ)罐中液氦加熱2.1 W、2.6 W、2.7 W、3 W功率。試驗(yàn)測(cè)量曲線如圖5所示。

由曲線可知，該氦液化裝置的液化率在4.17 K(飽和壓力為96 kPa)時(shí)為74 L/d的液化率;在4.42 K(飽和壓力為121 kPa)時(shí)為116 L/d的液化率。通過(guò)測(cè)試點(diǎn)(2.1 W、2.6 W、2.7 W、3 W)擬合出這一小溫區(qū)內(nèi)液化率的變化趨勢(shì)，如圖6。由擬合曲線可認(rèn)為:在 4.2 K(飽和壓力為100 kPa)時(shí)液化率為83 L/d。

該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未開循環(huán)泵，裝置運(yùn)行正常，說(shuō)明該裝置自循環(huán)運(yùn)行可靠，無(wú)需循環(huán)泵。

圖5 給加熱功率后，匯流罐壓力和液氦儲(chǔ)罐液氦溫度隨時(shí)間的變化(a)2.1 W;(b)2.6 W;(c)2.7 W;(d)3 WFig.5 Variation of pressure in liquid helium-collection container and temperature in dewar(a)2.1W;(b)2.6W;(c)2.7W;(d)3W

圖6 裝置氦液化率隨液氦儲(chǔ)罐內(nèi)液氦溫度的變化Fig.6 Helium liquefaction variation with temperature in dewar

5 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

采用5臺(tái)1.5 W/4.2 K G-M制冷機(jī)(日本住友RDK415D)進(jìn)行了自循環(huán)氦液化裝置的試驗(yàn)，結(jié)果分析與結(jié)論如下:

(1)進(jìn)行了2.1 W、2.6 W、2.7 W、3 W模擬負(fù)載下系統(tǒng)液化率測(cè)試，匯流罐壓力和液氦儲(chǔ)罐內(nèi)液氦溫度均趨于穩(wěn)定若干小時(shí)以上。

(2)該氦液化裝置的液化率為:在4.17 K(飽和壓力為96 kPa)時(shí)，液化率為74 L/d;在4.42 K(飽和壓力為121 kPa)時(shí)，液化率為116 L/d;擬合曲線可得到:在4.2 K(飽和壓力為100 kPa)時(shí)，液化率為83 L/d。

(3)通過(guò)100小時(shí)以上的連續(xù)運(yùn)行，初步說(shuō)明該氦液化裝置自循環(huán)性能良好。

(4)該裝置液化率值是理論計(jì)算值的兩倍以上，分析認(rèn)為:制冷機(jī)二級(jí)氣缸壁對(duì)被液化氦氣的預(yù)冷起到了很大作用，因此，需要對(duì)G-M制冷機(jī)二級(jí)氣缸的預(yù)冷效果對(duì)液化率的影響進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 Thummes G，Wang C，Heiden C.Small scale4He liquefaction using a two-stage 4K pulse tube cooler［J］.Cryogenics，1998，38(3);337-342.

2 Wang C.Helium liquefaction with a 4K pulse tube cryocooler［J］.Cryogenics，2001，41(7);491-496.

3 Wang C.Small scale helium liquefaction systems［C］.25thInternational Conference on Low Temperature Physics，Amsterdam:2008.