超流氦低温系统发展及涡轮冷压缩机的应用

成安义 张启勇 夏根海 宋庆勇

1 引言

19世纪中期随着强磁场超导材料NbTi和Nb3Sn的发现，超导技术在科研和工业中的应用越来越广泛，特别是超导磁体在核聚变装置、高能加速器、空间红外探测等大科学工程方面的应用，大型超导磁体都配备有一大型氦低温制冷系统。氦低温制冷系统的稳定性和效率将直接影响超导体以及整个科学装置的正常运行。从提高运行效率和稳定性等方面考虑，需要不断提高超导磁体装置的性能，一种方法是采用2K下超流氦(HeⅡ)冷却降低其工作温度。

2 超流氦在低温系统中的使用

到2011年，人们认识超流氦已有70年左右的历史，超流氮在核聚变、高能物理、超导及宇宙探索中有着重要的应用。超流氦是一种理想的低温冷剂，其物理特性表现为:HeⅡ导热过程的温度梯度几乎无穷小，其热导率是金属铜的1 000倍;HeⅡ能在非常窄小的通道中流动而不存在可以检测的流阻，其动力粘度仅有10-6Pa·s;过冷态超流氦(HeⅡP)的临界热流密度约为饱和超流氦(HeⅡS)的2倍，约为常规液氦(HeI)的 20 倍［1］。

超流氦冷却超导磁体，尤其是冷却高场强超导磁体具有以下优点:增加超导磁体的温度余量和线圈临界电流密度，能够提高超导磁体抗热扰动能力和磁体的稳定性裕度;其高导热率，低流阻特性可以充分填充于磁体内部，使磁体内部冷却温度均匀，且增加超导磁体的冷却面积;对于超导磁体来说，采用过冷态超流氦(HeⅡP)迫流冷却，没有空气泄漏风险。

其次，降低超导磁体运行温度，也可相应减少运行成本和能量消耗。高场强超导磁体，如加速器，其主要由超导腔和超导磁体组成。超导材料，如NbTi合金的临界电流密度大小，决定了在相同磁场强度下超导腔和超导磁体的数量。基于此，运行于1.9 K左右的加速器装置能够将超导体的数量要求到最小化，从而降低了装置建设和运行成本。图1为在特定能量下强子对撞机的成本优化曲线，可以看出，对于工作在相同磁场强度下，磁体工作于1.9 K下的投资运行费用低于4.5 K下的运行环境［2］。

图1 特定能量下强子对撞机的成本优化Fig.1 Cost optimization for hadron colliders at a given energy

3 国内外2 K温度级超流氦低温系统发展情况

20世纪80年代，法国TORE SUPRA首先使用300 W/1.8 K超流氦低温系统，制冷量kW级别的超流氦低温系统得以发展和实现［3］。此后，美国托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的CEBAF连续电子束加速器是第一个使用了制冷量在2 K下kW级别的加速器项目，其制冷量为4.8 kW/2 K。欧洲联合核子研究中心(CERN)的质子-质子对撞机Large Hadron Collider(LHC)，和德国TESLA超导直线加速器国际合作项目都先后使用了制冷量在2 K下kW级别的低温系统。与国际上同类型氦低温系统使用和建造规模相比，中国国内超流氦目前尚未广泛使用，2 K温度级氦制冷机系统建造也处于空白阶段。表1给出了世界上主要的超流氦低温系统参数。

表1 世界上主要的超流氦低温系统Table 1 Main superfluid cryogenic systems

4 涡轮冷压缩机及其应用

对于2 K以下的大型氦低温系统，多种方案可以实现获得1.8 K的饱和HeⅡ，如直接节流、抽真空以及抽真空与节流过程相结合等等，而采用多级压缩系统将液氦容器进行减压操作以获得超流氦是目前国际上一种比较通用的方法。相对于4.5 K低温系统，大型超流体低温系统由于从抽速、系统真空度等方面考虑，很难在室温下进行全部的压缩抽空过程，而采用多级离心式涡轮冷压缩机(以下简称冷压机)应用于低温低压下饱和氦蒸气初始阶段抽空的方法。

冷压机在整体结构上分为常温和低温工作部分，常温下包括驱动装置(三相异步电机)、轴承、变频控制器等。低温下包括冷压机叶轮、出口叶片扩压器、蜗壳组成的气体流通部分。整体结构上需要解决冷压机的大压比、高流量、密封性强、低漏热和易于维护等问题。冷压机叶轮高速旋转时，槽内气体随着旋转，使气体的动能大为增加，在离心力作用下，气体被甩到后面的扩压器中去，而在叶轮处形成真空地带，这时外界的新鲜气体进入叶轮。叶轮不断旋转，气体不断地吸入并甩出，从而保持了气体的连续流动。同时，气体在离心惯性力以及在叶轮叶道中降速的共同作用下，其静压能也得到大幅度提高，在叶轮后面的扩压器中部分气体动能又转变为静压能，而使气体压力进一步提高，经过几级压缩后，被压缩的气体排出机外，从而达到使槽内压力不断下降的目的［3］。

国外对于冷压机的研究应用已较为成熟，CERN从1993年开始和Air Liquide(法国法液空)、IHI(日本石川)和Linde Kryotechnik(瑞士林德)公司进行冷压机的研究设计工作，应用于建造的8套2.4 kW/1.8 K低温单元，服务于 LHC，以使超导磁体获得8.3 T的稳态磁场。日本国家聚变科学研究所的Large Helical Device(LHD)低温系统，为了使等离子体实验在磁场强度为3T的参数下进行，通过冷压机对4.4 K饱和液氦槽的真空抽取，使其压力温度由120 kPa/4.4 K 下降到23 kPa/2.97 K，冷却螺旋线圈的氦流通过和其换热，达到进口3.2 K的过冷温度(低于 4.2 K)［4］。

CERN的2.4 kW/1.8 K低温系统由离心式冷压机、透平膨胀机、进口压力为负压的螺杆压机、换热器和除油过滤系统等组成，和4.5 K低温系统连接，由Air Liquide和IHI-Linde公司研制提供。冷压机分别采用三级串联和四级串联的方式对饱和液氦槽进行真空抽取，使其减压到1.6 kPa，温度降到1.8 K的HeⅡ饱和温度。表2给出了Air Liquide和IHI-Linde公司建造的2.4 kW/1.8 K制冷单元当中的多级串联冷压机的运行参数，其单台冷压机的等熵效率高达75%左右。

表2 多级串联冷压机运行参数Table 2 Performance of multistage cold compressor

而LHD对其过冷系统的改造，采用直接将两级串联的冷压机安装在4.4 K制冷系统的阀箱上对氦槽进行减压降温操作。相对CERN的2.4 kW/1.8 K低温系统，LHD对于4.4 K低温系统的改进没有螺杆压机、透平膨胀机和除油过滤器等设备，构造简单，改造费用低，但对于冷压机出口压力随磁体运行状态变化的调节相对困难。图2为IHI/Linde公司制造应用于 CERN2.4 kW/1.8 K 制冷单元的冷压机、2.4 kW/1.8 K低温系统流程图及LHD过冷系统［5］。

5 EAST氦低温过冷系统

中国科学院等离子体物理研究所EAST超导托卡马克氦低温制冷机，是中国最大的氦制冷系统，设计制冷量为 1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13g/sLHe。超导磁体的工作温度3.8 K，使用超临界氦冷却，超导磁体的进口氦流通过和过冷槽换热，达到进口3.8 K的过冷温度。过冷槽通过油环泵在室温下来减压制取3.5 K的冷量。图3为EAST氦低温系统流程图。其中过冷槽中3.5 K氦对应的饱和压力为0.47×105Pa，考虑到负压回路的阻力损失，油环泵的吸气压力为0.37×105Pa，当过冷槽制冷量为1 050 W/3.5 K时，所需油环泵的流量约3 000 m3/h。

图2 IHI/Linde冷压机、CERN1.8K制冷单元及LHD过冷系统Fig.2 IHI/Linde cold compressor，CERN1.8K refrigeration unit and LHD subcooling system

图3 EAST氦低温系统流程图Fig.3 Process of EAST helium cryogenic system

EAST氦低温系统从2003年建成到目前已安全进行7次降温实验，在实验运行期间，发现由于油环泵在室温下通过整个低压回路对过冷槽进行减压降温操作，导致整个低压回路处于负压状态，这对于整个系统的真空要求非常严格，极易造成系统内重要部件的污染，因而大大降低了低温系统运行的稳定性。且EAST超导托卡马克装置的热负荷是变化的，其过冷槽的制冷量由油环泵的流量决定，当装置负荷变化时，油环泵的流量调节也相对滞后。油环泵为满足在室温下的抽速要求，其体积、噪音较大，对于未来像建设CERN(制冷量达到144 kW/4.5 K)那样的大型深低温系统，油环泵的使用是明显不合适的。如果采用冷压机在低温低压下直接对液氦槽抽空降压操作，不需要通过整个低压回路，这就降低了对整个系统低压回路的真空要求。且低温低压下，饱和氦蒸气密度大，使冷压机的抽速相对油环泵在室温下的抽速来说，也大大减少，体积也相应减小。由于油环泵的使用降低了低温系统运行的稳定性，EAST氦过冷槽拟采用冷压机在低温低压下的减压操作来制取3.5 K的冷量。

6 结论

从国外超流氦的使用时间和规模上看，2 K温度级的超流氦低温系统在核聚变实验装置、高能粒子加速器、超导磁体储能系统、磁流体(MHD)和强磁场研究等大科学工程方面的应用将会越来越广泛。而作为深低温系统当中关键设备离心式涡轮冷压缩机，其研究，对于大型超流体低温系统的建造，超导磁体运行的稳定性等方面都有实际意义，特别是在中国2 K下的深低温系统建造还处于初始阶段的背景下，其研究意义更加突出。

1 王如竹.过冷态超流氦的获得及操作控制［J］.低温工程，1991(6):14-21.

2 Tavian L.Large cryogenics systema at 1.8K［C］.7th European Particle Accelerator Conference，Vienna:2000.36-30.

3 徐 忠.离心式压缩机原理(修订本)［M］.北京:机械工业出版社，1990:8-22.

4 Claudet G，Aymar R.Tore Supra and helium II cooling of large highfield magnets［J］.Advances in cryogenic engineering，1990，43:58-62.

5 Motojima O，Yamada H，Ashikawa N，et al.Recent development of LHD experiment［J］.Plasma Fusion Res，2003，5:22-27.