1.8K常压超流氦低温系统漏热分析及真空泵抽速计算

　　给出了1.8 K 常压超流氦低温系统的工作原理。对HeⅡ腔的漏热进行了分析和计算，包括环氧隔热板、安全阀、支撑杆以及测量线与电流引线底座同HeⅠ腔的导热，真空夹层之间的残余气体导热以及HeⅡ腔内杜瓦与其外周冷屏的辐射换热。根据漏热值，对所需真空泵的抽速进行了计算，同时给出了预冷与节流相结合获取1.75 K 超流氦方案物理过程的温-熵图。

引言

　　中国科学院等离子体物理研究所超导电工实验室设计用于ITER( 国际热核聚变实验堆装置) CC( 校正场线圈) 超导测试装置的背景场磁体低温杜瓦原本用于法国TORUS II Supra 托卡马克装置低温超导导体性能测试，2002 法国将其赠送给中国科学院等离子所，等离子所随后对整个装置进行了低温系统、磁体电源、数据测量与采集、磁体控制和保护等方面的改造， 2009 年进行低温通电实验时采用4.2 K 液氦浸泡冷却背景磁场，在4.2 K 液氦浸泡冷却能够产生7 T 的背景场，为了满足今后超导导体测试需要更大背景场的要求，需要采用1.8K 超流氦浸泡冷却背景磁体。

　　背景场磁体杜瓦结构图如图1 所示，杜瓦本体包含HeⅠ、HeⅡ两个低温腔，当磁体采用4.2 K 液氦浸泡冷却时，两个腔温度一样都是4. 2 K 液氦; 当磁体为了获得更高的磁场强度需要使用1. 8 K 常压( 标准大气压) 超流氦浸泡冷却时，HeⅠ、HeⅡ腔分别装有4.2 K 液氦和1.8 K 超流氦，此时两个腔体之间必须用隔热板分开。

图1 背景场磁体杜瓦结构图

　　1. 真空泵　2. 饱和HeⅡ液面计　3. 逆流热交换器　 4. 节流膨胀阀　5. 输液阀　6. 杜瓦容器　7. 磁体安全阀　8. 颈部热交换器　9. 安全冷阀　10. 紧急安全阀　11. 绝热隔板　12. HeⅡ热交换器　13. 超导磁体线圈　14. 不锈钢内杜瓦

1. 8 K 常压超流氦低温系统

　　1. 8 K 常压超流氦低温系统主要由真空泵、HeⅡ液面计、逆流热交换器、节流膨胀阀、HeⅡ热交换器等组成，结构如图2 所示。当杜瓦工作在4.2 K 温区时，HeⅡ制冷系统不参与运行，磁体线圈直接由HeⅠ浸泡冷却; 当磁体需要工作在1.8 K 温区时，HeⅠ腔的HeⅠ依次经过HeⅡ制冷系统的逆流热交换器、节流膨胀阀制冷后得到1.75 K 的HeⅡ; 1.75 K的HeⅡ在HeⅡ热交换器中吸热，将HeⅡ腔中的HeⅠ逐步冷却为1.8 K 的超流氦。与此同时在真空泵的作下，HeⅡ热交换器内的1.75 K 液氦不断蒸发制取冷量，同时蒸发的低温氦回气经过逆流热交换器时又将HeⅠ预冷，从而完成了整个由HeⅠ到HeⅡ的制冷循环。

图2 超流氦制冷系统结构图

真空泵抽速计算

　　真空泵是获得超流氦的关键设备，超流氦低温循当超流氦的质量流量小于20 g /s 时，常采用室温泵作为超流氦的流动动力，而当超流氦的质量流量超过100 g /s 时，通常采用低温压缩机构成的超流氦低温循环。本设计选用室温泵，即预冷换热器中出来的氦气通过加热装置，加热到常温( 300 K) 后，再经过室温泵将其抽出。HeⅡ的冷却能力和真空泵的抽速有关，抽速越快则超流氦可以提供的制冷量越大。一般来讲，真空泵的抽速越大，则相应的成本也会增加。为了降低真空泵组的成本，在满足系统真空度的条件下，对于该低温系统可以通过降低氦气流量来实现该目标。

　　图5 为超流氦循环过程中，HeⅡ换热器中获得1.75 K 超流氦所采用的带有预冷的节流过程的温-熵图，状态3、4 对应的热力参数：

图5 预冷节流方式获取1.75 K 超流氦

　　6 点：T = 1.75 K，P = 1.37 kPa，h6 = 705.6 J /kg( 饱和超流氦)；4 点：T = 1.75 K，P = 1.37 kPa，h4 =23 990 J /kg( 饱和氦蒸气) 。饱和超流氦在吸收热量后转变为冷的氦蒸气，汽化潜热：r = h4 - h6 = 23 990- 705.6 J /kg = 23 284.4 J /kg = 23.28 J /g。通过节流阀获得的超流氦的液体率约为72%，当系统稳定后，HeⅡ腔的漏热为1.655 W，

　　在计算漏热值的基础上乘以安全系数2 来选用计算真空泵的抽速。所以，通过J-T 阀的饱和超流氦其提供的冷量为3.31 W。

结论

　　针对用于ITER( 国际热核聚变实验堆装置) CC( 校正场线圈) 超导测试装置的背景场磁体低温杜瓦给出了1.8 K 常压超流氦低温系统部分工作原理，就设备的尺寸，对1.8 K 超流氦循环部分的漏热做了分析和计算，并通过漏热值计算了所需真空泵的抽速，对后期真空泵的选型提供参考。环中真空泵类型主要有液环泵、罗茨泵、旋片泵等。