1.8 K常壓超流氦低溫系統(tǒng)漏熱分析及真空泵抽速計(jì)算

郝強(qiáng)旺 劉華軍 武 玉 朱志剛

(中國科學(xué)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(jì)算

郝強(qiáng)旺 劉華軍 武 玉 朱志剛

(中國科學(xué)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(duì)HeⅡ腔的漏熱進(jìn)行了分析和計(jì)算，包括環(huán)氧隔熱板、安全閥、支撐桿以及測(cè)量線與電流引線底座同HeⅠ腔的導(dǎo)熱，真空夾層之間的殘余氣體導(dǎo)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(duì)所需真空泵的抽速進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)給出了預(yù)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(xué)院等離子體物理研究所超導(dǎo)電工實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)用于ITER(國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆裝置)CC(校正場(chǎng)線圈)超導(dǎo)測(cè)試裝置的背景場(chǎng)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(dǎo)導(dǎo)體性能測(cè)試，2002法國將其贈(zèng)送給中國科學(xué)院等離子所，等離子所隨后對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行了低溫系統(tǒng)、磁體電源、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集、磁體控制和保護(hù)等方面的改造，2009年進(jìn)行低溫通電實(shí)驗(yàn)時(shí)采用4.2 K液氦浸泡冷卻背景磁場(chǎng)，在4.2 K液氦浸泡冷卻能夠產(chǎn)生7 T的背景場(chǎng)，為了滿足今后超導(dǎo)導(dǎo)體測(cè)試需要更大背景場(chǎng)的要求，需要采用1.8K超流氦浸泡冷卻背景磁體［1］。

背景場(chǎng)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(gè)低溫腔，當(dāng)磁體采用4.2 K液氦浸泡冷卻時(shí)，兩個(gè)腔溫度一樣都是4.2 K液氦;當(dāng)磁體為了獲得更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度需要使用1.8 K常壓(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)超流氦浸泡冷卻時(shí)，HeⅠ、HeⅡ腔分別裝有4.2 K液氦和1.8 K超流氦，此時(shí)兩個(gè)腔體之間必須用隔熱板分開。

圖1 背景場(chǎng)磁體杜瓦結(jié)構(gòu)圖1.真空泵;2.飽和HeⅡ液面計(jì);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(dǎo)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(jì)、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(dāng)杜瓦工作在4.2 K溫區(qū)時(shí)，HeⅡ制冷系統(tǒng)不參與運(yùn)行，磁體線圈直接由HeⅠ浸泡冷卻;當(dāng)磁體需要工作在1.8 K溫區(qū)時(shí)，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(shí)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(shí)蒸發(fā)的低溫氦回氣經(jīng)過逆流熱交換器時(shí)又將HeⅠ預(yù)冷，從而完成了整個(gè)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(jì)算

前文分析，當(dāng)磁體用1.8 K超流氦浸泡時(shí)，HeⅠ、HeⅡ兩個(gè)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(dǎo)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(dǎo)熱外還應(yīng)包括隔熱板上其它部件的導(dǎo)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(cè)量線與電流引線底座同HeⅠ腔的導(dǎo)熱，真空夾層之間的殘余氣體導(dǎo)熱，HeI腔與HeII腔之間低溫容器傳導(dǎo)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(jì)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(cè)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(dǎo)熱

環(huán)氧隔熱板漏熱主要是導(dǎo)熱，計(jì)算公式為:Q1=K1A1(T1-T2)/l1，其中:K1是環(huán)氧隔熱板的熱導(dǎo)率，K1=0.043 W/(m·K)［3］;A1是環(huán)氧隔熱板的導(dǎo)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(jì)算得:Q1=0.7 W。

(2)柱形安全閥導(dǎo)熱

柱形安全閥主要由不銹鋼構(gòu)成，漏熱主要是導(dǎo)熱，計(jì)算公式為:Q2=K2A2(T1-T2)/l2，其中:K2是不銹鋼的熱導(dǎo)率，K2=0.16 W/(m·K);A2是安全閥的導(dǎo)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(jì)算得:Q2=0.06 W。

(3)測(cè)量線及電流引線底座導(dǎo)熱

測(cè)量線及電流引線底座由不銹鋼構(gòu)成，漏熱也主要是導(dǎo)熱，計(jì)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(dǎo)率，K3=0.16 W/(m·K);A3是安全閥的導(dǎo)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(jì)算得:Q3=0.029 W。

(4)支撐桿導(dǎo)熱

支撐桿由不銹鋼構(gòu)成，漏熱主要是導(dǎo)熱，計(jì)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(dǎo)率，K3=0.16 W/(m·K);A4是支撐桿的導(dǎo)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(jì)算得:Q4=0.089 W。

(5)錐形安全閥導(dǎo)熱［3］

其中:FT是HeⅡ在1.8 K時(shí)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(jì)算得:Q5=0.6 W。

(6)HeI腔與HeII腔之間低溫容器傳導(dǎo)熱

HeI腔與HeII腔之間存在低溫容器的傳導(dǎo)熱，低溫容器為不銹鋼材料，導(dǎo)熱計(jì)算公式為:Q6=K6A6(T1-T2)/l6，其中:K6是不銹鋼的熱導(dǎo)率，K3=0.16 W/(m·K);A6是安全閥的導(dǎo)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(jì)算得:Q6=0.055 W。

(7)銅冷屏對(duì)HeⅡ腔的輻射熱(采用多層絕熱計(jì)算)［4］

(8)真空夾層殘余氣體漏熱

考慮剩余氣體導(dǎo)熱，殘余氣體導(dǎo)熱公式為:Q8=CαpAm(TH-TL)/l6，其中:介質(zhì)系數(shù) C=2.1;溫度適應(yīng)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(jì)算得Q8=0.12 W。

在磁體未通電磁體本身不存在熱負(fù)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(jì)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(dāng)超流氦的質(zhì)量流量小于20 g/s時(shí)，常采用室溫泵作為超流氦的流動(dòng)動(dòng)力，而當(dāng)超流氦的質(zhì)量流量超過100 g/s時(shí)，通常采用低溫壓縮機(jī)構(gòu)成的超流氦低溫循環(huán)。本設(shè)計(jì)選用室溫泵，即預(yù)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(yīng)的成本也會(huì)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(duì)于該低溫系統(tǒng)可以通過降低氦氣流量來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。

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(yù)冷的節(jié)流過程的溫-熵圖，狀態(tài)3、4對(duì)應(yīng)的熱力參數(shù):

圖5 預(yù)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(diǎn):T=1.75 K，P=1.37 kPa，h6=705.6 J/kg(飽和超流氦);4 點(diǎn):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(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，HeⅡ腔的漏熱為 1.655 W，在計(jì)算漏熱值的基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)2來選用計(jì)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(duì)用于ITER(國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆裝置)CC(校正場(chǎng)線圈)超導(dǎo)測(cè)試裝置的背景場(chǎng)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(duì)1.8 K超流氦循環(huán)部分的漏熱做了分析和計(jì)算，并通過漏熱值計(jì)算了所需真空泵的抽速，對(duì)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(dǎo)導(dǎo)體測(cè)試裝置低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)［C］.中國制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)，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(jì)算［J］.低溫工程，1989(2):1-11.

5 郝強(qiáng)旺，劉華軍，武 玉，等.1.8 K常壓超流氦低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xué)基金項(xiàng)目(No.51177163)。

郝強(qiáng)旺，男，26歲，博士研究生。