1.8K常壓超流氦低溫系統(tǒng)漏熱分析及真空泵抽速計(jì)算
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。
引言
中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)將其贈(zèng)送給中國(guó)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。
背景場(chǎng)磁體杜瓦結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，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
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。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
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
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�，汽化潛熱：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%，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。
結(jié)論
針對(duì)用于ITER( 國(guó)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。環(huán)中真空泵類型主要有液環(huán)泵、羅茨泵、旋片泵等。
