大型氦低温制冷机关键技术研究
“人造太阳”中的“冰”——EAST低温系统
“人造太阳”中的“冰”——EAST低温系统朱志刚;张启勇【摘要】Besides high temperature plasma heated to millions of degrees,there are 4.5 K supereritieal helium provided by cryogenic system in the "artificial sun" EAST device to cool the superconducting magnets to below the critical temperature.At present,EAST cryogenic system is still the largest cryogenic helium system in China and its equivalent refrigerating capacity at 4.5 K is over 2 kW.This paper introduces the working principle and system composition of EAST cryogenic system,describes compressor station,refrigerator,distribution system and cryogenic measurement and control system.Finally,the operation of EAST cryogenic system is briefly described.%在“人造太阳”EAST装置的内部,除了存在几千万度的高温等离子体外,还存在由低温系统提供的4.5 K(-268.65℃)低温超临界氦,将超导磁体冷却至临界温度以下,使其工作保持在超导态.EAST低温系统是目前中国最大的氦低温系统,其当量制冷量超过2 kW/4.5 K.首先介绍了EAST低温系统的工作原理与系统组成,然后描述了压缩机站、制冷机、分配系统和低温测量控制系统,最后简单阐述了EAST低温系统的运行情况.【期刊名称】《自然杂志》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】5页(P108-112)【关键词】EAST;低温系统;氦制冷机【作者】朱志刚;张启勇【作者单位】中国科学院等离子体物理研究所,合肥230031;中国科学院等离子体物理研究所,合肥230031【正文语种】中文由强磁场约束高温等离子体的磁约束核聚变，被认为是人类最终实现可控核聚变能利用最具前途的方法。
大型氦气压缩机技术特点和发展趋势
大型氦气压缩机技术特点和发展趋势我们要明确了解大型氦气压缩机的概念和作用。
大型氦气压缩机是一种专门用于将氦气进行压缩的设备，它在不同领域具有重要的应用，比如核磁共振成像、超导磁体制冷、航天器冷却等。
而随着科技的不断发展，大型氦气压缩机的技术特点和发展趋势也备受关注。
一、大型氦气压缩机的技术特点1. 高效：大型氦气压缩机在压缩氦气时，能够提供高效的工作性能，将氦气压缩到所需的压力和温度范围，从而满足不同领域的需求。
2. 稳定：在压缩氦气的过程中，大型氦气压缩机能够保持稳定的工作状态，确保氦气压缩的质量和效率。
3. 可靠：大型氦气压缩机采用先进的技术和材料，具有较高的可靠性和耐久性，能够长时间稳定运行。
4. 自动化：现代大型氦气压缩机普遍采用自动化控制系统，能够实现智能化操作和远程监控，提高工作效率和安全性。
5. 环保：在设计和制造大型氦气压缩机时，环保性能也是重要考量因素，比如降低能耗、减少排放等，以满足可持续发展的要求。
二、大型氦气压缩机的发展趋势1. 高性能化：随着科学技术的不断进步，大型氦气压缩机将朝着更高的性能发展，包括更大的压缩比、更高的稳定性和精度等方面的提升。
2. 智能化：未来的大型氦气压缩机将更加智能化和自动化，通过先进的控制系统和人工智能技术，实现更智能、便捷的操作和管理。
3. 绿色化：环保和节能将成为大型氦气压缩机发展的重要方向，包括采用更环保的制冷剂、提高能效、减少排放等方面的改进。
4. 多样化：随着氦气在不同领域的应用不断扩大，大型氦气压缩机将向着多样化和定制化方向发展，以满足不同行业和领域的需求。
总结回顾通过本文的介绍，我们对大型氦气压缩机的技术特点和发展趋势有了更深入的了解。
大型氦气压缩机具有高效、稳定、可靠、自动化和环保等特点，而其发展趋势则将朝着高性能化、智能化、绿色化和多样化的方向不断前进。
作为关键的气体压缩设备，大型氦气压缩机在现代科技和工业中具有重要的地位，其发展也将为相关领域的科学研究和工程应用提供更好的支持和保障。
大型氦低温制冷系统研究进展
中 图分 类号 ：Ｂ ６ Ｔ ６１
文献标 识码 ： Ａ
文 章编号 ：０ ０６ １ （ ０ ０ ０ －０ ８０ １０ ．５ ６ ２ １ ）４０ １ －６
Ｄｅ ｅ ｏ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｆｌ ｒ ｅ ｈ ｌｕ ｒ ｏ ｅ ｃ ｓ ｓ ｅ ｎｔｏ ａ ｇ ｅ ｉ ｍ ｃ ｙ ｇ ｎｉ ｙ ｔ ｍ
ｌｖ ｌｏ ｈ ｒｄ．Ｔｈ ｒ ｃ ｓ ｅ ，ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｓａ ｄ ｏ ｅ ａ ｉ ｏ ｄｉ ｏ ｓｏ ｈ ｓ ｏ ｒｔｐ ｃ ｌｃ ｏ ｅ ｉ ｙ — ｅ ｅ ｆｔ ｅ ｗｏ ｌ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｎ ｐ ｒ ｔ ｎｇｃ ｎ ｔ ｎ ｆｔｅ ｅ ｆｕ ｙ ｉ ａ ｒ ｇ ｎ ｃ ｓ ｓ ｉ ｙ
（ 安 交 通 大 学 制 冷 与 低 温 工 程研 究所 西
西安
７０ ４ ） １０ ９
摘 要 ： 温超 导技 术在基 础科 学研 究 中的广泛应 用 ， 大地 带动 了低 温工程 的发展 。大型 强子 低 极
对 撞 机 （ Ｈ 、 际 热 核 聚 变 实验 堆 （Ｔ Ｒ） 先 进 实验 超 导 托 卡 马 克 （ Ａ Ｔ 、 京 正 负 电 子 对 撞 机 Ｌ Ｃ） 国 ＩＥ 、 Ｅ Ｓ ）北
重 大改造 项 目（ Ｅ ＣＩ） 配套 的大型氦 低 温 系统 ， 别作 为 国 际与 国 内最 大的低 温 装 置 ， 表 了 当 Ｂ Ｐ— 所 Ｉ 分 代 今低 温技 术的 最 高水 平 。介 绍 了这 ４个典型低 温 系统 的流程 、 性能 指标 以及运行 情 况 ， 以及 其 它具 有
ｇ ｆ Ｃｈ ｎ ． Ａｎ ｈ ａ ｇ ｓ ｎ ｅ ｎ ｔｏ ａ ｒ ｏ ｅ ｉ ｖｃ ｓ， ｔ ｅ ｅｉ ｍ ｃ ｙ ｇ ｎ ｃ ｙ ｔｍ ｓ ｏ ｈ Ｌ ｒ ｅ ｙｏ ｉａ ｄ ｔ ｅ ｌｒ ｅ ｔｉ ｔｒ ａｉ ｎ ｌ ｃ ｙ ｇ ｎ ｃ ｄｅ ｉｅ ｈ ｈ ｌｕ ｒｏ ｅ ｉ ｓ ｓｅ ｆｔ ｅ ａ ｇ
《低温工程》2010年总目次
迪 ， ５ １） 等 （６
Ｌ Ｇ潜 液 泵 的研 制 Ｎ
… … … … …… … … … … …… … 孙 晓玲 ， ２ ２ ） 等 （ ０
超 导 磁 体 失 超 引起 的氦 泄 放过 程 分 析 …… … … … … 李 兰 凯 ， ５ ２ ） 等 （１
边
琳， ３ 等 （７）
５ｋ ０ Ａ超 导变 压 器 的 设 计及 研 制
… …… … … … … … 刘 华 军 ， ３ １ ） 等 （ １
等 （ １ 铝 基体 超 疏 水 表 面 的抗 结 冰 结 霜 效果 分 析 … …… … 徐文 骥 ， ６ １ ）
低 温温 度 测 量 与 控 制 系统 研 究 … …… … … … … …… 王
Ｇ — 型脉 管 制 冷机 电磁 阀 和 旋 转 阀配 气 系 统 的 比较 实 验 研 究 Ｍ
… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ・ 一
张 国渊 ， ２ 等 （８）
王
超， ５ 等 （６）
双声 源 驱 动 热声 系统 的理 论 声 场 重构 与 实 验 验 证
细胞 及 组 织 的 玻璃 化 保 存 研 究进 展 … … …… … … … 海 峰 ， ５ ５ ） 徐 等 （９ 中 国散 裂 中子 源低 温系 统 的 氢 安 全方 案 设 计 … … … 崇 超 ， ６ 何 等 （１） 可 视化 Ｄ Ｃ新 设 备及 其 在 低 温 冻存 研 究 领 域 的应 用 Ｓ
… … … … … … … ・ … … … … … … … … … … … … ・ ・
基于 Ｐ Ｏ Ｒ ／Ⅱ的 液 态 甲烷 精 馏 设 计 与模 拟 … … … … 赵 耀 中 ， ４ ５ ） 等 （ ３ 碳 纤 维 复合 材 料 低 温 热 导率 测 试 方 法 … … … … … …… 张建 可 ４ ５ ） （ ８ Ｌ Ｇ船用 Ｂ Ｇ再 液 化 装 置工 艺 流 程 模 拟 与优 化 Ｐ Ｏ … 黎志昌 ， ４ ６ ） 等 （ ２ ｌＯ ｚ 冲 管 制冷 机 设 计 与 实验 研 究 … … … … … … 徐 娜娜 ， ５ ＯＨ 脉 等 （１）
无油浮动涡旋压缩机驱动液氦温区JT制冷机实验研究
18 K。涡旋压缩机输入电功由功率计测量,功率计量
程 0. 5—2 200 W,测量不确定度为读数的 ± 1% 。 排
气压力 pd 和吸气压 力 ps 分 别 由 压 力 计 P1 和 P2 测
得 ,测 量 不 确 定 度 分 别 为 ± 2 × 10 - 3 MPa 和 ± 3. 3 ×
图 3 无油浮动涡旋压缩机 Fig. 3 Picture of oil-free floating scroll-type compressor
采用“浮动涡卷” 技术的涡旋压缩机无油润滑, 可通过设置背压腔的方式平衡涡卷间分离力、减轻涡 卷之间的磨损,使涡卷在高速运转以提供大压比的同 时实现压缩腔密封[12] 。 本研究采用一台无油浮动涡 旋压缩机驱动液氦温区预冷型 JT 制冷机,搭建了 闭 式液氦温区 JT 制冷机实验平台,开展了降温实验,研 究了无油浮动涡旋压缩机背压对其 效率的影响。
( 2 Key Laboratory of 3D Micro / Nano Fabrication and Characterization of Zhejiang Province, School of Engineering, Westlake University, Hangzhou 310024,China)
图 1 压缩机测试平台原理图 Fig. 1 Schematic of the compressor experimental setup
图 2 涡旋压缩机 效率与压比关系 Fig. 2 Relationship between exergetic
efficiency and pressure ratio
摘 要:为验证无油浮动涡旋压缩机驱动液氦温区 JT 制冷机的可行性,搭建了闭式液氦温区 JT 制冷机实验平台,开展了降温实验,实现了液氦温区制冷。 通过调节压缩机背压,在压比为 9. 57 时优 化得到浮动涡旋压缩机的 效率为 8. 65% ,此时制冷机可在 4. 4 K 提供 24. 0 mW 制冷量。
液氦温区预冷型jt制冷机闭式循环实验研究
Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２４ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔａｒｇｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｒｅａｌｉａｂｌｅ ｌｉｑｕｉｄ ｈｅｌｉｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌ￣
基金项目:国家自然科学基金(５１８０６１９９) ꎻ载人航天预先研究项目(０１０１０６)
液氦温区预冷型jt制冷机闭式循环实验研究图1预冷型jt制冷机实验测试系统fig1experimentalsystemofprecooledjtcryocoolerjt制冷机中换热器是低温部件体积和质量的主体?系统中选取的cfhx均为套管式换热器?结构简单?内管通高压流体?外管通低压流体?增加长度即可提高效率?prehx由一块铜块加工形成?铜块端面与gm制冷机紧密贴合?并在铜块内部打孔形成弯折的流道?将预冷机的冷量传递给氦气?chx则是将蒸发段管路真空钎焊在铜块上?通过布置在铜块上的加热电阻h3将热量均匀传递给蒸发管路?并在换热器进出口布置温度计来测量制冷温度?由于jt制冷机仅由单级线性压缩机驱动?若压缩机压比过高?会造成排气温度升高?严重时可能会造成进排气阀的阀片断裂?因此实验中控制压比均小于4?为了在较小的压比条件下获得足够的制冷量?需要尽量降低预冷温度图1中12点温度?因此实验中未采用h1h2进行加热?为了加速jt制冷机降温?在chx的出口处增设了旁通管路?在降温初期?开启旁通管路?当节流前温度降低至转化温度约45k以下时?关闭旁通管路并调节jt阀的开度?使氦气进行节流制冷进一步降温?直至达到并稳定在液氦温区?根据实验要求?需对温度压力流量以及加热功率进行测量?具体测量仪器及精度如表1所示15?3闭式循环实验3????1降温曲线图2是液氦温区jt制冷机的降温曲线?给出表1实验测量仪器15table1measurementinstrumentinexperiment15物理量仪表传感器量程测量精度温度铑铁温度计4300k0????1kcernox温度计4300k0????1k压力geunik5000压力传感器03mpa0????04fs00????7mpa0????04fs流量bronkhorstf111b流量计150mgs0????5rd0????1fs电压电阻电流keithley2700110v0????003rd0????0005fs01000????01rd0????002fs100100000????01rd0????0006fs020ma0????05rd0????008fs图2jt制冷机降温曲线fig2coolingcurveofjtcryocooler了gm制冷机两级预冷温度t3和t6以及jt阀前后温度t13和t15的变化?降温过程中线性压缩机均处于开启状态?降温初期?jt阀处于全开状态?气体在
低温制冷机 氦
低温制冷机氦低温制冷机是一种利用低温物质进行制冷的装置，而氦则是低温制冷机中常用的制冷介质之一。
本文将从氦的特性、低温制冷机的工作原理以及氦在低温制冷中的应用等方面进行探讨。
我们先来了解一下氦的特性。
氦是一种无色、无味、无毒的惰性气体，具有很低的沸点和凝固点，在常温下为气态。
它是宇宙中最丰富的元素之一，广泛存在于星际空间和地球大气中。
由于氦的低沸点和凝固点，使得它成为低温制冷的理想选择。
低温制冷机利用氦的特性进行制冷。
其工作原理主要基于热力学循环，通过氦气的膨胀和压缩来实现温度的降低。
低温制冷机通常由压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器等组成。
首先，氦气被压缩机压缩成高压气体，然后通过膨胀阀放松压力，使氦气膨胀成低温低压气体。
在蒸发器中，氦气吸收外界的热量并蒸发，将周围的物体冷却。
随后，氦气被冷凝器冷却并压缩回高压气体，循环再次开始。
氦在低温制冷中有着广泛的应用。
首先，氦被广泛应用于科学研究领域。
在低温物理实验中，需要将物体冷却到极低温以观察其特性，而氦制冷机则提供了可靠的制冷手段。
其次，氦还被应用于超导材料的制备和研究中。
超导材料在极低温下表现出良好的电导性能，而氦制冷机则能够提供足够低的温度来实现超导材料的制备和研究。
此外，氦还被应用于医学影像设备中，例如核磁共振成像仪，其需要低温来保持超导磁体的性能。
低温制冷机使用氦作为制冷介质，能够提供稳定可靠的低温环境，确保医学影像设备的正常工作。
除了氦，低温制冷机还可以使用其他制冷介质，如液氮和液氢。
液氮和液氢具有更低的沸点和凝固点，因此在更低温范围内能够提供更低的温度。
然而，液氮和液氢的制冷能力相对较强，使用起来也更加复杂和昂贵。
相比之下，氦作为一种常见的制冷介质，具有较高的制冷效果和较低的成本，因此在低温制冷中得到广泛应用。
低温制冷机利用氦作为制冷介质，通过氦气的膨胀和压缩实现温度的降低。
氦具有无毒、无味、无色的特性，是一种理想的低温制冷介质。
低温制冷机在科学研究、超导材料制备和医学影像设备等领域有着广泛的应用。
氦制冷机原理
氦制冷机原理
嘿，朋友们！今天咱就来唠唠氦制冷机的原理！你想啊，就像我们大热天要靠空调来凉快一下一样，有些特别的地方就需要氦制冷机来发挥大作用啦！
氦制冷机呢，简单来说，就是能把氦气变得超级冷的一个神奇机器。
想象一下，氦气本来就很轻很轻，它在这个机器里就像是一个小精灵在跳舞，通过一系列复杂的过程，最后变得冰冷冰冷的。
比如说，在一些科学研究的实验室里，需要极低的温度来进行实验，这时候氦制冷机就挺身而出啦！科学家们就像指挥家一样，让氦制冷机奏响低温的乐章。
你看啊，就好比我们夏天吃冰棍觉得特别爽，那是因为冰棍很冷嘛，氦制冷机呢，就是制造这种“冷爽”的大功臣！它里面有各种部件像紧密合作的好伙伴，压缩机就像大力士，用力把氦气压缩；换热器呢，就仿佛是个魔法师，让氦气在它那里变魔法，温度降下来。
“哎呀，这氦制冷机真的有这么神奇吗？”有人可能会这么问。
嘿，那当然啦！没有它，很多高科技的研究和实验可就没法顺利进行咯！它就像是隐藏在幕后的超级英雄，默默为科学进步贡献力量呢！
所以啊，氦制冷机的原理虽然听起来有点复杂，但它真的超级重要！我们得好好珍惜和利用它带给我们的福利呀！大家说是不是这个理儿呢？。
氦气的应用实例
氦气的应用实例
氦气是一种无色、无味、无毒、无燃性的惰性气体，具有许多应用实例。
下面简单介绍一些常见的应用领域。
一、氦气在制冷行业的应用
氦气在制冷行业中有着广泛的应用。
例如，低温物理实验、半导体生产和超导电磁体都需要使用制冷剂。
而氦气正是低温环境必不可少的制冷剂。
氦气在制冷行业中的应用还包括空调、制冷车和冷冻库的制冷。
二、氦气在医疗领域的应用
氦气在医疗领域中也有着广泛的应用。
例如，氦气在核磁共振成像（MRI）等医疗设备中用作制冷剂，发挥着重要的作用。
同时，氦气也被用作一种氧化剂，用于治疗呼吸系统疾病和协助诊断。
三、氦气在航空航天行业中的应用
氦气在航空航天领域也有着广泛的应用。
例如，氦气在膜式沼气飞艇的氦气囊中被用作浮力介质，使飞行器得以从地面起飞到高空。
氦气也被用于火箭燃料和运载火箭的压力测量。
四、氦气在生命科学研究中的应用
氦气在生命科学研究中也有着广泛的应用。
例如，氦气在细胞培养中
被用作气体介质，为细胞生长提供必要的氧气和二氧化碳。
此外，氦
气还被用作口腔、鼻腔手术时局部麻醉，以及缓解压力和焦虑症状。
总体来说，氦气作为一种重要的工业气体，其使用范围非常广泛。
随
着技术的发展和科研的进步，它在各个领域的应用前景也越来越广泛。
大型氦低温系统多变量控制
低 温 工 程
ＣＲＹＯＧＥＮＩ ＣＳ
ＮＯ ．１ ２ ０ｌ ７ Ｓ ｕ ｍ ＮＯ ． ２１ ５
大 型 氦 低 温 系统 多 变 量 控 制
雷 灵 龙 彭 楠 刘 立 强 熊联 友
北京 １ ０ ０ １ ９ ０ ）
关键 词 ： 大 型 低 温 系统 氦 制 冷 机 氦 液 化 器 模 糊 控 制 神 经 网络
中 图分类 号 ： Ｔ Ｂ ６ ５ １ ， Ｔ Ｂ ６ ６
文献标 识 码 ： Ａ
文 章编 号 ： １ ０ ０ ０ ． ６ ５ １ ６ （ ２ ０ １ ７ ） ０ １ － ０ ０ ２ ６ — ０ ５
（ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｈｅ ｌ ｉ ｕｍ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ — ｓ ｃ ａ ｒ ｅ ｃ ｒ ｙ ｏ ｇ ｅ ｎ ｉ ｃ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｗｉ ｄ ｅ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｓ ｏ ｆ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｄｕ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ， ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎｄ ｈ ｉ ｇ ｈ・ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｐ ｕｌ ｓ ｅ ｌ ｏ ａ ｄ，ａ ｎ ｄ ｈ ｅ ｌ ｉ ｕ ｍ ｒ ｅ ｆ ｒ ｉ ｇ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ
超低温制冷原理
超低温制冷原理超低温制冷原理是指通过一系列物理、化学的手段将物体降温至接近绝对零度（-273.15°C）的过程。
这个过程在现代科学技术中扮演着重要的角色，尤其在物理、化学、生物实验等领域中，超低温制冷技术的运用大大提高了实验精度和准确性。
那么它的原理是什么呢？下面我们从几个方面慢慢阐述。
第一步：利用压缩机制冷超低温制冷技术的出现与压缩机的发明息息相关。
压缩机是一种能将低温制冷剂压缩成高温高压处理流体的机器。
其原理是利用压缩机将制冷剂压缩，使其内能增加，然后通过冷凝器散热，将制冷剂冷却，最后通过热膨胀阀达到降温的效果。
超低温制冷的压缩机与普通压缩机相比，在工艺上有一定差异，其运作过程需要在高真空环境中进行。
第二步：利用单层和双层超导体超低温制冷剂通常都是氦气或氢气，而超导体可以在低温下通过电流运转。
超导体有两种类型：单层和双层。
单层超导体比双层超导体更容易被制造。
单层超导体中经过电流的电子对排列非常规则，电子自身的自旋和运动方向一致。
而双层超导体常常由两种不同材料组成，通过制作复合体达到所需的低温环境。
利用单层和双层超导体的性质，可以通过超导效应达到降温的目的。
第三步：利用液氦冷却器液氦冷却器是目前4K制冷和超低温制冷的主要设备，它将氦气压缩，并通过液化的方式达到降温。
液氦冷却器中的压缩机能将氦气压缩到数百赫兹，并将氦气冷却为液态状态。
液氦冷却器中的氦气成本更高，但是它比其它制冷剂更高效，而且对于高性能的超导体设备而言，液氦冷却器是最好的选择。
综合来看，超低温制冷原理是一个极其精细的工程，涉及到许多领域的学科知识。
通过利用压缩机、单层和双层超导体、液氦冷却器等设备和技术，可以达到极低的温度和强大的均匀性和稳定性，不但在物理、化学、生物学等科学领域用途广泛，也能为航空航天、制造业、纳米技术等领域带来极大的帮助。
氦低温系统运行和维护研究
图1 SHMFF氦低温系统示意图氦低温系统运行氦低温系统运行流程主要包括氦气液化、液氦供应、氦气回收、氦气纯化、氦气储存等部分。
氦制冷机要求氦气的纯度为99.999%，首先，将100m³罐中的纯氦气经压缩机压缩、油气分离器去除氦气中的油后输送入氦制冷机，氦气在制冷机内经过与液氮和主路回流氦气换热、膨胀机对外做功、节流阀等焓图2 制冷机流程示意图图3 移动杜瓦输液示意图1.3 氦气的回收与纯化氦回收系统含有两台回收压机，回气系统回收率高，回收量大，回收系统流程具体见图4。
各用户实验室均布置有回收管道并接至50m³气袋，当气袋达到60%的高度时，第一台回收压机启动，将气袋内的氦气压入高压钢瓶组内，当气袋高度上涨至75%的高度时，第二台回收压机启动，当气袋内的氦气高度降至台压机停止工作。
储存回收氦气的高压钢瓶组压力超过图5 回收系统回收率回到回收系统的实验用户氦气纯度约为100PPM，由于氦低温系统对氦气纯度的要求，需要通过纯化器纯化得到5PPM的纯氦气，因此氦气纯化工作至关重要。
氦气纯化器工作压力约为20bar，纯化量为100m³/h。
来自高压钢瓶组的脏氦气经过减压阀减压过后进入纯化器，氦气进排气压差应控制在1bar左右，纯化速度不能过快，以使纯化器充分的吸收氦气中的杂质。
纯化器纯化2000m³的脏氦气后，需要进行纯化器的再生操作，首先放空纯化器内的液氮，用加热后的氮气将纯化筒和干燥筒吹至室温以上，使活性炭在低温下吸附的N2、O2等杂质释放出来，然后抽纯化器管路真空，将液氮重新输入纯化筒，使纯化筒冷却至液氮温度，纯化器的再生过程需要8小时。
随着实验用户液氦需求的增加，氦低温系统原有的一台纯化器无法满足纯化需求，因此，又研制了一台纯化能力相当的纯化器，图4 回收系统流程示意图图6 扩散泵（左）和分子泵（右）回收氦气油含量过高存在的问题：经过长时间的运行，发现回收氦气中的水和油的含量偏高，影响纯化器纯化量。
BEPCⅡ超导腔低温氦制冷压缩机压力控制
气压 力控 制 气 压 力和 排 气压 力 的 控 制 方 Ｌ 法 ，并通 过 Ｂ Ｐ Ｉ 温 系统的 实 际运 行 情况对研 究 结论进 行验 证 。 Ｅ Ｃ Ｉ低
关键 词 ：螺杆 压缩机 ；ＰＤ控 制 器 ；Ｐ Ｃ Ｅ Ｃ Ｉ Ｉ Ｌ ；Ｂ Ｐ Ｉ；超 导腔 中 图分 类 号 ：Ｔ ６ ３ Ｂ ６ 文献 标识 码 ：Ａ
ｉ ｎ ＢＥＰ Ｉ ． Ｃ Ｉ
Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｒ ｓ： Ｓ ｒ ｗ ｃ ｍｐ ｅ ｓ ｒ ｃ ｅ ｏ ｒｓｏ ；ＰＩ ｏ ｔｏｌｒ Ｄ ｃ ｎ ｒｌｅ ；ＰＬ Ｃ； ＢＥＰ Ｉ ＲＦ ｃ ｖｔ Ｃ Ｉ ；Ｓ ａ ｉ ｙ
前
言
Ｂ Ｐ １ （ 京 正 负 电 子 对 撞 机 重 大 改 造 项 ＥＣ １ 北
机 气体 压力 控制 对 于超导 腔低 温系统 的稳 定运 行是
至关 重要 的。
收 稿 日期 ：２ ０ －９２ ０ ６０ —７
作 者 简 介 ：张 兴 起 （９Ｏ １８一
的研 究 。
） ，男 ，硕 士研 究 生 ，现 在 中 国科 学 院高 能 物 理 研 究 所 从 事 Ｂ Ｐ Ⅱ低 温 制 冷 机 控 制 系 统 ＥＣ
ｏ ｅｒ ｅ ａｏ ａ ｅ ｎ Ｐ Ｃ ｐ ｏ ｒｍ ａ ｅ ｎ ｐ ｏ ｏ ｅ ｎ ｈ ｎ ｖ ｒ ｉ ｙ ｐ ａ ｔ ｌｏ ｅ ａｉｎ ｏ ｈ ｒ ｇ ｎ ｃ ｓ ｓｅ ｆｒｒｆ ｇ ｒｔｒｂ ｓ ｄ ｏ Ｌ ｒｇ ａ ｈ ｓｂ ｅ ｒｐ ｓｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｆ ｄ ｂ ｒ ｃｉａ ｐ ｒｔｏ ｆｔ ｅ ｃ ｏ ｅ ｉ ｙ ｔｍ ｉ ｉ ｅ ｃ ｙ
・
３ ・ ４
维普资讯
Ｃ ２ ５ Ｂ和 Ｃ ２ ５ Ｂ来 调节 ，当压缩 机 缓 冲罐压 力 Ｖ ２０ Ｖ ２５ 变 化 时 ，一 部分 高压 氦 气通 过 ２个旁 通 阀从 压缩 机 排 气 １ 回压缩 机 吸气 １ ３返 ３，同 时旁 通 阀的 动作会 引 起 压缩 机转 速 的相应 变 化 ，对 压缩 机缓 冲罐 的压 力 也 起调 节作 用 。 压 缩机 排气 压 力控 制 回路 Ｐ ２ ５ Ｂ的工 作 过程 Ｃ １０
超低温制冷技术研究及其在航天工程中的应用
超低温制冷技术研究及其在航天工程中的应用超低温制冷技术是一种涉及到温度极低的方法，其在物理、航空航天、医学等领域中具有广泛的应用。
航空航天工程中，超低温制冷技术是一项重要的技术，可以实现高精度的任务和载荷，例如卫星对地观测和深空探测等。
本文将从超低温制冷技术的基本原理、常用的超低温制冷技术、航天工程中的应用以及未来发展方向等方面加以综述。
一、超低温制冷技术基本原理超低温制冷技术基于制热制冷原理，利用压缩空气或者过冷制冷剂产生低温，并将低温传导到冷却体上。
超低温制冷技术的原理是利用制冷剂的物理性质，将其从高压到低压，使其从气态到液态，从而吸收热量。
通过连续压缩和膨胀制冷剂，可以将温度降至极低。
二、常用的超低温制冷技术1. 液氮制冷技术液氮是一种常见的制冷介质，可以制造出非常低的温度。
液氮的沸点为-196°C，因此它可以对航空航天领域的设备和载荷进行高精度的冷却。
2. 液氦制冷技术液氦是一种超低温制冷剂，其沸点为-269°C。
液氦不会引起任何化学反应并减小了热噪声。
它在超导介质、红外探测器、低温物理学、医学、分子生物学、半导体研究等领域中得到广泛应用。
3. 声波制冷技术声波制冷是一种新型的超低温制冷技术。
其原理是利用声波产生的变压差来冷却物体，可以实现对磁共振成像等高灵敏度设备的高效制冷。
三、航天工程中的应用超低温制冷技术在航天领域中应用非常广泛。
例如，卫星对地观测需要大面积的高精度光学镜头，透镜组件的制冷就需要超低温制冷技术。
同时，行星探测器和深空探测器对环境温度和热噪声的抗干扰能力要求非常高，超低温制冷技术可以保证设备在任何复杂环境下都能运行可靠。
四、未来发展方向未来的超低温制冷技术将更强调节能安全、小型化和多样化。
节能和安全主要是通过降低制冷系统的能量损失，减小设备占地面积，并通过研发新的制冷剂或者改进制冷剂的性质来实现。
小型化需要多种超低温制冷技术整合使用，同时也需要加强技术的协同性。
氦稀释制冷机
稀释制冷机是1962年首先由Heinz London提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同位素3He和4He的混合物作为制冷剂。
这个过程要依赖3He和4He特殊的热力学特征。
氦是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。
氦在大气中含量极低，只有5×10-6体积分数左右。
在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10-12Pa•s左右，具有极好的超流动性, 流动几乎没有阻力。
同时，导热系数非常大，比铜大104倍，因此在超流液氦中不可能形成温度梯度。
氦由二种稳定同位素3He和4He组成。
正常的氦气里仅含1.3×10-6的3He，因此，除非特别说明，一般均指4He。
4He在2.172K以下，具有超流动性，而3He的超流动性要将温度降到0.003K时才显示出来。
在极低温下，液体3He和4He混合时具有吸热效应，这些特性被用于稀释制冷机中。
Heinz London, German (1907-1970)低温下3He和4He的液氦混合物相图显示，3He和4He的混合物可以是正常液体、超液体、正常液体和超流体的两相混合物，取决于混合物的浓度和温度。
稀释冷却只可能发生在低于三相点温度的地方。
低温下3He/4He液相混合物相图在低于三相点（0.87K）的温度下，3He/4He液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相。
一个相主要含有3He，因此被称为3He的浓缩相，对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。
一个相主要含有3He，因此被称为4He的浓缩相，对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。
不论什么温度下，总是至少含有6％的3He。
油和水的混合物在一起是一个很好的例子，可以说明这种状态。
如果维持油水混合物在一个较高的温度，油和水将保持均匀混合。
但是，如果降低温度，油会与水分开且浮在上面，仔细分析后发现油中有少量水存在，反之，水中有少量油存在，即这是含有两个不同油水混合物浓度的两相混合物。
连续氦稀释制冷原理含有两个不同油/水混合物浓度的两相混合物如同液体蒸发相变制冷，需要额外的能源把3He原子从3He的浓缩相运输到3He 稀缺相（4He的浓缩相）。
氦制冷原理
氦制冷原理氦是一种常见的制冷剂，它在低温物理实验和工业制冷领域有着广泛的应用。
氦制冷原理是指利用氦气的特性来实现低温制冷的过程。
在这个过程中，氦气通过压缩、膨胀、吸热和放热等过程，将热量从被制冷物体中带走，从而使被制冷物体的温度降低。
下面将详细介绍氦制冷原理的相关知识。
首先，氦气具有良好的导热性能，这使得它在制冷过程中能够快速地吸收被制冷物体的热量。
其次，氦气在常温下是一种无色、无味、无毒的惰性气体，这使得它在制冷过程中不会对被制冷物体造成污染或损害。
此外，氦气的沸点非常低，仅为4.2K，在常压下，这使得它非常适合用于制冷超导体和其他需要极低温度的实验。
氦制冷原理的关键在于氦气的压缩和膨胀过程。
在制冷装置中，氦气首先被压缩成高压氦气，然后通过冷凝器散发热量，使氦气冷却成液态氦。
接着，液态氦通过膨胀阀膨胀成低压氦气，这个过程中液态氦吸收了大量的热量，使得被制冷物体的温度得以降低。
最后，低压氦气再次通过蒸发器吸收热量，变成高压氦气，完成一个制冷循环。
除了压缩和膨胀过程，氦制冷原理还涉及到氦气的传热过程。
在制冷装置中，冷凝器和蒸发器起着至关重要的作用。
冷凝器通过散发热量使氦气冷却成液态氦，而蒸发器则通过吸收热量使液态氦蒸发成气态氦。
这些过程需要精确的控制和设计，以确保制冷装置的稳定运行。
总的来说，氦制冷原理是利用氦气的特性，通过压缩、膨胀和传热过程，将热量从被制冷物体中带走，从而实现制冷的目的。
氦气的导热性能、低沸点和无毒无害的特性，使得它在低温制冷领域有着独特的优势和广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，相信氦制冷技术将会得到进一步的改进和应用，为人类的科学研究和工业生产带来更多的便利和可能。
液氦制造低温环境的原理
液氦制造低温环境的原理一、液氦的性质液氦是氦气在极低温度下液化而成的物质，其沸点极低，在标准大气压下为4.2K（约-268.95℃）。
与其他液体不同，液氦在接近绝对零度时具有独特的量子特性，如超流动性和超导性。
由于其低沸点和良好的热传导特性，液氦常用于制造低温环境。
二、低温环境的需求在许多科学研究和工业应用中，低温环境是必需的。
例如：1. 超导材料的研究：超导现象通常在极低温下出现，液氦被广泛用于降低材料温度。
2. 粒子物理实验：高能物理实验需要在低温下进行，以减少热噪声对实验结果的影响。
3. 医学成像：如磁共振成像（MRI）设备中超导线圈的冷却。
三、液氦制造低温环境的原理液氦制造低温环境的过程一般包括以下几个步骤：1. 液化过程氦气通过冷却和增压的方式液化。
一般的液氦生产过程使用制冷机，首先将氦气经过压缩和多个冷却阶段，最终在极高的压力下转变成液体。
2. 低温制冷液氦系统采用多种制冷技术来维持低温环境。
常用的方法包括：- 吸附制冷：通过使用吸附剂在低温下吸附特殊气体，利用气体的相变来吸收热量。
- 制冷循环：利用气体膨胀和压缩的物理特性，通过循环使系统中的热量得到有效转移。
3. 热交换器液氦通过热交换器与设备进行热量交换，从而快速降低设备的温度。
热交换器的设计使得液氦能够最大限度地接触到需要冷却的表面，确保热量快速传递。
四、总结液氦由于其优越的物理特性和极低的沸点，使其在制造低温环境中扮演着不可或缺的角色。
它的应用不仅限于科学研究，还扩展到医疗、电子等多个领域。
了解液氦的性质及其在低温环境制造中的应用原理，对相关行业的发展具有重要意义。
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2K单位 热负荷 （W）
80K热负荷 5K热负荷 （KW） （KW）
2K热负荷 （KW）
总的等效 4.5K热负荷
（KW）
96 200
40
8
19.2
3.84
0.77
腔壁动态热负荷
96 200
40
62.4
19.2
3.84
5.99
HOM动态热负荷
96 390
39
13
37.44
3.74
1.25
控制阀箱及管线
Hale Waihona Puke 等效4.5K热负荷1.34
1.74
总的等效 4.5K热负荷 （KW)
2K
0.1 0.74 0.23 0.16
1.47 2.26
7.3
10.38
4
主环单环方案热负荷初步预算
主环， 650MHz 超导腔 Cryomodule： 4*5cell
静态热负荷
数量
80K单位 热负荷 （W）
5K单位 热负荷 （W）
CW 5 CW 2
384 96 384 64
514 4E10
2
514 2E10
2
15.6
5.99
21.9
8.41
Booster环采用1.3GHz 9-cell超导腔，全环256只9-cell超导腔，每8只腔 公用一台cryomodule，共32台Cryomodule；工作温度2K。
主环单环方案采用650MHz 5-cell超导腔，全环384只5-cell超导腔，每4 只腔共用一台Cryomodule，共96台Cryomodule；工作温度2K。
80K
5K
2K
总热负荷（KW）
80K
5K
静态热负荷
32
140
20
3
4.48
0.64
腔壁动态热负荷
32
140
10
23.2
4.48
0.32
HOM动态热负荷
32
52.8
3.2
7.2
1.69
0.10
控制阀箱及低温管 16
50
10
10
0.8
0.16
线
小计
11.45
1.22
合计（余量因子1.54）
12.99
1.88
各温区总的热负荷 等效4.5K热负荷
单位
增强器
40-80K 5-8K 2K
KW 12.99 1.88 2.26
KW 1.34 1.74 7.3
主环 40-80K 5-8K 2K
120.49 18.33 13.06 9.12 16.97 42.13
总的4.5K等效热负荷 KW
CEPC总热负荷
KW
10.38
21.9
Higgs 局部双环 （低功率）
650 384 2 6 10 4
64 9.26 20.1 0.461 206 2E10 102.1 2 0.5
20.8
Z-pole 局部双环
650 32 1 2 5 1 16 4.47 19.4 0.231 103 5.0E9 47.6 2 0.2 38.9
2
内容
CEPC主环部分双环超导腔主要参数 CEPC低温系统热负荷预算 CEPC低温系统布局及方案 CEPC低温系统关键技术及预研项目
1
CEPC 部分双环超导腔主要参数
超导腔频率（MHz） 超导腔总数 超导腔cell数 腔数 / 恒温器 恒温器长度（m） 恒温器数目 / 高频半分区
恒温器总数 腔压（MV） 加速梯度（MV/m） 超导腔有效长度（m） R/Q（Ω） 品质因数Q0 每腔储能（J） 运行温度（K） 每腔高阶模功率（kW）
48 50
10
10
2.4
0.48
0.48
小计
78.24
11.9
8.48
合计（余量因子1.54）
等效4.5K热负荷 （KW）
120.49 9.12
18.33 16.97
13.06 42.13
68.22
5
主环部分双环方案热负荷初步预算
主环， 650MHz 超导腔 Cryomodule： 6*2-cell
2.26 (1.53) 17.63 (16.84)
18.33 (13.74) 20.21 (15.62) 197.9
4.00 (3.09)
13.06 (15.12) 15.32 (17.38) 703.0
10.77 (12.22)
8
主环部分双环方案
共设8个低温超导 站点：
每个站点Booster环 4台Cryomodule， 共32台；
小计
合计（余量因子1.54）
等效4.5K热负荷 （KW）
60
131.58 19.2
14.4
4.8
9.21
10
10
1.6
49.21
50.75 5.7
3.84 0.921 0.32 8.92 13.74 12.4
8.421 0.307 0.32 9.82 15.12 48.6
66.67
6
CEPC低温系统总热负荷
每腔2 K动态热负荷（W）
Higgs 单环 （Pre-CDR）
650 384 5 4 10 6
96 18.25 15.8 1.153 514 4E10 158.7 2 3.6
16.2
Higgs 局部双环 （高亮度
650 384 2 6 10 4
64 9.5 20.6 0.461 206 2E10 107.4 2 0.8
CEPC 主环超导腔低温热负荷
Booster环
频率 （MH z）
1300
每腔电 占空
压
比
（MV）
20
20%
每腔 腔数 Modu R/Q
cell
le数
数
9
256 32
1036
Q 2E10
温度 （K)
2
每个腔壁 动态损耗 （W）
3.86
总的动态损 耗 （kW)
0.99
主环（单 650 17.9 环）
主环（部 650 9.5 分双环）
主环部分双环方案采用650MHz 2-cell超导腔，全环384只2-cell超导腔 ，每6只腔共用一台Cryomodule，共64台Cryomodule；工作温度2K
3
Booster环热负荷初步预算
Booster环， 1.3GHz 超导腔 Cryomodule： 8*9cell
数量 热负荷/module（W）
68.22 (66.67) 78.6 (77.05)
7
CEPC低温系统电功率消耗初步预算
Boost总的热负荷（KW）
80K热负荷 17.63
5K热负荷 1.88
2K热负荷 2.26
主环总的热负荷（KW） CEPC总热负荷（KW） 制冷机效率（W/W) 电功率消耗（MW） 总的电功率消耗（MW）
120.43 (75.79) 138.06 (93.42) 16.4
静态热负荷
数量
80K单位 热负荷 （W）
5K单位 热负荷 （W）
2K单位 热负荷 （W）
80K热负荷 5K热负荷 （KW） （KW）
2K热负荷 （KW）
总的等效 4.5K热负荷
（KW）
64 300
60
12
19.2
3.84
0.77
腔壁动态热负荷
64 300
HOM动态热负荷 控制阀箱及管线
64 144 32 50