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？。
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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