40 T混合磁體低溫分配閥箱真空系統設計

劉燁芒 歐陽崢嶸 李洪強 曲繼坤

(中國科學院強磁場科學中心 合肥 230031)

40 T混合磁體低溫分配閥箱真空系統設計

劉燁芒 歐陽崢嶸 李洪強 曲繼坤

(中國科學院強磁場科學中心 合肥 230031)

根據40 T穩態混合磁體低溫分配閥箱對真空的要求，對低溫分配閥箱真空系統進行了設計，設計結果如下:選擇閥箱真空室的殼體形狀，通過計算確定出真空室殼體壁厚為12 mm;選擇封頭形狀，對封頭強度進行校核，確定封頭壁厚為16 mm;對整個真空系統抽真空泵機組進行選型，選出粗抽泵機組由一套ZJ-150羅茨泵和2XZ-30旋片式真空泵組成，主抽泵由一套F-100/110分子泵和2X-4旋片式機械泵組成，可達到閥箱對真空度的要求。

40 T混合磁體 低溫分配閥箱 真空系統

1 引言

穩態強磁場實驗裝置是中國“十一五”國家大科學工程，由中國科學院合肥物質科學研究院和中國科學技術大學共同承建。其40 T穩態混合磁體由內水冷磁體和外超導磁體組成，其中外超導磁體為11 T，用鈮三錫CICC繞制而成，使用4.5 K超臨界氦迫流冷卻［1］。在外超導磁體與冷箱之間，安置低溫分配閥箱，通過低溫傳輸線傳輸超臨界氦至外超導磁體，所以低溫分配閥箱起到了一個中轉站的作用。為減少閥箱中低溫物質(超臨界氦、液氦和液氮)的冷量損失，需將其置于高真空工作環境中，所以低溫閥箱真空室達到低溫物質正常工作所要求的真空水平是保證低溫閥箱乃至整個外超導磁體正常運作的關鍵條件之一。本研究將針對40 T混合磁體低溫分配閥箱設計一套真空系統。

2 40 T混合磁體低溫分配閥箱對真空度的要求

40 T混合磁體低溫分配閥箱真空室材料為304不銹鋼，內表面積A304為30.9 m2，體積V為11.5 m3。為降低閥箱真空室與低溫物質之間的輻射熱負荷，在閥箱內壁與低溫物質之間裝有80 K冷屏，冷屏材料為紫銅，表面積ACu為21.64 m2。低溫分配閥箱要求室溫下的真空度達到10-3Pa，總漏率為1×10-2Pa·L/s。

圖1為閥箱真空室結構示意簡圖，圖中1為電流引線通道盲端，2為電流引線真空套管，3為上端蓋，4為傳輸線出口法蘭，5為圓筒形殼體，6為橢圓形封頭，7為底部支撐組件。

圖1 真空室結構圖Fig.1 Structure of the vacuum chamber

3 低溫分配閥箱真空室殼體設計

3.1 閥箱圓筒形殼體計算

因為圓筒形殼體制造容易且強度好，此閥箱真空室亦采用圓筒形殼體，真空室做成立式［2］。圓筒形殼體壁厚確定方法如下:

圓筒形殼體只承受外壓時，可按穩定條件計算，其壁厚為:

式中:DB為圓筒內徑，取2 400 mm;p為外壓設計壓力，真空容器選擇0.1 MPa;L為圓筒計算長度，取2 580 mm;Et為材料溫度為t時的彈性模量，查表可得304不銹鋼在室溫時的彈性模量為1.9×105MPa。

由式(1)計算可得圓筒形真空室殼體壁厚S0為9.5 mm，根據工程要求，取1.2倍的安全系數，圓筒形真空室殼體壁厚實際為12 mm［3］。

3.2 封頭強度計算

橢圓形封頭:

式中:M為封頭壁厚;p為外壓設計壓力，取0.1 MPa;DB為封頭內部直徑，為2 200 mm;γ為焊縫系數，取0.6;［σ］為許用應力，取144 MPa;hB為封頭凸出部分內邊高度，取530 mm;C為壁厚附加量，取1 mm。

4 低溫閥箱真空系統到達所需真空度的方案

針對低溫閥箱真空系統采用先由粗抽泵機組粗抽，將閥箱抽至10-1Pa，然后由主泵機組抽至所要求的真空度10-3Pa，擬定了以下方案:

4.1 主泵機組選型

4.1.1 主泵的有效抽速

主泵的有效抽速S由下式確定:

式中:Pg為低溫閥箱的工作壓力，取10-3Pa;Q為閥箱的總氣體量，主要由閥箱及真空元件的放氣量Q1、閥箱漏氣量Q2組成，閥箱真空室在工作過程中產生的氣體量為0。

Q2為總漏氣量，為10-2Pa·L/s，Q1由式(6)確定:

式中:q304為不銹鋼出氣率，取1.3×10-8Pa·L/(s·cm2);qCu為紫銅出氣率，取2.8×10-6Pa·L/(s·cm2)。

式(6)可算得 Q1為4.017×10-3Pa·L/s，由式(5)可得Q為1.401 7×10-2Pa·L/s，將計算所得Q代入式(4)，計算可得有效抽速S=14.02 L/s。取1.2倍的安全系數，則得到主泵實際要求的有效抽速為 16.824 L/s［5］。

4.1.2 主泵類型的確定

根據低溫閥箱對真空度的要求以及各種真空泵工作壓力范圍，選渦輪分子泵為主泵較為合適［2］。分子泵的有效抽速為16.824 L/s，考慮到加上閥門、擋板后泵的抽速損失(一般泵的有效抽速是泵的抽速的1/3左右)，暫選一臺抽速為110 L/s的分子泵F-100/110作為主泵，其進氣口直徑為100 mm，出氣口直徑為25 mm。根據旋片式機械泵的特點與用途，選取旋片式機械泵作為分子泵的前級泵。

圖2為閥箱真空泵機組示意簡圖，圖中1為閥箱簡圖，2為插板閥，3為分子泵，4為前級機械泵，5為主抽真空管，6為真空支管，7為粗抽泵機組。

圖2 閥箱真空泵機組示意簡圖Fig.2 Schematics diagram of turbo-molecular pumping sets

為了提高抽速以及真空泵的效率，應使管道流導較大，則管道應該短而粗，故取主抽真空管道5的直徑為200 mm(大于100 mm)、長800 mm，真空支管的直徑為100 mm(等于100 mm)、長200 mm。分子泵與閥箱之間安裝插板閥GC-100。

4.1.3 驗證主泵選型的合理性

首先確定閥箱與分子泵之間的真空管內氣體的流動狀態。由于分子泵入口壓力很低(10-3Pa)，管路出口壓力可忽略，則真空管道中的平均壓力為:

此時Pˉd=0.1×10Pa·m＜0.02 Pa·m，其中d為主抽真空管道直徑(200 mm)，可見氣體沿低溫閥箱與分子泵之間的管道內氣體流動狀態為分子流。

計算分子泵與低溫閥箱之間的總流導U:

總流導U由真空管道(圖2中5和6)的流導U1和插板閥的流導U2串聯得到:

分子泵與閥箱之間的真空管道為直角管道，以克勞辛系數計算管道流導，流導U1按照直徑為200 mm計算有:

式中:A為真空管截面積，通過計算得到A為314 cm2，α為克勞辛系數，查表取0.181，則計算可得U1=659 L/s。

GC-250插板閥的流導為U2=1 100 L/s，由以上計算可得到總流導U=412 L/s;則分子泵的抽速Sp為:

計算可得Sp為17.5 L/s，可見選一臺F-100/110分子泵作為主泵是合適的。

4.1.4 主泵前級管路系統選型

渦輪分子泵所配置的前級泵抽速應滿足式(10):

式中:Sp為前級泵的抽速，L/s;Qmax為最大流量，Pa·L/s，Qmax=10-1Pa ×110 L/s=11 Pa·L/s;Pj為渦輪分子泵前級壓力;分子泵平穩抽速的工作壓力范圍為10-1Pa—10-7Pa。

Pj取 10 Pa［2］，代入可得到 Sp＞1.1 L/s。

F-100/110分子泵的排氣口直徑為25 mm，選分子泵前級管道的直徑d1為25 mm，長度為1 000 mm。機械泵與分子泵之間的真空管道平均壓力:Pˉ1=

由于0.02 Pa·m＜0.125 Pa·m ＜0.67 Pa·m，所以氣體在分子泵與前級泵之間的真空管道內的流動狀態為粘滯-分子流。

查表可得，分子泵前級管道的流導為:

式中:d1為管道直徑25 mm，L為管道長度1 000 mm，J查表可得為2.25，最后算得 U＇為4.25 L/s。

分子泵前級泵的抽速為:

取1.5倍的安全系數，則Sp1為2.25 L/s。根據計算，可為F-100/110分子泵的前級泵選配一臺2X-4旋片式機械泵。

4.2 粗抽泵機組選型

粗抽泵機組包括羅茨泵和機械泵，在低溫閥箱抽真空過程中，將先啟動機組中的機械泵將閥箱抽至1 000 Pa，再啟動羅茨泵將閥箱抽至 10-1Pa［4］。

4.2.1 羅茨泵的選型

羅茨泵的抽速由式(13)確定:

式中:t3為預抽時間，為3 600 s;p3為經時間t3后的壓力，為10-1Pa;Kq3為修正系數，查表取為4;V為閥箱的體積，為11.5 m3;pi3為羅茨泵開始抽氣時閥箱的壓力，為1 000 Pa。

計算可得，Sp3=117.6 L/s，則粗抽泵可選一臺ZJ-150羅茨泵。

4.2.2 機械泵的選型

機械泵的抽速由式(14)確定:

式中:t2為預抽時間，為3 600 s;p2為經時間t2后的壓力，為1 000 Pa;Kq2為修正系數，查表取為1.5;V為閥箱的體積，為11.5 m3;pi2為機械泵開始抽氣時閥箱的壓力，為105Pa。

計算可得，Sp2=22 L/s，則粗抽泵機組中的機械泵可選擇一臺2XZ-30直聯式旋片機械泵。

5 結論

本研究根據40 T混合磁體低溫分配閥箱對真空的要求，對閥箱真空系統進行了設計計算。低溫分配閥箱真空室采用圓筒形立式結構，圓筒形殼體壁厚為12 mm;下封頭采用外壓凸形封頭中的橢圓形封頭，封頭壁厚為16 mm;真空系統采用先由粗抽泵機組抽至10-1Pa，最后由分子泵機組抽至10-3Pa的方案，其中粗抽泵機組由一套ZJ-150羅茨泵和2XZ-30直聯式旋片真空泵組成，主泵機組由一套 F-100/110渦輪分子泵和2X-4旋片式機械泵組成。

1 張倩，歐陽崢嶸，李洪強.穩態混合磁體裝置低溫系統過冷槽的設計與優化［J］.低溫工程，2011(4):46-50.

2 達道安.真空設計手冊［M］.國防工業出版社，2006.

3 彭晉卿，武玉.ITER導體檢漏真空室的設計與優化［J］.真空，2009(9):30-33.

4 孟秋敏，歐陽崢嶸.40 T混合磁體外超導磁體杜瓦真空系統設計［J］. 低溫工程，2012(5):19-21.

5 張以忱，黃英.真空材料［M］.冶金工業出版社，2005.

Design of vacuum system for cryogenic valve box of 40 T hybrid magnet

Liu Yemang Ouyang Zhengrong Li Hongqiang Qu Jikun

(High Magnetic Field Laboratory，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China)

Based on the vacuum requirement of the cryogenic valve box，the vacuum system for cryogenic valve box of 40 T hybrid magnet was designed.The design results were as follows:selecting the shell shape of the vacuum chamber of the valve box，the wall thickness of the vacuum chamber was 12 mm;selecting the shape of shell cover，the wall thickness of the shell cover was 16 mm;the entire vacuum system vacuum pump units were selected，roots pumping sets consisting of one ZJ-150 and 2XZ-30 pumps，turbo-molecular pumping sets consisting of one F-100/110 and 2X-4 pumps.The vacuum system can meet the vacuum requirement of the cryogenic valve box.

40 T hybrid magnet;cryogenic valve box;vacuum system

TB611

A

1000-6516(2013)04-0038-03

2013-05-08;

2013-07-02

劉燁芒，男，24歲，碩士研究生。