4KG-M制冷机做冷源的自循环氦液化装置研制

2010-02-23徐向东龚领会郭晓虹谢祖棋赵红卫

低温工程 2010年1期

关键词：液氦冷源氦气

徐冬徐向东龚领会郭晓虹谢祖棋赵红卫李玮

(1中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京 100190)

(2中国科学院研究生院北京 100049)

(3中国科学院近代物理研究所兰州 730000)

(4京安古贝(北京)科技有限公司北京 100071)

1 引言

液氦被广泛应用于超导技术、空间技术、低温电子学和高能物理研究等方面。目前作为可达到4.2 K的唯一方便冷源，液氦已经广泛应用于大中小型低温系统及低温实验室。对于实验室中小型低温科学试验装置的液氦蒸发率小的仅有几L/d，大的也只有150 L/d。如果专门配备标准氦液化器，按最小液化率20 L/h计算，每天将富余300 L－400 L液氦，因此，必须配备液氦储存容器、液氦输液管、输液管插接头等，从而导致液氦在储存和加注过程中的消耗量将远大于磁体系统的消耗量。另一方面，氦液化器占地面积大、维护复杂、操作需要专门技术人员，采用标准氦液化器为实验室中小型低温科学试验装置提供液氦在人力财力上都造成很大浪费。

针对实验室中小型低温科学试验装置液氦消耗量，需要建造合适的微小型氦液化装置。目前市场上存在成熟的4 KG-M制冷机和脉冲管制冷机产品，使建造微小型氦液化装置成为可能。近5年来，发达国家如美国、德国、日本大力开发以这种制冷机做冷源的小型氦液化装置，美国已开发出以单台和3台脉冲管制冷机做冷源的小型氦液化器产品。据文献报道:美国采用一台制冷机氦液化产品可达到18 L/d的液氦产量［1－3］、3台制冷机氦液化产品可达到50 L/d的液氦产量。因此，采用小型制冷机来建造能够满足液氦需求量的氦液化装置成为近年来国际低温界的热点。

本文研制成功以5台1.5 W/4.2 K G-M制冷机(日本住友RDK415D)做冷源的自循环小型氦液化装置，在液氦温度为4.17 K(饱和压力为96 kPa)时，获得了74 L/d的液化率;在液氦温度为4.42 K(饱和压力为121 kPa)时，获得了116 L/d的液化率;经拟合，在液氦温度为4.2 K(饱和压力为100 kPa)时，液化率为83 L/d。而且该小型氦液化装置不需要循环泵，实现了自循环，运行可靠。作为首台具有每天百升氦液化率的小型氦液化装置的成功研制，对涉及低温液氦的科学实验、氦气资源的有效利用和多台制冷机氦液化装置的设计制造，都具有积极意义。

本装置将安装于中国科学院近代物理研究所重离子加速器超导离子源液氦冷却系统上，以延长液氦的加注周期乃至实现“零加注”。

2 5台1.5 W/4.2 K G-M制冷机做冷源的自循环氦液化装置理论计算液化率

图1为日本住友公司生产的RDK415D G-M制冷机的冷量曲线，二级冷头4.2 K对应的制冷功率为1.5 W。可根据图1拟合一级和二级冷头不同温度对应的制冷功率 Q1和 Q2，进而计算5台1.5 W/4.2 K RDK415D制冷机理论计算液化率。5台制冷机为并联关系，以单台为例计算，理论计算液化率只考虑冷头冷量并忽略换热器出口温差和流动阻力，如图2所示。

式中:h0为流入一级冷头换热器氦气的焓;h1为流出一级冷头换热器、或流入二级冷头换热器氦气的焓;h2为流出二级冷头换热器并被液化为液氦的焓;m为流经各级换热器并被液化的氦气质量流率(即液化率);T1和T2分别为制冷机一级和二级冷头温度。

图1 RDK-415D冷量曲线［4］Fig.1 RDK-415D capacity curve

图2 理论计算示意图Fig.2 Sketch of theoretical calculation

以氦气入口温度300 K、压力0.1 MPa、联立求解方程(1)和(2)，可得到5台1.5 W/4.2 K RDK415D制冷机做冷源的氦液化系统的理论计算液化率为31.8 L/d。

3 5台1.5 W/4.2 K G-M制冷机做冷源的自循环氦液化装置性能测量实验台

3.1 实验台

图3为5台1.5 W/4.2 K G-M制冷机做冷源的自循环氦液化装置实验流程图和结构图。用带加热器的500 L液氦杜瓦模拟“液氦消耗装置”，如超导磁体装置，蒸发的冷氦气复温成室温氦气，再进入5台制冷机组成的氦液化装置进行液化。液化装置由4 KG-M制冷机、一级冷头盘管换热器、气缸盘管换热器、二级冷头盘管换热器、翅片冷凝器、汇流罐、屏蔽罩、真空罩组成。待液化氦气先经集气环分为5股流体，分别被5台制冷机一级冷头、二级冷头及两级间气缸壁冷却，最后进入冷凝器罐被液化为液氦。5台制冷机液化的液氦到汇流罐内集液后从杜瓦管流入实验杜瓦。真空罩和屏蔽罩用于减小漏热影响，屏蔽罩冷量由一级冷头提供。图4为5台1.5 W/4.2 K G-M制冷机做冷源的自循环氦液化装置实物图。

图3 5台1.5 W/4.2 K G-M制冷机做冷源的自循环氦液化装置流程图及结构图Fig.3 Process and structural diagram of helium liquefaction self-circulation system with five 1.5 W/4.2 K G-M cryocoolers

图4 5台1.5 W/4.2 K G-M制冷机做冷源的自循环氦液化装置实物图Fig.4 Photograph of helium liquefaction self-circulation system with five 1.5 W/4.2 K G-M cryocoolers

装置中压力传感器用于测量汇液罐内液氦对应饱和压力，装置中设有12个铑铁温度计监测温度，位置分别位于一级冷头盘管换热器后(5个)、5个二级冷头盘管换热器后(5个)、集流罐上(1个)、500 L液氦储罐内(1个，位于液氦储罐底部)。

温度和压力数据采用数据采集系统来记录和显示，数据采集系统包括:数据采集卡、配置有监测器和Labview软件的工控计算机，12只标定的铑铁温度计，1个压力传感器。运行Labview工控软件完成数据采集和自控。

3.2 实验方法

利用电加热器提供模拟热负载的方法，测量氦液化装置液化率。

在液氦储罐中设置1个电加热器，提供一个给定电加热功率后，液氦储罐中液氦被蒸发，液氦温度和系统压力将发生变化，待两者趋于稳定后，可认为液氦储罐中液氦时刻处于准平衡状态。这时就可通过液氦的加热功率和液氦储罐的漏热量(按1%估计约为5 L/d)计算出小型氦液化装置的液化率。

4 实验结果

分别给液氦储罐中液氦加热2.1 W、2.6 W、2.7 W、3 W功率。试验测量曲线如图5所示。

由曲线可知，该氦液化装置的液化率在4.17 K(饱和压力为96 kPa)时为74 L/d的液化率;在4.42 K(饱和压力为121 kPa)时为116 L/d的液化率。通过测试点(2.1 W、2.6 W、2.7 W、3 W)拟合出这一小温区内液化率的变化趋势，如图6。由拟合曲线可认为:在 4.2 K(饱和压力为100 kPa)时液化率为83 L/d。

该实验过程中未开循环泵，装置运行正常，说明该装置自循环运行可靠，无需循环泵。

图5 给加热功率后，汇流罐压力和液氦储罐液氦温度随时间的变化(a)2.1 W;(b)2.6 W;(c)2.7 W;(d)3 WFig.5 Variation of pressure in liquid helium-collection container and temperature in dewar(a)2.1W;(b)2.6W;(c)2.7W;(d)3W