1.8 K常壓超流氦低溫系統的設計與分析

郝強旺 劉華軍 武 玉 劉 勃 彭晉卿

(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的設計與分析

郝強旺 劉華軍 武 玉 劉 勃 彭晉卿

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

中國科學院等離子體物理研究所ITER CC導體測試裝置背景超導磁體，由4.2 K液氦浸泡冷卻，能夠提供7 T背景場，為了滿足超導導體測試需要更大背景場(10 T)的要求，將采用1.8 K超流氦浸泡冷卻。針對該測試裝置的低溫系統設計了一種1.8 K常壓超流氦低溫系統，給出了該系統的關鍵組成部分并對獲取1.8 K常壓超流氦的流程進行了分析。針對預冷與節流相結合獲取1.75 K超流氦方案進行了分析和計算，同時針對此方案給出了其物理過程的T-s圖，計算了1.75 K超流氦液體得率。

超流氦 低溫系統 溫-熵圖

1 引言

超流氦和正常態氦相比，具有更低的黏度、高比熱、高熱傳導等優點，廣泛用于高磁場強度超導磁體以及超導腔的冷卻中。常壓超流氦制冷技術在國外已成功用于大型超導磁體裝置和工程(表1)［1-4］，但國內目前仍然沒有自行研制和發展的用于實驗裝置和工程磁體冷卻的超流氦裝置，因此超流氦制冷技術是亟待發展的一項新技術。本設計將基于中國科學院等離子體物理研究所 ITER(國際熱核聚變實驗堆裝置)CC(校正場線圈)導體測試裝置低溫系統基礎上對其進行超流氦系統設計改造，圖1為ITER CC導體測試裝置低溫系統結構示意圖［5］。

中國科學院等離子體物理研究所ITER CC超導導體低溫性能測試裝置其低溫系統主要由500 W/4.5 K氦制冷機、50 kA超導變壓器低溫杜瓦、7 T背景場磁體低溫杜瓦以及低溫液體真空傳輸管道4部分組成。500 W/4.5 K氦制冷機同時提供4.2 K液氦和4.2 K/3.5×105Pa超臨界氦，其中4.2 K液氦用來浸泡冷卻背景場超導磁體和超導變壓器初級線圈;4.2 K/3.5×105Pa超臨界氦用來迫流冷卻超導變壓器次級CICC線圈及測試樣品CC導體。該測試裝置能滿足大電流(50 kA)、高背景場(7 T)、低溫(4.2 K)要求的CICC超導導體測試，并且已經完成ITER CC導體的低溫性能測試任務。ITER CC超導測試裝置的背景磁體(如圖1)采用4.2 K液氦浸泡冷卻時只能產生7 T磁場，為了滿足今后超導導體測試需要更大背景場的要求，必須采用1.8 K超流氦浸泡冷卻背景磁體。

表1 超流氦冷卻的超導設備Table 1 Cooling superconducting facility by super fluid helium

圖1 測試裝置低溫系統結構示意圖1.待測導體樣品線圈;2.背景場磁體杜瓦;3.CC接頭;4.絕熱隔板;5.樣品測試內杜瓦;6.HeⅠ腔;7.變壓器杜瓦與樣品測試杜瓦接口法蘭;8.背景場磁體;9.HeⅡ腔;10.輸液孔;11.變壓器次級線圈引腳;12.輸液管;13.密封法蘭;14.超導變壓器;15.電流引熱截流裝置;16.高溫超導二元電流引線;17.液氮槽;18.液氮預冷;19.第一級膨脹;20.第二級膨脹;21.節流冷卻;22.液氦槽;23.過冷槽Fig.1 Schematic diagram of test facility cryogenic system

2 1.8 K常壓超流氦低溫系統

2.1 獲取1.8 K常壓超流氦的方法

獲取飽和態超流氦的經典方法是降低液氦池內的壓力，使壓力低于50 kPa，因此飽和超流氦對應壓力都低于一個大氣壓，如獲得1.8 K的超流氦，則需要維持容器內的壓力為1 600 Pa，目前可行的方法主要有直接節流、預冷與節流相結合、抽真空以及抽真空與節流過程相結合等方案［7］。但是飽和態的超流氦并不適合用于磁體冷卻。因為飽和態超流氦局部受到外界熱擾動后，很容易轉變為正常態的氦蒸氣，其熱導率大大降低從而造成局部溫度迅速升高［4-6］。但是如果使用過冷態的超流氦，也稱為常壓超流氦(背壓為1.013×105Pa)就可以解決以上問題。為了獲取1.8 K常壓超流氦，針對ITER CC導體測試裝置低溫杜瓦的特點，將采用預冷節流與熱交換相結合的方法，以獲取滿足要求的1.8 K常壓超流氦。

常壓超流氦系統主要由熱回收型換熱器，J-T閥，HeⅡ熱交換器(浸入HeⅡ腔的銅管)以及真空泵組成，如圖2所示［6］。真空系統維持HeⅡ熱交換器的壓力在1.37 kPa，4.2 K液氦進入熱回收型換熱器被預冷后進入J-T閥，調節J-T閥的開度使預冷后的液氦節流至1.75 K后進入HeⅡ熱交換器，通過HeⅡ熱交換器中1.75 K飽和超流氦冷卻常壓下4.2 K的液氦使其達到1.8 K，1.75 K飽和超流氦在吸收熱量后轉變為冷的氦蒸氣，進入熱回收換熱器的低壓側，從而繼續預冷換熱器熱端進口的液氦。

2.2 1.8 K常壓超流氦低溫系統設計及過程分析

圖2 1.8 K常壓超流氦低溫系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of 1.8 K-atmospheric super fluid helium cryogenic system

圖3所示為重新設計的背景場磁體常壓超流氦系統示意圖。杜瓦本體包含HeⅠ，HeⅡ兩個低溫腔，當磁體采用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，此時兩個腔體之間用隔熱板分開。熱回收型換熱器的熱端進口與4.2 K HeⅠ腔連接，熱端出口通過抽氣管道與真空泵相連，冷端出口與J-T閥相通，冷端進口連接HeⅡ熱交換器。熱回收型換熱器主要用來回收從HeⅡ熱交換器中出來的冷的氦氣，起到預冷的作用。

圖3 1.8 K常壓超流氦低溫系統設計示意圖Fig.3 Design schematic diagram of 1.8 K-atmospheric super fluid helium cryogenic system

開始制取超流氦之前先將背景場磁體杜瓦HeⅠ腔和HeⅡ腔均注入液氦(4.2 K/1.013×105Pa)，此時流體處于圖2中的狀態點1。開始制取超流氦后，先打開真空泵，并調節控制閥使HeⅡ熱交換器里面的氣壓下降到1.37 kPa左右。HeⅠ腔與熱回收換熱器之間的壓差將把4.2 K液氦壓入換熱器中，液氦在換熱器中預冷到狀態點2，接著在J-T閥中膨脹并最終節流到1.75 K飽和超流氦，即狀態3點(T=1.75 K，P=1.37 kPa)。飽和超流氦進入HeⅡ熱交換器并將HeⅡ腔中的常壓液氦逐步冷卻到1.8 K，從而使HeⅡ腔中充滿1.8 K常壓超流氦。HeⅡ熱交換器中的飽和超流氦在吸收熱量后轉變為冷的氦蒸氣，進入熱回收換熱器的低壓側，并對換熱器熱端進口的液氦進行預冷，最后氦蒸氣(狀態點4)經過泵增壓后進入氦氣回收系統循環利用。

圖4 超流氦狀態相圖Fig.4 Phase diagram of super fluid helium

3 HeⅡ換熱器中超流氦液體率計算

HeⅡ換熱器中1.75 K超流氦的獲得采用了帶有預冷的節流過程，充分利用了1.75 K超流氦飽和蒸氣的冷量，同時可以提高超流氦液體率。此過程為圖5中過程1—2—3。1點對應于大氣壓力下的飽和液體。過程1—2為利用4點的飽和蒸氣進行預冷的等壓冷卻過程，過程4—5為與其相對應的飽和蒸氣的等壓升溫過程。

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

為了便于分析，假設熱回收型換熱器能夠充分換熱，蒸氣出口溫度與液體氦的出口溫度相同，過程2—3為預冷結束后的節流過程，此過程h2=h3。對于過程1—5，有如下關系式成立:

式中:qm為液體氦的質量流量;x3為狀態點3的干度;比焓h1和h4為定值，h2和h5隨溫度變化。

對于狀態點3，有如下關系式成立:

在求解式(1)時，假設某個溫度，然后根據此溫度，計算狀態點2和5的焓值。求出式(1)中的x3，再將x3的值代入式(2)中，求出h3的值，如果假設溫度下計算的焓值h2和式(2)中的h3的值偏離太大，說明假設的溫度值不準確，然后根據之前假設的溫度值，重新假設溫度計算h5和h7的數值。重復上述過程直至h2和h3的差小于一定的數值時為止。

計算得:T5=3.55 K，h2=7.177 kJ/kg，h5=33.62 kJ/kg。

已知 h2=h3=7.177 kJ/kg、h6=705.6 J/kg、h4=24.20 kJ/kg后，代入式(2)求得:6點的干度為0.28，對應的1.75K超流氦的液體率約為72%。

4 結論

根據當前中國科學院等離子體物理研究所ITER CC導體測試裝置特點，設計了一種1.8 K常壓超流氦低溫系統，從而滿足今后超導導體測試需要更大背景場的要求。給出了該1.8 K常壓超流氦低溫系統的關鍵設備:熱回收型換熱器，J-T閥，HeⅡ熱交換器以及真空泵。對該系統如何獲取常壓1.8 K常壓超流氦過程進行了分析，最后理論計算了HeⅡ換熱器中1.75 K超流氦的液體率，計算結果為72%。

1 Nagai H.Development and Testing of Super fluid-Cooled 900 MHz NMR［J］.Cryogenics，2001(41):623-630.

2 Haruyama T，Shintomi T，Nakai H，et al.Database for He II-cooled superconducting magnet system design［C］.International Cryogenic Engineering Conference-19，Grenoble，France，2002.

3 Haberstroh C.ELBE Accelerator:First Year of Cryogenic Operation.International Cryogenic Engineering Conference-19， Grenoble，France，2002.

4 Hogan J.Design of the SNS cavity support structure［C］.PAC’01，Chicago，June 18-22，2001.

5 彭晉卿，武玉，劉華軍，等.50kA-10T CICC超導導體測試裝置低溫系統設計［C］.中國制冷學會2009年學術年會，天津，2009.

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

7 陳煜，鄭青榕，汪榮順，等.幾種獲取1.8 K超流氦方案的對比分析［J］.上海交通大學學報，2005，39(2):235-237.

Design and analysis of a 1.8 K-atmospheric super fluid helium cryogenic system

Hao Qiangwang Liu Huajun WuYu Liu Bo Peng Jinqing

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

The superconducting magnet of the testing facility in Institute of Plasma Physics，Chinese A-cademy of Sciences(ASIPP)for ITER CC conductor was immersed by the 4.2 K liquid helium cooling to provide a 7 T background magnetic field.In order to meet the demands of superconducting conductor test requiring a larger background field(10 T)，the superconducting was immersed by a 1.8 K super fluid helium.A 1.8 K-atmospheric super fluid helium cryogenic system was designed for the testing facility，the system＇s key components were given and how to obtain the 1.8 K-atmospheric super fluid helium was analyzed.Calculation and analysis of the throttling process according to pre-cooling and the temperature-entropy diagram of the process were put forward.The liquid ratios of super fluid helium of the method was computed and given.

super fluid helium;cryogenic system;temperature-entropy diagram

TB661

A

1000-6516(2012)06-0001-04

2012-11-01;

2012-12-10

國家自然科學基金項目(No.51177163)。

郝強旺，男，25歲，博士研究生。