劉燁芒 歐陽(yáng)崢嶸 李洪強(qiáng) 曲繼坤

(中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心 合肥 230031)

40 T混合磁體低溫分配閥箱真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉燁芒 歐陽(yáng)崢嶸 李洪強(qiáng) 曲繼坤

(中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心 合肥 230031)

根據(jù)40 T穩(wěn)態(tài)混合磁體低溫分配閥箱對(duì)真空的要求，對(duì)低溫分配閥箱真空系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如下:選擇閥箱真空室的殼體形狀，通過(guò)計(jì)算確定出真空室殼體壁厚為12 mm;選擇封頭形狀，對(duì)封頭強(qiáng)度進(jìn)行校核，確定封頭壁厚為16 mm;對(duì)整個(gè)真空系統(tǒng)抽真空泵機(jī)組進(jìn)行選型，選出粗抽泵機(jī)組由一套ZJ-150羅茨泵和2XZ-30旋片式真空泵組成，主抽泵由一套F-100/110分子泵和2X-4旋片式機(jī)械泵組成，可達(dá)到閥箱對(duì)真空度的要求。

40 T混合磁體 低溫分配閥箱 真空系統(tǒng)

1 引言

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是中國(guó)“十一五”國(guó)家大科學(xué)工程，由中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)共同承建。其40 T穩(wěn)態(tài)混合磁體由內(nèi)水冷磁體和外超導(dǎo)磁體組成，其中外超導(dǎo)磁體為11 T，用鈮三錫CICC繞制而成，使用4.5 K超臨界氦迫流冷卻［1］。在外超導(dǎo)磁體與冷箱之間，安置低溫分配閥箱，通過(guò)低溫傳輸線傳輸超臨界氦至外超導(dǎo)磁體，所以低溫分配閥箱起到了一個(gè)中轉(zhuǎn)站的作用。為減少閥箱中低溫物質(zhì)(超臨界氦、液氦和液氮)的冷量損失，需將其置于高真空工作環(huán)境中，所以低溫閥箱真空室達(dá)到低溫物質(zhì)正常工作所要求的真空水平是保證低溫閥箱乃至整個(gè)外超導(dǎo)磁體正常運(yùn)作的關(guān)鍵條件之一。本研究將針對(duì)40 T混合磁體低溫分配閥箱設(shè)計(jì)一套真空系統(tǒng)。

2 40 T混合磁體低溫分配閥箱對(duì)真空度的要求

40 T混合磁體低溫分配閥箱真空室材料為304不銹鋼，內(nèi)表面積A304為30.9 m2，體積V為11.5 m3。為降低閥箱真空室與低溫物質(zhì)之間的輻射熱負(fù)荷，在閥箱內(nèi)壁與低溫物質(zhì)之間裝有80 K冷屏，冷屏材料為紫銅，表面積ACu為21.64 m2。低溫分配閥箱要求室溫下的真空度達(dá)到10-3Pa，總漏率為1×10-2Pa·L/s。

圖1為閥箱真空室結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖，圖中1為電流引線通道盲端，2為電流引線真空套管，3為上端蓋，4為傳輸線出口法蘭，5為圓筒形殼體，6為橢圓形封頭，7為底部支撐組件。

圖1 真空室結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the vacuum chamber

3 低溫分配閥箱真空室殼體設(shè)計(jì)

3.1 閥箱圓筒形殼體計(jì)算

因?yàn)閳A筒形殼體制造容易且強(qiáng)度好，此閥箱真空室亦采用圓筒形殼體，真空室做成立式［2］。圓筒形殼體壁厚確定方法如下:

圓筒形殼體只承受外壓時(shí)，可按穩(wěn)定條件計(jì)算，其壁厚為:

式中:DB為圓筒內(nèi)徑，取2 400 mm;p為外壓設(shè)計(jì)壓力，真空容器選擇0.1 MPa;L為圓筒計(jì)算長(zhǎng)度，取2 580 mm;Et為材料溫度為t時(shí)的彈性模量，查表可得304不銹鋼在室溫時(shí)的彈性模量為1.9×105MPa。

由式(1)計(jì)算可得圓筒形真空室殼體壁厚S0為9.5 mm，根據(jù)工程要求，取1.2倍的安全系數(shù)，圓筒形真空室殼體壁厚實(shí)際為12 mm［3］。

3.2 封頭強(qiáng)度計(jì)算

橢圓形封頭:

式中:M為封頭壁厚;p為外壓設(shè)計(jì)壓力，取0.1 MPa;DB為封頭內(nèi)部直徑，為2 200 mm;γ為焊縫系數(shù)，取0.6;［σ］為許用應(yīng)力，取144 MPa;hB為封頭凸出部分內(nèi)邊高度，取530 mm;C為壁厚附加量，取1 mm。

4 低溫閥箱真空系統(tǒng)到達(dá)所需真空度的方案

針對(duì)低溫閥箱真空系統(tǒng)采用先由粗抽泵機(jī)組粗抽，將閥箱抽至10-1Pa，然后由主泵機(jī)組抽至所要求的真空度10-3Pa，擬定了以下方案:

4.1 主泵機(jī)組選型

4.1.1 主泵的有效抽速

主泵的有效抽速S由下式確定:

式中:Pg為低溫閥箱的工作壓力，取10-3Pa;Q為閥箱的總氣體量，主要由閥箱及真空元件的放氣量Q1、閥箱漏氣量Q2組成，閥箱真空室在工作過(guò)程中產(chǎn)生的氣體量為0。

Q2為總漏氣量，為10-2Pa·L/s，Q1由式(6)確定:

式中:q304為不銹鋼出氣率，取1.3×10-8Pa·L/(s·cm2);qCu為紫銅出氣率，取2.8×10-6Pa·L/(s·cm2)。

式(6)可算得 Q1為4.017×10-3Pa·L/s，由式(5)可得Q為1.401 7×10-2Pa·L/s，將計(jì)算所得Q代入式(4)，計(jì)算可得有效抽速S=14.02 L/s。取1.2倍的安全系數(shù)，則得到主泵實(shí)際要求的有效抽速為 16.824 L/s［5］。

4.1.2 主泵類型的確定

根據(jù)低溫閥箱對(duì)真空度的要求以及各種真空泵工作壓力范圍，選渦輪分子泵為主泵較為合適［2］。分子泵的有效抽速為16.824 L/s，考慮到加上閥門、擋板后泵的抽速損失(一般泵的有效抽速是泵的抽速的1/3左右)，暫選一臺(tái)抽速為110 L/s的分子泵F-100/110作為主泵，其進(jìn)氣口直徑為100 mm，出氣口直徑為25 mm。根據(jù)旋片式機(jī)械泵的特點(diǎn)與用途，選取旋片式機(jī)械泵作為分子泵的前級(jí)泵。

圖2為閥箱真空泵機(jī)組示意簡(jiǎn)圖，圖中1為閥箱簡(jiǎn)圖，2為插板閥，3為分子泵，4為前級(jí)機(jī)械泵，5為主抽真空管，6為真空支管，7為粗抽泵機(jī)組。

圖2 閥箱真空泵機(jī)組示意簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematics diagram of turbo-molecular pumping sets

為了提高抽速以及真空泵的效率，應(yīng)使管道流導(dǎo)較大，則管道應(yīng)該短而粗，故取主抽真空管道5的直徑為200 mm(大于100 mm)、長(zhǎng)800 mm，真空支管的直徑為100 mm(等于100 mm)、長(zhǎng)200 mm。分子泵與閥箱之間安裝插板閥GC-100。

4.1.3 驗(yàn)證主泵選型的合理性

首先確定閥箱與分子泵之間的真空管內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)。由于分子泵入口壓力很低(10-3Pa)，管路出口壓力可忽略，則真空管道中的平均壓力為:

此時(shí)Pˉd=0.1×10Pa·m＜0.02 Pa·m，其中d為主抽真空管道直徑(200 mm)，可見(jiàn)氣體沿低溫閥箱與分子泵之間的管道內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)為分子流。

計(jì)算分子泵與低溫閥箱之間的總流導(dǎo)U:

總流導(dǎo)U由真空管道(圖2中5和6)的流導(dǎo)U1和插板閥的流導(dǎo)U2串聯(lián)得到:

分子泵與閥箱之間的真空管道為直角管道，以克勞辛系數(shù)計(jì)算管道流導(dǎo)，流導(dǎo)U1按照直徑為200 mm計(jì)算有:

式中:A為真空管截面積，通過(guò)計(jì)算得到A為314 cm2，α為克勞辛系數(shù)，查表取0.181，則計(jì)算可得U1=659 L/s。

GC-250插板閥的流導(dǎo)為U2=1 100 L/s，由以上計(jì)算可得到總流導(dǎo)U=412 L/s;則分子泵的抽速Sp為:

計(jì)算可得Sp為17.5 L/s，可見(jiàn)選一臺(tái)F-100/110分子泵作為主泵是合適的。

4.1.4 主泵前級(jí)管路系統(tǒng)選型

渦輪分子泵所配置的前級(jí)泵抽速應(yīng)滿足式(10):

式中:Sp為前級(jí)泵的抽速，L/s;Qmax為最大流量，Pa·L/s，Qmax=10-1Pa ×110 L/s=11 Pa·L/s;Pj為渦輪分子泵前級(jí)壓力;分子泵平穩(wěn)抽速的工作壓力范圍為10-1Pa—10-7Pa。

Pj取 10 Pa［2］，代入可得到 Sp＞1.1 L/s。

F-100/110分子泵的排氣口直徑為25 mm，選分子泵前級(jí)管道的直徑d1為25 mm，長(zhǎng)度為1 000 mm。機(jī)械泵與分子泵之間的真空管道平均壓力:Pˉ1=

由于0.02 Pa·m＜0.125 Pa·m ＜0.67 Pa·m，所以氣體在分子泵與前級(jí)泵之間的真空管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為粘滯-分子流。

查表可得，分子泵前級(jí)管道的流導(dǎo)為:

式中:d1為管道直徑25 mm，L為管道長(zhǎng)度1 000 mm，J查表可得為2.25，最后算得 U＇為4.25 L/s。

分子泵前級(jí)泵的抽速為:

取1.5倍的安全系數(shù)，則Sp1為2.25 L/s。根據(jù)計(jì)算，可為F-100/110分子泵的前級(jí)泵選配一臺(tái)2X-4旋片式機(jī)械泵。

4.2 粗抽泵機(jī)組選型

粗抽泵機(jī)組包括羅茨泵和機(jī)械泵，在低溫閥箱抽真空過(guò)程中，將先啟動(dòng)機(jī)組中的機(jī)械泵將閥箱抽至1 000 Pa，再啟動(dòng)羅茨泵將閥箱抽至 10-1Pa［4］。

4.2.1 羅茨泵的選型

羅茨泵的抽速由式(13)確定:

式中:t3為預(yù)抽時(shí)間，為3 600 s;p3為經(jīng)時(shí)間t3后的壓力，為10-1Pa;Kq3為修正系數(shù)，查表取為4;V為閥箱的體積，為11.5 m3;pi3為羅茨泵開(kāi)始抽氣時(shí)閥箱的壓力，為1 000 Pa。

計(jì)算可得，Sp3=117.6 L/s，則粗抽泵可選一臺(tái)ZJ-150羅茨泵。

4.2.2 機(jī)械泵的選型

機(jī)械泵的抽速由式(14)確定:

式中:t2為預(yù)抽時(shí)間，為3 600 s;p2為經(jīng)時(shí)間t2后的壓力，為1 000 Pa;Kq2為修正系數(shù)，查表取為1.5;V為閥箱的體積，為11.5 m3;pi2為機(jī)械泵開(kāi)始抽氣時(shí)閥箱的壓力，為105Pa。

計(jì)算可得，Sp2=22 L/s，則粗抽泵機(jī)組中的機(jī)械泵可選擇一臺(tái)2XZ-30直聯(lián)式旋片機(jī)械泵。

5 結(jié)論

本研究根據(jù)40 T混合磁體低溫分配閥箱對(duì)真空的要求，對(duì)閥箱真空系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。低溫分配閥箱真空室采用圓筒形立式結(jié)構(gòu)，圓筒形殼體壁厚為12 mm;下封頭采用外壓凸形封頭中的橢圓形封頭，封頭壁厚為16 mm;真空系統(tǒng)采用先由粗抽泵機(jī)組抽至10-1Pa，最后由分子泵機(jī)組抽至10-3Pa的方案，其中粗抽泵機(jī)組由一套ZJ-150羅茨泵和2XZ-30直聯(lián)式旋片真空泵組成，主泵機(jī)組由一套 F-100/110渦輪分子泵和2X-4旋片式機(jī)械泵組成。

1 張倩，歐陽(yáng)崢嶸，李洪強(qiáng).穩(wěn)態(tài)混合磁體裝置低溫系統(tǒng)過(guò)冷槽的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.低溫工程，2011(4):46-50.

2 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

3 彭晉卿，武玉.ITER導(dǎo)體檢漏真空室的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.真空，2009(9):30-33.

4 孟秋敏，歐陽(yáng)崢嶸.40 T混合磁體外超導(dǎo)磁體杜瓦真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 低溫工程，2012(5):19-21.

5 張以忱，黃英.真空材料［M］.冶金工業(yè)出版社，2005.

Design of vacuum system for cryogenic valve box of 40 T hybrid magnet

Liu Yemang Ouyang Zhengrong Li Hongqiang Qu Jikun

(High Magnetic Field Laboratory，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China)

Based on the vacuum requirement of the cryogenic valve box，the vacuum system for cryogenic valve box of 40 T hybrid magnet was designed.The design results were as follows:selecting the shell shape of the vacuum chamber of the valve box，the wall thickness of the vacuum chamber was 12 mm;selecting the shape of shell cover，the wall thickness of the shell cover was 16 mm;the entire vacuum system vacuum pump units were selected，roots pumping sets consisting of one ZJ-150 and 2XZ-30 pumps，turbo-molecular pumping sets consisting of one F-100/110 and 2X-4 pumps.The vacuum system can meet the vacuum requirement of the cryogenic valve box.

40 T hybrid magnet;cryogenic valve box;vacuum system

TB611

A

1000-6516(2013)04-0038-03

2013-05-08;

2013-07-02

劉燁芒，男，24歲，碩士研究生。