4KG-M制冷機做冷源的自循環(huán)氦液化裝置研制

徐 冬 徐向東 龔領(lǐng)會 郭曉虹謝祖棋 趙紅衛(wèi) 李 瑋

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室 北京 100190)

(2中國科學(xué)院研究生院 北京 100049)

(3中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000)

(4京安古貝(北京)科技有限公司 北京 100071)

1 引 言

液氦被廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)技術(shù)、空間技術(shù)、低溫電子學(xué)和高能物理研究等方面。目前作為可達到4.2 K的唯一方便冷源，液氦已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大中小型低溫系統(tǒng)及低溫實驗室。對于實驗室中小型低溫科學(xué)試驗裝置的液氦蒸發(fā)率小的僅有幾L/d，大的也只有150 L/d。如果專門配備標準氦液化器，按最小液化率20 L/h計算，每天將富余300 L－400 L液氦，因此，必須配備液氦儲存容器、液氦輸液管、輸液管插接頭等，從而導(dǎo)致液氦在儲存和加注過程中的消耗量將遠大于磁體系統(tǒng)的消耗量。另一方面，氦液化器占地面積大、維護復(fù)雜、操作需要專門技術(shù)人員，采用標準氦液化器為實驗室中小型低溫科學(xué)試驗裝置提供液氦在人力財力上都造成很大浪費。

針對實驗室中小型低溫科學(xué)試驗裝置液氦消耗量，需要建造合適的微小型氦液化裝置。目前市場上存在成熟的4 KG-M制冷機和脈沖管制冷機產(chǎn)品，使建造微小型氦液化裝置成為可能。近5年來，發(fā)達國家如美國、德國、日本大力開發(fā)以這種制冷機做冷源的小型氦液化裝置，美國已開發(fā)出以單臺和3臺脈沖管制冷機做冷源的小型氦液化器產(chǎn)品。據(jù)文獻報道:美國采用一臺制冷機氦液化產(chǎn)品可達到18 L/d的液氦產(chǎn)量［1－3］、3臺制冷機氦液化產(chǎn)品可達到50 L/d的液氦產(chǎn)量。因此，采用小型制冷機來建造能夠滿足液氦需求量的氦液化裝置成為近年來國際低溫界的熱點。

本文研制成功以5臺1.5 W/4.2 K G-M制冷機(日本住友RDK415D)做冷源的自循環(huán)小型氦液化裝置，在液氦溫度為4.17 K(飽和壓力為96 kPa)時，獲得了74 L/d的液化率;在液氦溫度為4.42 K(飽和壓力為121 kPa)時，獲得了116 L/d的液化率;經(jīng)擬合，在液氦溫度為4.2 K(飽和壓力為100 kPa)時，液化率為83 L/d。而且該小型氦液化裝置不需要循環(huán)泵，實現(xiàn)了自循環(huán)，運行可靠。作為首臺具有每天百升氦液化率的小型氦液化裝置的成功研制，對涉及低溫液氦的科學(xué)實驗、氦氣資源的有效利用和多臺制冷機氦液化裝置的設(shè)計制造，都具有積極意義。

本裝置將安裝于中國科學(xué)院近代物理研究所重離子加速器超導(dǎo)離子源液氦冷卻系統(tǒng)上，以延長液氦的加注周期乃至實現(xiàn)“零加注”。

2 5臺1.5 W/4.2 K G-M制冷機做冷源的自循環(huán)氦液化裝置理論計算液化率

圖1為日本住友公司生產(chǎn)的RDK415D G-M制冷機的冷量曲線，二級冷頭4.2 K對應(yīng)的制冷功率為1.5 W?？筛鶕?jù)圖1擬合一級和二級冷頭不同溫度對應(yīng)的制冷功率 Q1和 Q2，進而計算5臺1.5 W/4.2 K RDK415D制冷機理論計算液化率。5臺制冷機為并聯(lián)關(guān)系，以單臺為例計算，理論計算液化率只考慮冷頭冷量并忽略換熱器出口溫差和流動阻力，如圖2所示。

式中:h0為流入一級冷頭換熱器氦氣的焓;h1為流出一級冷頭換熱器、或流入二級冷頭換熱器氦氣的焓;h2為流出二級冷頭換熱器并被液化為液氦的焓;m為流經(jīng)各級換熱器并被液化的氦氣質(zhì)量流率(即液化率);T1和T2分別為制冷機一級和二級冷頭溫度。

圖1 RDK-415D冷量曲線［4］Fig.1 RDK-415D capacity curve

圖2 理論計算示意圖Fig.2 Sketch of theoretical calculation

以氦氣入口溫度300 K、壓力0.1 MPa、聯(lián)立求解方程(1)和(2)，可得到5臺1.5 W/4.2 K RDK415D制冷機做冷源的氦液化系統(tǒng)的理論計算液化率為31.8 L/d。

3 5臺1.5 W/4.2 K G-M制冷機做冷源的自循環(huán)氦液化裝置性能測量實驗臺

3.1 實驗臺

圖3為5臺1.5 W/4.2 K G-M制冷機做冷源的自循環(huán)氦液化裝置實驗流程圖和結(jié)構(gòu)圖。用帶加熱器的500 L液氦杜瓦模擬“液氦消耗裝置”，如超導(dǎo)磁體裝置，蒸發(fā)的冷氦氣復(fù)溫成室溫氦氣，再進入5臺制冷機組成的氦液化裝置進行液化。液化裝置由4 KG-M制冷機、一級冷頭盤管換熱器、氣缸盤管換熱器、二級冷頭盤管換熱器、翅片冷凝器、匯流罐、屏蔽罩、真空罩組成。待液化氦氣先經(jīng)集氣環(huán)分為5股流體，分別被5臺制冷機一級冷頭、二級冷頭及兩級間氣缸壁冷卻，最后進入冷凝器罐被液化為液氦。5臺制冷機液化的液氦到匯流罐內(nèi)集液后從杜瓦管流入實驗杜瓦。真空罩和屏蔽罩用于減小漏熱影響，屏蔽罩冷量由一級冷頭提供。圖4為5臺1.5 W/4.2 K G-M制冷機做冷源的自循環(huán)氦液化裝置實物圖。

圖3 5臺1.5 W/4.2 K G-M制冷機做冷源的自循環(huán)氦液化裝置流程圖及結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Process and structural diagram of helium liquefaction self-circulation system with five 1.5 W/4.2 K G-M cryocoolers

圖4 5臺1.5 W/4.2 K G-M制冷機做冷源的自循環(huán)氦液化裝置實物圖Fig.4 Photograph of helium liquefaction self-circulation system with five 1.5 W/4.2 K G-M cryocoolers

裝置中壓力傳感器用于測量匯液罐內(nèi)液氦對應(yīng)飽和壓力，裝置中設(shè)有12個銠鐵溫度計監(jiān)測溫度，位置分別位于一級冷頭盤管換熱器后(5個)、5個二級冷頭盤管換熱器后(5個)、集流罐上(1個)、500 L液氦儲罐內(nèi)(1個，位于液氦儲罐底部)。

溫度和壓力數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來記錄和顯示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)采集卡、配置有監(jiān)測器和Labview軟件的工控計算機，12只標定的銠鐵溫度計，1個壓力傳感器。運行Labview工控軟件完成數(shù)據(jù)采集和自控。

3.2 實驗方法

利用電加熱器提供模擬熱負載的方法，測量氦液化裝置液化率。

在液氦儲罐中設(shè)置1個電加熱器，提供一個給定電加熱功率后，液氦儲罐中液氦被蒸發(fā)，液氦溫度和系統(tǒng)壓力將發(fā)生變化，待兩者趨于穩(wěn)定后，可認為液氦儲罐中液氦時刻處于準平衡狀態(tài)。這時就可通過液氦的加熱功率和液氦儲罐的漏熱量(按1%估計約為5 L/d)計算出小型氦液化裝置的液化率。

4 實驗結(jié)果

分別給液氦儲罐中液氦加熱2.1 W、2.6 W、2.7 W、3 W功率。試驗測量曲線如圖5所示。

由曲線可知，該氦液化裝置的液化率在4.17 K(飽和壓力為96 kPa)時為74 L/d的液化率;在4.42 K(飽和壓力為121 kPa)時為116 L/d的液化率。通過測試點(2.1 W、2.6 W、2.7 W、3 W)擬合出這一小溫區(qū)內(nèi)液化率的變化趨勢，如圖6。由擬合曲線可認為:在 4.2 K(飽和壓力為100 kPa)時液化率為83 L/d。

該實驗過程中未開循環(huán)泵，裝置運行正常，說明該裝置自循環(huán)運行可靠，無需循環(huán)泵。

圖5 給加熱功率后，匯流罐壓力和液氦儲罐液氦溫度隨時間的變化(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

圖6 裝置氦液化率隨液氦儲罐內(nèi)液氦溫度的變化Fig.6 Helium liquefaction variation with temperature in dewar

5 實驗分析與結(jié)論

采用5臺1.5 W/4.2 K G-M制冷機(日本住友RDK415D)進行了自循環(huán)氦液化裝置的試驗，結(jié)果分析與結(jié)論如下:

(1)進行了2.1 W、2.6 W、2.7 W、3 W模擬負載下系統(tǒng)液化率測試，匯流罐壓力和液氦儲罐內(nèi)液氦溫度均趨于穩(wěn)定若干小時以上。

(2)該氦液化裝置的液化率為:在4.17 K(飽和壓力為96 kPa)時，液化率為74 L/d;在4.42 K(飽和壓力為121 kPa)時，液化率為116 L/d;擬合曲線可得到:在4.2 K(飽和壓力為100 kPa)時，液化率為83 L/d。

(3)通過100小時以上的連續(xù)運行，初步說明該氦液化裝置自循環(huán)性能良好。

(4)該裝置液化率值是理論計算值的兩倍以上，分析認為:制冷機二級氣缸壁對被液化氦氣的預(yù)冷起到了很大作用，因此，需要對G-M制冷機二級氣缸的預(yù)冷效果對液化率的影響進行詳細研究。

1 Thummes G，Wang C，Heiden C.Small scale4He liquefaction using a two-stage 4K pulse tube cooler［J］.Cryogenics，1998，38(3);337-342.

2 Wang C.Helium liquefaction with a 4K pulse tube cryocooler［J］.Cryogenics，2001，41(7);491-496.

3 Wang C.Small scale helium liquefaction systems［C］.25thInternational Conference on Low Temperature Physics，Amsterdam:2008.