1.8 K常压超流氦低温系统的设计与分析

郝强旺 刘华军 武 玉 刘 勃 彭晋卿

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

1.8 K常压超流氦低温系统的设计与分析

郝强旺 刘华军 武 玉 刘 勃 彭晋卿

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

中国科学院等离子体物理研究所ITER CC导体测试装置背景超导磁体，由4.2 K液氦浸泡冷却，能够提供7 T背景场，为了满足超导导体测试需要更大背景场(10 T)的要求，将采用1.8 K超流氦浸泡冷却。针对该测试装置的低温系统设计了一种1.8 K常压超流氦低温系统，给出了该系统的关键组成部分并对获取1.8 K常压超流氦的流程进行了分析。针对预冷与节流相结合获取1.75 K超流氦方案进行了分析和计算，同时针对此方案给出了其物理过程的T-s图，计算了1.75 K超流氦液体得率。

超流氦 低温系统 温-熵图

1 引言

超流氦和正常态氦相比，具有更低的黏度、高比热、高热传导等优点，广泛用于高磁场强度超导磁体以及超导腔的冷却中。常压超流氦制冷技术在国外已成功用于大型超导磁体装置和工程(表1)［1-4］，但国内目前仍然没有自行研制和发展的用于实验装置和工程磁体冷却的超流氦装置，因此超流氦制冷技术是亟待发展的一项新技术。本设计将基于中国科学院等离子体物理研究所 ITER(国际热核聚变实验堆装置)CC(校正场线圈)导体测试装置低温系统基础上对其进行超流氦系统设计改造，图1为ITER CC导体测试装置低温系统结构示意图［5］。

中国科学院等离子体物理研究所ITER CC超导导体低温性能测试装置其低温系统主要由500 W/4.5 K氦制冷机、50 kA超导变压器低温杜瓦、7 T背景场磁体低温杜瓦以及低温液体真空传输管道4部分组成。500 W/4.5 K氦制冷机同时提供4.2 K液氦和4.2 K/3.5×105Pa超临界氦，其中4.2 K液氦用来浸泡冷却背景场超导磁体和超导变压器初级线圈;4.2 K/3.5×105Pa超临界氦用来迫流冷却超导变压器次级CICC线圈及测试样品CC导体。该测试装置能满足大电流(50 kA)、高背景场(7 T)、低温(4.2 K)要求的CICC超导导体测试，并且已经完成ITER CC导体的低温性能测试任务。ITER CC超导测试装置的背景磁体(如图1)采用4.2 K液氦浸泡冷却时只能产生7 T磁场，为了满足今后超导导体测试需要更大背景场的要求，必须采用1.8 K超流氦浸泡冷却背景磁体。

表1 超流氦冷却的超导设备Table 1 Cooling superconducting facility by super fluid helium

图1 测试装置低温系统结构示意图1.待测导体样品线圈;2.背景场磁体杜瓦;3.CC接头;4.绝热隔板;5.样品测试内杜瓦;6.HeⅠ腔;7.变压器杜瓦与样品测试杜瓦接口法兰;8.背景场磁体;9.HeⅡ腔;10.输液孔;11.变压器次级线圈引脚;12.输液管;13.密封法兰;14.超导变压器;15.电流引热截流装置;16.高温超导二元电流引线;17.液氮槽;18.液氮预冷;19.第一级膨胀;20.第二级膨胀;21.节流冷却;22.液氦槽;23.过冷槽Fig.1 Schematic diagram of test facility cryogenic system

2 1.8 K常压超流氦低温系统

2.1 获取1.8 K常压超流氦的方法

获取饱和态超流氦的经典方法是降低液氦池内的压力，使压力低于50 kPa，因此饱和超流氦对应压力都低于一个大气压，如获得1.8 K的超流氦，则需要维持容器内的压力为1 600 Pa，目前可行的方法主要有直接节流、预冷与节流相结合、抽真空以及抽真空与节流过程相结合等方案［7］。但是饱和态的超流氦并不适合用于磁体冷却。因为饱和态超流氦局部受到外界热扰动后，很容易转变为正常态的氦蒸气，其热导率大大降低从而造成局部温度迅速升高［4-6］。但是如果使用过冷态的超流氦，也称为常压超流氦(背压为1.013×105Pa)就可以解决以上问题。为了获取1.8 K常压超流氦，针对ITER CC导体测试装置低温杜瓦的特点，将采用预冷节流与热交换相结合的方法，以获取满足要求的1.8 K常压超流氦。

常压超流氦系统主要由热回收型换热器，J-T阀，HeⅡ热交换器(浸入HeⅡ腔的铜管)以及真空泵组成，如图2所示［6］。真空系统维持HeⅡ热交换器的压力在1.37 kPa，4.2 K液氦进入热回收型换热器被预冷后进入J-T阀，调节J-T阀的开度使预冷后的液氦节流至1.75 K后进入HeⅡ热交换器，通过HeⅡ热交换器中1.75 K饱和超流氦冷却常压下4.2 K的液氦使其达到1.8 K，1.75 K饱和超流氦在吸收热量后转变为冷的氦蒸气，进入热回收换热器的低压侧，从而继续预冷换热器热端进口的液氦。

2.2 1.8 K常压超流氦低温系统设计及过程分析

图2 1.8 K常压超流氦低温系统示意图Fig.2 Schematic diagram of 1.8 K-atmospheric super fluid helium cryogenic system

图3所示为重新设计的背景场磁体常压超流氦系统示意图。杜瓦本体包含HeⅠ，HeⅡ两个低温腔，当磁体采用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，此时两个腔体之间用隔热板分开。热回收型换热器的热端进口与4.2 K HeⅠ腔连接，热端出口通过抽气管道与真空泵相连，冷端出口与J-T阀相通，冷端进口连接HeⅡ热交换器。热回收型换热器主要用来回收从HeⅡ热交换器中出来的冷的氦气，起到预冷的作用。

图3 1.8 K常压超流氦低温系统设计示意图Fig.3 Design schematic diagram of 1.8 K-atmospheric super fluid helium cryogenic system

开始制取超流氦之前先将背景场磁体杜瓦HeⅠ腔和HeⅡ腔均注入液氦(4.2 K/1.013×105Pa)，此时流体处于图2中的状态点1。开始制取超流氦后，先打开真空泵，并调节控制阀使HeⅡ热交换器里面的气压下降到1.37 kPa左右。HeⅠ腔与热回收换热器之间的压差将把4.2 K液氦压入换热器中，液氦在换热器中预冷到状态点2，接着在J-T阀中膨胀并最终节流到1.75 K饱和超流氦，即状态3点(T=1.75 K，P=1.37 kPa)。饱和超流氦进入HeⅡ热交换器并将HeⅡ腔中的常压液氦逐步冷却到1.8 K，从而使HeⅡ腔中充满1.8 K常压超流氦。HeⅡ热交换器中的饱和超流氦在吸收热量后转变为冷的氦蒸气，进入热回收换热器的低压侧，并对换热器热端进口的液氦进行预冷，最后氦蒸气(状态点4)经过泵增压后进入氦气回收系统循环利用。

图4 超流氦状态相图Fig.4 Phase diagram of super fluid helium

3 HeⅡ换热器中超流氦液体率计算

HeⅡ换热器中1.75 K超流氦的获得采用了带有预冷的节流过程，充分利用了1.75 K超流氦饱和蒸气的冷量，同时可以提高超流氦液体率。此过程为图5中过程1—2—3。1点对应于大气压力下的饱和液体。过程1—2为利用4点的饱和蒸气进行预冷的等压冷却过程，过程4—5为与其相对应的饱和蒸气的等压升温过程。

图5 预冷节流方式获取1.75 K超流氦Fig.5 Obtaining 1.75 K super fluid helium by throttling process accompanied with pre-cooling

为了便于分析，假设热回收型换热器能够充分换热，蒸气出口温度与液体氦的出口温度相同，过程2—3为预冷结束后的节流过程，此过程h2=h3。对于过程1—5，有如下关系式成立:

式中:qm为液体氦的质量流量;x3为状态点3的干度;比焓h1和h4为定值，h2和h5随温度变化。

对于状态点3，有如下关系式成立:

在求解式(1)时，假设某个温度，然后根据此温度，计算状态点2和5的焓值。求出式(1)中的x3，再将x3的值代入式(2)中，求出h3的值，如果假设温度下计算的焓值h2和式(2)中的h3的值偏离太大，说明假设的温度值不准确，然后根据之前假设的温度值，重新假设温度计算h5和h7的数值。重复上述过程直至h2和h3的差小于一定的数值时为止。

计算得: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点的干度为0.28，对应的1.75K超流氦的液体率约为72%。

4 结论

根据当前中国科学院等离子体物理研究所ITER CC导体测试装置特点，设计了一种1.8 K常压超流氦低温系统，从而满足今后超导导体测试需要更大背景场的要求。给出了该1.8 K常压超流氦低温系统的关键设备:热回收型换热器，J-T阀，HeⅡ热交换器以及真空泵。对该系统如何获取常压1.8 K常压超流氦过程进行了分析，最后理论计算了HeⅡ换热器中1.75 K超流氦的液体率，计算结果为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 彭晋卿，武玉，刘华军，等.50kA-10T CICC超导导体测试装置低温系统设计［C］.中国制冷学会2009年学术年会，天津，2009.

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

7 陈煜，郑青榕，汪荣顺，等.几种获取1.8 K超流氦方案的对比分析［J］.上海交通大学学报，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

国家自然科学基金项目(No.51177163)。

郝强旺，男，25岁，博士研究生。