成安義 張啟勇 夏根海 宋慶勇

1 引言

19世紀(jì)中期隨著強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)材料NbTi和Nb3Sn的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)技術(shù)在科研和工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是超導(dǎo)磁體在核聚變裝置、高能加速器、空間紅外探測(cè)等大科學(xué)工程方面的應(yīng)用，大型超導(dǎo)磁體都配備有一大型氦低溫制冷系統(tǒng)。氦低溫制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率將直接影響超導(dǎo)體以及整個(gè)科學(xué)裝置的正常運(yùn)行。從提高運(yùn)行效率和穩(wěn)定性等方面考慮，需要不斷提高超導(dǎo)磁體裝置的性能，一種方法是采用2K下超流氦(HeⅡ)冷卻降低其工作溫度。

2 超流氦在低溫系統(tǒng)中的使用

到2011年，人們認(rèn)識(shí)超流氦已有70年左右的歷史，超流氮在核聚變、高能物理、超導(dǎo)及宇宙探索中有著重要的應(yīng)用。超流氦是一種理想的低溫冷劑，其物理特性表現(xiàn)為:HeⅡ?qū)徇^(guò)程的溫度梯度幾乎無(wú)窮小，其熱導(dǎo)率是金屬銅的1 000倍;HeⅡ能在非常窄小的通道中流動(dòng)而不存在可以檢測(cè)的流阻，其動(dòng)力粘度僅有10-6Pa·s;過(guò)冷態(tài)超流氦(HeⅡP)的臨界熱流密度約為飽和超流氦(HeⅡS)的2倍，約為常規(guī)液氦(HeI)的 20 倍［1］。

超流氦冷卻超導(dǎo)磁體，尤其是冷卻高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)磁體具有以下優(yōu)點(diǎn):增加超導(dǎo)磁體的溫度余量和線圈臨界電流密度，能夠提高超導(dǎo)磁體抗熱擾動(dòng)能力和磁體的穩(wěn)定性裕度;其高導(dǎo)熱率，低流阻特性可以充分填充于磁體內(nèi)部，使磁體內(nèi)部冷卻溫度均勻，且增加超導(dǎo)磁體的冷卻面積;對(duì)于超導(dǎo)磁體來(lái)說(shuō)，采用過(guò)冷態(tài)超流氦(HeⅡP)迫流冷卻，沒(méi)有空氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

其次，降低超導(dǎo)磁體運(yùn)行溫度，也可相應(yīng)減少運(yùn)行成本和能量消耗。高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)磁體，如加速器，其主要由超導(dǎo)腔和超導(dǎo)磁體組成。超導(dǎo)材料，如NbTi合金的臨界電流密度大小，決定了在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度下超導(dǎo)腔和超導(dǎo)磁體的數(shù)量?；诖?，運(yùn)行于1.9 K左右的加速器裝置能夠?qū)⒊瑢?dǎo)體的數(shù)量要求到最小化，從而降低了裝置建設(shè)和運(yùn)行成本。圖1為在特定能量下強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的成本優(yōu)化曲線，可以看出，對(duì)于工作在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，磁體工作于1.9 K下的投資運(yùn)行費(fèi)用低于4.5 K下的運(yùn)行環(huán)境［2］。

圖1 特定能量下強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的成本優(yōu)化Fig.1 Cost optimization for hadron colliders at a given energy

3 國(guó)內(nèi)外2 K溫度級(jí)超流氦低溫系統(tǒng)發(fā)展情況

20世紀(jì)80年代，法國(guó)TORE SUPRA首先使用300 W/1.8 K超流氦低溫系統(tǒng)，制冷量kW級(jí)別的超流氦低溫系統(tǒng)得以發(fā)展和實(shí)現(xiàn)［3］。此后，美國(guó)托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的CEBAF連續(xù)電子束加速器是第一個(gè)使用了制冷量在2 K下kW級(jí)別的加速器項(xiàng)目，其制冷量為4.8 kW/2 K。歐洲聯(lián)合核子研究中心(CERN)的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)Large Hadron Collider(LHC)，和德國(guó)TESLA超導(dǎo)直線加速器國(guó)際合作項(xiàng)目都先后使用了制冷量在2 K下kW級(jí)別的低溫系統(tǒng)。與國(guó)際上同類型氦低溫系統(tǒng)使用和建造規(guī)模相比，中國(guó)國(guó)內(nèi)超流氦目前尚未廣泛使用，2 K溫度級(jí)氦制冷機(jī)系統(tǒng)建造也處于空白階段。表1給出了世界上主要的超流氦低溫系統(tǒng)參數(shù)。

表1 世界上主要的超流氦低溫系統(tǒng)Table 1 Main superfluid cryogenic systems

4 渦輪冷壓縮機(jī)及其應(yīng)用

對(duì)于2 K以下的大型氦低溫系統(tǒng)，多種方案可以實(shí)現(xiàn)獲得1.8 K的飽和HeⅡ，如直接節(jié)流、抽真空以及抽真空與節(jié)流過(guò)程相結(jié)合等等，而采用多級(jí)壓縮系統(tǒng)將液氦容器進(jìn)行減壓操作以獲得超流氦是目前國(guó)際上一種比較通用的方法。相對(duì)于4.5 K低溫系統(tǒng)，大型超流體低溫系統(tǒng)由于從抽速、系統(tǒng)真空度等方面考慮，很難在室溫下進(jìn)行全部的壓縮抽空過(guò)程，而采用多級(jí)離心式渦輪冷壓縮機(jī)(以下簡(jiǎn)稱冷壓機(jī))應(yīng)用于低溫低壓下飽和氦蒸氣初始階段抽空的方法。

冷壓機(jī)在整體結(jié)構(gòu)上分為常溫和低溫工作部分，常溫下包括驅(qū)動(dòng)裝置(三相異步電機(jī))、軸承、變頻控制器等。低溫下包括冷壓機(jī)葉輪、出口葉片擴(kuò)壓器、蝸殼組成的氣體流通部分。整體結(jié)構(gòu)上需要解決冷壓機(jī)的大壓比、高流量、密封性強(qiáng)、低漏熱和易于維護(hù)等問(wèn)題。冷壓機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，槽內(nèi)氣體隨著旋轉(zhuǎn)，使氣體的動(dòng)能大為增加，在離心力作用下，氣體被甩到后面的擴(kuò)壓器中去，而在葉輪處形成真空地帶，這時(shí)外界的新鮮氣體進(jìn)入葉輪。葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體不斷地吸入并甩出，從而保持了氣體的連續(xù)流動(dòng)。同時(shí)，氣體在離心慣性力以及在葉輪葉道中降速的共同作用下，其靜壓能也得到大幅度提高，在葉輪后面的擴(kuò)壓器中部分氣體動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力進(jìn)一步提高，經(jīng)過(guò)幾級(jí)壓縮后，被壓縮的氣體排出機(jī)外，從而達(dá)到使槽內(nèi)壓力不斷下降的目的［3］。

國(guó)外對(duì)于冷壓機(jī)的研究應(yīng)用已較為成熟，CERN從1993年開始和Air Liquide(法國(guó)法液空)、IHI(日本石川)和Linde Kryotechnik(瑞士林德)公司進(jìn)行冷壓機(jī)的研究設(shè)計(jì)工作，應(yīng)用于建造的8套2.4 kW/1.8 K低溫單元，服務(wù)于 LHC，以使超導(dǎo)磁體獲得8.3 T的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)。日本國(guó)家聚變科學(xué)研究所的Large Helical Device(LHD)低溫系統(tǒng)，為了使等離子體實(shí)驗(yàn)在磁場(chǎng)強(qiáng)度為3T的參數(shù)下進(jìn)行，通過(guò)冷壓機(jī)對(duì)4.4 K飽和液氦槽的真空抽取，使其壓力溫度由120 kPa/4.4 K 下降到23 kPa/2.97 K，冷卻螺旋線圈的氦流通過(guò)和其換熱，達(dá)到進(jìn)口3.2 K的過(guò)冷溫度(低于 4.2 K)［4］。

CERN的2.4 kW/1.8 K低溫系統(tǒng)由離心式冷壓機(jī)、透平膨脹機(jī)、進(jìn)口壓力為負(fù)壓的螺桿壓機(jī)、換熱器和除油過(guò)濾系統(tǒng)等組成，和4.5 K低溫系統(tǒng)連接，由Air Liquide和IHI-Linde公司研制提供。冷壓機(jī)分別采用三級(jí)串聯(lián)和四級(jí)串聯(lián)的方式對(duì)飽和液氦槽進(jìn)行真空抽取，使其減壓到1.6 kPa，溫度降到1.8 K的HeⅡ飽和溫度。表2給出了Air Liquide和IHI-Linde公司建造的2.4 kW/1.8 K制冷單元當(dāng)中的多級(jí)串聯(lián)冷壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，其單臺(tái)冷壓機(jī)的等熵效率高達(dá)75%左右。

表2 多級(jí)串聯(lián)冷壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)Table 2 Performance of multistage cold compressor

而LHD對(duì)其過(guò)冷系統(tǒng)的改造，采用直接將兩級(jí)串聯(lián)的冷壓機(jī)安裝在4.4 K制冷系統(tǒng)的閥箱上對(duì)氦槽進(jìn)行減壓降溫操作。相對(duì)CERN的2.4 kW/1.8 K低溫系統(tǒng)，LHD對(duì)于4.4 K低溫系統(tǒng)的改進(jìn)沒(méi)有螺桿壓機(jī)、透平膨脹機(jī)和除油過(guò)濾器等設(shè)備，構(gòu)造簡(jiǎn)單，改造費(fèi)用低，但對(duì)于冷壓機(jī)出口壓力隨磁體運(yùn)行狀態(tài)變化的調(diào)節(jié)相對(duì)困難。圖2為IHI/Linde公司制造應(yīng)用于 CERN2.4 kW/1.8 K 制冷單元的冷壓機(jī)、2.4 kW/1.8 K低溫系統(tǒng)流程圖及LHD過(guò)冷系統(tǒng)［5］。

5 EAST氦低溫過(guò)冷系統(tǒng)

中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所EAST超導(dǎo)托卡馬克氦低溫制冷機(jī)，是中國(guó)最大的氦制冷系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制冷量為 1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13g/sLHe。超導(dǎo)磁體的工作溫度3.8 K，使用超臨界氦冷卻，超導(dǎo)磁體的進(jìn)口氦流通過(guò)和過(guò)冷槽換熱，達(dá)到進(jìn)口3.8 K的過(guò)冷溫度。過(guò)冷槽通過(guò)油環(huán)泵在室溫下來(lái)減壓制取3.5 K的冷量。圖3為EAST氦低溫系統(tǒng)流程圖。其中過(guò)冷槽中3.5 K氦對(duì)應(yīng)的飽和壓力為0.47×105Pa，考慮到負(fù)壓回路的阻力損失，油環(huán)泵的吸氣壓力為0.37×105Pa，當(dāng)過(guò)冷槽制冷量為1 050 W/3.5 K時(shí)，所需油環(huán)泵的流量約3 000 m3/h。

圖2 IHI/Linde冷壓機(jī)、CERN1.8K制冷單元及LHD過(guò)冷系統(tǒng)Fig.2 IHI/Linde cold compressor，CERN1.8K refrigeration unit and LHD subcooling system

圖3 EAST氦低溫系統(tǒng)流程圖Fig.3 Process of EAST helium cryogenic system

EAST氦低溫系統(tǒng)從2003年建成到目前已安全進(jìn)行7次降溫實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)由于油環(huán)泵在室溫下通過(guò)整個(gè)低壓回路對(duì)過(guò)冷槽進(jìn)行減壓降溫操作，導(dǎo)致整個(gè)低壓回路處于負(fù)壓狀態(tài)，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的真空要求非常嚴(yán)格，極易造成系統(tǒng)內(nèi)重要部件的污染，因而大大降低了低溫系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。且EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置的熱負(fù)荷是變化的，其過(guò)冷槽的制冷量由油環(huán)泵的流量決定，當(dāng)裝置負(fù)荷變化時(shí)，油環(huán)泵的流量調(diào)節(jié)也相對(duì)滯后。油環(huán)泵為滿足在室溫下的抽速要求，其體積、噪音較大，對(duì)于未來(lái)像建設(shè)CERN(制冷量達(dá)到144 kW/4.5 K)那樣的大型深低溫系統(tǒng)，油環(huán)泵的使用是明顯不合適的。如果采用冷壓機(jī)在低溫低壓下直接對(duì)液氦槽抽空降壓操作，不需要通過(guò)整個(gè)低壓回路，這就降低了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)低壓回路的真空要求。且低溫低壓下，飽和氦蒸氣密度大，使冷壓機(jī)的抽速相對(duì)油環(huán)泵在室溫下的抽速來(lái)說(shuō)，也大大減少，體積也相應(yīng)減小。由于油環(huán)泵的使用降低了低溫系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，EAST氦過(guò)冷槽擬采用冷壓機(jī)在低溫低壓下的減壓操作來(lái)制取3.5 K的冷量。

6 結(jié)論

從國(guó)外超流氦的使用時(shí)間和規(guī)模上看，2 K溫度級(jí)的超流氦低溫系統(tǒng)在核聚變實(shí)驗(yàn)裝置、高能粒子加速器、超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)、磁流體(MHD)和強(qiáng)磁場(chǎng)研究等大科學(xué)工程方面的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。而作為深低溫系統(tǒng)當(dāng)中關(guān)鍵設(shè)備離心式渦輪冷壓縮機(jī)，其研究，對(duì)于大型超流體低溫系統(tǒng)的建造，超導(dǎo)磁體運(yùn)行的穩(wěn)定性等方面都有實(shí)際意義，特別是在中國(guó)2 K下的深低溫系統(tǒng)建造還處于初始階段的背景下，其研究意義更加突出。

1 王如竹.過(guò)冷態(tài)超流氦的獲得及操作控制［J］.低溫工程，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.離心式壓縮機(jī)原理(修訂本)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)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.