4KG-M制冷机做冷源的自循环氦液化装置研制

　　1 引 言

　　液氦被广泛应用于超导技术、空间技术、低温电子学和高能物理研究等方面。目前作为可达到 4. 2K 的唯一方便冷源，液氦已经广泛应用于大中小型低温系统及低温实验室。对于实验室中小型低温科学试验装置的液氦蒸发率小的仅有几 L/d，大的也只有150 L / d。如果专门配备标准氦液化器，按最小液化率 20 L/h 计算，每天将富余 300 L - 400 L 液氦，因此，必须配备液氦储存容器、液氦输液管、输液管插接头等，从而导致液氦在储存和加注过程中的消耗量将远大于磁体系统的消耗量。另一方面，氦液化器占地面积大、维护复杂、操作需要专门技术人员，采用标准氦液化器为实验室中小型低温科学试验装置提供氦在人力财力上都造成很大浪费。

　　针对实验室中小型低温科学试验装置液氦消耗量，需要建造合适的微小型氦液化装置。目前市场上存在成熟的 4 KG-M 制冷机和脉冲管制冷机产品，使建造微小型氦液化装置成为可能。近 5 年来，发达国家如美国、德国、日本大力开发以这种制冷机做冷的小型氦液化装置，美国已开发出以单台和 3 台脉冲管制冷机做冷源的小型氦液化器产品。据文献报道:美国采用一台制冷机氦液化产品可达到 18 L/d 的液氦产量[1 - 3]、3 台制冷机氦液化产品可达到50 L/d 的液氦产量。因此，采用小型制冷机来建造能够满足液氦需求量的氦液化装置成为近年来国际低温界的热点。

　　本文研制成功以 5 台 1. 5 W/4. 2 K G-M 制冷机(日本住友 RDK415D)做冷源的自循环小型氦液化装置，在液氦温度为 4. 17 K(饱和压力为 96 kPa)时，获得了74 L/d 的液化率;在液氦温度为4. 42 K(饱和压力为 121 kPa)时，获得了 116 L/d 的液化率;经拟合，在液氦温度为 4. 2 K(饱和压力为 100 kPa)时，液化率为 83 L/d。而且该小型氦液化装置不需要循环泵，实现了自循环，运行可靠。作为首台具有每天百升氦液化率的小型氦液化装置的成功研制，对涉及低温液氦的科学实验、氦气资源的有效利用和多台制冷机氦液化装置的设计制造，都具有积极意义。

　　本装置将安装于中国科学院近代物理研究所重离子加速器超导离子源液氦冷却系统上，以延长液氦的加注周期乃至实现“零加注”.

　　2 5 台 1. 5 W /4. 2 K G-M 制冷机做冷源的自循环氦液化装置理论计算液化率

　　图1 为日本住友公司生产的 RDK415D G-M 制冷机的冷量曲线，二级冷头4.2 K 对应的制冷功率为1.5W。可根据图 1 拟合一级和二级冷头不同温度对应的制冷功率 Q1和 Q2，进而计算 5 台 1. 5 W/4. 2 KRDK415D 制冷机理论计算液化率。5 台制冷机为并联关系，以单台为例计算，理论计算液化率只考虑冷头冷量并忽略换热器出口温差和流动阻力，如图2 所示。