液氮过冷循环系统设备

液氮过冷循环系统设备（简称 SLNCS）是专为低温永磁波荡器（CPMU）设计的核心外围设备。CPMU 作为第三代同步辐射光源的关键插入件，需在液氮温区（约 82K）工作以提升磁场峰值（较真空内波荡器提高 30%~50%）和矫顽力（增加 50% 以上），从而获得更高亮度的 X 射线同步辐射光。SLNCS 通过提供稳定的过冷液氮冷源，确保 CPMU 高效运行，是国际同步辐射光源领域的重要技术装备。

二、核心性能指标

1. 温度控制：过冷液氮出口工作温度 78~80K，控温精度达 ±0.2K，进出口温差≤3K，确保 CPMU 磁体温度稳定。

2. 流量调节：工作体积流量 9.7L/min，调节范围 2.0~19.4L/min，可通过液氮泵变频器灵活适配不同热负载需求。

3. 压力控制：工作压力 0.3MPa（表压），调节范围 0.15~0.5MPa，压力波动≤±7.5kPa，保障液氮单相过冷态稳定。

4. 制冷能力：最大可供制冷量 1300W，可满足 CPMU 在高负载下的散热需求。

5. 
   

液氮过冷循环系统设备

三、系统组成与工作原理

1. 总体架构

• 低温冷箱：系统核心，集成冷量供给与循环动力部件，包括冷箱杜瓦、液氮泵、过冷换热器、自动控压装置等。

• 阀箱：负责流量调节与备用功能，通过低温阀门控制液氮分配，冷箱故障时可切换至备用液氮源，保障 CPMU 持续运行。

• 真空绝热管道：连接冷箱、阀箱与 CPMU，减少冷量损失，确保低温传输效率。

2. 工作流程

1. 从 CPMU 流出的回温过冷液氮经真空管道进入冷箱，由液氮泵增压；

2. 增压后的液氮进入过冷换热器，与冷箱杜瓦内的常压液氮换热，恢复过冷态（78~80K）；

3. 过冷液氮经阀箱调节后流入 CPMU，吸收磁体热量；

4. 吸热后的液氮返回冷箱，完成循环。

四、核心组件设计

1. 冷箱杜瓦 阀箱

• 冷箱是液氮循环系统的核心,所有重要的部件均集成于冷箱中。阀箱的作用是分配冷箱提供的过冷液氮,通过阀箱中的各个低温阀的开启和关闭来调节供给CPMU的过冷液氮量处于一个合适的值;同时阀箱可在冷箱故障时,为CPMU提供常压液氮和气液相分离的作用,保证进入循环的为单相流,供CPMU临时低温运行工作。

• 冷箱由冷箱杜瓦和上盖板组件组成。上盖板组件由上盖板、过冷换热器、液氮泵、自动控压装置、控制阀门、压力温度测量传感器及其它安全组件组成。阀箱主要由真空容器、低温气动阀、手动低温阀、连接管道及其他安全测量组件组成。冷箱和阀箱三维设计如图4所示3.1 冷箱杜瓦

• 冷箱杜瓦为真空绝热广口杜瓦结构,杜瓦内盛放一定量的常压液氮,通过常压液氮的蒸发为系统提供冷量。内筒设计工作压力为0.25 MPa,材料为SUS304,尺寸为 φ850 mm,厚度为2 mm,底部为封头结构。夹层为真空,外筒承受0.1 MPa的外压,材料为SUS304,经过设计计算及ANSYS模拟,尺寸为φ 950 mm,厚度为4 mm,底部为封头结构。

• 功能：储存常压液氮，为过冷换热器提供冷源。

2. 自动控压装置

• 自动控压装置为液氮循环系统的核心部件之整个循环系统的循环压力在此产生和控制,使循环液氮处于单相流的过冷态。自动控压装置包括控压容器、补液阀门及放气阀门、加热装置、压力测量及控制、引压管道和安全组件，自动控压装置中应当保持一定的压力。该压力须远高于回流液氮的饱和蒸气压,才能确保回流液氮过冷而无气泡产生。自动控压装置中设有加热器,通过加热容器中的液氮使自动控压装置中保持较高的压力,自动控压装置通过管道与循环系统相连,将压力传递到循环系统,压力为0.15~0.5 MPa(表压),其对应的饱和温度为86~96K。正常工作压力为 0.3 MPa(表压)。
  

• 在循环过程中,由于一定的系统泄漏,循环系统中的液氮会慢慢减少。当自动控压装置中液氮减少到设定值时(由液面计监控),提示液氮储槽向自动控压装置内补充液氮。控压容器的设计工作压力为0.15~0.5 MPa,常用工作压力为0.3 MPa,设计耐压为1.0 MPa。材料为SUS304,容量为18 L。

• 组成：含 18L 控压容器（SUS304 材质，耐压 1.0MPa）、补液 / 放气阀门、加热装置及压力传感器。

• 原理：通过加热容器内液氮维持 0.15~0.5MPa 压力（常用 0.3MPa），确保循环液氮为单相过冷态；液位低于设定值时自动补液，保障系统稳定。

3. 低温液氮泵

• 选型：采用美国 Barber-Nichols Inc 的 BNCP-30G000 型离心泵，适配变频器调节流量。

• 性能：最大流量 33L/min，最大扬程 43m 液氮柱，可克服系统 63kPa 总阻力（沿程阻力 49kPa + 局部阻力 14kPa），满足流量调节需求。

4. 过冷换热器

• 材质与结构：紫铜管（φ25×2）制成螺旋盘管，长度 27.6m（含 1.3 倍裕度），螺旋直径 800mm，共 11 圈。

• 性能：换热面积 1.429m²，管内高压液氮与管外常压液氮高效换热，进口温度 83K、出口温度 80K，满足 3K 换热温差要求。

五、测试验证与可靠性

• 压力稳定性：24h 压力波动≤2kPa（控压容器液位 30%~40% 时良好），离线测试压力波动仅 1.825kPa。

• 温度与流量：进出口温度差 < 3K，控温精度 ±0.2K，流量调节范围覆盖 2.0~19.4L/min。

• 故障冗余：备用系统可在冷箱故障时无缝切换，确保 CPMU 不间断运行。

六、应用价值