液氮冷卻循環系統

一、產品概述

液氮冷卻循環系統（簡稱 SLNCS）是專為低溫永磁波蕩器（CPMU）設計的核心外圍設備。CPMU 作為第三代同步輻射光源的關鍵插入件，需在液氮溫區（約 82K）工作以提升磁場峰值（較真空內波蕩器提高 30%~50%）和矯頑力（增加 50% 以上），從而獲得更高亮度的 X 射線同步輻射光。SLNCS 通過提供穩定的過冷液氮冷源，確保 CPMU 高效運行，是國際同步輻射光源領域的重要技術裝備。

二、核心性能指標

1. 溫度控制：過冷液氮出口工作溫度 78~80K，控溫精度達 ±0.2K，進出口溫差≤3K，確保 CPMU 磁體溫度穩定。

2. 流量調節：工作體積流量 9.7L/min，調節范圍 2.0~19.4L/min，可通過液氮泵變頻器靈活適配不同熱負載需求。

3. 壓力控制：工作壓力 0.3MPa（表壓），調節范圍 0.15~0.5MPa，壓力波動≤±7.5kPa，保障液氮單相過冷態穩定。

4. 制冷能力：最大可供制冷量 1300W，可滿足 CPMU 在高負載下的散熱需求。

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液氮冷卻循環系統

三、系統組成與工作原理

1. 總體架構

• 低溫冷箱：系統核心，集成冷量供給與循環動力部件，包括冷箱杜瓦、液氮泵、過冷換熱器、自動控壓裝置等。

• 閥箱：負責流量調節與備用功能，通過低溫閥門控制液氮分配，冷箱故障時可切換至備用液氮源，保障 CPMU 持續運行。

• 真空絕熱管道：連接冷箱、閥箱與 CPMU，減少冷量損失，確保低溫傳輸效率。

2. 工作流程

1. 從 CPMU 流出的回溫過冷液氮經真空管道進入冷箱，由液氮泵增壓；

2. 增壓后的液氮進入過冷換熱器，與冷箱杜瓦內的常壓液氮換熱，恢復過冷態（78~80K）；

3. 過冷液氮經閥箱調節后流入 CPMU，吸收磁體熱量；

4. 吸熱后的液氮返回冷箱，完成循環。

四、核心組件設計

1. 冷箱杜瓦 閥箱

• 冷箱是液氮循環系統的核心,所有重要的部件均集成于冷箱中。閥箱的作用是分配冷箱提供的過冷液氮,通過閥箱中的各個低溫閥的開啟和關閉來調節供給CPMU的過冷液氮量處于一個合適的值;同時閥箱可在冷箱故障時,為CPMU提供常壓液氮和氣液相分離的作用,保證進入循環的為單相流,供CPMU臨時低溫運行工作。

• 冷箱由冷箱杜瓦和上蓋板組件組成。上蓋板組件由上蓋板、過冷換熱器、液氮泵、自動控壓裝置、控制閥門、壓力溫度測量傳感器及其它安全組件組成。閥箱主要由真空容器、低溫氣動閥、手動低溫閥、連接管道及其他安全測量組件組成。冷箱和閥箱三維設計如圖4所示3.1 冷箱杜瓦

• 冷箱杜瓦為真空絕熱廣口杜瓦結構,杜瓦內盛放一定量的常壓液氮,通過常壓液氮的蒸發為系統提供冷量。內筒設計工作壓力為0.25 MPa,材料為SUS304,尺寸為 φ850 mm,厚度為2 mm,底部為封頭結構。夾層為真空,外筒承受0.1 MPa的外壓,材料為SUS304,經過設計計算及ANSYS模擬,尺寸為φ 950 mm,厚度為4 mm,底部為封頭結構。

• 功能：儲存常壓液氮，為過冷換熱器提供冷源。

2. 自動控壓裝置

• 自動控壓裝置為液氮循環系統的核心部件之整個循環系統的循環壓力在此產生和控制,使循環液氮處于單相流的過冷態。自動控壓裝置包括控壓容器、補液閥門及放氣閥門、加熱裝置、壓力測量及控制、引壓管道和安全組件，自動控壓裝置中應當保持一定的壓力。該壓力須遠高于回流液氮的飽和蒸氣壓,才能確保回流液氮過冷而無氣泡產生。自動控壓裝置中設有加熱器,通過加熱容器中的液氮使自動控壓裝置中保持較高的壓力,自動控壓裝置通過管道與循環系統相連,將壓力傳遞到循環系統,壓力為0.15~0.5 MPa(表壓),其對應的飽和溫度為86~96K。正常工作壓力為 0.3 MPa(表壓)。
  

• 在循環過程中,由于一定的系統泄漏,循環系統中的液氮會慢慢減少。當自動控壓裝置中液氮減少到設定值時(由液面計監控),提示液氮儲槽向自動控壓裝置內補充液氮。控壓容器的設計工作壓力為0.15~0.5 MPa,常用工作壓力為0.3 MPa,設計耐壓為1.0 MPa。材料為SUS304,容量為18 L。

• 組成：含 18L 控壓容器（SUS304 材質，耐壓 1.0MPa）、補液 / 放氣閥門、加熱裝置及壓力傳感器。

• 原理：通過加熱容器內液氮維持 0.15~0.5MPa 壓力（常用 0.3MPa），確保循環液氮為單相過冷態；液位低于設定值時自動補液，保障系統穩定。

3. 低溫液氮泵

• 選型：采用美國 Barber-Nichols Inc 的 BNCP-30G000 型離心泵，適配變頻器調節流量。

• 性能：最大流量 33L/min，最大揚程 43m 液氮柱，可克服系統 63kPa 總阻力（沿程阻力 49kPa + 局部阻力 14kPa），滿足流量調節需求。

4. 過冷換熱器

• 材質與結構：紫銅管（φ25×2）制成螺旋盤管，長度 27.6m（含 1.3 倍裕度），螺旋直徑 800mm，共 11 圈。

• 性能：換熱面積 1.429m2，管內高壓液氮與管外常壓液氮高效換熱，進口溫度 83K、出口溫度 80K，滿足 3K 換熱溫差要求。

五、測試驗證與可靠性

• 壓力穩定性：24h 壓力波動≤2kPa（控壓容器液位 30%~40% 時最佳），離線測試壓力波動僅 1.825kPa。

• 溫度與流量：進出口溫度差 < 3K，控溫精度 ±0.2K，流量調節范圍覆蓋 2.0~19.4L/min。

• 故障冗余：備用系統可在冷箱故障時無縫切換，確保 CPMU 不間斷運行。

六、應用價值