超流氦低溫系統(tǒng)發(fā)展及渦輪冷壓縮機的應用

成安義 張啟勇 夏根海 宋慶勇

1 引言

19世紀中期隨著強磁場超導材料NbTi和Nb3Sn的發(fā)現(xiàn)，超導技術在科研和工業(yè)中的應用越來越廣泛，特別是超導磁體在核聚變裝置、高能加速器、空間紅外探測等大科學工程方面的應用，大型超導磁體都配備有一大型氦低溫制冷系統(tǒng)。氦低溫制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率將直接影響超導體以及整個科學裝置的正常運行。從提高運行效率和穩(wěn)定性等方面考慮，需要不斷提高超導磁體裝置的性能，一種方法是采用2K下超流氦(HeⅡ)冷卻降低其工作溫度。

2 超流氦在低溫系統(tǒng)中的使用

到2011年，人們認識超流氦已有70年左右的歷史，超流氮在核聚變、高能物理、超導及宇宙探索中有著重要的應用。超流氦是一種理想的低溫冷劑，其物理特性表現(xiàn)為:HeⅡ導熱過程的溫度梯度幾乎無窮小，其熱導率是金屬銅的1 000倍;HeⅡ能在非常窄小的通道中流動而不存在可以檢測的流阻，其動力粘度僅有10-6Pa·s;過冷態(tài)超流氦(HeⅡP)的臨界熱流密度約為飽和超流氦(HeⅡS)的2倍，約為常規(guī)液氦(HeI)的 20 倍［1］。

超流氦冷卻超導磁體，尤其是冷卻高場強超導磁體具有以下優(yōu)點:增加超導磁體的溫度余量和線圈臨界電流密度，能夠提高超導磁體抗熱擾動能力和磁體的穩(wěn)定性裕度;其高導熱率，低流阻特性可以充分填充于磁體內部，使磁體內部冷卻溫度均勻，且增加超導磁體的冷卻面積;對于超導磁體來說，采用過冷態(tài)超流氦(HeⅡP)迫流冷卻，沒有空氣泄漏風險。

其次，降低超導磁體運行溫度，也可相應減少運行成本和能量消耗。高場強超導磁體，如加速器，其主要由超導腔和超導磁體組成。超導材料，如NbTi合金的臨界電流密度大小，決定了在相同磁場強度下超導腔和超導磁體的數量。基于此，運行于1.9 K左右的加速器裝置能夠將超導體的數量要求到最小化，從而降低了裝置建設和運行成本。圖1為在特定能量下強子對撞機的成本優(yōu)化曲線，可以看出，對于工作在相同磁場強度下，磁體工作于1.9 K下的投資運行費用低于4.5 K下的運行環(huán)境［2］。

圖1 特定能量下強子對撞機的成本優(yōu)化Fig.1 Cost optimization for hadron colliders at a given energy

3 國內外2 K溫度級超流氦低溫系統(tǒng)發(fā)展情況

20世紀80年代，法國TORE SUPRA首先使用300 W/1.8 K超流氦低溫系統(tǒng)，制冷量kW級別的超流氦低溫系統(tǒng)得以發(fā)展和實現(xiàn)［3］。此后，美國托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室的CEBAF連續(xù)電子束加速器是第一個使用了制冷量在2 K下kW級別的加速器項目，其制冷量為4.8 kW/2 K。歐洲聯(lián)合核子研究中心(CERN)的質子-質子對撞機Large Hadron Collider(LHC)，和德國TESLA超導直線加速器國際合作項目都先后使用了制冷量在2 K下kW級別的低溫系統(tǒng)。與國際上同類型氦低溫系統(tǒng)使用和建造規(guī)模相比，中國國內超流氦目前尚未廣泛使用，2 K溫度級氦制冷機系統(tǒng)建造也處于空白階段。表1給出了世界上主要的超流氦低溫系統(tǒng)參數。

表1 世界上主要的超流氦低溫系統(tǒng)Table 1 Main superfluid cryogenic systems

4 渦輪冷壓縮機及其應用

對于2 K以下的大型氦低溫系統(tǒng)，多種方案可以實現(xiàn)獲得1.8 K的飽和HeⅡ，如直接節(jié)流、抽真空以及抽真空與節(jié)流過程相結合等等，而采用多級壓縮系統(tǒng)將液氦容器進行減壓操作以獲得超流氦是目前國際上一種比較通用的方法。相對于4.5 K低溫系統(tǒng)，大型超流體低溫系統(tǒng)由于從抽速、系統(tǒng)真空度等方面考慮，很難在室溫下進行全部的壓縮抽空過程，而采用多級離心式渦輪冷壓縮機(以下簡稱冷壓機)應用于低溫低壓下飽和氦蒸氣初始階段抽空的方法。

冷壓機在整體結構上分為常溫和低溫工作部分，常溫下包括驅動裝置(三相異步電機)、軸承、變頻控制器等。低溫下包括冷壓機葉輪、出口葉片擴壓器、蝸殼組成的氣體流通部分。整體結構上需要解決冷壓機的大壓比、高流量、密封性強、低漏熱和易于維護等問題。冷壓機葉輪高速旋轉時，槽內氣體隨著旋轉，使氣體的動能大為增加，在離心力作用下，氣體被甩到后面的擴壓器中去，而在葉輪處形成真空地帶，這時外界的新鮮氣體進入葉輪。葉輪不斷旋轉，氣體不斷地吸入并甩出，從而保持了氣體的連續(xù)流動。同時，氣體在離心慣性力以及在葉輪葉道中降速的共同作用下，其靜壓能也得到大幅度提高，在葉輪后面的擴壓器中部分氣體動能又轉變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力進一步提高，經過幾級壓縮后，被壓縮的氣體排出機外，從而達到使槽內壓力不斷下降的目的［3］。

國外對于冷壓機的研究應用已較為成熟，CERN從1993年開始和Air Liquide(法國法液空)、IHI(日本石川)和Linde Kryotechnik(瑞士林德)公司進行冷壓機的研究設計工作，應用于建造的8套2.4 kW/1.8 K低溫單元，服務于 LHC，以使超導磁體獲得8.3 T的穩(wěn)態(tài)磁場。日本國家聚變科學研究所的Large Helical Device(LHD)低溫系統(tǒng)，為了使等離子體實驗在磁場強度為3T的參數下進行，通過冷壓機對4.4 K飽和液氦槽的真空抽取，使其壓力溫度由120 kPa/4.4 K 下降到23 kPa/2.97 K，冷卻螺旋線圈的氦流通過和其換熱，達到進口3.2 K的過冷溫度(低于 4.2 K)［4］。

CERN的2.4 kW/1.8 K低溫系統(tǒng)由離心式冷壓機、透平膨脹機、進口壓力為負壓的螺桿壓機、換熱器和除油過濾系統(tǒng)等組成，和4.5 K低溫系統(tǒng)連接，由Air Liquide和IHI-Linde公司研制提供。冷壓機分別采用三級串聯(lián)和四級串聯(lián)的方式對飽和液氦槽進行真空抽取，使其減壓到1.6 kPa，溫度降到1.8 K的HeⅡ飽和溫度。表2給出了Air Liquide和IHI-Linde公司建造的2.4 kW/1.8 K制冷單元當中的多級串聯(lián)冷壓機的運行參數，其單臺冷壓機的等熵效率高達75%左右。

表2 多級串聯(lián)冷壓機運行參數Table 2 Performance of multistage cold compressor

而LHD對其過冷系統(tǒng)的改造，采用直接將兩級串聯(lián)的冷壓機安裝在4.4 K制冷系統(tǒng)的閥箱上對氦槽進行減壓降溫操作。相對CERN的2.4 kW/1.8 K低溫系統(tǒng)，LHD對于4.4 K低溫系統(tǒng)的改進沒有螺桿壓機、透平膨脹機和除油過濾器等設備，構造簡單，改造費用低，但對于冷壓機出口壓力隨磁體運行狀態(tài)變化的調節(jié)相對困難。圖2為IHI/Linde公司制造應用于 CERN2.4 kW/1.8 K 制冷單元的冷壓機、2.4 kW/1.8 K低溫系統(tǒng)流程圖及LHD過冷系統(tǒng)［5］。

5 EAST氦低溫過冷系統(tǒng)

中國科學院等離子體物理研究所EAST超導托卡馬克氦低溫制冷機，是中國最大的氦制冷系統(tǒng)，設計制冷量為 1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13g/sLHe。超導磁體的工作溫度3.8 K，使用超臨界氦冷卻，超導磁體的進口氦流通過和過冷槽換熱，達到進口3.8 K的過冷溫度。過冷槽通過油環(huán)泵在室溫下來減壓制取3.5 K的冷量。圖3為EAST氦低溫系統(tǒng)流程圖。其中過冷槽中3.5 K氦對應的飽和壓力為0.47×105Pa，考慮到負壓回路的阻力損失，油環(huán)泵的吸氣壓力為0.37×105Pa，當過冷槽制冷量為1 050 W/3.5 K時，所需油環(huán)泵的流量約3 000 m3/h。

圖2 IHI/Linde冷壓機、CERN1.8K制冷單元及LHD過冷系統(tǒng)Fig.2 IHI/Linde cold compressor，CERN1.8K refrigeration unit and LHD subcooling system

圖3 EAST氦低溫系統(tǒng)流程圖Fig.3 Process of EAST helium cryogenic system

EAST氦低溫系統(tǒng)從2003年建成到目前已安全進行7次降溫實驗，在實驗運行期間，發(fā)現(xiàn)由于油環(huán)泵在室溫下通過整個低壓回路對過冷槽進行減壓降溫操作，導致整個低壓回路處于負壓狀態(tài)，這對于整個系統(tǒng)的真空要求非常嚴格，極易造成系統(tǒng)內重要部件的污染，因而大大降低了低溫系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。且EAST超導托卡馬克裝置的熱負荷是變化的，其過冷槽的制冷量由油環(huán)泵的流量決定，當裝置負荷變化時，油環(huán)泵的流量調節(jié)也相對滯后。油環(huán)泵為滿足在室溫下的抽速要求，其體積、噪音較大，對于未來像建設CERN(制冷量達到144 kW/4.5 K)那樣的大型深低溫系統(tǒng)，油環(huán)泵的使用是明顯不合適的。如果采用冷壓機在低溫低壓下直接對液氦槽抽空降壓操作，不需要通過整個低壓回路，這就降低了對整個系統(tǒng)低壓回路的真空要求。且低溫低壓下，飽和氦蒸氣密度大，使冷壓機的抽速相對油環(huán)泵在室溫下的抽速來說，也大大減少，體積也相應減小。由于油環(huán)泵的使用降低了低溫系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，EAST氦過冷槽擬采用冷壓機在低溫低壓下的減壓操作來制取3.5 K的冷量。

6 結論

從國外超流氦的使用時間和規(guī)模上看，2 K溫度級的超流氦低溫系統(tǒng)在核聚變實驗裝置、高能粒子加速器、超導磁體儲能系統(tǒng)、磁流體(MHD)和強磁場研究等大科學工程方面的應用將會越來越廣泛。而作為深低溫系統(tǒng)當中關鍵設備離心式渦輪冷壓縮機，其研究，對于大型超流體低溫系統(tǒng)的建造，超導磁體運行的穩(wěn)定性等方面都有實際意義，特別是在中國2 K下的深低溫系統(tǒng)建造還處于初始階段的背景下，其研究意義更加突出。

1 王如竹.過冷態(tài)超流氦的獲得及操作控制［J］.低溫工程，1991(6):14-21.

2 Tavian L.Large cryogenics systema at 1.8K［C］.7th European Particle Accelerator Conference，Vienna:2000.36-30.

3 徐 忠.離心式壓縮機原理(修訂本)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1990:8-22.

4 Claudet G，Aymar R.Tore Supra and helium II cooling of large highfield magnets［J］.Advances in cryogenic engineering，1990，43:58-62.

5 Motojima O，Yamada H，Ashikawa N，et al.Recent development of LHD experiment［J］.Plasma Fusion Res，2003，5:22-27.