超流氦低温系统发展及涡轮冷压缩机的应用

　　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]。

　　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 LargeHadron 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。