郝強旺 劉華軍 武 玉 朱志剛

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

1.8 K常壓超流氦低溫系統(tǒng)漏熱分析及真空泵抽速計算

郝強旺 劉華軍 武 玉 朱志剛

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

給出了1.8 K常壓超流氦低溫系統(tǒng)的工作原理。對HeⅡ腔的漏熱進行了分析和計算，包括環(huán)氧隔熱板、安全閥、支撐桿以及測量線與電流引線底座同HeⅠ腔的導熱，真空夾層之間的殘余氣體導熱以及HeⅡ腔內(nèi)杜瓦與其外周冷屏的輻射換熱。根據(jù)漏熱值，對所需真空泵的抽速進行了計算，同時給出了預冷與節(jié)流相結(jié)合獲取1.75 K超流氦方案物理過程的溫-熵圖。

超流氦 低溫系統(tǒng) 漏熱

1 引言

中國科學院等離子體物理研究所超導電工實驗室設(shè)計用于ITER(國際熱核聚變實驗堆裝置)CC(校正場線圈)超導測試裝置的背景場磁體低溫杜瓦原本用于法國TORUS II Supra托卡馬克裝置低溫超導導體性能測試，2002法國將其贈送給中國科學院等離子所，等離子所隨后對整個裝置進行了低溫系統(tǒng)、磁體電源、數(shù)據(jù)測量與采集、磁體控制和保護等方面的改造，2009年進行低溫通電實驗時采用4.2 K液氦浸泡冷卻背景磁場，在4.2 K液氦浸泡冷卻能夠產(chǎn)生7 T的背景場，為了滿足今后超導導體測試需要更大背景場的要求，需要采用1.8K超流氦浸泡冷卻背景磁體［1］。

背景場磁體杜瓦結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［2］，杜瓦本體包含HeⅠ、HeⅡ兩個低溫腔，當磁體采用4.2 K液氦浸泡冷卻時，兩個腔溫度一樣都是4.2 K液氦;當磁體為了獲得更高的磁場強度需要使用1.8 K常壓(標準大氣壓)超流氦浸泡冷卻時，HeⅠ、HeⅡ腔分別裝有4.2 K液氦和1.8 K超流氦，此時兩個腔體之間必須用隔熱板分開。

圖1 背景場磁體杜瓦結(jié)構(gòu)圖1.真空泵;2.飽和HeⅡ液面計;3.逆流熱交換器;4.節(jié)流膨脹閥;5.輸液閥;6.杜瓦容器;7.磁體安全閥;8.頸部熱交換器;9.安全冷閥;10.緊急安全閥;11.絕熱隔板;12.HeⅡ熱交換器;13.超導磁體線圈;14.不銹鋼內(nèi)杜瓦Fig.1 Structure diagram of background magnet dewar

2 1.8 K常壓超流氦低溫系統(tǒng)

1.8 K常壓超流氦低溫系統(tǒng)主要由真空泵、HeⅡ液面計、逆流熱交換器、節(jié)流膨脹閥、HeⅡ熱交換器等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示［2］。當杜瓦工作在4.2 K溫區(qū)時，HeⅡ制冷系統(tǒng)不參與運行，磁體線圈直接由HeⅠ浸泡冷卻;當磁體需要工作在1.8 K溫區(qū)時，HeⅠ腔的HeⅠ依次經(jīng)過HeⅡ制冷系統(tǒng)的逆流熱交換器、節(jié)流膨脹閥制冷后得到1.75 K的HeⅡ;1.75 K的HeⅡ在HeⅡ熱交換器中吸熱，將HeⅡ腔中的HeⅠ逐步冷卻為1.8 K的超流氦。與此同時在真空泵的作下，HeⅡ熱交換器內(nèi)的1.75 K液氦不斷蒸發(fā)制取冷量，同時蒸發(fā)的低溫氦回氣經(jīng)過逆流熱交換器時又將HeⅠ預冷，從而完成了整個由HeⅠ到HeⅡ的制冷循環(huán)。

圖2 超流氦制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of super helium cryogenic system

3 HeⅡ腔漏熱分析及計算

前文分析，當磁體用1.8 K超流氦浸泡時，HeⅠ、HeⅡ兩個腔體之間必須用隔熱板分開。由于環(huán)氧樹脂具有很低的熱導率，能起到很好的絕熱隔熱作用，隔熱板采用環(huán)氧樹脂，如圖3所示。由于其與HeⅠ腔相連，漏熱部分除隔熱板本身的導熱外還應包括隔熱板上其它部件的導熱以及HeⅡ腔內(nèi)杜瓦與外周冷屏的輻射換熱。

圖3 HeⅡ腔隔熱板Fig.3 Heat insulation board of HeII chamber

HeⅡ腔漏熱具體包括:環(huán)氧隔熱板、安全閥、支撐桿以及測量線與電流引線底座同HeⅠ腔的導熱，真空夾層之間的殘余氣體導熱，HeI腔與HeII腔之間低溫容器傳導熱以及HeⅡ腔內(nèi)杜瓦與其外周的銅冷屏的輻射換熱。簡化示意圖如圖4所示，漏熱具體計算如下:

圖4 隔熱板及冷屏示意圖1.環(huán)氧隔熱板;2.柱形安全閥;3.測量線及電流引線底座;4.支撐桿;5.錐形安全閥;6.銅冷屏;7.HeⅡ腔內(nèi)杜瓦Fig.4 Schematic diagram of insulation board and cold shield

(1)環(huán)氧隔熱板導熱

環(huán)氧隔熱板漏熱主要是導熱，計算公式為:Q1=K1A1(T1-T2)/l1，其中:K1是環(huán)氧隔熱板的熱導率，K1=0.043 W/(m·K)［3］;A1是環(huán)氧隔熱板的導熱面積，A1=0.34 m2;T1和 T2分別為4.2 K和1.8 K，l1=0.05 m。代入數(shù)據(jù)計算得:Q1=0.7 W。

(2)柱形安全閥導熱

柱形安全閥主要由不銹鋼構(gòu)成，漏熱主要是導熱，計算公式為:Q2=K2A2(T1-T2)/l2，其中:K2是不銹鋼的熱導率，K2=0.16 W/(m·K);A2是安全閥的導熱面積，A2=0.007 85 m2;T1和T2分別為4.2 K和1.8 K，l2=0.05 m。代入數(shù)據(jù)計算得:Q2=0.06 W。

(3)測量線及電流引線底座導熱

測量線及電流引線底座由不銹鋼構(gòu)成，漏熱也主要是導熱，計算公式為:Q3=NK3A3(T1-T2)/l3，其中:N是底座的數(shù)量，N=12;K3是不銹鋼熱導率，K3=0.16 W/(m·K);A3是安全閥的導熱面積，A3=0.000 314 m2;T1和T2分別為4.2 K和1.8 K，l3=0.05 m。代入數(shù)據(jù)計算得:Q3=0.029 W。

(4)支撐桿導熱

支撐桿由不銹鋼構(gòu)成，漏熱主要是導熱，計算公式為:Q4=NK4A4(T1-T2)/l4，其中:N是底座的數(shù)量，N=3;K3是不銹鋼熱導率，K3=0.16 W/(m·K);A4是支撐桿的導熱面積，A4=0.003 85 m2;T1和T2分別為4.2 K和1.8 K，l4=0.05 m。代入數(shù)據(jù)計算得:Q4=0.089 W。

(5)錐形安全閥導熱［3］

其中:FT是HeⅡ在1.8 K時穩(wěn)態(tài)熱流峰值;L是熱量必須傳遞的間隙長度，L=0.064 m;A是間隙的平均截面積，A=0.000 016 5 m2;d是錐形的平均直徑，d=0.07 m;l是蓋板和錐形閥之間的間隙距離，l=0.000 15 m;d’是錐形閥的上表面直徑，d’=0.11 m;d’’是錐形閥的下表面直徑，d’’=0.01 m。代入數(shù)據(jù)計算得:Q5=0.6 W。

(6)HeI腔與HeII腔之間低溫容器傳導熱

HeI腔與HeII腔之間存在低溫容器的傳導熱，低溫容器為不銹鋼材料，導熱計算公式為:Q6=K6A6(T1-T2)/l6，其中:K6是不銹鋼的熱導率，K3=0.16 W/(m·K);A6是安全閥的導熱面積，A6=0.007 1 m2;T1和T2分別為4.2 K和1.8 K，l6=0.05 m。代入數(shù)據(jù)計算得:Q6=0.055 W。

(7)銅冷屏對HeⅡ腔的輻射熱(采用多層絕熱計算)［4］

(8)真空夾層殘余氣體漏熱

考慮剩余氣體導熱，殘余氣體導熱公式為:Q8=CαpAm(TH-TL)/l6，其中:介質(zhì)系數(shù) C=2.1;溫度適應系數(shù)α=0.5;TL是HeⅡ腔外壁溫度，TL=1.8 K;TH是冷屏的溫度，TH=77 K;殘余氣體壓力p=5.0×10-4Pa。代入數(shù)據(jù)計算得Q8=0.12 W。

在磁體未通電磁體本身不存在熱負荷的情況下，HeⅡ腔總漏熱為:Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8=1.655 W。

4 真空泵抽速計算

真空泵是獲得超流氦的關(guān)鍵設(shè)備，超流氦低溫循環(huán)中真空泵類型主要有液環(huán)泵、羅茨泵、旋片泵等。當超流氦的質(zhì)量流量小于20 g/s時，常采用室溫泵作為超流氦的流動動力，而當超流氦的質(zhì)量流量超過100 g/s時，通常采用低溫壓縮機構(gòu)成的超流氦低溫循環(huán)。本設(shè)計選用室溫泵，即預冷換熱器中出來的氦氣通過加熱裝置，加熱到常溫(300 K)后，再經(jīng)過室溫泵將其抽出。HeⅡ的冷卻能力和真空泵的抽速有關(guān)，抽速越快則超流氦可以提供的制冷量越大。

一般來講，真空泵的抽速越大，則相應的成本也會增加。為了降低真空泵組的成本，在滿足系統(tǒng)真空度的條件下，對于該低溫系統(tǒng)可以通過降低氦氣流量來實現(xiàn)該目標。

圖5為超流氦循環(huán)過程中，HeⅡ換熱器中獲得1.75 K超流氦所采用的帶有預冷的節(jié)流過程的溫-熵圖，狀態(tài)3、4對應的熱力參數(shù):

圖5 預冷節(jié)流方式獲取1.75 K超流氦Fig.5 Obtaining 1.75 K super fluid helium by throttling process accompanied with pre-cooling

6 點:T=1.75 K，P=1.37 kPa，h6=705.6 J/kg(飽和超流氦);4 點:T=1.75 K，P=1.37 kPa，h4=23 990 J/kg(飽和氦蒸氣)。飽和超流氦在吸收熱量后轉(zhuǎn)變?yōu)槔涞暮ふ魵?，汽化潛?r=h4-h6=23 990-705.6 J/kg=23 284.4 J/kg=23.28 J/g。

通過節(jié)流閥獲得的超流氦的液體率約為72%［5］，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，HeⅡ腔的漏熱為 1.655 W，在計算漏熱值的基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)2來選用計算真空泵的抽速。所以，通過J-T閥的飽和超流氦其提供的冷量為3.31 W。

5 結(jié)論

針對用于ITER(國際熱核聚變實驗堆裝置)CC(校正場線圈)超導測試裝置的背景場磁體低溫杜瓦給出了1.8 K常壓超流氦低溫系統(tǒng)部分工作原理，就設(shè)備的尺寸，對1.8 K超流氦循環(huán)部分的漏熱做了分析和計算，并通過漏熱值計算了所需真空泵的抽速，對后期真空泵的選型提供參考。

1 彭晉卿，武 玉，劉華軍，等.50kA-10T CICC超導導體測試裝置低溫系統(tǒng)設(shè)計［C］.中國制冷學會2009年學術(shù)年會，天津，2009.

2 Augueres J L，Aymar R，BonMardion G，etal.700mm diameter cryostats operating at 1.8K and atmospheric pressure［J］.Cryogenics，1980:529-533.

3 Hoch D W.Design and test of a 1.8K liquid helium refrigerator［M］.University of Wisconsin-Madison，2004.

4 符錫理.真空多層絕熱理論研究和傳熱計算［J］.低溫工程，1989(2):1-11.

5 郝強旺，劉華軍，武 玉，等.1.8 K常壓超流氦低溫系統(tǒng)的設(shè)計與分析［J］.低溫工程，2012(6):1-4.

Heat leak analysis and vacuum pump speed calculation for a 1.8 K-atmospheric super fluid helium cryogenic system

Hao Qiangwang Liu Huajun WuYu Zhu zhigang

(Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China)

The operating principle of a 1.8 K-atmospheric super fluid helium cryogenic system was given.The heat leak of the HeⅡ chamber were analyzed and calculated，which including the epoxy insulating board，safety valve，support bars，measurement leads and current leads heat conduction with HeⅠ chamber，residual gas heat conduction in vacuum between the layers，radiation heat transfer between the dewar of HeⅡ chamber and cold shield.According to the result of heat leak，vacuum pump speed was calculated，temperature-entropy diagram of the process of throttling process accompanied with pre-cooling were put forward.

super fluid helium;cryogenic system;heat leak

TB611

A

1000-6516(2013)02-0020-04

2012-12-21;

2013-03-25

國家自然科學基金項目(No.51177163)。

郝強旺，男，26歲，博士研究生。