低温楼超低温环境设计研究

涂 强

(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120)

1 工程项目概况

低温楼位于北京市昌平区十三陵神路东侧，国家计量院实验基地内。低温楼由实验室和辅助楼两个部分组成，两部分间通过走廊连接。实验室为地下1层，层高7 m，地上1层，层高7 m。辅助楼为单层，层高5 m。总建筑面积约4 000 m2。低温楼由量子霍尔低温实验室、交流霍尔低温实验室等十几个实验室组成，最低温度可达到4.2 K。部分实验室为24 h不间断保证超低温环境。由于实验设备有振动要求，在实验室内实验时，严禁使用可产生振动的设备，因此各实验室需要的配套动力设备设置在辅助楼内，均通过管道系统连接低温楼内实验室，达到所需要的实验要求，并且辅助楼内的动力设备均做减震处理，所有管道均敷设在实验室外的走廊吊顶内。本文主要论述如何达到4.2 K超低温实验环境。

2 工作原理

在低温楼内，实验室需达到超低温环境的实验器容积约100 L，所有实验室可同步工作。具体的工作流程为：首先将试验器内部抽真空，极限真空压力5×10-4乇，然后注入液氦，利用液氦的物理特性，实现最低温度4.2 K，由于液氦不断气化，容器内的温度不断提高，为维持超低温环境，需要不断补充液氦。实验器内液氦气化后，排出的氦气将通过气囊收集，再经过高压压缩机压缩，分别通入储气罐、钢瓶、纯化器、液氦机，高压氦气经过液氦机制得液氦后，装入低温杜瓦瓶后，人工推至实验容器循环使用。氦气补充采用高纯钢瓶外购氦气。回收后剩余气体压缩至储气罐、钢瓶存储。具体流程见图1。

3 系统介绍

3.1 液氦及氦气回收系统

由于实验器液氦需求量较大，并且使用时间长，为保持实验器内温度，需要将不断气化的氦气排出。如果将气化后氦气放空，氦气消耗量太大，而高纯氦气的价格昂贵，将导致运行费用过高。如果不考虑回收，将增加维持低温环境的费用，通过技术经济综合比较，在本系统中设置氦气回收系统为更优选择。具体流程为实验器低温环境产生低压氦气，通过架空不锈钢管道输送至辅助楼30 m3储气囊，储气囊底标高4.5 m，室内架空安装。然后再通过高压压缩机压至高压储气罐和高压气瓶存储氦气，循环使用。有制液氦需求时，则高压机出口的氦气经减压后，至纯化器再进入制液氦系统。液氦系统内高纯氦气存贮于5 m3储气罐内，经螺杆压缩机增压后，进入制液氦系统，经二次膨胀和分流及六次换热制得液氦，分流的低温不纯气体，经换热后排放至大气。液氦存入1 m3杜瓦瓶。使用时将液氦从积液杜瓦瓶送至小杜瓦瓶，小杜瓦瓶移动至实验器设备侧使用。液氦系统制氦能力为40 L/h，如果利用液氮对氦气进行初级预冷，制氦能力增加为70 L/h～80 L/h。

3.2 真空系统

真空系统是实验器内环境达到超低温的关键。真空系统主要有三方面作用。作用一：提高容器内的氦气纯度，真空度越高氦气在容器内的纯度越高，能达到的温度越低。真空度要求越高，达到真空度越难，需要配套的设备和管道的要求越高，投资增加、真空系统控制难度加大。真空系统作用二：降低液氦在容器内的温度。真空系统作用三：有助于液氦的输送和氦气的回收。因此选择合适的压力、流量真空系统尤为重要。

低温楼共有13处真空用户，真空泵设在辅助站房内，真空泵为2X-30型，抽气速率30 L/s，真空泵的极限真空度为5×10-4乇，在真空泵吸口设1 m3真空罐，管道沿墙或柱架空敷设至各真空用户。

3.3 液氮系统

在辅助站房北侧设5 m3液氮罐一个，液氮从市区气体厂购置，由液氮槽车拉至液氮罐侧，向液氮罐补充液氮。液氮在低温楼内实验室。主要有两个用途：用途一：低温楼内实验室的低温实验器需达到63 K，通过将液氮杜瓦罐，拉至低温实验器侧，采取液氮制冷方式，获得实验器低温环境。氮气直接排放，不考虑回收。用途二：为液氦机提供初级冷源，将氦气初步冷却接近至液氮温度，以增加液氦机的液氦制备能力，氮气直接排放，不考虑回收。

3.4 氦气系统

氦气系统分两部分，一部分为氦气供应系统(补气系统)，一部分为氦气回收系统(前文已经论述)。

氦气供应系统(补气系统)，氦气为外购，氦气瓶为普通氦和高纯氦均可使用，但普通氦气，会增大液氦机的负担，减少制液量。如果使用时间间隔长，采用普通氦气即可，减少运行费用。反之，采用高纯氦气。供应系统具体流程为辅助楼内汇流排间设置5瓶组汇流排一套，瓶内气体经减压后，通过管路分别接至回收氦气的高压气罐和5 m3储气高纯气罐。当汇流排采用普通氦气时，连通回收系统管道，关闭通高纯气罐管道。如果采用高纯氦气瓶时，关闭回收系统管道，连通高纯气罐管道。

4 结论和建议

通过对超低温系统的分析和研究，提出如下结论和建议：

1)要实现超低温环境，保证气体纯度是成败的关键。因此，管道系统的施工也是一个不容忽视的重要环节。

2)液氮预冷是否使用，应充分考虑液氦制备时间。如果实验间隔时间充裕，可不采用液氮预冷。

3)氦气补气系统是购买普通氦气还是高纯氦气，应根据液氦机的能力和实验要求综合考虑，尽量采用普通氦气。