低溫樓超低溫環境設計研究

涂 強

(中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120)

1 工程項目概況

低溫樓位于北京市昌平區十三陵神路東側，國家計量院實驗基地內。低溫樓由實驗室和輔助樓兩個部分組成，兩部分間通過走廊連接。實驗室為地下1層，層高7 m，地上1層，層高7 m。輔助樓為單層，層高5 m。總建筑面積約4 000 m2。低溫樓由量子霍爾低溫實驗室、交流霍爾低溫實驗室等十幾個實驗室組成，最低溫度可達到4.2 K。部分實驗室為24 h不間斷保證超低溫環境。由于實驗設備有振動要求，在實驗室內實驗時，嚴禁使用可產生振動的設備，因此各實驗室需要的配套動力設備設置在輔助樓內，均通過管道系統連接低溫樓內實驗室，達到所需要的實驗要求，并且輔助樓內的動力設備均做減震處理，所有管道均敷設在實驗室外的走廊吊頂內。本文主要論述如何達到4.2 K超低溫實驗環境。

2 工作原理

在低溫樓內，實驗室需達到超低溫環境的實驗器容積約100 L，所有實驗室可同步工作。具體的工作流程為：首先將試驗器內部抽真空，極限真空壓力5×10-4乇，然后注入液氦，利用液氦的物理特性，實現最低溫度4.2 K，由于液氦不斷氣化，容器內的溫度不斷提高，為維持超低溫環境，需要不斷補充液氦。實驗器內液氦氣化后，排出的氦氣將通過氣囊收集，再經過高壓壓縮機壓縮，分別通入儲氣罐、鋼瓶、純化器、液氦機，高壓氦氣經過液氦機制得液氦后，裝入低溫杜瓦瓶后，人工推至實驗容器循環使用。氦氣補充采用高純鋼瓶外購氦氣。回收后剩余氣體壓縮至儲氣罐、鋼瓶存儲。具體流程見圖1。

3 系統介紹

3.1 液氦及氦氣回收系統

由于實驗器液氦需求量較大，并且使用時間長，為保持實驗器內溫度，需要將不斷氣化的氦氣排出。如果將氣化后氦氣放空，氦氣消耗量太大，而高純氦氣的價格昂貴，將導致運行費用過高。如果不考慮回收，將增加維持低溫環境的費用，通過技術經濟綜合比較，在本系統中設置氦氣回收系統為更優選擇。具體流程為實驗器低溫環境產生低壓氦氣，通過架空不銹鋼管道輸送至輔助樓30 m3儲氣囊，儲氣囊底標高4.5 m，室內架空安裝。然后再通過高壓壓縮機壓至高壓儲氣罐和高壓氣瓶存儲氦氣，循環使用。有制液氦需求時，則高壓機出口的氦氣經減壓后，至純化器再進入制液氦系統。液氦系統內高純氦氣存貯于5 m3儲氣罐內，經螺桿壓縮機增壓后，進入制液氦系統，經二次膨脹和分流及六次換熱制得液氦，分流的低溫不純氣體，經換熱后排放至大氣。液氦存入1 m3杜瓦瓶。使用時將液氦從積液杜瓦瓶送至小杜瓦瓶，小杜瓦瓶移動至實驗器設備側使用。液氦系統制氦能力為40 L/h，如果利用液氮對氦氣進行初級預冷，制氦能力增加為70 L/h～80 L/h。

3.2 真空系統

真空系統是實驗器內環境達到超低溫的關鍵。真空系統主要有三方面作用。作用一：提高容器內的氦氣純度，真空度越高氦氣在容器內的純度越高，能達到的溫度越低。真空度要求越高，達到真空度越難，需要配套的設備和管道的要求越高，投資增加、真空系統控制難度加大。真空系統作用二：降低液氦在容器內的溫度。真空系統作用三：有助于液氦的輸送和氦氣的回收。因此選擇合適的壓力、流量真空系統尤為重要。

低溫樓共有13處真空用戶，真空泵設在輔助站房內，真空泵為2X-30型，抽氣速率30 L/s，真空泵的極限真空度為5×10-4乇，在真空泵吸口設1 m3真空罐，管道沿墻或柱架空敷設至各真空用戶。

3.3 液氮系統

在輔助站房北側設5 m3液氮罐一個，液氮從市區氣體廠購置，由液氮槽車拉至液氮罐側，向液氮罐補充液氮。液氮在低溫樓內實驗室。主要有兩個用途：用途一：低溫樓內實驗室的低溫實驗器需達到63 K，通過將液氮杜瓦罐，拉至低溫實驗器側，采取液氮制冷方式，獲得實驗器低溫環境。氮氣直接排放，不考慮回收。用途二：為液氦機提供初級冷源，將氦氣初步冷卻接近至液氮溫度，以增加液氦機的液氦制備能力，氮氣直接排放，不考慮回收。

3.4 氦氣系統

氦氣系統分兩部分，一部分為氦氣供應系統(補氣系統)，一部分為氦氣回收系統(前文已經論述)。

氦氣供應系統(補氣系統)，氦氣為外購，氦氣瓶為普通氦和高純氦均可使用，但普通氦氣，會增大液氦機的負擔，減少制液量。如果使用時間間隔長，采用普通氦氣即可，減少運行費用。反之，采用高純氦氣。供應系統具體流程為輔助樓內匯流排間設置5瓶組匯流排一套，瓶內氣體經減壓后，通過管路分別接至回收氦氣的高壓氣罐和5 m3儲氣高純氣罐。當匯流排采用普通氦氣時，連通回收系統管道，關閉通高純氣罐管道。如果采用高純氦氣瓶時，關閉回收系統管道，連通高純氣罐管道。

4 結論和建議

通過對超低溫系統的分析和研究，提出如下結論和建議：

1)要實現超低溫環境，保證氣體純度是成敗的關鍵。因此，管道系統的施工也是一個不容忽視的重要環節。

2)液氮預冷是否使用，應充分考慮液氦制備時間。如果實驗間隔時間充裕，可不采用液氮預冷。

3)氦氣補氣系統是購買普通氦氣還是高純氦氣，應根據液氦機的能力和實驗要求綜合考慮，盡量采用普通氦氣。