40 T混合磁体低温分配阀箱真空系统设计

刘烨芒 欧阳峥嵘 李洪强 曲继坤

(中国科学院强磁场科学中心 合肥 230031)

40 T混合磁体低温分配阀箱真空系统设计

刘烨芒 欧阳峥嵘 李洪强 曲继坤

(中国科学院强磁场科学中心 合肥 230031)

根据40 T稳态混合磁体低温分配阀箱对真空的要求，对低温分配阀箱真空系统进行了设计，设计结果如下:选择阀箱真空室的壳体形状，通过计算确定出真空室壳体壁厚为12 mm;选择封头形状，对封头强度进行校核，确定封头壁厚为16 mm;对整个真空系统抽真空泵机组进行选型，选出粗抽泵机组由一套ZJ-150罗茨泵和2XZ-30旋片式真空泵组成，主抽泵由一套F-100/110分子泵和2X-4旋片式机械泵组成，可达到阀箱对真空度的要求。

40 T混合磁体 低温分配阀箱 真空系统

1 引言

稳态强磁场实验装置是中国“十一五”国家大科学工程，由中国科学院合肥物质科学研究院和中国科学技术大学共同承建。其40 T稳态混合磁体由内水冷磁体和外超导磁体组成，其中外超导磁体为11 T，用铌三锡CICC绕制而成，使用4.5 K超临界氦迫流冷却［1］。在外超导磁体与冷箱之间，安置低温分配阀箱，通过低温传输线传输超临界氦至外超导磁体，所以低温分配阀箱起到了一个中转站的作用。为减少阀箱中低温物质(超临界氦、液氦和液氮)的冷量损失，需将其置于高真空工作环境中，所以低温阀箱真空室达到低温物质正常工作所要求的真空水平是保证低温阀箱乃至整个外超导磁体正常运作的关键条件之一。本研究将针对40 T混合磁体低温分配阀箱设计一套真空系统。

2 40 T混合磁体低温分配阀箱对真空度的要求

40 T混合磁体低温分配阀箱真空室材料为304不锈钢，内表面积A304为30.9 m2，体积V为11.5 m3。为降低阀箱真空室与低温物质之间的辐射热负荷，在阀箱内壁与低温物质之间装有80 K冷屏，冷屏材料为紫铜，表面积ACu为21.64 m2。低温分配阀箱要求室温下的真空度达到10-3Pa，总漏率为1×10-2Pa·L/s。

图1为阀箱真空室结构示意简图，图中1为电流引线通道盲端，2为电流引线真空套管，3为上端盖，4为传输线出口法兰，5为圆筒形壳体，6为椭圆形封头，7为底部支撑组件。

图1 真空室结构图Fig.1 Structure of the vacuum chamber

3 低温分配阀箱真空室壳体设计

3.1 阀箱圆筒形壳体计算

因为圆筒形壳体制造容易且强度好，此阀箱真空室亦采用圆筒形壳体，真空室做成立式［2］。圆筒形壳体壁厚确定方法如下:

圆筒形壳体只承受外压时，可按稳定条件计算，其壁厚为:

式中:DB为圆筒内径，取2 400 mm;p为外压设计压力，真空容器选择0.1 MPa;L为圆筒计算长度，取2 580 mm;Et为材料温度为t时的弹性模量，查表可得304不锈钢在室温时的弹性模量为1.9×105MPa。

由式(1)计算可得圆筒形真空室壳体壁厚S0为9.5 mm，根据工程要求，取1.2倍的安全系数，圆筒形真空室壳体壁厚实际为12 mm［3］。

3.2 封头强度计算

椭圆形封头:

式中:M为封头壁厚;p为外压设计压力，取0.1 MPa;DB为封头内部直径，为2 200 mm;γ为焊缝系数，取0.6;［σ］为许用应力，取144 MPa;hB为封头凸出部分内边高度，取530 mm;C为壁厚附加量，取1 mm。

4 低温阀箱真空系统到达所需真空度的方案

针对低温阀箱真空系统采用先由粗抽泵机组粗抽，将阀箱抽至10-1Pa，然后由主泵机组抽至所要求的真空度10-3Pa，拟定了以下方案:

4.1 主泵机组选型

4.1.1 主泵的有效抽速

主泵的有效抽速S由下式确定:

式中:Pg为低温阀箱的工作压力，取10-3Pa;Q为阀箱的总气体量，主要由阀箱及真空元件的放气量Q1、阀箱漏气量Q2组成，阀箱真空室在工作过程中产生的气体量为0。

Q2为总漏气量，为10-2Pa·L/s，Q1由式(6)确定:

式中:q304为不锈钢出气率，取1.3×10-8Pa·L/(s·cm2);qCu为紫铜出气率，取2.8×10-6Pa·L/(s·cm2)。

式(6)可算得 Q1为4.017×10-3Pa·L/s，由式(5)可得Q为1.401 7×10-2Pa·L/s，将计算所得Q代入式(4)，计算可得有效抽速S=14.02 L/s。取1.2倍的安全系数，则得到主泵实际要求的有效抽速为 16.824 L/s［5］。

4.1.2 主泵类型的确定

根据低温阀箱对真空度的要求以及各种真空泵工作压力范围，选涡轮分子泵为主泵较为合适［2］。分子泵的有效抽速为16.824 L/s，考虑到加上阀门、挡板后泵的抽速损失(一般泵的有效抽速是泵的抽速的1/3左右)，暂选一台抽速为110 L/s的分子泵F-100/110作为主泵，其进气口直径为100 mm，出气口直径为25 mm。根据旋片式机械泵的特点与用途，选取旋片式机械泵作为分子泵的前级泵。

图2为阀箱真空泵机组示意简图，图中1为阀箱简图，2为插板阀，3为分子泵，4为前级机械泵，5为主抽真空管，6为真空支管，7为粗抽泵机组。

图2 阀箱真空泵机组示意简图Fig.2 Schematics diagram of turbo-molecular pumping sets

为了提高抽速以及真空泵的效率，应使管道流导较大，则管道应该短而粗，故取主抽真空管道5的直径为200 mm(大于100 mm)、长800 mm，真空支管的直径为100 mm(等于100 mm)、长200 mm。分子泵与阀箱之间安装插板阀GC-100。

4.1.3 验证主泵选型的合理性

首先确定阀箱与分子泵之间的真空管内气体的流动状态。由于分子泵入口压力很低(10-3Pa)，管路出口压力可忽略，则真空管道中的平均压力为:

此时P¯d=0.1×10Pa·m＜0.02 Pa·m，其中d为主抽真空管道直径(200 mm)，可见气体沿低温阀箱与分子泵之间的管道内气体流动状态为分子流。

计算分子泵与低温阀箱之间的总流导U:

总流导U由真空管道(图2中5和6)的流导U1和插板阀的流导U2串联得到:

分子泵与阀箱之间的真空管道为直角管道，以克劳辛系数计算管道流导，流导U1按照直径为200 mm计算有:

式中:A为真空管截面积，通过计算得到A为314 cm2，α为克劳辛系数，查表取0.181，则计算可得U1=659 L/s。

GC-250插板阀的流导为U2=1 100 L/s，由以上计算可得到总流导U=412 L/s;则分子泵的抽速Sp为:

计算可得Sp为17.5 L/s，可见选一台F-100/110分子泵作为主泵是合适的。

4.1.4 主泵前级管路系统选型

涡轮分子泵所配置的前级泵抽速应满足式(10):

式中:Sp为前级泵的抽速，L/s;Qmax为最大流量，Pa·L/s，Qmax=10-1Pa ×110 L/s=11 Pa·L/s;Pj为涡轮分子泵前级压力;分子泵平稳抽速的工作压力范围为10-1Pa—10-7Pa。

Pj取 10 Pa［2］，代入可得到 Sp＞1.1 L/s。

F-100/110分子泵的排气口直径为25 mm，选分子泵前级管道的直径d1为25 mm，长度为1 000 mm。机械泵与分子泵之间的真空管道平均压力:P¯1=

由于0.02 Pa·m＜0.125 Pa·m ＜0.67 Pa·m，所以气体在分子泵与前级泵之间的真空管道内的流动状态为粘滞-分子流。

查表可得，分子泵前级管道的流导为:

式中:d1为管道直径25 mm，L为管道长度1 000 mm，J查表可得为2.25，最后算得 U＇为4.25 L/s。

分子泵前级泵的抽速为:

取1.5倍的安全系数，则Sp1为2.25 L/s。根据计算，可为F-100/110分子泵的前级泵选配一台2X-4旋片式机械泵。

4.2 粗抽泵机组选型

粗抽泵机组包括罗茨泵和机械泵，在低温阀箱抽真空过程中，将先启动机组中的机械泵将阀箱抽至1 000 Pa，再启动罗茨泵将阀箱抽至 10-1Pa［4］。

4.2.1 罗茨泵的选型

罗茨泵的抽速由式(13)确定:

式中:t3为预抽时间，为3 600 s;p3为经时间t3后的压力，为10-1Pa;Kq3为修正系数，查表取为4;V为阀箱的体积，为11.5 m3;pi3为罗茨泵开始抽气时阀箱的压力，为1 000 Pa。

计算可得，Sp3=117.6 L/s，则粗抽泵可选一台ZJ-150罗茨泵。

4.2.2 机械泵的选型

机械泵的抽速由式(14)确定:

式中:t2为预抽时间，为3 600 s;p2为经时间t2后的压力，为1 000 Pa;Kq2为修正系数，查表取为1.5;V为阀箱的体积，为11.5 m3;pi2为机械泵开始抽气时阀箱的压力，为105Pa。

计算可得，Sp2=22 L/s，则粗抽泵机组中的机械泵可选择一台2XZ-30直联式旋片机械泵。

5 结论

本研究根据40 T混合磁体低温分配阀箱对真空的要求，对阀箱真空系统进行了设计计算。低温分配阀箱真空室采用圆筒形立式结构，圆筒形壳体壁厚为12 mm;下封头采用外压凸形封头中的椭圆形封头，封头壁厚为16 mm;真空系统采用先由粗抽泵机组抽至10-1Pa，最后由分子泵机组抽至10-3Pa的方案，其中粗抽泵机组由一套ZJ-150罗茨泵和2XZ-30直联式旋片真空泵组成，主泵机组由一套 F-100/110涡轮分子泵和2X-4旋片式机械泵组成。

1 张倩，欧阳峥嵘，李洪强.稳态混合磁体装置低温系统过冷槽的设计与优化［J］.低温工程，2011(4):46-50.

2 达道安.真空设计手册［M］.国防工业出版社，2006.

3 彭晋卿，武玉.ITER导体检漏真空室的设计与优化［J］.真空，2009(9):30-33.

4 孟秋敏，欧阳峥嵘.40 T混合磁体外超导磁体杜瓦真空系统设计［J］. 低温工程，2012(5):19-21.

5 张以忱，黄英.真空材料［M］.冶金工业出版社，2005.

Design of vacuum system for cryogenic valve box of 40 T hybrid magnet

Liu Yemang Ouyang Zhengrong Li Hongqiang Qu Jikun

(High Magnetic Field Laboratory，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China)

Based on the vacuum requirement of the cryogenic valve box，the vacuum system for cryogenic valve box of 40 T hybrid magnet was designed.The design results were as follows:selecting the shell shape of the vacuum chamber of the valve box，the wall thickness of the vacuum chamber was 12 mm;selecting the shape of shell cover，the wall thickness of the shell cover was 16 mm;the entire vacuum system vacuum pump units were selected，roots pumping sets consisting of one ZJ-150 and 2XZ-30 pumps，turbo-molecular pumping sets consisting of one F-100/110 and 2X-4 pumps.The vacuum system can meet the vacuum requirement of the cryogenic valve box.

40 T hybrid magnet;cryogenic valve box;vacuum system

TB611

A

1000-6516(2013)04-0038-03

2013-05-08;

2013-07-02

刘烨芒，男，24岁，硕士研究生。